客運(yùn)專線相關(guān)旅客列車開行方案優(yōu)化研究

1、客運(yùn)專線相關(guān)旅客列車開行方案優(yōu)化研究建立一個(gè)合理的旅客列車開行方案，是鐵路運(yùn)輸組織中越來越重要的系統(tǒng)工程問題。普速鐵路、提速普速鐵路網(wǎng)的不斷發(fā)展，新建高速鐵路、客運(yùn)專線的即將推出，將形成高速的客運(yùn)專線和客貨混跑的既有鐵路構(gòu)成的鐵路客運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，使旅客列車開行方案更為復(fù)雜化。客運(yùn)專線的旅客列車開行方案不僅僅局限于客運(yùn)專線上的旅客列車，而是指整個(gè)相關(guān)區(qū)域運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的旅客列車開行方案。其主要內(nèi)容包括相關(guān)區(qū)域路網(wǎng)所有開行列車的類別、對數(shù)、運(yùn)行區(qū)段和停站，以充分滿足旅客的出行需求，使鐵路運(yùn)輸企業(yè)效益最大化。本文在詳盡的社會經(jīng)濟(jì)分析的基礎(chǔ)上，通過對客運(yùn)專線的運(yùn)營成本構(gòu)成及計(jì)算方法的探討，分析了鐵路客運(yùn)專線旅客列

2、車開行方案的相關(guān)收益及費(fèi)用，從鐵路運(yùn)輸企業(yè)和旅客兩方面的利益出發(fā)建立了客運(yùn)專線相關(guān)旅客列車開行方案的多目標(biāo)優(yōu)化模型及其求解方法。對鐵路旅客乘車行為的特點(diǎn)和各種影響因素進(jìn)行全面分析，揭示了鐵路旅客列車客流分布的內(nèi)在原因。系統(tǒng)研究了鐵路旅客換乘網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造和評價(jià)，對旅客在列車網(wǎng)絡(luò)上的客流分配理論進(jìn)行了探討。將客流換乘選擇的多類用戶的用戶平衡分配模型作為下層規(guī)劃，將均衡考慮企業(yè)利益和旅客需求作為上層規(guī)劃，將列車開行方案與旅客換乘方案結(jié)合起來，建立綜合優(yōu)化旅客列車開行方案的雙層規(guī)劃模型。系統(tǒng)建立旅客列車開行方案的評價(jià)指標(biāo)體系，對其社會經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行綜合評價(jià)。由于問題的規(guī)模和特點(diǎn)，通過抽象歸納鐵路企業(yè)制定開

3、行方案的豐富經(jīng)驗(yàn)和利用鄰域搜索優(yōu)化方法，設(shè)計(jì)了基于模擬退火算法的優(yōu)化算法，可解決大規(guī)模的旅客列車開行方案優(yōu)化問題。本文具體研究工作如下：1)客運(yùn)專線旅客列車開行方案的相關(guān)效益和費(fèi)用分析旅客列車開行方案的相關(guān)收益與費(fèi)用從兩個(gè)方面進(jìn)行分析，其一為鐵路運(yùn)輸企業(yè)的收益與成本；其二為旅客的收益與費(fèi)用。這種成本費(fèi)用和效益分析方法是合理優(yōu)化旅客列車開行方案的前提。將旅客時(shí)間價(jià)值按照消費(fèi)層次進(jìn)行劃分，便于針對不同層次的客流特點(diǎn)確定旅客列車開行方案。旅客支出除了票價(jià)一項(xiàng)外都是(或已折合為)時(shí)間，按照不同消費(fèi)層次的旅客時(shí)間價(jià)值將其它時(shí)間費(fèi)用轉(zhuǎn)化為貨幣支出，使不同量綱的費(fèi)用支出得到了統(tǒng)一。這種成本和收益的分析和計(jì)算

4、為旅客列車開行方案優(yōu)化模型的建立奠定了基礎(chǔ)。2)多目標(biāo)規(guī)劃模型和初始方案生成算法通過對客運(yùn)專線相關(guān)旅客列車開行方案特點(diǎn)的研究，分析了鐵路客運(yùn)專線的相關(guān)收益及費(fèi)用，從鐵路運(yùn)輸企業(yè)和旅客兩方面的利益出發(fā)建立了客運(yùn)專線相關(guān)旅客列車開行方案的多目標(biāo)優(yōu)化模型。并根據(jù)“按流開車”的思想，提出了旅客列車開行方案生成的求解方法，包括列車開行數(shù)量判別式、列車吸流原則、確定列車類別的動態(tài)規(guī)劃等。該項(xiàng)研究已在鄭州至西安、武漢至廣州的客運(yùn)專線預(yù)可行性研究中得到了成功的應(yīng)用，求解路網(wǎng)規(guī)模為60個(gè)車站的旅客列車開行方案僅需100秒左右時(shí)間。3）換乘網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造和鐵路客流分配方法的研究鐵路企業(yè)針對旅客出行的各種需求制定的旅客列

5、車開行方案，還應(yīng)考慮到開行方案的實(shí)現(xiàn)情況旅客對列車的選擇行為。通過對旅客對換乘方案選擇行為的分析，將其歸結(jié)為多類用戶的平衡分配問題。對于運(yùn)輸企業(yè)制定的旅客列車開行方案，旅客根據(jù)自己的意愿，對出行換乘方案進(jìn)行選擇。在考慮擁擠費(fèi)用的情況下，最終達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)。不同消費(fèi)層次的客流在換乘網(wǎng)絡(luò)上的分配問題，可以歸結(jié)為一個(gè)多類用戶（消費(fèi)層次）的用戶平衡交通分配問題。在既有研究成果的基礎(chǔ)上，對鐵路旅客換乘網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造、評價(jià)進(jìn)行了系統(tǒng)探討，設(shè)計(jì)了基于開行方案和停站方案的換乘網(wǎng)絡(luò)，充分考慮旅客換乘過程中的時(shí)間、貨幣支出、擁擠等精神消耗，對網(wǎng)絡(luò)上阻抗進(jìn)行了詳細(xì)討論，給出了該網(wǎng)絡(luò)上客流分配模型，設(shè)計(jì)了相應(yīng)算法。我們

6、采用效率較高的一種路徑配流方法一梯度射影算法（GP）算法，采用逐步增加路徑的方式，取得了較好的運(yùn)算效率?！奥每蛽Q乘網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)”奠定了旅客換乘方案選擇的基礎(chǔ)。對換乘網(wǎng)絡(luò)及其客流出行阻抗的確定，鐵路旅客客流分配模型和算法探討，形成了系統(tǒng)的鐵路客流分配方法。4）建立了旅客列車開行方案的評價(jià)指標(biāo)體系在旅客運(yùn)輸現(xiàn)行運(yùn)營組織評價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，針對鐵路運(yùn)輸?shù)奶厥鈱傩院土熊囬_行方案具體要求，對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了整合與補(bǔ)充，建立了旅客列車開行方案評價(jià)指標(biāo)體系，較全面涵蓋了開行方案的各方面評價(jià)要求。由于評價(jià)指標(biāo)的相互替代性和相關(guān)性，使用聚類分析方法合理簡化了指標(biāo)體系的規(guī)模。對開行方案評價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行主成分分析，使其

7、更具有可操作性。開行方案的評價(jià)指標(biāo)體系是評價(jià)和優(yōu)化開行方案的基礎(chǔ)。該評價(jià)體系可以用于評價(jià)列車開行方案的運(yùn)營我果，特別是用于列車開行方案的生成和優(yōu)化。5）系統(tǒng)的客運(yùn)專線旅客列車開行方案優(yōu)化模型和求解方法將列車開行方案與旅客換乘方案結(jié)合起來，建立綜合優(yōu)化旅客列車開行方案的雙層規(guī)劃模型。開行方案優(yōu)化問題的雙層規(guī)劃模型綜合考慮了旅客和鐵路企業(yè)的利益，客流分配反映了鐵路開行方案的運(yùn)營特征。這種嶄新的建模思想具有十分明顯的先進(jìn)性和合理性。通過抽象歸納鐵路企業(yè)制定開行方案的豐富經(jīng)驗(yàn)和利用鄰域搜索優(yōu)化方法，將開行方案的研究與客運(yùn)徑路確定、旅客列車換乘網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、旅客換乘的客流分配問題，旅客列車停站優(yōu)化、旅客列車開行方案的評價(jià)指標(biāo)分析等一系列相關(guān)子問題結(jié)合起來，建立了以模擬退火求解算法為基礎(chǔ)的求解算法，具有運(yùn)算速度快、優(yōu)化效率高的特點(diǎn)。這種優(yōu)化方法全面反映了開行方案的本質(zhì)特征，體現(xiàn)了旅客列車開行方案的內(nèi)在規(guī)律。6)客運(yùn)專線旅客列車開行方案優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)在客運(yùn)專線旅客列車開行方案優(yōu)化理論研究的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析了設(shè)計(jì)要求、功能需求、數(shù)據(jù)組織和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，完成相關(guān)軟件的編制，能夠方便快捷地解決路網(wǎng)上大規(guī)模的旅客列車開行方案優(yōu)化問題。并已在多條客運(yùn)專線預(yù)可行性研究中得到了成功的應(yīng)用，取得了良好的效果。本文的客運(yùn)專線相關(guān)旅客列車開行方案的優(yōu)化理論研究為高速鐵路和客運(yùn)專線建設(shè)的旅客運(yùn)輸組織、經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)提