（交通运输规划与管理专业论文）计算机编制列车运行图方法的研究与运用.pdf

铁道种学 j f 究院硕士学位论文 摘要 本文介绍了国内外利用计算机编制列车运行图的历史及现状，并从理论上对 运行图编制的基本要素、表示方法及运行图评价指标等进行了详细的分析和表 述。在此基础上，提出了列车运= j 图编制的三种方法，其中：第一种方法“时 空局域滚动法”是一种比较成熟f 内方法，是人工模拟法多年运用的一个结晶； 对于第二种方法“遗传算法”，本文研究并制定了针对运行图编制的相关数学模 型，重点讨论了编图算法中的编码、交换与变异的实现方式；而第三种方法则 是运用“c o m m o n k a d s ”知识工程法来研制开发列车运行图编制系统，文中通 过套用该方法中的规划和调度模型，对初始运行图的生成及运行图的调整进行 了分析，主要从工程的角度，探讨其在运行图编制中的应用。 最后，通过运用c o m m o n k a d s 法初步建立了单线区段运行图编制的算法及 设计思路，并运用了面向剥象的程序设计方法初步开发了小型的计算机编制单 线区段列车运行图软件系统。该系统尽管对实际情况进行了简化处理，但其功 能仍然适用于单线区段运行图的汁算机辅助编制工作。 关键词：列车运行图优化算法c o m m o n k a d s 铁逆什、产础f 究院硕士学位论文 a b s tr a c t t h eh i s t o r ya n dc o n d i t i o no fm a k i n gt r a i nd i a g r a m w i t h c o m p u t e r a r e i n t r o d u c e df i r s t l yi nt h i sp a p e r1h e ns o m et h e o r i e sa b o u tt r a i nd i a g r a m ，i n c l u d i n g t h eb a s ee l e m e n t s ，t h et y p e sa n dt h ee v a l u a t i n gi n d e x e s ，a r ea n a l y z e di nd e t a i l sa n d o nt h eb a s i so ft h e m ，t h r e em e t h o d sf o rm a k i n gt r a i nd i a g r a ma r es h o w n ：t h ef i r s ti s c a l l e dt i m e - a n d s p a c er o l l i n g m e t h o d i t sam a t u r em e t h o d ，a n dh a sb e e n i m p l e m e n t e d ；t h e s e c o n do n eisa t r y t om a k eu s eo fg e n e r i ca l g o r i t h m t h e i m p l e m e n t a t i o no fc o d i n g ，p e r m u t a t i o na n da b e r r a n c ei nt r a i nd i a g r a ma l g o r i t h mi s t h ee m p h a s i s ；t h et h i r dm e t h o dm a k e su s eo fc o m m o n k a d sm e t h o d o l o g y ，m a i n l y o fi t sp l a n n i n gm o d u l ea n ds c h e d u l em o d u l ef o rt h eo r i g i n a lt r a i nd i a g r a ma n di t s a d j u s t m e n t h e r et h ee n g i n e e r i n gp o i n to fv i e wi se m p h a s i z e d a tl a s t ，at r a i nd i a g r a ms y s t e mf o ras i n g l el i n er a i l w a yi sd e v e l o p e dw i t h o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n gm e t h o d a n dt h r o u g hi t ，t h em e t h o d sa n dm o d e l s m e n t i o n e di nt h i sp a p e ra r ev e r i f i e dt h es y s t e mi ss i m p l i f i e d b u ti ts t i l lc a nb eo n e g o o da s s i s t a n tt ot h ep r e p a r a t i o na n da a j u s t m e n to ft r a i nd i a g r a m k e y w o r d s ：t r a i nd i a g r a mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mc o m m o n k a d s 中国铁道科学研究院学位论文 原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 铁道科学研究院硕+ 学位论文 第一章绪论 在组织旅客和货物运输的生产过程中，铁路列车的运行是一个很 复杂的环节，它要利用多种铁路技术设备，并要求各个部门、各工种、 各项作业之间互相协调与配合，才能保证行车安全和提高运输生产效 率。铁路部门完成这项复杂的运营与管理的过程主要是通过铁路列车 运行图的编制和执行来实现的。 列车运行图是安排列车在铁路区问运行及在车站到发或通过时 刻的技术文件，它规定了各次列车占用区问的程序、列车在各车站的 到达和出发( 或通过) 时刻、列车在区间的运行时问、列车在车站的 停站时间以及机车交路等，因此，它是铁路行车组织工作的基础。 铁路列车运行图规定了铁路线路、站场、机车、车辆等设备的协 调运用，铁路运输生产过程将严格执行运行图规定的各项程序( 要求 按图行车】，因此，列车运行图又是铁路运输生产的一个综合性计划， 它对保证铁路行车安全、提高运输效率、改善铁路技术设备的运用及 加速机车车辆周转有着极为重要的意义。另外，列车运行图又是铁路 运输企业向社会提供运输供应能力的一种有效形式。从这个意义，卜 讲，供社会使用的铁路旅客列车时刻表及“五定”货运班列运行计划， 实际上就是铁路运输服务能力目录。因此，列车运行图又是铁路组织 运输生产和产品供应销售的综合计划，是铁路运输生产联结厂矿企业 墨产和社会牛活的纽带。 然而列车运行图的编制却是一项极其繁重、复杂而细致的工作， 完全依靠人工编制列车运行图，不仅时吲长、工作量大，而且编制质 量也因入而异。随着计算机技术的飞速发展，国内外许多专家学者一 直在积极探求利用计算机编制列车运行图的方法和技术。鉴于豳情不 同，本文将针对我国铁路的具体特点，探索和研究我国铁路计算机编 制列车运行图的基本思路、方法和实现途径。由于水平有限，对于本 硕士论文中不妥之处，敬请专家批评指正。 铁道科学研究院硕士学位论文 第二章国内外研究现状 长期以来铁路列车运行图的编制工作一直采用传统落后的手工 作业方式加以完成。由于运行图编制过程中所要解决的问题错综复 杂，每次全路编图工作往往需要有数百人共同参加完成。在编图人员 技术水平不一编图工作繁重而又必须分头并进的情况下，所编出的 运行图质量差别很大。同时，由于编图过程十分耗时费力，编制一个 方案将历经半年左右的时间，因而人工编制运行图的方式根本不可能 实现运行图的多方案比选，更谈不到从总体上对运行图进行优化。随 着计算机应用技术的普及，国内外许多铁路同行们丌始致力于计算机 编制列车运行图的理论算法、实现方法的研究，并相继开展了计算机 编图系统的软件开发工作。然而目前真正 不多见，许多编图系统还有待于做进一步 算机编制列车运行图的大致情况综述如下 2 1 国外概况 达到实用程度的编图系统并 的优化。现将国内外开展计 国外研究计算机编制列车运行图的工作一般始于五十年代米期。 美国g r s 公司在19 58 年曾编制出模拟列车运行程序，并在1 6 0 公罩的单线区段进行了试验。19 6 7 年，又在9 0 公里的单线区段模拟 了列车运行过程。 英国在l9 6 5 年首先在不太长的单线自动闭塞区段进行了计算机 列车模拟试验，并在后来广泛采用列车运行图自动描绘系统代替人工 绘制列车运行图。 日本在19 6 0 年开始研究利用计算机编制列车时刻表，并在l9 6 4 年能够编制出具有实用价值的列车时刻表。 l9 7 1 年，日本国铁铁道技术研究所把计算机编制列车时刻表与配 以图形显示设备为附属装置的计算机结合在一起，使利用计算机编制 铁道科学研究院硕士学位论文 列车时刻表的研究工作向前边进了一大步。后来，国铁铁道技术研究 所又开发出以光笔为辅助工具，以人机对话方式输入编图信息的计算 机编制运行图系统。 前苏联开展计算机编制列车运行图的工作始于19 5 8 年，并在l95 9 年首先由罗斯托夫铁路运输工程学院和乌克兰科学院计算机中心丌 发了计算机铺画双线平行运行图( 两个区段) 。后来，苏联交通部科 学院、莫斯科、哈巴罗夫两铁路运输工程学院及其它研究机构又对编 制双线货车运行图的算法进行了研究。进入八十年代，前苏联交通部 科学院研究人员立足于模拟人工编制运行图的方法，不追求所谓最优 而是讲究方案的实用，采用人机对话方式编制双线和单线列车运行 图，并在l9 8 9 年先后利用计算机编制了四万公早双线、单线区段货 物列车运行图，并基本达到实用程度。此外，德国、比利时、捷克斯 洛伐克、罗马尼亚等国也先后进行了计算机编制列车运行图的研究， 不问程度地取得一些成果和经验。 从8 0 年代开始，国外铁路的研究工作已由最初的计算机编制单线 列车运行图逐步过渡到建立列车运行信息系统上来，朝着实现全路列 车运行信息系统管理的方向迈进。 及其实际需要，这些国家计算机编 根据发达国家铁路的行车组织体制 制列车运行图已达到的技术水平和 发展趋势如下： 1 1 建设全路性的计算机网络，实现对列车运行图信息的系统管 整的智能化。 网g i s 方式的计算机编图管理； 运行图信息管理系统为基础，实现列车运行图编制和调 4 1 以列车运行图信息管理系统为基础，实现列车运行过程信息处 理智能化。 近年来，德国、法国、f 1 本等国相继建立了高速铁路列车实时调 度指挥系统，用以控制指挥高速列车运行。另外，自2 0 世纪9 0 年代 路车于列基以 ) ) 2 3 理 铁道科学研究院硕士学位论文 初丌始，北美铁路的先进列车控制系统( a t c s ) 建立后，对传统的 运输管理方式产生了巨大的冲击。各大铁路公司在市场经济竞争的形 势下，加大了对运输管理体制的研究，这其中就包括利用实时信息1 ： 发对实时列车运行图编制的研究。 综上所述，国外在采用模拟方法编制列车运行图的技术已趋于成 熟，并得到了普遍的应用和推广，特别是现在的计算机软硬件环境已 经为这些编图系统实现快速编制方案提供了保证，这就为实现多方案 编制和方案比选提供了可能，而且更多方便快捷的可视化人机交互方 式可以逐步引入到编图系统中来。 与此同时，国外的铁路公司也一直与有关科研部门联手开展对计 算机编图的数学模型、编制算法、局部编图乃至整体优化方法的研究， 这些科研部门曾先后提出了咀数学规划类模型为主的各种不同形式 的数学模型。但由于列车运行图编制涉及众多的约束条件，有些因素 相互交叉甚至互为矛盾，因此很难构造出合适的算法，或者即使有了 一套算法也无法对其进行求解。 目前国外的许多列车运行图管理系统已经实现了智能化操作，如 德国铁路公司( d ba g ) 采用德国铁路系统公司( d bs y s t e ma g ) 精心 开发的基于铁路g i s 方式的可视化编图系统，已经在德国铁路范围内 部全面得到推广和运用，其友好又方便的操作方式非常实用可行。但 出于国外铁路行车密度比不上中国铁路，而且这些发达国家的铁路基 本二不存在单线铁路区段，铁路线不是双线就是多线，而且客货分离 运行，其复杂程度远远低于中国。因此，国外的计算编制列车运行图 管理系统并不适合中国的铁路的具体情况，无法照搬照抄，中国铁路 编图系统只有自主研制和开发。 2 2 国内概况 中国铁路开展利用计算机编制列车运行图的研究工作始于l9 6 2 年，现按年代分述如下； 4 堡堕型堂婴：塞堕堡主堂垡堡苎 ( 1 ) 六十年代 l9 6 2 年，铁道部科学研究院运输及经济研究所开始研究利用计算 机铺画单线非平行运行图，当时按照人工编图的过程和特点制定出机 器工作的规则和步骤，采用手编程序( 纸带穿孔) 实现编图工作。受 当时的计算机内存的限制，此次计算机编图仅局限于一个区段，而且 很多因素未能很好地考虑进去。 ( 2 ) 七十年代 19 7 6 年，铁道部科学研究院运输及经济研究所开始研究利用计算 机编制全路直通客车方案，并以l9 7 5 年的编图资料为依据进行了试 算输出。由于受计算机内存的限制，在系统设计中，一些条件经过了 简化，有的因素没有考虑进去。在此期间，哈尔滨铁路局也开始利用 计算机模拟人工编图，试编了l6 对与2 4 对货物列车单线图，同时还 初步给出了双线区段货物列车运行图的数学模型。 19 8 0 年，哈尔滨铁路局采用数学模型的方法，利用计算机试编了 双线区段货物列车运行图。 l9 85 年，由铁道部科学研究院运输及经济研究所主持，由部电子 计算技术中心及部通信信号公司参加，开展了“采用人机对话方式铺 画全路直通客车方案”课题研究，并首次采用了v a x l1 小型机及滚 筒绘图仪对l9 8 7 年的编图数据进行了试算输出，与此同时，哈尔滨 铁路局也在局管内进行了计算机铺画双线区货物列车运行图的试算。 为加快计算机编图工作的步伐，铁道部科技司在19 8 6 年底以科技 发展项目“利用电子计算机编制列车运行图”为题进行了招标工作。 铁道部科学研究院运输及经济研究所( 由部电子计算技术中心、部通 信信号公司合作) 与哈尔滨铁路局同时中标列题，其中铁道部科学研 究院运输及经济研究所负责完成计算机编制客车方案的研制工作，哈 尔滨铁路局负责完成计算机编制货物列车运行图的研制工作，并在 198 6 年底全部调试通过。该课题在19 9 2 年通过了部级鉴定，其中计 铁道科学研究院硕士学位论文 算机编制客车方案软件已经达到实用程序，并多次投入到铁道部的编 图工作中。 除此之外，不少铁路局及铁路高等院校也先后开展了计算机的编 图工作，如北方交通大学( 现为北京交通大学) 在研究双线自动闭塞 区段旅客列车扣除系数的同时，进行了计算机编制双线列车运行图的 研制工作。并绘制出组合列车运行图。兰州铁道学院着手研究单线铁 路非追踪运行图的数学模型，长沙铁道学院、西南交通大学也相继对 计算机编制单线区段货物列车运行图进行了研究。 ( 4 ) 九十年代 19 9 0 年，中国铁道部与前苏联交通部签定了以“利用计算机编制 列车运行图”为题的科技合作项目，由铁道部科学研究院运输及经济 研究所与哈尔滨铁路局共同承担，并在19 9 1 年底完成此项目，软件 系统已以成果的形式向前苏联交通部进行了移植。 l9 9 1 年，西南交通大学运输系与济南铁路局运输处共同合作开发 研制了计算机编制双线列车运行图系统，并在l9 9 3 底在济南一徐州繁 忙干线段进行了试用。此外西南交通大学运输系还与成都铁路局合 作开发了“计算机编制单线区段货物列车运行图”系统。 1 9 9 4 年，西南交通大学运输系又与北京局、济南局、上海铁路局 共同承担“京沪线计算机编制列车运行图的研究”课题，并于19 9 5 年底完成了合同任务，并在19 9 7 年新图编制工作中试用了该系统， 效果良好。 此外，长沙铁道学院在利用计算机编制单线区段货车图的研究工 作中也取得了一定的进展该系统在湘黔线的部分区段进行了试用。 北方交通大学在利用计算机编制网状线路列车运行图的研制工作上 也取得了可喜成绩，该系统已在哈尔滨局管内主要线路上进行了试 用，受到了现场编图人员的一致好评。 ( 5 ) 最新发展情况 步入新世纪后，我国铁路的建设与发展进行得如火如茶，为实现 铁道科学研究院硕十学位论文 铁路跨越式发展的战略目标，中国铁路全面实施了既有线的提速工 程，随着提速范围的逐步扩大和提速步伐的加快，铁路列车运行图编 制的频率也在加快，特别是在繁忙干线能力接近饱和程度下，如何开 行各种适应铁路市场需求的运输产品更是对铁路列车运行图的编制 工：作提出了挑战。在此情况下由西南交通大学运输学院自行研制开 发的全路客车运行图编制系统，在铁路第五次提速调图工作中投入了 实际运用，并基本达到了实用的程度，这是中国铁路运行图发展史上 的一一件大事。 铁道科掣：研究院硕十学位论文 第三章计算机编图系统的理论分析 研制和开发一个实用可行的计算机编图系统，关键在于所采用的 编图算法及数学模型的准确程度。本章将对针对计算机编图系统进行 理论上的分析和研究： 3 1 列车运行图 3 1 1 列车运行图的表示方法 列车运行图是运用坐标原理对列车运行时间和空间关系的种 图解表示，因而，它实际上是对列车运行时空过程的图解。在列车运 行图上，对列车运行时空过程的图解可以有两种不同的形式。其为 以横坐标表示时间，纵坐标表示距离，这时列车运行图上水平线表示 车站的中心线，水平线间的间距表示车站间的距离，垂直线则表示时 间，这也是目前我国铁路所采用 离，纵坐标表示时间。这时，列 车站中心线，垂直线间的间距表 行图采用的就是这种表示形式。 的表示形式。其二为以横坐标表示距 车上的水平线表示时间，垂直线表示 示车站问的距离，如德国铁路列车运 为满足铁路部门对运行图使用上的方便，列车运行图按照时间单 位的划分可以分为如下三种格式： ( 1 ) 二分格运行图 二分格运行图框架中的横轴间距的最小单位为2 m i n ，对于时间为 l0 分钟倍数的地方用较粗的竖线表示( 含半小时及小时线) ，其他地 方则用细竖线表示。二分格图主要在绘制列车运行详图时运用( 见图 3 1 ) 。 铁道科学研究院硕十学位论文 a b 2 nj ，。， 、 j 、j7 、：、7 。、；j 、 图3 1 二分格运行图 ( 2 ) 十分格运行图 十分格运行图框架中的横轴间距的最小单位为1o r o i n ，对于半小 时线则以虚线表示，对于小时线则以粗实线表示。十分格运行图主要 供列车调度员在同常调度指挥工作中编制调度调整计划和绘制实绩 运行图时使用( 见图3 2 ) 。 a3 b 4567 i 、 | i x li ， 。t | | i x 、 f 。 k 7 f |。 f f l f 71| 图3 2 十分格运行图 ( 3 ) 小时格运行图 小时格运行图的横轴是以1h 为间隔单位并以竖线划分开来。小 时格图主要在编制旅客列车方案图、客车简明运行图以及勾画机车交 路及车底周转图时使用( 见3 3 ) 。 9 铁道科学研究院硕十学位论文 89 1112 1314151617 图3 3 小时格运行图 目前我国铁路部门确定列车运行图中车站横线的方法主要有两 种： ( 1 ) 按区间实际罩程的比率确定 按照整个区段内各车站间实际里程的比例来确定车站横线位置。 采用这种方法时，运行图上的站间距离完全反映了实际情况，能明显 地表示出站间距离的大小。但由于各区间线路平 样，列车运行速度有所不同，这样列车在整个区段 条斜折线，这既不整齐，也不易发现因人工疏漏而 时分上的差错，因此。在实际运行图的编制过程中 方法来确定车站横线。 面和纵断面互不一 的运行线往往是一 造成列车区间运行 ，一般不采用这种 ( 2 ) 按区间运行时分的比率确定 按照整个区段内各车站间列车运行时分的比例来确定横线位置。 采用这种方法时，可以使列车在整个区段的运行线基本上是一条斜直 线，这既整齐、美观，又易于发现因人工疏漏而造成列车区间运行时 分上的差错，因此我国铁路部门一般采用这种方法来确定车站横线。 如图3 4 所示，a b 区段下行方向货物 采用这一方法确定横线位置时，首先要 后在代表a 站的横线上任取一点a ，并 在代表b 站的横线上向右截取相等于l 1 0 列车运行时分共计为l7 0 m i i 1 ， 确定技术站a 、b 的位嚣，然 以a 点所对应的时间为原点， 7 0 m i r l 的b f 线段，得f 点， 、 、 弋 n 飞 飞 。 a b c d e 堡望型堂笪茎堕堡堂焦丝苎 同时按a a 、a b 、b c 、c d 和d b 区间的列车运行时分，将b f 线段划分 为五个时间段，连结a 、f 两点， 垂直线，在a f 斜直线上可得交点 b 、c 、d 车站的横线。 得一斜直线。过五个时间段端点作 ，过各交点作水平线，即为代表a 、 a 1415161718 卜 爪 卜 p rx f l 图3 4 按区间运行时分比率确定车站横线 在我国的繁忙铁路运行图上，般要铺画许多不同种类列车的运 行线，为了便于识别起见，在运行图中要对各种列车采用不同的表示 方法，并对每一列车给予规定的车次，标在列车始发或接续处的上方。 上行列车的车次以双数表示，下行列车的车次以单数表示。我国铁路 规定列车向着首都的方向为上行方向，背离首都的方向为下行方向。 运行图上的列车运行线( 斜线) 与车站中心线( 横线) 的交点， 即为列车到达、出发或通过车站的时刻。根据列车运行图的格式，到 发时刻有不同的表示方法。在二分格图上，以规定的标记符号表示， 不需要填写具体数字( 例如：“i ”表示分钟，“ ”表示三十秒) ； 在十分格图上，需填写10 m i n 以下数值；在小时格运行图上，则是填 写6 0 m i n 以下的数值。而且所有表示时刻的数字，都填写在列车运行 线与横线相交的钝角内。列车通过车站的时刻，一般填写在出站一端 的钝角内。 a b c d b 铁道科学研究院硕士学位论文 3 1 2 列车运行图的要素 尽管列车运行图具有不同的种类与表示形式，但它们都包含着以 下几个共同的基本要素，即：列车区阳j 运行时分标准、中间站停站时 间标准、基本段和折返段作业停时标准、列车在技术站、客运站和货 运站的技术作业时间标准、车站间隔时间标准及列车追踪间隔时间 等。 ( 1 ) 列车区问运行时分 列车区间运行时分是指列车在两相邻车站或线路所之间的运行 时间标准，它是由机务部门采用牵引计算与实际牵引试验相结合的方 法来确定的。 列车区间运行时分按车站中心线或线路所通过信号机之间的距 离计算。当到发场中心线与车站中心线不一致时，按到发场中心线计 算，如图3 5 所示。 o 一j i 一- i 一 图3 5 计算车站间列车运行时分距离图 由于旅客列车和货物列车的运行速度各不相同，上下行方向的线 路平面、纵断面条件和列车重量也不相同，所以列车区间运行时分应 按各种列车和上下行方向分别进行查定。此外，列车区间运行时分还 应根据列车在每一区间上的两个车站不停车通过和停车两种情况分 别进行查定。列车不停车通过两个相邻车站所需的区间运行时分称为 纯运行时分。此外，还需查定列车到站停车的停车附加时分和停站后 出发的起动附加时分，它们的数值是根据列车机车类型、牵引重量以 铁道科掌研冤院硕士学位论文 及进出站线路平面、纵断面的具体条件分别查定。 ( 2 ) 列车在中间站的停站时间 列车在中间站的停站时间主要出下列原因产生： 进行必要的技术作业，如摘挂机车，试风和列车技术检查，机 车乘务组和车长换班等 客货运作业，如旅客乘降，行李、包裹、邮件的装卸，车辆摘 挂，货物的装卸等： 列车在中间站的会车和越行。 其中，摘挂机车的作业在采用补机地段的起点站和终点站上进行。 列车在中间站的技术检查和试风，一般在长大下坡道之前的车站上进 行。当牵引区段较长，机车乘务组和车长的连续工作时间超过规定标 准时，也可能要采用中途换班的方式。 客、货作业停站时间，应根据各种列车的不同需要分别规定。它 包括旅客列车规定的旅客乘降时问、行李包裹和邮件的装卸所需要的 停站时间、对摘挂列车规定摘挂车辆、取送车及不摘车装卸作业所需 要的停站时间。 列车进行技术作业及客货运作业的时间标准，由各车站运用分析 计算和实际查标相结合的方法分别确定。列车在中间站的各项作业， 应尽可能平等进行。在满足实际需要的条件下，应最大限度地缩短列 车停站时间，以提高列车的旅行速度。 ( 3 ) 机车在基本段和折返段所在站停留时间标准 机车在基本段和折返段所在站停留时间标准取决于机车的运用 方式，铁路机车的基本运用方式可有如下几种： 肩回运转制交路 机车担当与基本段相邻两个区段的列车牵引任务。除需进折返段 整备外，机车每次返回基本段所在站时，也需入段作业，如图3 6 所 丌i 。 半循环运转 机车担当与基 铁道科学研究院硕士学能论文 图3 6 肩回运转制交路示意图 制交路 本段相邻两个区段的列车牵引任务，机车除需进折 返段进行整备外，在第一次返回基本段所在站时不入段，继续牵引列 车向前方区段运行，直到第二次返回基本段时，才入段进行整备作业， 如图3 7 所示 a 图3 7 半循环运转制交路示意图 循环运转制交路 c 机车担当与基本段相邻两个区段的列车牵引任务，除需进折返段 整备及因中间技术检查需入基本段外，每次返回基本段所在站，都在 车站上进行整备作业，如图3 8 所示。 b a c 图3 8 循环运转制交路示意图 环形运转制交路 机车在个区段或枢纽内担当两个及以上的列车牵引任务之后 才入段进行挞备作业，机车不需要转向，如图3 9 所示。 这种交路适用于担当市郊列车和小运转列车的牵引任务。 1 4 铁道科学研究院硕十学位论文 a b 综合以上各项作业所需的时间，便可得出机车在折返段所在站的停留 时间标准。如图3 - 1o 所示，10 0 1 次列车机车自到达折返段所在站之 时起至牵引10 0 4 次列车出发时止，在该站的停留时间( 包括在段内 的停留时间) 为： f 折= f 到达+ t x a + f 接备+ f 出段+ f 出发( m i n ) 图3 - 1o 机车在折返段停留时间标准 上列各项作业时间，可根据分析计算和查标相结合的方法确定。 在基本段所在站上，即使不采用循环运转制时，机车也需办理上 述各项作业，而且整备作业更加细致，因而整备时i 瑚也将更长一些。 在编制列车运行图前，机务部门必须对每一牵引区段的机车分别 l5 铁道科学研究院硕十学位论文 查定出办理各项作业所需的时间标准，并规定机车在基本段和折返段 所在站的停留时间标准。 ( 4 ) 列车在技术站和客货运站的技术作业时间标准 为了保证车站与区段工作协调，必须编制与车站技术作业过程相 配合的列车运行图。因此，在编制列车运行图时，需要确定技术站、 客货运站技术作业过程的主要作业时间标准，这包括： 列车在到发车场内办理各种作业的时间标准； 列车在驼峰或牵出线上解体和编组列车的时间标准； 旅客列车车底在配属段、折返段所在站的停留时间标准： 货物站办理整列或成组装卸作业时间标准。 上述标准一般可根据车站行车工作细则确定。 ( 5 ) 车站间隔时间 车站间隔时间是指在车站上办理两列车的到达、出发或通过作业 所需要的最小间隔时间。在查定车站间隔时间时，应遵守有关规章的 规定及车站技术作业时间标准，以保证行车安全和最有效地利用区间 通过能力。 常用的车站间隔时间包括不同时到达间隔时间、会车间隔时间、 同方向列车连发间隔时间、同方向列车不同时发到问隔时闻和不同时 到发间隔时间等，其数值大小与车站信号、道信操纵方法，车站邻接 区间的行车闭塞方法，以及车站类型、接近车站线路的平、纵断面情 况，机车类型，列车重量和长度等因素有关。在编制新的列车运行图 之前，每个车站都应根据具体条件，分别对各种车站间隔时间进行查 定。 ( 6 ) 追踪列车间隔时间 在自动闭塞区段，一个站阳j 区问内同方向可有两列或两列以上列 车，它们以闭塞分区间隔运行，这称为追踪运行。追踪运行列车之f b j 的最小间隔时间，称为追踪列车间隔时间，如图3 一l1 所示。追踪列 车间隔时间，取决于同方向的列车间隔距离、列车运行速度及信联闭 1 6 铁道科学研究院硕士学位论文 设备类型。 双线区间 7 丁厂 | 追踪列车间隔时i 日- 3 在三显示自动闭塞区段和四显示自动闭塞区 段的计算方法稍有差别，四显示自动闭塞区段在中国未采用，故本文 对此不作详细讨论。 3 。1 。3 列车运行图评价指标 衡量一个运行图的技术指标可为分两大部分，数量指标和质量指 标。对于我国铁路列车运行图来说，主要考虑以下几个指标： ( 1 ) 旅客列车或货物列车的平均技术速度( v 拄) = 爰州国 ( 3 - ) 其中： z n l 一各区段旅客列车或货物列车走行公罩的总和； z n t 连一各区段旅客列车或货物列车运行时间总和，包括运行时分 和起停车附加时分。 ( 2 ) 旅客列车平均直通速度( v ：) 唁= 一n n t 名专- - - - - 7 砌协 ( s z ) 其中： 月，客一旅客列车走行公早总和； n t 仝雕一旅客列车全程旅行时间的总和，包括运行时间和停站时 间。 ( 3 ) 货物列车平均旅行速度( v ) 铁道科学研究院硕士学位论文 k ：娶【驯k 2 嚣 刚 冥中： 月k 一各区段货物列车走行公里总和： ”各区段货物列车旅行时间的总和 站停站时间。 4 ) 货物列车速度系数tp 拄) 艮= 鹾 ( 3 - 3 ) 包括运行时间和中问 ( 3 4 ) 其中： m ：一货物列车总的运行时间( 包括运行时分和起停附加时分) ： 。c ：一货物列车总的旅行时间( 运行时间加上停站时f 日j ) 。 一般来说拮越接近于1 ，表明列车在运行过程中的停站时间越 少，运行图的质量也就越高。因此，在编制列车运行图时，应力求把 旅行速度与技术速度的差别减少到最低。 上述指标均为在运行图付诸实现之前通过直接查定运行图来计 算的。可以说，它们是对列车运行图的静态分析。这种分析以按图行 车为前提，即意味着参与行车组织的各个行车环节都没有差错，而且 各个部门的工作都不受外界因素干扰的理想条件。客观地蜕，这种条 件在实际编图工作中基本上是不存在的。 而且，目前所采用的列车运行图质量评价的指标很难对不同线 路区段、不同客货列车对数、不同通过能力利用条件f 的运行图做出 准确的对比分柝。因此过分追求这些指标的提高有时并不利于整个运 行图编制质量的提高。 确切地说，衡量列车运行图的质量好坏只有通过铁路运输生产的 具体实践与检验来得出结论。1 张高质量的列车运行图不仅要保证好 的质量指标，而且也要在执行过程中能有效地承受各种外界因素的影 响，即具有较强的适应性。 壁望型堂堑窭堕堡主堂垡堡窭 另外，为了配合车站的作业过程，协调好车、机、工、电、辆等 部门各工种的工作，铁路部门要求编制的列车运行图中各次列车的运 行线均能实现均衡分布。因为车站的接发能力是有限的，如果在运行 图中出现大量列车在某时间段内密集到达或出发，将会给车站作业 压力，甚至无法应对，其结果是严重影响到列车在区段内或方向上的 旅行速度以及机车使用的质量指标。因此，对列车运行图的评价，除 了上述指标外，还应对其均衡性和弹性进行分析。 3 1 4 列车运行图的均衡性评价 评估一张列车运行图编制质量的优劣除了上节中所涉及的指标 以外，另一个很重要的指标就是一昼夜列车运行线分布的均衡性，尤 其是列车在技术站到发的均衡性，它将直接影响车站的通过能力和作 业进程，影响列车在区段内的旅行速度和机车的运用以及车站设备的 利用等质量指标。因此，一张高质量的列车运行图要求列车在技术站 的到发较为均衡地分布，从而为车站工作创造良好的条件。 长期以来，我国铁路对列车运行图均衡性的评价一直没有一个明 确的标准和确切定义，基本上都是编图人员凭借感觉和经验来判断和 比较的。这显然不是一种科学的评价方法。在技术站列车到发时刻已 定的情况下，在“参考文献”中 刻分布是否均衡的两个指标，即： 该指标值越大，列车分布越不均衡 一般而言，均衡是事物在空间 观测的事物群体在时间和空间上都 给出了此条件下衡量列车到、发时 相邻方差和时间间隔方差。并认为 强度上的最佳分布。也就是说，所 是均衡的 均匀分布的。这样的一种最佳的理想分布状 种条件的限制和约束，以及一些偶发因素的 一方面，考虑到社会经济和人们生活习惯， 更大范围内给予看待，如在些客流高峰期 些。因此，需要对所评价的对象的状态做 1 9 ，个体的强度在群体中是 态，在现实生活中由于各 影响，是很难达到的。另 均衡性的要求必须在一个 安排的列车密度要相应大 出准确的描述，以便使评 壁堂型堂堑塞堕堡主堂焦堕塞 价的结论其有科学的依据。 最后。编图人员在编制列车运行图时除了要考虑以上的技术指标 外，还要考虑实际线路施工维修、进路交叉、股道数量、客车库线等 情况。 3 2 计算机编制列车运行图的方法 3 2 1 计算机编图方法综述 综观国内外对计算机编图研究的历史和现阶段的情况，所采用的 方法主要有以下几种； ( 1 )模拟方法 模拟方法分为模拟列车运行和模拟人工铺画等方法。这些方法主 要以人工编图的原则和经验为依据，制定和生成计算机编图的判别准 则和执行程序，从而实现人工编图的全过程。 采用模拟方法编制列车运行图，其质量和效果在很大程度上要取 决于所制定的判别准则和程序设计的合理性与全面性。随着计算机软 硬件技术的不断发展和编程水平的提高，对该方法的实用性和有效性 还需作进一步的研究。 某 ( 2 )移动列车始发点 该方法一般在编制双线区段列车运行图时采用。首先在编图时按 时间间隔给定列车始发点，实现一条运行线的行车间隔检查及处 理的递推铺画，然后再检查列车j 剞的间隔时分。当发现间隔时分不满 足规定的间隔时间要求时，则移动列车始发点，重新进行该条运行线 的铺画，如此重复进行，直到处理完毕为止。 ( 3 )逐区间递推铺画 该方法主要用于单线区段列车运行图的铺画。即从该区段的某一 端开始，依照区间出现的先后颞序进行检查铺画。其中以时闻递增铺 画运行线的方式称顺向铺画，而以时间递减铺画运行线的方式称为反 向铺画( 或逆向铺画) 。另外，也可以从限制区间开始向区段两端延 2 f l 铁道科学研究院硕十学位论文 伸铺画。本文示例系统中的铺画算法采用的就是此种方法。 ( 4 )数学模型方法 利用逻辑代数、线性规划、图论及动态规划方法，通过编程实现 计算机的求解。从目前的研究结果看，由于列车运行图涉及面广、影 响因素繁杂，难以用特定的模型进行描述，有些因素还难以用数学公 式表达，有些因素甚至本身之间就是相互矛盾和相互制约的。对于这 样一个n p 完全问题，鉴于现阶段计算机的速度、容量以及算法上的 局限，还难以通过数学模型和相应的求解算法得出满意且符合实际的 列车运行图。但随着计算机软硬件的进步发展，加上今后在数学方 法上的研究与突破，这种方法有可能是计算机编制列车运行图能够取 得实质上突破的一个重要方向。本文在下节中将尝试利用遗传算法对 计算机编制列车运行图进行分析。 ( 5 )人工智能专家系统方法 这是一种利用智能化语言编程，把编制列车运行图的物理条件和 人工经验作为适应知识规则来生成编图专家系统，并按照列车的走行 顺序进行组合的运行实验。该方法首先起源于日本，它是在对“人工 智能”的研究及运用日趋活跃的背景下发展起来的。本文中将要详细 介绍的c o m m o n k a d s 方法在编制列车运行图中的应用即是属于这 类方法。 ( 6 )范围约束搜索树法 该方法是把列车运行图看作各区间列车顺序的一个组合，并以运 行时间带来代替运行线进行铺酝，从而把运行图的编制作为一个搜索 问题来解决。所谓时间带，是让列车运行图具有一定的时间幅度，也 就是说，在时间带表示的范围内列车的设定是可行的反之则习；然。 这样引入列车运行时间带的概念，就可以把列车运行顺序按运行线处 理的很多组合作为一个组合问题，从而使计算机的搜索空间大大缩 小，使得按列车运行顺序的组合进行列车运行图的编制成为可能。 由于采用以时间带代替运行线铺画列车运行图，因此各列车的运 2 铁遭科学研究院硕十学位论文 行时间带在各区间单独考虑时，幅度比较宽，但如果把相邻区间合并 起来考虑，由于列车运行的连续性，各列车就会因自身或与其他列车 之间相互制约的可能到发时刻，随着在时刻上的传播与约束，会使得 时间带的宽度逐步变窄。当被考虑的区间逐步增多，各列车运行时白j 带的宽度也越来越窄，甚至接近于一条列车运行线。 用运行时间带铺画列车运行图时，各区f 哪列车的运行顺序具有这 样的关系：即后一区问( 或从某站出发的) 的列车运行顺序，是根据 前一区间( 或到达该站) 的列车运行顺序按照列车在该站停车、通过、 会车或待避等约束条件形成的。用图形可表示为如图3 + 12 所示的搜 索树结构图。在搜索树中，每个节点表示某一区间车的各种运行顺序， 从某个节点展开的各个节点对应下一区间的列车的各种运行顺序。这 样，编制列车运行图可以利用计算机生成各区间的运行顺序，即生成 搜索树，通过对搜索树进行搜索实现。对于搜索树的求解，可以采用 人工智能理论中的状态空间搜索方法和画面理解的约束传播方法进 行解决。 拟节点 一区间 行顺序 二区间 行顺序 后区间 行顺序 图3 1 2 搜索树结构图 该方法的特点为：整个编图过程很接近于人工编图的思维特点 铁道科学研究院硕十学位论文 能较好地处理各种列车的关系，确定列车合理的会让地点，合理分配 列车之间的空费时间，既能照硕高级列车的优先性，又能为低级列车 的运行创造良好的条件。由于范围搜索约束法能够考虑许多运行图方 案，因而，铺莉的列车运行图具有较好的质量指标。但范围约束有其 严重的弱点，即：当区段内的运行列车数目较多或车站数目较多时， 采用此方法铺画列车运行图，计算机搜索的状态空间十分庞大，运算 时间长，有时甚至无法实现。 列车运行图的编制，具有影响因素多，组织规模大，信息量大， 变化快的特点。从决策问题的特征进行分析，运行图编制可分为方案 图( 草图) 的编制、基本图( 详图) 编制和实绩列车运行图编制。在 上述三类运行图编图层处理的决策问题中，结构化决策问题和非结构 化决策问题的比例可用图3 13 表示。 非结构化 编制列车运行图方案图 编制列车运行图基本图 编制实绩列车运行图 结掏化 图3 一l3 问题结构化程度示意图 在制定列车运行方案图过程中，要确定旅客列车和货物列车的种 类、行车量、运行区间、列车编组等问题，这些大部分是与国家政策、 经济形势、市场变化等因素相关的非结构化决策问题。在列车运行图 基本图编制的过程中，既有许多结构化问题，如列车到发时刻的计算、 列车运行线铺画是否违反了设备制约条件的判断等，也有许多非结构 化决策问题，如设备能力不足时，对列车运行方案的调整等。因此， 列车基本运行图的编制是一个半结构化的决策问题。 从上面的分析可看出，利用计算机编制列车运行图是一个要求理 论与实际相结合、技术难度非常大的工作，国内外学者为此做了大量 铁道科学硼究院硕士学位论文 的研究工作，尝试过许多解决方法，但是他们在取得一定成果的同时， 又存在着各种问题，而产生这些问题的根本原因就在于他们所采用的 方法都是把列车运行图的编制问题作为结构化决策问题全部交由计 算机来处理。实际上，正如上述讨论的那样，编制列车运行图的过程 是在有限的铁路运输设备和人力的条件下，把由战略计划层制定的列 车运行方案变为具体的能够实施的列车运行计划的过程。在这个过程 中。既有结构化决策问题，又有非结构化决策问题，处理时不能一概 而论。为此，结合我国实际情况，提出了采用人机对话方式编制客货 列车运行图的方法。 在编图过程中，编图者的业务知识可分为3 个部分，即： ( 1 ) 编制列车运行图的技能。 ( 2 ) 编图区段内与行车有关的铁路设施、设备情况以及与统计图 有关的数据。 ( 3 ) 编图区段列车运行方案、运输需求和客流情况等信息。 当采用手工的方式编制列车运行图时，编图者先利用已掌握的知 识( 第3 部分) 将列车运行图编制问题分解为某条列车运行线的铺画 子问题，然后，再利用知识( 第l 部分) 铺画出该列车运行线。重复 上述操作，即可完成列车运幸亍图的编制工作。 为了提高列车运行图的编制效率，考虑将第1 、2 部分知识赋予 计算机，使编图者只需根据自己所掌握的第3 部分知识，采用人机对 话方式，由计算机编制列车运行图，其示意图如图3 14 所示。 实践证明，采用以模型优化计算机控制为主，人机对话调整为辅， 人机结合互补的方式编制列车运行图，其特点是： ( 1 ) 能充分发挥计算机的调整计算能力和人的主观能动性，避免 了采用单一方式所带来的不足。 ( 2 1 结合了我国编图的实际情况，能有效地解决客货列车运行图 综合编制、复线方向直通列车在技术站接续、枢纽各衔接方向列车的 均衡到达、各局间分界口列车台理衔接、枢纽内大小运转列车的协调 铁道科学研究院硕士学位论文 配合以及机车交路勾画等问题。 计算机其他铁路计划制定者 2 线路设备 输 有关知识 出厂 人( 数据库) 一l 列车运行图 1 编制列车 运行图技能 阅读列车 运行图知 ( 模型) 识 伞命令 _o l l j 车零鳓案 图3 14 人机对话编制列车运行图示意图 3 2 2 编制列车运行图的几种算法分析与研究 本职工作 关的知识 上一节中己对列车运行图的编制方法进行了表述。下面介绍一些 可用于列车运行图编制的典型算法。 对于一区段，我们可以建立如下模型： 假设对一区段a ，拟铺画上行列车n s 对，下行列车n x 对。则 其变量可定义如下： x d 一下行第f 列车终到或离开