列車運(yùn)行調(diào)整問題研究綜述

陳 東，李永輝，張儀彬

（1.西南交通大學(xué)峨眉校區(qū) 交通運(yùn)輸系，四川 峨眉 614202；2.西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)計(jì)算機(jī)與通信工程系，四川 峨眉 614202）

列車運(yùn)行調(diào)整問題研究綜述

陳 東1，李永輝2，張儀彬1

（1.西南交通大學(xué)峨眉校區(qū) 交通運(yùn)輸系，四川 峨眉 614202；2.西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)計(jì)算機(jī)與通信工程系，四川 峨眉 614202）

列車運(yùn)行調(diào)整是鐵路行車組織研究的重點(diǎn)，在研究方法和內(nèi)容上都有較為豐碩的成果。在分析諸多列車運(yùn)行調(diào)整研究內(nèi)容的基礎(chǔ)上，歸納闡述了列車運(yùn)行調(diào)整目標(biāo)、調(diào)整措施和調(diào)整研究對象，通過分類比較各種列車運(yùn)行調(diào)整研究方法，從研究手段的選擇、計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用和今后的研究方向等方面進(jìn)行研究展望，提出加強(qiáng)研究手段、拓展研究內(nèi)容，探索新的優(yōu)化算法，并將技術(shù)站車流接續(xù)作為運(yùn)行調(diào)整的約束和目標(biāo)等是值得研究的方向。

鐵路；列車運(yùn)行調(diào)整；車流組織；專家系統(tǒng)

列車在運(yùn)行過程中會受到諸如不良天氣、接觸網(wǎng)故障、旅客上車延誤、技術(shù)站始發(fā)晚點(diǎn)等因素的影響，使其偏離圖定列車運(yùn)行線。列車運(yùn)行調(diào)整是在遇到上述情況時(shí)，通過運(yùn)用合理的調(diào)整策略，使列車進(jìn)入新的有序狀態(tài)的過程。列車運(yùn)行調(diào)整問題是實(shí)現(xiàn)列車調(diào)度指揮系統(tǒng)智能化、自動(dòng)化的核心和基礎(chǔ)。由于列車運(yùn)行調(diào)整需考慮的因素眾多、各種組合方案的規(guī)模龐大，求解算法的實(shí)現(xiàn)難度和求解效率等，決定了這類研究成果的實(shí)用化程度。

1 列車運(yùn)行調(diào)整研究概述

1973年，B?Szpigel 首次提出“最優(yōu)列車調(diào)度”問題[1]，開始了列車運(yùn)行調(diào)整問題的研究。Sauder 于 1983年提出了一個(gè)優(yōu)化的列車調(diào)度模型，并開發(fā)出用于單線鐵路的全局優(yōu)化方法。歐美、日本鐵路多采用規(guī)劃型的運(yùn)輸組織模式，對列車運(yùn)行的準(zhǔn)點(diǎn)性要求更高，在列車運(yùn)行調(diào)整方面有豐富的研究成果。其成果在注重算法優(yōu)化的同時(shí)，更重視專家系統(tǒng)、仿真等研究手段的運(yùn)用。日本新干線列車運(yùn)行管理系統(tǒng)(COSMOS)、歐洲鐵路運(yùn)輸管理系統(tǒng)(ERTMS)和北美高級列車控制系統(tǒng)(ATCS)等是這一領(lǐng)域較為優(yōu)秀的研究成果，為列車運(yùn)行管理和調(diào)整提供了良好的平臺與手段，也推動(dòng)了該領(lǐng)域研究的進(jìn)一步深化。

《日本新干線上的列車運(yùn)行調(diào)整》(謝文炳，1979)系統(tǒng)地介紹了日本新干線鐵路的運(yùn)行調(diào)整方法及效果，對國內(nèi)列車運(yùn)行調(diào)整的研究起到了良好的促進(jìn)作用。《用計(jì)算機(jī)編制列車運(yùn)行調(diào)整計(jì)劃的研究》(程宇，1988)對列車運(yùn)行調(diào)整進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究。進(jìn)入 20 世紀(jì) 90年代，列車運(yùn)行調(diào)整的研究受到諸多學(xué)者的重視。由于在基礎(chǔ)理論和研究手段方面，列車運(yùn)行調(diào)整和運(yùn)行圖的計(jì)算機(jī)編制存在很多共同點(diǎn)，很多研究手段、算法和研究成果都是通用的，因此這一時(shí)期的研究成果極為豐富，研究手段呈現(xiàn)多樣化，數(shù)學(xué)規(guī)劃、離散事件動(dòng)態(tài)建模、人工智能等在這些成果中得到了很好的應(yīng)用。近年來，隨著城市軌道交通、高速鐵路等軌道運(yùn)輸方式的快速發(fā)展，研究對象也進(jìn)一步擴(kuò)展。理論研究促進(jìn)了實(shí)作系統(tǒng)的開發(fā)，其成果已初步應(yīng)用于鐵路運(yùn)輸調(diào)度指揮系統(tǒng)，極大地提高了我國鐵路調(diào)度指揮生產(chǎn)效率。

2 列車運(yùn)行調(diào)整研究

2.1 列車運(yùn)行調(diào)整目標(biāo)

列車運(yùn)行調(diào)整用于糾正因各種原因使列車偏離運(yùn)行計(jì)劃的行為，因此列車運(yùn)行調(diào)整的總目標(biāo)是恢復(fù)列車預(yù)定運(yùn)行計(jì)劃?；谶@一原則，運(yùn)行調(diào)整目標(biāo)可以表述為總晚點(diǎn)列車數(shù)最少、總晚點(diǎn)時(shí)間最少、加權(quán)總晚點(diǎn)時(shí)間最少等。尤其是基于不同的運(yùn)行調(diào)整對象，有的研究提出了分類調(diào)整目標(biāo)。例如，結(jié)合城市軌道交通客運(yùn)服務(wù)的特點(diǎn)，吳洋提出城際列車的運(yùn)行調(diào)整目標(biāo)是盡快恢復(fù)列車運(yùn)行計(jì)劃或均衡列車的發(fā)車間隔，而不是簡單地恢復(fù)運(yùn)行計(jì)劃[2]，這一目標(biāo)有利于客運(yùn)站的工作組織，相關(guān)研究成果對于城市軌道交通的列車調(diào)度調(diào)整有一定的借鑒意義。

2.2 列車運(yùn)行調(diào)整措施

列車運(yùn)行調(diào)整措施是指當(dāng)列車運(yùn)行發(fā)生偏差后，為恢復(fù)列車運(yùn)行計(jì)劃所采取的措施。其主要包括變更列車到發(fā)時(shí)刻、變更列車到發(fā)順序、改變列車車站行車方式、變更列車標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行時(shí)間、增開列車、取消列車、壓縮車站作業(yè)時(shí)間、組織高速列車?yán)枚删€在區(qū)間越行中速列車等。這些措施在既有普速鐵路的列車運(yùn)行調(diào)整中應(yīng)用非常廣泛。對于高速鐵路和城市軌道交通，列車運(yùn)行調(diào)整的措施還有運(yùn)用備用動(dòng)車組、運(yùn)用其他站空閑動(dòng)車組、變更列車接續(xù)時(shí)間，以及中速列車下線運(yùn)行、變更動(dòng)車組交路和反向行車等[3]。不同的措施實(shí)施難度差別很大，對后續(xù)列車運(yùn)行的影響也各不相同。

2.3 列車運(yùn)行調(diào)整研究對象

根據(jù)研究對象的不同，可將列車運(yùn)行調(diào)整分為既有普速鐵路、高速鐵路(客運(yùn)專線)和城市軌道交通線路 3 類?；诟黝愜壍澜煌ǖ牟煌\(yùn)輸特點(diǎn)對研究對象進(jìn)行分類，提高了研究的針對性，降低了研究難度，這一分類方法也被多數(shù)研究者采納。

既有普速鐵路分為單線和雙線，采用客貨共線的運(yùn)輸組織模式。由于貨物列車與旅客列車的等級差別明顯，在列車運(yùn)行調(diào)整時(shí)可以賦予這兩類列車不同的權(quán)限，通過犧牲貨物列車的運(yùn)行效率而獲得旅客列車運(yùn)行計(jì)劃的優(yōu)先恢復(fù)，這是日常調(diào)度指揮中經(jīng)常采用的組織措施。單線和雙線鐵路在調(diào)整目標(biāo)、調(diào)整措施等方面基本相同。不同的是，單線鐵路因某一時(shí)間范圍內(nèi)只能有一列車占用某一閉塞區(qū)間，對向列車間的交會和同向列車的越行等作業(yè)只能在車站進(jìn)行，列車運(yùn)行調(diào)整問題需要考慮因素更多、約束條件更復(fù)雜，具有很強(qiáng)的優(yōu)化必要性，是近年來研究的熱點(diǎn)[4-8]。

高速鐵路(客運(yùn)專線)在閉塞方式、列車種類、天窗設(shè)置、運(yùn)行調(diào)整目標(biāo)及調(diào)整措施等方面與既有普速鐵路存在較大的不同，研究的重點(diǎn)也不同。隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，與高速列車運(yùn)行調(diào)整相關(guān)的研究，包括調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行圖的計(jì)算機(jī)鋪畫，成為近年來的研究熱點(diǎn)。

城市軌道交通在閉塞方式、列車種類、列車運(yùn)行調(diào)整目標(biāo)等方面不同于其他軌道交通。隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，以城市軌道交通為背景的研究近年來也十分豐富。

3 列車運(yùn)行調(diào)整研究方法的分類比較

3.1 基于規(guī)劃方法的列車運(yùn)行調(diào)整研究

列車運(yùn)行調(diào)整問題具有涉及變量多、組合數(shù)量大等特點(diǎn)，是完全的NP 問題。數(shù)學(xué)規(guī)劃方法因其表達(dá)清晰、模型成熟，被眾多研究者所青睞。例如，建立描述網(wǎng)絡(luò)線路列車運(yùn)行圖的通用化模型，并提出時(shí)空局域滾動(dòng)算法完成列車運(yùn)行圖的求解[9-11]；建立運(yùn)行調(diào)整問題的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，利用專業(yè)知識對模型進(jìn)一步簡化，并在此基礎(chǔ)上提出遺傳算法、協(xié)調(diào)優(yōu)化算法、分枝定界等方法對模型進(jìn)行求解[4-7，12]。從這些研究成果可知，由于解的空間巨大，常規(guī)解法很難得到全局最優(yōu)解，運(yùn)用專業(yè)知識對模型進(jìn)行合理簡化，縮小解的空間及尋找可行的求解算法成為這類研究方法的重點(diǎn)。經(jīng)過多年的研究，所建立的模型已經(jīng)相對成熟。目前，各類研究更傾向于尋找更為高效、合理的算法[7，12-13]，計(jì)算復(fù)雜度和實(shí)時(shí)性成為衡量這類研究方法的一個(gè)重要指標(biāo)。

3.2 基于專家系統(tǒng)的列車運(yùn)行調(diào)整研究

專家系統(tǒng)具有直觀、能較好地利用經(jīng)驗(yàn)性知識等特點(diǎn)，也是經(jīng)常采用的研究手段。日本新干線列車運(yùn)行管理系統(tǒng)(COSMOS)、歐洲鐵路運(yùn)輸管理系統(tǒng)(ERTMS)和北美高級列車控制系統(tǒng)(ATCS)等專家系統(tǒng)的建立，為列車運(yùn)行管理和調(diào)整提供了良好的平臺與手段。隨著研究的進(jìn)一步深入，相關(guān)成果也不斷涌現(xiàn)[14-17]。在我國，程宇等提出了用于編制雙線自動(dòng)閉塞區(qū)段列車運(yùn)行調(diào)整計(jì)劃的專家系統(tǒng)[18-19]，張莉艷等提出了基于移動(dòng)閉塞條件下的列車運(yùn)行調(diào)整專家系統(tǒng)[20]。但該類系統(tǒng)的知識庫、方法庫、模型庫在建立時(shí)缺乏統(tǒng)一性描述，其算法的優(yōu)劣取決于算法設(shè)計(jì)者的計(jì)算機(jī)表達(dá)水平。基于不同平臺的專家系統(tǒng)通用性差，難以借鑒、拓展，成為制約其發(fā)展的瓶頸。

3.3 基于離散事件動(dòng)態(tài)建模的列車運(yùn)行調(diào)整研究

列車運(yùn)行調(diào)整的實(shí)質(zhì)是處理列車與車站、列車與區(qū)間，以及列車之間的關(guān)系，規(guī)定列車占有區(qū)間和站線的合理時(shí)機(jī)。如果將列車占用區(qū)間與車站看成事件，那么由列車、區(qū)間、車站、信聯(lián)閉設(shè)備，以及區(qū)段內(nèi)各種技術(shù)設(shè)備組成的列車運(yùn)行系統(tǒng)是一個(gè)離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)[21]。周磊山建立了離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)空間調(diào)整模型，提出了網(wǎng)絡(luò)分層并行算法(NHPA)[22]。該模型算法和求解思路都有較強(qiáng)的優(yōu)勢，兼顧了事件順序設(shè)定法和列車順序設(shè)定法的優(yōu)點(diǎn)，并以此為思路建立了“計(jì)算機(jī)編制列車運(yùn)行圖系統(tǒng)”運(yùn)用于哈爾濱鐵路局。周磊山教授及其研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用該研究方法在運(yùn)行圖鋪畫、列車運(yùn)行調(diào)整、運(yùn)行圖與動(dòng)車組運(yùn)用一體優(yōu)化方面取得了一系列的研究成果。章優(yōu)仕在后續(xù)文獻(xiàn)中運(yùn)用離散事件的拓?fù)鋱D模型對單線列車的運(yùn)行調(diào)整進(jìn)行研究，建立了單線列車運(yùn)行圖的離散事件拓?fù)鋱D模型，并在此基礎(chǔ)上提出了單線列車運(yùn)行調(diào)整的迭代修復(fù)算法[8，13]。該算法具有良好的實(shí)時(shí)性，較好地拓展了離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的研究手段。

3.4 其他智能研究方法

除上述規(guī)劃方法、專家系統(tǒng)、離散事件動(dòng)態(tài)建模等方法外，粗糙集、智能體(Agent)、計(jì)算機(jī)仿真等方法在列車運(yùn)行調(diào)整中的研究也相當(dāng)活躍。

粗糙集理論(Rough Set)作為智能信息處理技術(shù)的新成果，是由波蘭科學(xué)家 Z.Pawlak 教授提出來的對不完整數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、推理、學(xué)習(xí)、發(fā)現(xiàn)的新方法，在許多科學(xué)領(lǐng)域和工程領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。黃康和陳東等提出了采用粗糙集方法構(gòu)造列車運(yùn)行調(diào)整系統(tǒng)，給出了模型結(jié)構(gòu)和知識獲取規(guī)則、自學(xué)習(xí)的粗糙規(guī)則提取算法和列車運(yùn)行調(diào)整算法[23-24]。該研究手段能通過對以往調(diào)度規(guī)則的分析，通過知識約簡，得到列車運(yùn)行在不同情況下的調(diào)整策略，供調(diào)度人員參考。該研究手段強(qiáng)調(diào)調(diào)度人員的知識及其行之有效的經(jīng)驗(yàn)性策略在列車運(yùn)行調(diào)整中的作用，并具有很好的實(shí)時(shí)性。

Agent 是一個(gè)具有控制問題求解機(jī)理的計(jì)算單元，其特點(diǎn)是具有自治性、交互性、反應(yīng)性和預(yù)動(dòng)性。利用這一特性，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行調(diào)整方案的自動(dòng)生成及調(diào)整，改變以往以人為主體的調(diào)度指揮方式，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度系統(tǒng)和人員共同工作的人機(jī)互控模式。多智能體系統(tǒng)(Multi-Agent System，MAS)是由多個(gè)可互相交互的稱為Agent的計(jì)算單元組成的系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的分布式特性，可用于構(gòu)建列車運(yùn)行調(diào)度指揮系統(tǒng)。賈傳峻等結(jié)合已有技術(shù)，提出了依托列車調(diào)度指揮系統(tǒng)建立多智能體調(diào)度集中系統(tǒng)的方案[25]。路飛建立了基于多Agent的地鐵列車運(yùn)行調(diào)整系統(tǒng)[26]。 王宏剛建立了基于Agent的客運(yùn)專線綜合運(yùn)營管理調(diào)度系統(tǒng)[27]。這些研究對于Agent 在鐵路運(yùn)輸中的應(yīng)用進(jìn)行了有效的嘗試，并取得了一定的研究成果。Agent 中對于調(diào)度指揮規(guī)則的簡潔、正確的描述和知識表達(dá)的通用性，成為Agent 應(yīng)用中的關(guān)鍵。Agent在分析復(fù)雜的社會經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中取得了很豐富的研究成果，對列車運(yùn)行調(diào)整這一復(fù)雜的組合優(yōu)化問題，也有良好的應(yīng)用前景。

嚴(yán)格地說，計(jì)算機(jī)仿真不能單獨(dú)列為一類研究方法，因?yàn)樯鲜龅碾x散事件動(dòng)態(tài)建模、MAS 等研究手段也涉及計(jì)算機(jī)仿真，其研究成果相當(dāng)豐富。Pascal Rebreyend 介紹了一個(gè)專門用于列車調(diào)度和調(diào)整的軟件 DisTrain，能較快地校驗(yàn)各種調(diào)整方法的調(diào)整效果，具有較強(qiáng)的實(shí)用性[28]。有關(guān)研究也介紹了仿真方法在運(yùn)行調(diào)整中的應(yīng)用[8，15，20-21]。列車運(yùn)行過程隨機(jī)性特點(diǎn)明顯，采用仿真的方法推演其運(yùn)行及調(diào)整過程，并基于其研究成果建立實(shí)用系統(tǒng)，是一個(gè)非常有發(fā)展?jié)摿Φ难芯渴侄巍?/p>

4 研究展望

經(jīng)過多年的研究，在眾多學(xué)者的努力下，列車運(yùn)行調(diào)整研究取得了豐碩的成果。隨著鐵路網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，隨著普速鐵路、高速鐵路、城市軌道交通等的快速發(fā)展，列車運(yùn)行調(diào)整目標(biāo)、約束條件也在不斷發(fā)展。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的提高、新的優(yōu)化算法的提出，使得局限于計(jì)算能力的一些問題的解決成為可能?？梢哉J(rèn)為，今后列車運(yùn)行調(diào)整仍然是研究的熱點(diǎn)。

（1）研究手段的選擇。數(shù)學(xué)規(guī)劃的方法雖然表達(dá)清晰，但求解困難，實(shí)時(shí)性較差，探索更加高效、優(yōu)化的算法是這類研究手段的主要方向。專家系統(tǒng)和人工智能類算法因能充分借鑒專業(yè)知識，縮小解的空間，并能充分借鑒經(jīng)驗(yàn)性知識，在這類問題的求解上有一定優(yōu)勢。這類方法在實(shí)際運(yùn)用時(shí)仍存在一些缺點(diǎn)，如過程性知識表述困難、模型庫和方法庫的通用性差等，這些缺點(diǎn)的克服將促進(jìn)這類研究方法的發(fā)展。

（2）計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)仿真能較直觀地演示各種調(diào)整措施的執(zhí)行情況，并對其實(shí)施效果進(jìn)行評價(jià)，是一種非常好的研究手段。國外在交通運(yùn)輸領(lǐng)域非常重視仿真，并開發(fā)了很多實(shí)作或驗(yàn)證仿真平臺，國內(nèi)相關(guān)研究則有待進(jìn)一步深入。

（3）今后的研究方向。對于列車運(yùn)行調(diào)整，綜合諸因素的一體優(yōu)化是下一步的研究方向。鐵路運(yùn)輸是一個(gè)大的聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，涉及專業(yè)和其他因素眾多，僅列車運(yùn)行調(diào)整就涉及機(jī)車(動(dòng)車組)、車輛、供電、車流接續(xù)等眾多因素。在現(xiàn)有研究中，已有針對機(jī)車(動(dòng)車組)、車底和運(yùn)行計(jì)劃的一體優(yōu)化。但是，針對列車運(yùn)行調(diào)整和車流接續(xù)一體優(yōu)化的研究則較少。由于鐵路運(yùn)輸組織的復(fù)雜性，在實(shí)際運(yùn)輸生產(chǎn)中，為降低指揮難度，將聯(lián)系緊密的車流組織和列車運(yùn)行組織分割成兩部分，大運(yùn)轉(zhuǎn)列車的車流組織工作交給技術(shù)站完成，調(diào)度所除調(diào)整路網(wǎng)列車運(yùn)行之外，還管理區(qū)段內(nèi)的摘掛車流在中間站的組織工作。列車的到發(fā)時(shí)間和編組內(nèi)容是這兩項(xiàng)工作的接口，這一分割有效地解決了鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)智能化程度不高和計(jì)算能力不足條件下的列車運(yùn)行調(diào)度指揮問題。縱觀全局，車流組織雖然是車站的主要工作，但其生成的列流是組成運(yùn)行線的源；反之，運(yùn)行線如不能與車流組織很好的配合，則待發(fā)列車等待時(shí)間增大，車小時(shí)增加。因此，在列車運(yùn)行調(diào)整中，將技術(shù)站的車流接續(xù)納入其中進(jìn)行考慮，兼顧點(diǎn)、線運(yùn)輸組織情況，將技術(shù)站的車流接續(xù)作為列車運(yùn)行調(diào)整的約束和目標(biāo)，達(dá)到滿意的“中時(shí)、停時(shí)、旅速、周時(shí)”等運(yùn)輸指標(biāo)，是值得研究的方向。

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Study on Problems of Train Operation Adjustment

CHEN Dong1,LI Yong-hui2,ZHANG Yi-bin1

(1. Traffic and Transportation Department,Ermei School of Southwest Jiaotong University,Ermei 614202,Sichuan,China; 2. Computer and Communication Engineering Department,Ermei School of Southwest Jiaotong University,Ermei 614202,Sichuan,China)

Train operation adjustment is the key of railway running organization and has plentiful achievements on study method and content. Based on analyzing study contents of many train operation adjustment,this paper expounds the train operation adjustment target,adjustment measures and adjustment study object. Through classifying and comparing each study method of train operation adjustment,the paper makes prospection through aspects of selection of study approach,utilization of computer simulation and further study orientation,puts forward many valuable study orientations such as strengthening study approach,developing study content,exploring new optimization algorithm and taking vehicle flow connection in technical stations as restriction and target of operation adjustment.

Railway; Train Operation Adjustment; Vehicle Flow Organization; Expert System

1003-1421(2012)12-0026-05

U292.4

B

2012-09-20

中央高校科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)創(chuàng)新基金(SWJTU 2011CX002EM)；教育部春暉計(jì)劃(Z2011117)

王學(xué)智