基于效益机制的铁路分局调度货运日计划优化模型研究.doc

铁路装车计划最优运输收益决策法周 勇1 谢小松2 1摘要：铁路运输调度在安排每日装车计划时，其目标显然是寻求一个能够实现最大运输收益的方案。然而，在方案制定过程中，由于运输资源是有限的，要受到诸多运输条件的限制。在分析了计划编制时车站能力、空车供应、限制口能力、分界口交接等诸多运输约束的基础上，通过对运输约束条件的描述，可以建立一个以寻求最大运输效益为目标函数，以各种运输限制为约束的优化模型。关键词：运筹学，铁路运输，效益，货运，装车计划，决策学科分类号：(GB/T13745-92) 580.30 A Optimization Former of Substation Dispatch Daily Freight Program Based on Benefit MechanismZhou Yong , (Shandong University of Science and Technology college of resources and environment engineering1 Key laboratory of Mine Disaster Prevention and Contro) 0【摘要】集装箱办理站产生的集装箱流需采用适当的列车形式向邻近的结点站输送。 Abstract：铁路运输调度在货运日计划制定过程中，要受到诸多运输条件的限制。在效益机制下，进行货运日计划优化的目的，是希望在有限的运输资源条件下，使得日计划实现运输效益的最大化。在分析了计划编制时车站能力、空车供应、限制口能力、分界口交接等诸多运输约束的基础上，通过对运输约束准确地数学描述，建立了以寻求最大运输效益为目标函数，以运输限制为约束的优化模型。 Establishment of substation dispatch daily freight program is restricted by transportation conditions. Based on benefit mechanism，daily freight program is optimized in order to get the most transportation benefit on the limited transportation conditions. Transportation restriction is described such as capability of stations, empty vehicles supply , capability of limited nodes and connection dividing line while a plan is made based on analysis about them. A optimization model is established, of which the aim function is to seek the most transportation benefit and the restriction is transportation confine.【关键词】： 集装箱 结点站 枢纽运输 Keyword： substation dispatch benefit freight daily program optimization运输方案的优化决策，可根据不同的需要，选取不同的目标函数。在效益机制下，铁路企业以获取最大运营效益为目标。铁路分局货运日计划决定了分局的货运收入。显然，在运输能力充足的前提下，只需简单地在日计划制定过程中承认全部请求车，即可实现货运收入的最大化。然而，分局货调在实际编制日计划时，往往受到空车供给不足、分界口交接计划限制、能力紧张区段限制口去向总量受限等诸多约束条件的限制。如何在有限的运输能力条件下，使得日计划实现货运收入最大，即分局调度货运日计划的优化问题，成为在市场条件下运输企业亟待解决的问题。事实上，关于运输组织决策优化问题，可以从不同角度进行研究 1-4 。文献1讨论了关于运输网络的多阶段规划问题，将整个决策活动划分为多个阶段进行；文献2则是考虑在进行多目标规划时，寻求一个折衷解决方案。1.问题分析问题可描述如下:在有向图上，其中表示路网上所有车站，表示所有路段。某一铁路分局,由车站每日提出的请求车，要求在可行域内，寻找一组最优解,使得一日货物运输收益达到最大。给出定义如下：定义1：源于某一分局管内车站向分局调度提出的次日货物装车请求，称为车站请求车，记,其中：表示发站, s=1,2, ；表示到站，d=1,2, ；表示路网上参与运输的所有车种，v=1,2, ；表示货物品名，=1,2,；为货物优先运输标识， 为根据运输要求定义的重点运输物资集合。给出问题边界条件如下：(1) 分局管内所有可运用的空车均可调配到指定车站；(2) 分局管内当日的分界口交接计划及卸车计划均可兑现，亦即关于次日的空车数量及分布的推算是可靠的；(3) 每日的限制口、分界口、临时停限装等运输限制已由上一级调度给定5；(4) 重点运输物资可通过月度运输计划号识别。2.运输限制分析货物流向往往在时间、空间上表现为不均衡，路网上不同区段的能力各有差异。因而需要对进入或到达某些区段的车流总量进行限制6。2.1 限制口运输限制图1 采用限制口车站控制能力紧张区段流量Fig1 To control flow in section with lack capability through a limit station在网络上，可采用点约束的方式来实现弧约束。在运输实践中，就是采用控制通过某些关键节点的车流总量的手段，以实现控制进入某些能力紧张区段的车流总量。如图1所示，其中节点被称为限制口车站。定义2：在路网上，由发站s至到站d须依次经过车站si。则称有序集si为路径7，记为=si。在实际的运输活动中，对于任意一对确定的发站s、到站d，其运输径路是确定的且唯一的。定义3：为路网上所有限制口车站的集合，=si表示所有经过的车站的集合，若，则称为含限制口去向的径路。每日可通过节点的车辆总量称为限制口的能力限制。其中中的元素为路径所经过的限制口车站。2.12分界口运输限制发出分局与相邻分局间在分界口的交出的车数是按照分界口交接计划进行的。定义4：为某分局分界口车站的集合，若，则称运输路径为的车辆是经由分界口交出的车辆，分界口k每日交出车数的上限记为，其中中的元素为路径所经过的分界口车站。2.3临时停限装限制路网G上，由于局部卸车能力、改编能力或施工等原因的限制，使得一些弧、节点的能力下降。为实现运输有序，常采用临时停限装的手段进行路网上的车流调整。通常，停限装限制以停限装命令的形式出现，以下给出3种停限装命令的数学描述：（1）因某些节点卸车能力不足，使得且仅使得到达这些节点的车流量受到限制，但不影响连接该节点的弧的能力。对于某一确定的分局来说，以表示所有卸车能力临时受限的车站的集合，则， 其中为命令中分配给装车分局发往车站j的装车总量限制。特别地，=0，发往j站的货物停装。（2）对于某一确定的分局来说，命令中并未明确指明具体限制到达的车站，但限制经过某一结点j的车流总量。即，且。其中表示所有临时限制通过车站的集合，为命令中分配给装车分局经过车站j的装车总量限制。特别地，=0，发往经过j站的货物停装。（3）对于发往某（分）局的货物装车总量进行限制，即，J为限制发往的（分）局，为命令中分配给装车分局发往J（分）局装车总量限制。当=0时，表示发往J（分）局货物停装。24重点物资优先运输约束当某一请求车确定为重点物资，即k=1时，该物资应优先运输。在制定货运日计划时，当空车供给充足时，予以全部承认；当所需车种的空车供给不足时，则将所有该种空车用于重点物资运输。3.模型建立3.1目标函数在效益机制下，分局日计划决策优化目标应是考虑如何使得日计划所产生的效益达到最大。这里应考虑两个方面：其一为日计划所产生的运输收入；其二为完成日计划所支付的成本。完成日计划的成本构成可分为两部分：车站进行货物作业所需成本。在任一发站s，对于给定的货物品名及车种，总有对应的单位装车货物作业成本；空车调配过程中消耗的费用8-12。显然这是一个综合优化问题。目标函数 .为单位装车收入，为空车走行公里，为费用折算系数。3.2约束条件（1）日计划装车数不得超过车站作业能力。 . （1）为发站s的一日装车作业能力。（2） 对于任一车种，日计划中所需使用的空车数不得超过次日所能提供的该种空车数。 . （2）为车种v的空车供应量。（3） 重点物资优先运输约束 . （3）（4）限制口运输约束 ， . （4）（5）分界口交车约束 ， . （5）（6）停限装约束 ， ； （6），且 ； （7）. （8）（7）日计划中的承认车数不得超过车站所提出的请求车数4 . （9）（8）非负约束 . （10）（9）整数约束 . 3.3模型建立，s.t. 4.建模实例某分局货运调度一日收到的请求车见表1：表1 某分局一日请求车资料Tab.1Data of daily vehicle demand of a substation发站到站到局品名车种车数优先识别s1d1J1f1v1240s2d2J5f2v1181s3d3J6f3v2160s4d4J5f2v1360s4d5J9f4v3450给定的运输前提条件和运输限制如下：各站一日的最大装车作业能力限制 N=(N1,N2,N3,N4)T=(60,55,70,80)T,推算出的空车供应条件为V=(v1,v2,v3)T=(58,63,87)T，根据临时停限装命令，运输径路经过限制口站的货物限装23辆；发往J5局的货物限装50辆。请求车资料可用如下向量描述：.使用货物运价查询系统容易得到以上请求车相关单车运输收入 T.目标函数 , s.t.5.结论欲求在数学上准确地描述分局调度货运日计划模型，需要充分地考虑影响计划编制的全部运输限制。如果全部约束条件均直接采用整个路网及运输活动的原始数据进行描述，将使得模型规模大、维数高，求解困难。考虑到目前实际的调度指挥制度与方法，将分局调度置于整个铁路多级调度指挥系统中，准确地将分局调度可获取的运输指令及信息作为问题的边界条件，可在一定程度上降低模型的规模和计算复杂度。本文正确地将一些分局可直接获取的中间数据作为运输约束条件，以运输效益作为目标函数，建立了一个优化模型。参考文献1 蒲云.一类大规模运输网络多阶段随机规划配流模型J.西南交通大学学报1996,31(6):.12 665-6682 罗刚.多目标优化问题中目标间矛盾性关系的研究J.西南交通大学学报1999,34(4): 427-4313 叶志坚,杜文. 混合运输需求的车队车辆路线规划模型及算法J.西南交通大学学报2003,38(3): 341-344 4 杨健,李致中,孙焰.装车方案的优化决策模型及算法J.长沙铁道学院学报 1998,16(3): 39-43 5 铁路调度规则M. 北京：中国铁道出版社，1993.3-156 胡思继.铁路行车组织M. 北京：中国铁道出版社，1998.107-1187 李维铮.运筹学M. 北京：清华大学出版社，1985.10 295-3098 果鹏文, 林柏梁,于洋. 大规模路网上空车调配的区段中心优化法J.中国铁道科学. 2001,22(2): 122-1289 果鹏文,诸江,林柏梁. 用振荡法解大规模路网上的空车调配问题J.中国铁道科学.2002,23(4): 11