楊靜偉,耿 放,劉寧馨,安 迪,孫 毅,李琨浩
(1.河北軌道運(yùn)輸職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城市軌道交通系,河北 石家莊 052165;2.河北軌道運(yùn)輸職業(yè)技術(shù) 學(xué)院 鐵道運(yùn)輸系,河北 石家莊 052165;3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所, 北京 100081;4. 中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司 石家莊站,河北 石家莊 050051)
高速鐵路臥鋪動(dòng)車(chē)組列車(chē)的開(kāi)行主要有日行和夜行2類(lèi),目前我國(guó)是以夜行為主,即高速鐵路夕發(fā)朝至臥鋪動(dòng)車(chē)組列車(chē)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“高速鐵路夕發(fā)朝至列車(chē)”)。由于此類(lèi)列車(chē)開(kāi)行與高速鐵路綜合維修天窗設(shè)置之間存在沖突,因而如何優(yōu)化列車(chē)開(kāi)行與綜合維修天窗設(shè)置之間的關(guān)系,為高速鐵路夕發(fā)朝至列車(chē)開(kāi)行方案提供編制依據(jù),以滿(mǎn)足旅客出行需求和優(yōu)化運(yùn)力資源配置,是國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)高速鐵路夕發(fā)朝至列車(chē)運(yùn)輸組織研究的重點(diǎn)領(lǐng)域[1-3]。
高速鐵路夕發(fā)朝至列車(chē)的始發(fā)終到時(shí)間域,主要基于高速鐵路夕發(fā)朝至列車(chē)的定義、旅客選擇偏好及客運(yùn)產(chǎn)品運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)等,不同研究中的取值也有所不同,徐長(zhǎng)安等[1]和林楓[4]將始發(fā)和終到時(shí)間域分別定義為19 : 00—23 : 00,6 : 00—10 : 00;于婕等[5]定義為18 : 00—24 : 00,6 : 00—11 : 00;劉敏等[6]定義為19 : 00—22 : 00,6 : 00—9 : 00。由于目前研究多將高速鐵路夕發(fā)朝至列車(chē)的始發(fā)終到時(shí)間域作為已知條件來(lái)考慮,很少對(duì)該時(shí)間域的計(jì)算方法進(jìn)行研究。因此,亟需結(jié)合高速鐵路夕發(fā)朝至列車(chē)開(kāi)行與綜合維修天窗設(shè)置現(xiàn)狀,創(chuàng)新高速鐵路夕發(fā)朝至列車(chē)始發(fā)終到時(shí)間域計(jì)算方法,以進(jìn)一步提高列車(chē)運(yùn)行圖編制質(zhì)量,為高速鐵路夕發(fā)朝至列車(chē)開(kāi)行與天窗設(shè)置的協(xié)同優(yōu)化提供理論支撐。
從2019年高速鐵路夕發(fā)朝至列車(chē)的開(kāi)行情況來(lái)看,高速鐵路夕發(fā)朝至列車(chē)運(yùn)行距離集中在 1 400 ~ 2 400 km之 間,歷 時(shí) 集 中 在10 ~ 15 h之間。其中,160 km/h速度等級(jí)的夕發(fā)朝至列車(chē)運(yùn)行距離在1 100 ~ 2 400 km之間,歷時(shí)在9 ~ 22 h之間,旅行速度在100 ~ 125 km/h之間;250 km/h速度等級(jí)的高速鐵路夕發(fā)朝至列車(chē)運(yùn)行距離在800 ~ 2 800 km 之間,歷時(shí)在8 ~ 13 h之間,旅行速度在100 ~ 220 km/h 之間。天窗的開(kāi)設(shè)方式主要有2種,分別是垂直矩形天窗和分段矩形天窗[7];列車(chē)開(kāi)行模式也分為2種,分別是全高速線運(yùn)行模式和“天窗時(shí)段下線”運(yùn)行模式,全高速線運(yùn)行模式即夜行列車(chē)?yán)酶咚勹F路線運(yùn)營(yíng)的模式,例如北京—廣州/深圳方向、上海/杭州—廣州/深圳方向等開(kāi)行的列車(chē);“天窗時(shí)段下線”運(yùn)行模式即夜行列車(chē)在天窗時(shí)間段利用與高速鐵路平行既有線運(yùn)營(yíng)的模式,與高速鐵路天窗不產(chǎn)生沖突[7-8]。
全高速線運(yùn)行模式由于列車(chē)開(kāi)行和天窗設(shè)置間存在相互制約關(guān)系,不易通過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算方法確定列車(chē)合理始發(fā)終到時(shí)間域。通過(guò)分析列車(chē)運(yùn)行圖特征,按時(shí)間順序?qū)⒏咚勹F路區(qū)段各區(qū)間視為相互聯(lián)系的多個(gè)決策階段,將區(qū)段內(nèi)各站的列車(chē)到達(dá)和出發(fā)時(shí)刻視為下一階段的決策集合,滿(mǎn)足區(qū)間天窗開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng)約束的決策視為決定當(dāng)前階段狀態(tài)的最優(yōu)決策,且各階段狀態(tài)具備無(wú)后效性的特征。因此,可將開(kāi)設(shè)分段矩形天窗、全高速線運(yùn)行模式下的高速鐵路夕發(fā)朝至列車(chē)的始發(fā)終到時(shí)間域計(jì)算,轉(zhuǎn)化為確定性的定期多階段決策問(wèn)題,通過(guò)輸入停站方案和各階段天窗開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng)要求,輸出合理列車(chē)始發(fā)終到時(shí)間域。
成對(duì)開(kāi)行的高速鐵路夕發(fā)朝至列車(chē),在全高速線運(yùn)行模式下,按照天窗照顧行車(chē)的原則,根據(jù)天窗與運(yùn)行線在運(yùn)行圖中的相對(duì)鋪畫(huà)位置,參考京廣高速鐵路(北京西—廣州南)[3],分段矩形天窗的設(shè)置可分為4個(gè)區(qū)域。分段矩形天窗設(shè)置區(qū)域如圖1所示,陰影部分為運(yùn)行線鋪畫(huà)區(qū)域,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ為分段矩形天窗的設(shè)置區(qū)域。
圖1 分段矩形天窗設(shè)置區(qū)域Fig.1 Segmented rectangular maintenance window area
運(yùn)行圖中各區(qū)域內(nèi)天窗與運(yùn)行線的相對(duì)位置如圖2所示,可細(xì)化為6種情況(陰影部分為天窗,Sk-1和Sk為車(chē)站編號(hào))。其中,情況b和情況d也包括列車(chē)通過(guò)該區(qū)間后,分別在Sk站和Sk-1站產(chǎn)生停站需求,但此時(shí),列車(chē)的停站不受天窗開(kāi)設(shè)區(qū)域的制約,因而不做考慮。
圖2 各區(qū)域內(nèi)天窗與運(yùn)行線的相對(duì)位置Fig.2 Relative position of train operation line and maintenance window in each area
通過(guò)對(duì)列車(chē)運(yùn)行圖特征的分析,各區(qū)域內(nèi)天窗與運(yùn)行線相對(duì)位置的可能情況如表1所示。
表1 各區(qū)域內(nèi)天窗與運(yùn)行線相對(duì)位置的可能情況Tab.1 Possible relative position of train operation line and maintenance window in each area
由此可知,在給定天窗開(kāi)設(shè)時(shí)段的情況下,運(yùn)行線的鋪畫(huà)區(qū)域和天窗的開(kāi)設(shè)區(qū)域存在一定的制約關(guān)系,具體表現(xiàn)為:①運(yùn)行線鋪畫(huà)區(qū)域越寬,天窗允許開(kāi)設(shè)區(qū)域越小,即始發(fā)終到時(shí)間域的范圍與天窗允許開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;②在高速鐵路夕發(fā)朝至列車(chē)開(kāi)行日的運(yùn)行線鋪畫(huà)區(qū)域,必須保證該分段天窗開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng)的最低要求。
將高速鐵路按區(qū)間劃分階段,各階段開(kāi)始時(shí)的下行列車(chē)到達(dá)時(shí)刻范圍和上行列車(chē)出發(fā)時(shí)刻范圍表示該階段的狀態(tài)及決策集合,初始化的始發(fā)終到時(shí)間域?yàn)檫吔鐥l件,各階段天窗開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng)為約束條件,總天窗收益最大為優(yōu)化目標(biāo),構(gòu)建動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型。
為了便于最后計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn),模型構(gòu)建基于以下假設(shè):①列車(chē)的開(kāi)行符合先發(fā)先到特征;②分段矩形天窗的分段情況為已知條件;③各區(qū)間天窗開(kāi)始前的安全間隔時(shí)間固定,各區(qū)間天窗結(jié)束后的確認(rèn)列車(chē)運(yùn)行時(shí)間為按技術(shù)速度計(jì)算的該區(qū)間運(yùn)行時(shí)分;④停站方案已知。
設(shè)S為車(chē)站集合,k為車(chē)站和階段索引,第k階段代表Sk-1至Sk區(qū)間,k∈{2,…,m};i為列車(chē)索引,i∈{1,n};R和ω為分段矩形天窗在運(yùn)行圖中的4個(gè)分布區(qū)域集合,記R= {Ⅰ/Ⅲ,Ⅱ,Ⅳ},ω∈ {Ⅰ,Ⅲ,Ⅱ,Ⅳ}。模型相關(guān)符號(hào)及含義如表2所示。
表2 模型相關(guān)符號(hào)及含義Tab.2 Related symbols and meanings of the model
每個(gè)階段的天窗開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng)應(yīng)滿(mǎn)足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。如京廣高速鐵路在高速鐵路夕發(fā)朝至列車(chē)開(kāi)行日,采取大小天窗結(jié)合并用的模式[7],大天窗滿(mǎn)足4 h綜合維修天窗的要求,小天窗時(shí)長(zhǎng)壓縮至3 h左右。定義“天窗收益”表示各階段的決策是否滿(mǎn)足該階段的天窗開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng)要求,滿(mǎn)足要求的天窗收益值取1,反之取0。
設(shè)高速鐵路共開(kāi)行n對(duì)高速鐵路夕發(fā)朝至列車(chē)。各階段的天窗收益,取決于本階段前后2個(gè)車(chē)站的上下行第1列車(chē)(先發(fā)列車(chē),下同)和第n列車(chē)(后發(fā)列車(chē),下同)的出發(fā)及到達(dá)時(shí)刻,共16個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻要素。第k階段各區(qū)域的天窗收益具體如下。
第k階段Ⅰ區(qū)域的天窗收益vIk,分別取決于下行第n列車(chē)在車(chē)站Sk的到達(dá)時(shí)刻和該階段的天窗允許最早開(kāi)始時(shí)刻(考慮天窗開(kāi)始前的安全間隔時(shí)間)中的最晚時(shí)刻,以及上行第1列車(chē)在車(chē)站Sk的出發(fā)時(shí)刻和該階段的天窗允許最晚結(jié)束時(shí)刻(考慮天窗結(jié)束后的安全間隔時(shí)間)中的最早時(shí)刻,可表示為
第k階段Ⅱ區(qū)域的天窗收益,分別取決于上行第1列車(chē)在車(chē)站Sk的出發(fā)時(shí)刻和下行第1列車(chē)在車(chē)站Sk-1的出發(fā)時(shí)刻中的最早時(shí)刻,以及第k階段的天窗允許最早開(kāi)始時(shí)刻,可表示為
第k階段Ⅲ區(qū)域的天窗收益,分別取決于下行第1列車(chē)在車(chē)站Sk-1的出發(fā)時(shí)刻和該階段的天窗允許最晚結(jié)束時(shí)刻(考慮天窗結(jié)束后的安全間隔時(shí)間)中的最早時(shí)刻,以及上行第n列車(chē)在車(chē)站Sk-1的到達(dá)時(shí)刻和該階段的天窗允許最早開(kāi)始時(shí)刻(考慮天窗開(kāi)始前的安全間隔時(shí)間)中的最晚時(shí)刻,可表示為
第k階段Ⅳ區(qū)域的天窗收益,分別取決于上行第n列車(chē)在車(chē)站Sk-1的到達(dá)時(shí)刻和下行第n列車(chē)在車(chē)站Sk的到達(dá)時(shí)刻中的最晚時(shí)刻,以及第k階段的天窗允許最晚結(jié)束時(shí)刻,可表示為
根據(jù)運(yùn)行圖特征分析,任一階段中Ⅰ和Ⅲ區(qū)域的天窗收益不會(huì)同時(shí)存在,第k階段中Ⅰ或Ⅲ區(qū)域的天窗收益VkI/III,可表示為
因此,第k階段的最終天窗收益Vk,可表示為
由于各階段需保證該階段天窗最低開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng)的要求,該多階段決策問(wèn)題存在可行解時(shí)的最終收益一定為(m- 1),對(duì)應(yīng)的策略集合,即是滿(mǎn)足分段矩形天窗開(kāi)設(shè)要求的合理始發(fā)終到時(shí)間域。
考慮到各階段的天窗開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng),受上下行列車(chē)運(yùn)行線鋪畫(huà)區(qū)域的共同影響,各站的8個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻要素,采取下行列車(chē)的到達(dá)和出發(fā)時(shí)刻根據(jù)下行列車(chē)始發(fā)時(shí)間域正推,上行列車(chē)的到達(dá)和出發(fā)時(shí)刻根據(jù)上行列車(chē)終到時(shí)間域反推的方式。因此,Sk站的關(guān)鍵時(shí)刻要素遞推公式為
將Tk,i作為狀態(tài)變量,則該確定性的定期多階段決策問(wèn)題的最優(yōu)化原理為
其中,狀態(tài)變量Tk,i的最優(yōu)化原理為
模型的求解共需要2輪迭代計(jì)算,第一輪迭代邊界條件為初始化的下行列車(chē)始發(fā)時(shí)間域和上行列車(chē)終到時(shí)間域,迭代結(jié)果為最優(yōu)下行列車(chē)終到時(shí)間域和上行列車(chē)始發(fā)時(shí)間域,將這一結(jié)果作為第二輪迭代的初始條件,最終輸出符合各階段天窗開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng)要求的上下行列車(chē)始發(fā)終到時(shí)間域。具體求解過(guò)程如下。
步驟1:初始化時(shí)間格式、算法參數(shù)和邊界條件。為方便計(jì)算,將參數(shù)和變量中涉及到的時(shí)刻單位統(tǒng)一為 h,并均加12后除以24取余。
步驟2:第一輪迭代。根據(jù)公式(7)至公式(10)通過(guò)初始化的T2,i迭代推導(dǎo)出S2至Sm各站的8個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻要素。
步驟3:計(jì)算各階段天窗收益。根據(jù)公式(1)至公式(6)代入步驟2的關(guān)鍵時(shí)刻要素,計(jì)算出本階段允許的最大天窗開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng),并判斷是否滿(mǎn)足本階段的天窗開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng)要求。若滿(mǎn)足,則返回步驟2進(jìn)行下一階段的判斷;若不滿(mǎn)足,則進(jìn)入步驟4。
步驟4:更新決策集合。對(duì)于不滿(mǎn)足本階段天窗開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng)要求的,收縮相應(yīng)的關(guān)鍵時(shí)刻要素所形成的出發(fā)和到達(dá)時(shí)間域范圍,步長(zhǎng)為1 min,并返回步驟3繼續(xù)判斷。
步驟5:第二輪迭代。通過(guò)步驟2至步驟4迭代出的車(chē)站Sm的關(guān)鍵時(shí)刻要素,即[Tx,d1,Tx,d2]和 [Tx,f1,Tx,f2],將其作為初始條件,代入按技術(shù)速度計(jì)算的區(qū)間運(yùn)行時(shí)分和各站停車(chē)時(shí)間zk,x,i,zk,s,i,反 向 迭 代 出[Tx,f1,Tx,f2]和[Tx,d1,Tx,d2],算法結(jié)束。算法流程如圖3所示。
圖3 算法流程Fig.3 Algorithm flow chart
以京廣高速鐵路2021年第2季度列車(chē)運(yùn)行圖為基準(zhǔn),驗(yàn)證模型和算法的合理性。京廣高速鐵路全線共40個(gè)車(chē)站,開(kāi)行7對(duì)高速鐵路夕發(fā)朝至列車(chē),其中D939和D930在京廣高速線運(yùn)行交路為北京西—長(zhǎng)沙南。對(duì)2021年第2季度列車(chē)運(yùn)行圖數(shù)據(jù)進(jìn)行先發(fā)先到處理,初始化停站方案,如上行先發(fā)列車(chē)D922次在長(zhǎng)沙南京廣場(chǎng)到開(kāi)時(shí)間分別為22 : 52和22 : 58,停站時(shí)間為6 min,D930在長(zhǎng)沙南京廣場(chǎng)接入停車(chē)和出發(fā)時(shí)間分別為22 : 47和22 : 53,因而設(shè)定上行先發(fā)列車(chē)在長(zhǎng)沙南京廣場(chǎng)停站時(shí)間為1 min。zk,x,i,zk,s,i和Dk的取值如表3所示。上下行列車(chē)在北京西高速場(chǎng)至廣州南京廣場(chǎng)平均旅行時(shí)間分別為10 h 42 min 和10 h 18 min,平均總停站時(shí)間分別為61 min和40 min,上下行列車(chē)的技術(shù)速度均為237 km/h;天窗開(kāi)始前和確認(rèn)列車(chē)開(kāi)行前的安全間隔時(shí)間取5 min[1],確認(rèn)列車(chē)平均技術(shù)速度為271 km/h;各階段天窗允許最早開(kāi)始時(shí)刻按圖定最早開(kāi)始時(shí)刻確定,最晚結(jié)束時(shí)刻按高速鐵路夕發(fā)朝至列車(chē)非開(kāi)行日,該階段最早一列車(chē)圖定發(fā)車(chē)(通過(guò))時(shí)刻減天窗結(jié)束后的安全間隔時(shí)間確定。
表3 zk, x, i,zk, s, i,Dk的取值Tab.3 Value of zk, x, i, zk, s, i, and Dk
初始化邊界條件T2,i,取值涵蓋現(xiàn)有研究中定義的時(shí)間域范圍,即T2,i= {[Tx,f1,Tx,f2],[Tx,d1,Tx,d2]} = {[18 : 00,0 : 00],[4 : 00,11 : 00]},初始決策集合經(jīng)過(guò)493次“收縮”更新,得到當(dāng)前天窗開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng)約束下的最優(yōu)下行到達(dá)時(shí)間域和上行始發(fā)時(shí)間域,第一輪迭代結(jié)果如圖4所示,橫坐標(biāo)為時(shí)刻,縱坐標(biāo)為車(chē)站索引,車(chē)站索引1代表北京西站,40代表廣州南站。將最優(yōu)下行到達(dá)時(shí)間域和上行始發(fā)時(shí)間域作為初始條件,代入按技術(shù)速度計(jì)算的區(qū)間運(yùn)行時(shí)分和各站停站時(shí)間,反推出最優(yōu)下行始發(fā)時(shí)間域和上行終到時(shí)間域,最終迭代結(jié)果如圖5所示。實(shí)際運(yùn)行圖中的時(shí)間域(其中D939次等同于下行先發(fā)列車(chē),D930等同于上行先到列車(chē))在輸出結(jié)果的時(shí)間域范圍內(nèi),輸出結(jié)果如表4所示。表明模型求得的最優(yōu)解是滿(mǎn)足當(dāng)前天窗開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng)要求的合理可行的始發(fā)終到時(shí)間域。
表4 輸出結(jié)果Tab.4 Output results
圖4 第一輪迭代結(jié)果Fig.4 Results of the first iteration
圖5 最終迭代結(jié)果Fig.5 Results of final iteration
高速鐵路采取分段矩形天窗的開(kāi)設(shè)形式,對(duì)越靠近始發(fā)或終到的區(qū)間影響越小,算例中可以看出靠近兩端的部分區(qū)間和車(chē)站可以滿(mǎn)足連續(xù)4 h的天窗開(kāi)設(shè)時(shí)間要求,中間部分區(qū)間和車(chē)站僅能滿(mǎn)足 3 h左右的天窗開(kāi)設(shè)時(shí)間要求,因而全線天窗最低開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng)要求受限于中間部分區(qū)間和車(chē)站。
通過(guò)模型,計(jì)算不同天窗開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng)要求下的始發(fā)終到時(shí)間域如圖6所示?;诋?dāng)前停站方案進(jìn)行計(jì)算,最多能夠滿(mǎn)足全線分段矩形天窗開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng)最低為3.4 h時(shí)的要求,且上下行終到時(shí)間域長(zhǎng)度分別為8 min和19 min,在天窗開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng)分別超過(guò)3.5 h 和3.6 h時(shí),上行和下行列車(chē)的終到時(shí)間域長(zhǎng)度為負(fù)值,表明計(jì)算結(jié)果已經(jīng)呈現(xiàn)出發(fā)散的特征,即圖6中的無(wú)效時(shí)間域。
圖6 不同天窗開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng)要求下的始發(fā)終到時(shí)間域Fig.6 Departure and arrival time domain for different time requirements of maintenance windows
根據(jù)計(jì)算結(jié)果,結(jié)合圖3所示的模型求解過(guò)程可知,在既定的停站方案下,如果設(shè)定的天窗開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng)要求過(guò)大,算法將在步驟3和步驟4之間陷入死循環(huán)。這表示無(wú)法在分段矩形天窗的開(kāi)設(shè)區(qū)域間鋪畫(huà)連續(xù)的運(yùn)行線,導(dǎo)致算法無(wú)法收斂至最優(yōu)解,此時(shí)需要調(diào)整停站方案或開(kāi)行模式。
綜上所述,輸入各階段天窗開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng)要求,在給定的停站方案下,可以通過(guò)模型和算法計(jì)算出合理的始發(fā)終到時(shí)間域。因此,該計(jì)算模型和求解算法可以有效地解決開(kāi)設(shè)分段矩形天窗時(shí)的高速鐵路夕發(fā)朝至列車(chē)始發(fā)終到時(shí)間域的計(jì)算問(wèn)題。
高速鐵路夕發(fā)朝至列車(chē)始發(fā)終到時(shí)間域,直接影響列車(chē)開(kāi)行方案與列車(chē)運(yùn)行圖的編制質(zhì)量。模型通過(guò)輸入停站方案和各區(qū)間天窗開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng)要求,輸出滿(mǎn)足要求的列車(chē)合理始發(fā)終到時(shí)間域,可為需要開(kāi)行夕發(fā)朝至列車(chē)的高速鐵路列車(chē)運(yùn)行圖編制提供參考。計(jì)算模型是依據(jù)既有停站方案并在滿(mǎn)足分段矩形天窗開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng)要求的約束下求解的,在實(shí)際編制列車(chē)開(kāi)行方案過(guò)程中,列車(chē)的始發(fā)終到時(shí)間域還應(yīng)考慮旅客的出行需求、出行時(shí)段特征等因素,這也是今后需要進(jìn)一步深入研究的方向。