異常條件下的客運專線車站作業(yè)計劃調(diào)整方法探討

劉嫣 戴新鎏

（1鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院 研究實習員；2鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院 副研究員，北京 100038）

客運專線車站作業(yè)計劃反映的是車站接發(fā)列車以及調(diào)車作業(yè)的進路安排情況，對進路占用的股道與道岔進行合理安排。異常條件下客運專線車站作業(yè)計劃調(diào)整也就是對進路占用的股道與道岔進行調(diào)整。本文借鑒股道均衡使用思想[1—3]，提出了客運專線車站作業(yè)計劃編制的兩階段算法，在此基礎(chǔ)上探討異常條件下客運專線車站作業(yè)計劃調(diào)整方法。

1 問題的提出

鐵路運輸系統(tǒng)是一個復雜、開放的大系統(tǒng)，受自然環(huán)境、氣候等影響較大。同時，基于我國客運專線建設(shè)現(xiàn)狀，速度350 km/h、250 km/h列車混行局面將會不可避免地出現(xiàn)，列車晚點情況也難免發(fā)生。這些異常條件對車站最直接的影響表現(xiàn)在列車晚點進站、通過、出發(fā)，造成車站作業(yè)的變化，需要變更?？抗傻?、站臺，同時也有可能出現(xiàn)因列車被迫運休而使得動車組運用方案需要調(diào)整的情況。在這些異常條件下，車站就需要變更原有作業(yè)計劃，對其進行相應(yīng)的調(diào)整。

異常條件下，客運專線車站調(diào)整作業(yè)計劃，主要是根據(jù)列車等級對受到影響的列車進行調(diào)整。其中，350 km/h列車等級最高，250 km/h列車等級次之。同時，考慮客運專線車站設(shè)備、列車運行計劃以及動車組運用計劃，按照下述原則對客運專線車站作業(yè)計劃進行調(diào)整：

1）客運專線車站各次需要調(diào)整的?？苛熊嚳勺兏傻?，但需盡量選擇與原作業(yè)計劃相同的站臺，以方便旅客乘降；

2）高等級列車在調(diào)整時優(yōu)先級高于低等級列車；

3）相同等級列車一般按發(fā)車時間先后順序進行調(diào)整；

4）發(fā)車作業(yè)在調(diào)整時優(yōu)先于接車作業(yè)，出段作業(yè)在調(diào)整時優(yōu)先于入段作業(yè)；

5）盡量對原作業(yè)計劃進行較小幅度調(diào)整，只對晚點列車調(diào)整，不過多地涉及后續(xù)進站或出站列車的正常運行。

客運專線車站作業(yè)計劃的調(diào)整原則以及調(diào)整的優(yōu)先級的確定，還需根據(jù)實際情況加以靈活運用。

2 客運專線車站作業(yè)計劃編制算法

客運專線車站作業(yè)計劃的編制是典型的NPHard問題。利用排序理論，首先將所有到站、通過、出發(fā)列車根據(jù)時間先后排序，制定出客運專線車站初始作業(yè)計劃，然后通過對當前解進行調(diào)整、改進，生成不同的作業(yè)方案，再對方案進行評價、比選，得到可行方案中相對較優(yōu)的方案。設(shè)某車站共有n條股道，s個道岔，在該車站需要辦理作業(yè)（包括接發(fā)列車和調(diào)車作業(yè)）數(shù)量為t，根據(jù)列車運行圖得到該站行車量為tl列，且車底出段調(diào)車作業(yè)數(shù)量為tc，車底入段調(diào)車作業(yè)數(shù)量為tr，車底轉(zhuǎn)線調(diào)車作業(yè)數(shù)量為tz。

2.1 第一階段——生成初始可行作業(yè)計劃

在整個作業(yè)計劃編制過程中，接發(fā)列車作業(yè)計劃先于調(diào)車作業(yè)計劃編制。因此分別對接發(fā)列車作業(yè)計劃編制與調(diào)車作業(yè)計劃編制進行算法設(shè)計。

2.1.1 接發(fā)列車作業(yè)計劃編制算法設(shè)計

1）根據(jù)列車運行圖，生成車站各出發(fā)、到達列車的車次及時間。

2）將該車站的tl項接發(fā)作業(yè)列車按照作業(yè)時間先后順序進行排序，得到排序序列Pl（共tl項）。

3）在序列Pl中順序抽取一條作業(yè)記錄進行計劃安排。

4）判斷該條作業(yè)記錄是否滿足進路條件，若進路可行，優(yōu)先為列車選擇占用次數(shù)較少的空閑股道，即可用進路中θi小的進路，分配該進路，生成該條作業(yè)記錄的接發(fā)列車作業(yè)計劃，令θi=θi+1；若不滿足，則需等待進路聯(lián)鎖表狀態(tài)的改變，然后再次判斷進路聯(lián)鎖表的鎖閉狀態(tài)是否解除。如果進路聯(lián)鎖表的鎖閉狀態(tài)解除，則可返回判斷是否有滿足條件的進路；否則需繼續(xù)等待，直至進路聯(lián)鎖表鎖閉狀態(tài)改變。

5）增加進路聯(lián)鎖表的鎖閉狀態(tài)。

6）判斷該項作業(yè)是否結(jié)束，若作業(yè)結(jié)束，則解除進路聯(lián)鎖表的鎖閉狀態(tài)，然后轉(zhuǎn)7）；否則，不需要修改進路聯(lián)鎖表的鎖閉狀態(tài)而直接轉(zhuǎn)7）。

7）判斷在序列中是否還存在作業(yè)，若所有接發(fā)列車作業(yè)都已被安排，則接發(fā)列車作業(yè)計劃編制完畢；否則，轉(zhuǎn)3），繼續(xù)選取作業(yè)記錄進行接發(fā)列車作業(yè)計劃的安排。

2.1.2 調(diào)車作業(yè)計劃編制算法設(shè)計

1）根據(jù)動車組運用計劃、車輛分配計劃及車輛檢修計劃得到立折的動車組信息以及待出入段調(diào)車作業(yè)的車次信息，根據(jù)車站作業(yè)參數(shù)得到這些相關(guān)列車的調(diào)車作業(yè)開始時間。

2）將調(diào)車作業(yè)按照作業(yè)開始時間的先后順序進行排序，形成排序后的待編制的調(diào)車作業(yè)序列Pd，共tc+tr+tz項，由出段作業(yè)、入段作業(yè)以及轉(zhuǎn)線調(diào)車作業(yè)組成。

3）在序列Pd中順序抽取調(diào)車作業(yè)記錄，開始調(diào)車作業(yè)計劃的安排。

4）判斷該條作業(yè)記錄是否滿足進路條件。設(shè)調(diào)車作業(yè)開始時間為xdi，調(diào)車作業(yè)結(jié)束時間為ydi，調(diào)車作業(yè)時間標準為d（出段作業(yè)、入段作業(yè)、轉(zhuǎn)線調(diào)車作業(yè)時間標準不同），則判斷在作業(yè)延續(xù)時間段[xdi，xdi+d]內(nèi)是否有可用進路。若存在進路可被占用，則生成該條調(diào)車作業(yè)的調(diào)車作業(yè)計劃，且令θi=θi+1；否則，需要選擇重新確定調(diào)車作業(yè)的開始時間。

5）增加進路聯(lián)鎖表的鎖閉狀態(tài)。

6）判斷該項作業(yè)是否結(jié)束，若作業(yè)結(jié)束，則解除進路聯(lián)鎖表的鎖閉狀態(tài)，然后轉(zhuǎn)7）；否則，不需要修改進路聯(lián)鎖表的鎖閉狀態(tài)而直接轉(zhuǎn)7）。

7）判斷序列Pd中是否還存在作業(yè)，若不存在，則調(diào)車作業(yè)計劃安排完畢；否則，轉(zhuǎn)3）繼續(xù)選擇調(diào)車作業(yè)記錄進行調(diào)車作業(yè)計劃的安排。

2.2 第二階段——調(diào)整作業(yè)計劃

本階段采用不同的解改進調(diào)整策略對第一階段生成的初始可行作業(yè)計劃進行改進，對當前的處理方案進行調(diào)整，從而得到新的客運專線樞紐站作業(yè)計劃。

其中，由于接發(fā)列車作業(yè)要保證作業(yè)時間能按圖進行，且為了方便旅客乘降與車站作業(yè)，其作業(yè)股道也需固定，因而在作業(yè)計劃調(diào)整過程中，一般情況下可不涉及對接發(fā)列車作業(yè)的調(diào)整，只調(diào)整調(diào)車作業(yè)。具體解改進調(diào)整策略可采取以下兩種。

1）時間調(diào)整策略：通過適當變更列車轉(zhuǎn)線、出入段作業(yè)時間來調(diào)整客運專線樞紐站作業(yè)計劃。以30s為一次調(diào)整的時間增加（或減?。┲祵ψ鳂I(yè)開始時間進行變更，也即：

每調(diào)整一次時間的增加（或減?。┲担瑒t更新作業(yè)開始時間，開始一次新的調(diào)車作業(yè)計劃編制，具體編制過程同第一階段的調(diào)車作業(yè)計劃編制。

2）股道調(diào)整策略：通過調(diào)整列車與股道之間的映射關(guān)系或調(diào)整列車占用股道優(yōu)先級等改變進路中對股道的占用?？紤]到旅客上車及行包等作業(yè)能方便進行，股道調(diào)整時若是對接發(fā)列車的調(diào)整，先選擇與調(diào)整前股道同站臺的異側(cè)股道，若不能進行則選擇其他股道。

3 異常條件下的客運專線車站作業(yè)計劃調(diào)整

如果在編制計劃前一日即能獲知次日車次受異常情況影響發(fā)生的變化，可將次日的列車到站、出站等情況匯總，不受車次相關(guān)信息改變的影響，認為其是一次新的作業(yè)計劃編制，按照前述算法進行客運專線車站作業(yè)計劃的編制；如果列車是在當日受到異常情況影響，需要在客運專線車站對該列車的進站、出站情況進行調(diào)整、安排，從而調(diào)整客運專線車站作業(yè)計劃，這就要從時間、空間、動車組運用三個方面考慮，以最低限度內(nèi)影響客運專線車站原有作業(yè)、最小范圍內(nèi)調(diào)整原有作業(yè)計劃為出發(fā)點，將客運專線車站作業(yè)計劃調(diào)整到?jīng)]有沖突，且計劃安排最優(yōu)。當受異常情況影響列車相對較多時，可將作業(yè)計劃的調(diào)整視為列車到發(fā)時刻改變后對基本計劃中受影響范圍內(nèi)的部分作業(yè)計劃的修改，對相關(guān)的大范圍內(nèi)的作業(yè)重新進行編制，生成新的客運專線車站作業(yè)計劃。

3.1 時間調(diào)整

在編制作業(yè)計劃時，作業(yè)進路的安排要留有冗余，以方便發(fā)生異常情況時較少調(diào)整作業(yè)計劃。在異常條件下，首先應(yīng)考慮列車進站、出站時間變化是否會影響該次列車之前以及之后進站與出站列車。時間調(diào)整應(yīng)以調(diào)整原則中的2）、3）、4）為基準。在異常情況中，最易發(fā)生的就是列車晚點，在此重點對此情況進行討論。

如對于晚點進站列車Ji，原作業(yè)計劃分配的股道Mi，實際進站開放進路時間為xi，結(jié)束使用股道時間為yi，占用該股道的下次列車進站開放進路時間為xi+1，則可做如下判斷：

則仍可按原作業(yè)計劃安排，使用原分配股道，只將作業(yè)表中的原作業(yè)開始時間、作業(yè)結(jié)束時間調(diào)整為列車實際在站情況；

滿足（3）或（4）其中之一，則時間調(diào)整不可行。

3.2 空間調(diào)整

在異常條件下，若對于客運專線車站作業(yè)計劃不能進行時間調(diào)整時，可考慮進行空間調(diào)整，即對列車重新安排進路、分配股道。空間調(diào)整需要有大局觀念，在對受到異常情況影響的列車等級進行比較后，按照調(diào)整的先后順序進行安排，要盡量少地變動原計劃中沒有受到影響的列車的進路安排，降低影響的后效性，減少晚點傳播，具體方法如下。

1）在前述的客運專線車站作業(yè)計劃編制算法設(shè)計中得到的接發(fā)列車作業(yè)排序序列Pl中，將受到異常條件影響的列車Ji記錄刪除。

2）列車Ji在原計劃中分配股道Mi，實際到達車站時間為td，從車站出發(fā)時間為tc，則作業(yè)延續(xù)時間為：

考慮到站臺盡量固定使用原則，判斷在時間段[td，tc]里，列車Ji是否與原計劃中列車?？空九_另一側(cè)股道Mi+1的接發(fā)列車有時間上的交叉。若沒有交叉則為列車Ji分配該股道進行作業(yè)，客運專線車站作業(yè)計劃空間調(diào)整完畢；若存在交叉，則轉(zhuǎn)下步。

3） 判斷在時間段[td，tc]里，該站除股道 Mi、Mi+1外是否有列車占用。若存在沒有被列車占用的股道，則根據(jù)列車種類，查找空閑時間最長的股道Mmax，將列車Ji分配到Mmax上，客運專線車站作業(yè)計劃空間調(diào)整完畢；若不存在沒有被列車占用的股道，則轉(zhuǎn)下步。

4）重新搜索股道Mi+1，設(shè)當前占用該股道列車結(jié)束使用股道時間為tc(i+1)，判斷在時間段[tc(i+1)，tc(i+1)+ty]里，該股道是否有列車占用。如沒有列車占用，則為列車Ji安排該股道作業(yè)；若仍有列車占用，轉(zhuǎn)下步。

5）重新搜索該站除股道 Mi、Mi+1外的其他股道，判斷在時間段[td，tc(i+1)+ty]里，該股道是否有列車占用。如沒有列車占用，查找空閑時間最長的股道Mmax，將列車Ji分配到Mmax上，客運專線車站作業(yè)計劃空間調(diào)整完畢；若不存在股道沒有被列車占用，則繼續(xù)按照4）中所述方法進行判斷。如此往復，直至股道被分配。

上面所述的空間調(diào)整方法適用于作業(yè)等級相對較低的列車，可以保證高等級列車的晚點延誤小以及設(shè)備占用狀態(tài)的更改少。相對較低等級列車作業(yè)有可能會持續(xù)調(diào)整至不干擾高等級列車作業(yè)狀態(tài)時開始作業(yè)，最極端的情況是會造成相對較低等級作業(yè)一直等待直至一日內(nèi)的所有作業(yè)結(jié)束，這就嚴重影響了列車正常運行，在實際作業(yè)過程中是不允許的。一般情況下，從列車受到異常情況影響時刻起至當日的24時，該列車一定會被分配股道、安排進路，并且作業(yè)計劃編制要滿足作業(yè)時間冗余大的要求，則原有作業(yè)計劃表的調(diào)整幅度不會很大。在特殊情況下，也會存在列車在當日24時前不能按上述方法分配股道的情況，此時需結(jié)合實際，可不過分強調(diào)站臺固定使用原則與較少改變原作業(yè)計劃原則，將該列車與后續(xù)列車視為一次新的作業(yè)計劃安排，重新進行編制。若不僅是針對相對較低等級列車作業(yè)的調(diào)整，就需要將受異常情況影響列車到站時間相鄰時段內(nèi)作業(yè)的列車納入到調(diào)整的范圍之內(nèi)，在這個待調(diào)整列車作業(yè)集合中根據(jù)列車作業(yè)等級確定作業(yè)計劃調(diào)整順序，得到新的作業(yè)計劃。如果多列列車在某個大的時間段內(nèi)均受到異常情況的影響，這就需要對運行發(fā)生變化的多列列車進行調(diào)整。因為調(diào)整的范圍比較大，逐一調(diào)整很難達到調(diào)整優(yōu)化的目的，此時也可考慮將最先受到影響的列車，連同隨后受到影響與未受到影響的所有列車合并，構(gòu)成待編制作業(yè)計劃的列車數(shù)組進行重新編制，生成新的作業(yè)計劃。

更簡單地，可將客運專線車站作業(yè)計劃的調(diào)整認為是列車到發(fā)時刻改變后對基本計劃中受影響的范圍內(nèi)部分作業(yè)計劃的修改。這種調(diào)整方法思路清晰、簡單可行，缺點是擴散影響較大，除對發(fā)生異常情況列車進行作業(yè)調(diào)整外，有可能對其他正常運行列車進行作業(yè)計劃的變更，給車站作業(yè)、旅客乘降等帶來一定的不便。

3.3 動車組運用調(diào)整

進行動車組運用方案的調(diào)整，有些是由于列車在中途晚點或停運造成的，有些則是由于惡劣氣候影響范圍大、延續(xù)時間長，列車在車站還未出發(fā)便被迫運休造成的。這可能造成動車組運用條件和接續(xù)關(guān)系的變化，產(chǎn)生新的始發(fā)晚點和列車運休。

如果動車組在某一車站終到后擔當下一次始發(fā)作業(yè)任務(wù)，但由于運行過程中發(fā)生異常情況，列車晚點進站影響到接續(xù)，在調(diào)整時考慮變更動車組，調(diào)用其他沒有任務(wù)的動車組完成其始發(fā)任務(wù)，此時就涉及到了調(diào)車作業(yè)計劃的安排[4]。

綜合上述三種調(diào)整策略，都是從一個方面考慮對異常條件下原有作業(yè)計劃的調(diào)整，這只是在個別列車信息變更時可使用的調(diào)整方法，而當異常情況造成列車密集到發(fā)時，需要調(diào)整的作業(yè)數(shù)量多，調(diào)整范圍大，由此造成的延誤也會隨之加大。前述的客運專線作業(yè)計劃編制兩階段算法中，第二階段就是要調(diào)整作業(yè)計劃，以使得總晚點數(shù)最小、總延誤時間最小、冗余時間大，則接發(fā)列車作業(yè)和調(diào)車作業(yè)都會進行調(diào)整。當同方向接發(fā)列車時，盡量選用平行進路，不要為相鄰作業(yè)時段的同類列車作業(yè)安排同一股道，而不同方向接發(fā)列車可不受此限制。調(diào)整調(diào)車作業(yè)時，為了減少部分調(diào)車的作業(yè)時間以滿足接續(xù)的要求，可根據(jù)實際需要轉(zhuǎn)換入段作業(yè)與轉(zhuǎn)線調(diào)車作業(yè)。如當需要出段列車擔當始發(fā)作業(yè)任務(wù)，但由于在密集時段中出段作業(yè)與車站接發(fā)作業(yè)干擾嚴重，則可選擇將該時間段內(nèi)可用的入段車底作為始發(fā)作業(yè)列車擔當始發(fā)作業(yè)任務(wù)，入段作業(yè)也就轉(zhuǎn)換為立折作業(yè)，減少了出段走行時間的延誤。此外，為減少轉(zhuǎn)線調(diào)車作業(yè)所造成的作業(yè)時間延長、延誤增加，可考慮在同一股道上反向接車然后正向發(fā)車，或正向接車然后反向發(fā)車。

4 實例分析

根據(jù)前述算法設(shè)計和調(diào)整方法，利用Visual C++進行編程并實現(xiàn)人機交互功能，在客運專線綜合調(diào)度系統(tǒng)的計劃子系統(tǒng)模塊下，研制出相應(yīng)的車站作業(yè)計劃編制模塊。該模塊由數(shù)據(jù)管理子模塊、信息交互子模塊、作業(yè)計劃編制子模塊、計劃沖突檢測子模塊及作業(yè)計劃顯示子模塊組成，最終生成的作業(yè)計劃按照時間先后順序排序顯示。以滬杭線上的某站為背景，在沒有異常情況時，根據(jù)基礎(chǔ)信息生成的作業(yè)計劃不變。對于異常情況，如250 km/h列車G105晚點10 min進站，由原計劃的10:05:00調(diào)整為10:15:00，在運行圖中對該車次信息進行更改后，編制作業(yè)計劃時模塊會從運行圖中調(diào)用該車次相關(guān)信息，并連同其他沒有變更的車次完成該站作業(yè)計劃的編制。在G105次列車在站作業(yè)時間段內(nèi)，由于另有350 km/h列車G183次以及G163次列車在G105次列車在站作業(yè)時間段內(nèi)有始發(fā)作業(yè)，根據(jù)作業(yè)計劃編制的原則，350 km/h列車的等級高于250 km/h列車，所以令晚點進站的250 km/h列車進站時間調(diào)整為10:32:00，搜索股道與道岔，原作業(yè)計劃中安排的股道和道岔可以沿用，由此，作業(yè)計劃調(diào)整完成，其作業(yè)占用股道和道岔與原計劃相比沒有變化，但作業(yè)時間變更。

5 結(jié)束語

客運專線車站作業(yè)計劃是接發(fā)列車作業(yè)計劃與調(diào)車作業(yè)計劃的集合，是經(jīng)過優(yōu)選比較與調(diào)整優(yōu)化后的最終列車作業(yè)進路安排。列車在運行過程中不可避免地會遇到異常情況，若需對作業(yè)計劃進行調(diào)整時，視具體情況選擇時間、空間或動車組運用等調(diào)整方法，以總晚點數(shù)最小、總延誤時間最小、冗余時間大和股道均衡使用為目標生成新的作業(yè)計劃。本文最后通過計算機實現(xiàn)了客運專線車站作業(yè)計劃編制與異常情況的調(diào)整，通過計算機對過程進行控制，對結(jié)果進行優(yōu)化。

[1]Malachy Craey，Sinead Craville.Scheduling and platforming trains at busy complex stations[J].Transportation Research Part A，2003，37（3）：195—224

[2]李文權(quán)，王煒，程世輝.鐵路編組站到發(fā)線運用的排序模型和算法[J].系統(tǒng)工程理論與實踐，2000，6：75—78

[3]謝楚農(nóng)，黎新華.鐵路客運站到發(fā)線運用優(yōu)化研究[J].中國鐵道科學，2004，25（5）：130—133

[4]趙鵬.高速鐵路動車組和乘務(wù)員運用的研究[D].北京：北京交通大學，1998