货物快运班列站停时间可靠度的研究

蒋玉国 上海铁路局徐州车务段

货物快运班列站停时间可靠度的研究

蒋玉国 上海铁路局徐州车务段

货物快运班列在全国的开行满足了全路零散货物的运输需求，但也带来了种种问题。为解决这些问题，引入时间可靠度这一量化指标来刻画货物快运班列的时效性特征。通过收集、去噪、分析大量的现场数据，借助神经网络模型拟合车站停留时间可靠度与其四个影响因素的影响作用函数。结合货物快运班列时间可靠度计算结果的数据分析，指出造成货物快运班列时间可靠度不理想的制约因素以及货物快运班列运营过程中存在的不足，提出提高时间可靠度的系列措施。

货物快运班列；车站停留时间；时间可靠度；神经网络模型

1 货物快运班列的概况与问题

2016 年一季度，全国铁路货物发送量完成7.88亿t，同比下降9.43%。在大宗货物运输量急剧缩水的同时，全路零散货物同比逆势增长28.5%。为了满足不断增长零散货运输需求，提高铁路在小批量零散货物物流市场占有率，2014年10月，中铁总在全国范围内布局货物快运业务。

货物快运班列是指在固定发到站间，有固定的车次和运行线、明确的开行周期和运行时刻，按客车化模式组织开行的货物列车。铁路部门根据社会需求确定列车装卸站，选择最佳路径，按照客车化组织方式编制列车运行图，从装车站到卸车站全程紧密衔接，努力确保快捷、及时运输货物。货物快运班列在众快捷货物运输产品中具有开行车次最多、覆盖范围最广、办理站点最多、服务货物品种最全的特点。

然而，货物快运列车的开行给路方带来了新的挑战与难题。

（1）影响旅客列车的正点接发。

由于货物快运班列在沿途的客运站办理装卸车业务，停站期间它占据了客运站的到发线，一旦装卸的货运量超出办理站所能承受的阀值，装卸货的时间必然会超出图定的货物快运班列车站停留时间，这将会造成旅客列车的延误。

（2）长距离运输时效性过低。

据统计，货物快运班列在循环开行线路上平均停靠站点超过50个，中间站过多严重影响了货物运达的时效性。

2 货物快运班列时间可靠度的定义

要解决以上两个由货物快运班列开行方式带来的问题，首先应对货物快运班列的时效性进行深入量化的研究，找到各影响因素，量化因素对时效性的影响机制，再来探讨提高货物快运班列时效性的措施。

时间可靠度是指某个运输系统在规定的条件下规定的时间内，完成运输任务的能力。时间可靠度可以有效将影响因素（规定的条件）与时效性（规定的时间）进行耦合，因此选用时间可靠度作为货物快运班列的时效性的量化指标。

定义货物快运班列时间可靠度，是指在货物快运班列的某次运输作业过程中，根据各影响因素计算得出的所用时间预期值对于其列车运行图规定时间值的偏离程度。偏离程度越大，可靠度越低。

其中，R为货物快运班列时间可靠度，TP为完成某次运输作业的图定时间，TE为所用时间的预期值，影响作用函数f(a1, a2,……an)表达了时间的预期值与时效性影响因素a1,a2,……an的函数关系。

3 货物快运班列站停时间可靠度计算模型

3.1 停留时间结构确定

货物快运班列在整个车站停留时间的作业工序包括了车辆检查、打开车门、搭设渡板、货物装卸、站台堆码、关闭车门、机具检查整理。因此车站停留时间由车辆检查时间tinspect、卸货时间tdl、装货时间tul、出站等待时间tsw四部分组成。结构关系如图1所示。

图1 车站停留时间结构图

3.2 车站停留时间可靠度影响因素

从以上作业内容与质量标准来看，可以确定影响这些工序完成时间的影响因素，量化处理过程如下。

（1）天气（weather）wh。

阴天与晴天（晴好天气）对货物装卸并没有大的影响，而在雨雪天气（恶劣天气）中，货物装过程困难加大，对货物装卸的总时间有一定的影响。

（2）装卸人员（workers）W。取装卸工人数。

（3）卸货量（uploading materials）mul与装货量（downloading materials）mdl。

（4）车站集装化水平（container level）cl。

车站集装化水平对装卸效率影响较大。特别是货物快运列车在客运站临时开辟的场地进行装卸作业，不同办理站货运作业条件参差不齐。一般而言，集装化装卸货物程度越高的办理站进行装卸作业效率越高。利用模糊综合评价法可以得到某站的集装化水平，cl分为五个等级，分别对应取值为1、2、3、4、5，其中1表示该站的集装化水平表最低，5表示该站的集装化水平表最高。

3.3 相关数据的收集与处理

（1）数据收集与去噪。

通过现场收集时间数据与以上影响因素量化值，在对数据进行遗漏值填充、平滑噪声、识别和清除异常值处理后，最终得到了200个可用数据样本。

（2）时间的波动性检查。

对车辆检查时间、卸货时间、装货时间、出站等待时间进行波动性检查。利用差异系数反映数据的波动程度，计算可得车辆检查时间、卸货时间、装货时间、出站等待时间的差异系数分别为10.352，148.9189，181.2576，14.6329。发现车辆检查时间与出站等待时间的差异系数过小，直接取其期望值加入车站停留时间预期值TE，不单独进行时间可靠度分析。

通过以上分析可知，车站停留时间的预期值等于装货作业时间预期值与卸货作业时间预期值的较大值加上车辆检查时间常数期望E(tinspect)与出站等待时间的常数期望E(tsw)。

（3）数据集成。

将200组数据样本集成为两大类数据集合，装货数据类与卸货数据类，每一类包含200个子集。装货时间及影响因素数据集合形式为{tul,wh,w,mul,cl}，卸货时间及影响因素数据集合形式为{tdl,wh,w,mdl,cl}。

3.4 数据拟合过程

BP神经网络可以忽视影响因素之间的多重共线性问题，直接以影响因素作为输入层数据，装卸货时间作为期望输出层，训练出一个鲁棒性高、容错性好的BP神经网络模型，提取该模型的底层函数即得到装卸货时间的影响作用函数。

而以上的期望实现功能，其他分析方法无法完成，如因子分析法、主成分分析法等，它们主要强调对各影响因素进行影响程度排序及评价，无法量化对因变量的影响程度。因此在建立装卸货时间可靠度计算模型时，BP神经网络方法的优势显著。

设定神经网络类型选择为三层有导师学习的BP神经网络。输入层为装货物时间的各影响因素数据{wh,w,mul,cl}，输出层为装货物时间{TE(tul)}，期望为对应的实际装货物时间数据(tul)。采用 MATLAB软件编写 BP神经网络模型程序，中间层和输出层传递函数采用Sigmoid，训练函数采用 traingdx，阀值和权值向量的学习函数采用learngd，性能函数采用mse。训练轮回达到1000次后网络达到了较好的拟合精度，得到一个训练好的BP神经网络模型。该训练好的BP神经网络模型各参数如下：

输入层到中间层的权值矩阵

中间层到输出层权值矩阵

输入层到中间层的阀值向量

θ1=[-0.86-0.40 0.18-0.59 0.27]T

中间层到输出层的阀值向量

η1=[-0.16-0.38 0.39-0.82]T

卸货时间的计算方法可采用与以上装货时间相同的计算方法，其训练好的模型各参数如下：

输入层到中间层的权值矩阵

中间层到输出层权值矩阵

输入层到中间层的阀值向量

θ2=[-0.32-0.87-0.22-0.45-0.69]T

中间层到输出层的阀值向量

η2＝[-0.44 0.49-0.53 0.91]T

综上，可得装卸货时间可靠度的影响作用函数ful、fd：

3.5 车站停留时间可靠度计算模型

车站停留时间的预期值为

其时间可靠度计算模型为

小结：要计算货物快运班列在某一个办理站的站停时间可靠度，首先收集并计算班列在该站完成这一次作业任务的图定停车时间、车辆检查时间的期望值、出站等待时间的期望值、四个影响因素（天气，装卸工人数，装卸货运量，车站集装化水平）的量化值，然后代入至公式（6）与（7）中，最后可得到该办理站停留时间可靠度RTS。

4 提高货物快运班列时间可靠度措施

由上述分析可知，货物快运班列时间可靠度过低会对旅客列车的正点接发造成严重威胁，还会直接影响货物到达的时效性，降低托运人对货物快运业务的满意程度。在目前我国货物快运班列时间可靠度普遍达不到预期的背景下，寻找货物快运班列时间可靠度的提高措施具有重要的意义。

参考车站作业的影响因素与区间运行时分的影响因素，提出以下几点提高货物快运班列时间可靠度措施。

（1）建立恶劣（雨雪）天气预警机制。

从上文的分析中可知，恶劣（雨雪）天气的出现会降低车站作业的时间可靠度与区间运行的时间可靠度。利用现代发达的天气预报技术，可以轻易地对货物快运班列经由区域的天气状况进行精准的预测。当车站接收到恶劣（雨雪）天气预警时，可以借助时间可靠度影响作用函数的计算结果，开展相应的调整措施以维持车站停留时间可靠度处在可接受的范围内，如车站减少装卸一定数量的货物、增加装卸工人数。

（2）加快转变路方经营思路，将时间可靠度指标纳入至从业人员考核体系。

目前，铁路货物快运产品的基本作业模式仍然沿用原有的铁路货物运输作业流程和标准，过程复杂、手续繁琐，产品设计依旧着眼于传统的铁路货物运输思维方式，虽然简化了货主办理手续，但企业内部作业并没有根本性改变。面对快捷货物运输的个性化等高要求，习惯于注重车辆使用效率等内部指标的铁路职工，作业强度和作业要求均达不到快捷货物运输的要求。将时间可靠度指标纳入至从业人员考核体系非常必要。

（3）设立车站承运的货物办理量上限。

装卸货物量是影响车站停留时间可靠度的最主要因素。借助时间可靠度计算模型，不难推算出货物快运班列的每个办理站可以承办的装卸货物量的具体上限值。货物办理量上限的设立，可以防止一些热门站点无限量接受货物办理业务，导致其车站停留时间可靠度过低情况的发生。

（4）提升货物快运业务办理站的集装化水平。

办理站的集装化水平的提升能使车站停留时间可靠度得到大幅提高。

提高办理站集装化水平具体举措有：改造运载车辆、配备车载叉车、设计方便直接装车的集装笼、制订集装化器具合理周转调配方案、加固运用托盘装运的货物、规范货物的运输包装。

（5）适当减少货物快运班列的途径停站站点。

减少货物快运班列的途径停站站点是提升货物快运班列时间可靠度最有效的途径。对于某个车站作业站，采取上文提到的措施，只能在一定程度上降低所用时间预期值，从而提高时间可靠度。但当货物快运班列途径的某车站取消办理快运业务时，班列在该取消办理站的所用时间可靠度达到了100%。减少货物快运班列的途径停站站点还能有效提高班列旅行速度。

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责任编辑：王 华

来稿日期：2016-08-17