（交通运输规划与管理专业论文）客运专线车站作业计划协同优化方法研究.pdf

韭塞銮垣厶堂亟堂位j 金塞虫塞垴翌 中文摘要 客运专线车站作业计划是在列车运行计划、动车组交路计划确定的条件下， 根据车站各种设施的运用情况，对列车接发、调车等作业进行合理安排的计划， 是车站运输生产的核心计划，也是客运专线运输计划的重要组成部分。客运专线 车站作业计划编制是一个多系统相互协调的多目标优化问题，研究客运专线车站 作业计划协同优化方法具有重要的理论和现实意义。本文结合客运专线车站作业 的特点，重点研究了列车到发时刻、进路、到发线运用三者之间的协同优化问题。 论文首先研究了列车运行计划与车站作业计划协同方法，并详细描述了两个 主要需协同处理的问题：列车合理到发时间带的确定和车站作业计划的编制。提 出了时问三元组的表述方法，解决了时间点和时间带的统一表述，为通用模型和 算法的建立奠定了基础。 然后，针对两个协同处理问题，提出了基于列车作业冲突集的车站作业计划 协同编制模型的构建方法，并根据问题特点，从问题规模、目标函数和约束条件 等几个方面对模型进行了进一步的修正。 针对模型变量规模大、约束条件种类多等特点，实现了基于分层求解思想的 蚁群算法；并以提高车站作业计划对列车运行波动适应能力为目标，提出了一种 车站作业计划二次优化的局部搜索算法。 论文最后以新岳阳站为例对算法进行了验证。 关键词：客运专线；车站作业计划；协同优化；最大加权独立集；蚁群算法 分类号：u 2 9 2 韭塞窑适盘堂亟堂焦i 金塞 旦s ! b 上! a b s t r a c t o nt h eb a s i so ft r a i no p e r a t i o np l a na n dm o t o rt r a i n - s e ts c h e d u l e ，a c c o r d i n gt ot h e u s i n go fs t a t i o nd e v i c e s ，s t a t i o no p e r a t i o np l a na r r a n g e st h et a s k so fr e c e i v i n gt r a i n s ， d e p a r t i n gt r a i n sa n ds h u n t i n gt r a i n s s t a t i o no p e r a t i o np l a n i st h ec o r eo fs t a t i o n t r a n s p o r t a t i o na n di so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t s m a k i n gu po fs t a t i o no p e r a t i o n p l a ni sam u l t i o b j e e t i v ep r o b l e m w i t hm u l t i s y s t e mc o r r e s p o n d i n gw i t he a c ho t h e r i ti s s i g n i f i c a n c ei nt h e o r ya n dr e a l i t yt oi n v e s t i g a t et h ec o l l a b o r a t i v eo p t i m i z a t i o na p p r o a c h o fs t a t i o no p e r a t i o np l a n a c c o r d i n gt ot h es t a t i o no p e r a t i o nc h a r a c t e r , t h i sp a p e rp a y m o s ta t t e n t i o nt ot h ec o o r d i n a t i o na n dc o o p e r a t i o no f t h ea r r i v a la n dd e p a r t u r et i m e ，t h e u s eo f a r r i v a la n dd e p a r t u r el i n e s ，a n dt h eu s eo f r o u t e s a tf i r s t ，t h ep a p e ri n v e s t i g a t e st h ec o l l a b o r a t i v ea p p r o a c hb e t w e e nt r a i no p e r a t i o n p l a na n ds t a t i o no p e r a t i o np l a n , a n dd e s c r i b e st w oi m p o r t a n tc o l l a b o r a t i v eo p e r a b l e p r o b l e m si nd e t a i l t h et w oi m p o r t a n tp r o b l e m sa r eg e t t i n gt h ea r r i v a la n dd e p a r t u r e t i m es t r a pa n dg e t t i n gs t a t i o no p e r a t i o np l a n t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dat e r n a r yg r o u p o f t i m e ，w h i c hu n i o n i z e st h ed e s c r i p t i o no f t i m ea n dt i m es t r a p t h e n t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dam e t h o do fb u i l d i n gm o d e lb yt r a i nc o n f l i c t i n gs e t b u i l d sag e n e r a lm o d e la n da m e n d st h em o d e li ns i z e ，o b j e c t i v ea n dr e s t r i c t i o n a d a p t i n gt ot h ee x c e s s i v ev a r i a b l e sa n dl i m i t a t i o n s ，t h ep a p e rd e s i g n sa n ta l g o r i t h m o nt h eb a s i so fl a y e r e ds o l u t i o n s m o r e o v e rt h ep a p e rs e c o n d a r i l yo p t i m i z e ss t a t i o n o p e r a t i o np l a nt w i c e ，i nt h ea i mo f e n h a n c i n gt h ea d a p t a b i l i t yf o rf l u c t u a t i n g a tl a s t ，t h ep a p e ru s e sa ne x a m p l et ov a l i d a t ea v a i l a b i l i t yo ft h i sm e t h o di nn e w y u e y a n g s t a t i o n k e y w o r d s ：p a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e s ；s t a t i o no p e r a t i o np l a n ；c o l l a b o r a t i v e o p t i m i z a t i o n ；m a x i m u mi n d e p e n d e n ts e tw i t hw e i g h t ；a n ta l g o r i t h m c l a s s n 0 ：u 2 9 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位敝储签碾隧 名：蜘蘑 签字日期：2 呐7 年，) 月，o 日签字日期：哆年j 阴【。日 韭塞銮堑厶堂亟堂位迨塞丝剑丝彦明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名签字p t 期：争o 年险月i o 日 ，、 致谢 本论文的工作是在我的导师李海鹰副教授的悉心指导下完成的。论文从选题 到研究，从论文写作到文字修改，无不倾注着她大量的心血。李海鹰副教授严谨 的学风、诲人不倦的师者风范，特别是一丝不苟的科研精神深深地感动着我，使 我终生受益，是我学习的榜样。在此谨向李海鹰老师致以最诚挚的敬意。 论文工作期日j 还得到苗建瑞老师、贺振欢老师、蒋熙老师和王莹师姐的帮助 和支持。他们对于我的科研工作和论文都提出了许多宝贵意见，在学习上和生活 上都给予了我很大的关心和帮助，在此向苗建瑞老师、贺振欢老师、蒋熙老师和 王莹师姐表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，刘广志师兄、赵耀、罗浩、孟令云、王伟、 魏昭、包云、李要娜、林东梅、张颖等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮 助，在此向他们表达我的感激之情。 感谢宿舍的兄弟们，感谢你们带给我的快乐。 我还要感谢我的家入，正是你们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 感谢在交大的三年时光，使我学到了好多，体会到了好多。 韭宝 銮鋈鑫 堂壅 堂鱼盈塞绮纶 1 绪论 1 1 问题的提出 根据我国中长期铁路网规划，为了满足快速增长的客流的需要，建立省会 城市及大中城市间的快速客运通道，规划了“四横四纵”铁路快速客运通道以及 四个城际快速客运系统，到2 0 2 0 年将完成1 2 万公里客运专线建设。 正确把握和适应客运市场需求，综合考虑线路、车站、车辆等情况，对车站 作业进行合理规划是客运专线运输组织的重要内容之一。客运专线车站作业计划 是在列车运行计划、动车组交路计划确定的条件下，根据车站各种设施的运用情 况，对歹8 车接发、调车等作业进行合理安排的计划。在作业内容上主要包含接发 车作业和调车作业，在设备运用上主要包含到发线运用和进路占用。车站作业计 划是组织指挥车站各部门协调生产的基础，是车站组织运输生产的“大脑”。因此， 计划编制的质量直接体现了车站的生产组织水平，也直接影响着车站的生产效率。 与既有线相比，高速铁路的车站作业具有如下特点： ( 1 ) 作业时间短。主要体现在：整备作业过程比较简单，整备作业时问短； 乘客携带行李少，并且能够提前进站，在站台上根据自己所在的车厢在相应的位 置排队等候，上下车时阉短。 ( 2 ) 作业次数频繁。这是由高速线上列车运行密度高、追踪间隔时间短的特 点决定的。尤其是高峰时段，列车密集到发，车站作业十分繁忙，而车站作业计 划的高可执行性就成了高峰时段车站作业顺利开展的必要保证。如同本新干线， 1 9 9 7 年东海道山阳干线每天开行4 4 0 列，在高峰期间，日本新干线高速铁路单向 发送可以以4 分钟追踪间隔连发，即达到每小时1 5 列，并且持续时间可以达到2 个小时。 ( 3 ) 列车速度等级少，作业方式简单。高速线上运行的列车种类比较繁多， 但速度等级少，速差小。如日本新干线，运行的列车种类有2 0 0 系、4 0 0 系、e 1 系、e 2 系、e 3 系和e 4 系6 种车型和1 4 种单独或组合编组，但运行速度只有2 4 0 k r a h 、 2 6 0 k m h 和2 7 5 k r c h 三种速度等级。高速列车的在站作业无需再考虑机车摘挂、车 底取送等作业过程，作业过程都比较简单。 ( 4 ) 客运服务质量高。为旅客服务是铁路企业的根本目的，较高的正点率是 高速铁路高服务质量的一个具体表现。另外，相对固定使用的站台、站线及方便 快捷的换乘是吸引客流的重要手段之一，也是各国高速铁路车站作业组织的主要 韭塞銮 适太 堂亟 堂包纶塞缝途 考虑因素。 高速铁路车站作业时间短、作业次数频繁的特点对车站作业计划的编制精度 提出了更高的要求，而相对简单的作业方式使得高精度的车站作业计划的编制成 为可能。较高的列车运行正点率是高速铁路列车运行组织的一个重要特点，车站 作业计划对列车运行波动良好的适应能力是高正点率的一个重要保证。在车站作 业计划编制阶段合理优化到发线的运用和咽喉迸路占用作业，充分提高到发线占 用和咽喉作业的一体化协调和配合度，是提高车站作业计划可执行度的必要手段。 通过以上分析可知，客运专线车站作业计划的编制无论是在编制精度上，还 是在可执行度和优化目标上都不同于既有线。既有线上，众多的列车种类和作业 方式、复杂的作业过程以及不确定的技术作业时间决定了其计划的编制精度和可 执行度都不会很高，其车站作业计划编制方法已经无法满足客运专线车站运营的 要求。因此，符合客运专线运营特点的车站作业计划编制方法成为亟待解决的问 题。 另一方面，规定列车运行次序和到发时间的列车运行计划与车站作业计划之 间存在相互制约的关系。车站作业的流畅须以列车的合理组织为前提，如果现有 设备能力不足或者列车到发不均衡，车站作业组织也必然会受到影响。在我国， 客运专线的列车运行线的安排必须满足旅客出行规律的要求，这样必将形成列车 密集到发的高峰时段。在此时段内大量列车密集到发，一些大型繁忙车站就极有 可能成为运输瓶颈。而且从国外高铁的相关运营经验来看，由于高速线上运行列 车速度差别小，在列车密集到发的高峰时段，列车运行组织的瓶颈在车站作业能 力，而非区问通过能力。因此，个可行的车站作业计划必须以合理的列车运行 计划计划为前提，如何保证列车运行计划与车站作业计划的协同，提高点线作业 的协调度就成为一个无法回避的问题。 综上所述，结合客运专线车站作业的具体特点，综合考虑列车运行计划与车 站作业计划之间、到发线运用与咽喉进路占用之闻的协同优化关系，构建一个客 运专线车站作业计划协同编制的综合优化方法，成为了迫切的需要。 1 2 研究综述 1 2 1国内研究 由于我国铁路一直是客货混跑的运输组织模式，旅客列车的行车量及行车时 刻表都比较固定，因此国内既有关于车站作业计划编制问题的研究主要集中在技 术站上。如文献【9 1 l 】都是通过遗传算法来解决到发线的运用优化问题，其中文献 2 9 i j l 入了时自j 片的概念，从而将到发线安排问题转化为k 顶点图的着色问题，进 而建立了到发线运用计划编制的o l 规划模型。文献 1 2 1 建立了到发线占用安排的 排序模型，并指出这是特殊的固定工件排序问题，如果到发线能力不够，则通过 调整调车任务来照顾行车任务。文献【1 5 】是一篇针对客运站到发线运用优化的文 章，它在文献【9 】建立的到发线运用计划编制的0 1 规划模型的基础上，又充分考 虑了方便旅客旅行和到发线运用均衡性两个子目标，建立了一个基于到发线安排 运用问题的多目标规划模型，并用分枝定界法求解。文献 1 3 1 1 4 1 在到发线使用基 本约束条件的基础上，又充分考虑了车站咽喉区交叉干扰作业的疏解，两篇文章 都建立了一个含有交叉干扰疏解约束的二次0 - 1 规划模型。其中文献 1 3 1 围绕到发 线的合理运用，将规划模型分解为安排运用和干扰疏解两个模型，通过对两个子 模型的分别求解来获取到发线的运用方案。 以上研究基本上集中于车站作业计划编制的一个子问题到发线的运用安 排，不同的到发线运用方案，对车站的作业影响很大，特别是在能力比较紧张的 车站，但是车站的作业安排不仅与到发线占用顺序相关，与咽喉占用也有着密切 的关系，不考虑咽喉冲突的到发线占用方案很有可能是不可行的，尤其对于列车 密集到发的客专车站来说，合理协调好到发线和咽喉的占用是车站作业计划可执 行度优化的一个基本保证。 近年来国内也出现了一些对技术站的车站整体作业组织进行研究的文献，如 文献 3 1 哿车站作业规划过程分成时间层规划、地点层规划与执行者层规划三个层 次，通过对每层任务的不断细化和消解，从而实现最终的作业规划方案。文献【7 】 建立了一个车站作业规划的模拟模型，通过模拟车站调度人员的思维方式排出全 天在技术站内所有列车的作业方案。文献 6 】以列车的作业总时问最短为目标，设 计了一个将进路占用排序考虑在内的多层约束基本进路图编制模型，并以任意一 次列车的作业集合为一条同属链，提出了一个按照同属作业链以广度优先、事件 步长的滚动安排方法。文献 8 】在多a g e n t 架构下，综合运用专家系统、机器学习、 启发式算法、遗传算法、模糊综合评判等人工智能方法，建立模拟调度员思维推 理模拟的实时作业计划编制和调整系统，并确立相应的指标评价体系对不同方案 进行内部评价，生成备选方案，由调度员加以人工调整并最终确定最合理的作业 计划编制方案。 既有研究主要是利用人工智能方法来研究车站整体作业的组织安排问题，入 工智能方法克服了数学方法约束条件要求严格、问题确定性等局限，它研究和模 拟人的思维和决策过程，具有可理解性和可控性，其主要应用于过程比较复杂、 信息不充分或者没有建立确定性模型的问题。 另一方面，现阶段研究中关于列车运行计划与车站作业计划协同优化的问题 一直没有一个很好的解决办法。既有研究中对此问题的处理方法可归纳为两种： 在运行计划编制阶段，根据车站到发线数量和一些主要技术作业时间标准等数 据粗略的估算车站的作业组织能力，此方法并不能描述车流密集到发时车站内部 繁忙设备和咽喉的作业组织情况，因此这种方法很难保证编制出的列车运行计划 与车站作业计划的合理协调。文献 5 】【2 3 2 6 都是采用此种方法来进行运行计划的 编制。在车站作业安排过程中，通过对一些列车技术作业时间标准的调整来疏 解车站作业冲突，此种方法要求列车的技术作业时间标准具有一定的冗余度，较 适应于作业过程复杂的技术站。如文献 7 】【8 将车站作业分为动态作业和静态作业 两种作业类型，在作业规划过程中通过调整静态作业的作业时间标准长度来改变 其前继作业和后续作业的作业时间，从而达到疏解冲突的目的。 1 2 2国外研究 国外的学者对车站作业计划的编制问题也进行了大量的研究，文献 4 8 对运用 数学规划的方法来求解到发线运用问题进行了初次尝试，建立了一个到发线运用 的混合整数规划模型，但由于其建立的模型变量的规模十分庞大，并没有提供一 个高效率的求解方法。文献 3 9 1 将到发线和进路完全拆分开来，按照不同性质的列 车对进路和到发线的不同需求，建立一个车站作业计划编制的数学模型，并用分 枝定界法来求解此问题。其求解算法一分枝定界法虽然可结合导出的上下界信 息来指导一个合理搜索，但这样的搜索不一定能够改进解的质量，同时在处理较 大规模的组合优化问题时，要在可接受的时间内求得问题的最优解往往是很困难 甚至是不可能的。另外，车站作业计划的最终目标是实现基于运行计划的列车作 业安排，由于车站作业能力限制无法完成的应该是部分列车，而其将进路和到发 线占用拆分开，虽然大大缩减了所构建图的规模，提高了计算效率，但是其求解 完成后可能剩下未安排的是一些分别属于不同列车的零散作业，从逻辑上来说是 不合理的。文献 3 7 1 主要对车站作业计划编制模型求解算法的复杂度进行了分析， 并指出若每个列车有三或四条可用径路，那么此问题是一个n p 问题。文献 4 1 】主 要是通过模拟人工的思想，对一些繁忙车站到发线的安排运用，以及到发线占用 冲突时的调整和疏解策略进行了研究，其中对一条到发线上停放多列列车的处理 方法进行了重点研究。 在国外由于很多国家铁路运营能力有较多的富余，路网车流较均衡，容易实 现按图行车，因此对在编图阶段如何兼顾车站作业计划编制的研究很少。 4 堑塞銮迤厶 堂 亟 翌焦监塞 蟹j 盆 1 3 研究思路 车站作业计划编制是一个涉及诸多影响因素的组合优化问题，而从既有研究 来看，国内的研究主要集中在既有线技术站上，对于列车运行计划与车站作业计 划的协同问题以及到发线运用与咽喉进路作业的一体化协同问题在国内外的研究 中还没有提出一个很好的解决方法。本文以车站作业计划协同编制为目标，对这 两个主要的协同优化问题进行重点研究：宏观层上，通过建立列车运行计划与车 站作业计划协同方法来保证两者之间的合理协同；微观层上，对于到发线运用和 咽喉迸路作业的一体化协同问题，以径路( 列车的站内走行轨迹) 作为车站资源 的基本分配单位，通过列车作业径路的合理安排来解决。 本文的研究思路为：以列车运行计划与车站作业计划的协同关系为依据，研 究列车运行计划与车站作业计划的协同方法；以此协同方法为框架，以图的最大 加权独立集理论和蚁群优化搜索理论为基础，系统考虑到发线运用和咽喉进路作 业的一体化协同，构建车站作业计划协同编制的图论模型并设计相应求解算法。 如图1 1 所示。 方法 问题 构建列车运行计划与车站作 业计划协同方法 i 构建车站作业计划协同编 制的图论模型 上 融合分层求解思想，设计 蚁群求解算法 上 设计一种局部搜索算法来 提高车站作业计划对列车 运行波动的适应能力 上 以新岳f ( 口站为铡，选取客运 专线运输组织平台中部分列 车的到发和车站作业计划数据 对本文算法进行验证 图1 - 1 研究思路 f i g 1 1r e s e a r c hs t e p s 5 理论 一加理 一 一陇一 一大集 一 鬲一 一最立论一 一礞一 的独 一傀 里竺 1 4 研究内容和论文结构 论文从宏观上来说，上层构架是列车运行计划与车站作业计划协同方法，下 层是协同方法中存在的若干个协同处理过程；从微观上来说，针对具体的协同处 理过程构建合理的模型，并设计相应的算法来求解。论文主要包括以下几个方面 的研究内容： 1 、列车运行计划与车站作业计划协同方法 针对客运专线运行计划编制与车站作业组织的特点，研究列车运行计划与车 站作业计划协同方法，详细描述协同方法中的两个主要协同处理过程。并指出， 为充分提高列车运行计划与车站作业计划的协同度，需要解决两个主要协同处理 问题：列车合理到发时间带的确定与车站作业计划的自动编制。 2 、两个协同处理问题的求解 结合列车合理到发时间带的确定和车站作业计划的编制两个协同处理问题， 构建一个通用的图论模型并设计求解算法。 结合本文的研究思路和主要研究内容，论文的具体结构安排如下： 第1 章：介绍论文选题的背景和意义，分析总结国内外在车站作业计划相关 问题的研究现状的基础上，得出本文的研究重点。 第2 章：分析客运专线的列车作业流程和车站作业原则，并建立一种计算精 度更高的技术作业时间标准查定方法。 第3 章：研究列车运行计划与车站作业计划协同方法，详细描述协同方法中 的两个主要协同处理过程，并提出列车到发时间带的表示方法。 第4 章：研究作业时间的计算方法，以及作业时间冲突的调整方法。 第5 章：构建车站作业计划协同编制图论模型，并结合客运专线车站作业计 划编制的具体特点，对模型进行修正：提出性质别权值矩阵的构建方法。 第6 章：以蚁群算法为框架，融合分层求解的思想，设计车站作业计划协同 编制模型的求解算法；以提高车站作业计划对列车运行波动的适应能力为目标， 提出一种局部搜索方法对车站作业计划进行进一步的优化。 第7 章：以新岳阳站为例，选取客运专线运输组织试验平台中部分列车 到发和车站作业计划数据对本文算法进行验证。 第8 章：总结本文的主要研究工作，并指出今后还需要进一步深入的问题。 6 北立奎适厶堂亟堂僮逾塞 垩塑往些担羞固塞筮短 2 车站作业相关因素分析 2 1 作业流程和作业原则 2 i 1列车作业流程 列车按其在站作业方式的不同主要分为始发列车、终到列车、通过列车、停 站列车和立折列车1 5 “。不同作业方式的列车其具体作业流程为： 1 、始发列车 其技术作业过程为：出段作业一旅客上车一列车出发。列车出段，在由动车 段进入客运站到发线的过程中，若以调车方式办理，则车速较慢，占用咽喉时间 较长。 2 、终到列车 其技术作业过程为：列车到达一旅客下车一列车入段。列车入段，在由从客 运站到发线进入到动车段的过程中，若以调车方式办理，则占用咽喉时间较长。 3 、通过列车 其技术作业过程为：列车到达一列车出发。通过列车只能在正线上进行作业， 接车进路和发车进路应同时办理。 4 、停站列车 其技术作业过程为：列车到达一旅客乘降一列车出发。停站列车占用到发线 时间较长，一般安排在侧线。 5 、立折列车 其技术作业过程为：列车到达一旅客下车一列车整备一旅客上车一列车出发。 到站立即折返列车不入段办理整备作业，只在到发线上停留，办理少量的技术作 业，列车停站时间较长。一般情况下，到站立即折返列车都在侧线上停车。 2 1 2车站作业原则 结合上文的列车作业流程，为保证车站作业安全和车站技术设备的高效利用， 本文将主要考虑以下作业原则： 2 1 2 1 到发线运用原则 ( 1 ) 满足发车需要 7 韭立窑适厶堂亟堂焦j 金塞奎堑侄些担羞固蠢筮堑 一方面车站到发线由于具体位置与设备不同，其用途有一定区别；另一方面， 在车站作业的列车由于等级不同、停站方式不同，对到发线的要求也不同。因此， 到发线的运用主要考虑以下几点： 方向，由于车站衔接难线方向和位置的不同，为了安全，到发线一般分方 向安排运用； 正线或侧线，一般通过列车使用正线，其它情况使用侧线； 站台，有旅客上下车作业的列车必须使用有站台的股道。 ( 2 ) 方便旅客上下车 由于旅客列车的经常性和到发时刻比较固定，主要高速客运站必须对车场及 线路进行专门化，可将一定种类和一定方向的列车到发作业固定于某一车场或某 一线路，特别是一些通勤、通学列车需要固定站台，便于旅客乘车。 对于存在接续关系的两列车应尽量安排临靠相同站台，方便旅客换乘，减少 旅客在车站内的走行，有利于提高车站的工作效率和服务质量。 ( 3 ) 减少交叉干扰 接发列车与站内作业不可避免会产生交叉干扰，安排到发线运用方案时，应 根据到发场咽喉布置情况，分析列车到发时间及站内调车作业时日j 。合理安排各 次列车占用到发线路，以减少列车到发与调车进路的交叉干扰，提高车站作业效 率和安全性。 2 1 2 2 进路占用原则 进路是指列车占用车站线路、道甜等行车设备构成的通道”“。进路交叉是指 在同一时间内存在着多条进路占用同一行车设备。进路交叉从作业性质上可分为 三种情况：行车交叉、行调交叉和调车交叉。这些交叉种类不同，其严重性也不 同。一般来说行车交叉最严重，行调交叉次之，调车交叉更次之。 列车在车站作业时，因为进路占用冲突而导致某些列车无法顺利进行作业的 情况极有可能发生。因此，为防止列车在车站作业时产生交叉干扰，保证车站作 业的顺利进行，在编制车站作业计划时要充分考虑咽喉区作业能力的限制，通过 对到发线以及进路运用的合理规划，尽量减少作业之间的交叉干扰。 2 2 作业时间标准的计算 作业时间标准的计算直接影响着车站作业计划的编制精度，计算结果偏大会 造成能力的浪费，计算结果偏小又会使车站作业过于紧张甚至产生冲突而导致作 8 j b 立窑遵厶堂亟堂位途塞奎堑往些担羞固鍪筮短 业无法正常进行。本节结合客运专线的作业特点，在对传统方法分析的基础上， 提出一种更精确的作业时间标准计算方法。 2 2 1传统方法分析 车站作业按作业性质的不同，通常分为接车、发车、转线、出段和入段5 大 类。下面以接车技术作业占用进路时问为例，对现行既有线进路占用时间标准计 算方法进行分析。 接车占用进路时间标准是指自开始准备接车迸路时起，至列车进入到发线警 冲标内停妥时止占用进路的时间，记作t 榷，它等于准备进路时间与列车通过进路 距离时间之和。按照现行的既有线进路占用时间标准计算方法查定t 。，是先对现 场作业采点写实，记录于咽喉占用时闻写实表，然后合理分析数据并按照不同 作业性质分别汇总，然后计算确定f 。【5 ”。 l = ( 锣+ 秽) 二 f = 壤+ 如= o 2 + ( o ，1 + 1 2 + 小) 【2 - 1 ) f = t a + f 实际= o 2 + 嘻际 式中：f ，f 分别为修正后列车进站占用进路时间的最大值和最小值，m i n ； k 为准备进路时间，取o 2 m i n ；f i # 为列车进站时间，m i r a0 1 为司机确认信号时 问，m i n ：1 2 为列车通过制动距离的时间，m i n ，此参数可按不同的制动距离和平 均进站速度计算调整；k 小为由按车每次占用进路确定的最小占用进路时间的平均 值，m i n ；t 摩。为由接车每次占用进路确定的实际占用进路时间的平均值，m i n 。 对现行计算方法进行分析可知存在以下两个方面的闯题： ( 1 ) 数据合理化问题。由于现场工作的动态复杂性，查标数据受到环境及人 为因素的干扰，不能完全反映各种作业合理占用咽喉的真实情况。因而有必要提 出一种更精确的数据查标方法。 ( 2 ) 参数取值问题。取修正后实际占用进路与最小占用进路时间的平均值。 这种算法虽考虑到接车占用进路时间介于最小与实际占用进路时间之间，但是仅 仅通过简单的取算术平均值的方法，过于粗糙。 作业时间标准是编制车站作业计划的一个重要参数，在既有线上，由于车站 作业复杂，影响因素众多，且很多具有不确定性，因此大部分作业时间标准无法 进行精确的标定，只能进行粗略的估计。而高速线上车站能力相对充裕，作业方 式也较简单，同时高速线在高效性、准时性等方面较既有线有着更高的要求，既 有线作业时间查定方法的精度已经无法满足高速线的要求。因此，如何对作业时 9 韭塞窑适厶堂硒堂位j 垒童奎盐往些担苤固嚣岔盘 问查定方法进行改进来提高计算精度就成了本文的下一步工作。 2 2 2方法的改进 从国外高铁的运营经验来看，通常高速线上都会运行几种不同速度等级的列 车。不同速度等级、不同作业方式的列车由于进出站速度的不同，其接发车作业 时间标准也存在差异，对于此种差异要进行区别处理；而对于出入段或转线作业 等调车作业，列车走行速度较低，由于速度的差异而造成的作业时间的差异并不 是很明显，因此采用平均速度法来计算。 ( 1 ) 接发车作业 由于客运专线上列车，线路及列车控制系统等各方面性能的提高，列车理论 上可以严格按照牵引曲线运彳亍，这就使通过列车的牵引曲线来确定作业时间标准 成为一种行之有效的方法。具体的查标方法如下： 图2 一i 速度时分曲线 f i g 2 1c u r v eo f s p e e da n d t i m e 仍以t 。为例，如图2 1 所示，s 2 为接车进路的起点，s 1 为接车进路的终点，则 列车进站时间进= t 1 - t 2 ，列车占用进路时间为嘻= 堍备+ 认+ 缸。 对于由于速度差异而引起的按发车时间标准的差异，为保证时间标准的精确 性，需按照列车速度等级和作业方式不同分别进行处理。但对于些大型车站而 言，进路较多，若为每条进路都建立接发车的作业时问标准，则由于标准数量过 多，直接导致后续检索效率的下降，得不偿失。为此就需要根据作业特点进行分 类定标，具体的分类方法如下： 7 通过列车：通过列车只能在正线上进行接发车作业，而对于一般车站来说， 正线数量为1 或2 条，数量较少；另外，不同速度等级列车由于速度而引起的接发 t o j e 立銮道左兰亟堂垃迨塞垄黏住些担苤固嚣筮圭匠 车作业时间差异也较大，因此对于通过列车为其每条可用进路都建立详细的接发 车作业时间标准。 停站列车：作业进路长度和列车速度等级的不同导致了停站列车接发车作 业时间的差异。以列车的接车作业时间f 接为例，具体计算方法如下： f 眦x，删n 嘻= 譬+ 认+ 帮+ 篇杂( f 一露“) ( 2 2 ) 接一接 其中：磐、学分别为此咽喉区列车的最小、最大接车作业时间； 露”、学。分别为此咽喉区最短、最长接车作业进路长度； 卜一待求接车作业进路长度。 那么对于任一咽喉区来说，只要对不同速度等级列车的最小最大作业时间和 最短最长作业进路长度进行分别存储就可以方便的对待求停站列车的接发车作业 时间进行计算。 ( 2 ) 出入段、转线作业 出入段、转线作业都是站内进行，走行速度都很低，因此可以近似认为列车 作匀速运动。以列车的入段作业时间f 。为例，具体计算方法如下： ， h = f 准备+ 认+ 导+ ( 2 3 ) 其中：f 、入段进路长度； v 站内作业列车平均走行速度； 起停车附加时分。 3 列车运行计划与车站作业计划协同方法 3 1 协同方法 列车运行计划和车站作业计划作为客运专线运输计划的两个基本作业计划， 指导着列车的运行和车站作业的组织。列车运行计划规定了列车的运行次序和列 车的到发时间；车站作业计划规定了列车在站技术作业的起讫时白j 和地点。列车 运行计划编制要充分考虑车站作业能力的限制，以保证其可执行性；而车站作业 的流畅安排也是以列车的合理组织为前提，如果现有车站设备能力不足或列车到 发不均衡，车站作业组织必然受到影响。列车运行计划与车站作业计划两者之间 相互影响、相互制约。 为合理协同列车运行计划与车站作业计划，在列车运行计划编制阶段充分考 虑大型繁忙车站的作业能力是完全有必要的。而运行计划的编制是一个多因索影 响的组合优化问题，要考虑的因素很多，要解决的问题也很多，若再加入对车站 到发线和咽喉作业能力的详细描述，其求解过程将会变的非常复杂，求解效率甚 至不可接受。鉴于此，建立如图3 一l 所示的列车运行计划与车站作业计划协同方法， 在不影响列车运行计划编制效率的基础上，提高列车运行计划与车站作业计划的 协同度。 图3 1 列车运行计划与车站作业计划协同方法 f i g 3 1c o o p e r a t i v ea p p r o a c ho f t r a i no p e r a t i o np l a na n ds t a t i o no p e r a t i o np l a n 1 2 韭立窑适太堂亟堂位逾塞到玺堑短让剑皇奎塑经些让型迹回友鎏 在列车运行计划与车站作业计划协同方法中包含了两个主要的协同处理过 程： 第一个：以到发限制时段为输入，通过车站的到发线、咽喉等设备的合理运 用来寻求列车的合理作业时间，从而确定列车的合理到发时间带，也即是列车合 理到发时间带的确定问题。此时问带指导着下一步运行计划的编制。此过程意义 在于：通过对一些繁忙车站作业的安排来寻找列车的合理到发时i 日j 带，从而达到 均衡车流到发和缓解车站作业压力的目的。在列车运行计划编制时充分考虑列车 的合理到发时间带的限制，尽量保证列车的到发时间点不超出列车的合理到发时 间带，那么就可以在很大程度上保证编制出的列车运行计划与车站作业计划达到 合理协调。 第二个：以运行计划编制系统确定的列车到发时问点作为输入，进行车站作 业计划的编制，也即是常规的车站作业计划编制问题。 要充分地提高列车运行计划与车站作业计划的协同度，如何通过车站作业的 合理组织来有效的解决两个协同处理问题：列车合理到发时间带的确定问题和车 站作业计划的编制问题就成为了本文的关键，也即是本文的研究重点。为提高协 同处理方法的通用性，本文拟构建一个通用的协同模型和算法来描述和求解两个 协同处理问题。 实际生产过程中，列车运行和车站作业组织受到的影响因素很多，并且人的 因素占有很重要的地位，特别是一些技术人员的经验和教训，对于编制效果良好 的作业计划是必要的。为此，我们将列车运行计划层与车站作业层之问的主要传 输数据作为人机交互接口。通过明确的输入和输出界面，为用户提供一个可视化 的阶段结果，用户可以直观的对列车到发时间进行修改，对于车站作业计划和运 行计划编制用户可以根据实际需要选择调用。人机交互接口是一个中间过渡层， 是人机交互的中介。 3 2 到发时间的表示 列车到发时间带和列车到发时间点不仅是车站作业层与运行计划层之间交互 的主要信息，同时也是人机交互的重要内容。参照文献 3 中时间窗口的概念，本 文提出了一种直观、有效的列车到发时间表示方法，其具体内容为： 时间三元组n m p = ( 瓦莉，z 0 ，d ) j e 夏奎适鑫堂亟主堂位诠塞到芏篷i z 让剑量奎堑往些让剑迹回左鎏 1 k m t e l l d 图3 - 2 时间二元组 f i g 3 - 2t e r n a r yg r o u po f t i m e 其中：z k 珈最早开始时间，也即列车最早到达时间； ? 0 最晚结束时间，也即列车最晚出发对间； d 作业时间，也即列车停站时间； 这一概念的意义见图3 2 。从该图中可以看出，无论列车在什么时间到发，它 终归是要落在这一时间三元组范围内。列车作业时段d 可以在此时间范围内进行 调整移动，可调量为1 7 = 瓦。一乙一d 。 另外，上文中提出了本文需要解决的两个协同处理问题：列车合理到发时 间带的确定：车站作业计划的编制。问题以列车的限制到发时间为输入，通 过车站资源的合理运用，来获取列车的合理到发时间带和车站作业计划；问题 以列车的到发时间点为输入，通过车站资源的合理运用，来获取车站作业计划。 两个问题仅仅是在输入和输出的时问数据格式上存在着差别，而时间三元组的描 述方法统一了到发时间的表示，从而将协同方法中的两个协同处理问题归结为一 个问题，为下一步通用模型和算法的设计奠定了基础。 1 4 4 作业时间的确定 车站作业计划的编制实质上就是在有效的时间和空间范围内对有限的生产资 源进行合理的分配。如何在时间层上来描述车站作业，以及如何通过时间层的调 整来消除作业交叉是构建车站作业计划模型的一个必要步骤。本章将详细介绍作 业时问的计算方法，以及作业时问冲突的调整方法。作业时间主要包括到发线和 进路占用时间，到发线( 进路) 占用时间范围是从列车开始占用到发线( 进路) 起，到列车腾空到发线( 进路) 为止。 4 1 作业时间的计算 本节要研究的主要问题是如何根据列车的到发时间来计算在站作业时间，也 即是到发线( 进路) 占用时间范围。到发线( 进路) 占用时间范围利用时间三元 组来描述。 列车的作业方式不同，其占用到发线( 进路) 的计算方法也不尽相同，因此 根据列车在车站的作业方式，本文将到发线和进路占用时间范围的计算按照其作 业方式分为( a ) 始发列车、( b ) 终到列车、( c ) 通过列车和( d ) 停站列车四种基本 模式来计算，如图4 - l 所示。对于立即折返列车和顺向接续列车的计算可以按照停 站列车来处理。设某一列车的到发时间为( 7 0 。，z 0 ，d ) 。 始发列车 幽4 - 1 ( a ) 始发列军 f i g 4 - 1 ( a ) s t a r t i n gt r a i n 到发线占用时间范围为：磊= k 一气乙一十& 气+ 珞+ & 出段进路占用时间范围为：= k 一毛一珞j 发车进路占用时间范围为： 败= k + + 砭碾j 终到列车 1 5 j t 哀变通厶堂亟堂僮途塞佳些数间笪强震 太9 t 停( d )乃 i 、 ，硒 圈4 - 1 ( b ) 终剑列车 f i g 4 1 ( b ) e n d i n gt r a m 到发线占用时间范围为： 磊= 孙一舀+ 玖舀+ 珞+ & 接车进路占用时间范围为：= k 一毛乙一r 停 入段进路占用时间范围为：r x = k + 珞乙。+ 甄取 通过列车 卜功 t 发 i 、： t k 哪驯 幽4 一l ( c ) 通过夕车 f i g 4 1 ( c ) p a s s i n gt r a i n 到发线占用时间范围为： 珞= 。一乙。+ + & 接车进路占用时间范围为：嘞= k 一舀乙 发车进路占用时间范围为：r 敖= 一舀乙+ 致舀+ & 停站列车 太哆 t 停( d )t 篮 r 图4 - 1 ( d ) 停站列车 f i g 4 一i ( d ) s t o p p i n gt r a i n 到发线占用时间范围为：毛= k 一强乙+ + 珞+ 接车进路占用时间范围为：矗封= k 一一舀 6 发车进路占用时问范围为：吆= k + 珞+ 砭 式中：瓦列车占用股道的时间范围； r 发到出入发车、接车、出段和入段进路的占用时间范围； r 发捌，m 、凡出发、到达、出段和入段的进路作业时间； 列车的停站时日j 。 4 2 作业时间冲突的调整 时i 剐层的调整是消除车站作业交叉的一个重要手段，也是本文建模的一个基 础。参考文献【3 】中时i 日j 窗的调整方法，对于不同关系的时间三元组之间执行不同 的调整策略，本文建立如下调整方法： ( 1 ) 重叠关系的调整 当时间三元组彤( z ：嘲，d ) 与彬( 7 蛔。，z 0 ，d ) 满足关系： ( z k 蚋) ， ( 7 k 。) ： ( 乙。) 1 ，称两窗口重叠，如图4 - 2 ( a ) 所示。 的可调时间矾= ( k - d ) 。，的可调时间r h = ( 乙一k d ) ：，根据r ；1 、仉 与重叠部分的关系卫= ( ，0 ) l 一( ， 衄。) 2 可以制定如下调整策略： k 。k w l 卜叫w z ( a ) w l 与w 2 重叠 t b c g - n t 蜘d t 卜一w 2 。 (