快速貨運動車組配載技術(shù)研究及仿真

矯成斌,劉先愷,余進

(中車青島四方機車車輛股份有限公司 國家工程實驗室，山東 青島 266111)*

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快速貨運動車組配載技術(shù)研究及仿真

矯成斌,劉先愷,余進

(中車青島四方機車車輛股份有限公司 國家工程實驗室，山東 青島 266111)*

快速貨運列車配載技術(shù)的難點是需要根據(jù)貨物的卸載站點及該站點新裝載的貨物進行綜合性配載，傳統(tǒng)的貨物配載技術(shù)已不能滿足需求.針對這一問題，以某型號動車組為研究對象，將其車廂進行改造并劃分區(qū)域，在此基礎(chǔ)上建立二維配載網(wǎng)絡(luò)模型.首先，通過對單節(jié)車廂區(qū)域的分析，建立了裝車條件、發(fā)車條件、上下車條件三類約束條件，并分別建立了約束方程組.然后，將整車的約束方程組進行整理得到目標函數(shù)，建立虛擬配載數(shù)學(xué)模型.最后，利用CJHJ編寫配載模型測試軟件，通過隨機生成測試文件對配載模型進行測試.結(jié)果表明，在充分獲取貨物信息的基礎(chǔ)上該配載模型可以計算出一個最優(yōu)的配載方案，提高了車輛的裝載率和裝配效率，提高客戶服務(wù)質(zhì)量和公司經(jīng)濟效益，最終達到公司物流的科學(xué)化管理.

快速貨運列車；配載技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)模型；約束條件

0 引言

隨著近年來物流運輸經(jīng)濟的不斷發(fā)展，快速鐵路貨運逐漸成為人們關(guān)注的焦點[1-2].貨運配載技術(shù)的應(yīng)用可以優(yōu)化運輸資源配置，加速物流，提高鐵路貨運列車的安全性和運行效率.配載技術(shù)在飛機運輸、港口運輸上應(yīng)用較多[3-7]，鐵路貨運中應(yīng)用較少[8].鐵路貨運列車與汽車運輸和飛機運輸存在很大的不同，貨運列車運行區(qū)間存在多站點裝卸載貨物的需求，需要根據(jù)貨物的卸載站點及該站點新裝載的貨物的配載進行綜合性配載，以滿足對于各個站點快速卸載及配載的需求.因此，其他運輸領(lǐng)域的配載技術(shù)難以直接應(yīng)用到鐵路貨運中.本文針對這一問題開展快速貨運動車組配載技術(shù)研究，將某型號動車組車廂進行改造并劃分區(qū)域，依據(jù)二維網(wǎng)絡(luò)模型建立裝車條件、發(fā)車條件、上下車條件三類約束條件，將整車的約束方程組進行整理得到目標函數(shù)，建立虛擬配載數(shù)學(xué)模型，并通過編寫配載模型測試軟件對其進行測試.結(jié)果表明該配載模型可以很好地解決快速貨運動車組優(yōu)化配載問題.

1 問題描述

1.1 車廂改造

本次設(shè)計針對某型號高速動車組，車廂內(nèi)將不再有座椅，將其改造為具有8個集裝箱卡槽的車廂[9].那么一輛列車按照8編組計算則有64個集裝箱卡槽，要設(shè)計一個配載模型，為一條線路安排各個集裝箱在車上的位置.為了滿足快速性的要求，要求在發(fā)車前收集集裝箱的信息，然后經(jīng)過配載模型的運算，輸出每個集裝箱在哪一個站上下車和每個集裝在列車中的位置，并且為了滿足快速發(fā)車的要求，每個集裝箱除了上下車，在車上不能移動.

1.2 車廂區(qū)間劃分

將車廂分成6個區(qū)域，如圖1所示.從圖中可以看出1，2，3區(qū)和6，5，4區(qū)域是對稱的.那么這兩個塊之間的約束條件是基本相似的.列車在一條線路上運行的時候，當它到達某個站，對于要上1區(qū)的集裝箱，2區(qū)域的不能阻擋1區(qū)域上車.對于2區(qū)域的集裝箱，它不能阻擋1區(qū)域和3區(qū)域的集裝箱上車.對于3區(qū)域的集裝箱，要能從2區(qū)域上車.

圖1 車廂區(qū)間劃分示意圖

2 系統(tǒng)建模

2.1 二維網(wǎng)絡(luò)模型

建立網(wǎng)絡(luò)模型如圖2.圖中橫向為集裝箱安放的位置，縱向為車站編號，右側(cè)方形表示集裝箱，每個集裝箱的兩個箭頭分別表示其上下車的站點.數(shù)學(xué)模型要結(jié)合車廂區(qū)間劃分和二維模型描述，在二維模型中，列車線路有N個站，每個集裝箱從一個站上車、另一站下車.

圖2 二維網(wǎng)絡(luò)模型

2.2 約束條件

為了滿足集裝箱在中途站能夠進行上下車，需要滿足一定的條件，由于將集裝箱分為6個區(qū)，每個區(qū)域只需要考慮與其最近能夠上下車的門區(qū)域的位置.裝載順序為3區(qū)、4區(qū)、1區(qū)、6區(qū)、2區(qū)和5區(qū).

(1)對于1區(qū)，能夠從2區(qū)上車、下車;

(2)對于2區(qū)，要求上車時不會阻擋1區(qū)和3區(qū)內(nèi)的集裝箱上、下車;

(3)對于3區(qū)，要求能夠從2區(qū)上車、下車;

(4)對于4區(qū)，要求能從5區(qū)域上、下車;

(5)對于5區(qū)，要求不能阻擋4區(qū)和6區(qū)上、下車;

(6)對于6區(qū)，要去能從5區(qū)上、下車.

利用二維的網(wǎng)絡(luò)流模型，約束條件劃為3個大塊，一個是裝車條件，另一個是發(fā)車條件，最后一個是上、下車條件.用m代表集裝箱總數(shù)量，問題轉(zhuǎn)換為求解：

(1)

2.2.1 裝車約束條件

對于二維模型中的一個行車區(qū)間，由于每個行車區(qū)間至多只能有一個集裝箱占用，那么可以用加法符號表示出：

(2)

為了便于理解，將上面的式子展開得到：

(3)

那么上面是一個大小為64×n的線性方程組.

2.2.2 發(fā)車約束條件

對于發(fā)車條件就是一個集裝箱至多只能在一個集裝箱卡槽上安放，那么可以得到下面的式子

(4)

展開得到：

(5)

2.2.3 上下車約束條件

對于上車約束條件，這個比較復(fù)雜，車廂內(nèi)每個位置需要單獨考慮，對于第一個集裝卡槽，滿足能從卡槽2上車，那么可以用真值表羅列所有的情況，對于卡槽1和卡槽2，根據(jù)它們的真值表1，其中3、6、7行為不能存在的情況.

表1 上車約束條件

那么上述真值表可以表述為方程組(6)的形式：

(6)

上述方程可以組織為式(7)的形式：

(7)

表2 下車約束條件

可以轉(zhuǎn)換為方程組：

(8)

與上面的方程一樣，這個方程組里面包含了(n-1)m2個方程.依次類似，由于推導(dǎo)過程和卡槽1處類似，集裝箱卡槽2與集裝箱卡槽4之間關(guān)系的推倒不再贅述，由于卡槽2與卡槽3滿足關(guān)系，對應(yīng)于卡槽3與考槽4之間的關(guān)系，現(xiàn)在直接給出整車的數(shù)學(xué)模型：

(9)

(10)

(11)

(12)

上面的數(shù)學(xué)方程組數(shù)量巨大，可通過遍歷法進行方程組求解，得到優(yōu)化配載方案，為快速貨運提供技術(shù)支撐.

3 仿真驗證

采用C#語言編寫上述配載模型的測試軟件，其中的GUI交互界面采用WPF設(shè)計.配載模型測試軟件的主界面如圖3所示.

圖3 配載模型測試軟件主界面

根據(jù)約定的格式生成測試文件，其中最主要的信息為集裝箱貨物的上車站和目的站.通過配載模型運算得到配載結(jié)果以Excel格式輸出.圖4是自行編寫的2維繪圖界面，X軸表示集裝箱數(shù)量，Y軸表示裝載率，裝載率此處定義為：在以運送站數(shù)和集裝箱數(shù)量構(gòu)成的二維空間中，所裝載的集裝箱數(shù)量與滿額數(shù)量之間的比值.通過圖中的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)集裝箱的數(shù)量對裝載率的影響較大，主要原因是集裝箱數(shù)量低時無法滿足列車的運量.當集裝箱數(shù)量達到350件時裝載率達到最大，在87%～90%之間，隨著集裝箱數(shù)量的增加，裝載率變化不大.

圖4 裝載率測試圖

通過對圖4所示測試結(jié)果的檢查分析可以發(fā)現(xiàn)該配載模型可以很好的解決快速貨運動車組貨物配載問題，提高裝載率和配載效率，優(yōu)化運輸資源配置，加速物流，提高鐵路貨運列車的安全性和運行效率.

4 結(jié)論

本文針對某型號動車組進行快速貨運動車組配載技術(shù)研究.首先，將車廂進行改造并劃分區(qū)域，依據(jù)二維網(wǎng)絡(luò)模型建立裝車條件、發(fā)車條件、上下車條件三類約束條件，并分別建立了約束方程組.然后，將整車的約束方程組進行整理得到目標函數(shù)，建立虛擬配載數(shù)學(xué)模型.最后，通過編寫配載模型測試軟件對其進行測試.結(jié)果表明該配載模型可以很好地解決快速貨運動車組優(yōu)化配載問題，提高貨運列車的安全性和運行效率.后續(xù)工作中將對模型增加緊急件約束和包車箱約束條件，開發(fā)滿足工程化需求的配載管理系統(tǒng).

[1]郭玉華. 高速鐵路發(fā)展與中國鐵路貨運[J]. 鐵道經(jīng)濟研究, 2010(6): 12-16.

[2]逯紅兵，宋瑞. 基于UBGPM-Markov的鐵路貨運量預(yù)測方法[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報, 2014, 35(6): 1-5.

[3]HE YAO HUA, WU YONG, DE SOUZA, et al. A global search framework for practical three-dimensional packing with variable carton orientations[J]. Computers and Operations Research, 2012, 39(9): 2178-2195.

[4]李鵬，湯勇. 三維貨物裝箱問題的研究進展[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報, 2015, 12(5): 1232-1242.

[5]劉嬋娟，胡志華. 集裝箱堆場出口箱箱位分配多目標優(yōu)化模型[J]. 大連理工大學(xué)學(xué)報, 2015, 55(6): 589-596.

[6]孫萬宇. 一種自適應(yīng)并行遺傳算法及其在集裝箱船舶裝載優(yōu)化中的應(yīng)用[D]. 大連: 大連海事大學(xué), 2013.

[7]HU WEN BIN, WANG HUAN, MIN ZHEN YU. A storage allocation algorithm for outbound for outbound containers based on the outer inner cellular automation[J]. Information Sciences, 2014, 281: 147-151.

[8]畢明凱，何世偉，陳勝波,等. 鐵路樞紐小運轉(zhuǎn)列車路徑優(yōu)化[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報, 2015, 36(4): 1-5.

[9]吳強，郭玉華，李笑紅. 鐵路集裝箱運輸[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2011.

Research and Simulation Verification of Express Freight Train Loading Technology

JIAO Chengbin, LIU Xiankai, YU Jin

(National Engineering Laboratory, CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd, Qingdao 266111, China)

The difficulty of the Express Freight Train loading technology is the need for comprehensive matching according to the unloading site and the site of the new shipment. Traditional loading technology cannot meet the demand of the market. In order to solve the problem, the EMU needs to be transformed and the area needs to be divided. On this basis, a two-dimensional distribution network model is established. Through the model analysis, the constraint conditions of loading, departure and on and off are obtained. Then the mathematical model of express freight train loading is construct, and C# is used to write a test software to verify the accuracy of the model. The results show that an optimal loading plan can be calculated according to the model, and the efficiency of the assembly is improved.

express freight train; loading technology; network model; constraint condition

1673-9590(2016)04-0029-04

2015-12-01

矯成斌(1988-)，男，工程師，碩士，主要從事高速列車智能化檢測及牽引變流技術(shù)的研究E-mail:jiaochengbin@cqsf.com.

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