基于多叉树的延误高速列车运行优化调整方法

高速列车高密度的运行模式,使列车运行对延误的敏感度非常高.因此,延误高速列车运行调整成为一个重要的研究问题.本文基于高速铁路列车运行特点,建立了高速铁路列车运行关系模型.在此基础上随机添加列车延误,设计区间加速、按图行车、减少停站时间、减少越行、增加越行、按最小间隔时间顺延及按延误时间运行等 7种列车运行调整方法.以各列车在各车站的总延误时间最小为优化目标,建立延误高速列车运行优化调整模型,并设计了基于分阶段多叉树的延误高速列车运行优化调整算法以实现延误后列车运行的调整,从而得到最优调整方案及列车在各车站的延误总时间.最后以京沪高速铁路实际运行图作为案例进行计算分析,证明该模型和算法的有效性和可行性.     

轨道交通延误条件下列车跳站与客流控制协同优化模型

针对城市轨道交通突发列车延误问题,统筹考虑行车秩序的恢复和乘客出行体验,提出列车调整与客流控制协同优化方法。首先分析延误条件下城轨列车调整和客流控制的措施及效果,构建以跳站停车和多车站客流控制为手段的双层线性规划模型。上层模型以列车总延误最小为目标,以列车载客能力为约束;下层模型以上车客流量最大为目标,以列车载客能力和控流率均衡为约束。采用灵敏度分析算法求解模型,并以北京地铁亦庄线故障延误事件为例,验证模型和算法的有效性。结果表明：采用跳站停车与进站客流协同控制可使延误列车行程时间缩短5.2%,使各车站进站率方差降低97.8%,在保障乘客公平性的条件下提高列车运行和乘客集散效率。     

考虑总延误时间和延误恢复时间的城轨列车运行调整优化

现阶段城市轨道交通具有行车密度大、追踪间隔短等特点,列车延误一旦发生,其传播的速度快、影响范围大。为保证列车运行的正点率以及运输效率,根据城轨列车实际运营需要,在传统列车运行调整模型的优化目标中加入延误恢复时间最小这一目标,建立了以列车总延误时间和延误恢复时间最小为优化目标的城轨列车运行调整模型,并采用遗传算法对问题进行求解。最后以成都地铁一号线的列车运行调整问题为案例,根据城市轨道交通实际运营情况分别分析模型在ATO模式以及人工驾驶模式下的优化效果。结果表明当列车在人工驾驶模式下运行时,该列车运行调整模型可以在基本不影响总延误时间的同时显著降低列车的延误恢复时间。     

基于能力影响的城市轨道交通跨线列车开行方案研究

城轨跨线运营可减少乘客换乘,提高资源利用率.本文以企业车辆使用成本,列车运营成本和乘客出行成本最小为目标,考虑跨线列车对线路通过能力的影响,以列车发车间隔、满载率、可用车辆数为约束,构建跨线运营模式下的运力配置模型,结合算例提出判定跨线运营模式适用的必要条件.研究表明,实施跨线运营线路需具备一定的冗余能力,其实施效果依赖于跨线客流强度、接轨站的换乘条件、行车组织等多个因素;同台换乘易实现跨线运营,因线路通过能力和可节省的换乘时间都有限,高峰期实施跨线运营优势并不明显;与单线独立运营开行方案相比,实施跨线运营可减少企业运营成本和乘客出行成本,且随着跨线客流强度的增加,成本节约效益越明显.     

基于弹复力调整的高速列车群动态运行轨迹优化方法

为提高列车控制过程的自主性和智能性,研究了列车群动态运行过程,采用多智能体和图论方法构建了列车群分布式信息交互模型;以节能和准点为优化目标,以安全和乘客舒适度为约束条件,建立了列车群运行轨迹多目标优化模型,利用基于模拟退火思想改进的差分进化算法获取了列车群静态最优运行轨迹;在此基础上,为避免或消解列车运行过程中随机干扰导致的延误传播问题,针对移动闭塞系统,基于弹复力构建了信息交互支撑的列车群动态间隔调整机制,设计了列车群在线协同优化算法,实现了列车群运行轨迹的动态调整,最后采用武广高速铁路实际数据进行了仿真验证。研究结果表明:提出的在线协同优化算法可以有效提升最优解搜索能力,避免Pareto最优解集的频繁更新,在不同干扰场景下算法触发频率平均降低36.7%;在试验设计的一般干扰场景中,优化后的动态调整策略在保证列车群安全平稳运行的同时,将受扰列车的延误度由6.2%降至0,与立即恢复延误策略相比,节能率达4.8%;在试验设计的较大干扰场景中,受扰列车的延误度由13.1%降至1.4%,全局时间偏差恢复为0,节能率达1.8%。可见,提出的方法能够解决运行轨迹静态规划方式无法完全适应外部动态环境变化的问题,有效保障干扰情况下列车运行复合紊态的及时恢复。      

干扰条件下高速铁路列车运行实时调整问题研究

高速铁路列车在日常运行过程中不可避免地会受到各种干扰的影响,导致列车偏离计划运行图,需要及时调整列车运行图.本文主要针对由干扰导致的区间能力全失效情况下的列车运行图调整问题进行研究,构建列车运行调整混合整数线性规划模型.该模型在满足车站和线路能力约束的情况下,尽量减少取消列车的数量和列车晚点时间加权求和量.模型还阐述了提高列车终到正点率对列车运行调整结果的影响.最后以京沪高铁为例验证了模型的有效性,结果表明,在列车总晚点时间不明显增加的情况下可以提高列车终到正点率.     

需求响应机制下轨道交通出行预约与列车运行计划优化方法

轨道交通供给侧的计划性与需求侧的时变性相互冲突，为更好地协同供需双方，提出了需求响应机制下城市轨道交通列车运行计划的优化方法，包括出行预约和需求响应2个环节；建立了需求响应与列车运行计划协同优化模型，以最小化乘客出行成本和列车运行成本为目标，重点关注乘客由于预约行为产生的延误时间成本；考虑列车运行、运输能力、编组情况、客流分布等因素，设计了基于乘客优先级的自适应大规模邻域搜索算法，外层优化列车运行计划，内层优化客流分配方案，最终实现客流的供需匹配；以北京地铁八通线为例，按照需求响应机制对该线路全天的需求处理与运输组织进行数值试验，并对试验结果从车底运用、乘客等待时间和满载率分布三方面进行分析。研究结果表明:该优化方法可使开行的列车数降低13.8%，同时采用多编组模式，使用车辆数减少了29.8%，这能够有效压缩列车走行公里数，削减企业开支；能够在保证乘客基本出行的前提下，最高可将乘客平均在站等待时间缩短约35.3%，并且预约比例的提升对等待时间的削减效果明显；优化后的运行计划能控制列车满载率维持在设定水平，有效降低人员密度，避免人群大规模聚集，对城市轨道交通疫情的有效防控做出有益探索。      

单线区段列车运行图的自动化调整方法

介绍了在列车运行情况已知的条件下，在(t1，t2]时间域内对列车运行图的自动化调整方法，提出了用列车晚点加权总时分作为评价列车运行图调整优劣的指标，并建立了指标优化的数学模型和简化模型。把简化模型构成网络图，并使用分支定界法设计了列车运行图调整的算法。通过模拟编程验证，该算法可行、有效，能在较短的时间内得出较理想的3～4h列车运行图。     

城市轨道交通停站时间建模研究

城市轨道交通停站时间不仅影响列车运行效率,还直接关系到上下车乘客的安全,是城市轨道交通运营管理的重要组成部分,也是制定列车运行图的重要参数。基于理论分析和实测数据建立了停站时间与乘客上下车数和列车拥挤度的回归模型,通过SPSS软件对各影响因素进行回归分析,并基于实际测得数据对该模型进行修正,最终得到了轨道交通停站时间的修正模型,为列车运行图编制提供数据。     

考虑跳停策略的城轨列车运行图与车站限流协同优化研究

为应对日趋严重的地铁系统拥堵问题及客流过饱和情况，从系统优化角度出发，将服务供给侧与需求侧综合为一个整体进行研究。考虑乘客的持续性到达特征，提出考虑跳停策略的城轨列车运行图与车站限流协同优化方法。首先，引入列车运行图与车站限流相关决策变量，以提高列车运行效率、减少客流乘车延误人数为优化目标，建立轨道交通列车运行与车站限流协同优化双目标整数非线性规划模型。其次，为便于模型求解，引入0-1变量，使用时间重构和大M方法将模型中的非线性约束线性化处理，将模型重构为整数线性规划模型，利用CPLEX软件求解。算例结果表明，双目标优化方法与传统单目标优化方法相比，相较于仅考虑列车服务时间，本文模型可使客流乘车延误人数显著减少；相较于仅考虑客流乘车延误人数，本文方法可使列车服务时间降低2%~3%。     

考虑开行比例的大小交路列车开行方案优化

分析了城市轨道交通的大小交路列车开行比例关系，划分了2种典型的大小交路列车开行比例; 基于跨交路乘客对直达列车的选择偏好与换乘行为，提出了2种开行比例模式下乘客的广义出行费用计算方法; 考虑共线区段列车运行间隔的匹配关系，计算了运营车底数量; 以乘客出行费用和企业运营费用最小化为目标，构建了适用于多编组的大小交路列车开行方案优化模型，并针对开行方案编制流程和模型特点，设计了开行时段优化算法和遗传算法对模型进行求解; 以上海地铁8号线为例，研究了全日列车开行时段划分及其最优开行方案; 考虑固定编组和多编组与大小交路的组合运营模式，分析了单一交路运营与组合运营模式下的最优方案及其运营指标; 研究了乘客选择偏好和时间价值对开行方案和小交路折返站的影响。研究结果表明:与单一交路运营模式相比，大小交路运营模式下的乘客候车时间成本增幅超过11%;固定列车编组条件下，开行比例1:1模式下的小交路长度比开行比例2:1模式下的小交路长4个区间; 多编组运营的早高峰系统总成本降幅超过1.87%，比固定编组运营更具优势; 乘客对直达列车的选择偏好对多编组开行方案的影响较固定编组更大，当选择偏好概率大于0.3时，多编组开行方案的小交路折返站位置向外围延伸; 当时间价值增至原来的1.8倍及以上时，固定编组的运营模式由大小交路变为单一交路。      

城市轨道交通多编组列车开行方案优化研究

针对城市轨道交通全日客流时间分布不均衡下的列车开行方案优化问题,以 乘客等待时间和企业成本最小为优化目标,以运输供给、列车最小发车间隔、最大服务间 隔,以及列车数为约束条件,构建基于多编组模式下的多目标列车开行方案优化模型,并 设计两阶段求解算法.案例分析表明：与传统单一编组列车开行方案相比,基于多编组的 轨道交通列车开行方案使乘客等待时间和车公里数分别减少17%和27%,列车运行小时 增加20%;当客流不均衡系数大于1.48时,宜采用多编组运输组织方式.     

考虑车底运用的城轨货运专列运行图与载货方案协同优化

城市轨道交通线路平峰时段客流需求相对较小、发车间隔较大，利用其富余的运输能力开展货运服务可以有效提高线路能力利用率与经济效益。本文在不调整客运列车运行图的前提下，同时采用客货共载与货运专列两种形式运输货物，研究考虑车底运用的双方向列车运行图与货物运输方案协同优化问题。以货运专列编组停站方案、时刻表、车底周转计划、货物运输方案和车站所需货物仓储容量为决策变量，考虑列车运行安全、车底周转、货物运输时效等约束，构建以提高货运净收益为目标的优化模型。通过线性化方法将原模型转化为混合整数线性规划模型，利用Gurobi软件进行求解。案例分析表明，相较于先优化列车运行计划和货物运输方案再优化车底周转计划的分步优化模型，本文方法可减少上线车底运营数3列，降低约23.6%的列车运营成本，使货运净收益提高10.3%。灵敏度分析表明，相较于客运列车，提高货运专列的货运空间和装卸载效率可以更有效地提高货运收益。     

面向时变需求的高速铁路列车开行方案优化方法

为了使高铁列车开行方案与旅客时变需求相吻合,引入列车运行方案图,使列 车开行方案优化中既能利用列车运行的时间信息,又能避免结合列车运行图综合优化的 大规模计算.借助于基于时刻表的高铁客流分配方法,在区间通过能力、车站始发能力、列 车载客能力等多种约束下,以列车运行时间与旅客出行时间加权和为优化目标,构建了 时变需求下高铁列车开行方案优化的Stackelberg 博弈模型.利用降低编组、删除列车、添 加列车、拼接列车、提高编组和调整列车始发时间等邻域搜索策略,设计了求解模型的模 拟退火算法.最后,针对京沪高速铁路进行算例分析,优化产生的列车开行方案具有良好 的评价指标,特别是旅客上车时间与计划出发时间的偏差较小,具有较高的运算效率和 收敛性.     

高速列车运行调整与运行控制一体化双目标优化模型与算法

列车实时运行调整与运行控制是实现高速列车准点节能运行的两个重要方面.本文构建高速列车运行调整与运行控制一体化优化模型，以降低列车总延误时间与运行能耗为目标，同时优化列车速度距离与时间距离曲线.与以往研究将列车运行调整与运行控制独立优化不同，本文基于列车牵引计算，通过锁闭时间理论将列车运行调整与控制的解空间进行耦合，根据列车运行速度、制动性能、信号系统的清空与开放时间、轨道区段/闭塞分区的长度等因素，精细化计算列车占用不同轨道区段/闭塞分区的时间，动态确定列车区间运行时分与追踪间隔.为求解复杂的非线性模型，设计分段近似法将非线性约束进行重构，从而将非线性优化模型转变为混合整数规划模型.通过算例计算，给出双目标问题的帕累托解集，与单目标优化方法对比，本文方法可以减少总能耗2.46%，降低运行总延误7.33%.     

基于遗传算法的单线列车运行调整体系

针对单线列车运行的特点，提出了“相邻列车”的概念，根据此概念建立了单线列车运行调整模型，并推导了列车运行图偏差函数作为模型调整目标．鉴于列车运行调整问题的解空间太大，用一般的运筹学方法难以有效地求解，提出了基于遗传算法的优化求解算法．该算法根据被调整列车的等级将原问题分解成若干子问题，并在对每个子问题求解的过程中，运用遗传算法在解空间中寻优．仿真结果显示了该模型和算法在应用于实际运行调整时的有效性和实时性．     

基于两阶段算法的运行图与天窗协同优化

列车运行图铺画与天窗设置存在相互影响，相互制约的耦合关系，为了达到优化列车运行图结构，合理配置铁路运力资源的目的，在分析天窗与列车运行动态影响关系的基础上，以天窗设置对列车运行线铺画影响最小为目标，建立了列车运行图与天窗协同优化的混合整数规划模型. 考虑问题复杂性,设计了包含初步优化和综合优化的两阶段求解算法. 初步优化阶段采用基于专家经验的启发式算法得到列车运行图的大体框架，综合优化阶段利用禁忌搜索算法获取全局最优解. 最后以宝成线（阳平关—成都）为例进行有效性验算. 结果表明，相较于人机交互编制所得运行图，优化得出的运行图中所有客货列车在途经车站的总停留时间降低了6.19%，共减少1 355 min，其中旅客列车和货物列车在站停留时间分别降低了3.08%和7.40%，减少总时间分别为189 min和1 166 min.      

市域轨道交通线路快慢列车停站方案研究

为解决市域通勤客流欲快速到达目的地的需求问题，以乘客的出行时间节约值最大为优化 目标，建立大小交路条件下的快慢列车停站方案模型。基于乘客出行时间效益优先原则，考虑乘客候车时间、乘客在车区间运行时间、乘客在车等待时间以及越行对慢车乘客的延误和快车乘客 的时间变化影响等因素，构建了目标函数，同时以列车开行密度、满载率等作为约束条件，建立 0-1 整数规划模型。通过在实际算例中运用遗传-禁忌算法对模型进行求解，得到快车的最佳停站方案，并将计算所得方案的乘客出行时间与相同交路条件、发车间隔以及开行比例下的普通站站 停开行模式的时间进行了对比分析。结果表明，该方案可以节省总出行时间约8 062h，节省人均出行时间约8.5min，人均延误时间约0.86min，总体提高了乘客出行效率和服务水平，具有有效性和合理性。     

基于能力利用的高速铁路列车停站方案优化模型

随着高速铁路网络体系的建成,我国一些主要高速铁路干线能力逐渐趋于紧张。铁路运行图是通过能力的最终体现形式,运行图结构决定了对通过能力的利用情况。本文通过分析列车运行组单元,推导出列车运行组中两相邻列车运行线出发间隔时间的计算公式;然后以区段内各个车站列车运行线总占用时间最小为目标函数,以列车服务质量和停站率等为约束条件,建立停站方案优化模型,并提出模拟退火算法求解;最后以长沙南至衡阳东区段为例,通过对计算结果分析得出相同列车停站方案连续铺画,不同列车停站方案采用渐远渐停方式铺画,将大大提高列车运行图的能力利用率的结论。研究结论对我国繁忙高速铁路的能力利用优化、列车运行图铺画以及列车运行组织工作提供了一定的参考。     

高速列车运行调整与运行控制一体化双目标优化模型与算法

列车实时运行调整与运行控制是实现高速列车准点节能运行的两个重要方面.本文构建高速列车运行调整与运行控制一体化优化模型,以降低列车总延误时间与运行能耗为目标,同时优化列车速度距离与时间距离曲线.与以往研究将列车运行调整与运行控制独立优化不同,本文基于列车牵引计算,通过锁闭时间理论将列车运行调整与控制的解空间进行耦合,根据列车运行速度、制动性能、信号系统的清空与开放时间、轨道区段/闭塞分区的长度等因素,精细化计算列车占用不同轨道区段/闭塞分区的时间,动态确定列车区间运行时分与追踪间隔.为求解复杂的非线性模型,设计分段近似法将非线性约束进行重构,从而将非线性优化模型转变为混合整数规划模型.通过算例计算,给出双目标问题的帕累托解集,与单目标优化方法对比,本文方法可以减少总能耗2.46%,降低运行总延误7.33%.