200_km_h客货共线铁路速度、密度、重量匹配优化_刘宏伟.pdf

2023年第3期 总第173期2023年第3期 总第173期200 km/h客货共线铁路速度、密度、重量匹配优化*刘宏伟1，倪少权2，陈钉均3，吕红霞4（1 西南交通大学交通运输与物流学院 硕士研究生，四川 成都 610031；2、3、4西南交通大学 教授，四川 成都 610031）摘 要：速度、密度、重量作为客货列车的主要指标与线路运输能力有着紧密的关系，而客货列车共线运行将对线路运能产生较大影响。为充分利用200 km/h客货共线铁路的运输能力，结合200 km/h客货共线铁路的线路特点，首先对客货列车速密重与运输能力影响关系进行分析，在此基础上以通过能力最大和货运量最大为目标，考虑线路客货运输需求，速度、密度、重量约束，建立200 km/h客货共线铁路速密重匹配优化模型，采用NSGA-算法进行求解得到速密重匹配优化方案，并用实例对模型和算法的有效性进行了验证。匹配结果可为200 km/h客货共线铁路客货列车开行提供一定的理论指导和建议。关键词：客货共线；通过能力；速密重匹配；NSGA-算法文献标识码：A 文章编号：1004-9746（2023）03-0028-060引言随着我国经济和社会的发展，以及铁路路网的不断完善，客货运输需求不断增长，合理组织列车开行，充分利用线路运输能力，成为铁路加强在运输市场的竞争能力过程中亟需解决的问题1。200 km/h客货共线铁路能兼顾旅客运输和货物运输，且动车组列车的开行使客运任务的完成更加高效，但由于线路列车种类多、客货列车速差大，线路运输能力受到较大影响。基于此，200 km/h客货共线铁路的列车合理开行成为重要课题，速度、密度、重量作为客货列车的主要指标，与线路运输能力有着紧密的联系，研究速密重匹配优化对提高线路能力利用率具有重要意义。国内外关于速密重匹配优化有一定的研究。孙雁胜2等分析了大秦铁路现有重载列车速密重的匹配方案，提出了重载列车速密重合理组配的途径以及具体的分阶段发展步骤。杨宇栋3等在研究了重载铁路列车速密重之间的关系的基础上，给出了一种实现重载线路列车速密重的合理匹配方法。李*基金资助：国家自然基金项目（52072314，52172321，52102391）；四川省科技计划项目（2022YFH0016,2021YFQ0001,2021YFH0175，2022YFQ0101）；中国神华能源股份有限公司科技项目（CJNY-20-02）；广州市重点研发计划项目（202206030007）Speed-Density-Weight Matching Optimization of 200 km/h Mixed Passenger and Freight RailwayLIU Hongwei1,NI Shaoquan2,CHEN Dingjun3,LV Hongxia4(1 Southwest Jiaotong University,Master Degree Candidate,Chengdu 610031,China;2,3,4 Southwest Jiaotong University,Professor,Chengdu 610031,China)Abstract:Speed,density,and weight as the main indicators of passenger and freight trains have a close relationship with the transport capacity ofthe line,while the common line operation of passenger and freight trains will have a greater impact on the line capacity.In order to make full use of thetransport capacity of 200 km/h mixed passenger and freight railway,the relationship between the speed,density,and weight of passenger and freighttrains and transport capacity is first analyzed,taking into account the line characteristics of 200 km/h mixed passenger and freight railway.Then,withthe objective of maximum carrying capacity and maximum freight volume,a 200 km/h mixed passenger and freight common line railway speed-density-weight matching optimization model is established,considering the passenger and freight transport demand,speed,density,and weight constraints.Finally,The NSGA-II algorithm is used to solve the speed-density-weight matching optimization model,and the effectiveness of the model and algorithmis verified by example.The matching results can provide some theoretical guidance and suggestions for the operation of passenger and freight trains on200 km/h mixed passenger and freight railway.Key words:mixed passenger and freight railway;carrying capacity;speed-density-weight matching;NSGA-II algorithmTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport OrganizationTransport Organization运输组织28朗4在分析速差对通过能力影响的基础上，构建多速差通过能力优化模型并求解得到客货列车速度匹配方案。蒋频5从经济效益和通过能力相结合的角度研究了客货共线铁路的列车速度匹配问题。Crocco6分析了列车运行速度差异对通过能力的影响，并指出可以通过减小速差以提高线路通过能力。Burdett7给出了不同固定设备和不同列车匹配方案下的通过能力分析方法，并利用该方法计算了一定运输组织模式下的通过能力。从上述研究中可以看出，目前对于重载铁路的速密重匹配研究较为完善，且提出了匹配的基本方法。但就客货共线铁路大多从单一因素出发研究对通过能力的影响，缺少对速密重进行综合考虑。因此，本文结合200 km/h客货共线铁路特点对速密重与运输能力影响关系进行分析，在此基础上构建200km/h客货共线铁路速密重匹配优化模型，并设计算法进行求解得到速密重匹配优化方案。1速密重与运输能力影响关系1.1 速度和牵引重量当采用一定类型的机车牵引列车运行时，机车轮周牵引功率一定，当速度越大时，所能牵引的重量就越小。下面对速度与牵引重量的影响关系进行定量分析，由机车牵引计算可知，当机车牵引列车以一定速度在坡道上运行时，其牵引重量计算如下式所示。G=F-P(w0+ix)g10-3(w0+ix)g10-3（1）F=f(v)（2）式中：G为机车计算速度下的牵引重量，t；F为机车计算速度下对应的牵引力，kN；为机车牵引力使用系数，取值0.9；P为机车计算重量，t；w0为机车单位运行基本阻力，N/kN；w0为车辆单位运行基本阻力，N/kN；g为重力加速度，m/s2；ix为限制坡度千分数；f(v)为机车牵引特性曲线。从上式可以看出，机车在不同速度下对应牵引力不同，当机车以持续速度牵引列车在限制坡道运行时，为确保列车在限制坡道正常运行，列车牵引重量必须不超过该持续速度下计算所得牵引重量。此外，虽然降低速度能够一定程度提高列车牵引重量，但客货共线铁路随着货物列车速度的降低，客货列车速差增大，将一定程度上影响区段通过能力。因此在匹配过程中需要对两者进行综合考虑，兼顾两者之间的制约关系。1.2 速度和密度一定的列车运行速度是客货运输时效性的保证，而一定的行车密度是完成线路客货运量的关键。200 km/h客货共线铁路不仅运行200 km/h动车组列车，还运行有普速旅客列车和货物列车，运行的列车种类多，且速度差异大，对列车开行密度有较大影响。扣除系数法8是计算铁路通过能力较为常用的方法，它是指因铺画一列或一对辅型列车，需从平行运行图中扣除的主型列车数或列车对数。针对200 km/h客货共线铁路的特点，选定200 km/h动车组列车为主型列车，下面以一个区段为例利用扣除系数法对速度与密度的影响关系进行分析（参见图1）。则从图1中可以得到普速旅客列车和货物列车的扣除系数如下：货=I通发+T货-T动+I到通+t起+t停I客-1=I通发+Lv货-Lv动+I到通+t起+t停I客-1（3）普客=I通发+T普客-T动+I到通+t起+t停I客-1=I通发+Lv普客-Lv动+I到通+t起+t停I客-1（4）根据扣除系数法可以得到非平行运行图下通过I通发T货-T动T货占I到通图1 区段通过能力计算运行图200 km/h客货共线铁路速度、密度、重量匹配优化刘宏伟，倪少权，陈钉均，吕红霞292023年第3期 总第173期2023年第3期 总第173期能力为：n=n动+n普客+n货=n-普客n普客-货n货+n普客+n货=n-（货-1）n货-（普客-1）n普客（5）式中：货、普客为货物列车和普速旅客列车扣除系数；I通发、I到通为不同列车间通过出发发车间隔和到达通过间隔时间；t起、t停为起停附加时间；I客为旅客列车追踪间隔；T货、T普客、T动为货物列车、普速旅客列车、动车组列车区间运行时分；L为区段长度；v货、v普客、v动为货物列车、普速旅客列车、动车组列车运行速度；n为以200 km/h动车组列车为速度标尺的平行运行图的通过能力；n货、n普客为货