高鐵樞紐車站到發(fā)線運用與進(jìn)路選擇綜合優(yōu)化研究

黃全，賀振歡,何紅

(1.廣州鐵路集團(tuán)公司，廣東 廣州 510088；2.北京交通大學(xué)交通運輸學(xué)院，北京 100044；3.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510430)

【交通運輸】

高鐵樞紐車站到發(fā)線運用與進(jìn)路選擇綜合優(yōu)化研究

黃全1，賀振歡2,何紅3

(1.廣州鐵路集團(tuán)公司，廣東 廣州 510088；2.北京交通大學(xué)交通運輸學(xué)院，北京 100044；3.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510430)

通過分析高鐵樞紐車站接發(fā)列車和客運作業(yè)的特點，考慮接發(fā)列車技術(shù)要求和現(xiàn)場客運組織要求，將到發(fā)線運用和進(jìn)路選擇作為整體進(jìn)行綜合優(yōu)化，以到發(fā)線運用和檢票口作業(yè)量均衡、接發(fā)列車受交叉干擾程度最小為優(yōu)化目標(biāo)，建立0-1整數(shù)規(guī)劃模型，并針對實際問題設(shè)計蟻群算法求解。最后以廣州南站為案例進(jìn)行分析，結(jié)果表明各到發(fā)線接發(fā)列車數(shù)量和檢票口作業(yè)量較為均衡，占用同一到發(fā)線相鄰兩列車最小時間間隔較為合理，有利于列車運行受到干擾時接發(fā)股道和時間的調(diào)整，達(dá)到了優(yōu)化到發(fā)線運用和進(jìn)路選擇的目的。

高速鐵路；樞紐車站；到發(fā)線運用；進(jìn)路選擇；蟻群算法

我國高速鐵路樞紐車站具有站場規(guī)模大、銜接方向多，列車開行密度大、運行正點要求高，到發(fā)及換乘客流量大、客運服務(wù)質(zhì)量要求高等特點，車站整體作業(yè)組織復(fù)雜。車站接發(fā)列車組織的通暢水平、客運組織的協(xié)調(diào)程度，很大程度上取決于車站到發(fā)線運用計劃編制的好壞。因此，結(jié)合高鐵樞紐車站行車和客運組織實際，制定科學(xué)合理的到發(fā)線運用計劃，優(yōu)化列車接發(fā)順序和股道，是應(yīng)對高鐵樞紐車站接發(fā)列車數(shù)量迅速增長、到發(fā)線能力日趨緊張狀況的需要，也是保障行車安全、提高車站作業(yè)組織效率的要求。

到發(fā)線運用計劃是指在一定時間段內(nèi)車站全部列車占用到發(fā)線及占用時間的計劃，在確保列車進(jìn)出站進(jìn)路不沖突的前提下，盡可能地減少列車的等待時間。針對大型客運站的到發(fā)線運用優(yōu)化問題，國內(nèi)外已有不少研究。朱亮等[1-2]將到發(fā)線運用問題分為到發(fā)線占用和進(jìn)路選擇進(jìn)行綜合優(yōu)化；謝楚農(nóng)等[3-4]運用多目標(biāo)規(guī)劃理論與分枝定界法研究該問題；何林等[5-7]考慮了方便旅客乘降的問題；郭吉安等[8]構(gòu)建了客專場與普速場到發(fā)線運用計劃綜合優(yōu)化編制模型，并給出算法思路；雷明等[9]則在編制到發(fā)線運用計劃時綜合考慮了行車設(shè)備、客運設(shè)施布局、車站作業(yè)計劃穩(wěn)定性等因素；甘志泉[10]分析了目前到發(fā)線占用費用取值方法的缺陷，提出綜合考慮列車運行方向、在站作業(yè)方式、列車種類等因素確定到發(fā)線占用費用的方法；曹鍵[11]以到發(fā)線運用均衡和旅客乘降便利為優(yōu)化目標(biāo)，運用免疫克隆選擇算法進(jìn)行求解。上述研究涉及了到發(fā)線運用優(yōu)化問題的多個方面、多個角度，為后續(xù)相關(guān)研究提供了有益的參考，但針對實際站房站場規(guī)模大、接發(fā)列車作業(yè)極其繁忙、客運組織復(fù)雜的高速鐵路樞紐車站的到發(fā)線運用優(yōu)化問題的研究仍涉及較少。因此，本文在已有研究基礎(chǔ)上，將到發(fā)線運用計劃編制分為給列車分配到發(fā)線和選擇合理接發(fā)車進(jìn)路，結(jié)合大型高鐵樞紐車站現(xiàn)場作業(yè)實際要求，考慮到發(fā)線運用相關(guān)約束條件，以到發(fā)線運用和檢票口客運作業(yè)量均衡、接發(fā)列車交叉干擾次數(shù)最少為優(yōu)化目的，對樞紐高鐵站到發(fā)線運用優(yōu)化問題進(jìn)行深入研究。

1 到發(fā)線及進(jìn)路占用約束條件

1.1 參數(shù)及變量定義

(2)決策變量定義。

1.2 約束條件

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

2 優(yōu)化目標(biāo)

(1)考慮到線路、道岔等過度使用造成設(shè)備磨損，以及檢票口檢票、換乘等客運作業(yè)問題，以到發(fā)線運用和檢票口作業(yè)量均衡作為一個優(yōu)化目標(biāo)：

(10)

其中，考慮到經(jīng)停列車有檢票和換乘兩項作業(yè)，作業(yè)時間相對最長，且經(jīng)停、始發(fā)和終到列車的客運作業(yè)時間依次遞減，因此設(shè)定系數(shù)a,b,c表示計算檢票口工作量時對不同類型列車的權(quán)重取值，且b>a>c。

(2)考慮到列車在運行過程中會受到不確定的干擾，為保證接發(fā)列車作業(yè)的安全、減少臨時股道變更及出現(xiàn)列車晚點時便于運行調(diào)整，所編制的計劃應(yīng)盡量避免進(jìn)路交叉，且相鄰列車間能夠預(yù)留一定的緩沖時間，以進(jìn)路交叉次數(shù)最少為另一個優(yōu)化目標(biāo)。

(11)

式中：

(12)

因此，確定本問題目標(biāo)函數(shù)為：

z=min(λ·z1+μ·z2)，

式中,λ,μ為權(quán)重系數(shù)，且λ+μ=1，可根據(jù)實際需要選定取值。

由式(1)～(9)，(12)構(gòu)成了到發(fā)線運用與進(jìn)路選擇優(yōu)化模型。

3 算法設(shè)計

高鐵樞紐車站接發(fā)列車數(shù)量多，模型變量規(guī)模龐大，若通過整數(shù)規(guī)劃方法快速有效地求解模型是不現(xiàn)實的，而基于群體智能的蟻群算法能較好地解決多種NP難組合優(yōu)化問題，因此本例采用蟻群算法求解模型。

3.1 算法策略

(1)節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則。本文算法中的螞蟻在當(dāng)前節(jié)點i轉(zhuǎn)移到下一節(jié)點j的規(guī)則由公式(13)決定：

(13)

式中，取q0=log(k)/log(K)，其中k為當(dāng)前螞蟻編號，K為最大螞蟻數(shù)量；q∈(0,1)為隨機數(shù)；τij(k)為節(jié)點i與j間的信息素量，ζij(k)為節(jié)點i與j間的啟發(fā)信息量，α,β分別為信息素和啟發(fā)信息在總信息量中的權(quán)重系數(shù)；Ri為由節(jié)點i可轉(zhuǎn)移到的節(jié)點集合；u為由概率轉(zhuǎn)移公式(14)計算出來的節(jié)點。本文列車在選擇占用到發(fā)線及進(jìn)路時，首先生成隨機數(shù)q，若q≤q0，則選擇占用[τij(k)]α·[ζij(k)]β最大的到發(fā)線和進(jìn)路；否則，按式(14)隨機選擇。

(14)

(2)信息素更新規(guī)則。對同一外部循環(huán)下每次內(nèi)部循環(huán)，每當(dāng)螞蟻從節(jié)點i轉(zhuǎn)移到j(luò)后，路徑(i,j)上的信息素按式(15)局部更新；對同一外部循環(huán)下所有內(nèi)部循環(huán)中最優(yōu)解對應(yīng)路徑上的信息素，按公式(16)全局更新。

τij(k+1)=(1-ρ)τij(k)+ρτ0，

(15)

(16)

(3)啟發(fā)信息設(shè)計。本文根據(jù)車站作業(yè)實際需求設(shè)定若干“到發(fā)線優(yōu)先運用原則”，若到發(fā)線占用符合相應(yīng)原則，則按式(17)更新兩節(jié)點間啟發(fā)信息。

(17)

式中，N表示“到發(fā)線優(yōu)先運用原則”總個數(shù)， n表示當(dāng)前列車占用到發(fā)線滿足的“到發(fā)線優(yōu)先運用原則”個數(shù)。

3.2 算法流程

本文基于蟻群算法的到發(fā)線運用與進(jìn)路選擇優(yōu)化方法流程如圖1所示。

圖1 基于蟻群算法的優(yōu)化方法流程圖Fig. 1 Flow chart of optimization method based on ant colony algorithm

4 案例分析

4.1 基本概況

以廣州南站到發(fā)線運用優(yōu)化問題為例，其站場如圖2所示，由京廣場(1～19道)和廣珠場(20～28道)組成，其中IX、X為京廣高鐵正線，XXIII、XXIV為廣珠城際正線。京廣場連通10個方向：京廣、廣深港、南廣、廣珠聯(lián)絡(luò)線(至碧江)上下行，廣州動車段A、B線；廣珠場連通6個方向：廣珠、貴廣線上下行，廣珠動車所A、B線，廣珠場與京廣場在南端由一渡線相連通。四條正線不能上水作業(yè)，股道7,8,13,14,25,26可吸污作業(yè)，20道禁止接入有客運營業(yè)的長編或重聯(lián)動車組。2017年1月5日調(diào)圖后，廣州南站滿圖營業(yè)列車數(shù)量達(dá)365對。

圖2 廣州南站場示意圖Fig. 2 Plan sketch of Guangzhou South station

根據(jù)廣州南站作業(yè)實際情況，設(shè)定五個“到發(fā)線優(yōu)先運用原則”：(1)列車由連通方向接入到發(fā)線或由到發(fā)線向連通方向發(fā)出時，應(yīng)盡量避免穿越正線運行。如難以同時兼顧接發(fā)車時，應(yīng)綜合考慮影響最小的方案。例如由動車段B線出庫車底盡可能接入10～19道，并由京廣、南廣上行線發(fā)車。(2)無需進(jìn)行技術(shù)作業(yè)的動車組應(yīng)優(yōu)先接入不具備技術(shù)作業(yè)條件的到發(fā)線，預(yù)留可替代性小的功能性到發(fā)線。(3)南貴廣方向列車在京廣場接發(fā)時與京廣高鐵上下行列車造成交叉干擾影響較大，實際可考慮優(yōu)先安排其在廣珠場接發(fā)。(4)各檢票口人工通道和自動檢票閘機數(shù)量不盡相同，應(yīng)優(yōu)先將出發(fā)客流較大的始發(fā)列車(相對而言跨線列車在本站出發(fā)客流較少)安排在客運設(shè)備齊全的檢票口作業(yè)。(5)為減少客流聚集、沖突，降低誤乘風(fēng)險，應(yīng)盡量避免同站臺不同到發(fā)線兩列車同時作業(yè)。

動車組占用到發(fā)線及進(jìn)路時間參數(shù)可參考表1。

表1 動車組占用到發(fā)線及進(jìn)路時間參數(shù)

4.2 結(jié)果分析

利用C#編程實現(xiàn)算法，α,β分別取0.4,0.6，ρ取0.5，對廣州南站到發(fā)線運用及進(jìn)路選擇進(jìn)行優(yōu)化編制。如圖3所示為部分到發(fā)線運用方案圖，根據(jù)實際和優(yōu)化兩個運用方案，計算得到相應(yīng)評價指標(biāo)，如表2所示。

圖3 廣珠場19:00～24:00列車占用到發(fā)線方案展示Fig. 3 Scheme of arrival-departure track utilization at Guangzhu station yard from 19:00 to 24:00

表2 實際與優(yōu)化方案評價指標(biāo)對比結(jié)果Table 2 Comparison of practical and optimized evaluation indexes

注：①表2中1號股道對應(yīng)1號檢票口，2,3對應(yīng)2號檢票口，……，28對應(yīng)15號檢票口。②“每一檢票口換算客運作業(yè)量”欄中，各類列車權(quán)重值分別取始發(fā)列車為1.0，7:00-22:20終到列車0.8，跨線列車1.2，出入庫車底、動檢車等無客運營業(yè)的列車0。

5 結(jié)論

本文將高鐵樞紐車站到發(fā)線運用與進(jìn)路選擇作為整體進(jìn)行綜合優(yōu)化，同時考慮客運作業(yè)的要求，建立了綜合優(yōu)化模型，并對廣州南站到發(fā)線運用方案進(jìn)行優(yōu)化編制，得到如下結(jié)果：

(1)通過本文方法優(yōu)化編制得到的方案較實際方案更優(yōu)，各到發(fā)線接發(fā)列車數(shù)量、檢票口作業(yè)量都較為均衡，占用同一到發(fā)線相鄰兩列車最小時間間隔較為合理，且有利于列車運行受到干擾時接發(fā)股道和時間的調(diào)整。

(2)在對到發(fā)線運用與進(jìn)路選擇進(jìn)行綜合優(yōu)化時，通過設(shè)立“到發(fā)線優(yōu)先運用原則”，考慮了同一咽喉區(qū)不同線路不同方向接發(fā)列車交叉干擾、接發(fā)列車技術(shù)要求、客運作業(yè)要求等一系列因素，但未考慮車底故障長時間占用到發(fā)線、臨時加開列車出入庫占用到發(fā)線和進(jìn)路等特殊突發(fā)情形，考慮這些因素所編制的方案將更加切合現(xiàn)場實際，因此這類問題在今后將有待進(jìn)一步研究。

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Comprehensiveoptimizationforutilizationofarrival-departuretracksandrouteselectioninhub-stationofhigh-speedrailway

HUANGQuan1,HEZhen-huan2,HEHong3

(1.GuangzhouRailwayCorporation，Guangzhou510088，China;2.TrafficandTransportationSchool,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China;3.GuangzhouInstituteofRailwayTechnology,Guangzhou510430,China)

∶Through analyzing characteristics of arrival and departure of trains as well as passenger services, and considering technique requirements of train arrival & departure and passenger organization in high-speed railway hub-station, the use of arrival-departure track and route selection were taken as a whole to be optimized comprehensively. Aiming at the equilibrium use of arrival-departure track, the equilibrium workload of ticket-check entrance, and the minimum conflict of train arriving and departing, the 0-1 integer programming models were established. Meanwhile, the ant colony algorithm was designed to solve practical problems. Taking Guangzhou South station for an example, results showed that the utilization of arrival-departure tracks and the workload of ticket-check entrances were more balanced, and the minimum time interval of two trains which occupied the same arrival-departure track was more reasonable, which was beneficial to the adjustment of track and time when the train was delayed and disturbed, achieving goals of optimization for utilization of arrival-departure tracks and route selection.

∶high-speed railway; hub-station; utilization of arrival-departure tracks; route selection; ant colony algorithm

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.06.013

2017-05-19

中國鐵路總公司重點研究課題(2016X005-D)

黃全(1988—)，男，助理工程師，碩士研究生，研究方向為運輸組織理論與技術(shù)。E-mail: huangquan2015@163.com

U293.2

A

1002-4026(2017)06-0079-08