高速铁路枢纽站技术作业计划优化编制方法的分析.docx
《高速铁路枢纽站技术作业计划优化编制方法的分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高速铁路枢纽站技术作业计划优化编制方法的分析.docx（146页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
高速铁路枢纽站技术作业计划优化编制方法的分析
高速铁路枢纽站技术作业计划优化编制方法的分析
北京交通大学硕士学位论文中文摘要
中文摘要
摘要：
高速铁路车站是铁路进行旅客运输日常工作组织、为社会提供运输产品和运输服务的窗口。
高速铁路枢纽站大都位于大量客流集散地，衔接客运专线、城际铁路、既有干线铁路等线路以及动车组整各段、机车车辆检修基地等节点，主要办理高速铁路线上旅客列车的始发、终到、通过作业及客运业务。
我国高速铁路枢纽站具有车站规模大、接发车作业繁多和作业组织复杂等特点，因此，确保高速铁路枢纽站接发列车作业准时和安全的进行是实现高速铁路运输网络稳定有序的关键环节。
高速铁路车站通过编制车站技术作业计划来组织指挥日常运输生产活动，其车站技术作业的好坏直接影响着客运组织工作能否有效进行和客运站设施设备能否高效利用。
本文针对我国高速铁路车站技术作业的特点，建立车站技术作业问题的数学模型，并采用拉格朗日松弛算法求解模型，主要工作包括以下几个部分：
（1）对高速铁路车站技术作业问题进行了理论分析，包括车站的技术作业特点、技术作业流程和原则的分析，提出了编制车站技术作业计划所必需的条件及编制流程。
（2）将高速铁路车站技术作业问题抽象成了一类特殊的车间调度问题，详细分析不同种类列车的作业工序，并以此为基础建立车站技术作业问题的数学模型。
（3）提出了基于拉格朗日松弛算法的车站技术作业问题算法框架，并给出了具体求解过程及算法流程图。
设计了一个简单算例验证算法的可行性，并分析调整了算法中的一些关键参数。
（4）运用本文提出的模型与算法，采用C捍进行编程实现，对高速铁路枢纽站北京南站24小时车站技术作业计划进行编制，通过结果分析，验证本文所建立的模型以及算法对于高速铁路枢纽站技术作业问题求解的有效性和合理性。
关键词：
高速铁路；枢纽客运站；技术作业；拉格朗日算法；优化
ABSTRACT
Passengerteminalofhigh—speedrailwayistllewindowofrailwaytoorganizethedailywork锄dproVidethet啪sportproductandse州ceforsociety．Mostofttle
high-speedrailwaypassengerteHIlinalarclocatedinwheremassivepassengernowiscollectedaIlddistributed，w11ichlilll（thepassengerdedicatedrailway，intercityrajlway’existingline，rollingstockd印otandmemaintenaIlcebaseofvehiclesTheymainlvhaIldletheoperationsofstaning，arriving，paSsing订ainon11i曲．Speedrailwayline
aIldthepassengerservice．China’shi曲一speedrajlwaypassengert锄inalhast11e
charact甜sticsoflargescale，amassoftechnicaloperations，compleXwork
orgallization，aIldsoon．Therefore，toensuretheoperatingtimeaIldsafeoftechllicaloperationsatthehi曲-speedrailwaypaSsengerteminalismekeytoachieveastablea11dorderlytransportationne觚orkofhi曲-speedrailway．
Hi曲。
speedrailwaypassengertenninalo唱anizeaIldcommandt11edailv缸独sponationaIldproductionactivitiesbytllepreparationofstationtecllllicalopera矗onplan．ThestationtecllIlicaloperationdirectlyimpactwhetherpassengerorgaIlizationworkwiUbeexecutede行ectivelyandfacilitiesofstationwillbeusede伍ciently．Int11isp印er，aimingatthecharact嘶sticsoftechllicaloperationatC11ina，shi曲一speedrailwaypassengertemlinal，webuildthemathelllaticalmodelofstationtecllIlicaloperation，a11dsolVethemodelusingthela璺an舀anrelaxationalgo—th．
Themainworkoftllisp叩erincludesfollowingaspects：
（1）Atheoreticalanalysisofhi曲-speedrailwaystalionstecllIlicaloperation，includingthetecllIlic“operatingcharacteristicsoftherailwaystationindedicatedpaSsengerline，the吼alySisoftecllllicalprocessesalldprinciples，proposing廿leconditionsandprocessrequiredforpreparationofstationtechIlicaloperationsplan．
（2）TecllIlicaloperationsareabstractedtobeal（indofspecialjob．shopschedulingproblems锄ong昀instoaIlalyzetheoperatingproceduresofdifrerentkindsof仃ainsindetail，wmcharebasicofmathenlaticalmodelfortechnical
叩eration．
（3）Wbproposethealgorimm6{Hneworkoftecllllicaloperationsscheduling
problembaSedonla目a11垂a11relaXationalgoritllIIl，and百vetheSpecificsolution
process趾dalgorithmnowchan．AsiInplenum嘶caleXanlpleisdesi弘edtotest廿lefeasibili够ofthealgorittllIl，alsoanalyzeandadjustsomepivotalparametersinmisal窘DritllIll．
VlI
北京交通大学硕士学位论文ABSTRACT
（4）UsingthemodelandalgorithJnproposedinthisp印er，andachieVementby
C}≠pro乒觚吼ing，weworkoutst撕ontec_hnicaloperationp1锄ofBeijingSoutllRailwayStationin24hours．B蜘ingSouthRailwayStationisahi咖Speedrailhub
station．Analysisofresultsprovesmee疏CtiVellessandmtionalityofthjsalgoritlllll
modeltosolvethetecllIlicaloperationprobl锄ofhigh—speedrailwayhlbstation．
KEYWoRDS：
High—speedrailway；PaSsengertenllinal；1’echllicaloperations；
La伊an舀aIlrelaxationalgorimm；Optimization
Ⅵ1l
致谢
本论文是在我的导师乐逸祥教授的悉心指导下完成的。
论文撰写期间，乐老师在选题、研究思路、研究方法等方面给予了我深入的指导和帮助，在写作初期给了我很多方向性的建议，使我的研究少走了不少弯路；在写作中期，乐老师并严把质量关，在修改定稿阶段细致评阅，提出了宝贵的意见和建议。
在我硕士研究生的两年时间里，乐老师在学习、科研、工作、生活等各方面给予了我无私的关怀和帮助。
乐老师渊博的专业知识、严谨的治学态度、诲人不倦的学者风范、一丝不苟的科研精神，潜移默化的影响着我，为我今后的学习、工作、为人树立了良好的榜样，师从乐老师的这段经历将使我受益终身。
在此，我向乐老师表示衷心的感谢。
感谢我的校外导师教授高级工程师张骥翼老师。
在合肥实习的日子是一段难忘的快乐时光，张老师不但在专业知识上给予我很大的帮助，还为我解决了很多生活上的困难，使第一次到现场学习的我受益匪浅。
感谢京福客运专线工程部的各位工程师的热心帮助。
感谢周磊山教授多年来对我的关怀与帮助。
从本科时期您给我们上专业课开始，到后来的本科毕业论文指导，再到研究生阶段的学习和生活，乃至最后找工作阶段，您对我的帮助真的太多太多，在此我向您表示衷心的感谢。
在论文撰写期间，师门唐金金博士、周艳芳博士、周妍博士、高默博士、佟路博士、白紫熙博士，张衍辉、黄鸿鹏、李向蔚、魏天骄、刘超等同学都给予了我莫大的帮助和支持，并提出了许多宝贵的意见。
两年的研究生生活虽然短暂，但师门兄弟姐妹间却建立了真挚的情感，这会是我一生的美好回忆。
感谢默默支持我的家人，我的每一点进步与成功都离不开你们的帮助。
正是因为有你们的关心和爱护，我才能够顺利完成学业，也正是你们的殷切期待，使我获得了继续前进的勇气与信念。
最后衷心感谢各位评审老师在百忙中对本论文的审阅。
北京交通大学硕士学位论文绪论
1绪论
1．1研究背景
1．1．1问题的提出
进入20世纪40年代以来，铁路旅客运输在竞争中逐渐处于被动局面。
一方面，随着我国经济的快速发展、人们工作节奏的加快和生活质量的提高，旅客对铁路旅客运输的效率与舒适性都提出了新的要求。
另一方面，随着科技的进步，交通运输现代化、多样化的发展，铁路旅客运输受到了来自公路、航空等其他运输方式的冲击。
为此，人们开始重新思考铁路运输的发展方向，逐渐认识到在客运方面提高旅客列车运行速度的重要性。
为使铁路旅客运输满足国家经济发展和运输市场的需要，我国正在进行大规模的铁路客运专线建设，按照《铁路中长期发展规划》（2008年调整）的部署，到2020年，我国铁路总营业里程达到12万公里以上，其中新建客运专线1．6万公里以上，规划建设新线约4．1万公里。
在各大中城市间建立快速客运通道，规划“四纵四横”等客运专线，形成覆盖经济发达、人口稠密地区的城际客运系统
¨j。
其中“四纵”分别是北京一上海客运专线，北京一沈阳一哈尔滨客运专线；北京一武汉一广州一深圳客运专线；上海一宁波一深圳客运专线。
“四横”分别是：
徐州一郑州一兰州客运专线；杭州一南昌一长沙客运专线，青岛一石家庄一太原客运专线；南京一武汉一重庆一成都客运专线。
城际客运系统主要是环渤海铁路快速客运系统、长江三角洲铁路快速客运系统、珠江三角洲铁路快运系统。
随着客运专线的建设，一些衔接客运专线、城际铁路、既有干线铁路等线路以及动车组整备段、机车车辆检修基地等节点的枢纽客运站陆续出现、如北京南站、上海虹桥站、武汉站、成都站以及广州东站等。
这些枢纽客运站一般站型复杂、咽喉区交叉干扰多、接发列车数量非常多。
因此，确保客运专线上枢纽客运站接发车作业准时和安全的进行是实现高速铁路运输网络稳定有序的关键环节。
高速铁路枢纽站的技术作业问题是高速铁路旅客运输组织问题的关键问题。
在编制高速铁路旅客列车运行计划时，枢纽站的接发车能力是主要考虑的约束之一，而车站技术作业计划编制的好坏，直接影响到列车技术作业水平和车站设备利用情况，从而影响列车运行计划的实施效果。
同时，优化车站技术作业计划也有助于提高车站设备的运用效率水平和旅客服务水平，是保障高速铁路枢纽站日
常生产活动顺利进行的基础。
北京交通大学硕士学位论文绪论
1．1．2研究意义
车站技术作业计划是根据列车运行计划、动车组交路计划、车辆分配计划和车辆检修计划编制而成，是为车站调度系统和动车组车载列控系统提供作业控制指令、为车站工作人员提供工作计划的车站作业技术文件，是车站组织日常生产活动的重要文件。
高速铁路车站技术作业计划主要包括到发线运用计划、动车组出入段及转线调车作业等，优化车站技术作业计划对于列车运行计划的实现、提高车站设备的运用效率和客运服务水平都有着十分重要的意义。
优化车站技术作业计划有助于列车运行计划的实现。
列车运行计划主要包括列车到达时间、列车停站时间及列车发车时间和停站类型等信息。
车站技术作业计划可以看作是列车运行计划的一个延伸，其编制的可实施性直接影响列车运行计划的可实施性。
特别是在列车密集到发的高峰时期，车站接发列车进路的质量直接影响整个路网的通畅。
优化车站技术作业计划有助于提高车站设备的运用效率。
车站作业计划主要包括到对到发线和咽喉进路的占用安排，到发线和咽喉进路是车站拥有的稀缺资源，作业铁路运输设备它们具有不可存储的特点，因此合理安排其占用顺序和时间显得尤为重要。
优化车站技术作业计划有助于提高车站客运服务水平。
将高等级的旅客列车安排在靠近基本站台的到发线上，可以缩短旅客走行距离，减少旅客走行时间；将存在直接换乘关系的旅客列车安排在同一个站台两侧的到发线上可以实现零距离换乘；将相邻到发的旅客列车安排在不同的站台上进行作业，可以避免站台上出现大量混乱的客流，从而保障旅客上下车的安全。
1．2国内外研究现状
优化车站技术作业问题的一般思路是先建立问题的数学模型，通过分析数学
模型的特点选择合适的算法求得最优解。
车站技术作业问题属于NP_-h莉问题，即在多项式时间范围内很难求到其最优解，早期的研究人员大多将车站技术作业问题抽象成排序问题，然后采用分支定界的方法求解问题。
目前更多的研究人员是采用启发式算法求解车站技术作业问题，如蚁群算法、遗传算法、神经网络算法、模拟退火算法等。
下面分别对国内外研究人员的研究方法做简要的介绍。
1．2．1国外研究现状
国外对车站技术作业问题的研究相对简单，很少涉及到大型铁路车站内部复
2
北京交通大学硕士学位论文绪论
杂进路和到发线的安排问题，很少涉及到能力限制因素。
zwaIleveld等人将旅客列车在车站内的技术作业划分为安排接车作业进路、
安排占用到发线和安排发车作业进路三项，对任意两列列车的各项作业之间的相容性进行约束，以到发线运用和接发列车作业进路效用最大为目标，建立了旅客列车在车站技术作业的O．1规划模型，将问题中的一些变量化简以减小问题规模，将问题转化为最大权和独立集后采用分支定界法进行求解【2】oJoaqul7nRo埘guez提出了一个约束规划模型来解决列车在枢纽站的进站路径和时问安排问题，该模型的数据直接来自集成在列车上设备，并可以直接嵌入决策辅助系统辅助调度员进行实时决策，达到避免冲突和减少列车晚点的作用。
该方法已经应用于巴黎北部车站并取得了可以接受的效果【3】。
MalachyCarey，SilleadCaⅣille设计了基于冲突检测和疏解的到发线分配启发式算法，并应用于一系列有多种类型和速度列车到发的复杂车站，取得了良好的效果【4J。
Hollalld将车站到发线运用问题看成是具有固定时间窗口的排序问题，以技术作业安全作为目标，在安排列车的作业进路时只考虑该进路是否被其它列车占用。
其研究结果表明列车进路安排问题在一般情况下都属于NP-hard问题，只有每列列车的选择不超过两条进路时，才可以采用多项式算法求解【5】。
RichardFreling等人提出了一种改进的列生成算法来解决旅客列车进路选择问题，文中将问题分成两个子问题进行分析并以此为基础建立了数学模型，最后
以荷兰铁路为例验证了算法的可行性【引。
PaIthaChakroborty’DurgeshVil（r锄在假
设并不是所有列车都能够按照列车运行图的规定时刻到来情况下，建立混合整数规划描述列车在车站的进路分配问题。
文中指出一般情况下列车晚点信息只能在列车到达一个小时前获得，这导致了到发线分配冲突及列车在区间排队进站等问题，模型的目标为在满足物理限制和保障安全的前提下缓解这种问题【7】。
1．2．2国内研究现状
对于车站技术作业问题，国内学者一般以到发线运用问题作为研究方向，建立到发线运用的数学模型，然后采用设置进路冲突约束的方法来解决到发线运用方案中可能出现的进路冲突问题。
在模型求解的过程中提出了分枝定界法、蚁群算法、遗传算法、神经网络算法、模拟退火算法等多种算法，取得了很好的效果。
贾文峥等提出了一种基于约束规划的方法讨论铁路大型客运站股道分配问题。
首先将约束条件分为硬约束和软约束，硬约束反映车站作业安全要求，软约束反映对股道和进路的选择偏好。
然后将求解过程分为约束识别、值排序以及Back—tracl（illg搜索3个步骤嘲。
陈彦等以到发线运用效率和咽喉进路效率最大
北京交通大学硕士学位论文绪论
为优化目标，以列车接发车作业进路选择为决策变量，以道岔和到发线占用相容性为约束，建立旅客列车技术作业问题的0．1规划模型，并设计了模拟退火算法求解模型【91。
谢楚农，黎新华把客运站到技术作业优化目标分解为提高旅客服务水平、有利于车子技术作业安全和高效率的使用车站技术作业设备三个子目标，运用多目标规划理论与分枝定界法对模型进行求解【lo】。
雷定猷等建立了客运站股道运用优化模型，模型目标为有利于客运站行车技术作业，有效利用车站设备和方便旅客乘降，并且优先排列等级较高的列车。
运用多目标规划理论，采取分支定界法对模型进行求解【¨】。
赵强以列车会让方案为主线，系统地分析了单线铁路造成车站到发线能力不足的根本原因，构造了列车运行方案车站到发线需求可行性线性0．1优化模型，提出了复杂性为O（n）的快速算法【12】。
刘启钢等针对大型铁路客运站到发线运用方案约束条件多、编制过程复杂等特点，提出了分层优化思想，将到编制过程划分为分配到发线、检查进路冲突、人机交互3个阶段，并人机交互阶段提出专家经验的思想，降低编制到发线运用计划的困难程度【l31。
史峰等在车站站型信息和列车运行计划已知的条件行下，对铁路车站到发线运用方案和咽喉进路运用方案进行了优化。
建立了车站技术作业的O．1规划模型，采用了双层优化的方式，第一层优化为目标列车等级权重最大化，第二次优化为到发线使用效率最大化，并设计了蚁群算法求解【14】。
吕红霞等用理论最优目标函数值与目标函数值的比值表达信息素，用列车使用到发线权值的倒数表达启发式信息，用2．opt的方法实现局部搜索。
建立了客运站到发线使用的O．1规划模型，并用蚁群算法求解为提高解的性能和算法的收敛速度，按所处时段的列车密集程度和对其它列车的影响程度由大到小排序，再按该顺序求解【15】。
徐杰等从铁路区间调度人员的角度出发，分析区段站列车占用到发线时区的特点，应用划分时间区域的算法建立合适的到发线运用的图论模型。
将到发线运用问题抽象成为具有加权的图的k着色问题。
依据设计混合遗传算法基本原则，设计了贪婪着色算法和遗传算法的混合算法来求解该模型，并设计了字符串的编码方式，构造了基于罚函数的适应度函数，运用交叉变异等方法，给出了混合遗传算法的求解过程【161。
陈建鑫等在详细分析车站咽喉通过能力的制约和旅客的换乘需求的基础上，建立了到发线运用计划编制的O．1规划模型。
然后根据软硬约束的不同影响，设计了一种每次的搜索空间限制为可用到发线集的启发式算法，此算法能够很好的适应于上述O．1规划模型，大大减小搜索空间，提高搜索效率
【17】。
李磊，崔炳谋在求解到发线运用模型时，采用了将遗传算法与模拟退火算法整合的方式，利用两种算法各自的优点来提高算法的效率，并设计了惩罚因子来提高解【l引。
王正彬、杜文从满足车站到发线的运用要求、减少作业和进路交叉
4
北京交通大学硕士学位论文绪论
干扰出发，建立了铁路技术站到发线运用的调整模型。
针对模型是一个非线性规划模型的特点，对交叉干扰产生的原因进行了分析，提出了其等价模型并设计了求解该问题的遗传算法【l引。
高建结合客运站旅客列车站内技术作业的特点，以旅客列车正点接发为目标，兼顾到发线固定使用方案和高等级列车优先接发，建立客运站到发线占用优化模型。
该模型为混合0．1整数规划模型，属于NP问题，直接求解较困难，文中用模拟退火算法设计求解方案【201。
高雪，张洪喜在满足列车使用到发线须遵守的作业要求前提下，建立编组站到发线运用计划的数学模型，使其能够求解出较优的到发线运用方案。
建立的到发线运用模型是非线性的整数规划模型，如果直接求解会比较困难，采用启发式算法对其求解。
在求得可行解后通过合并、交换及组合的方法对所有股道再次进行调整，使到发线运用更趋于合理，即求得较优的到发线运用方案【211。
刘嫣，杨浩利用排序理论和两阶段法，以总晚点数最小、总延误时间最小、冗余时间大和股道均衡使用为目标建立客运专线车站作业计划编制模型，并确定约束条件，提出生成初始可行计划和调整作业计划的两阶段算法【l21。
张苏波等建立了客运站到发线运用的非线性整数规划模型，模型直接求解困难，为此采用遗传算法通过交叉变异等操作，构建车站到发线运用的染色体结构和适应度函数，并进行了遗传算予的设计【221。
张英贵等以列车时刻表、到发线和站台为研究对象，结合进路运用、列车时间天窗的研究，在分析到发线运用平行机排序和多目标排序问题的基础上，运用现代排序理论，以总费用最小和股道均衡使用为目标函数，建立到发线运用的一类多目标窗时排序模型。
采用基本和合成分派规则、解改进优化策略，设计了自律优化算法和3步算法制订和调整到发线运用计划【231。
夏明等研究了旅客列车停站时间和接续时间随机变动情况下客运专线车站到发线运用优化问题，在分析到发线运用过程中各种扰动因素的基础上，以提高车站技术作业效率和提高车子旅客服务水平优化目标，建立了到发线运用的随机机会约束规划模型。
并设计了解决该问题的蚁群算法【24】。
林志安，潘玲巧通过探讨铁路客运站到发线分配问题的
升级会员 