[发明专利]周期运行图混合速度列车流结构优化模型与算法

说明书

一种周期运行图混合速度列车流结构优化模型与算法，属于铁路运输组织应用研究领域。研究在无越行站的单向运行轨道区间，同步处理列车排序与间隔时间以优化混合速度列车流的结构布局。在理论建模中，将其视为准备时间依赖于顺序特性的(ICR+H)型单机作业调度问题，用改进的替代图对其加以形式化重构描述；综合考虑旅客、能力、运行三者的利益关切，建立多目标(最大化异质性，最小化周期时间，最大化最小缓冲时间)规划中观模型。提出改进的随机钥匙遗传算法及其流程图(图1)。利用C#编程语言研制了实例优化软件，从多角度论证其有益效果，提出了将本研究成果拓展应用于复杂铁路线网的分解——综合机制，充实了混合速度列车流结构优化的理论与方法体系。

一、技术领域

本发明专利属铁路运输组织应用研究领域，研究混合速度列车流条件下，双线/多线单向运行轨道区间上周期运行图的结构布局优化问题；研发相关问题优化的关键模型与算法流程，实现列车顺序与间隔时间的同步整合优化，为周期运行图混合速度列车流结构优化提供理论与应用的参考依据。

二、背景技术

任何系统的关键性能指标都必须充分体现所有利益相关者的需求。对于旅客列车运行图编制而言，其利益相关者涉及旅客、铁路网络运营商及列车开行方。然而，通常这些利益相关者的需求难免存在互相冲突的窘境。UIC 406能力手册提出了列车数、平均速度、异质性和稳定性四个方面的能力平衡关系(如图1 左所示)；Landex，A.(2008)在此基础上增加了能力消耗这一维度，得到了如图1右所示的能力金字塔。

能力消耗受到列车顺序或列车结构的影响(Kaas，1998；Landex，A.，etc，2006；Burdett RL，Kozan E， 2006；Yaghini M，2014)，特别是对于混合速度列车流的运行而言，如图2所示。在铁路网络中并不难实现较高的稳定性/准时性、或者为旅客提供多样性的服务中的某一单项目标。但与此同时，可能会以产生更大的能力消耗为代价，图2所展示的是仅从旅客的角度(左)或从铁路运营商的角度(右)一方出发编制运行图的两种极端的情况。周期运行图是指列车运行线以周期的模式运行，即每条运行线以有规律的顺序重复(KroonL G，et al；2007)。图2的两种情况可能取得最大/最小的周期时间。从系统整体最优的角度出发，编图时所关心的是通过合理安排列车流，寻求尽可能满足各方利益相关者关切的优化的综合平衡解。根据是否对轨道设施结构精确建模，以及运行图的周期/非周期性，Harrod S(2012)提出了四种基本运行图优化模型，即混合整数顺序线性规划、二元整数占用规划、超级图规划、周期事件调度问题，这四种模型主要关注规划目标和数据的可获取性，忽略了特定的列车流构成状况或网络规模。张嘉敏(2011)总结了混合列车流条件下列车运行计划的几种编制策略，并分析了其优缺点，但这项研究仅局限于对混合列车流结构布局的定性分析，尚未深入进行定量布局优化研究。D.Yang，L.Nie(2010)在编制高速铁路不完全周期运行图时采用手工的方法确定各列车的到/发顺序，但如果能开发相关模型与算法利用计算机实现各列车的到 /发顺序结构的排列布局，将会大大提高编图的效率与质量。