2万吨列车条件下神池南站到发线运用方案研究

0 引言

2016年3 月朔黄线(神池南—黄骅港)首次开行2万吨列车，目前已逐步实现2万吨列车的常态化开行。2021年朔黄线完成年运量3.45亿t，连续4年运量破3亿t，其中2万吨列车的开行发挥了重要作用。朔黄线运量主要来源于神朔线(大柳塔—朔西)、准池线(外西沟—神池南)以及沿线装车，全线2万吨列车开行组织方案为：神朔线和准池线到达神池南站的万吨列车组合成2万吨重载列车并发往朔黄线。神池南站作为连接神朔线、准池线和朔黄线的枢纽站，在神朔线和准池线目前还不具备2万吨列车开行条件的基础上，承载了万吨列车组合成2万吨列车的重要任务。如何合理组织和运用到发线，对最大化利用神池南站到发线现有能力有十分重要的意义。

关于铁路车站到发线运用的研究很多。Zwaneveld等[1]在建立车站进路分配优化模型时，加入能力约束、安全约束以及顾客服务约束等，求解方式为分支定界法。Lusby等[2]研究了列车进路的股道分配问题，主要从战略层、战术层和运营层3个方面进行讨论。史峰等[3]同时考虑了铁路客运站到发线运用和一端咽喉接发车进路排列问题，对其进行综合优化。史峰等[4]建立优化高速铁路列车运行图模型，对到发线数量、列车在车站的作业时间和动车组在终点站的接续时间进行约束，优化目标是列车旅行时间和动车组接续时间最小化。王保山等[5]综合考虑车站的拓扑结构和接发车任务，对满足到发线运用规则、利于乘降作业、设备均衡使用等进行多目标优化。

近年来，随着高速铁路的快速发展出现了一系列新的成果。颜颖等[6]对基于周期化模式的高速铁路大型车站通过能力利用与作业组织优化进行了研究，为本次研究提供了很好的思路。任禹谋等[7]通过分析高速铁路车站到发线动态调整问题，引入滚动时域调度策略，建立高速铁路车站到发线动态调整模型。进一步，任禹谋等[8]针对高速铁路车站到发线运用计划编制问题，提出了一种基于分时段多目标的到发线运用优化模型和改进的快速非支配排序遗传算法。潘明轩等[9]通过分析到发线运用对到达间隔时间的影响，研究面向到达间隔时间压缩的高速铁路车站到发线运用优化方案。

在重载铁路车站到发线运用方面，主要是围绕组合列车的开行对组合分解线的运用展开了相关研究。刘博[10]比较分析了重载列车组合站和普通编组站的不同点，重点指出重载列车组合站站型布置、车站作业特点以及列车在站作业过程的特殊性。张进川等[11]探讨影响重载列车组合站通过能力的主要因素，明确基于实现概率的组合站通过能力的含义，提出重载列车组合站通过能力的计算方法。董世鑫等[12]通过分析重载组合站的组合作业特点，引入组合模式变量对重载组合站组合方案进行优化，在考虑组合规则、到发线数量、列车发车时间间隔调整以及组合作业时间的不确定性等约束的基础上，以重载列车在站停留时间和前方站分解时间最小为目标，构建非线性随机机会规划模型。马孟祺等[13]以到发进路与到发线选择唯一性和组合列车状态转化等为约束条件，分别以到发线运用均衡性、选择倾向性为目标函数，构建二次“0-1”规划模型与一次“0-1”规划模型，验证了整数线性规划模型可以对重载铁路车站到发线运用进行有效优化。

1 神池南站运输组织

1.1 神池南站到发线布置

作为重载列车组合分解站，神池南站未设置驼峰，组合作业在到发线上即可完成。神池南站上下行车场到发线配置形式均为三线一束的形式，中间为机走线，两侧为到发线，基本线束示意图如图1所示。神池南站上行车场有到发线24股道，1至21股道为2 800 m线路，能够接发万吨和2万吨列车，22至24道为1 050 m线路，负责小列的接发车工作。下行场有到发线18条，均为2万吨列车2 800 m线路，能够接发万吨和2万吨列车，对万吨列车进行缩编(由116辆编组缩编至108辆编组)之后，2 800 m线路能够满足2万吨列车的组合分解作业。

图1 基本线束示意图Fig.1 Basic arrival-departure track group

1.2 2万吨列车技术作业特点

研究2列万吨列车组合成为1列2万吨列车，2万吨列车组合作业示意图如图2所示。与普通编组站不同的是，神池南站未设置驼峰等调车设备，组合作业在到发线上即可完成，需进行组合作业的列车分别依次接入同一到发线的前后半段，列车集结过程简单，编组形式也较单一。

图2 2万吨列车组合作业示意图Fig.2 Combination operation of 20 000-ton trains

2 到发线周期化运用方案研究

2.1 到发线周期化运用计划

为了直观形象地展示出到发线周期化运用的具体方案，将到发线运用与阶段计划相结合，阶段计划包括了安排机车和到发线运用。分析2列万吨列车组合成1列2万吨列车的作业流程以及各项作业占用到发线时间标准，2万吨列车技术作业过程如图3所示，其中折线部分为各项作业的上下区间范围。

图3 2万吨列车技术作业过程Fig.3 Technical operation process of 20 000-ton trains

为了便于研究，控制神朔线和准池线到达神池南站II场的列车以10 min间隔均衡到达，这也是到发线周期化运用研究的基础，其余各项作业根据资料设置出最小和最大作业时间标准。之后对车站技术作业图表先进行简单的铺画，对于神朔线和准池线均衡到达的万吨列车依次接入II场的2 800 m到发线，到发线编号均根据实际编号设置，机走线暂不纳入考虑范围。

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2.2 不同接车方式下咽喉交叉作业

在编制到发线运用方案时，要尽可能压缩列车、机车占用咽喉区的时间，减少进路之间的交叉干扰。在实际运营中，组合分解站的发车间隔经常成为通过能力的限制因素，本次研究的主要是发往黄骅港方向的2万吨组合列车的到发线运用优化。为了研究列车出发和机车出入段时占用咽喉的情况，减少咽喉作业交叉，首先对神池南站II场咽喉道岔进行分组，神池南站重车场右端咽喉道岔分组如图4所示。

图4 神池南站重车场右端咽喉道岔分组Fig.4 Turnout groups at right throat of heavy wagon yard at Shenchinan Station

整理出各股道各项作业占用咽喉道岔组情况，各项作业占用道岔组情况如表1所示。

表1 各项作业占用道岔组情况Tab.1 Turnout groups occupied by each operation

研究按照前后两列连续接入同一股道的方式将万吨列车周期化接入到发线，在这种前提下又可具体划分为3种不同接车方式：“并进式”接车、“并列式”接车和“交叉式”接车。

“并进式”接车，即每2列列车依次接入同一线束的2条到发线中，列车接入方式按到发线顺序依次排列着接入，具体为第一对列车接入第一线束的II-4股道，第二对列车接入第一线束的II-6股道，第三对列车接入第二线束的II-7股道，第四对列车接入第二线束的II-9股道，直到将到发线完全占用一遍。

“交叉式”接车，即每2列列车以对称方式接入首尾线束的到发线中，具体为第一对列车接入II-4股道，第二对列车接入II-19股道，依次类推，第七对列车接入II-6股道，第八对列车接入II-21股道，一直持续到将到发线完全占用一遍。

“并列式”接车与“并进式”接车类似，但每2列列车顺序接入不同线束的一条到发线中，具体为第一对列车接入第一线束的II-4股道，第二对列车接入第二线束II-7股道，依次类推，第六对列车接入第六线束II-19股道，第七对列车接入第一线束的II-6股道，第八对列车接入第二线束的II-9股道，一直持续到将到发线完全占用一遍。

结合编制的一个周期内2万吨列车和机车占用到发线情况(未进行进路交叉疏解），分析各股道作业出现的交叉干扰。以下接车技术作业图表中，蓝色箭头为机车入段开始时刻，橙色箭头为机车出段结束时刻，初始铺画默认机车入段走行时分为30 min，出段走行时分为12 min，机车连挂万吨列车时间25 min，2万吨列车咽喉走行时间10 min，机车统一默认采用2台交流机车连挂方式，且同时出段。3种接车方式阶段计划及交叉干扰情况分析如下。

（1）“并进式”接车阶段计划。“并进式”接车技术作业图表如图5所示。结合表1各项作业占用咽喉道岔组情况，在“并进式”接车阶段计划中，右端咽喉处的各项作业可能出现的交叉如下。①机车出入段之间的交叉干扰：5道机车入段和11道、14道机车出段都会产生交叉干扰，8道机车入段和14道、17道机车出段产生交叉，11道机车入段和17道、20道机车出段产生交叉，14道机车入段和5道、20道机车出段产生交叉，17道机车入段和5道、8道机车出段产生交叉，20道机车入段和8道、11道机车出段产生交叉；②列车出发和机车入段之间的交叉干扰：5道机车入段和9道、10道、12道列车出发产生交叉，8道机车入段和12道、13道、15道列车出发产生交叉，11道机车入段和15道、16道列车出发产生交叉；③列车出发和机车出段之间的交叉干扰：14道机车出段和10道、12道列车出发产生交叉干扰，20道机车出段和18道列车出发产生交叉干扰。

图5 “并进式”接车技术作业图表Fig.5 Technical operation chart of “simultaneous” type of receiving trains

（2）“交叉式”接车阶段计划。“交叉式”接车技术作业图表如图6所示。结合表1各项作业占用咽喉道岔组情况，在“交叉式”接车阶段计划中，右端咽喉处的各项作业可能出现的交叉如下。①机车出入段之间的交叉干扰：5道机车入段和5道、14道机车出段都会产生交叉干扰，8道机车入段和8道、20道机车出段产生交叉，11道机车入段和11道、17道机车出段产生交叉，14道机车入段和11道、14道机车出段产生交叉，17道机车入段和8道、17道机车出段产生交叉，20道机车入段和5道、20道机车出段产生交叉；②列车出发和机车入段之间的交叉干扰：5道机车入段和10道、12道列车出发产生交叉，8道机车入段和13道、15道列车出发产生交叉；③列车出发和机车出段之间的交叉干扰：5道机车出段和10道、12道列车出发产生交叉干扰。

图6 “交叉式”接车技术作业图表Fig.3 Technical operation chart of “crossover” type of receiving trains

（3）“并列式”接车阶段计划。“并列式”接车技术作业图表如图7所示。结合表1各项作业占用咽喉道岔组情况，在“并列式”接车阶段计划中，右端咽喉处的各项作业可能出现的干扰情况如下。①机车出入段之间的交叉干扰：5道机车入段和5道、20道机车出段都会产生交叉干扰，8道机车入段和5道、8道机车出段产生交叉，11道机车入段和8道、11道机车出段都会产生交叉干扰，14道机车入段和11道、14道机车出段都会产生交叉干扰，17道机车入段和14道、17道机车出段都会产生交叉干扰，20道机车入段和17道、20道机车出段都会产生交叉干扰；②列车出发和机车入段之间的交叉干扰：5道机车入段和13道、15道列车出发产生交叉，17道机车入段和10道、12道列车出发产生交叉，20道机车出段和13道、15道列车出发产生交叉干扰。

图7 “并列式”接车技术作业图表Fig.7 Technical operation chart of “parallel” type of receiving trains

综合以上3种接车方式下的阶段计划和咽喉处交叉干扰，列车出发与机车出入段之间都不可避免地存在交叉且次数偏多，优化起来难度较大，且机车入段作业与其他2项作业的交叉，在时间上并不是十分“紧急”，可在咽喉处等待。因此，可单独考虑机车出段和列车出发在咽喉的交叉情况。

对以上3种接车方式阶段计划进行比较后得知：“交叉式”接车神池南站Ⅱ场右端咽喉处机车出段进入到发线连挂机车与2万吨列车出发交叉次数最少，为3次，“并列式”接车为4次，“并进式”接车为5次。因此，重点研究“交叉式”接车作业方式。

2.3 交叉进路接发时序模型

由于机车出入段与列车到发存在进路交叉，不同的时序安排对咽喉能力利用带来不同的影响，安排好咽喉交叉进路条件下机车与列车的接发时序，能够充分发挥通过能力[6]。对于交叉进路下的“机车到”与“列车发”，采用交错作业(到和发交错进行)和连续作业(连续到或连续发)方式，进路交叉作业时序模型图如图8所示。

图8 进路交叉作业时序模型图Fig.8 Time series model of cross-way access operation

作业时间分别为

式中：tf为连续发车间隔时分，min；td为机车连续出段入线连挂时分间隔，min；tfd为交叉进路条件下发到间隔时分，min；tdf为交叉进路条件下到发间隔时分，min；t连续为采用连续作业方式的作业时分，min；t交错为采用交错作业方式的作业时分，min。

目前神池南站运用的一些参数取值如表2所示。

表2 参数取值 minTab.2 Parameter value

由以上分析可知，神池南站Ⅱ场右端咽喉采用交错作业方式接机车发列车对提高通过能力有利。

2.4 周期化运用下到发线通过能力分析

考虑咽喉作业交叉而导致到发线能力损耗，实际通过能力N实计算公式为

式中：ρ为能力损耗率。

由上文可知，神池南站Ⅱ场右端咽喉采用交错作业方式接机车发列车对提高通过能力有利，则实际最大通过能力为

式中：tLOS为全周期因作业交叉产生的能力损耗，min；tW为完整的作业周期耗时，min；n为一个周期实际发出的列车数，列。

综上，从理论上分析1 h发出的列车数应为2.86列，每条到发线一昼夜至多发送N实计= 2.86×24÷12 ≈ 6 列。根据图解法铺画疏解交叉干扰作业后一个阶段的到发线运用计划，tf，td，tdf，tfd均严格按照上述作业时间标准，铺画的车站技术作业图表如图9所示。

图9 周期化运用条件下车站技术作业图表Tig.9 Station technical operation chart under the comdition of periodic application

到发线通过能力利用率k计算公式为

式中：T为各类型列车一昼夜占用到发线总时间，min；t固为固定作业时间，min；γ空为到发线空闲率。

由于到发线呈周期化运用，因而只需分析一条到发线即可。列车一次组合作业占用到发线时间为t占(135 min≤t占≤240 min)，固定作业时间t固取150 min，γ空= 0.15。

每条到发线通过能力为

从到发线能力利用率的角度来考虑，一昼夜每条到发线可发出2万吨列车5至10列，而在万吨列车10 min/列均衡到达的约束条件下，每条到发线一昼夜至多发送6列2万吨列车，因而综合考虑以上2种限制因素，可得出神池南站(12条组合到发线)一昼夜2万吨列车发车数量为

按照C80车型计算，2万吨列车的货物总重为17 280 t，一年纯运输时间为347 d，则年运量Q(亿 t)为

由计算结果可知：在万吨列车均衡到达间隔时间为10 min的条件下，采用到发线周期化运用方案，2万吨列车组合作业时间在135 ～ 240 min内(受其他因素影响，取值在该区间变化时对最终能力无影响)，能够实现最大4.3亿t的年运量，较现有开行方案能够实现的运量有明显提升。

3 结束语

随着我国重载铁路的快速发展和朔黄线运量的持续增长，朔黄铁路2万吨重载列车数量必然持续增长。神池南站作为连接神朔线、准池线和朔黄线的枢纽站，在神朔线和准池线目前还不具备2万吨列车开行条件时，承担着万吨列车组合成2万吨列车的重要任务。基于现有到发线使用方案，结合周期化组织方式绘制分析不同接车方式下的阶段计划，选择最优周期化接车作业方式。通过建立交叉进路下接发时序模型，研究优化后的到发线使用方案能力损耗情况，得出周期化组织方式对运量有显著提升的结论。但现场作业中要实现这种运用方式仍面临确保万吨列车均衡到达难、站内组织作业要求高、货流不稳定等诸多问题，需要进一步深化研究。