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铁路运输通道脆弱性的建模框架
STEVEN K. PETERSON AND RICHARD L. CHURCH
摘要：从煤炭到农产品，铁路是大宗商品长途运输的最有效方法之一。在过去的50年里，铁路网络已经收缩，然而吨位却增加了。在地理位置上，运输服务在短途航线上被放弃，在主要的长途航线上有所增加，从而形成了一个更加流线型更合理化的网络。目前的铁路网可能非常脆弱，容易受到破坏，比如高架桥的倒塌。本文提出了一种建立铁路网络脆弱性模型的框架，并对该模型框架进行了应用分析，分析了华盛顿铁路网络的脆弱性。本文总结了一些与政策相关的问题，这些问题需要解决，以便于确定、计划和减轻与桥梁或高架桥突然损坏有关的风险。
引言
美国的铁路系统代表了数百家独立公司和他们的铁路轨道和铁路车辆的结合。总的来说，铁路系统运输的货物占全国货运周转总量的30%(美国交通部[USDOT] 1999)。轨道运输的货物大部分是由几家大型铁路公司运送的。美国的铁路轨道线路主要分布在公司拥有的权利范围内。在19世纪末期，一些公司为了建造和扩大铁路运营而被授予了一些权利作为诱因。除了最初的土地赠款，铁路还提供了没有主要补贴的服务;然而，最近提议的立法可能允许铁路公司将基础设施投资的税收抵免作为扩大产能的诱因(AAR 2007a)。就所用能源而言，用铁路运输货物的效率大约是用卡车运输的三倍。铁路运输每吨英里产生的污染物与卡车相比也减少了三倍(Davis and Diegel 2007)。因此，在长途运输时铁路运输与卡车运输相比保持着明显优势(Morlok 1995)。
2007年3月15日，联合太平洋铁路公司在加州的萨克拉门托经历了一场高架桥火灾。这座高架桥是为了在几个街道的十字路口抬高铁轨而修建的。火灾的原因已分类为纵火。这种结构是用木馏油处理的木材构造的，而且火几乎不可能熄灭。这座高架桥被认为是全损。虽然这个结构只有300英尺长，但是它需要作出重大的努力来及时重建结构。然而这个结构是无法操作使其完好的，因此大多数火车都被改道了;绕道的结果是增加了125英里的距离，使运行线路受到影响。甚至由美国铁路公司运营的客运列车也被改道。当地的铁路交通被重新分配到一个有许多十字路口的线路上，这导致了萨克拉门托市中心额外的的交通堵塞。这一相对较小的纵火行为表明，针对铁路资产的罢工可能对公司和公众产生重大影响。应该指出的是，该公司承担了重建这座高架桥的所有费用，以及与冗长的变更后的线路相关的额外运营成本。
铁路运输提供的服务对一般公众具有重要价值(Wallace 1963)。USDOT估计,如果在通常由铁路处理的港口多式联运运输的货物被卸载到卡车上，则主要城市的拥堵会显著增加,(多式联运运输是需要集装箱货物到达码头,直接放置于铁路轨道或短距离运输到铁路终端，以及集装箱或卡车拖车装在铁路上的长途运输系统的一部分运输)。如果没有铁路运输，煤炭、粮食、化学品和汽车等主要商品的运输成本将大幅增加(Wallace 1958)。因此，铁路资产的直接损失可能对公众和运营铁路产生深远的影响。本文研究建立了一个评估铁路资产损失对运营铁路影响的模型框架。尽管由于故意罢工而造成的铁路资产损失，对公众的直接或间接影响本身可能具有重大意义，但这一问题仍有待进一步研究。
美国联邦政府的地面运输委员会规定了铁路运营的一些方面，如定价、废弃和普通承运人的义务。铁路安全的监管是联邦铁路管理局的职责。许多州试图规范铁路特定的活动，例如限制空气污染，通过铁路运输已经成功地挫败了法院由于在州际贸易长期存在的联邦立法。一般来说，规章管理制度包括与操作安全有关的问题，包括轨道、信号、开关、车辆的保养(尤其是制动系统)，以及计算关税的具体问题，比如计算燃料附加费的方式和如何将其传递给客户。尽管与铁路有关的大量规章管理制度和政策确实存在，但这篇论文涉及的是一个在大多数现有立法之外的话题:故意伤害对铁路公司资产的影响。在下一节中，我们将对铁路的运作进行简短的讨论。考虑到这一点，我们制定了一个简单的线路模型，它可以用来模拟铁路对可能发生的资产损失的影响，比如桥梁或隧道。然后，我们将我们的框架应用到一个涉及到华盛顿的货运流影响的场景中，这与在爱达荷州的桑德波因特的一座桥的损失有关。我们使用一个扩展的模型来跟踪这个应用程序，该模型考虑了网络容量的问题。最后，我们把注意力集中在政策相关的问题以及未来研究的问题上。
背景
铁路公司在运输货物方面也与其他运输方式竞争，比如卡车和驳船。举例来说，西部各州最大的两家铁路公司是UP铁路公司和美国伯灵顿北方圣太菲铁路运输公司(BNSF)。这两条铁路线是源自华盛顿州的铁路服务的主要竞争对手(该地区是为应用我们的建模框架而选择的区域)。每个城市都有一个铁路系统，位于芝加哥、圣路易斯和新奥尔良以西。UP铁路公司运营了大约2.7万英里的干线轨道和1.9万英里的码线，并有跟踪其他线路的权利。BNSF运营着2.3万英里的干线铁路，并通过与其他线路的协议使用了约9000英里的轨道。BNSF和UP各自拥有或租赁超过6,300辆和8500辆机车。通过所有权和租赁协议，UP管理着大约10.5万辆不同类型的火车，BNSF拥有或租赁了超过8.5万辆汽车。这类资产有必要携带相当一部分来自西方国家的铁路货运。尽管这两家公司在美国西部的大部分地区相互竞争业务，但它们确实分享了某些合同安排，允许它们在彼此的线路网络上进行营运。根据合同的具体情况，这些协议被称为铁轨(或运输)权利。例如，BNSF可以将他们的列车在UP公司的轨道上从加州的萨克拉门托开往科罗拉多州的丹佛市。在具体的轨道权利协议之外，铁路线路被限制在自己的轨道上。铁轨权允许公司使用自己的设备和人员在另一个铁轨上运行火车。运输权允许铁路与客户在另一个铁路网络上进行谈判。然而，铁路运输权将准许在轨道上运行自己的机车，并将处理谈判的铁路轨道车辆。
在这项研究中，我们假设铁路是收入最大化的公司。在没有具体的铁路合同信息的情况下，我们进一步假定铁路的收入是距离的直接函数。因此，铁路的收益最大化的目标函数是，在将某批货物运输到另一家公司之前，尽可能多地在自己经营的轨道上运输该批货物。他们最终将不得不交付货物，如果它注定是在他们的服务区域之外的一个点，但是铁路将寻求最小化数量的到其他网络的转移点，以保留尽可能多的收入。例如，UP公司承运的从西雅图到迈阿密的运输，很可能会被送到田纳西州孟菲斯的CSX铁路公司，该铁路位于UP公司服务区域的东部边缘。
大量的研究和开发已经投入到提高铁路运营效率的基础上，这基于铁路建设、路由和调度模型(参见Abril et al. 2007; Assad 1980a; Ballis and Golias 2002; Barnhart, Jin, and Vance 2000; Hesse and Rodrigue 2004)。需要重点注意的是，有些线路存在运营能力或接近能力的情况,而且在不降低平均列车速度或增加容量的情况下，某些特定线路上的交通增加是不可能的(例如,开发部分朝着相反方向通过区段的双轨列车)。这种系统模型的目标之一是通过改进操作(如火车建设)、调度和网络改进提高轨道的有效能力。举个例子来说，随着UP公司运营的从洛杉矶到埃尔帕索沿线的双轨线路的增加，该公司计划从每天增加50列火车的运力到每天运力超过80列火车。这意味着，如果某条铁路的线路发生了中断，铁路公司可能没有能力沿另一条线路运输货物。这也意味着，如果替代路线要遵守轨道使用协议，那么其他铁路也可能受到影响。这一问题将在本文的建模部分进行更多的讨论。
考虑到铁路公司处理美国30%的货运里程，重要的是要了解主要破坏对系统一个元素的影响，无论是自然的还是人为的。由于铁路网络在地理上是广泛的，并且还需处理如此大的货运量，由于一些灾难或故意的罢工而造成的关键部件的损失可能会限制铁路服务和线路的可利用性和可靠性。桥梁或隧道的存在是否为铁路或公共机构提供了额外的保护?这样的问题应该得到解决，以便规划和确保这些服务不会在严重损害经济和公众结果的情况下作出妥协，而这是一个可以避免的潜在灾难。在下一节中，我们提出了一个框架，用于模拟桥梁或高架桥在铁路网上的损失影响。考虑到这个框架，我们将把它应用到涉及华盛顿的货运服务的场景中。
一种分析中断对铁路网络影响的建模框架
损失的桥梁可能造成的影响是多方面的。表1只列出了从替换成本开始的其中几个问题。对于许多这些问题，公众的行动可能是必要的。例如，如果一个通勤铁路线路受到影响，可能有必要增加公交运输服务来处理受影响的上班族。在大多数情况下，损失的桥梁的主要影响将会落在货运上。如果可能的话，货运需要改道。在某些情况下，绕道可能不存在。例如，如果在一个煤田的运输支线上发生了高架桥故障，那么所有从该区域运输的煤都会被中断。就煤源分支线来说，可能不存在足够的替代运输方式来处理如此大的需求。确定不同类型网络的关键组件的方法一直是最近研究的重要内容(参见Murray and Grubesic 2007);然而，很少有人注意到确定铁路网络的各种关键要素。本文的目标是提出一个对铁路系统在美国运营时的具体损失进行分析的战略框架。
为了估计涉及到一个或多个桥梁的损失可能造成的影响，需要有能力确定备选路线，确定处理不同路线上增加的流量的能力问题，以及模型直接和间接的影响。要想在全国范围内做到这一点，跨越铁路司法管辖区需要一些简化的假设。我们应该认识到，依据高架桥的损失对所有铁路造成的影响进行建模，就必须将整个系统建模为一个整体，而不是单个的铁路。人们可以把这看作是一个战略层面的问题，其中的主要目标是评估一个桥梁或隧道在整个铁路网络上突然损失的影响，而不需要解决具体的操作问题，例如日程安排。同样重要的是，要认识到，几乎不可能建模所有复杂的流程用于构建列车和在网络上调度它们，并且这在高层次的战略规划中仍然可行。其思想是用聚合形式表示问题，这样它就能捕获操作模式的意义，而无需在日常操作中使用大量的细节。因此，我们可以把铁路问题看作是一个网络流问题，涉及一个节点和多条弧线(G [N, a])，其中G是网络，N是节点集，A是弧线或轨道段的集合。网络上的大多数节点都是开关的位置，其中一个轨道段被分成两个轨道，或者两个轨道段连接到一个轨道段。开关允许火车改变轨道和可能的方向。从主轨道上转换的铁路侧线表示的地方允许将汽车运送到目的地卸货。节点也可以放置在铁路侧线上，以表示卸货车的位置、提升容器等。我们将指定O为节点的子集，它代表货运产生的点。类似地，我们将指定D为表示交付地点或目的地的节点的子集。
货运路线的问题可以用两种主要的方式来看待。首先，我们可以把每一个货运活动看作一个从位置s点出发，在目的点t点结束的单次货物运输, 其中s和t是网络上的节点。尽管通过自己接受装运(比如，一车货物)本身有点不切实
表1.被损毁的桥梁或栈桥可能造成的影响
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问题 |
影响类型 |
影响 |
公共/政策问题 |
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桥梁需要更换 绕行路线较长 绕行路线的运力有限 现有的闲置能力不存在绕行路线 乘客/通勤路线中断 |
费用 增加吨英里 较长的过境时间 增加替代路线流量 有些货物不能用铁路运输 所有货物必须以另一种方式处理，或根本不运输 替代路线可能较差或不存在 |
铁路/保险公司必须承担更换费用 增加铁路公司的成本 为客户提供较低水平的服务 车辆交叉处可能产生的影响 铁路有些失去业务，可能增加驳船和卡车运输 对卡车来说，更多的燃料消耗和污染产生 增加卡车和驳船的运输；增加了卡车的污染和燃料消耗，或可能不装运 增加汽车通勤的使用 |
鼓励加快更换，补贴成本 根据公众的关键需求，如燃料、氯等，确定货运的优先次序 根据公众的关键需求，如燃料、氯等，确定货运的优先次序 为受影响的通勤者增加巴士服务 |
际，但我们仍然可以捕捉到足够的细节，以致从单一货物运输模型中获得的信息是有用的。在我们提出这个模型之后将进一步讨论这个想法。
考虑以下符号:
i,j= 用于表示节点G的指标;
m,o= 用于分别表示主线和传输系统元素的指标;
A = {(i, j)|节点i和j之间存在一条路线}; 全文共26685字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[14523]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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