（交通运输规划与管理专业论文）客运专线动车组运用计划优化研究.pdf

摘要 动车组运用计划是客运专线的基本运营计划之一，包括动车组的 运用时间、担当列车、始发终到车站、运行径路、各级检修等内容。 由于动车组购置费用和维修费用都较高，因此如何合理使用动车组， 减少动车组的使用数量，提高动车组的使用效率，对于客运专线运营 管理具有重要意义。目前我国客运专线运营管理和动车组运用尚处于 探索阶段，同时在动车组运用模式、管理模式、检修规程等方面与欧 洲、日本等高速铁路发达国家存在较大差异，因此不能完全照搬国外 动车组运用讨划编制方法，必须结合我国自身的特点对其进行研究。 本文首先对现有国内外关于编制动车组运用计划的研究成果进行 了系统总结，对动车组运用计划的含义和种类进行了概括，结合我国 客运专线的国情和路情分析了影响动车组运用计划编制的几个主要因 素。将动车组使用数量最少这一主要优化目标转化为运用网络上的总 接续费用最少，建立了动车组运用计划与维修计划的一体化优化模型。 该模型通过设置动车组接续变量和检修周期相关变量将运用计划和检 修计划进行整体优化，与其它优化方法相比更具合理性，更能反映实 际使用情况。并将优化模型转化为等价的求解模型，通过惩罚函数的 形式将一部分约束条件转化为目标函数的一部分，对模型进行了简化。 根据问题的特殊性，选用模拟退火算法，设计了基于三交换邻域结构 的模拟退火算法，针对某客运专线列车运行图，编制了动车组运用计 划，结果较为满意。 本文研究的动车组运用计划优化模型以及求解算法对于实际的动 车组运用计划编制具有一定的现实意义和理论价值。 关键词动车组运用计划，接续费用，等价求解模型，模拟退火算法 a b s t r a c t t h em o t o r7 r r a n s e t ss c h e d u l i n gi s a ni m p o r t a n tp a r to ft h eb a s i c o p e r a t i o np l a n n i n go ft h ed e d i c a t e dp a s s e n g e rt r a f n c1 i n e ，i ti sc o m p o s e do f t h eo p e r a t i o nt i m eo ft h et r a i n ，t h et r a i nn u m b e ro fe v e 巧m o t o rt r a i n s e t s ， t h ed e p a n u r ea n dt h ea r r i v a ls t a t i o n ，t h et r a i nr o u t e ，t h ev a r i o u sc l a s s e so f t h ei n s p e c t i o na n dr e p a i rf o rt r a i n sa n ds oo n b e c a u s eo ft h eh i g hb u y i n g c o s ta n dm a i n t e n a n c ec o s t s ，t h em o t o rt r a n - s e t ss c h e d u l i n ga i m sa tu s i n g t h et r a i nr a t i o n a l l yt or e d u c et h et o t a in u m b e ro ft h et r a i na n di m p r o v et h e t r a i nu s i n ge 伍c i e n c y ，a n da l s oi ti so fg r e a ts i g n m c a n c et ot h eo p e r a t i o n m a n a g e m e n to f t h ed e d i c a t e dp a s s e n g e rt r a 硒cl i n e r e c e n t l y ，t h eo p e r a t i o n m a n a g e m e n to ft h ed e d i c a t e dp a s s e n g e rt r a 衢cl i n ea n dt h eu s eo ft h e m o t o rt r a i n s e t so fo u rc o u n t i ya r es t il lp l a c e di nt h ee x p l o r i n gs t a g e ，a n d t h eo p e r a t i n gm o d eo ft h ed e d i c a t e dp a s s e n g e rt r a 伍cl i n e ，t h em a n a g e m e n t m o d e ，t h es t a t u so ft h er a i l w a yn e t w o r ka n dt h em a i n t e n a n c es p e c i f i c a t i o n o ft h em o t o rt r a i n s e t sa r ed i f f e r e n tf b mt h eo t h e rd e v e l o p e dc o u n t r i e s ，s o w ec a nn o tj u s ts i m p l yu s et h e i rm o d e sf o rr e f e r e n c e s oi ti so u 曲tt o c o m b i n ew i t ho u ro 、v na c t u a lf a c t st od or e s e a r c h w i t ht h ec o m p r e h e n s i v es u m m a r i z eo ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g n r e s e a r c hr e s u l t s ，t h et h e s i sg e n e 而li z e st h ed e f i n i t i o na n dt h e 妙p e so ft h e m o t o rt r a n s e t ss c h e d u l i n g ，a n a l y z e st h ek e yi n n u e n c i n gf a c t o r sb a s e db n o u rs p e c i a ln a t i o n a lc o n d i t i o n sa n ds p e c i a lr a i l w a yc o n d i t i o n s ，a n dt h e n d o e st h e 如r t h e rr e s e a r c ho nt h eb a s i so ft h eo p e r a t e dn e t w o r kw h i c h c o n s t m c t e db yt h ep r e d e c e s s o r s t h et h e s i st r a n s l a t e st h em i n i m u mu s i n g n u m b e ro ft h em o t o rt r a i n s e t si n t ot h em i n i m u mc o n n e c t i n gc o s t si nt h e m o t o rt r a i n - s e t s o p e r a t i o n a ln e t w o r k a n dt h e nt h ei n t e 鲈a t e do p t i m a l m o d e lw h i c hc o n c e m i n gt h eo p e r a t i o np l a n n i n ga n di n s p e c t i o np l a n n i n g h a sb e e ne s t a b l i s h e d i nt h ei n t e g r a t e do p t i m a lm o d e l ，b ys e t t i n gt h et r a i n c o n n e c t i n gv a r i a b l e a n dt h e i n s p e c t i o n a n dr e p a i r p e r i o d c o r r e l a t i v e s e q u e n c ev a r ia b l e ，i tu n i t e st h eo p e r a t i o np l a na n dt h ei n s p e c t i o na n dr e p a i r p l a nt o g e t h e r ，a n dw i t ht h i sc h a r a c t e r i s t i c ，t h i so p t i m a lm o d e lc a nr e f l e c t t h ea c t u a lu s a g ep a t t e m sb e t t e rt h a no t h e rm o d e l s t h e nt h eo p t i m a lm o d e l h a sb e e nt r a n s j a t e di n t ot h e e q u i v a l e n ts o l v i n gm o d e l ，b ys e t t i n gt h e p e n a l t yf u n c t i o na n dt r a n s l a t i n gp a n so ft h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n si n t ot h e o b je c tf u n c t i o n ，t h ee q u i v a l e n ts o l v i n gm o d e ls i m p l i6 e st h ei n t e g r a t e d m o d e l f i n a l l yt h et h e s i sp r o p o s e st h es i m u l a t e da n n e a l i n g ( s a ) a l g o r i t h m w h i c hi sb a s e do nt h e3 一( ，n e i g h b o r h o o ds t l l j c t u r ef o rs o l v i n ga na c t u a l p r o b l e m ，d r a w st h em o t o rt r a i n s e t ss c h e d u l i n gf o rt h et r a i nd i a g r a m ，a n d t h er e s u l tiss a t is f a c t o r y t h eo p t i m a lm o d e la n ds o l u t i o na l g o r i t i nt h i st h e s i sh a v ec e r t a i n r e a l i s ms i g n i n c a n c ea n dt h e o r yv a l u ef o ra c t u a lp r o b l e m k e yw o r d sm o t o rt r a i n s e t ss c h e d u l i n g ，c o n n e c t i o nc o s t s ，e q u i v a l e n t s o l v i n gm o d e l ，s i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h i t l l 硕+ 。位论文 第一章绪论 1 1 选题背景及研究意义 第一章绪论 铁路是我国重要的交通基础设施之一，铁路运输以其自身独有的特点在综合 运输体系中起着骨干作用，承担着绝大部分大宗物资和各类民生物资的运输任务， 是促进国家经济发展的大动脉。既有铁路经过6 次大提速，使得运输条件和技术 水平得到了相当大的提升，但是仍然不能适应国民经济和社会发展的需要，特别 是大中城市问的运输能力严重不足。修建客运专线成为我国铁路提速、扩能的重 要举措，且从世界铁路运输范围来看，修建新线或既有路网改建客运专线大力发 展高速客运已成为各国铁路发展的共同趋势。从2 0 世纪8 0 年代至今，我国社会 各界对修建高速客运专线的必要性和可行性做了大量而有力的论证，认为中国修 建高速客运专线是社会发展的需要，是促进我国工业发展，提高科技水平以及改 善我国交通运输落后面貌的重要手段。 1 9 9 4 年，我国第一条准高速铁路广州至深圳准高速铁路建成并投入运营， 其旅客列车速度为1 6 0 2 0 0 l ( 1 1 1 1 1 。不仅在技术上实现了质的飞跃，更主要的是通 过科研与试验、引进和开发，为建设我国高速铁路作好了前期准备，成为我国铁 路高速化的起点。2 0 0 3 年，我国第一条客运专线秦皇岛至沈阳客运专线建成并投 入运营，通过秦沈线的建设和运营实践，可以探索出适合中国国情的高速客运专 线的技术标准、施工方法、运营管理及维护等一系列经验。2 0 0 4 年初国务院常务 会议通过的中长期铁路网规划和2 0 0 8 年的调整规划，明确了中国铁路客运专 线网的发展蓝图，要求尽快在大中城市间发展客运专线，在人口稠密地区发展城 际客运专线铁路，加快形成覆盖我国主要城市的快速客运专线网，即到2 0 2 0 年将 建成1 2 万公里的客运专线，2 0 0 0 公里的城际客运线路，形成“四纵四横 铁路 快速通道以及三个城际快速客运系统( 如图1 1 所示) ，建成客运专线1 2 万公里 以上，构成我国高速铁路网的基本框架，以解决我国干线铁路运力不足和满足社 会经济发展的需要。其中“四纵四横”铁路快速通道1 1 1 分别为： ( 1 ) “四纵”客运专线 1 ) 北京一上海客运专线，贯通京津至长三角东部沿海经济发达地区； 2 ) 北京一武汉一广州一深圳客运专线，连接华北和华南地区； 3 ) 北京一沈阳一哈尔滨( 大连) 客运专线，连接东北和关内地区； 4 ) 杭州一宁波一福州一深圳沿海客运专线，连接长江、珠江三角洲和东南沿 海地区。 硕+ 学位论文 第一章绪论 ( 2 ) “四横”客运专线 1 ) 徐州一郑州一兰州客运专线，连接西北和华东地区； 2 ) 杭州一南昌一长沙客运专线，连接华中和华北地区； 3 ) 青岛一石家庄一太原客运专线，连接华北和华东地区； 4 ) 南京一武汉一重庆一成都客运专线，连接西南和华东地区。 其中已建成通车的客运专线有秦沈线、合武线、温福线、石太线。 铁道部决定，我国客运专线上运行的列车全部为动车组，所以动车组将会成 为承担客运专线运输任务的主体牵引模式。2 0 0 7 年4 月1 8 日，中国铁路实现了 第六次大提速，本次提速线路使用了时速2 0 0 k l l l 及以上的动车组( 如图1 1 中 虚线所示) 。既有铁路动车组的运用，为高速客运专线采用动车组运营的提供了宝 贵的运营经验。 图1 12 0 2 0 年快速铁路网示意图 我国的铁路运输积累了十分丰富的客货混跑线路的运输组织经验，关于机车 车辆周转运用方面的研究也较多【4 2 ，4 3 1 ，但客运专线刚刚起步，这方面的运输组织 经验几乎空白，动车组集机车和车辆装置于一身，使用时是成组使用不摘钩检修， 也有别于现有机车车辆的使用方式，因此也没有太多经验可以借鉴。虽然国外学 2 硕+ 。学位论文 第一章绪论 者对高速客运专线运输组织研究较多，并得出了许多宝贵的成果，动车组运用也 较早丌始研究，有许多成功的方法和模式，但我困实际情况有别于其他国家，主 要表现在路网规模大、主要城市之问距离长，客流结构和经济、人口分布也与其 他国家有较大差异，因此任何一个国家的高速列车开行模式都无法完全适应我国 的国情和路情。 既有线主要干线改造后丌行2 0 0 k m 及以上的动车组，其运用计划采用传统 的人工勾画编制方式为主，如第六次提速图的京沪、京广、京哈、胶济、陇海等 主要干线动车组运用计划的编制。动车组运用计划随列车运行计划不断变更，采 用人工编制时重复耗费了大量的人力和物力，并且效率低、重复劳动多。作为完 成运输任务的基础设施之一，动车组的造价非常昂贵、检修基地的设备和技术需 要高度集中化，因此，动车组的运用与传统方式相比存在很大不同。如何在完成 既定的运输任务下，减少动车组在站停留时间，在确保运行安全的前提下减少动 车组的检修次数，从而提高动车组的使用效率。 1 2 论文主要的研究内容和结构安排 本文在第一章对动车组运用计划的应用背景和研究意义作了简要的介绍。首 先动车组运用计划是客运专线运输组织的基本计划之一，由于动车组购置费用昂 贵，在客运专线的固定资产投资中占较高比重，因此，如何合理运用有限的车辆 来完成规定的运输任务是一个值得研究的理论和实际问题；其次，由于我国客运 专线尚处于建设阶段，并且实际情况与其他国家有较大差别，因此研究符合我国 国情和路情的运用计划是十分必要和迫切的。 第二章首先对动车组运用计划的含义进行了阐述，然后根据运用方式的不同 对各种运用计划进行了分类，并讨论了各种类型运用计划的优缺点，最后介绍了 国内外对于该问题的研究现状和研究成果。 第三章详细分析了对动车组运用计划编制产生影响的主要因素，主要包括： 客运专线运输组织模式、动车组运用方式、动车组的管理模式、动车组的维修体 制与检修方式、客运专线天窗开设、客运专线列车运行图等。 第四章首先针对国内动车组研究的现状分析了现有动车组运用计划的模拟模 型和数学模型，讨论了不同模型的优点和存在的不足之处。其次对各种参数进行 了定义，并结合实际情况构造了本文的动车组运用计划的数学优化模型。为便于 模型的求解，在数学模型的基础上构建了等价的求解模型。 第五章主要介绍求解算法。首先是算法的比较和选择，针对问题的实际情况 和特殊性，本文选择模拟退火算法；其次针对实际的线路和运行图进行了算法的 实现和运用计划的编制。 硕十学位论文 第一章绪论 第六章对本文所做的研究工作和所取得的研究结果进行简要的归纳和总结， 并提出了今后需要进一步深入研究的问题和方向。 4 硕士学位论文第一二章动车纽运州计划问题概述 第二章动车组运用计划问题概述 动车组运用计划作为基本运输计划之一，其编制受列车运行计划、线路状况 及动车组运用与管理方式等诸多因素影响。客运专线动车组运用在我国处于研究 阶段，尚未制定明确的运用和管理体制。国外对动车组运用己经形成较成熟的理 论和实践经验，但是我国的客流现状、地理环境特征以及列车开行密度等与国外 实际情况存在较大差异，简单地照搬国外高速动车组使用的运用方式、使用管理 模式和检修体制，不能适应我国客运专线运输的需要，不能更好的发挥高速动车 组的作用，不能提高动车组的运用效率。因此需要结合我国客运专线运输特点， 编制适应国情和路情需要的动车组运用计划。 2 1 动车组运用计划的含义 列车运行图是列车开行的综合计划，它规定了各次列车的始发、终到车站和 始发、终到时间；而这些运输任务都必须由具体的动车组来实现。动车组运用计 划是客运专线运输组织的基本计划之一，是动车组运用和维修的综合计划，也就 是根据给定的列车运行图、有关动车组检修修程的法律规定以及检修基地条件等， 对动车组在什么时刻、哪个车站、担当哪次列车，在什么时间、什么地点、进行 哪种类型的检修等作出具体安排，以确保运用状态良好的动车组能够实现列车运 行图。 下面以简单例子来说明动车组运用计划的含义，如图2 1 为客运专线列车运 行图，规定动车组只能在车站a 进行检修。 a b c d 图2 1 客运专线列车运行图 硕十学何论文 第二章动乍组运用计划问题概述 交路段l ：a d 1 d d 6a d 5 c 交路段2 ：c d 4 a ( 检修) 交路段3 ：a d 3 b ( 1 ) c d 7 d d 8 c ( 2 )b d 2 a 图2 2 动车组运用计划示意图 为便于说明，此处引入动车组运用交路段和交路来描述动车组运用计划。动 车组交路段是指将某些运行线按照接续标准形成一个动车组一天的运用内容( 包 括检修) 。动车组运用交路是由一个或以上可用交路段按照接续规则满足定检和定 修要求，连接形成一个动车组若干个检修周期内的运用内容。图2 2 中每一行称 为一个交路段，它规定了一个动车组一天的运用内容，即动车组在什么时刻、在 哪个车站、担当哪次列车；在什么时f h j 、什么地点、进行哪种类型的检修安排等。 动车组运行过程：首先在a 站通过d l 运行线到达d 站，在d 站担当d 6 次运行 线到达a 站，从a 站担当列车d 5 次到达c 站，停留过夜；第二天从c 站担当 d 4 次运行线到达a 站，进行检修；第三天从a 站担当d 3 次运行线到达b 站， 通过空车调度( 1 ) 到达c 站，从c 站担当d 7 次运行线到达d 站，从d 站担当 d 8 次到达c 站，通过空车调度( 2 ) 到达b 站，最后在b 站通过d 2 次到达a 站。 该运行图中，d 3 次到达b 站后若接d 2 次，则需等待较长时间，改运用计划通过 空车调度( 1 ) 先到达c 站，接运行线d 7 ，再通过运行线d 8 和空车调度( 2 ) 到 达b 站，接运行线d 2 ，只要接续时间和动车组运用状态满足要求，则该种方案能 较好地提高动车组的运用效率。 该列车运行图需要3 个动车组来完成运输任务，每个动车组按照动车组运用 交路运行，则其总体运用内容是完全一致的。 2 2 动车组运用计划的种类 根据在线路上运行的动车组种类的不同以及各个动车组归属权的不同可以将 动车组运用计划分为以下几种类型。 ( 1 ) 单基地或多基地动车组运用计划 由于动车组价格昂贵，为充分发挥动车组的运用效率，从整体上对动车组的 运用进行统一规划，在某一个区域内要对动车组进行集中管理，即将动车组配属 给某个动车基地。列车运行图由1 个动车基地配属的动车组来完成其运输任务， 所作的运用计划为单基地动车组运用计划。如果列车运行图由2 个以上的基地配 属的动车组来完成其运输任务，相应的计划为多基地动车组运用计划。在编制多 6 硕+ 学位论文 第二章动车组运心计划问题概述 基地动车组运用计划时，运行图巾的哪次列车由哪个基地的动车组来担当一般没 有具体规定，由编制人员综合考虑各基地的情况和动车组的运用效率而定。 ( 2 ) 单车种或多车种动车组运用计划 由于各个地区的自然环境、气候条件以及顾客需求各有不同，成组运行和检 修的动车组在功能和性能上都存在差异。列车运行图上的列车采用同一种类型的 动车组担当，所对应的计划为单车种动车组运用计划。如果运行图上的列车由不 同种类的动车组担当，所对应的计划为多种类动车组运用计划。在编制多车种运 用计划时，运行图中的哪个列车由哪种动车组担当没有完全规定，例如，只规定 在早7 ：3 0 点至8 ：3 0 点之间的上行1 0 列列车中必须有4 列采用1 0 辆编组的动车组， 其他的采用6 辆编组的动车组。 ( 3 ) 平r 运用计划与假f l 运用计划 铁路运输存在季节性的差异，而旅客运输较为明显。在特殊文化背景的影响 下，我国的铁路旅客运输的季节性差异尤为明显，特别突显在传统节同春节期问。 2 0 0 8 年铁路春运客流量为1 9 6 亿人，2 0 0 9 年受全球经济危机的影响，乘坐铁路 的人群将大幅增加，预计铁路客流量为2 5 亿人，同比增长为3 0 。因此必须编 制假日计划以适应顾客的需求。平日和节假日旅客的需求不同，体现在出行的时 间、密度、方向等各个方面，为适应这种需求，在平r 和节假同分别采用不同的 运行图，因此动车组运用计划也自然地被分为平日和节假同运用计划，动车组在 平日按平日计划运用，在节假日按节假日计划运用。为保证动车组在平日和节假 日之间过渡和检修计划的实施，先编制平日计划；编制节假日计划时，保证节假 同计划的交路段内容( 始发车站、终到车站及检修的种类) 与平日计划的相应交 路段内容一致。 ( 4 ) 组合形式 上述各种种类组合。如单车种单基地平同计划、单车种多基地假同计划等， 其中单车种单基地的形式是最为广泛采用的方式。 2 3 动车组运用计划的研究现状 从1 9 6 4 年世界上第一条高速铁路同本东海道新干线建成以来，世界铁路经过 4 0 多年的发展已进入了高速的时代，而动车组运用计划问题也伴随着高速铁路的 发展一直存在。 2 3 1 国外研究现状 同本高速新干线经过4 0 多年的实践，逐步总结、研究出一套具有日本特色的 列车运行组织方法。首先他们从分析旅客运输需求开始制定列车运行的种类及列 硕十学位论文第二章动车组运j j 计划问题概述 车开行方案，然后在考虑牟站、线路及其它设备及人员的条件下，形成基本列车 运行图，最后在基本列车运行图基础上充分考虑旅客季节性、临时性运输需求， 形成实施列车运行图，并作为列车运行的实施计划。为了保证列车运行的可靠性， 在编制列车运行图的同时，动车组运用计划、乘务员运用计划也随之完成。1 9 9 6 年1 1 月启用了新的列车综合运行管理系统( c o s m o s ) ，对列车运行计划、列车 运行管理、列车运行调整、动车组和乘务组运用计划等进行全面的控制，使每列 高速列车的平均晚点率不到1 分钟，并取得了良好的社会经济效益。随着数学方 法和计算手段的提高，动车组运用计划的编制方法在不断改进，日本铁路综合技 术研究所在研究过程中发现，启发式算法，如局域搜索法、模拟求解法、起源算 法等，对于建立实际的应用算法非常有效，经过实际数据对算法进行测试后，效 果比较满意| 4 6 j 。 法国高速铁路在一些技术、经济指标上超过同本而居世界领先地位1 6 j 。其高 速铁路运行组织相对简单，各高速线上只运行同一种类的高速列车，列车只有停 站地点和次数不同，整个列车运行图为平行运行图。在编制动车组运用计划时， 一般采用长、短途列车结合，多次循环开行的方式，为此，一些列车整备工作可 在车站到发线进行，这样就大大提高了动车组的使用效率，使t g v 列车年平均运 行里程达到3 5 万公里。 德国铁路由城际快速列车系统( i c ) 和高速铁路系统( i c e ) 组成。德国铁路的区 间通过能力较富裕，而且既有铁路列车技术水平与高速列车的差别不是很大。根 据上述特点，德国铁路的基本运输组织方式为客货列车分时共线运行，白天以运 行旅客列车为主，夜间以运行货物列车为主。同时，德国铁路还采用了高速列车 i c e 下高速线、城际快速列车上高速线等运输组织方式来方便旅客出行。在动车 组使用方面，通过优化列车运行图来提高动车组的使用效率，使动车组年平均运 行里程达到5 0 万公罩以上1 7 湛j 。 韩国高速铁路的试验段于1 9 9 9 年j 下式开通，4 6 台k t x 动车组在该试验段上 进行测试，行驶速度从开始的4 0 k n 汕提高到3 0 0 l ( n 1 l l 。目前，韩国高速铁路线路 全长4 1 2 公里，共有1 9 个高速车站，其中有7 个为终到站；目前每周共开行4 8 6 对动车组，所有的动车组属于同一种类型。在动车组运用方面，韩国铁道研究院 将动车组运用的重复问题转化为最小费用流模型，并在只考虑日常检修的情况下， 求解了一周的动车组运用计划，结果比较理想，较实际运用计划为优1 9 j 。 1 9 9 9 年3 月，北起台北市南至高雄市全长3 4 5 公里的台湾南北高速铁路( 简称 台湾高铁) j 下式动工建设，2 0 0 6 年1 2 月底正式通车运营。通过综合考虑运营成本 和旅客旅行成本，运用多目标规划方法来求解停站设置、列车丌行、列车运用等 问题【1 0 1 。 8 硕十学位论文 第_ 二章动车组运川计划问题概述 2 3 2 国内研究现状 我国既有铁路的机车与车底足分开运用的，多年来，研究人员分别对其进行 了较深入的研究。在机车运用方面，对于成对运行图，多采用运筹学中指派问题 的模型与算法去求解最优机车交路问题；对于不成对运行图，多使用“紧凑指派 方法i l ，一般采用虚漫运行线或附挂机车的方法，将不成对的列车运行图转化为 成对的列车运行图，再求解对应于该机车附挂方案的最优机车周转图。另一类求 解机车运用问题的模型是建立机车运用的网络流模型，并采用最小费用循环流和 最小费用给定流模型求解成对或不成对列车运行图的机车周转优化问题【1 2 j 。在客 车车底使用方面，针对车底固定区间( 段) 使用为主的情况，提出了相应的求解模型 与方法，如双层目标函数指派模型、图解法等。 客运专线动车组的运用相比于既有铁路机车周转存在较大不同，不能照搬照 抄以往的经验，我国科技人员己专门针对高速铁路动车组运用问题做了大量的有 益研究。文献【13 】是国内学者首次对动车组运用进行的理论研究，通过研究动车组 的固定区段使用方式和不固定区段使用方式，分析了固定区段使用在动车组维修 和动车组运用效率方面存在的不足，提出应采用不固定方式。在给定列车运行图 的基础上，采用先到先服务的原则，通过模拟模型，形成动车组的开行条件，通 过控制各种参数，从而实现在固定运用方式和不固定运用方式之间转换。模拟结 果显示，不固定使用方式能较好的节省所需的动车组数量，与文章中分析的相一 致。文献 1 4 】在不固定区段使用方式的基础上进一步分析动车组运用问题的实质， 并将其转换为指派问题，构造出动车组不固定区段使用条件下动车组周转优化的 数学模型，提出动车组使用数量的公式。以拟建的京沪高速铁路为背景，给出了 模型的实例，采用匈牙利算法，不考虑动车组的维修，得出最优周转方案。文献 【1 5 】系统研究了动车组运用计划乘务员运用计划。文献【1 6 根据现有高速铁路的运 行特征，在动车组运用中引入了动车组的空车调拨，建立了考虑空车调拨条件下 的动车组周转优化模型，并根据模型的求解思路，给出了优化编制的动车组运用 计划，以及列车运行计划变更时调整动车组运用计划、确定备用动车组数量的计 算机模拟方法。在此基础上，利用已开发的模拟软件系统，以京沪高速铁路为背 景，对高速动车组运用问题进行综合模拟实验，获得一些有价值的研究结论。文 献【1 7 】结合日本铁路既有线的实际运用情况，丌发了单车种单基地动车组假同运用 计划自动编制的启发式算法。文章首次将列车运行线看作点，将列车之间的接续 看作连接弧度，将动车组运用问题转化为经典的t s p 问题。算法中定义了动车组 运用网络、优化的交路段和连接；通过迭代不断产生更优的交路段，优化的连接 在新的交路段生成中以一定概率优先选中。但文中对其他种类的动车组运用计划 算法没有详细介绍。文献【1 8 】是针对同本高速铁路的运输现状，提出了基于概率局 9 硕十学何论文 第_ 二章动乍组远川计划问题概述 域搜索的单车种单基地动车组平同运用计划的编制算法。此算法将问题分为两个 部分，即定期检修计划生成和动车组接续运用部分。将接续运用部分转化为动车 组运用网络上的旅行商问题，定义了动车组运用网络；在构造新的回路时能够考 虑同常检修条件和动车组的利用效率。文献【1 9 】提出了基于路段交换的单车种多基 地动车组运用计划的编制算法，首先利用已有的算法构造出较好的初始解，然后 利用路段交换不断改进解的质量。文献【2 0 根据动车组运用规则，建立了动车组运 用计划整数规划模型。为降低求解的复杂性，将动车组运用计划编制问题转化为 交路段生成和基于交路段的交路生成两个问题分步求解；用多起点搜索和交路段 互换的方法，使求解结果在有效性和均衡性上得以优化。但是算法中没有具体考 虑动车组的维修种类。文献【2 1 通过分析动车组的各种运用方式，提出了动车组周 期性运用的思想；并将动车组的接续运行与检修计划制定过程转化为动车组运用 网络上具有较多约束条件和目标函数的t s p 中旅行商的旅行问题；在此基础上构 造了在考虑综合维修条件下多基地、不同型号的动车组周期性运用计划编制的数 学模型，并运用计算机模拟方法对给定运行图条件下合理配置动车组套数、存车 线数量及动车段设备规模等问题进行研究。由于将t s p 大环游分解成几个较小的 t s p 问题，各个小环游之间存在运用效率差异问题，但文章中没有充分考虑。文 献f 2 2 2 4 】运用匈牙利算发、遗传算法、神经网络算法等对动车组运用计划进行了 求解。 2 4 小结 本节首先提出动车组运用计划的含义，并通过实例加以说明。根据动车组运 用的种类和归属地不同对动车组运用计划进行了分类，最后综合评述了动车组运 用计划的国内外研究现状，对动车组运用计划编制的研究状况、存在的问题进行 了分析。 l o 硕1 ：学f 市论文 第二章动中组运川计划主要影响冈素分析 第三章动车组运用计划主要影响因素分析 动车组运用计划是动车组运用和维修的综合计划，其编制过程是一个系统工 程问题，涉及的方面包括：客运专线运输组织模式、动车组运用模式、动车组的 管理模式、动车组的维修体制与检修方式、客运专线列车运行图以及客运专线天 窗设置等。应综合分析和考虑各方面影响因素，以编制出较为全面的动车组运用 计划。 3 1 客运专线运输组织 3 1 1 运输组织模式 根据跨线客流的组织方式和运输方式，我国客运专线运输组织模式可有如下 三种基本模式： ( 1 ) 客运专线全部开行本线列车【4 7 l 在这种运输组织模式下，跨线客流又有两种输送方式。 1 ) 跨线客流完全换乘方式，即组织长途跨线客流在既有线和客运专线的衔接 站进行换乘。采取这种方式，优点是既有线和客运专线旅客列车仅在本线运行， 列车技术条件与客运专线设备技术条件相符性好，速度单一，列车间相互干扰少， 行车组织相对容易，能充分发挥客运专线运力大的特点。 但采用这种方式，既有线与专线衔接站需要增设相应的换乘设备，增加更多 的始发、终到设施，如果换乘不在一个车站，还需要市内交通的配合，换乘组织 复杂。最主要的是，这种方式为旅客带来极大的不便，在有其它连接方式且旅客 换乘比例较高的情况下，很难吸引客流。 2 ) 跨线客流运输仍由既有线承担的方式。这种方式客运专线与既有线相互独 立，行车组织相对简单；缺点是难以吸引跨线客流，本线客流不足时可能造成客 运专线能力虚糜与平行既有线能力吃紧并存的情况。 在客运专线全部开行本线列车的情况下，由于线路速度值单一，列车运行图 基本上为平行运行图，动车组的运用和管理较为简单【2 5 1 ，动车组运用计划的编制 只要考虑在本站进行接续和维修。 ( 2 ) 跨线列车上客运专线 跨线列车在客运专线上运行，即客运专线上本线列车与跨线列车混合运行， 不同速度旅客列车混跑。 这种方式考虑了客流的特点，缓解了既有线能力紧张局而，客运专线能吸引 硕十学位论文第三章动下组运川计划土要影响冈素分析 更多的客流，在客运专线初期本线客流不饱和的情况下充分利用了专线的冗余输 送能力。 但是既有线与客运专线相衔接的行车组织难度增大，跨线列车除原有的与既 有线技术条件相符的设备外，须增设与客运专线列车控制方式等相符的设备；既 有线列车与客运专线列车技术性能与客运专线设备相符性较低，对高性能技术设 备的损耗可能增大；此外，由于不同速度列车混跑，列车扣除系数增大，运行图 图解能力会有所降低。 ( 3 ) 本线高速列车下客运专线 在本线，客运专线动车组以高速运行，在既有线按既有线允许速度运行。 采用这种运输组织模式。其优点是旅客全程乘座客运专线高速列车。充分享受高 速列车的优质服务；方便快捷，无需换乘；而且客运专线上运行的都是高速列车。 速度相对一致，调度组织相对容易，运行图的能力能够得到充分利用，动车组运 用计划的编制也相对简单。 缺点是会增大动车组的投入运用，在既有线折返站可能需要设置相应的整备 维修设备，同时既有线路对本线列车的车底磨损大。动车组在既有线运行时，速 度不能得到充分发挥，而且既有线设备技术条件不能满足客运专线动车组运行的 需要；另外，在运输组织中需考虑相互接续既有线客货列车运行组织的情况。 这是三种最基本的客运专线运输组织模式，当然，也可将这几种模式进行组 合，得出其它的运输组织模式。从动车组运用计划制定的角度出发，动车组下既 有线的成本较高，不仅在既有线需要设置相应的整备维修设备，动车组的接续也 较困难，只有上客运专线后才能与相应的列车相衔接。 3 1 2 客运专线列车运行图 动车组运用计划是以列车运行图为基础来编制的，运行图上列车运行线的衔 接关系与动车组运用具有密切关系。文献 1 5 】利用模拟系统产生一组运行图，考虑 维修时，不同运行图产生的动车组运用计划最少需要5 8 个动车组，最多需要6 1 个动车组，相差5 1 ，模拟结果显示接续良好的运行图动车组等待运行线挂线运 行的非生产时间减少，利用率提高，使用的动车组数量自然会减少。而国外有些 国家在动车组使用方面，主要是通过优化列车运行图来提高动车组的使用效率 【7 ，8 1 。 3 2 动车组运用方式 我国既有铁路的客车车底使用方式是车底有固定的配属，车底在配属段和折 返段之问运行，车底运行区段固定。因此，参照既有铁路客车车底运用方式，根 硕十学位论文第二章动乍组运用计划主要影响冈素分析 掘客运专线动车组町运行的区段形式， 用方式、不同定运行区段的运用方式、 ( 1 ) 固定运行区段运用方式 将动车组的使用划分为固定运行区段的运 半固定方式等三种运用方式。 与既有铁路车底运用方式一致，客运专线动车组只在固定的区段内往返运行， 我们把动车组的这种使用方式称为固定运行区段的运用方式，简称固定方式。 固定方式又分为站间固定方式和两区段套跑方式。站问固定方式是指动车组 只在车站a 、车站b 之间接续周转运行( 如图3 1 ) ； 标准接续时m 折返站 配属站 图3 1 站间固定运用方式示意图 套跑方式是指动车组可以在a b 及b c 两个区段运行，根据运行图情况，动 车组终到b 站之后，可以挂运行线到达c 站，也可以挂线返回a 站，终到a 站 的动车组只能挂线运行到b 站，终到c 站的动车组，也只能挂线运行到b 站( 如 图3 2 ) 。 c 站 b 站 a 站 图3 2 固定套跑运用方式示意图 采用固定区运用方式时，动车组在固定的一个或两个区段内运行，动车组的 运行很有规律，有利于动车组的管理和车站的行车组织工作的展开，动车组运用 计划的编制也较为简单。但此种方式在比较短的客运专线上较为适用，特别是城 际客运专线。2 0 0 8 年8 月1 日京津城际客运专线将正式通车运营，全长1 1 7 公里， 文献 2 6 】对京津城际客运专线列车运行进行了模拟，采用固定运行区段的使用方 式，降低了动车组的需要数量，提高了动车组的利用率。但对于长大距离的客运 专线来说，固定运用方式存在明显的不足： 1 ) 不能很好地解决动车组维修问题； 2 ) 动车组利用率比较低。 ( 2 ) 不固定运行区段运用方式 硕十学位论文第三章动下组运j j 计划主要影响冈素分析 为了解决固定方式的不足，国外高速铁路使用了新的动车组使用方式，称为 不固定运行区段的运用方式，简称不固定方式。这种方式以客运专线全线为统一 系统，充分考虑动车组的维修问题和动车组的利用率问题，它的含义是，在假定 各动车组之间没有差别的情况下，不固定各动车组的运行区段，根据需要可以在 任何客运区段之间运行( 如图3 3 所示) 。 a b c d 图3 3 动车组不固定区段使用示意图 动车组担当运行线d 3 后可依次运行空车调拨( 1 ) 、d 7 、d 8 、空车调拨( 2 ) 、 d 2 、d 5 ，也可以在担当完运行线d 3 后接续d 2 、d 5 ，同样在进行空车调拨( 1 ) 后 也可以上行接续d 4 ，接着担当运行线d 5 ，动车组的运行区段没有固定的限制。 动车组可以连续运行不同运行线的基本原则是满足动车组转线、整备等接续时间 要求。 与固定运用方式比较，在不固定运用方式下，只要满足整备检修时间要求以 及动车组运用状态要求，动车组可在整个客运专线网的任何区段间运行。因此， 在动车组使用过程中可以根据其运行状态对必须要在综合维修中心进行维修的动 车组预先安排其运行交路，使其在一个检修周期内通过综合维修中心所在地，从 而得到及时维修，这样就能比较灵活地解决运行与维修的配合问题，实现运用计 划和维修计划一体化的思想。另外，只要满足接续时间要求，动车组就可以担当 不同的运行线，减少在车站的停留时间，提高动车组的使用效率，从而减少动车 组的使用数量。因此，在客运专线和高速铁路运营初期，动车组数量相对不足的 情况下，不固定方式可能是动车组使用比较合理的方式。 但是这种运用方式也存在一些不足之处，由于周转接续安排比较紧密，当出 现一些大的随机干扰时，运用计划的调整比固定方式更容易受到影响，恢复调整 更加困难；由于动车组是在整个客运专线内进行使用，缺乏一定的规律性，对于 车站的行车组织工作会带来一定的影响。此外，由于动车组类型不同、所适应的 地域不同、配属关系不同，将整个客运专线网视为统一系统也不尽合理。 ( 3 ) 半固定运用方式 半固定使用方式是一些动车组采用固定使用方式，而其余动车组采用不固定 1 4 硕士学位论文第二章动下组运川计划土要影响冈素分析 使用方式。它是介于固定式方式和不固定使用方式之间的一种方式。 ( 4 ) 我国可采用的动车组运用方式 结合国内外的动车组运用实践以及上述几种主要的运用模式，我国可用的方 案有： 1 ) 本线循环套跑方案。本线循环套跑方案足指本线列车固定区段使用。动车 组从动车段出来担当某个区段列车运输任务，除因达到修程规定时才检修入段外， 其余每次返回动车段所在站时，只在车站进行整备作业。本线循环套跑方案组织 方法比较简单，但是不利于充分使用动车组的运输能力，造成动车组空闲可能性 比较大，也不利于节省动车组数量。对于区段内有大量径路相通且到发时刻均衡 的客运专线采用动车组本线循环套跑方案有利。 2 ) 长短途套跑方案。长短途套跑方案是指动车组运用采用长短交路结合方式， 里车担当一次长途列车后并不立即折返，接着担当若干次短途列车后再担当长途 列车达到定检公旱进段检修。长短途套跑能够有效衔接个车次时刻，减少动车组 等待时间，对于节省动车组