高鐵車站到發(fā)線計(jì)劃非常態(tài)調(diào)整模型與算法

趙天蔚

摘? 要：針對(duì)非常態(tài)下高鐵車站組織作業(yè)秩序受到的影響，對(duì)高鐵車站到發(fā)線計(jì)劃實(shí)時(shí)調(diào)整進(jìn)行研究。提出基于乘降因子的到發(fā)線計(jì)劃調(diào)整方法，并對(duì)其可行性進(jìn)行分析。以到發(fā)線計(jì)劃乘降因子的波動(dòng)性和均衡性最優(yōu)為目標(biāo)，構(gòu)建高鐵車站到發(fā)線計(jì)劃實(shí)時(shí)調(diào)整模型問題，設(shè)計(jì)基于三種優(yōu)先權(quán)規(guī)則的實(shí)時(shí)調(diào)整算法。最后通過算例驗(yàn)證該模型和算法的有效性，可為高鐵車站到發(fā)線計(jì)劃的實(shí)時(shí)調(diào)整提供有效依據(jù)。

關(guān)鍵詞：到發(fā)線計(jì)劃;非常態(tài)調(diào)整;乘降因子;穩(wěn)定性;均衡性

中圖分類號(hào)：F530? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper studies the real-time adjustment of arrival-departure track utilization in high-speed railway stations， aiming at influencing abnormal operation orders of high-speed railway station. On the paper， we put a forward adjustment method of arrival-departure track utilization based on carriage factor and analyzed its feasibility. In order to optimize the fluctuation and equilibrium of arrival-departure track utilization in carriage factors， a real-time adjustment model of arrival-departure track utilization in high-speed railway stations is constructed， and designed a real-time adjustment algorithm based on three priority rules. Finally， give an example to verify the effectiveness of the model and algorithm， which can provide an effective basis for real-time adjustment of arrival-departure track utilization in high-speed railway stations.

Key words： arrival-departure track utilization; abnormal adjustment; carriage factor; stability; equilibrium

0? 引? 言

高速鐵路因具有快速、安全、便捷、舒適等優(yōu)點(diǎn)，越來越受出行者的青睞，其客運(yùn)量占比鐵路客運(yùn)量逐年上升，同時(shí)，在當(dāng)前物流需求高速增長(zhǎng)的情況下，高鐵貨運(yùn)也已成為當(dāng)前發(fā)展方向。倘若高速鐵路受到高峰期客流、列車晚點(diǎn)、突發(fā)天氣、安全事故和自然災(zāi)害等非常態(tài)干擾因素的影響，破壞高速鐵路車站到發(fā)線計(jì)劃穩(wěn)定性，勢(shì)必影響高速鐵路運(yùn)能，降低其在交通運(yùn)輸系統(tǒng)中的競(jìng)爭(zhēng)力[1]。因此如何通過人工干預(yù)和實(shí)時(shí)控制快速實(shí)現(xiàn)高鐵車站到發(fā)線運(yùn)用計(jì)劃的調(diào)整，編制適應(yīng)當(dāng)前階段運(yùn)營(yíng)環(huán)境的新到發(fā)線運(yùn)用計(jì)劃已成為高鐵車站智能管理的關(guān)鍵。

Kroon L G[2]和T?rnquist J[3]等（1997，2007）分析車站的技術(shù)作業(yè)過程，以列車晚點(diǎn)傳播理論和最短路問題為基礎(chǔ)，對(duì)列車運(yùn)行圖的穩(wěn)定性問題進(jìn)行了探究;張英貴等[4]（2011）在引入時(shí)間窗、權(quán)重、有限度的基礎(chǔ)上，建立股道運(yùn)用排序模型，基于三種改進(jìn)解的策略得到股道運(yùn)用改進(jìn)方案;Sels P[5]（2016）構(gòu)建分配多車站列車為目標(biāo)的模型，完成車站股道編排方案優(yōu)化問題;Dewilde等[6-7]（2013，2014）將問題分為進(jìn)路、時(shí)刻表、到發(fā)線三個(gè)模塊，求解具有健壯性的運(yùn)行圖及編排股道運(yùn)用方案;Burggraeve S等[8]（2015）繼續(xù)拓展Dewilde的方法，將旅客規(guī)模引入到進(jìn)路模塊，作為衡量指標(biāo)，使得編制方案更具有人性化;呂紅霞等[9]（2016）對(duì)鐵路出行旅客進(jìn)行類別劃分;張英貴、劉青意等[10]（2018）統(tǒng)籌考慮列車類型、牽引性質(zhì)、運(yùn)行速度、作業(yè)類型等因素，構(gòu)建旅客列車到發(fā)特征聚類指標(biāo)體系，給出一種基于模糊C均值聚類的列車密集到發(fā)峰期確定方法。

已有研究中主要從車站技術(shù)作業(yè)角度出發(fā)，對(duì)晚點(diǎn)列車調(diào)整的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序。本文為了更好地利用高鐵車站組織設(shè)備，將引入乘降因子作為調(diào)整參考指標(biāo)，對(duì)非常態(tài)高鐵車站到發(fā)線運(yùn)用計(jì)劃進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

1? 乘降因子分析

乘降因子為高鐵列車承運(yùn)的旅客和貨物。鐵路客運(yùn)站到發(fā)線計(jì)劃優(yōu)化一般從到發(fā)線選用費(fèi)用、到發(fā)線均衡性、旅客走行距離三方面考慮。其中前兩項(xiàng)指標(biāo)均從列車對(duì)車站到發(fā)線的影響角度出發(fā)[11]，以時(shí)間作為評(píng)判指標(biāo)，旅客走行距離考慮進(jìn)出站口到列車所在到發(fā)線的空間距離。但高鐵車站作為旅客、貨物與列車的交互場(chǎng)所，乘降因子規(guī)模不同，對(duì)應(yīng)列車所在到發(fā)線接發(fā)的客運(yùn)量與貨運(yùn)量也不相同，到發(fā)線的繁忙程度不同，乘降因子在車站乘降過程中對(duì)相關(guān)設(shè)備的損耗程度以及車站組織作業(yè)的難易程度也都不同（如圖1，（1）（2）分別為兩種到發(fā)線計(jì)劃，根據(jù)列車A、C的乘降因子不同，兩條到發(fā)線的使用情況也不相同），因此在到發(fā)線計(jì)劃編排的過程中，不僅要考慮列車對(duì)到發(fā)線的影響，還需要考慮當(dāng)前到發(fā)線計(jì)劃確定站內(nèi)乘降因子的影響，防止出現(xiàn)車站設(shè)備資源浪費(fèi)和超負(fù)載情況共存。

同時(shí)，當(dāng)高鐵列車因非常態(tài)發(fā)生延誤時(shí)，若預(yù)留緩沖時(shí)間不足以吸收列車延誤時(shí)間，列車在到發(fā)線實(shí)時(shí)調(diào)整過程中與后續(xù)列車到發(fā)線計(jì)劃發(fā)生沖突，勢(shì)必會(huì)使乘降因子隨列車到發(fā)線的變動(dòng)換乘其他站臺(tái)。當(dāng)兩列列車到發(fā)線計(jì)劃發(fā)生沖突時(shí)，必須改變其中一列列車到發(fā)線計(jì)劃（如圖2，（1）為車站原始到發(fā)線計(jì)劃，G2605/6408次列車晚點(diǎn)20分鐘，與G3559次列車占用2號(hào)到發(fā)線沖突。共有（2）、（3）兩種到發(fā)線實(shí)時(shí)調(diào)整方法），為維持車站運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性，將乘降因子作調(diào)整依據(jù)，減少乘降站臺(tái)的變動(dòng)，可防止乘降因子大規(guī)模移動(dòng)引起車站秩序紊亂，降低運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，確保車站運(yùn)營(yíng)安全。

2? 模型與算法

記高鐵車站的列車集為L(zhǎng)=1，2，…，i，…，n，按列車等級(jí)設(shè)權(quán)重為ω，站內(nèi)到發(fā)線集合為U=1，2，…，u，…，m，進(jìn)路集合為R=1，2，…，r，…，k，站臺(tái)集合為Q=1，2，…，q，…，l;t，t分別表示列車i到發(fā)時(shí)刻;x表示列車i是否占用到發(fā)線u，x=1時(shí)占用，x=0不占用;o表示列車i是否占用進(jìn)路r，o=1時(shí)占用，o=0不占用;y表示列車i是否占用站臺(tái)p，y=1時(shí)占用，y=0不占用;根據(jù)鐵路客貨運(yùn)信息系統(tǒng)，車站內(nèi)對(duì)應(yīng)車次的乘降因子是可知的，記車站內(nèi)對(duì)列車i候車的乘降因子規(guī)模為P（當(dāng)i為旅客高鐵時(shí)，取站內(nèi)候車旅客規(guī)模（單位：人）;為貨運(yùn)高鐵時(shí)，取站內(nèi)候車貨物重量（單位：噸），客貨換算系數(shù)為α）。本文不考慮列車到發(fā)時(shí)刻及技術(shù)作業(yè)時(shí)間的調(diào)整問題，在時(shí)間確定下實(shí)時(shí)調(diào)整到發(fā)線計(jì)劃。

2.1? 模? 型

以到發(fā)線乘降因子波動(dòng)性為第一目標(biāo)，即通過減少到發(fā)線調(diào)整頻次，降低實(shí)時(shí)調(diào)整計(jì)劃與原計(jì)劃的差異性。令ε表示列車到發(fā)線是否發(fā)生調(diào)整，則：

公式（3）為強(qiáng)約束，表示計(jì)劃調(diào)整后，任意車站都能保證列車有股道接發(fā);公式（4）、公式（5）為到發(fā)線約束，分別表示一列列車只能有一條股道接發(fā)，一條到發(fā)線只能被一列列車占用;公式（6）、公式（7）為進(jìn)路約束，分別表示一列列車只能占用一條接發(fā)車進(jìn)路;一條接發(fā)列車進(jìn)路最多為V中一列列車的辦理接發(fā)列車作業(yè);公式（8）、公式（9）為站臺(tái)約束，分別表示一列列車只能有一個(gè)站臺(tái)接發(fā)，一個(gè)站臺(tái)能容納V中的列車數(shù)不能超過該站臺(tái)最大允許接車數(shù)。

2.2? 算? 法

3? 算? 例

本算例選用長(zhǎng)沙南站滬昆場(chǎng)13：00～16：00所有列車數(shù)據(jù)，如表1。所有列車的乘降因子均為旅客，乘降因子規(guī)模為11月采集樣本，其中“乘降因子規(guī)模1”為所有樣本平均數(shù)據(jù)，“乘降因子規(guī)模2”為乘降因子高峰期數(shù)據(jù)。

該時(shí)段內(nèi)，長(zhǎng)沙南站滬昆場(chǎng)共計(jì)有18～21、24～27號(hào)到發(fā)線在用，列車到發(fā)線運(yùn)用計(jì)劃圖3所示。

此時(shí)，乘降因子1（非高峰期）對(duì)應(yīng)站內(nèi)到發(fā)線平均發(fā)送乘降因子1 880（人），到發(fā)線計(jì)劃乘降因子均衡性為6.37×105，到發(fā)線計(jì)劃乘降因子發(fā)送最大差值為2 837（人）;乘降因子2（高峰期）對(duì)應(yīng)站內(nèi)到發(fā)線平均發(fā)送乘降因子2 339（人），發(fā)線計(jì)劃乘降因子均衡性為7.66×105，到發(fā)線計(jì)劃乘降因子發(fā)送最大差值為3 068（人）?？芍瑢?duì)應(yīng)高峰期下乘客占用到發(fā)線情況嚴(yán)重不均衡，不同到發(fā)線接繁忙程度不同，造成客流組織不均，車站設(shè)備資源存在浪費(fèi)和超負(fù)載情況共存。根據(jù)本問題提到的方法，對(duì)高峰期狀態(tài)下的到發(fā)線計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整，算法規(guī)則優(yōu)先級(jí)為列車等級(jí)原則?乘降因子均衡性原則?乘降因子波動(dòng)性原則，結(jié)果如圖4。

G1659次列車由原25號(hào)到發(fā)線調(diào)整至26號(hào)到發(fā)線，G1417/1362次列車由原19號(hào)到發(fā)線調(diào)整至21號(hào)到發(fā)線。此時(shí)f=1 720。發(fā)線計(jì)劃整體乘降因子均衡性f=8.92×104，到發(fā)線計(jì)劃乘降因子發(fā)送最大差值為783（人）。

通過結(jié)果可以看出，該方法可以有效地提高車站到發(fā)線乘降因子均衡性，使各到發(fā)線乘降因子規(guī)模趨于均衡，提高部分閑置資源利用率，降低個(gè)別資源超負(fù)載使用。

4? 結(jié)? 論

本文針對(duì)非常態(tài)下高鐵車站到發(fā)線計(jì)劃調(diào)整問題，提出了基于乘降因子的調(diào)整方法，對(duì)乘降因子在到發(fā)線計(jì)劃的優(yōu)化和調(diào)整過程中對(duì)車站的影響進(jìn)行闡述，并對(duì)其可行性進(jìn)行分析。

以到發(fā)線計(jì)劃乘降因子的波動(dòng)性和均衡性為目標(biāo)，以到發(fā)線、進(jìn)路、站臺(tái)為約束，構(gòu)建了高鐵車站到發(fā)線計(jì)劃的調(diào)整模型并設(shè)計(jì)了基于三種優(yōu)先權(quán)規(guī)則的實(shí)時(shí)調(diào)整算法，

本文為將時(shí)間調(diào)整考慮在內(nèi)，對(duì)非常態(tài)下列車運(yùn)行圖及車站到發(fā)線計(jì)劃的綜合考慮還需要進(jìn)一步研究。

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