基于多智能体仿真的高铁货运场站作业能力分析方法

A Method for Analyzing Operational Capacity of High Speed Rail Freight Terminals Based on Multi-Agent Simulation

摘要

高铁货运场站是影响高铁货运业务能力及时效性的重要因素。为分析高铁货运场站布局方案、作业组织方案能力及效率，本研究开发了高铁货运场站作业组织的多智能体仿真模型。在分析高铁货运场站设施设备及功能、梳理高铁货运场站列车及货物作业具体流程基础上，提出场站作业能力影响因素及评价指标，并开发高铁货运场站作业多智能体仿真模型，以国内某规划中三台四线高铁货运基地为例，使用AnyLogic仿真软件对场站行车及货物作业系统进行仿真。通过对不同布局下场站作业组织及评价指标的仿真实验分析，识别场站作业能力及瓶颈，从而得出合理的布局方案建议，三台四线高铁货运基地采用尽头式布局具备更好的作业能力及效率。本研究能够为高速铁路货运场站设计、运营及规划提供有效建议及参考。

Abstract

High speed rail freight terminal is an important factor affecting the capacity and timeliness of high speed rail freight business. To analyze the capacity and efficiency of the layout plan and operational organization plan of high speed rail freight terminals, this study developed a multi-agent simulation model for operational organization of high speed railway freight terminals. The paper analyzed the facilities, equipment, and functions of high speed rail freight terminals and clarified the specific processes of train and cargo operations of high speed rail freight terminals. As a result, the paper proposed the factors affecting the operational capacity of the terminals and evaluation indicators and developed a multi-agent simulation model for operations of high speed rail freight terminals. By taking a high speed rail freight base in China with three platforms and four lines as an example, AnyLogic simulation software was used to simulate the terminal traffic and cargo operation system. Through simulation experiments and analysis of the operational organization and evaluation indicators of the terminals under different layouts, the paper identified the operational capacity and bottlenecks of the terminals and provided reasonable layout suggestions. The application of a terminal layout in the high speed rail freight base with three platforms and four lines ensured better operational capacity and efficiency. This study could provide effective suggestions and references for the design, operation, and planning of high speed railway freight terminals.

Graphical abstract

关键词

高铁货运 / 场站作业能力 / 场站布局 / 多智能体 / 仿真分析

Key words

High Speed Rail Freight / Operational Capacity of Terminals / Terminal Layout / Multi-Agent / Simulation Analysis

0　引言

2023年我国快递业务量达1 320亿件，同比增长19.5%^[1]，其中，医药产品、文件等典型的低密度、高附加值、高时效性、便携式(LDHV)类货物运输需求不断扩大。货运市场对运输方式的能力、效率、安全性等方面提出了新的要求和挑战。因准点率高、受天气影响小，高铁货运被视为LDHV类货物最理想的运输方式之一。截至2023年底，我国高速铁路运营里程达到4.5 万km^[1]，时速350 km高速货运动车组正式下线，为开展高铁货运提供了良好条件和重要支撑，多个城市开始规划高铁货运作业场站建设及运营。

目前，高铁货运场站规划及设计处于初步探索阶段，设施设备布局和作业组织方案缺乏标准，加之高速货运动车组及货物作业系统的复杂性，使高铁货运场站作业能力和布局方案分析问题变得复杂。而如何对高铁货运场站作业能力及效率进行定量分析和评估，为高速铁路货运场站规划、设计及运营提供有效建议，从而在货物在站阶段提升货物搬运效率、提高空间利用率，协调不同功能区的作业^[2]，是适应高铁货运市场及相关技术快速发展需求的重要手段。

国内外有关高铁货运作业场站的研究主要集中于作业流程优化、设施设备配置和平面布置方案研究。李刚等^[3]以仓库设计为主要原则，根据仓储面积需要分别提出2种高铁货运基地平面布局方案，定性分析其能力大小。孙逊^[4]在对高铁货运专用场站功能区进行划分基础上，提出三台夹四线、尽头式货场、功能区相对货场呈L型布置的总体布局设计方案。周璐^[5]针对高铁货运物流基地提出尽头式和通过式两种布局设计方案，并从占地和投资成本等方面推选出尽头式布局方案。Chen等^[6]开发了基于时间Petri网的铁路多式联运中心，梳理了列车、货物及卡车作业流程，并通过仿真的方法定量分析、评估联运中心的设计方案和管理策略，为场站规划和设计提供决策支撑。许植深等^[7]基于尽头式布局高铁货运场站，定量分析人员设备配置数量与业务量的关系，提出运营优化措施并总结规律，为高铁快运物流基地运营效率和物流资源配置优化提供参考。Li等^[8]通过开发仿真模型综合评估铁路自动化集装箱中心的尽头式布局设计方案。王多宏等^[9]通过明确高铁货运动车组技术参数，借鉴既有普速铁路货运站场理论提出高铁货运场站基础设施布置方案。

综上，现有关于高铁货运作业场站仿真模型及方法的研究较少，有关高铁货运场站作业能力分析的文献多以定性分析为主，且大多不以高速铁路货运场站作为研究对象。因此，本研究通过系统分析高铁货运场站作业流程特点、设施设备及功能需求，梳理高铁货运场站行车组织及货物作业特征，并选取评价指标，采用多智能体仿真技术，开发高速铁路货运场站列车运行及货物作业一体化仿真模型，对高铁货运场站作业能力进行仿真评估。根据仿真模型的实验结果，对高速铁路货运场站的作业能力及效率进行定量分析，并提出合理的布局方案建议。

1　问题分析

为充分利用动车组载重能力、发挥高铁货运时效性优势，同时避免因货物装载不均衡影响列车重量平衡及车辆集重，进而威胁行车安全，高速货运动车组通常在到站货物全部卸下或装载计划内的货物全部装车后才能出发，且这个时间不会太短。故高铁货运场站作业能力分析问题就不仅仅是某单一的线路能力或货物作业能力分析问题。

在高铁货运场站设计中，咽喉区、装卸线及装卸站台、各功能区等设施设备利用程度受其他设施设备作业效率影响、制约，并共同作用决定场站的综合作业能力，因而高铁货运场站作业能力分析问题应该将各类设施设备的具体布置情况综合起来考虑，不能简单地将其分割。

高铁货运场站作业能力即指在一定设施设备布置及作业组织方案下，车站在单位时间内所能办理的货物列车到达及出发量(或货物到达及发送量)。高铁货运场站作业能力分析问题即在一定作业组织方案下，如何识别设施设备间相互影响关系及其对场站作业能力综合影响作用，并建立评价指标，对高铁货运场站作业能力进行定量分析。

因此，在建模之前，首先对高铁货运场站相关设施设备及功能、动车组及货物作业流程、作业能力评价指标进行分析。

1.1　高铁货运场站相关设施设备及功能分析

高铁货运场站设施设备需求及其功能分析如表1所示。

高铁货运场站应配备专门的装卸线及装卸站台，用以动车组到发、停靠及装卸作业。集装器分拨、中转区可作为货物分站台、分车次装车前的分拨、暂存场所，到达货物也可在此直接完成换装、转运。装卸搬运设备是用以完成货物自动化、高效率搬运的重要手段。当面临货物跨线作业时，需要修建特殊的货物搬运通道，并考虑货物及装卸搬运设备的搬运条件。高速货运动车组及专用集装器是完成大规模货物装载、运输的必要设备。仓库则用以储存货物免受自然灾害，卡车停车场及装卸区用以社会车辆停放及装卸。

为满足工作人员办公、生活等配套功能，场站还应配备综合办公及生活区。此外，根据用地条件，零散货物交接、安检、分拨及装箱可在社会企业分拨中心或物流园区完成，高速货运动车组存车及检修可在载客动车组动车所内完成。

1.2　高铁货运场站作业流程分析

高铁货运场站作业流程分为到达卸车及出发装车2方面，包括动车组及货物作业2部分。基于上述高铁货运场站设施设备及功能分析，到达卸车作业流程如图1所示。出发装车作业流程如图2所示。

载客动车组一般为8节或16节编组，中途不进行解体、编组作业。高速货运动车组除停站时间不固定、需等待装卸作业及装卸车检查后方可出发外，其他作业流程与载客动车组类似。

货物作业方面，经搬运到达集装器分拨中转区的货物可在此区域直接换装、转运，经社会车辆运送到站的集装货物也可直接卸车至集装器分拨中转区暂存、等待装车发送。此外，可将到达货物按包装分为集装到达和散货到达，集装货物通常来源于有大量货物运输需求的大型企业，可以通过签订合同的形式展开长期合作。散货通常来源于小型企业或个人。

1.3　作业能力评价指标

为定量分析场站综合作业能力、识别作业能力瓶颈，选取场站各设施设备能力及场站综合作业能力相关评价指标如下。

（1）列车装卸平均作业时间。列车装卸平均作业时间是指所有到达车站的列车进行货物装卸作业的平均时间，其计算公式如下。

t_{\mathrm{装卸}}=\frac{t_{\mathrm{总}}}{n_{\mathrm{装卸}}}⑴

式中：t_{\mathrm{装卸}}为列车装卸平均作业时间，min/列；t_{\mathrm{总}}为货物装卸作业总时间，min；n_{\mathrm{装卸}}为完成货物装卸作业列车数量，列。

（2）列车平均停站时间。列车平均停站时间是指所有到达车站的列车从停靠站台时起至开放出站信号、列车起动时止的平均时间，其计算公式如下。

t_{\mathrm{停}}=\frac{t_{\mathrm{停总}}}{n_{\mathrm{停}}}⑵

式中：t_{\mathrm{停}}为列车平均停站时间，min/列；t_{\mathrm{停总}}为所有到站列车停站总时间，min；n_{\mathrm{停}}为到站列车数量，列。

（3）站台利用率。站台利用率是指货物列车利用站台进行装卸作业的时间与站台额定工作时间的比率，反映站台数量设置是否合理，其计算公式如下。

u=\frac{t_{\mathrm{总}}}{t_{\mathrm{站台}}\cdot n_{\mathrm{线}}}⑶

式中：u为站台利用率；t_{\mathrm{站台}}为站台额定工作台时，min；n_{\mathrm{线}}为装卸线数量，条。

（4）站台作业能力。站台作业能力是指单位时间内，该车站站台能够完成货物装卸作业的列车数量，列/h。

（5）暂存区中转能力。暂存区中转能力是指暂存区在单位时间内的货物吞吐量，t/h。

（6）车站业务办理能力。车站业务办理能力是指在一定设施设备布置及作业组织方案下，车站在单位时间内所能办理到发作业的终到、始发货物列车数(或货物到达、发送量)，列(t)/h。

2　高铁货运场站作业仿真模型

本研究通过构建高铁货运场站作业仿真模型，还原列车及货物具体作业过程，识别各设施设备及作业流程间相互影响机理，分析场站作业能力、效率及瓶颈所在，从而对高铁货运场站作业能力及效率进行定量分析和仿真评估。

2.1　模型假设

（1）假设仅开行直达模式，且列车在进、出站前均为满载；

（2）假设车站仅办理高铁货运列车相关货运作业，不办理旅客列车、普速货物列车等其他作业。

2.2　高铁货运场站作业多智能体仿真模型

多智能体仿真，即采用复杂系统理论和多智能体系统建模理论建立仿真高层模型^[10]，不仅考虑系统模型中定量的特性(数字参数)，而且考虑定型的特性(个体行为)，能够高效地表现每一个体的行为和环境条件，并且具有很强的可操作性和普适性。

高铁货运场站作业仿真系统中包括列车(Train)、车厢(RailCar)、集装器(Container)、传送带(Convey)、装卸人员(Employee)、卡车(Car)六大类智能体，具有社会性、自治性、反应性、理性、预动性、适应性等特性。

（1）列车类智能体具备储存车厢类智能体功能。列车类智能体会主动感知环境中的进路、装卸线作业及其他列车类智能体状态，待进路及装卸线未被占用才会驶入货场，且优先停靠作业任务较少的装卸线。

（2）车厢类智能体与卡车类智能体具备产生和储存集装器类智能体功能。车厢类智能体和卡车类智能体会产生额定载重数量的集装器类智能体在车厢或卡车对应坐标，在卸空后停止产生集装器类智能体并离开，其中，卡车类智能体会自主感知环境中其他智能体状态，待上一拨集装器发送便会立即到达中转区开始卸车，以减少货物周转时间。或储存经装车到达车厢或卡车对应坐标的集装器类智能体，当车厢或卡车到达时，会发出装车指令，当车厢或卡车达到额定载重时停止装车并离开。

（3）装卸人员类智能体作为集装器类智能体在卡车类、传送带类、车厢类智能体之间流动的接口，在被待装、卸集装器类智能体获取时，会在指定路径之间进行搬运。同时，装卸人员类智能体会自动感知环境中车厢、卡车、传送带类智能体状态，只有当卡车和车厢未被卸空或装满、传送带运转方向和集装器目标地方向一致时才会继续作业。

（4）传送带类智能体具备自动化搬运集装器类智能体功能。传送带类智能体能够通过感知系统来获取外界环境信息，并对自身所处的环境发生变化时做出相应的智能行为，自动改变运输方向。

（5）集装器类智能体是高铁货运场站作业多智能体仿真模型中的基础类智能体，只有集装器类智能体能在其他5类智能体中存在，通过装卸人员类智能体，集装器类智能体可以在其他4类智能体两两之间进行移动。集装器类智能体会自动感知外界环境信息，并根据自身所处状态获取其他几类智能体。

高铁货运场站作业仿真系统是由多个具有自主决策、外界交互、自我控制等能力的个体作为参与主体，各个作业环节主体间相互作用、相互依赖、内部冲突的复杂作业系统。多智能体仿真方法可以对场站内流动的实体(集装器、列车、作业人员等)及其相互关系进行预测和描述，通过对仿真结果的定量分析来评估场站运营能力及效率，以及设施布局与场站运营能力及效率的关系。

通过以上智能体功能及特性分析，进一步构建高铁货运场站作业多智能体仿真逻辑流程图。

2.2.1　列车及车厢Agent逻辑

基于上述智能体功能及特性分析，将高铁货运场站作业系统仿真逻辑划分为3个部分。其中，列车和车厢Agent逻辑流程及事件关联图如图3所示。

列车到达时列车Agent生成，随即检查进路关键点及装卸线占用状态，当进路未被占用且存在装卸线无列车作业时，办理闭塞、准备进路并开放进站信号，列车Agent优先选择作业任务少的装卸线停靠。否则在区间等待、列车Agent进入delay、排队检查进路，直到进路空出且装卸线无列车作业时结束delay。停靠的列车Agent进入delay等待装、卸车完毕，随即列车Agent储存的车厢Agent发出装车指令或生成额定载重数量的集装器Agent在车厢对应坐标。当该列车Agent储存的所有车厢Agent全部卸空或满载后，该列车Agent结束delay并检查进路，当进路未被占用时办理闭塞、准备进路并开放出站信号，随即发车离开、列车及车厢Agent消失。进路占用则线上等待、排队。

2.2.2　卡车Agent逻辑

卡车Agent逻辑流程及事件关联图如图4所示。

卡车到达时卡车Agent生成，随即检查装卸区车位占用状态，当存在空闲车位时停车并进入delay，发出装车指令或生成额定载重数量的集装器Agent在卡车对应坐标。否则在停车场排队等待、直到装卸区车位空出。当该卡车Agent卸空或满载后结束delay、发车离开，卡车Agent消失。

2.2.3　集装器、装卸人员及传送带Agent逻辑

集装器、装卸人员、传送带Agent逻辑流程及事件关联图如图5所示。

作为基础类智能体，由卡车或车厢Agent释放的集装器Agent会逐步获取装卸人员、传送带Agent。装卸人员Agent会主动感知传送带运输方向，若传送带运输方向和集装器目的地方向不一致则不被获取，一致则继续作业。传送带Agent则会自动感知环境信息，当上一轮装卸任务完成后、根据下一轮装卸任务自动改变运输方向。处于暂存区进入delay的集装器Agent则会在收到卡车或车厢Agent发出的装车指令时才会结束delay，在装车后消失。

基于以上多智能体特性及行为分析，选择AnyLogic仿真软件，采用流程建模库、轨道库、物料库实现高铁货运场站作业多智能体仿真模型。精确模拟列车到发、货物装卸及搬运等作业环节，货物随列车到达、出发而产生、消失，从而完成高铁货运场站列车运行及货物作业一体化的仿真。

3　案例分析

高铁货运可选择作业地点主要包括既有高铁客运站改造、动车段(所)改造和新建高铁货运基地^[11-12]。由于动车段(所)内线路设施为全天作业，动车段(所)检修作业与高铁货运装卸、运输作业相互干扰，能力利用较为紧张，相关设施设备也无法满足需求，不具备开展高铁货运业务的条件^[12]。既有高铁客运站由于客运服务繁忙且客运设施设备固定，货运服务可用资源和条件有限，无条件发展大规模高铁货运业务。而新建高铁货运基地能够满足货物的快速集散及多种运输方式之间的衔接^[13]，故选取国内某规划中三台四线高铁货运基地为主要研究对象，分析其在不同布局方案下的场站作业能力及效率。

3.1　平面布置图分析

3.1.1　尽头式高铁货运基地平面布置图分析

尽头式高铁货运基地平面示意图如图6所示，办公区、仓储中心、停车场等平行布置于站台一侧，货物分拨、中转区与站台横列布置于站台末端，与站台邻接。

3.1.2　通过式高铁货运基地平面布置图分析

通过式高铁货运基地平面示意图如图7所示。站台尽端设置地下货物搬运通道，一端连接站台平面出口、另一端连接货物分拨、中转区，通道尺寸综合考虑站台宽度、搬运设备尺寸、地下空间利用情况等因素，并设计制造能适应站台等狭小空间作业的定制化搬运设备，以实现货物跨线搬运作业。由于线路障碍，此时各功能区均平行布置于站台一侧。

3.2　仿真实验方案设计和参数设置

针对以上布局方案，展开尽头式高铁货运基地作业能力及效率分析、通过式高铁货运基地作业能力及效率分析、尽头式和通过式高铁货运基地作业能力及效率对比分析仿真实验。

已知时速350 km高速货运动车组适应环境温度-25℃至40℃，动力配置为4动4拖8辆编组，载重不少于110 t，载货容积不少于800 m³，载货空间利用率大于85%，其中间车体长25 000 mm、宽3 360 mm、高4 050 mm，装载门宽2 900 mm、高2 360 mm。其专用集装器规格为2 700 mm×2 334 mm×2 300 mm，自重350 kg、载重1 250 kg、容积11.6 m^3[14]。结合铁路货物装载技术标准及旅客列车关于《新建时速300~350公里客运专线铁路设计暂行规定》^[15]，仿真参数设置如表2所示。

3.3　仿真实验及分析

在上述场景下进行仿真实验，仿真效果图如图8所示。通过式高铁货运基地通过站台尽端的地下行包通道、传送带实现货物跨线搬运作业。

3.3.1　尽头式高铁货运基地作业能力及效率仿真分析

经仿真实验得到尽头式高铁货运基地作业能力及效率如表3所示。

可知三台四线、尽头式高铁货运基地作业能力及效率：列车装卸平均作业时间35 min，列车平均停站时间39.3 min，站台作业能力6.8列/h，暂存区中转能力536 t/h(折合6.1列/h)，车站业务办理能力5列/h，此时站台利用率达到73%。

3.3.2　通过式高铁货运基地作业能力及效率仿真分析

通过式高铁货运基地作业能力及效率如表4所示。

可知三台四线、通过式高铁货运基地作业能力及效率：列车装卸平均作业时间40.5 min，列车平均停站时间44 min，站台作业能力5.9列/h，暂存区中转能力480 t/h(折合5.5列/h)，车站业务办理能力4.9列/h，此时站台利用率达到82.2%。

3.3.3　尽头式和通过式高铁货运基地作业能力及效率对比仿真分析

维持重、空车比1∶1，在实验周期8 h内，通过增加行车密度，得到尽头式和通过式高铁货运基地作业能力及效率对比如图9所示。

根据以上数据结果显示，尽头式高铁货运基地列车平均停站时间在40 min上下浮动，列车装卸平均作业时间在36 min左右；而通过式高铁货运基地列车平均停站时间在44 min上下、列车装卸平均作业时间超过40 min。可知：尽头式布局下货物作业条件更好，作业流线短、衔接性高，故装卸作业时间短，且该布局方案避免了跨线作业，无需建设地下搬运通道，建设难度小、安全系数高。

分析能力相关评价指标，随着行车量增加，尽头式高铁货运基地办理列车到发数量稳定在39~40列，达到车站业务办理能力瓶颈，此时站台作业能力为6.8列/h，利用率仅为73%。由于货物作业条件较差、作业距离长，通过式布局下站台作业能力仅为5.9列/h，此时站台利用率达到82.2%，办理列车到发数量稳定在39列，达到车站业务办理能力瓶颈。可知：随着行车密度增加到车站能力饱和，即接发列车数量较多时，咽喉区和站台作业能力使用紧张，可能出现某一时间段咽喉区道岔组被占用导致装卸线及装卸站台空费的情况，此时通过式布局下列车作业条件更好，接、发车效率更高，可以提高站台利用率。

综上所述，尽头式布局和通过式布局作业场所在货物作业条件和行车组织条件方面各有优势，尽头式布局和通过式布局优缺点分析总结如表5所示。同时，针对三台四线规模且仅办理高铁货运专列模式的情况，得到以下结论：①尽头式布局高铁货运基地车站业务办理能力为5列/h、437.5 t/h，列车平均停站时间39.3 min，列车装卸平均作业时间35 min。通过式布局高铁货运基地车站业务办理能力为4.9列/h、428.8 t/h，列车平均停站时间44 min，列车装卸平均作业时间40.5 min。②高铁货运场站咽喉区、装卸线及装卸站台、各功能区等设施设备共同决定场站的综合作业能力，其中站台作业能力及利用率是影响高铁货运场站作业能力的主要因素，站台作业能力依赖于装卸线及站台等设施设备数量及货物作业条件，站台利用率由咽喉区作业效率决定。相较于尽头式布局，采用通过式布局可以提高站台利用率，但货物作业条件较差，站台作业能力仅为5.9列/h。此时，通过式布局下车站业务办理能力为4.9列/h，低于尽头式布局的5列/h。同时，尽头式布局货物作业条件更好、站台作业能力大，其作业效率也更高，结合投资成本、工程难度和作业安全性来看，更推荐采用尽头式布局。

4　结束语

高铁货运场站作业能力和布局设计的研究对于支撑一体化的高效率高铁货运作业场站分析与建设、促进高铁货运发展、适应铁路行业形势快速发展的需求具有重要意义。本研究提出的多智能体仿真方法能够为解决高铁货运场站作业能力及效率分析评估和布局方案适用场景选用等问题提供有效建议和参考。由于高铁货运专列目前并无开行实例，缺少列车运行计划和装载运用方案，本研究仅考虑了直达模式满载情况下的高铁货运场站运营能力及效率。参数根据相关资料确定，实际情况有所不同，但方法得到验证。随着高铁货运相关研究不断完善、列车运行计划和货物装载方案不断优化，能够根据场站实际列车及货物到发需求不断优化高铁货运场站作业能力及运营方案评估的相关问题研究。

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基金资助

四川省自然科学基金青年项目(2022NSFSC1875)

四川省自然科学基金面上项目(2022NSFSC0397)

中铁二院工程集团有限责任公司科技研究开发计划课题(KDNQ202029)