動(dòng)車組交路計(jì)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)及算法研究

動(dòng)車組交路計(jì)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)及算法研究

在鐵路專業(yè)運(yùn)營的基礎(chǔ)設(shè)備投資中，購買和維護(hù)列車的成本承擔(dān)了很大一部分。提高動(dòng)車組的使用效率可以減少其使用數(shù)量,因此動(dòng)車組交路計(jì)劃的編制質(zhì)量直接影響動(dòng)車組的使用效率和數(shù)量,也對(duì)客運(yùn)專線的運(yùn)營效益產(chǎn)生影響。1混合動(dòng)力車輛運(yùn)輸規(guī)劃1.1動(dòng)車組交路計(jì)劃編制動(dòng)車組交路計(jì)劃是客運(yùn)專線的基本運(yùn)營計(jì)劃之一,是運(yùn)輸計(jì)劃編制部門根據(jù)鐵道部下達(dá)的列車運(yùn)行計(jì)劃、動(dòng)車組檢修修程的有關(guān)規(guī)定,以及檢修基地布局、線路、設(shè)備等情況,結(jié)合不同時(shí)期的客運(yùn)市場(chǎng)需求而編制的交路計(jì)劃。動(dòng)車組交路計(jì)劃應(yīng)對(duì)動(dòng)車組的運(yùn)用時(shí)間、車站、擔(dān)當(dāng)列車、運(yùn)行徑路等做出具體安排。動(dòng)車組交路計(jì)劃有效組織動(dòng)車組運(yùn)營,實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組的合理周轉(zhuǎn),是列車運(yùn)行計(jì)劃的重要保證,也是編制車輛分配計(jì)劃和乘務(wù)計(jì)劃的重要依據(jù)。1.2針對(duì)三組交通計(jì)劃的限制(1)列車連接計(jì)劃(3)總線的使用模式(4)檢修模式和檢修系統(tǒng)選擇接續(xù)動(dòng)車組時(shí)要考慮以上檢修約束,擔(dān)當(dāng)運(yùn)輸任務(wù)的動(dòng)車組必須是檢修完畢并保證在任務(wù)完成前不會(huì)達(dá)到檢修公里數(shù)的技術(shù)狀態(tài)良好的動(dòng)車組。(5)循環(huán)操作的限制(6)有限區(qū)域(7)對(duì)特定客運(yùn)線路的限制(8)對(duì)異車軌道的適當(dāng)限制(9)有限的車輛范圍(10)商用車的基本容量受到限制(11)彈性需求的限制1.3動(dòng)車組均衡度指標(biāo)動(dòng)車組交路計(jì)劃的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括動(dòng)車組使用數(shù)量、各動(dòng)車組均衡度(運(yùn)行里程、運(yùn)用時(shí)間、運(yùn)行線數(shù)量、接續(xù)時(shí)間等)、總接續(xù)時(shí)間、回送次數(shù)和回送里程、定期檢修和日常檢修次數(shù)等。2模型和算法2.1車站k接回車時(shí)間假設(shè)在K站各種動(dòng)車組的類型為DCZ.xh[i][k];圖定擔(dān)當(dāng)此運(yùn)輸任務(wù)的動(dòng)車組類型為TD.xh[j][k];各種動(dòng)車組的歸屬為DCZ.gs[i][k];圖定動(dòng)車組歸屬為TD.gs[j][k];各動(dòng)車組的運(yùn)用范圍為DCZ.yyfw[i][k];圖定擔(dān)當(dāng)任務(wù)的動(dòng)車組運(yùn)用范圍為TD.yyfw[j][k];動(dòng)車組i的累計(jì)運(yùn)行公里數(shù)為DCZ.yxgl[i];動(dòng)車組到達(dá)車站K的時(shí)刻為DCZ.ddsk[i][k];接續(xù)動(dòng)車組從車站K的始發(fā)時(shí)刻為DCZ.sfsk[i][k];K站存車為ZDCC[k];K站容量為ZDRL[k];K站保有量為ZDBYL[k];在K站列車立折所需要的基本作業(yè)時(shí)間為TZ1k,日常檢修所需時(shí)間為TZ2k,一級(jí)維修所需時(shí)間為TZ3k。約束條件:DCZ.xh[i][k]=TD.xh[j][k]⑴如果DCZ.sfsk[i][k]>DCZ.ddsk[i][k]如果DCZ.sfsk[i][k]≤DCZ.ddsk[i][k]則:DCZ.sfsk[i][k]+1440-DCZ.ddsk[i][k]≥TZ2k如果DCZ.sfsk[i][k]>DCZ.ddsk[i][k]如果DCZ.sfsk[i][k]≤DCZ.ddsk[i][k]則:DCZ.sfsk[i][k]+1440-DCZ.ddsk[i][k]≥TZ3k如果DCZ.sfsk[i][k]>DCZ.ddsk[i][k]式中:i,j=1,2,…,m;k=1,2,…,n。其中i、j為動(dòng)車組類型;m為動(dòng)車組類型總數(shù);k為車站編號(hào);n為車站總數(shù)。2.2問題的劃優(yōu)及模型的建立由交路計(jì)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)可知,這是一個(gè)多目標(biāo)規(guī)劃優(yōu)化問題,根據(jù)各目標(biāo)建立模型。(1)動(dòng)車組周轉(zhuǎn)接續(xù)停留時(shí)間總和最小。定義決策變量:接續(xù)時(shí)間:(2)動(dòng)車組運(yùn)用的均衡程度。2.3求解思路與求解步驟目前對(duì)多目標(biāo)問題的處理有兩種方式:一個(gè)是先根據(jù)某一目標(biāo)求解較好解,由于較好解不止一個(gè),這為其他優(yōu)化目標(biāo)的討論提供了條件,可在此基礎(chǔ)上追加目標(biāo);另一個(gè)是通過構(gòu)造評(píng)估函數(shù)或通過對(duì)目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)組合,將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)求解,這在解決數(shù)學(xué)規(guī)劃問題中經(jīng)常采用,但在加權(quán)值的選取中存在很大的主觀成分,不易準(zhǔn)確選取。另外,針對(duì)動(dòng)車組交路這一復(fù)雜的大規(guī)模NP組合問題,目標(biāo)函數(shù)存在非線性函數(shù),如采用加權(quán)組合,必將引入大量輔助變量和約束方程,算法求解難度很大,而且在動(dòng)車組運(yùn)用中存在許多不確定因素,編制人員希望能在較短時(shí)間內(nèi)得到一個(gè)基本符合要求的較好可行調(diào)度預(yù)案,在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行調(diào)整,生成最終的動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃。因此,本文的求解思路主要分為以下兩部分。(1)根據(jù)第一個(gè)目標(biāo)函數(shù):求出基于動(dòng)車組周轉(zhuǎn)接續(xù)停留時(shí)間總和最小的較優(yōu)解。(2)根據(jù)第二個(gè)目標(biāo)函數(shù):,將各交路中的交路段基于動(dòng)車組的檢修條件和動(dòng)車組運(yùn)用的均衡程度進(jìn)行調(diào)整,形成較優(yōu)的動(dòng)車組交路。在求解第一個(gè)目標(biāo)函數(shù)時(shí),本文選取復(fù)雜程度較低、滿意度較高的回溯啟發(fā)式算法。回溯啟發(fā)式搜索算法的基本思想是:為求得問題的解,先選擇某一種可能的情況向前搜索,在搜索的過程中,一旦發(fā)現(xiàn)原來的選擇是錯(cuò)誤的就返回去加以修改,反復(fù)進(jìn)行這種試探性的選擇與返回糾錯(cuò)的過程,直到找到問題的解或者得出問題無解的判斷為止。其主要步驟如下。步驟1:以0點(diǎn)為分界點(diǎn),從具有一級(jí)檢修條件的車站尋找最早始發(fā)的列車作為當(dāng)前交路的起始點(diǎn),由運(yùn)行線的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到終到車站和終到時(shí)刻,記錄此動(dòng)車組的運(yùn)行距離,根據(jù)檢修條件及其他約束條件在終到車站選擇滿足接續(xù)時(shí)間的最早始發(fā)運(yùn)行線。步驟2:由運(yùn)行線對(duì)應(yīng)關(guān)系得到下一個(gè)終到站和終到時(shí)刻,并將運(yùn)行距離累加,根據(jù)檢修條件及其他約束條件在終到車站選擇滿足接續(xù)時(shí)間的始發(fā)運(yùn)行線,如找不到滿足條件的接續(xù)列車,則退回上一個(gè)終到站選擇滿足接續(xù)時(shí)間的次早始發(fā)運(yùn)行線。步驟3:不斷循環(huán)以上步驟1、步驟2,直至每一列車運(yùn)行線都與動(dòng)車組相匹配。利用以上算法求出模型初始解,并利用基于交路段互換的思路得到較滿意的動(dòng)車組交路方案。主要是將所有交路的初始解按照利用率的高低放在一個(gè)集合中,根據(jù)運(yùn)用率差值成對(duì)匹配成組,將每組中在兩個(gè)交路中具有相同始發(fā)、終到站的交路段,如滿足接續(xù)要求和檢修條件便進(jìn)行互換,以減少同組中兩個(gè)交路的運(yùn)用率差值,均衡各交路動(dòng)車組的運(yùn)用;交路段互換完畢重新計(jì)算各交路運(yùn)用率,并重新分組互換,如此迭代,直到滿足一定的均衡條件或終止條件為止。2.4交路計(jì)劃周轉(zhuǎn)圖基于MicrosoftvisualC++6.0開發(fā)平臺(tái),采用VisualC++語言編程,選取武廣客運(yùn)專線數(shù)據(jù)對(duì)算法進(jìn)行測(cè)試。設(shè)兩個(gè)動(dòng)車段分別在武漢和新廣州,動(dòng)車組運(yùn)用所設(shè)在新郴州和新韶關(guān);動(dòng)車組日常檢修修程為3000km,作業(yè)時(shí)間為1.5小時(shí),一級(jí)修程為30000km,作業(yè)時(shí)間為4小時(shí);列車運(yùn)行圖為成對(duì)運(yùn)行圖(35對(duì)列車)。編制武漢—新廣州動(dòng)車組計(jì)劃周轉(zhuǎn)圖,將結(jié)果與人工編制結(jié)果的主要指標(biāo)進(jìn)行比較,如表1所示。動(dòng)車組交路計(jì)劃在編制過程中需要與有關(guān)運(yùn)輸管理部門密切配合,而且還受諸多不穩(wěn)定因素影響和限制。本文著重分析了動(dòng)車組交路的影響因素并在此基礎(chǔ)上,基于給定的列車運(yùn)行圖對(duì)交路編制的模型及算法進(jìn)行了初步分析,隨著客運(yùn)專線建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大,運(yùn)輸模型的不斷調(diào)整,動(dòng)車組交路計(jì)劃會(huì)面臨更多的問題,需不斷進(jìn)行深入研究。列車運(yùn)行計(jì)劃是客運(yùn)專線組織列車運(yùn)行的基礎(chǔ),是運(yùn)輸管理的關(guān)鍵依據(jù),各種計(jì)劃的編制都是在保證列車運(yùn)行圖現(xiàn)實(shí)可行的基礎(chǔ)上完成的,因此動(dòng)車組交路計(jì)劃首先要滿足基本列車運(yùn)行計(jì)劃,保證為運(yùn)行圖中的每一條運(yùn)行線都分配一列狀態(tài)良好的動(dòng)車組,而且列車的始發(fā)、終到時(shí)刻和始發(fā)、終到車站不能有任何變動(dòng)。如果對(duì)始發(fā)、終到時(shí)刻僅作微小變動(dòng)能夠明顯改善動(dòng)車組的使用效率,也可以提出調(diào)整基本列車運(yùn)行計(jì)劃的建議,但在調(diào)整之前必須服從已確定的列車運(yùn)行計(jì)劃。(2)動(dòng)車組交路計(jì)劃編制內(nèi)容在安排動(dòng)車組交路時(shí),要考慮動(dòng)車組的歸屬權(quán),不同歸屬權(quán)的動(dòng)車組不能套跑,以免造成動(dòng)車組管理的混亂。動(dòng)車組在選擇接續(xù)運(yùn)行線時(shí),要考慮動(dòng)車組的運(yùn)用模式,不少專家已對(duì)此進(jìn)行了深入研究,指出動(dòng)車組不固定使用可以提高效率、減少數(shù)量。在不固定使用方案中,有本線循環(huán)套跑模式、長短套跑模式和客運(yùn)專線間穿插模式,不同的模式?jīng)Q定了動(dòng)車組的運(yùn)用范圍。我國高速鐵路動(dòng)車組的檢修體制主要分為日常檢修和定期檢修兩大類,具體分為五級(jí)修程:大修(OR)、三級(jí)修(R3)、二級(jí)修(R2)、一級(jí)修(R1)和日常檢查(D1)。各級(jí)修程分別對(duì)應(yīng)著檢修周期走行公里數(shù)(走行3000km必須進(jìn)行日常檢修,累計(jì)走行27000~33000km必須進(jìn)行一級(jí)維修等),當(dāng)動(dòng)車組走行公里數(shù)達(dá)到檢修周期范圍時(shí),就必須進(jìn)行與之相對(duì)應(yīng)等級(jí)的檢修。日常檢修和定期檢修必須在規(guī)定的地點(diǎn)進(jìn)行,必須按規(guī)定的檢修周期進(jìn)行,必須保證檢修作業(yè)的時(shí)間要求,而且必須在規(guī)定的時(shí)間帶內(nèi)進(jìn)行(檢修基地的工作時(shí)間帶)。動(dòng)車組交路計(jì)劃是在全路動(dòng)車組數(shù)量固定不變的基礎(chǔ)上編制的,各交路段的始發(fā)和終到站不可能憑空產(chǎn)生或消失動(dòng)車組,全路的動(dòng)車組運(yùn)行是周期性的,即始發(fā)站動(dòng)車組來源于在此站終到的動(dòng)車組(包括回送動(dòng)車組)。對(duì)于動(dòng)車組交路中相鄰的兩個(gè)交路段,前一日交路段的最后終到站必須與后續(xù)日交路段的始發(fā)站一致;最后一個(gè)交路段的終到站必須與第一個(gè)交路段的始發(fā)站一致。當(dāng)動(dòng)車組運(yùn)行至終到站,選擇接續(xù)動(dòng)車組時(shí),只能在同一車站搜索符合條件的動(dòng)車組。在不成對(duì)列車運(yùn)行圖中,車站始發(fā)和終到的動(dòng)車組數(shù)量有可能不同,此時(shí)終到動(dòng)車組數(shù)量較多的車站要組織動(dòng)車組回送,滿足車站到發(fā)平衡的要求,除了交路段的地點(diǎn)約束還要滿足交路段的時(shí)間約束,即接續(xù)列車的始發(fā)時(shí)刻晚于前行列車的終到時(shí)刻,而且其時(shí)間差必須大于最小折返時(shí)間。客運(yùn)專線大體可以分為3種類型:列車速度在300km/h及以上的客運(yùn)專線、城際客運(yùn)專線、速度為200~250km/h的客貨共線運(yùn)行的客運(yùn)專線。不同的客運(yùn)專線其客流特點(diǎn)不同,對(duì)應(yīng)的動(dòng)車組交路計(jì)劃也有所不同。全路客運(yùn)專線規(guī)模龐大,所使用的動(dòng)車組類型繁多,接續(xù)動(dòng)車組要與圖定動(dòng)車組類型相同,包括種類、編組等,不同種類和編組的動(dòng)車組不得混用。為了滿足旅客需求,客運(yùn)專線與既有線要有良好銜接,我國的客運(yùn)專線均有跨線列車運(yùn)行;列車速度為300km/h的客運(yùn)專線,采用高、中速(200km/h)列車混跑方式;列車速度為200km/h的部分線路采用客貨共線運(yùn)行模式。因此編制動(dòng)車組交路計(jì)劃,確定交路的影響范圍時(shí),應(yīng)同時(shí)考慮本線列車與跨線列車。在各動(dòng)車基地停留的動(dòng)車組不能超過規(guī)定的數(shù)量;計(jì)劃中使用的動(dòng)車組不能超過規(guī)定的有效動(dòng)車組數(shù)量。在客流變化較大、列車運(yùn)行圖調(diào)整相對(duì)頻繁的主要站段,應(yīng)保有一定數(shù)量技術(shù)狀態(tài)良好的動(dòng)車組,使動(dòng)車組運(yùn)用具有一定的彈性,以滿足客流增加的需要或其他特殊需求。則:DCZ.sfsk[i][k]+1440-DCZ.ddsk[i][k]≥TZ1k則:DCZ.sfsk[i][k]-DCZ.ddsk[i][k]≥TZ1k則:DCZ.sfsk[i][k]-DCZ.ddsk[i][k]≥TZ2k則:DCZ.s