動車組交路計劃評價指標(biāo)及算法研究

動車組交路計劃評價指標(biāo)及算法研究

在鐵路專業(yè)運營的基礎(chǔ)設(shè)備投資中，購買和維護列車的成本承擔(dān)了很大一部分。提高動車組的使用效率可以減少其使用數(shù)量,因此動車組交路計劃的編制質(zhì)量直接影響動車組的使用效率和數(shù)量,也對客運專線的運營效益產(chǎn)生影響。1混合動力車輛運輸規(guī)劃1.1動車組交路計劃編制動車組交路計劃是客運專線的基本運營計劃之一,是運輸計劃編制部門根據(jù)鐵道部下達的列車運行計劃、動車組檢修修程的有關(guān)規(guī)定,以及檢修基地布局、線路、設(shè)備等情況,結(jié)合不同時期的客運市場需求而編制的交路計劃。動車組交路計劃應(yīng)對動車組的運用時間、車站、擔(dān)當(dāng)列車、運行徑路等做出具體安排。動車組交路計劃有效組織動車組運營,實現(xiàn)動車組的合理周轉(zhuǎn),是列車運行計劃的重要保證,也是編制車輛分配計劃和乘務(wù)計劃的重要依據(jù)。1.2針對三組交通計劃的限制(1)列車連接計劃(3)總線的使用模式(4)檢修模式和檢修系統(tǒng)選擇接續(xù)動車組時要考慮以上檢修約束,擔(dān)當(dāng)運輸任務(wù)的動車組必須是檢修完畢并保證在任務(wù)完成前不會達到檢修公里數(shù)的技術(shù)狀態(tài)良好的動車組。(5)循環(huán)操作的限制(6)有限區(qū)域(7)對特定客運線路的限制(8)對異車軌道的適當(dāng)限制(9)有限的車輛范圍(10)商用車的基本容量受到限制(11)彈性需求的限制1.3動車組均衡度指標(biāo)動車組交路計劃的評價指標(biāo)主要包括動車組使用數(shù)量、各動車組均衡度(運行里程、運用時間、運行線數(shù)量、接續(xù)時間等)、總接續(xù)時間、回送次數(shù)和回送里程、定期檢修和日常檢修次數(shù)等。2模型和算法2.1車站k接回車時間假設(shè)在K站各種動車組的類型為DCZ.xh[i][k];圖定擔(dān)當(dāng)此運輸任務(wù)的動車組類型為TD.xh[j][k];各種動車組的歸屬為DCZ.gs[i][k];圖定動車組歸屬為TD.gs[j][k];各動車組的運用范圍為DCZ.yyfw[i][k];圖定擔(dān)當(dāng)任務(wù)的動車組運用范圍為TD.yyfw[j][k];動車組i的累計運行公里數(shù)為DCZ.yxgl[i];動車組到達車站K的時刻為DCZ.ddsk[i][k];接續(xù)動車組從車站K的始發(fā)時刻為DCZ.sfsk[i][k];K站存車為ZDCC[k];K站容量為ZDRL[k];K站保有量為ZDBYL[k];在K站列車立折所需要的基本作業(yè)時間為TZ1k,日常檢修所需時間為TZ2k,一級維修所需時間為TZ3k。約束條件: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]則: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]則: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為動車組類型;m為動車組類型總數(shù);k為車站編號;n為車站總數(shù)。2.2問題的劃優(yōu)及模型的建立由交路計劃評價指標(biāo)可知,這是一個多目標(biāo)規(guī)劃優(yōu)化問題,根據(jù)各目標(biāo)建立模型。(1)動車組周轉(zhuǎn)接續(xù)停留時間總和最小。定義決策變量:接續(xù)時間:(2)動車組運用的均衡程度。2.3求解思路與求解步驟目前對多目標(biāo)問題的處理有兩種方式:一個是先根據(jù)某一目標(biāo)求解較好解,由于較好解不止一個,這為其他優(yōu)化目標(biāo)的討論提供了條件,可在此基礎(chǔ)上追加目標(biāo);另一個是通過構(gòu)造評估函數(shù)或通過對目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)組合,將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)求解,這在解決數(shù)學(xué)規(guī)劃問題中經(jīng)常采用,但在加權(quán)值的選取中存在很大的主觀成分,不易準確選取。另外,針對動車組交路這一復(fù)雜的大規(guī)模NP組合問題,目標(biāo)函數(shù)存在非線性函數(shù),如采用加權(quán)組合,必將引入大量輔助變量和約束方程,算法求解難度很大,而且在動車組運用中存在許多不確定因素,編制人員希望能在較短時間內(nèi)得到一個基本符合要求的較好可行調(diào)度預(yù)案,在此基礎(chǔ)上再進行調(diào)整,生成最終的動車組運用計劃。因此,本文的求解思路主要分為以下兩部分。(1)根據(jù)第一個目標(biāo)函數(shù):求出基于動車組周轉(zhuǎn)接續(xù)停留時間總和最小的較優(yōu)解。(2)根據(jù)第二個目標(biāo)函數(shù):,將各交路中的交路段基于動車組的檢修條件和動車組運用的均衡程度進行調(diào)整,形成較優(yōu)的動車組交路。在求解第一個目標(biāo)函數(shù)時,本文選取復(fù)雜程度較低、滿意度較高的回溯啟發(fā)式算法。回溯啟發(fā)式搜索算法的基本思想是:為求得問題的解,先選擇某一種可能的情況向前搜索,在搜索的過程中,一旦發(fā)現(xiàn)原來的選擇是錯誤的就返回去加以修改,反復(fù)進行這種試探性的選擇與返回糾錯的過程,直到找到問題的解或者得出問題無解的判斷為止。其主要步驟如下。步驟1:以0點為分界點,從具有一級檢修條件的車站尋找最早始發(fā)的列車作為當(dāng)前交路的起始點,由運行線的對應(yīng)關(guān)系得到終到車站和終到時刻,記錄此動車組的運行距離,根據(jù)檢修條件及其他約束條件在終到車站選擇滿足接續(xù)時間的最早始發(fā)運行線。步驟2:由運行線對應(yīng)關(guān)系得到下一個終到站和終到時刻,并將運行距離累加,根據(jù)檢修條件及其他約束條件在終到車站選擇滿足接續(xù)時間的始發(fā)運行線,如找不到滿足條件的接續(xù)列車,則退回上一個終到站選擇滿足接續(xù)時間的次早始發(fā)運行線。步驟3:不斷循環(huán)以上步驟1、步驟2,直至每一列車運行線都與動車組相匹配。利用以上算法求出模型初始解,并利用基于交路段互換的思路得到較滿意的動車組交路方案。主要是將所有交路的初始解按照利用率的高低放在一個集合中,根據(jù)運用率差值成對匹配成組,將每組中在兩個交路中具有相同始發(fā)、終到站的交路段,如滿足接續(xù)要求和檢修條件便進行互換,以減少同組中兩個交路的運用率差值,均衡各交路動車組的運用;交路段互換完畢重新計算各交路運用率,并重新分組互換,如此迭代,直到滿足一定的均衡條件或終止條件為止。2.4交路計劃周轉(zhuǎn)圖基于MicrosoftvisualC++6.0開發(fā)平臺,采用VisualC++語言編程,選取武廣客運專線數(shù)據(jù)對算法進行測試。設(shè)兩個動車段分別在武漢和新廣州,動車組運用所設(shè)在新郴州和新韶關(guān);動車組日常檢修修程為3000km,作業(yè)時間為1.5小時,一級修程為30000km,作業(yè)時間為4小時;列車運行圖為成對運行圖(35對列車)。編制武漢—新廣州動車組計劃周轉(zhuǎn)圖,將結(jié)果與人工編制結(jié)果的主要指標(biāo)進行比較,如表1所示。動車組交路計劃在編制過程中需要與有關(guān)運輸管理部門密切配合,而且還受諸多不穩(wěn)定因素影響和限制。本文著重分析了動車組交路的影響因素并在此基礎(chǔ)上,基于給定的列車運行圖對交路編制的模型及算法進行了初步分析,隨著客運專線建設(shè)規(guī)模的擴大,運輸模型的不斷調(diào)整,動車組交路計劃會面臨更多的問題,需不斷進行深入研究。列車運行計劃是客運專線組織列車運行的基礎(chǔ),是運輸管理的關(guān)鍵依據(jù),各種計劃的編制都是在保證列車運行圖現(xiàn)實可行的基礎(chǔ)上完成的,因此動車組交路計劃首先要滿足基本列車運行計劃,保證為運行圖中的每一條運行線都分配一列狀態(tài)良好的動車組,而且列車的始發(fā)、終到時刻和始發(fā)、終到車站不能有任何變動。如果對始發(fā)、終到時刻僅作微小變動能夠明顯改善動車組的使用效率,也可以提出調(diào)整基本列車運行計劃的建議,但在調(diào)整之前必須服從已確定的列車運行計劃。(2)動車組交路計劃編制內(nèi)容在安排動車組交路時,要考慮動車組的歸屬權(quán),不同歸屬權(quán)的動車組不能套跑,以免造成動車組管理的混亂。動車組在選擇接續(xù)運行線時,要考慮動車組的運用模式,不少專家已對此進行了深入研究,指出動車組不固定使用可以提高效率、減少數(shù)量。在不固定使用方案中,有本線循環(huán)套跑模式、長短套跑模式和客運專線間穿插模式,不同的模式?jīng)Q定了動車組的運用范圍。我國高速鐵路動車組的檢修體制主要分為日常檢修和定期檢修兩大類,具體分為五級修程:大修(OR)、三級修(R3)、二級修(R2)、一級修(R1)和日常檢查(D1)。各級修程分別對應(yīng)著檢修周期走行公里數(shù)(走行3000km必須進行日常檢修,累計走行27000~33000km必須進行一級維修等),當(dāng)動車組走行公里數(shù)達到檢修周期范圍時,就必須進行與之相對應(yīng)等級的檢修。日常檢修和定期檢修必須在規(guī)定的地點進行,必須按規(guī)定的檢修周期進行,必須保證檢修作業(yè)的時間要求,而且必須在規(guī)定的時間帶內(nèi)進行(檢修基地的工作時間帶)。動車組交路計劃是在全路動車組數(shù)量固定不變的基礎(chǔ)上編制的,各交路段的始發(fā)和終到站不可能憑空產(chǎn)生或消失動車組,全路的動車組運行是周期性的,即始發(fā)站動車組來源于在此站終到的動車組(包括回送動車組)。對于動車組交路中相鄰的兩個交路段,前一日交路段的最后終到站必須與后續(xù)日交路段的始發(fā)站一致;最后一個交路段的終到站必須與第一個交路段的始發(fā)站一致。當(dāng)動車組運行至終到站,選擇接續(xù)動車組時,只能在同一車站搜索符合條件的動車組。在不成對列車運行圖中,車站始發(fā)和終到的動車組數(shù)量有可能不同,此時終到動車組數(shù)量較多的車站要組織動車組回送,滿足車站到發(fā)平衡的要求,除了交路段的地點約束還要滿足交路段的時間約束,即接續(xù)列車的始發(fā)時刻晚于前行列車的終到時刻,而且其時間差必須大于最小折返時間?？瓦\專線大體可以分為3種類型:列車速度在300km/h及以上的客運專線、城際客運專線、速度為200~250km/h的客貨共線運行的客運專線。不同的客運專線其客流特點不同,對應(yīng)的動車組交路計劃也有所不同。全路客運專線規(guī)模龐大,所使用的動車組類型繁多,接續(xù)動車組要與圖定動車組類型相同,包括種類、編組等,不同種類和編組的動車組不得混用。為了滿足旅客需求,客運專線與既有線要有良好銜接,我國的客運專線均有跨線列車運行;列車速度為300km/h的客運專線,采用高、中速(200km/h)列車混跑方式;列車速度為200km/h的部分線路采用客貨共線運行模式。因此編制動車組交路計劃,確定交路的影響范圍時,應(yīng)同時考慮本線列車與跨線列車。在各動車基地停留的動車組不能超過規(guī)定的數(shù)量;計劃中使用的動車組不能超過規(guī)定的有效動車組數(shù)量。在客流變化較大、列車運行圖調(diào)整相對頻繁的主要站段,應(yīng)保有一定數(shù)量技術(shù)狀態(tài)良好的動車組,使動車組運用具有一定的彈性,以滿足客流增加的需要或其他特殊需求。則:DCZ.sfsk[i][k]+1440-DCZ.ddsk[i][k]≥TZ1k則:DCZ.sfsk[i][k]-DCZ.ddsk[i][k]≥TZ1k則:DCZ.sfsk[i][k]-DCZ.ddsk[i][k]≥TZ2k則:DCZ.s