（系统工程专业论文）基于路段的空车调配优化模型研究.pdf

摘要 空车调配是铁路运输技术计划的重要组成部分，是实现铁路车辆资源有效配 置、确保铁路均衡运输、提高铁路货车利用率和适应市场经济、指导运输生产的 重要手段。我国铁路拥有运用货车近5 0 余万辆，全路平均空车走行率约为3 0 左右， 空车走行率最高的铁路局可达到5 0 左右。因此如何通过合理调配空车来提高车辆 利用率，乃至提高铁路在运输市场中的竞争力，己成为铁路企业十分关心的问题， 也是铁路以营销为中心进行改革的重要目标。由于空车调配是一个受主客观诸多 复杂因素影响的调度决策问题，所以在理论和实际应用方面都还没有得到很好解 决，仍是一个重大的理论和实际应用的研究课题。 本论文主要通过对传统的空车调配优化模型特点的分析，找出了其中的不足 之处，然后在借鉴国内外研究成果的基础上，提出了一个具有实际应用价值的空 车调配优化模型，即基于路段的空车调配优化模型。最后通过一个模拟的算例， 证明了本文所提出的空车调配优化模型对于解决最短径路未知、含有路段通过能 力约束的空车调配问题，不仅可行，而且效果良好。 本论文的创新点主要有： ( 1 ) 可解决路网上任意两支点间最短径路未知情况下的空车调配问题； ( 2 ) 可追踪每股空车流的走行径路； ( 3 ) 可解决含有路段通过能力约束的空车调配问题。 关键词：空车调配；路段；车流径路；通过能力 分类号： a bs t r a c t t h ee m p t yw a g o n sd i s t r i b u t i o n ，b e i n gt h em a i np a r to ft h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n p l a n ，i sa ni m p o r t a n tm e a n st o r e a l i z ee f f e c t i v ed i s t r i b u t i o no ft h er a i l w a yw a g o n s r e s o u r c e ，t oi n s u r er a i l w a yp r o p o r t i o nt r a n s p o r t a t i o n ，t oi n c r e a s et h er a t eo fr a i l w a y w a g o n s a n dt om a k et r a n s p o r t a t i o n p r o d u c t i o n i no r d e r a t p r e s e n t ，t h e r e a le a p p r o x i m a t e l y5 0 0 ，0 0 0f r e i g h tw a g o n s ，a n dt h ea v e r a g e r a t i oo fe m p t yw a g o nk i l o m e t e r s t ol o a d e dw a g o nk i l o m e t e r si sa b o u t3 0 t h em a xr a t i op e r h a p s5 0 t ot h o s er a i l w a y e n t e r p r i s e s ，i tn o wb e c o m e sab i gp r o b l e mw h i c ha t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt o f i n do u th o wt oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo ft h ee m p t yw a g o n sa n dt h ec o m p e t i t i o na b i l i t y o fr a i l w a yi n t r a n s p o r t a t i o nm a r k e t ，w h i c h i sa i mo fr a i l w a ym a r k e t - o r i e n t e d r e f o r m a f f e c t e db yt o om u c hs u b j e c t i v ea n do b j e c t i v ef a c t o r s ，e m p t y - c a r - d i s t r i b u t i o n p r o b l e mh a sn o tb e e ns o l v e dt h o r o u g h l yo nb o t ht h e o r ya n dp r a c t i c e ，w h i c hr e m a i n sa l l i m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lr e s e a r c ht a s k t h i sp a p e ra n a l y s e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a d i t i o n a lo p t i m i z a t i o nm o d e l so f e m p t y c a rd i s t r i b u t i o na n dp o i n t e do u tt h o s ed e f i c i e n c y ，a n dt h e nc o n s t r u c t e da o p t i m i z a t i o nm o d e lo fe m p t yc a rd i s t r i b u t i o nw h i c hi sc l o s et oo u rr a i l w a yo p e r a t i n g f e a t u r e s a tl a s t ，t h i sp a p e rp r o v e dt h a tt h em o d e li sb e t t e ra n df e a s i b l eb ys i m u l a t i n ga n e x a m p l e t h e r ea r et h r e em a i ni n n o v a t i v ea s p e c t si nt h i sp a p e r , w h i c ha l ep r e s e n t e da s f o l l o w s ： 1 t h em o d e lp o i n t e do u ti n t h i sp a p e rc a ns o l v et h ep r o b l e mo fe m p t yc a r d i s t r i b u t i o nw h e nt h es h o r t e s tr o u t ei nt h ew e b ； 2 t h em o d e lp o i n t e do u ti n t h i sp a p e rc a nf i n do u tt h er o u t et h r o u g hw h i c ht h e e m p t yc a r sg e tt ot h es t a t i o n sw h i c hn e e ds o m ee m p t yc a r s ； 3 t h em o d e lp o i n t e do u ti n t h i sp a p e rc a ns o l v et h ep r o b l e mo fe m p t yc a l d i s t r i b u t i o nw h e nt h e r ea l es o m er e s t r i c t i o n sw h i c hc o m ef r o mt h ec a r r y i n gc a p a c i t yo f l i n k k e y w o r d s ：e m p t y c a rd i s t r i b u t i o n ；l i n k ；c a r - f l o wr o u t i n g ；c a r r y i n gc a p a c i t y c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 夯稚 签字f 1 期：万衫年6 月厂，只 导师签名： 签字同期：砂矿年月j 广日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：聿参釜犯 签字日期： 沙彦年么月厂日 2 0 0 8 年5 月 致谢 本论文的工作是在我的导师林柏梁教授的悉心指导下完成的，林教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年柬林老 师对我的关心和指导。 林柏粱教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向林老师表示衷心的谢意。 林柏梁教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，乔国会、叶晓龙等同学对我论文中的部分研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人在物质和精神上的无私援助，他们的理解和支持使我能够在 学校专心完成我的学业。 1 绪论 1 1 研究背景和意义 1 1 1 研究的背景 1 国内铁路建设的不断投入，路网等级的不断提高，但仍然存在运输能力相 对落后、运输能力相对不足、运输能力供不应求的现象。 随着我国经济建设的高速平稳的发展，我国铁路建设也进入一个新的发展时 期，新线建设和旧线改造等措施从基本上改善了路网结构和运输能力。在铁路运 输工作组织中，以市场为导向，按照市场的规律办事，提高运输质量，降低运输 成本，充分发挥铁路运输的竞争力，改变了铁路运输在整个运输市场竞争中的被 动局面，己成为当前运输组织工作的核心。而更重要的是，我国的铁路运输能力 相对落后，运输能力相对不足，运输能力供不应求的现状在短期内还无法彻底改 变。尤其是在货物运输过程中会出现临时的、局部的能力紧张现象，制约着货运 服务质量的进一步提高。引起运输能力紧张的原因较多，最主要的原因是总体运 输能力不足不能适应运输需求的快速发展，运输需求结构和空间分布已经或正在 发生变化，与路网能力分布的不均衡形成矛盾，即运力分布与需求( 货源) 分布不 协调。货源按照发货单位和数量，可分为大、中、小三种货源，大宗货源占货源 总量的7 0 左右，并且相对稳定，在市场经济条件下，中、小货源虽然只占全部运 量的3 0 左右，但是难以预测，具有较大的随机性。市场竞争要求铁路货物运输能 够适应这种变化，并相应加强对车流进行同步调整的工作。 铁道部只常调度管理工作的任务，就是合理控制车流分布，减少各种干扰因 素对正常运输工作的影响。我国铁路网自从建国以来都是统一规划建设和统一运 用。全国铁路运输企业执行统的运行图、统一的车流径路、统一的列车编组计 划，各级管理部门和各工种合理分工、统一动作。在铁道部去路运输调度机构的 统一指挥下，客货并重，对干线通过能力精密计划、合理分配、均衡使用；对货 车运力统一调整、共同运用；均衡的组织全路客货运输，合理地协调和平衡运输 能力与运输需求的尖锐矛盾。我国铁路运输调度指挥系统的目标就是：充分利用 现有的运输资源，降低运输成本，提高运输质量。 2 加入w t o 后我国铁路将面临的竞争与挑战。 随着社会主义市场经济的日益发展，特别是中国正式加入w t o 之后，现代物 流产业，作为促进经济发展的“加速器 和“第三利润源泉，正在引起企业界 以及政府部门的广泛关注。它己被纳入到我国第十个和第十一个五年规划纲要当 中，成为我国未来经济发展的重要领域。现代物流以运输技术和信息技术为基础， 在满足流通需求的同时，追求将服务全过程的系统总成本降至最低水平，而流通 过程则依托以信息技术为支撑的运输系统来完成。运输承担了物品在空间各个环 节的位置转移任务，解决了供给者和需求者之间场所分离的问题，是物流创造“空 问效应”的主要功能要素。据北美和欧洲的大量实际应用表明，对物流配送过程 进行优化，可以在总运输成本中获得5 2 0 的节省，而总运输成本在商品最终总 成本中占1 0 一2 0 。随着入世后我国铁路行业对国外运输企业的准入开放，铁路 垄断的计划经营将受到冲击，物流企业的涉入将使得铁路面临新的挑战。因此， 如何发展铁路物流已成为众多人士关注的焦点。在铁路物流中，铁路车辆资源的 优化配置对提高整个铁路运输效率发挥着重要作用。车辆利用率的提高不仅有利 于降低运营成本，加速车辆周转，缩短运输周期，而且有助于争取货源，拓展市 场。 3 铁路信息化的加速建设为铁路车辆资源的优化配置提供了重要契机。 随着我国铁路运输管理信息系统( 简称t m i s ) 工程的不断建设和完善，特别 是铁路货运营销与生产管理系统( 简称f m o s ) 的推广使用，铁路信息化建设的 步伐得到加快。在秉承“快速提升运输能力、快速提升技术装备水平”的发展思 路下，按照铁路信息化总体规划的要求，我国铁路确立了信息化建设的三个 重点，即实现调度指挥智能化、客货营销社会化和经营管理现代化。“数字铁路” 的逐步建成将大大推进铁路的现代化进程，并为铁路车辆资源的进一步优化配置 提供了技术支持和实现可能。调度指挥智能化将建成以地域或线别为控制模式的 综合调度指挥中心，实现机车车辆的实时追踪，为车辆的优化调度提供手段；客 货营销社会化将立足于建成铁路电子商务和现代物流系统，强化市场营销理念， 以市场需求为导向的营销策略将为车辆的动态优化配置提供可能；经营管理现代 化将全面建成铁路信息管理系统，实现运力资源管理的科学化、系统化，利用信 息和科技为车辆的调配决策提供支持。 4 铁路营销的市场化改革为铁路车辆资源的优化配置提出了必然要求 近年来，随着航空业和公路业的快速发展，铁路货运市场份额正在逐年减少。 为了争取货源、增效创收，铁路部门加大了投资建设力度，并开展了一系列以市 场营销为中心的改革。改革的基本框架是：要求在全路范围内，以计算机网络为 基础，以t m i s 各联网点为信息源点，建成市场营销以及生产管理系统，从货主提 出运输申请，到铁路计划安排、合同签订、装车实际、市场分析等，实行全新的 管理办法和运作方式。铁路营销的市场化改革要求铁路运输计划必须由原来的主 2 要考虑铁路内部效益( 要车内容和运输能力等) ，改变为综合考虑市场需求、运输 能力、装车实际、车流动态和经济效益等多种因素，这就为铁路运输的优化组织 以及挖潜扩能提出了必然要求。而在铁路运输组织当中，车辆资源调度的好坏会 在很大程度上决定铁路运输与货运市场的契合度，并由此影响铁路的货运服务质 量以及货运市场份额。因此，能否科学有效地利用车辆资源将是铁路进行营销市 场化改革的重要环节。 本文j 下是基于上述因素以及铁路运输组织改革的形式和要求，对空车调配优 化模型与方法问题进行了选题研究。 1 1 2 研究的意义 交通运输是国民经济的动脉，它对社会经济发展和人民生活起着极为重要的 作用。例如，据美国物流研究委员会估计幢1 ，运输业占美国国民生产总值的1 5 。 据北美和欧洲的大量实际应用表明，对物流配送过程进行优化，可以在总运输成 本中获得5 2 0 的节省，而总运输成本在商品最终总成本中占1 0 一2 0 。另有 资料报：i 酋【3 1 ，在发达国家，由于物流业发达，运输成本占国民经济成本的比例只有 1 0 ，而我国则占3 0 ，有的商品高达6 0 7 0 ，如果采用第三方物流的方式， 可以使企业成本降低1 0 。中国仓储协会对1 4 6 个企业的调查显示h 1 ，用于运输的 费用占整个物流费用支出的比例分别为：在生产企业原料物流中占5 8 ，在生产 企业成本物流中占7 3 ，在商业企业物流中占5 2 。 铁路运输是我国交通运输体系中的骨干运输方式，加快发展并提高铁路运输 的效率，对促进我国社会经济的快速发展具有十分重要的意义。提高铁路货车的 利用率是提高铁路运输效率的关键问题之一。有关资料统计表明啼1 ，铁路货车的投 资约占铁路总投资的3 0 4 0 ，美国铁路空车的走行率( 空车走行公里占总车辆走 行公里的比重) 为4 5 ，我国铁路全路平均空车走行率为3 0 ，最高的铁路局将达到 6 0 左右。因此如何通过合理调配空车来提高车辆利用率已成为世界各国铁路企业 十分关心的问题。尤其在我国，铁路总体上仍属于短缺经济，空车的需求量大而 且超过了它的供应量，所以空车调配的好坏则更为重要。 空车调配是铁路运输技术计划的重要组成部分，其基本任务是合理有效地实 现将卸车数大于装车数地区( 车站、局内各地区、路局) 所产生的多余空车配送到 装车数大于卸车数的地区去。保证全路不间断按日均衡地完成装车任务。由于我 国铁路车辆拥有数量大且绝大部分货车车辆是全路通用。空车调配将直接影响到 全路货物运输的装车、卸车及发送的顺利完成。所以，空车调配计划将是实现铁 路车辆资源有效配置和指导运输生产的重要手段。 1 2 问题的提出 铁路货车的利用率是铁路运输企业最为关心的问题之一，也是铁路以营销为 中心进行改革的重要目标之一。统计资料表明，一般铁路货车的投资约占铁路总 投资的4 0 。美国全国铁路空车车辆的走行公里约占总车辆走行公里的4 5 。我 国铁路拥有运用货车5 0 余万辆，全路空车占重车走行率为3 0 左右，空车走行率 最高的铁路局( 公司) 甚至可达6 0 左右。因此如何通过合理调配空车来提高车 辆利用率己成为世界各国铁路企业十分关心的问题。尤其在我国，铁路货车拥有 量大且绝大部分为全路通用，所以空车调配的好坏更为重要。同时，由于空车调 配是一项全局性的工作，调整的结果不仅影响到货物运输的装车、卸车、发送的 顺利完成，而且对整个铁路货运系统将带来不可估计的影响。所以空车调配的好 坏也将直接关系整个铁路系统的运营效率，关系着铁路企业的经济效益和社会效 益。 随着市场经济改革的不断深入，铁路运输企业为了提高市场竞争的能力，在 货运营销方面，开发建设了铁路货运营销与生产管理系统( f m o s ) 。该系统是与 铁路运输生产计划改革同步进行的配套项目，包括货运计划和技术计划两大部分。 技术计划部分是用于编制车辆运用计划，通过合理安排各区段车辆的运用，提高 车辆运用效率和铁路运输能力，压缩铁路运输成本。近年来，我国铁路运输调度 指挥现代化的建设也取得了长足的进步，铁路运输管理信息系统( t m l s ) 使各级 调度能够综合利用货票、集装箱、编组站、货物列车确报、分界口货车自动识别 等信息，实现信息共享，有利于各级调度及时掌握运输动态，实现调度决策及时、 准确，有助于运输效率的提高。铁路信息化的发展，也为编制空车调配计划工作 提出了更高的要求，空车调配计划必须成为即能适应运输市场不断变化又能切实 指导运输生产的生产型计划，为及时合理地配送空车，保证装车需求提供科学依 据。为此，要求计划工作的依据由原来的主要考虑要车内容和运输能力，改变为 能适应市场需求，综合考虑运输能力、装车实际、车流动态、经济效益和资源共 享、信息反馈、贴近同常运输实际的多条件、多因素、多目标决策。为实现这些 要求，必须加强对运输调整模型与方法的研究，并在此基础上建立现代化的车辆 合理运用( 技术) 计划管理信息系统。 货车合理运用计划是铁路技术计划所研究的主要问题，如何实现运用车的合 理分布是其研究的主要内容。空车调配计划是技术计划的重要组成部分，是实现 运用车合理分布的重要手段之一。所谓空车调配是指：在每天的铁路运输生产中， 每个车站、路局按车种别的装车数和卸车数一般是不相等的，为了保证不问断地 按日均衡地完成装车任务，必须将卸车数大于装车数的地区所产生的多余空车运 4 送到装车数大于卸车数的地区，这种空车的调配工作就称为空车调配。由于我国 铁路的货车大部分是全路通用( 除不联通的铁路及轨距不同者外) ，没有固定的配 属站，且空车走行为非生产走行，不产生运输产品，因而空车运用计划的编制与 调整存在着合理化即优化问题。 1 3 空车调配问题国内外研究现状综述 空车调配问题是铁路运输管理及研究部门最为关注和广泛研究的问题之一。 许多国内外学者也一直在寻求建立能够反映优化空车调配过程的数学模型。目前 国内外对此问题的研究集中在结合列车径路及编组计划上，对路网上空车调配进 行综合优化。 1 3 1国外空车调配问题研究现状 近三十年来，大量文献哺1 阳都对空车调配的研究历史进行了论述，但最近十 几年却少有综述性的文献。随着对空车调配问题研究的深入发展，许多新的研究 成果和方法陆续出现，这些为国内空车调配问题的进一步研究积累了丰富的经验。 1 9 7 2 年s c m i s r a 呻1 将此问题抽象为“运输问题”，并给出了线性规划模型， 模型考查了在一段时期内的空车最小费用( 车小时) 消耗，作者在模型的求解上 采用了运筹学中的运输算法和单纯形法。1 9 7 7 年c e p h i l i p 与j m s u s s m a n n 伽将该 问题抽象为每个车站的“库存问题”：决定路网上每一站应保留多少空车和向其 他站提供多少空车。1 9 8 1 年v b m e n d i r a t t an 及1 9 8 2 年v b m e n d i r a t t a 和 m a t u r n q u i s t n 2 1 对此问题进一步研究，将该问题分成两个层次的相关问题：第一 层次的问题是决定空车流在路网上的流向问题，第二层次是运用库存问题确定每 个车站的供求空车量。1 9 8 6 年f e m a n d e s 、g r a i n 等n 3 1 也提出了空车调配问题的线 性规划模型，模型以最大化收益为考查目标，并采用单纯形法加以求解。1 9 8 3 年 w c j o r d a n 和m a t u m q u i s t n 町讨论了供求量具有不确定动态因素的模型，首次运 用了时空网络( t i m es p a c en e t w o r k ) 的概念处理r 常空车调配的动态模型。1 9 8 7 年 a e h a 曲a n i 【1 5 1 对此类问题进行了详细评述。1 9 8 9 年a e h a g l l 锄i 【 6 1 再次运用时空 网络技术，将路网上车站作业分成计划期内几个时段，对每一时段内车站空、重 车状态变化作一过程刻画。并给出了车站间空车分配、列车径路选择与编组计划 优化的综合优化模型。1 9 9 5 年s p i e c k e r m a n n 等刀根据德国铁路租用的背景将空车 调配问题看成车间调度问题，并以最小化空车走行费用为目标进行建模，在模型 的求解上作者设计了适用的贪婪算法。 1 3 2 国内空车调配问题研究现状 我国铁路从上世纪五十年代开始就一直沿用前苏联的经营组织模式，其空车 调配也一直保持着传统的计划形式。由于我国铁路的空车需求量远远高于空车产 生量( 2 0 0 5 年请求车批准率为3 0 ) ，空车资源严重不足，因此，在同常的空车调 配中，空车的流向是有比较严格的计划安排的，尤其是路局( 公司) 之间的空车 交换量。在这种背景下，国内的专家和学者在研究空车调配问题时往往是从技术 计划的角度即日平均角度出发，通过对模型的改进和求解方法的设计来实现整个 路网的空车配送。 1 9 8 7 年刘海林明针对中国铁路的特点，基于t p ( t r a n s p o r t a t i o np r o b l e m ) i h - 题数 学模型的表上作业求解方法，首次探讨了用电子计算机技术来对国内铁路的空车 调配问题加以求解的方法。1 9 9 0 年汤代炎n 钉研究了解决空车调配问题的一种算法 匈牙利法，并探讨了其应用。1 9 9 5 年何世伟将路网限制在一个枢纽内，并 给出了具体数学模型。1 9 9 6 年林柏梁伍研究了在路段能力限制下可用严格的数学 约束方程表示出来的车流径路优化理论模型。1 9 9 8 年林柏梁、胡安洲等恤1 研究了 路网如何开行直达车流方案的问题，尤其是对空车直达和空重混合直达的确立， 文中所建0 1 规划模型以空重车集结费用、改编费用和无调费用之和最小化为目标 函数。同年任民等瞳3 1 借助多人合作对策的思想建立了铁路空车调配问题中最小费 用合理分摊的数学模型，给出了建立理想分摊向量和特征函数的一种方法，并提出 了具体解法。2 0 0 1 年牛惠民等幢l2 5 1 探讨了枢纽内编组站的空车流的合理调配，作 者将编组站的作业分工以及重空车流混合纳入优化，所构建的模型以费用最小化 为目标，通过遗传算法的设计，该模型能得到有效求解。同年纪嘉伦、林柏梁等瞳町 提出了一种基于物体重心的虚拟产销中心的确定方法，该方法对求解大规模路网 空车调配同构变换问题具有明显成效。2 0 0 2 年果鹏文、褚江等乜力提出了归并空车 流的振荡法，该方法是在事先不知道某个区段空车排空方向的前提下，预先人为 指定该区段的排空方向作为初始方案，然后经过反复振荡调整直到指定的空车方 向与计算结果相符合时为止。2 0 0 3 年张喜等陉耵在原有的平衡运输问题上考虑了知 识约束的影响，如路网中线路的合理使用原则、流量不分拆原则、减少同一线路 上同种空车对流的原则和路段边通过能力限制的原则等，基于知识约束所构建的 多变量综合优化模型可通过模糊定量化指标的方法得到一个有效的求解算法。 2 0 0 4 年杜艳平等陉卅提出了使用铁道部、铁路局和铁路分局三级的空车调配分阶段 优化模型，模型由接入空车分界点开始，按排空方向将路网节点划分入不同的阶 段，按阶段以车公里数最小为目标，采用表上作业法逐一进行优化，从而得到整 个路网的空车调配优化方案。2 0 0 5 年，梁栋、林柏梁等在原有的不平衡运输问 6 题上引入了多车种和车种代用的概念，将车货种配装和车流优化合理结合，构建 了车种代用情况下的空车调配模型，模型以效益最大化为目标；雷中林、何世伟 等b 在原有的平衡运输问题上加入了随机规划的机会约束，认为装卸量在各个装 卸站由于各种不确定性影响因素均存在起伏波动，其所构建的机会约束空车调配 模型可用遗传算法加以求解。 但是，目前很少有人在路网上任意两点问的最短路径未知的情况下研究空车 调配优化问题，因此本文在这方面也算是一种尝试，有一定的实际意义。 1 4 论文的结构及主要研究内容 本文主要分析了以往传统的空车调配优化模型的特点及其不足之处，并在此 基础上构建了更符合实际的空车调配优化模型，即，基于路段的空车调配优化模 型。 传统的空车调配优化模型大多是在路网上任意两点间的最短路径已知的前提 下建立起来的，而基于路段的空车调配优化模型刚好与之相反。并通过算例证明， 基于路段的空车调配优化模型比起传统的空车调配优化模型能得到更多的有现实 意义的结果。并且通过另一个算例证明，稍加改进的基于路段的空车调配优化模 型对于解决有路段通过能力约束的空车调配问题有着很好的效果，而考虑路段通 过能力的空车调配问题也更加符合生产实际。 论文共分五章，各章内容简述如下： 第一章：绪论。介绍了论文的选题背景、问题的提出，分析了国内外空车调 配模型与方法的研究状况，为论文的深入研究奠定了基础。 第二章：铁路空车调配相关理论分析。铁路空车调配是铁路运输调整的重要 内容之一，是铁路技术计划的重要组成部分。主要内容包括：铁路运输调整的基 本任务和作用、铁路运输调整的基本形式及分类、铁路运输技术计划的墓本任务 及编制原则和编制依据、铁路运输技术计划的主要内容，以及空车的产生和调整、 空车调配的基本原则与( 制度) 方法、空车调配计划的编制、空车编组计划及同常 调整计划等。为对铁路空车调配问题优化模型与方法的研究，提供了分析的依据。 第三章：基于路段的空车调配优化模型研究。本章主要通过介绍几种传统的 空车调配优化模型，并分析了它们的特点及不足，然后在此基础上提出了基于路 段的空车调配优化模型。另外本章还对l i n g o 软件做了一下简单的引进及介绍， 为第四章的算例求解做下了铺挚。 第四章：算例分析。本章主要是通过实例来证明基于路段的空车调配优化模 型能解决更符合生产实际的空车调配问题。并通过分析算例结果得知，基于路段 7 的空车调配优化模型比起传统的空车调配优化模型能得到更多有现实意义的结 果。 第五章：总结与展望。在对论文研究成果总结的基础上，提出了有待进一步 研究的问题。 2 铁路空车调配相关理论分析 空车调配计划是铁路技术计划的主要组成部分，又是铁路运输调整的重要内 容。本章主要对空车调配的基本概念、通常采用的基本方法等进行概述。 2 1 铁路空车调配问题分析 2 1 1空车的产生和调整 铁路运输过程中空车的产生，从全国范围来看，就是一定时期内的卸车。对 铁路局来说，除了自管内的卸空车外，还有从外局接入的空车。我国的统计表明， 约有8 0 左右的装车是靠卸车来保证，仅有少部分装车是靠接入空车来调剂。可 见，卸车数是保证维持一定空车运用车的主要来源。因此，卸车工作将直接影响 空车的保有量，对空车调配起着决定性的作用。由于管内工作车是卸车的基础， 对管内工作车的运用越灵活，就越能通过及时的卸车来保证供应必须的空车，因 此加强和优化管内工作车的组织( 摘挂列车或小运转列车组织) ，不但是日常调度 组织工作中重要的一环，也是为保证完成装车和排空计划及时产生空车供应量的 重要手段。 空车的来源，除运用车中的卸空车外，还有属于非运用车的备用车辆，在铁 道部调度的许可下，也可以解除备用空车来装车。备用车是为了保证完成临时紧 急运输任务和适应同常运输变化的需要而储备的技术状态良好的货车或新造车。 目前备用车的种类主要分为一般( 正常) 备用车、特种车辆备用车和国境站、港口 站备用车等。一般备用车和特种车辆备用车，是为保证在货源波动较大( 运输量曾 加) 时的季节性运输、突然或紧急情况下( 军运及救灾运输等) 装运计划外的紧急物 资运输和补足大宗货物平衡装运等所需要而储备的货车。它的数量等于每月编制 技术计划后，扣除运用车、国境站港口站备用车和其他非运用车外剩余的车辆数。 该类备用车一般均应存放在指定的备用车基地，而且该基地应不影响列车运行与 车站作业；邻近于编组站、区段站或大装车站；邻近于车辆段或车辆检修所，并 有利于在大量运输开始之前能很快预先集中在季节性货物的装车区。它们统一由 铁道部管理，不论列入或解除备用都必须经铁道部以调度命令批准。国境站、港 口站备用车是为了防止空车不能及时配足，以致影响国境站倒装货物和港口站水 陆联运货物的装车和换装而储备的货车。它的数量每月由铁道部确定，并停放在 指定的国境站、港口站。其列入或解除备用应根据铁道部每月的计划以局调度命 9 令批准。空车的储备是提高车辆运用效率和保证重要物资装运的有效措施。从车 辆调整的观点看，储备空车也是调整货车保有量分布，实现均衡和有节奏运输的 形式之。 在铁路运输过程中，空车是装车的保证，重车是空车的来源，最理想的空车 分布应是保证每天到达各车站按车种别卸车产生的空车数，正好是各车站装车所 需要的装车数。在这种情况下，可实现车辆只在站内进行连续卸装双重货物作业， 不产生空车走行。它不但可保证均衡有节奏地完成运输任务，而且能最经济有效 地发挥车辆的运输效率。但是，由于实际的各种运输对象产品( 特别是大宗货物) 的产、销地配置不均衡，而且这些货物一般都是集中在少数车站上装车，卸车是 在服务于工业企业、建筑单位和大居民点的多个铁路车站上进行。同样，由于各 地区的产业构成不尽相同。其货物的发送与接收在种类、数量和质量等方面一般 都是不相同的。如重工业地区往往发运产品的重量远远大于由其它地区到达的用 以保证本地区正常生产需要产品的重量。相反，有加工工业的地区向其它地区发 运的产品则少于由外地到达的产品。另外，由于受季节性或不确定性货源波动、 高优先级或特殊运输对象、线路故降或施工、列车运行过程中的运缓或延误、运 输组织过程中的调度指挥失误等的影响，以及受线路运输能力或车站装卸能力的 限制，通常也很难保证这种装卸平衡。所以，实际上每天( 或每天中的各个时段) 到达各车站按车种别卸车产生的空车数不一定正好是装车所需要的，有时可能过 剩，有时可能不足。这就是运输过程中装车资源( 空车) 分布的不均衡性，也叫做 装车资源的波动。统计表明，全路车站的双重作业平均系数仅为2 5 左右，而7 5 以上的货物是利用排送空车进行装车的，可见实际上装车资源的波动是比较明显 的。装车资源( 空车) 的不均衡性。一方面，可能会大大延误装车，有时也可能会 产生不可弥补的损失( 当装车资源减少时) ，另一方面，可能会增加空车等待装车 的停留时问，减慢车辆周转，不可避免地造成车辆在卸车地积压和装车地不足， 严重时其结果将导致运输秩序棍乱使整个运营工作出现困难。运输秩序混乱又会 立即在国民经济的其它部门反映出来，因为延误货物的装运就不能很好地完成货 物运输计划，将会直接影响对国民经济其它部门( 货主) 的货物供应计划，造成全 社会的经济损失。因此，积极采取必要的车辆组织措施，消灭或减少装车资源( 空 车) 的不均衡性( 波动) ，将是铁路运输组织管理的一项重要任务。 空车调配是为减少装车资源( 空车) 不均衡性( 波动) 的一项重要措施，也是运 输循环中不可缺少的部分。为了保证运输过程的连续性和完成装车计划，必须组 织空车源源不断地送到装车地，既合理有效地实现将卸车数大于装车数地区所产 生的多余空车配送到装车数大于卸车数的地区去。这种空车的调配工作称为空车 调配。空车调配是为了合理分布运用车和保证装车需要而进行的车流调整，目的 l o 在于提高装车保证的稳定性( 稳定地恢复装车资源) 和不问断地按同均衡地完成装 车任务。同时由于空车走行公里为非生产走行，不产生运输产品，因此空车调配 还必须考虑减少空车走行的车辆合理运用优化问题。所以，空车调配又是铁路车 辆资源合理运用的重要调整手段。 2 1 2 空车走行影响因素分析 空车走行公里是指运用货车在空状态下走行的公里数。空车走行公罩是运用 车走行公里的重要组成部分，是运输工作中必不可少的因素。作为运用车走行公 里的一部分，空车走行公里是不生产的，但它又是运输工作中必不可少的因素。 除了在配置生产力和固定产销联系中应当考虑铁路运输的回空方向外，铁路本身 通过提高运输组织水平，考虑不同车种货车的代用、提高货车双重作业系数、充 分利用回空和消灭同种空车对流等措施，可压缩空车走行公里。 通常，空车调配以空车走行公里最小为主要优化目标，因此有必要分析影响 空车走行的因素。影响空车走行的因素主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 生产力的分布 我国大宗货物的产地主要分布在东北、华北和西北地区，而加工和消费地， 以及出口基地则分布在华东、中南等京广线以东地区。客观上形成了重车流由北 向南、由东向西为主要方向，而空车流与重车流相反，由南向北、由西向东是主 要车种的排空方向，因此，不可避免地造成了空车长距离排空。 ( 2 ) 空车调配及列车编组计划的质量 科学合理的空车调配及列车编组计划能够对路网所有空车流的流量、流向及 改编作业地点做出规划，使得空车排空过程中发生的成本最小，运输效率最高， 有助于缩短空车走行公里和货车周转时间，最大程度地满足客户的装车需求。 ( 3 ) 空车流径路 合理的空车流径路对于缩短空车走行公里效果是显而易见的。迂回运输以及 同种空车在同一径路上的对流，都必然增加空车走行公里。特别是平行径路上的 同种空车的对流，对空车走行公里的增加更具隐蔽性。 ( 4 ) 双重作业系数 双重作业车数越多，不但可以减少一次货物作业平均停留时间，而且利用本 站卸空车就地装车，减少了一次排空，相应地减少了空车走行公里。 ( 5 ) 货车的载重量利用及货车的通用性 重车方向平均货车载重量的增加，将减少方向上车流量，从而减少回空方向 的空车数，相应地减少了空车走行公里。货车的通用性对于车种代用有很大影响。 货车过于专门化将一定程度上造成空车走行公罩的增加。 ( 6 ) 其他方面 其他方面，如车站装卸作业条件、空重车流的协调、重点物资的运输等，也 都会影响空车走行公里的大小。 2 2 铁路空车调配的基本原则和方法 空车调配( 调整) 是铁路运输调整的重要内容，它对全路的车辆分布、服务 质量、运输工作的均衡性和节奏性、车辆资源的有效利用、以及企业效益和社会 效益等都具有重要影响。 2 2 1铁路空车调配的基本原则 空车调配必须基于我国铁路运输工作的特点和铁路运输市场的实际来进行， 它需要遵循一定的基本原则m 1 。 1 满足运输需求的原则。满足运输需求主要体现在：保证路局( 公司) 和站 段货运计划所需要的空车，同时优先保证满足重点地区、重点厂矿、港口、国境 站重点物资或大宗货物的装运，并在一定条件下满足装运计划外的空车需求。满 足运输需求是实现企业效益和社会效益的必然要求。 2 整体利益的原则。整体利益主要体现在：根据货源和路网能力的分布和变 化，保证路网上空车运用车的合理分布。运用车的合理分布是组织均衡运输、合 理利用铁路运输能力、全面完成和超额完成运输任务的重要保证。对于随时问变 化而不断变化的全国运用车的分布状态，为了保持其相对平衡的合理分布，通常 采用按层次分级( 铁道部、路局) 控制运用车数，按状态( 重、空) 和去向( 交 出和接入) 控制运用车数，按主要车种( 棚车、敞车、平车等) 控制运用车数的 原则，通过制定和完成排空计划指标的形式来实现。 3 最大效益的原则。最大效益主要体现在，保证装车数量最大、货物运送总 量最多、货物运输营销额最高( 空车到达装车站以后的装车收入较高) 等方面。 铁路货源货流的波动，包括数量和质量( 价值、运费等) 两个方面，而在运输过 程中( 装、运、卸、维护等) 车辆的运用成本又不尽相同，所以在车辆资源有限 的情况下，空车调配必须考虑货物装运和车辆利用的最大效益原则。 4 最小费用原则。最小费用主要体现在，压缩空车走行公里，减小空车走行 率。车辆在空车状态下的走行为非生产走行，其不仅不产生运输产品，反而会降 低车辆生产率和增加运输成本。因此，应以最小的费用实现车辆调整措施，压缩 1 2 空车走行公罩。通常在空车调配过程中应遵循：最大限度减少空车的调配量；对 需要调配的空车按最短径路调配；尽量消灭同种空车和可以互相代用空车在同一 径路上的对流运输；在保证货物和行车安全的条件下采取车种代用方式；正确集 中和调配备用车等。 5 运输组织合理性原则。运输组织合理性主要体现在，在路网通过能力等条 件的限制下，充分考虑线路和车站能力的均衡利用、车流不拆分、车流径路合理 选择等原则，使运输组织比较合理，满足列车编组计划和运行图的要求。 2 2 2 铁路空车调配的基本方法 基于上述空车调配的基本原则，在铁路运输生产实际中广泛采用的空车调配 方法主要有三种：正常调整、综合调整和紧急调整1 。 1 正常调整。正常调整也称为计划性平衡调整，它是在正常运输情况下根据 技术计划( 或旬计划) 所规定的空车调配任务安排同常空车调配计划的一种方法。 这种方法主要是在各路局( 公司) 根据货运计划调整装卸车工作量之后，再依据 装卸车差数进行补充和排出空车的调整。该方法可从整体上调节弥补区域装卸的 不平衡性，并可通过调整各局间分界站移交的空车车种和数量，调控各路局( 公 司) 的空车保有量，实现全路运用车的合理分布。正常调整主要适用于装卸车稳 定以及车流波动很小的正常运输情况。 2 综合调整。正常调整的主要缺点是没有考虑排空任务与完成装车计划之间 必要的组织联系，也就是没有把重车流和空车流有机地结合起来统一考虑，尤其 是排空的调整任务往往是在损失装车，甚至是在损失到达接空局( 公司) 装车的 情况下完成的，这显然对提高整个车辆的运转效率是不利的。因此，随着运量的 增长，实践中迫切要求采用对重空车流的综合调整措施，使按到达局别的装车同 卸后排空紧密结合起来。综合调整不是取消空车车辆的调整，而是将重空车流的 调整过程相互联系起来。综合调整的实质是通过合理的组织空车方向的移交车辆， 增加空车方向的重车流，减少一定数量的空车流，实现车辆的合理运用调整。综 合调整中的重车流调整包括方向别装车调整，密集装车调整，限制或停止装车调 整，以及变更车流运行径路调整等多种措施。 采用综合调整制度为空车调配开辟了新的途径。但是，采用综合调整措施时， 因涉及到有关车流的变动，装卸车作业组织的改变，并与去向别装车和空车运用 有关系，因此，必须综合考虑接空局( 公司) 的空车使用地点、需要数量、增加 的方向别装车能力、沿途各区段的通过能力以及机车供应等情况的适应性。同时， 由于综合调整是通过调整重空车流的比例来实现的，这就意味着要授权排空局( 公 司) 可在总排车计划范围内改变空车方向的装车量与自卸排空量的计划比例，所 以综合调整措施必须是在不影响接空局( 公司) 重点物资装车需要的前提下，经 铁道部授权批准后方可采用。 3 紧急调整。紧急调整是由于特殊紧急需要或为加速车辆合理分布而采取的 非常措施。采用这种方法时，通常规定排空局( 公司) 按指定的局问贯通列车线 编丌固定空车直达列车，编挂一定数量或一定车种的空车，定期送往用车地点， 行经沿途各通过局( 公司) 时不得用来拆散装车。由于这种调整方式可能造成在 某些区问发生同种空车的对流，违反车辆合理使用的基本原则，并会增加空车的 走行公里，降低车辆使用的经济效率，同时限制了各局( 公司) 在调配空车上的 机动性，所以只能在特殊情况下采用，以调度命令形式公布实施。 2 2 3 我国铁路空车调配的基本模式 我国铁路覆盖地域广、规模大，为了便于企业的有效管理，长久以来铁路部 门一直采用自上而下、分级管理的组织模式。随着铁路改革步