动车组交路计划评价指标及算法研究

动车组交路计划评价指标及算法研究

在铁路专业运营的基础设备投资中，购买和维护列车的成本承担了很大一部分。提高动车组的使用效率可以减少其使用数量,因此动车组交路计划的编制质量直接影响动车组的使用效率和数量,也对客运专线的运营效益产生影响。1混合动力车辆运输规划1.1动车组交路计划编制动车组交路计划是客运专线的基本运营计划之一,是运输计划编制部门根据铁道部下达的列车运行计划、动车组检修修程的有关规定,以及检修基地布局、线路、设备等情况,结合不同时期的客运市场需求而编制的交路计划。动车组交路计划应对动车组的运用时间、车站、担当列车、运行径路等做出具体安排。动车组交路计划有效组织动车组运营,实现动车组的合理周转,是列车运行计划的重要保证,也是编制车辆分配计划和乘务计划的重要依据。1.2针对三组交通计划的限制(1)列车连接计划(3)总线的使用模式(4)检修模式和检修系统选择接续动车组时要考虑以上检修约束,担当运输任务的动车组必须是检修完毕并保证在任务完成前不会达到检修公里数的技术状态良好的动车组。(5)循环操作的限制(6)有限区域(7)对特定客运线路的限制(8)对异车轨道的适当限制(9)有限的车辆范围(10)商用车的基本容量受到限制(11)弹性需求的限制1.3动车组均衡度指标动车组交路计划的评价指标主要包括动车组使用数量、各动车组均衡度(运行里程、运用时间、运行线数量、接续时间等)、总接续时间、回送次数和回送里程、定期检修和日常检修次数等。2模型和算法2.1车站k接回车时间假设在K站各种动车组的类型为DCZ.xh[i][k];图定担当此运输任务的动车组类型为TD.xh[j][k];各种动车组的归属为DCZ.gs[i][k];图定动车组归属为TD.gs[j][k];各动车组的运用范围为DCZ.yyfw[i][k];图定担当任务的动车组运用范围为TD.yyfw[j][k];动车组i的累计运行公里数为DCZ.yxgl[i];动车组到达车站K的时刻为DCZ.ddsk[i][k];接续动车组从车站K的始发时刻为DCZ.sfsk[i][k];K站存车为ZDCC[k];K站容量为ZDRL[k];K站保有量为ZDBYL[k];在K站列车立折所需要的基本作业时间为TZ1k,日常检修所需时间为TZ2k,一级维修所需时间为TZ3k。约束条件:DCZ.xh[i][k]=TD.xh[j][k]⑴如果DCZ.sfsk[i][k]>DCZ.ddsk[i][k]如果DCZ.sfsk[i][k]≤DCZ.ddsk[i][k]则:DCZ.sfsk[i][k]+1440-DCZ.ddsk[i][k]≥TZ2k如果DCZ.sfsk[i][k]>DCZ.ddsk[i][k]如果DCZ.sfsk[i][k]≤DCZ.ddsk[i][k]则:DCZ.sfsk[i][k]+1440-DCZ.ddsk[i][k]≥TZ3k如果DCZ.sfsk[i][k]>DCZ.ddsk[i][k]式中:i,j=1,2,…,m;k=1,2,…,n。其中i、j为动车组类型;m为动车组类型总数;k为车站编号;n为车站总数。2.2问题的划优及模型的建立由交路计划评价指标可知,这是一个多目标规划优化问题,根据各目标建立模型。(1)动车组周转接续停留时间总和最小。定义决策变量:接续时间:(2)动车组运用的均衡程度。2.3求解思路与求解步骤目前对多目标问题的处理有两种方式:一个是先根据某一目标求解较好解,由于较好解不止一个,这为其他优化目标的讨论提供了条件,可在此基础上追加目标;另一个是通过构造评估函数或通过对目标函数的加权组合,将多目标问题转化为单目标求解,这在解决数学规划问题中经常采用,但在加权值的选取中存在很大的主观成分,不易准确选取。另外,针对动车组交路这一复杂的大规模NP组合问题,目标函数存在非线性函数,如采用加权组合,必将引入大量辅助变量和约束方程,算法求解难度很大,而且在动车组运用中存在许多不确定因素,编制人员希望能在较短时间内得到一个基本符合要求的较好可行调度预案,在此基础上再进行调整,生成最终的动车组运用计划。因此,本文的求解思路主要分为以下两部分。(1)根据第一个目标函数:求出基于动车组周转接续停留时间总和最小的较优解。(2)根据第二个目标函数:,将各交路中的交路段基于动车组的检修条件和动车组运用的均衡程度进行调整,形成较优的动车组交路。在求解第一个目标函数时,本文选取复杂程度较低、满意度较高的回溯启发式算法。回溯启发式搜索算法的基本思想是:为求得问题的解,先选择某一种可能的情况向前搜索,在搜索的过程中,一旦发现原来的选择是错误的就返回去加以修改,反复进行这种试探性的选择与返回纠错的过程,直到找到问题的解或者得出问题无解的判断为止。其主要步骤如下。步骤1:以0点为分界点,从具有一级检修条件的车站寻找最早始发的列车作为当前交路的起始点,由运行线的对应关系得到终到车站和终到时刻,记录此动车组的运行距离,根据检修条件及其他约束条件在终到车站选择满足接续时间的最早始发运行线。步骤2:由运行线对应关系得到下一个终到站和终到时刻,并将运行距离累加,根据检修条件及其他约束条件在终到车站选择满足接续时间的始发运行线,如找不到满足条件的接续列车,则退回上一个终到站选择满足接续时间的次早始发运行线。步骤3:不断循环以上步骤1、步骤2,直至每一列车运行线都与动车组相匹配。利用以上算法求出模型初始解,并利用基于交路段互换的思路得到较满意的动车组交路方案。主要是将所有交路的初始解按照利用率的高低放在一个集合中,根据运用率差值成对匹配成组,将每组中在两个交路中具有相同始发、终到站的交路段,如满足接续要求和检修条件便进行互换,以减少同组中两个交路的运用率差值,均衡各交路动车组的运用;交路段互换完毕重新计算各交路运用率,并重新分组互换,如此迭代,直到满足一定的均衡条件或终止条件为止。2.4交路计划周转图基于MicrosoftvisualC++6.0开发平台,采用VisualC++语言编程,选取武广客运专线数据对算法进行测试。设两个动车段分别在武汉和新广州,动车组运用所设在新郴州和新韶关;动车组日常检修修程为3000km,作业时间为1.5小时,一级修程为30000km,作业时间为4小时;列车运行图为成对运行图(35对列车)。编制武汉—新广州动车组计划周转图,将结果与人工编制结果的主要指标进行比较,如表1所示。动车组交路计划在编制过程中需要与有关运输管理部门密切配合,而且还受诸多不稳定因素影响和限制。本文着重分析了动车组交路的影响因素并在此基础上,基于给定的列车运行图对交路编制的模型及算法进行了初步分析,随着客运专线建设规模的扩大,运输模型的不断调整,动车组交路计划会面临更多的问题,需不断进行深入研究。列车运行计划是客运专线组织列车运行的基础,是运输管理的关键依据,各种计划的编制都是在保证列车运行图现实可行的基础上完成的,因此动车组交路计划首先要满足基本列车运行计划,保证为运行图中的每一条运行线都分配一列状态良好的动车组,而且列车的始发、终到时刻和始发、终到车站不能有任何变动。如果对始发、终到时刻仅作微小变动能够明显改善动车组的使用效率,也可以提出调整基本列车运行计划的建议,但在调整之前必须服从已确定的列车运行计划。(2)动车组交路计划编制内容在安排动车组交路时,要考虑动车组的归属权,不同归属权的动车组不能套跑,以免造成动车组管理的混乱。动车组在选择接续运行线时,要考虑动车组的运用模式,不少专家已对此进行了深入研究,指出动车组不固定使用可以提高效率、减少数量。在不固定使用方案中,有本线循环套跑模式、长短套跑模式和客运专线间穿插模式,不同的模式决定了动车组的运用范围。我国高速铁路动车组的检修体制主要分为日常检修和定期检修两大类,具体分为五级修程:大修(OR)、三级修(R3)、二级修(R2)、一级修(R1)和日常检查(D1)。各级修程分别对应着检修周期走行公里数(走行3000km必须进行日常检修,累计走行27000~33000km必须进行一级维修等),当动车组走行公里数达到检修周期范围时,就必须进行与之相对应等级的检修。日常检修和定期检修必须在规定的地点进行,必须按规定的检修周期进行,必须保证检修作业的时间要求,而且必须在规定的时间带内进行(检修基地的工作时间带)。动车组交路计划是在全路动车组数量固定不变的基础上编制的,各交路段的始发和终到站不可能凭空产生或消失动车组,全路的动车组运行是周期性的,即始发站动车组来源于在此站终到的动车组(包括回送动车组)。对于动车组交路中相邻的两个交路段,前一日交路段的最后终到站必须与后续日交路段的始发站一致;最后一个交路段的终到站必须与第一个交路段的始发站一致。当动车组运行至终到站,选择接续动车组时,只能在同一车站搜索符合条件的动车组。在不成对列车运行图中,车站始发和终到的动车组数量有可能不同,此时终到动车组数量较多的车站要组织动车组回送,满足车站到发平衡的要求,除了交路段的地点约束还要满足交路段的时间约束,即接续列车的始发时刻晚于前行列车的终到时刻,而且其时间差必须大于最小折返时间。客运专线大体可以分为3种类型:列车速度在300km/h及以上的客运专线、城际客运专线、速度为200~250km/h的客货共线运行的客运专线。不同的客运专线其客流特点不同,对应的动车组交路计划也有所不同。全路客运专线规模庞大,所使用的动车组类型繁多,接续动车组要与图定动车组类型相同,包括种类、编组等,不同种类和编组的动车组不得混用。为了满足旅客需求,客运专线与既有线要有良好衔接,我国的客运专线均有跨线列车运行;列车速度为300km/h的客运专线,采用高、中速(200km/h)列车混跑方式;列车速度为200km/h的部分线路采用客货共线运行模式。因此编制动车组交路计划,确定交路的影响范围时,应同时考虑本线列车与跨线列车。在各动车基地停留的动车组不能超过规定的数量;计划中使用的动车组不能超过规定的有效动车组数量。在客流变化较大、列车运行图调整相对频繁的主要站段,应保有一定数量技术状态良好的动车组,使动车组运用具有一定的弹性,以满足客流增加的需要或其他特殊需求。则:DCZ.sfsk[i][k]+1440-DCZ.ddsk[i][k]≥TZ1k则:DCZ.sfsk[i][k]-DCZ.ddsk[i][k]≥TZ1k则:DCZ.sfsk[i][k]-DCZ.ddsk[i][k]≥TZ2k则:DCZ.s