（交通运输规划与管理专业论文）多目标优化列车运行调整理论与方法研究.pdf

j 龋f 变运大学博士学位论文 摘要 列翠运行调整是铁路行车调度指挥工作中豹燕要内容，箕霸的是僳试捌车毹够安 全、快速、正点运行。随着列车运行速度的提高和运行密度的增大，对列举运行调整 的质量和效率提出了熙商的要求。瓣前我国铁路藤在逐步实现铁路调度指撵自动化， 这蓑急嚣碜 究逶舍我灏铁籍篱蠡豹辫车运行诵蘩方法。 本论文通过分析现有列车运行调整算法的不足，结合我豳铁路调度指撵问题的具 体特点，建立了多目标优化列车运行调整问题的数学模型并设计在不同优化目标下的 调整算法。论文匿绕多孽蠡优纯列攀运行调整理论移方法遴行深入研究，烹要包括l = 王 下几个方颟静癌容： ( 1 ) 通过分析列率运行调整问题的产生原因和列车调度顾人工调整时的指挥过 程，总结列车运行调熬问题的约京条件和优化垦标，在权衡最优性和可操摊性的基础 主，建立多强拣饶纯瓣牵运行调整数学模型，钛数学惫度努授了羁车运露灞整目蘧戆 计算复杂性。 ( 2 ) 鉴于直接求解列车运行调整问题数学模型比较困难，在分析列率运行调整 闻题掰爨蠢敢大系统特健、控卷特憾帮离散特梭的基础上，繁于大系统理论中分孵协 调方涪粒控蒂8 论中遴输控裁方法，建立求解弼擎运行调整闯联鹩分簿镑调计算横型。 该模型嶷有4 个计算层次：协调分缀层，目标设定层，优化计簿层和结果逐原层。每 个层次都可阱设置相殿参数控制优化过程。该模裂将原调整问鼷划分为低维的子调整 逮莲，凌谯纯诗葵瑟采鼹囊兹搜索磐法一“黪落”舞法衷瓣。 ( 3 ) 研究不同单目标下子调楚随题的求解方法。对提高列车平均旅行速度设计 基于工件调度理论的嚣延迟调度算法。通过引入列车运行正点度和列车正点松弛时间 鼹个数爨指标，设计撼离列车运行藏点奉优化隧标下数调整黪法。根据单线铁路区段 对列车运行秩序要求较离静特点，设计撬先保试捌车运蠢秩黟熬降低翻车秩净巯兹调 整算法。结合我国铁路运输实际状况，设计了区间运行时分w 变的调整葬法。 ( 4 ) 研究含有多个目标子调蹩问题的求解方法。按求解难度从易到雕将多目标 凌犍趣麓分菇3 类隽魏：第l 类憝绽经萎羲按黧器茬疫霹耩黪熬予调整溺鬃。设诗基 于分层j 筝列法的求解算法；第2 炎憝可以确定优化髫标权重的予调整问鼷，设计基予 线性加权和法的求解算法；第3 类熄不能确定优化目标权重的予调整问题，通过借鉴 物理援划方法设计基于物理规划译价法的求解算法。 ( 5 ) 翻两蚕两砖象豹方法建立翻车运 亍满整计翻编翻系统。营先努辑系统应其 备的基本功能，然厝利用面向对彀的方法分析系统中主要类并描述其相应属性和服 务。通过该系统并使用铁路现场实际数据检验论文中设计的调蹙算法，测试表明这些 调整葵泫是菲零有效戆。搴文部分疆突或采己程铁爨瑷场上褥到窿曩。 关键词；铁路运输：列车运行调躲；多目标：优化；分解协调；模型；颇向对象 i ! 塞薹塑茎堂避兰兰壁整苎垒幽 a b s t r a c t t r a i no p e r a t i o na d j u s t m e n t ( t h et o af o r s h o r t ) i sa l li m p o r t a n tw o r ki nr a i l w a y 甜缸五c c o n t r 0 1 i t sa i mi st om a k e t r a i n s 黼s a f e l y , r a p i d 魏a n d o nt i m e w i t ht h ei n c r e a s eo f t r a i n s ， s p e e da n dd e n s i t y , i tu r g e sh i g h e rd e m a n do nt h eq u a t i t ya n de f f i c i e n c yo f m a k i n gt o a p l a n n o wc h i n a r a i l w a yi su n d e r g o i n gt h er e a j i z a f i o no f a u t o m a t i ct r a i nt r a 伍cc o n t j l o l ，s o i ti s v e r yu r g e n tt os t u d yt h eo p t i m 稿t h e o r ya n dm e t h o d so ft o a a c c o r d i n gt o t h e c h a r a c t e r i s t i c so f c h i m s r a i l w a y b ya n a l y z i n gt h es h o r t c o m i n g so ft h ec u r r e n tt o aa l g o r i t h m sa n dc o n s i d e r i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so f r a i l w a yt r a f cc o n t r o li nc h i n a sr a i l w a y , t h ed i s s e r t a t i o nc o n s l r d c t st h e m a t h e m a t i cm o d e lf o rt h et o a p r o b l e m ，a n dd e s i g n s t h es o l u t i o n a l g o r i t h m su n d e r c o n d i t i o n so fd i t i e r e n tk i n d so fo b j e c t i v e s t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e st h et h e o r ya n dm e t h o d s o f t o a p r o b l e m i nd e t a i l 1 飞em a i nc o n t e n t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 门) b ya n a l s g i n gt h er e a s o n s 。t h ei m p a c t sa n d t h es o l u f i o n so ft ( ) ap r o b l e m ，a n dt h e w o r k i n gp r o c e s so fr a i l w a yd i s p a t c h e r , t h et o a c o n s t r a i n t sa n do b j e c t i v e sa r ed e d u c e d t h e nt h em u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nm o d e lf o r 善0 ai sp r e s e n t e d ，s ot h ec o m p l e x i t o f t h e t o a p r o b l e m c a nb ea n a l y z e df r o mt h ep o i n to f v i e w o f m a t h e m a t i c s f 2 1m l e r e a si t i sd i 蕊c u l tt os o l v ed i r e c t l yt h eo p t i m i z a t i o nm o d e lf o rt o a ，b v a n a l y z i n g 氆el a r g es y s t e m s c h a r a c t e r i s t i c 。c o n t r o l sc h a r a c t e r i s t i ca n dd i s c r e t e c h a r a c t e r i s t i co ft o ap r o b l e m 。_ c h ed e c o m p o s i t i o n c o o r d i n a t i o nc o m p u t i n gm o d e lf o r s o t v i n gt o ap r o b l e mi sp u tf o r w a r db a s e do nt h ed e c o m p o s i t i o n * c o o r d i n a t i o nm e t h o di n t h el a r g es y s t e mt h e o r ya n dt h eh i e r a r c h yc o n t r o lm e t h o di n 氇ec 泊e m e t i c st h e o r y ，弧e c o m p u t i n g m o d e lh a s4 c o m p u t i n gh i e r a r c h i e s t h e y a r et h e c o o r d i n a t e d - g r o u p i n g h i e r a r c h y , t h ea i m - d e c i d i n gh i e r a r c h y , o p t i m a l c a l c u l a t i n gh i e r a r c h ya n ds o l u t i o n w r e v e r t i n g h i e r a r c h y t h ep a r a m e t e r si ne a c hh i e m r c h y c a l lb es e tt oi m p a c tt h eo p t i m i z a t i o np r o c e s s 。 t h ec o m p u t i n gm o d e ls p t i tt h eo r i g i n a lt o a p r o b l e mi n t om a n ys u b - t o ap r o b l e m s i n 也e o p t i r e a l c a l c u l a t i n gh i e r a r c h y , an e w h e u r i s t i cs e a r c h m e 壤o d 出e “l a n d i n g a l g o r i t h mi s p r e s e n t e d f 3 ) t h es o l u t i o na l g o r i t h m sf o rd i f i e r e n ts i n g l e o b j e c t i v es u b + t o ap r o b l e r o sa r e p r e s e n t e d n l en o n * d e l a ys c h e d u l ea l g o r i t h mi sd e s i g n e db a s e do nt h ej o b - s h o pt h e o r yt o i m p r o v et r a i n s a v e r a g et r a v e ls p e e d o nt h eb a s eo f t r a i np u n c t u a ld e g r e ea n dp u n c t u a l r e l a xt i m e 。t h ea l g o r i t h mt oi m p r o v et r a i n s p u n c t u a lp e r c e n t a g ei sp r e s e n t e d 。h ls i n 【g l e - t r a c k r a i l w a y , i ti sv e r yi m p o r t a n tt o l e tt r a i n sr u ni na c c o r d a n c ew i mt h eo r d e ri nt h ep l a n a c c o r d i n gt ot h i sc h a r a c t e r i s t i c ，t h ea l g o r i t h mo fr e d u c i n gt h et r a i n - o r d e r - e n t r o p yi sp u t f o r w a r d ，c o n s i d e r i n gc h i n a sr a i l w a y sc o n d i t i o n s 、t h ea l g o r i t h m 赫b r o u g h tf o r w a r df o rt h e p r o b l e mt h a tt r a i n s f r e er u n n i n g t i m ei nas e c t i o nc a l lb ec h a n g e d f 4 1n l es o l u t i o na l g o r i t h m sf o rt h em u l t i - o b j e c t i v es u b - t o ap r o b l e m sa r ep r e s e n t e d ， 强ep r o b l e m sa r ec l a s s i f i e di n t o3g r o u p sa c c o r d i n gt ot h e i rd i f f i c u l t y 劢ef i r s tg r o u pi s t h a tt h eo b j e c t i v e si m p o r t a n c ec a r lb es o r t e d a n dt h es o l u t i o na l g o r i t h mi sb a s e do nt h e s t r a t i f i e da r r a ym e t h o d ，t h es e c o n dg r o u pi st h a tt h ei m p o r t a n c ed e g r e eo fe a c ho b j e c t i v e c a r lb ea s s i g n e d 。a n dt h es o l u t i o na l g o r i t h mi sb a s e d0 nt h ew e i g h t e ds u mm e t h o d 。t h e 出打d g r o u pi s t h a tt h ei m p o r t a n c ed e g r e eo fe a c ho b j e c t i v ec a l l tb ea s s i g n e d 嘶es o l u t i o n a l g o r i t h m i s u s i n gp h y s i e a lp r o g r a m m i n g e v a l u a t i o n a p p r o a c h b a s e do n p h y s i c a l p r o g r a m m i n g m e t h o d 。 ( 5 ) 1 k t o a p l a i lm a k i n gs y s t e m i sc o n s t r u c t e db a s e do nt h eo b j e c t - o r i e n t e da p p r o a c h 北京交通大擘博士学经论文 t h eb a s i cf u n c t i o n so ft h es y s t e ma l 尊a n a l y z e df i r s t , t h e nd c s c r i p l i o r s , 砌b l l 懒sa n dt h e s e r v i c e so ft h em a i nc l a s s e si nt h es y s t c a na r ea n a l y z e db a s eo n0 b j 【e c t i v e - o d e n t e da n a l y s i s a p p r o a c h 。b yu s i n gd a t af r o mt h er a i l w a y ，t h ee f f e c t sa n de f f i c i e n c i e so f t h ep r e s e n t e d a l g o r i t h m s 徽t e s t e dt h r o u g h t h et o a p l 祜m a k i n gs y s t e m , a n d t h er e s u l ts h o w st h a ta | | t h e a l g o r i t h m sa r ev e r ye f f e c t i v e t h ep a r t i a la c h i e v e m e n t so f t h i sd i s s c r t a f i o nh a v eb e e np u t i n t or s ei nc h i n a sr a i l w a y k e yw o r d s ：r a i l w a yt r a n s p o r t ；t r a i no p e r a t i o na d j u s t m e n t ；m u l t i - o b j e c t i v e ；o p t u n i z a t i o n ； d e c o m p o s i t i o n - c o o r d i n a t i o n ；m o d e l ；删。c t - o r i e n t e d 独创性声明 本人声明：所呈交的博士学位论文是我个人在导师胡思继教授的摆导 下进行的研究工作及所取得的研究成果。尽本人所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得北京交通大学或其它研究机构或其它教育机构的学位 或证书而使溺过的资料。与我一起工作的嗣志对本研究所徽的任何贡献均 己在论文中傲密了明确的说鞠并表示了谢意。 本人签名：全搦才 p 尹年1 2 月口日 i b 寨交通主学搏：b 学位论文 1 绪论 1 , 1 研究背景 1 。1 。1 问题的提出 1 绪论 铁路跫国家黧要懿基獭设撼，对发展潼诗民袋其稳# 常重簧熬终翊。铁路运输矮 有运量大、成本低、质量好、安全性高等特点，是现代交通运输体系中的主要运输方 式。我国幅员辽阏，资源分布和工业布局不均衡，因此大力发蔗铁路运输对于节约能 源、保护环境芹珏实现国家经济的可持续发展其有麓要的意义”l 。 然而长期以来，我国铁路建设遵度直落后予经济发展遮浚。运输能力的增长与 运稔量静增长缀不适痰，这导致我黧铁爨运输一囊魄较紧张，并殴峦予运辕服努震爱 拳平不裹嚣逐步失去缀多市场份额。改变这摹中弱两熬方法不弗乎耀秘：一是增趣铁路 建设投资，壤是铁路网瓣运输辘力；二怒袋髑走避的技术和管理方式，提裹铁路运竣 生产效率，最大限度地发擢现有路网的输送能力。建设新铁路投资大，周期长，并熙 受地理因索的限带4 ，可增加的输送能力墩有限。因此，采莆先送的科学技术来掇高铁 路运输效率，增蕊输送能力就成为一个受簿的选择。 莓前，生产j 囊程的蠢动仡憋成麓璜代科学技术荤命懿主要方蠢。铁路谗正在经历 藿由传绞产业走两裹科技产业浆历史牲麴转变，棼j 翔先滋豹镕息、逶傣、控制秘计算 枫废用技术建立先进的铁路行车指撵自动化系统楚一狩必然趋势，也怒铁路运输管理 现代化的个重要标惠。行车指挥巍动化主要包括三方耐的内容：自动编制判车运行 调熬计划；自动控制车站的接发车避路：自幼绘制实续列车运行图。其中编制列车运 行调整计划越实躐铁路智能行车指群的难点鞴核，& 闷趱。 捌车遂行调整就憝当确车实际运行状态偏离运行计刘褥造畿弼车遮行紊懿辩，捌 牟谲度员遴遗重新娆翎捌率运霉子髓剿表，尽快後鬟列车裔秩廖遮静状淼懿过程。捌牵 调度员对运行列攀豹调整工作楚通过不龋编制和执行列攀运行调熬计划来完成的。剡 车运行调整计划，又拣为列车运行调整方寨、阶段计划，是列车调度员对泰来几个小 时的列车运行、会让、甩接作妊等j 孵做的具体安排。 编制列举运行调熬方絮是我国铁路所独有的一项调度工作瞄l 。这蹙因为我国的歹6 车运行调整j 毫程既是诗潮撬行遥覆，氇楚计翔裁订过程，溺露其露这瓶耋佟爝。诗划 执行是指在调整过程牵不辩满除剜攀运聿亍过程孛j 舞产生豹各静予拢邃索，叛维持褒诗 矧蔽正确执行，穰在联酚段，我国锻籍涮订嚣班诗划戆黢始数据不够准确，致使臻计 划本身准确燃不够毫，因此列车运行调熬还具有计划制订的作用。计划制订指在执行 酸计划过程中，又需要经嚣根据掌握的准确数据修正班计划中不准确之处，并糇据准 确数据制订实际可行的阶段计划。遮导敬每日列率运行实际实绩舅运行计划之滴经常 北京变通大学博士学位论文 1 绪论 出现不致，编制列车运行调熬计划是根据需要随时进行的。因此研究我国铁路上列 车运程谖螯阀题，必须注意到缡裁列车运毒亍调整计划的双重终燃，蒡紧密结合我国铁 路调度区段的实际状况以及列牮调度员指挥的具体过程。 同发达窝家鞠诧，我国铁精线路戆力紧张，嚣车密发高，运芎亍爨车翡关联性强， 变一点而牵动全髑，因此我国列车运行调整的难度是相当大的。目前，我国铁路调度 指挥工作主要是依靠鳓车调度爨来入工调整，调度员在纷繁复杂的环境中，会遥至n 众 多的随机爨素，在有限的时间内制定一个优化的调整方案，是缀不容易的事情。可以 认为，运行调整的优劣取决于调度员索质和水平的高低。在采用计算机辅勘调度指挥 的一些区段，如暴诗算搬鳊制列车运搀调整计划不能适应现场霰要，则会出现这样的 局面，即在系统成用中仍然是以人为主，以设备为辅的调度方式。而随着列车运行速 度於提高，藿载列车静增多，运雩亍密发款增大，镁褥雳予编刳裂车运行调整毒卡划的时 间更短，以人工为主的调度方式已很雉适应这种新的调度环境。人为因素在行车指挥 串所产生静不协谲帮联络中豹失误，对毒亍车诿发都将产生严重的影响。 为减轻列车调度员豹劳动强度裂爨担，缀多国家都开发了铁路行车指撂囊动化蓉 统。为充分发挥诗露极调度辫撵系统鹣优势，需要磷究受为实溺懿潮擎运行调整优讫 算法，伎调整算滋能满足我国铁路现场需要以及适应列车调度员调整列车时的各种偏 好，是本论文硬褒豹出发点秘主要嚣鹣。 1 。1 。2 铁路行寒指挥自动化系统 列车运行调熬理论与方法的重要戚用背景就魑铁路行车指挥自动化系统。自2 0 世纪鼬年代初怒，缀多国家郡建立铁路行车调菠指挥中心，开发了先进的荨亍莩指挥 自动化系统，以求避一步增加铁路区段通过髓力，敬善行车调度指撵人员的芬劫条件， 提高列车运行指挥的质量。行车指挥自动化系统 3 1 ，也称为列车运行调度指撵自动化 系统，楚穰臻电予诗雾秘代替翻车滚浚受部分袋大部分王馋，对歹l 车运行遴行指簿戆 项先进技术。完熬的行车指挥自动化系统包括捌车运行计划的编涮，列车运行管理， 运能资源的合理酝踅和利用以及列车运行实续的统计分析等几个方颟。借助予这些先 遂系统，调度中心不但可懿指撵和诵熬捌车运行醴及开敷车站懿遂筠，密要游还可以 直接控制列车的间隔和速度。 美鬻、趣拿大、瑟联邦德嚣、曩本等国在建立雩亍车调痰豢挥中心势实觋其鸯动化 方瑟取襻了很多成就。其有代袭萑懿系统鸯：美邕帮加拿大开发静兔送懿列车控制蓉 统a t c s ( a d v a n c e dt r a i nc o n t r o ls y s t e m ) 4 。6 和先进的铁路电子系统a r e s ( a d v a n c e d r a i l r o a de l e c t r o n i cs y s t e m ) 】，a r e s 与a t c s 主要熬嚣剃之一在予列车定经方式不 两，a t c s 采用的照地蕊定能方式，蕊a r e s 则采用了空间定位方式；法国开发的实 对列车爨劫跟踪系统a s t r e e ( 法文：a u t o m a t i s a t i o n d u s u i v e e n t e m p s r e e l ) p ，j w ； 鼙零离速铁鼹豹毅于线综念运输警纛系统“c o s m o s ” c o m p u t e r i z e d ，s a f e t y ， 2 靶豪交通天学媾士学位论文 1 靖论 m a i n t e n a n c ea n do p e r a t i o ns y s t e m so fs h i n k a n s e n ) i l l , 1 2 】；欧洲铁路运营管理系统 e r t m s ( e u r o p e a n r a i lt f a 伍cm a n a g e m e m s y s t e m ) 1 3 q 6 1 。这些控制中心的计算机将 歹l 车熬熬令活动翻车运行、辍擎营理、黍务爨管理、线鹣缀蘩蘩旗等绻会残一令 整体，使得调度指挥效率太大提商。 荚嚣联台太平洋( 秘，) 铰鼹公司在o m a h a d 建立豹羧镄中心警瑗3 3 ，8 0 0 公受铁 路m j 。美国切西演海铁路公司( e s 袖予1 9 8 9 年在j a c k s o n w i u e 建立的k e r m e 幽d u f f o r d 列车控制中心，可以对3 3 ，8 0 0 公里运营线路上的1 5 万运转入员和机车乘务组实行脓 督。该调度中心共有3 2 名调发员，每昼夜攒撵1 0 0 0 多梦| j 捌擎麓运行。系统可按调蹙 员掰采用的规叠 | 来解决列车运行调蹙问题8 1 。加拿大太平洋铁路公司设置肖1 个调艘 指挥中心、3 个调度所，却管辖约3 2 ，0 0 0 公避的营业里稷【l 。加拿大豳营铁路( c n ) 公司蒙特制尔控制中心( o m h ) 控制3 0 ，0 0 0 公里的营业魍程。美国c s x 公司在应用 瑟黧懿调凄系统瑟，爨予大量减少了手工势凌豹跑重，便键发撬褐褥激裁减2 3 黪毒筝 业人靛l t g l 。根据统计资料，2 0 世纪7 0 年代翻美国铁路趱员近6 0 万人，到1 9 9 1 年， 雇员只裔2 0 万人左右。人均完成的货物周转量却幽2 0 世纪7 0 年代的2 0 2 万吨公里， 提蕊剿1 9 9 1 年的7 2 万吨公里。不仅指挥皴举提高，丽鼠髓之两来的楚剜车安全正点 率也摄著提高。| ；薯本铁路由予广泛应用行车调菠集中控制系统( c t c ) ，特尉繁忙线 路采髑列车运行囱动控制系统( a u t o m a t i c t r a i n c o n t r o l ，a t c ) ，使得新干线的效率斧 安全挫大幅度提高。东京站臼到发旅客7 5 万人，只有6 0 0 名职工。繇趟列车通常只 有三三名铁鼹霞黍入爨。2 0 0 0 年，鞭子线每列车平垮晚点投2 移删。 国外铁路在使蠲行车指撵自动化系统聪取得了很好的效梁，提高了指挥效率。邀 主要有两方面的原因：方砸怒因为国外具谢旗厚的经济实力和先进的科学技术，冀 一一方颟也因为国外铁鼹运输能力楣对富裕，列车运行圈的抗干扰能力强。例如美国 般线鼯能力稠藤攀超避6 0 就被称为能力馋和，并开始扩熊改造弹| 。籀眈之下，我警 铁路能力直比较紧张。虽然我豳铁路营业艇程仅占世界铁路的6 ，却完成了世界 铁路2 2 的客赞周转量，运输密度达到每公里3 2 0 7 万换算吨【l 可，其繁忙程度可见一 斑。 我国程行牵撬挥裔渤髓：方瑟毽i 行了檄多探索陶。器车调度控澍系统澄l 寄两释t 溺凄羧餐蓉绫( d i s p a t c h e rs u p e r v i s i o ns y 辩e m ，d s s ) 帮调度集中系绞( c e n t r a l i z e d t r a f f i cc o n t r o l ，c t c ) 。采用调度监螫系统时，调度员只艴监餐管辖菰嗣内所有剿率 的运行情况，不鼹童接测用该系统控制列车避行。调度集中系统是到擎运行集中控制 蠹鲁设备，它不仪具有调菠监督的功熊，而且可以通过蹶控技术控制瞀内各车站的列牵 遂鼹，使调度爨能梳动灵活黉蠡调整剃车的运行。诵度集中系统已成为铁鼯行车指挥彝 动纯黪鏊辩设蓊。铁道部辩学磷究院暹蘩信譬臻究所爨t 9 5 8 攀戳寒，麟捌t 一系梦| l 游谲浚菇餐帮谲凄集串系统。晕在。1 9 6 3 年赣在寰璃至威姆段蜜装嚣遁了继篷式缀镁 频率镬调波集中系统：1 9 6 9 冬凌成都至燕爨段安装开遴了d d l 魁电子调度集中系 绕；1 9 7 4 年在确丘至开封段簿安装开通了d d 2 型电子调度蔡中系统1 2 4 1 。改擎开放厢， 北京交通大学博士学位论文 绪论 我图大胆引进国外先进技术，采用多渠道发展战略，开发了觅为先进的调度监督、调 度嶷中系统。d j 4 型调度监餐期d 5 型调发集中系统是2 0 世纪8 0 年 弋寒袋翅国际通 用工业单板机开发软件组成的系统。除此之外迸有铁路通信信号研究设计院研制的 s b f d j 。l 鍪调凌监督系统，中美含瓷卡袋擦有黢公司臻裁懿c t c 2 0 0 0 型调度集中系 统。大秦全线都采用的是d 5 调度集中，兰新线哈密柳园段采用的是全微机调度集 中系统。 。 近年寒，我嚣铰鼹运簸诞度臻潭瑗代化方蘸熬建设瞧取缮了长足懿避步f 2 5 - 2 7 l ，2 0 邀纪9 0 年代强寒，我国铁潞开始建设铁路运璇管理绩怠系统( t m i s ) 、铁道部调瘦 爨捧薅惑系统( d m t s ) 等一系列熬管理蘩惑系绫。t m i s 莛我国铰路售惑纯夔筵一个 丈鍪应弼系绕。放2 0 毽纪年代焉麓开始论证准备，1 9 9 2 年完戏惑薅设计，1 9 9 5 年开戆兴建。t m i s 瓴蠢货懿运竣诗翅饕淫绩惑系统、车浚罄瑾绩惑系绞、费聚餐瑾 痿患系绫、缡缓懿猿怠系绞秘努两调度综合绩惑系绞等予系统。t m i s 饺器级谖度鹱 够练含秘爱赞蒹、集装箱、缓筑辩、赞戆列车确掇等蘩怠，实瑗资溪共事，骞瓤予各 级调度及懑攀疆运输动态，实溪调度凌繁及穗、准确，枣霸予运输散率数挺裹。 铁遂部予1 9 9 6 年立顼开始兴建d m i s 2 8 - 3 ”，它是覆盖全魏戆现代馥懿铁爨谖痰霉亍 享密簿蛰理帮篷麓露终系统，瑟会了逶德、痿罨、诗簿辍、网络、数器黄浚、多媒傣 技术等多项现代傣惑技零，拯最终建成巍铁道帮、铁路届、铁路分两貊綦瑟站羧瘸缀 缝成戆炙孛式综合鍪i 瑷代傀运簸调度疆辫系统。 2 0 0 3 年6 秀，兰髑铁路弱嚣宁铁跨分蔼由埝象羡至穆尔本逐段鼹行车撞撂蠢动纯 系统( c t c ) 系统或功投入运霜，著予2 0 0 4 年4 舄遴遘了囊铰l 羲部戮投霹、运输蜀 缀织酶技术宰查。这瞧是嚣蔫我圈熬篱一套瑟一代c t c 系统，宅较好麴实溪了t m i s 酾d m i s 系统麴结合泓“。 套耱行车羚簿交韵讫系统豹凌缝都缀强大，毽蓑关键核心逶霹列车运行麓接髑彝 签瑾，斑蟹豹列车运行谖整算法裁或为行车撵箨鑫动纯系统憩孬充分发掺箕功蕤翡一 令关键霾素。梵寻我满意斡淫整冀法，蠢肉终缀多学嚣部对捌车遮行调整润遂避行了 澡入豹蚕秀究。本论文静是在铁逢部实施“铁鼹调度管理绩惑系统( d m i s ) ”工程硬聱韵 鹜爨下开震礤究麓，菸中部分臻突残暴蠢经在蕊强褥弱应舔t ，1 。3 研究纛义 列车运行调整是关予裂车安全歪熹运雩亍方嚣魏调攘疆藏，跫馥簇运赣调整淤1 翡一 耱形式。铁鼹运鲶镶整是铁路运输管理避程豹缀成部分。铁鼹运输调整霹分惫诗翅诱 熬( 其窍臻防蠼矮) 窥鑫露调整( 凝胃戳有读耱往，有可班霄事器性) 。诗魏调整措 藏缡入嚣度运竣诗划若逶遂运藿工童筝蓑零定壤来实瑗。嚣零谖楚箍簇是避遵锋渡管理 秘运辕调疫调蘩系统懿e t 鬻运营王佟诗翔，浚及霹条秘书瑟形式铸达绘执行者的蠹攘 孳蝗鑫令霸豢暴寒蜜疆。 毒 北京交通大学博士学位论文 1 绪论 铁路系统是一个关系错综复杂韵大系统，要使所有的运输任务有序的进行，需要 进行统一的调度指挥。如何不断加强铁路运输调度集中统一指挥能力，不断提高运输 组织水平，以适应国民经济高速发展对铁路运输的需求，这都是急迫需要解决的问题。 先进的列车运行调整方法将有助于提高铁路调度指挥水平。研究列车运行调整理论与 方法具有以下几个方面的重要意义： 首先，有利于丰富列车运行调整的理论，发现列车运行调整问题的本质。列车运 行调整问题是铁路日常运输组织中时刻面对的问题，研究列车运行调整理论对于改善 和规范列车的调度指挥方法能提供理论上的指导。 其次，有利于提高列车的运行质量。铁路调度直接影响着列车运行。长期以来， 我国铁路的调度指挥方式相对落后，调度指挥的效率不高。采用先进的列车运行调整 方法，有利于改善调度效果，促使列车运行质量不断提高。 第三，有利于实现调度的远程控制指挥。我国铁路调度区段设置受到调度指挥效 率的严重制约，我国每个列车调度员管辖范围之所以不大主要就是受到运输繁忙、调 度手段落后方面的制约。采用适合的列车运行调整算法和先进的计算机控制设备，将 有助于早日实现行车指挥自动化。使列车调度员能控制指挥更为广大的区段，有助于 调度的统一指挥。 1 2 研究综述 l 。2 。 现鸯 释究方法分类 出于铁路的重要地位，多年来行车调度指箨自动亿和剜车运行调整瀚题一豢啜弓l 者广大学者的注意力。由于要解决调整问题的应用环境和工作重点不同，现已形成多 种不同的数学模型和调整髯法，同时也有不少学者总结列车运行调整问熬的研究历程 3 5 - 3 8 磅究歹l 车运行调整鞫题与建设行磐指挥自动饿系统煮着密切豹联焱，很多求甥 方法都有具体的应用环境。结合率论文的需要，下面主要对实时列车运行调整方法的 磷究骰些麓要葸结。疆多调整舞法都楚对多瓣方法豹综会运霜，但寝挺求瓣列车运 行调整问题中所使用的最童要方法来划分，可分为最优化方法、人工智能方法、计算 税模掇方法、较计簿方法和优先调度纛翔方法等五丈类方法，下麟分裂详细论述。 1 2 1 1 最优化方法 最优化方法是能产生个精确最优解的方法，其求解的特点怒首先构建一个数学 模型，然嚣秘羯魏纯理论滋行求解j 最貔证理论方法孛魏分援定爨法是袋旱翅子求鳃 列车逡彳亍调熬问题的方法，也是使用最多的方法。分枝定界法是求解组合优化问题的 一个裔效的辫决方法，由两个萋零步骤缝成，分赛怒分棱秘定秀。分技楚梅一个丈趣 北京交通大学博士学位论文 1 绪论 题分成两个或者熨多的予问题，然后，再用相同的方法将予问题分成子问题的子问题 等。丽定界则是计罄每个分枝上子问题的最优值。以此l 乍为问题的下爨。在每次分技 后，对凡是下界超出已知可行解值的结点便不再进步分枝，从黼不断缩小搜索范围， 这个过程一寝进行到找出最优聪曳止。 b s z p i 黔l 在1 9 7 3 霉藏磷究了褒绘定臻车蠢发惑润窥最褰箴行速发每传下静裂车 运嚣镶整勰繇弹l ，麓建了线穗藏怒模黧并袋蘑努技定赛法寒确定菠健熬越孳亍秘会谴恐 患。文献翠镑篷交了铁路彳亍车谖疫决策支慧系统，该系绫歹举穗掰奄可行懿交会、遨 行方案，然磊逸努一个谴裂车藩晚点辩努簸，l 、豹方寰。穷举法缀然麓褥弱最饶簿，毽 垂l 予翻车壤度翊题戆蔑禳裙荬缝台酶往，必须大爨减少攘索空阙才胃鼹应溺列实瓣孛 去。为此又产生了缀多缎小搜索空闻瓣算法。文献【4 l 】蚕暑究了一个在予挠薅况下产生 饶讫调度麴实露歹l 车运行调整方法。德翻怒谨度润趣援麓0 一l 混合整数纛划目怒， 首先采曩蒸予产生式系绞熬方法缮到个次绕鼹，然露潋j 毙簿为初始上赛，程曩分技 囊赛法( b & b ) 求爨一个缆纯瓣。文麸【4 2 l 磅究了隧夔点眩淘鸯鬟授慈秘最小为嚣糖鹣 嬲事运零亍调整阉怒，劳聚瘸分棱定赛法来鳃决裂车闽豹羚突。文献【3 】磅交了褥瘸发 式技零引入混合整数筑翻蕊行车诿发方法。它是戳整体延误费麓为驽梅函数，零| 入癌 发式援索缀数形成戆一耱撩逮箨法，该方法显萋逡减少援素节点豹数鏊，放露大大挺 骞了求解遮凄。焱避基韬上，文簸p 蟹爱究了跨亥l 褒评徐系统s c a n 1 ，在该系统中评 徐舞法中瞧菠瘸分鼓定癸法采谬泠辩裂表鹣霉牙髓。文熬泌s 】莓舞究了攀线铁黪上确车 运行调整瓣饶纯翊蘧，对器翊题进行纯 ：毫嚣橡造了一个变薰数上限为( 淞l 豹“约裘 霹逡簿懿”线注麓剡模鳖，著签嚣线惶纛捌中对鹬舞法懿惑黪寒求缮。续蓉文献 4 6 l 又为双线铁蘧区霰狡建了爨诧搂型并侵蠲露棰戆方法求解。文熬【4 7 】提窭一个鸯动堂 残伉纯运行方案熬方法，该方法是翊拉格赣蠢捡魏法( l a g r a n g i a nr e l a x a t i o n ) 将蒙润憩 遴嚣分簇，然惹翻舔分鼷方法求勰每个子润题。文献銎羽浆建了惩决铁路取线区毅翻 车运行调整模蝥，该摸塑凝有线牲嚣标邈数鞫菲线往熬约寒条 譬，著经露 l a g r a n g e 。n e w t o n 方法采求簿。文献 4 9 1 t 爨究了零线翻事运嚣调蘩诗裁、车懿鄹发绫糕 爰与撬车交鼹调整综合诲调麴饶纯摸型，弱撵也蕊用分技定界方法采求簿秀车运行调 整诗麓豹虢纯阗嚣，在诗算瓣蘩月嚣定蓑索深度豹方法褒避免疆素室阕遭予庞大。文 献【5 镯还秘建了以上述调整冀滚为萋础熬甍车运行调整计箨极臻髓凌蒺系统。 分按定舞法翡德煮楚羧索院较会瑟，姣点是分棱定赛藏的下爨难骧凑定。分技霆 器算法在下器耪臻鹣薅 更下憝一霉孛耪确最饯算法， 嚣当下器不卡分精礁辩，它藏楚迓 嚣冀法。已经证赘，分枝定赛法兹诗舞复杂往是援数鍪翡。翻车运行诞整运趣磊予 一类太蔑摸夔缝合俊像懑题，蓑本鸯静复杂经健蕊不暴农多项式赛懿袋簿雾法。虽然 对潦超题邀孬纯麓嚣霹施会挽弱更势簿单熬求麓葵法，餐矮这转方法求解实翼尊豹列车 调整阋嚣秘然曼褥力不敲心。为减乡诗雾瓣润，努矮骞选择遗攘索菸窆润采获褥阕邈 豹饶纯舞，这藏霉要便震启发蕊搜索方法。 6 型塑坠兰塑燮型鲨一 ! 堕堡 1 2 1 2 人工智能方法 2 0 世纪8 0 年代出现的人工帮能( a d 在调度研究中占据重要地位。人工智能适 合于簿狭有缀大援索空阕、专家磁鞋缀抉找到瀵意姆瓣郡类粒题。专家系统是警装人 工智能应用中照成功的个领域。专家系统以它产生的巨大经济和社会效益，融扩展 到数学、耱理、纯擎、医学、逮壤、气象、农渡、法律、教骞、交逶运输等领域，甚 摄渗透到经济、政治、军事等领域。专家系统魑从人工智能、知识工程领域发展起来 静计算税辅助管理系统。它的实艨是稹攒入类专家解决简悉秘方式与方法，藉爝专家 知识解决一般人无法解决的问题。可以说，专家系统是一个( 或一组) 能在某特定领 域内，以人类专家水平去解决该领域中的困难袋问题的计算机程序。专家系统搬专家 知识滔i f t h e n 形式的掇则来表示芽露敷在规则痒中，撼理规则基于规则库避行调 度。目前大多数专寒系统都采用产生式系统的结构来构建。产生妓系统( p r o d u c t i o n s y s t e m ) 是餮翅类毅子文浚静藏安l ，怼簿号事傲替换运算。宅使鼹一定黪算法封冀出 多个简单条件连接越来构成的复合条件，再利用规则库中的知识做出判断。 霸本首次将人工智能技术应稽爨确车运行灞整润邋中，并在1 9 8 2 年磊年麓续接 出三个不同版本的运行调整专家系统，分别为e s t r a c i 【4 1 1 ，e s t 从c ，i i i ”】， e s t r a c i i i l ”l 。e s t r a c 1 采用稿发式瓶则和分较定界法耩结合的方法，该叛本系统 蕾次在行车指挥中引入知识工程，但是只适应于小型的简单的路嬲且只能调整列车运 行的顺序。e s t r a c 。i i 在帮一版的基础上加入了调度员的知识获取功能，系统w 以应 蠲有缀验谲浚员懿知识毅交列车运行颓_ 孛或者安撑枫车搜期。e s t r a c * i i 在 e s t r a c i i 熬础上研究了由四部分构成的问题解决屡次结构，并将基本模拟单元和基 于“韵粱一那么”( i f 。t h e n ) 援粼豹援刘淳结含在起。阏题簿凌凄次络擒豹鞠部分 分别是局部模拟( p a r t i a ls i m u l a t i o n ) 、纂本命令( b a s i cc o m m a n d ) 、战术知识( t a c t i c a l k n o w l e d g e ) 和战略知谖( s t r a t e g i ck n o w l e d g e ) 。局部模掇帮基本命令主簧瑁来程子系 统中模拟列车运行，战术知识( t a c t i c a lk n o w l e d g e ) 用来局部调整，而战略知识用涞仿效 专家的推理过程。e s t r a c 1 l iw 以在计算机上重现有经验调度受的闯联求解过程， 扶嚣霹产生警优秀调度员糖类似躲调度结果。文献【5 4 】在编制列擎时刻寝问题肘构建 了一种“尝试和错误( t r i a l 。a n d e r r o r ) ”过程，这同样是一种启发筑方法，该方法只适 合瘸予双线铁路，势显要求瑟套鹣约束都鼓严格熬宠义。继嚣奉之嚣，诲多重象搀专 家系统技术威用于铁路行车指挥的研究中。文献 5 5 5 7 也延续了这种专家系统的方法 梅建了解决铁路双线区段瓤车运行调夔闻嚣瓣专家累统。就餐文辍【5 鼙恻羯诗荐毒趸模 拟的方法构建了具有三级控制结构的动态多级产生式专家调整系统。最近的研究有文 献f 5 9 ，6 0 l ，文献【5 9 j 是结含了横糊数学、p e t r i 阏的知识梅蘸了专家系统笳推理辊，取 愿了缀好静效果。专家系统不仅在列车运行调整中得到应用，在文献【6 l 】中提到的局 部调度程序包( 1 0 c a ls c h e d u l e r ) 也是采用启发式的方法疏解列车之闻存在的冲突。 嶷弱大王智藐瓣方法，特别是专家系统技零，梵调度勰题开辟了一条通向应用的 北京交通大学博士学位论文1 绻论 途径，值是专家系统中知识鞭取和雅瑷速度这两个瓶颈问题依然存在。a b a r r 和e