（交通运输规划与管理专业论文）计算机编制高中速共线旅客列车运行图.pdf

摘要 列车运行图是铁路行车组织工作的基础，其编制问题属于大规模 的多目标优化问题。作为铁路行车组织自动化的重要内容，应用计算 机编制列车运行图的相关研究也取得了较大进展。高速铁路由于列车 密度大、速度高，运输生产节奏快、整体性强，当出现各种随机干扰 时，运行调整难度大。我国新建的高速线在很长段时间内将采用“高 中速共线 的运输组织模式，这一特殊模式给高速铁路行车组织工作 带来了不少新问题，也使得高速铁路列车运行调整问题更复杂、更困 难。根据我国高速铁路的特点，需要及时地研究高速铁路运行图的编 制理论与方法来与之适应，进而指导实践工作。 以京沪客运专线为实例，从系统角度研究与探讨了高中速共线条 件下编制旅客列车运行图的计算机实现问题，主要进行的工作有：通 过总结国内外有关既有线和新建高速线列车运输组织问题的研究成 果与存在问题，结合国外高速铁路的运营经验，根据我国新建高速线 上列车运行图的特点，将全图均衡性和列车到发时间带分布作为列车 运行图的重要评价指标。建立了基于下列条件的列车运行图编制模 型：高速列车运行图的结构弹性及应变能力、列车运行约束、高速线 与既有线的衔接、到发线的优化使用和紧急状况下大面积运行调整 等。改进了初始布点法和“窗口镜”法等算法。 建立的高中速共线条件下高速铁路旅客列车运行图的全过程编 制系统，具有友好的界面和较强的人机交互功能，为优化现有列车运 行图和新编高速线列车运行图提供了一种实验工具。通过对复杂运营 条件下高速铁路列车运输组织过程进行实例模拟，生成了满足各相关 约束的列车运行图。 关键词：高速铁路，运输组织，运行图编制，运行调整，高中速共 线 a b s t r a c t t r a i no p e r a t i o nd i a g r a mi st h eb a s i so fr a i l w a yt r a f f i co r g a n i z a t i o n i t sp r o c e s s i n gb e l o n g st om u l t i o b je c t i v eo p t i m i z e di s s u e a sa ni m p o r t a n t w o r ko fa u t o m a t i o n o f r a i l w a y t r a f f i c o r g a n i z a t i o n ，t h e r e s e a r c h c o n c e r n i n gt h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rp r o g r a m m i n go nt r a i nd i a g r a m h a sa l s om a d eag r e a tp r o c e s s o w i n gt oh e a v yt r a f f i co fh i g h s p e e d r a i l w a ya n dq u i c kr h y t h mo ft r a n s p o r t a t i o np r o d u c t i o n ，w h e nr a n d o m d i s t u r b a n c eo c c u r s ，t h ea d j u s t m e n ti sd i f f i c u l tt om a k e t h en e w l y - b u i l t h i g h - s p e e dr a i l w a yi nc h i n aw i l li nal o n gt i m ea d o p t “c o m m o nl i n eo f h i g h - s p e e dt r a i n sa n dm e d i u m s p e e dt r a i n s ，w h i c hb r i n g sa b o u tas e r i e s o fn e wp r o b l e m st oh i g h s p e e dr a i l w a yo r g a n i z a t i o na n dm a k et h e a d j u s t m e n t m o r e c o m p l i c a t e d a n d d i f f i c u l t a c c o r d i n g t ot h e c h a r a c t e r i s t i c so f h i g h s p e e dr a i l w a yi nc h i n a ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h e t h e o r ya n dm e t h o do fp r o g r a m m i n go ft r a i nd i a g r a mi no r d e rt oi n s t r u c t t h ep r a c t i c a lw o r k s t a k et h ej i n g h us p e c i a lp a s s e n g e rl i n ea sa ne x a m p l e ，t h ep a p e r h a ss t u d i e da n dd i s c u s s e d t h e p r o b l e m o f r e a l i z i n g c o m p u t e r - p r o g r a m m i n go ft r a i nd i a g r a mu n d e rt h e c o n d i t i o no ft h e c o m m o nl i n e t h et a s k sr e m a i n i n gt ob ec o m p l e t e da r e ：b ys u m m a r i z i n g r e s e a r c hr e s u l t sa n dp r o b l e m so nb o t hd o m e s t i ca n do v e r s e a se x i s t i n g r a i l w a ya n do r g a n i z a t i o no fn e w l y b u i l th i g h - s p e e dr a i l w a y , c o m b i n i n g t h eo p e r a t i n ge x p e r i e n c eo fh i g h s p e e dr a i l w a yi nf o r e i g nc o u n t r i e s ，a n d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a i nd i a g r a m ，t h ea u t h o rr e g a r d st h e p r o p o r t i o n o ft h e d i a g r a m a n dt h et r a i n s a r r i v i n ga n dd i s p a t c h i n g t i m e d i s t r i b u t i o na sa ni m p o r t a n te v a l u a t i n gi n d e xo ft r a i nd i a g r a m t h e a u t h o rh a se s t a b l i s h e dp r o g r a m m i n gm o d e l so ft r a i nd i a g r a mb a s e do n f o l l o w i n gc o n d i t i o n s ：t h es t r u c t u r ea n dt h ec a p a b i l i t yo ft r a i nd i a g r a m ， o p e r a t i n g r e s t r i c t i o no ft r a i n ，c o n n e c t i o no fh i g h s p e e dr a i l w a ya n d e x i s t i n gr a i l w a y , o p t i m i z a t i o no ft h ea r r i v i n ga n dd i s p a t c h i n gl i n ea n dt h e a d ju s t m e n tu n d e re m e r g e n c yc o n d i t i o n s t h ea u t h o rh a sa l s oi m p r o v e d t h em e t h o do fi n i t i a ld i s t r i b u t e dp o i n ta n d “t i m es p a c el i m i t e dw i n d o w ”， a n de s t a b l i s h e dt h ew h o l ep r o g r a m m i n gs y s t e mo f p a s s e n g e rt r a i n d i a g r a m t h i ss y s t e m ，w i t hi t s f i n e l ya p p l i c a b i l i t y a n df l e x i b l e m a n 。m a c h i n ei n t e r a c t i v eo p e r a t i o n ，p r o v i d e sa g o o de x p e r i m e n t a lt o o lf o r b o t he x i s t i n ga n dn e w l y b u i l tt r a i nd i a g r a m s t h r o u g ht h es i m u l a t i o no f o r g a n i z a t i o np r o c e s so fh i g h s p e e dr a i l w a yu n d e r c o m p l e xc o n d i t i o n s ，t h e a u t h o rh a sp r o d u c e dt r a i nd i a g r a m ss a t i s f y i n gi n t e r r e l a t e dr e s t r i c t i o n s k e y w o r d s ：h i g h s p e e dr a i l w a y , t r a n s p o r t a t i o n o r g a n i z a t i o n ， p r o g r a m m i n go ft r a i nd i a g r a m ，o p e r a t i o na d ju s t m e n t ，c o m m o nl i n eo f h i g h s p e e dt r a i na n dm e d i u m s p e e dt r a i n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论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，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名_ 薹查邀日期：亟巫l 年卫月丛日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名：董止! 垒 导师签名邋日期：王翌生年土月生日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 我国在经济发达、人口密集的运输大通道地区，铁路运能严重不足，已成为 制约国民经济发展的“瓶颈”n 3 。面对既有线路的速度提高空间越来越小的现实， 为了从根本上解决这一问题，积极研究和发展我国的高速铁路，已是我国铁路发 展的当务之急1 2 1 。 1 1 高速铁路发展现状 1 1 1 国外高速铁路发展及模式 高速铁路作为世界上目前速度最快的陆上交通工具，代表着世界铁路发展的 方向【3 】。高速铁路采用全立交、全封闭方式，在轨道上运行，是目前各种交通方 式中较为安全的运输种类 4 1 。继日本新干线、法国t g v 高速铁路的建成和成功 运营后，德国、意大利、西班牙等各国都相继修建了高速铁路，韩国、印度、澳 大利亚及我国台湾地区等也启动了高速铁路项目晦吲。 ( 1 ) 基本建设模式 高速铁路的建设模式包括修建模式和运输组织模式。修建模式有新建高速线 路和改造既有线路两种，其中新建高速线路又分为与既有线路并行修建和远离既 有线路修建两种1 ；运输组织模式是指高速线路按客运专线或客货混用的方式进 行运营，其中客运专线按列车运行方案又可分为全高速旅客列车运行和高中速旅 客列车共线运行两种n 们1 2 3 。 各国高速铁路在实际运营中采用的运输组织模式也可以大致归纳为下面三 种类型。第一种是“全高速一换乘”模式，以日本为代表。由于日本新干线与既 有线轨距不同，高速线上仅运行高速列车，且高速列车运行范围仅为高速线，无 跨线列车运行，直通客流大，跨线旅客采用换乘的方式阳1 。第二种是“全高速一 下线运行模式，以法国为代表。即高速线上仅运行高速列车，但这些高速列车 不仅可以在高速线上运行而且还可以在与高速线衔接的既有线路上运行。目前法 国高速铁路长1 9 6 5 k m ，通达里程超过7 0 0 0 k m n 副。第三种是“混合运输 模式， 以德国、意大利、英国等国家为代表。即高速线不仅运行旅客列车( 包括高速列 车和普通列车) ，还运行货物列车。德国i c e 高速列车也采用了下高速线的模式， 目前该国高速线路长1 2 5l k m ，通达里程4 7 5 2 k m 陌儿1 4 1 。 ( 2 ) 运输产品区分等级 一些国家的高速线上运行着不同等级的运输产品。以日本东海道山阳新干 线为例，列车按等级分为希望号、光号和回声号三种。三种运输产品在速度、票 硕士学位论文第一章绪论 价、运行区间、停站数、停站时间、编组数、席位设置等方面均有差别儿1 5 儿1 6 1 。 在速度方面，希望号最高运行速度2 8 5 3 0 0 k m h ，列车类型包括n 7 0 0 系( 倾 摆式) 、5 0 0 系和7 0 0 系；光号为2 7 0 - 2 8 5 k m h ，列车类型包括铁道之星7 0 0 ( 8 节) 、7 0 0 系( 1 6 节) 和3 0 0 系；回声号为2 2 0 k m h ，列车类型为1 0 0 系。在票 价方面，光号和回声号相同；希望号指定席附加费按列车运行距离有所增加，一 共有2 0 0 日元、3 0 0 日元、4 0 0 日元、5 0 0 日元和6 0 0 日元5 个等级。在运行区 间方面，希望号运行区间长达1 1 7 5 k m ( 东京一博多) ，主要承担中长途高速客运； 光号运行区间长达7 3 3 k m ( 东京一冈山) ，回声号运行区间长达5 5 3 k m ( 东京一 。新大阪) ，两者主要承担中短途高速客运。 在停站数量方面，东京一新大阪全线设置车站1 7 个，希望号中间停站3 4 个；光号增加到5 - 8 个；回声号则增加到1 5 个，加上首末两个基点站，每一站 都停留。在停站时间方面，希望号一般停站时间为1 2 分钟，光号和回声号则相 对延长至1 - 6 分不等。其中，光号停站时间达到4 6 分的列车比例大约1 8 之o ， 回声号比例上升至3 5 左右。 在列车编组方面，希望号所有列车1 6 节编组，光号分1 6 节和8 节两种，回 声号有1 6 节、8 节、6 节、4 节四种。在席位设置方面，希望号指定席车厢1 3 个，所占比例8 1 ；光号指定席占6 2 0 o - 6 9 ；回声号1 6 节编组类列车指定席比 例为3 7 5 ，其余三种编组类列车为1 2 5 2 5 。指定席车票与我国铁路现有的 车票类似，乘客在旅行途中拥有固定的席位；而自由席车票票价更低一些，体现 了新干线公交化的特点。可以看出，速度最快的列车，票价最高，运行区间长， 停站数和停站时间最少，列车编组最长，指定席最多。 这种严格区分运输产品等级的运营模式，既有利于发挥高速运输的优势，又 能针对运输市场的不同需求，推出差异化的运输产品。 ( 3 ) 列车编组方式灵活 灵活编组是指按旅客出行地点、方向的不同或人数的变化，分段摘挂或改变 列车的前进方向。法国铁路充分利用t g v 高速列车可以联挂的特性，在一天、一 周或例外的高峰时刻，实行两组列车联挂编组运行，抵达某一指定中间站后分离 成若干列终点站不同的列车继续运行，以载运更多的乘客。日本新干线，德国 i c e 2 也采用了类似的灵活方式，既能节省运能、满足运量的需要，又能在与汽 车运输的竞争中占得优势。 1 1 2 我国高速铁路发展及模式 1 9 9 4 年，我国在广州一深圳间建立了第一条准高速线。2 0 0 3 年，第一条客 运专线秦沈线建立。广深高速线，秦沈客运专线等线路都是现有的区别于普通轨 2 硕士学位论文第一章绪论 道线路的短途准高速线或高速客运线( 世界上高速铁路的定义是时速在2 0 0 k i n 以上的铁路线路，准高速是我国的定义) n 力n8 l 。其它高速线路如京沪高速线、武 广客运专线正在建设中，未来多条高速线准备投入建设。在建或拟建的代表性高 速铁路线包括“四纵四横”客运专线和三个城际客运系统。“四纵 包括京沪、 京广、京哈和杭沪深4 条客运专线。“四横指徐兰、杭长、青太和宁汉蓉四条 客运专线。三个重点建设的城际客运系统则位于环渤海地区、长江三角洲地区和 珠江三角洲地区n9 。因此我国的高速铁路建设才刚刚起步，需要借鉴各国的先进 经验，并结合我国国情，进行更深入的研究分析。 我国高速铁路的建设模式的选择要根据国情决定。首先，我国由于既有繁忙 干线沿线人口稠密、客流集中，因此采取与既有线并行修建或改造既有线路的方 式较好。其次，由于干线运输能力的不足要求高速线分担客流，需要采取高中速 客车混行的方式。再次，现有旅客列车与货物列车的速差大，在高中速混行条件 下，将使扣除系数增大，降低区间通过能力，并且既有线路的曲线半径小的路段 多，施工难度大，所以不宜采用既有线改造模式。又由于既有线路已形成庞大的 路网，跨线列车较多，高速铁路难于自成体系。在这些条件下，我国发展高速铁 路，采取沿既有线路并行修建的建设模式，实行新线高中速混行、既有线以货运 为主并开行少量中速和低速旅客列车的运输组织模式是符合国情的。这样，在既 有线逐步把列车速度从常规提高到中速，而高速线则以高速和中速旅客列车为 主。如俄罗斯的莫斯科一圣彼得堡铁路线和波兰铁路网的现代化皆系把时速从 1 2 0 k m 逐步提高到1 4 0 k m 、1 6 0k m 、1 8 0k m 而完成，我国铁道部通过六次大提 速已经初步完成既有线的提速改造。接下来，在取得大提速的实践经验和具备 技术经济条件的基础下，可选择客运量特别繁忙的经济发达地区，修建高速铁路， 打破传统的客货共线技术，实行客货分线运输，这也是扩充我国铁路能力，提高 铁路服务质量的关键步骤。 1 2 计算机铺画运行图的研究现状 运行线是列车运行图的重要组成部分。运行线的约束包括时间带约束、列车 间间隔约束、到发线数量约束等。铁路列车运行图在铁路行车组织工作中起着极 其重要的作用，但是由手工编制的列车运行图，出图准确度不能得到保证，而且 光就绘图而言就要花费编图人员相当长的时间和精力。随着计算机的普及和功能 的完善，手工制图的方式正逐步向计算机编制转变。 利用计算机强大的计算和自动处理能力，我们不仅能够使绘制出的运行图各 项技术指标满足相关的严格要求，而且在经过人机结合方式进行优化后远高于手 工制图的水平。这也是我国铁路实现列车运行图编制自动化的重要内容之一。 3 硕十学位论文 第一章绪论 1 2 1 国外列车运行图编制的研究现状 国外对计算机编, i j y f j 车运行图的研究开始于上世纪5 0 年代后期，经过长期 的研究，取得了很多成果。 俄罗斯( 前苏联) 1 9 5 7 年开始电算编图的研究工作【2 l 】。1 9 8 8 年利用人机对 话方式，在给定旅客列车和摘挂列车运行线的基础上，编制了三万多公里的单、 双线列车运行图。主要方法是：自某一时刻开始，按上、下行交替进行的原则， 人工给定货物列车在区段两端车站的发车时刻；然后由计算机依次检查、调整并 生成列车运行线。如果该运行线不理想，就重新设定发车时间，再次铺画【2 2 】【2 3 】。 西欧地区利用计算机编图的起点较高。法国开发了实时列车自动跟踪系统， 具有运行图的实时调整功能。t g v 高速铁路尽管运行着不同速度的列车，但速 度均在2 0 0 k m h 以上，速度等级差别不大，目前其追踪间隔设置为4 m i n 。但在 实际运营中，列车运行间隔时间大，旅客出行高峰时段密集发车，非高峰时段列 车密度较小，列车运行图能力较富余【2 4 儿2 引。德国高速线路按客货共线运行设计， 但只是指高速铁路的技术装备具备共线运行的性能，但实际列车运行的组织方式 为白天运行不同速度的旅客列车( i c e ，i c ，t e e 等) ，夜间运行货物列车。这是德 国高速铁路运行图的主要特点，且旅客列车运行也有高峰期和非高峰期，运行图 能力也较富余，运行调整比较容易实现f 2 6 - 3 0 1 。 日本从1 9 6 0 年开始研究计算机编制列车运行图【3 l 】。进入8 0 年代后，日本 在人机对话的基础上引入智能方法，建立了列车运行图编制系统【3 2 1 。该系统包 括六个子系统：运转曲线绘制子系统、列车运行图编制子系统、车辆运用周转图 子系统、乘务派班计划编制子系统、相关业务子系统及列车运行图评价予系统 1 3 3 。于7 0 年代初期提出一套列车运营管理系统c o m t r a c ，其主要目标有两个： 一是根据运输市场的变化编制灵活的运输计划；二是当列车运行晚点时编制列车 运行调整计划。于9 0 年代中期提出了c o s m o s 列车运营管理系统，在提高列 车运行速度、降低成本方面效果显著，并能灵活地适应不断变化的运输需求。该 国铁路研究部门从8 0 年代后期起开始研制新的列车控制系统，命名为“下一代 列车运行控制系统，又叫计算机无线列车控制系统，即c a r a t 。由于日本新 干线运营的良好表现，这一研究计划得到了世界各国铁路行业人士的高度关注。 日本的东海道山阳新干线运行着3 种不同速度的高速列车，最高速度均高 于2 0 0 k m h p 4 。在运行图中各车站间的距离较短，高速列车频繁地停站和越行， 但列车启动和制动速度快，停站时间较短，列车仍然保持着较高的旅行速度。在 不等速列车间的待避、越行时，列车停留时刻、沿途停站时间及站间距离三者之 间得到了较好的协调。日本高速铁路运行图的能力利用率比较高，采用的是一种 4 硕士学位论文 第一章绪论 均衡运输的模式，看不出明显的运行高峰和非高峰时间。但图中编制了相当多的 假日运行线，这些线在平日可作为备用运行线使用1 3 5 1 1 36 。这是日本高速运行图 的显著特点。这一点可以为我国编制列车运行图所借鉴。 国外的计算机编图理论和方法难以应用于我国铁路，主要原因包括： ( 1 ) 发达国家交通网络比较完备，铁路运能充足，运行图密度较小，实现 全图铺画难度相对较低。 ( 2 ) 发达国家铁路通常采用规划型运输组织模式，行车调度起辅助作用； 我国采用组织型运输组织模式，列车日常运行调整的调度工作难度加大。 ( 3 ) 发达国家计算机编图的智能化程度较高，能灵活地适应运输市场的变 化；我国利用计算机编图主要采用人机对话的方式，只能缩短编图时间，减少计 算工作量，却难以提高编图质量。 1 2 2 我国计算机铺画运行图的研究现状 我国从上世纪6 0 年代初期开始研究利用计算机编制列车运行图，经过近5 0 年的发展积累了大量经验。国内一些科研院所、高校的很多专家学者在这方面进 行了大量的研究工作，取得了引人注目的成果。部分成果己投入实际应用，效果 显著。 1 9 6 2 年，中国铁道科学研究院运经所( 原铁道部科学研究院运输所) 首次 利用计算机编制非平行运行图。2 0 世纪7 0 年代后开始研究利用计算机编制全图 直通旅客列车方案，于1 9 8 5 年开发成功软件“人机对话方式铺画全路直通客车 方案，已投入实际应用f 了7 1 。近来该科研单位在高速铁路旅客列车开行方案和运 行图编制等方面进行了大量研究【3 8 郴j 。 北京交通大学( 原北方交通大学) 对网状线路列车运行图和高速列车运行图 的计算机编制实现进行了大量研究。从上世纪7 0 年代初开始对计算机编图进行 研究。文献 4 6 】对利用计算机编制列车运行图的基本算法和作业流程进行了描 述，具体分析了运行图的动态性能指标。文献 4 7 】 4 8 特别对列车晚点传播理论 进行了深入研究，并进一步研究建立列车晚点模拟系统，为铺画弹性列车运行图 和改进运行图动态指标得出了很多有指导意义的结论。文献 4 9 5 4 通过模拟铺画 满表列车运行图，采用“撒点法”，研究运行图的结构弹性和均衡性。近年来， 提出了网状线路运行图实验平台的基础理论，研究了京沪高速运行图编制的一些 方法和理论。文献 5 5 】【5 6 】 5 7 】针对高速列车运行图提出了阶段移线法以进行运行 调整。文献 5 8 5 9 】提出了离散事件动态系统( d e d s ) 数学模型和分层决策滚动 优化方法。 西南交通大学从上个世纪8 0 年代初开始研究列车运行调整优化的方法和理 硕士学位论文 第一章绪论 论。文献 6 0 6 1 1 1 6 2 研究了计算机编制单线和复线货物列车运行图的模型和方 法。提出的“窗口镜法”对运行图调整有着指导意义。该方法首先在某一个或几 个区间的某一时段开一个“窗口”，然后对窗口内的列车进行运行调整和优化， 通过滚动窗口来寻求满意解。窗口大小一般单线取4 个区间7 条运行线，复线取 1 0 个区间2 0 条运行线。文献 6 3 6 8 深入研究了计算机编图系统的相关理论，在 实际应用方面取得了质的突破。该校通过与一些路局合作，设计了运行图编制专 家系统，随着研究的不断深入，完成了全路列车运行图和局部列车运行图的计算 机编制系统设计。在铁路第5 次提速调图过程中，铁路部门采用该校研制的全路 客车运行图编制系统，得到了各路局运营单位的高度评价。 中南大学铁道学院( 原长沙铁道学院) 在计算机自动编制列车运行图和运行 图的自动调整优化等方面做了大量的研究工作。先后研究了动态规划法、统筹图 法、分枝定界法、原始对偶法、区间推进法、时间循环迭代法等优化理论和方法。 文献 6 9 7 2 分别在旅客列车运行方案、旅客列车开发点优化及旅客列车运行图编 制要点等方面得出了一些研究结论。文献 7 3 】【7 4 研究了单线列车运行图的计算 机编制实现问题，提出了时间循环迭代优化方法。基于这一方法，重点研究运行 调整问题，并针对运行图优化方案剧增产生的组合爆炸问题，提出了最早冲突法， 通过将松弛运行计划中的冲突序列化后，可以有效化解列车间的运行冲突。利用 该方法得到的阶段计划质量高，运行速度好，取得了理想的效果。 其他很多高校和路局，包括兰州交通大学( 原兰州铁道学院) 、同济大学( 原 上海铁道大学) 、大连交通大学( 原大连铁道学院) 、石家庄铁道学院、铁路各大 路局等单位也在列车运行图编制理论和实践方面进行了长期研究。 1 3 国外高速铁路运行图的特点 国外高速铁路普遍实行周期性列车运行图。 日本新干线具有明显的模式化特点。每个小时开出的各类列车具有稳定的数 量，且同类列车在同一车站具有相同的到发( 通过) 或停站时间，在此基础上形 成了一个相对固定的基本运行图模式。计划运行图( 实绩运行图) 都是在基本运 行图上抽线后形成的。以2 0 0 7 年0 7 月的东京站始发的东海道山阳新干线列车 时刻表为例，从6 ：0 0 - 2 2 0 0 ，每小时都包含1 3 列不同等级的列车，其中希望 号9 列，光号和回声号各2 列；希望号发车时刻集中在每小时的0 3 、1 3 、1 6 、 2 0 、2 6 、3 3 、4 6 、5 0 、5 3 分，光号集中于0 6 、3 6 分，回声号为2 3 、5 6 分【7 5 j 。 在一天的不同时段、一周内的不同日子或一年内的不同季节，实际开行的列车数 量有所增减，但各类列车在车站的到发、停靠时刻却长期保持不变，形成十分严 格的规律。这不仅极大地方便了旅客记忆，而且有利于运营管理人员根据客流变 6 硕士学位论文第一章绪论 化做出迅速反应。 法国高速铁路执行的是星期运行图。这种运行图根据周一至周五为工作日、 周六周日为休息日的社会生产和生活特点编制的。一般来说，在客流高峰时段基 本图上的运行线是满负荷使用的，而在客流较小时采取抽线的方式停开部分列 车。比如，周五开行的列车对数通常较多，周六则比较少。 德国高速铁路执行的是节拍式运行图。i c e ( 2 8 0 3 0 0k m h ) 以及i c 城际 列车( 2 0 0k m h ) 以0 5 h 、1 h 、2 h 的节拍开行，在编制运行图时充分考虑了不 同方向列车的接续问题口5 1 。旅客容易记忆节拍时间，铁路的全体运输能力也得到 均衡，相应技术作业具有明显的规律，而且有利于高速列车车底的套用，减少车 底使用数量。但缺点是列车实际运行速度要与运行图相适应，容易降低列车的平 均运行速度；而且在追踪间隔较小的情况下难以实现客货共线。 1 4 我国高速铁路运行图的特点 由于我国高速铁路与既有线路具有较多的衔接方向，而且在建成初期高速网 难以形成规模，故高速线上将运行相当数量的中速列车，其数量将随着高速铁路 的发展而逐步减少，因此，高速铁路运行图的采用模式必须适应这种变迁的要求。 根据前面的分析，我国高速铁路运行图必将是一个“短途集中、长途均衡，同类 列车局部集中、不同类型列车全图均衡”的运行图，且要经历一个初期集中，远 期均衡的发展过程。 我国高铁可采用“全高速+ 下线运行”的运输组织模式，即采取高中速共线 方式，短期内高速客运专线上采用3 0 0 公里时速和2 0 0 公里时速2 种高速动车组， 本线上高等级、长途列车采用3 0 0k m h 动车组，低等级、短途列车采用2 0 0k m h 动车组；再逐步扩大时速3 0 0 公里动车组的使用数量和运行范围，缩短旅行时间。 其优点包括： ( 1 ) 减少跨线旅客的换乘； ( 2 ) 减少换乘站台、到发线等铁路固定设施建设投资； ( 3 ) 能有效地利用铁路通过能力； ( 4 ) 有利于提高动车组使用率。 我国高铁公司可开发适合旅客需求的不同等级的客运产品。到2 0 2 0 年，我 国客专的路网规模将达到1 2 万公里，是目前世界高速铁路路网长度的1 6 倍n 钔。 我国客运专线在开发运输产品时，要从核心产品( 包括开行速度、时段、频次、 停站时间、停站次数) 和附加服务( 包括售票、引导系统、进出站、餐饮、保洁、 广播等) 两方面着手，使运输品牌形象生动地融入旅客心中，加深旅客印象，获 得旅客认同。高速铁路列车运行图编制更科学化、人性化。 7 硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 合理利用运输能力，注重高、中速列车运行线的排列，长、短途高速 列车运行线的排列以及动车组和车底的套用； ( 2 ) 充分考虑高速线与既有线在接轨站的协调，高速列车下到既有线后的 停靠方案和时间安排； ( 3 ) 提高列车运行图的弹性，在运行紊乱后，迅速恢复正常，保证经常处 于按图行车的状态，固定的列车时刻表方便旅客记忆和乘坐； ( 4 ) 制定合理的避让规则，确保低等级列车的旅行速度。 本文基于这一理念，高速线设计开行长途高速、短途高速、跨线中速和管内 中速等4 类旅客列车，其中跨线中速列车由于与其它线路衔接，在接入站的始发 时刻( 对本线而言) 是大致固定的。而其它3 类旅客列车的始发时刻则需要根据 旅客出行的要求制定规则，尽量做到均衡分布。其中长途列车在运行图中的处理 方式与“朝发夕至 或“夕发朝至”列车类似，短途列车则“早晚密集到发”， 其始发时刻相对比较集中。采用这一方式后，系统中数据处理的核心就是如何化 解高速与中速列车间的规避和越行冲突、高速列车间的追踪冲突、中速列车间的 追踪冲突。 1 5 研究内容及论文结构 本文针对我国高速铁路的特点，重点进行了高中速共线条件下列车运行图计 算机编制方法和系统设计及实现的研究。论文结构如下： 第一章为绪论，结合国外高速铁路的发展情况，分析了我国高速铁路发展模 式及建成初期采用高中速共线方式的原因，并对国内外计算机编制运行图的研究 现状进行了回顾和分析。将国外高速铁路运行图与我国高速铁路运行图的特点进 行了比较，分析了我国高速铁路列车运行图编制的新特点。 第二章对高中速共线列车运行图编制系统进行了分析。先比较了高速线与既 有线运行图编制的异同，分析了高中速共线条件下不同种类列车间的关系，进一 步确定了运行线的铺画原则和调整原则，并利用图示的方式直观展示了列车运行 中与前后相邻列车的时间间隔关系。 第三章建立了列车运行图的编制模型，研究了高中速共线条件下进行列车运 行调整的“窗口镜”法和初始步点法的改进。其实质是在保证行车安全的前提下， 化解列车运行中的相关约束，合理确定运行线占用区间的次序和确定列车在车站 的作业时间。在数学模型中对目标函数、各种约束的数学表达式和化解方法进行 了说明。详细阐述了改进“窗口镜”法的原理和步骤，分析了改进初始步点法对 运行图均衡性的影响及其原理和步骤。 第四章为运行图编制系的统设计与实现研究。对系统的结构和功能进行了分 8 硕士学位论文 第一章绪论 析，绘制了系统实现运行线铺画的详细流程图。以一条高速线路为实例，进行运 行图编制系统实现，验证改进算法的有效性，并对结果进行了评价和分析。 9 硕士学位论文第二章列车运行图编制系统分析 第二章列车运行图编制系统分析 本系统以计算机编制高中速共线运行条件下的列车运行图为研究对象，利用 计算机程序实现列车运行线的自动生成和调整。最后计算机自动对得到的松弛运 行图进行优化，实现了计算机编制列车运行图的实际应用。系统对列车的运行调 整是运行图编制的重点。本章将对此作重点分析。 2 1 高速线和既有线运行图编制的比较 编制高速列车运行图与非高速的工作内容相同，都是在距离( s ) ( 或运行时 分) 、时间( t ) 的坐标平面上确定满足各种约束条件，并达到一定目标的运行线 集合。 由于高速铁路在行车组织、列车运行速度、天窗设置等方面与非高速铁路有 较大差别，我国高速铁路列车运行图势必具有其自身的特点。 2 1 1 从通过能力分析 在非高速线路上，计算区间通过能力时，以中速列车扣除低速列车，而高速 线路是以中速列车扣除高速列车： ( 1 ) 因为某些高速列车有停站，本身也会产生额外扣除系数； ( 2 ) 因为高、中速列车速差大，中速列车的扣除系数也相应变大； ( 3 ) 高速列车的不同组合方式对通过能力的占用是不同的。 2 1 2 从中速列车上、下高速线路分析 高速线路上的中速列车包括跨线( 从其它线路接入本线) 运行的列车，要考 虑中速列车与全路直通客车方案的衔接，因而关系到列车的设定顺序及其铺画原 则。 2 1 3 运行图的整体布局分析 各时间段高、中速列车运行线的分布难以均衡： ( 1 ) 高速铁路列车运行图一般在夜间预留矩形天窗，是一张非闭合运行图； ( 2 ) 行程长的列车受到矩形天窗及旅客列车允许始发、终到时间的限制，其 始发、终到时刻只能集中在一定时间段内； ( 3 ) 短途高速列车为满足地方运输需要，拟早、晚密集到发； ( 4 ) 由于行程长，高、中速列车速差大，因此高、中速列车不可能分时运行， 高、中速列车运行线只能交错铺画。 1 0 硕士学位论文 第二章列车运行图编制系统分析 2 2 高中速共线运行图的特点 2 2 1 不同种类列车问关系 高速列车运行图中，高中速两类列车的关系不能简单地等同于非高速线上 客、货车的关系。这是因为一方面跨线中速列车受全路直通方案的约束，上、下 高速线的时刻只允许作有限移动，且旅行速度不得低于在非高速线上的速度；另 一方面，高速列车在与其它快速交通工具的竞争条件下，要求提高服务质量，势 必安排方便旅行的始发、终到时刻。这样增加了实现运行线均衡分布的难度。 2 2 2 高速列车分类 高速列车拟全部在高速线上到发，但其运行时间、运行区段不尽相同，对整 个运行图框架的影响程度也不同。因此，应根据其运行时间的长短和运行区段的 数量进行分类。可将其分为长途和短途两类。 2 2 3 中速列车分类 中速列车分为跨线列车和管内列车两种。跨线列车必须考虑与全路直通客车 方案相衔接，而管内列车则没有这一特定要求。如果跨线列车的始发或终到站位 于本线，在铺画方式上可以从受约束的一端开始，采用顺序或逆序进行铺画。跨 线列车在本线的始发( 即接入) 时刻是大致固定的，本线客车开行方案中的管内 中速列车则需要考虑全图的合理、均衡分布的要求，由系统自动依据相关规则进 行处理，确定始发时刻。 2 3 运行线铺画顺序 考虑到长途高速列车夕发朝至或朝发夕至，方便旅客出行，其始发时刻和终 到时刻应在一定时间段内；短途高速列车则应早晚密集到发，部分旅行时间较长 或跨越区间较多的列车可类似于长途高速列车进行处理，前提是不对长途高速列 车线的铺画造成显著的负面影响，具体由计算机系统判定；跨线中速列车应与其 它线路合理衔接，其接入时间只能做有限的机动，但可通过控制其在接入站的停 留时间来进行微调；管内中速原则上以满足旅客出行为目的，兼顾利用区间能力 的要求，在最后阶段铺画。 根据上面的分析及高、中速列车各自的特点，拟定的列车运行线铺画顺序为： 硕士学位论文 第二章列车运行图编制系统分析 ( 1 ) 长途高速线 ( 2 ) 短途高速线 ( 3 ) 跨线中速线 ( 4 ) 管内中速线 2 4 运行线铺画原则 根据增强铁路运输方式的竞争力、合理利用运输能力的思想，通过人机交互 方式，初步确定高速列车和管内中速列车的始发时间段、中间停留时间段、终到 时间段。主要目标是突出铁路的企业性质、方便旅客出行及有效利用车底。 ( 1 ) 铺画顺序为：长途高速，短途高速，跨线中速，管内中速。 ( 2 ) 长途旅客列车的始发和终到时刻应严格限制在合理的时间段以内，尽 量方便旅客；短途高速应早晚密集到发；跨线中速应与其它线路合理衔接；管内 中速原则上以满足旅客出行为目的，兼顾充分利用区间能力、实现运行图均衡分 布的要求。 ( 3 ) 高速、中速等同类列车之间原则上不越行，这对提供区间通过能力没 有显著影响；高速列车等高等级列车可越行低等级列车如中速列车；作为运行图 的骨架，高速列车在车站内的停留时间原则上应严格按预定标准执行；中速列车 则根据行车组织的需要，在允许范围内进行微调；中速列车的运行速度不应低于 既有线的运行速度。 ( 4 ) 作为一张非闭合运行图，采用人机结合方式移动运行线，可考虑在夜 间预留若干小时施工天窗，但须合理选择分布区，根据各区间的具体行车组织情 况，柔性地、有针对性地进行处理。如由于部分“夕发朝至”，“朝发夕至”列车 的存在，给在全线设置统一时间的施工天窗带来了较大困难。因此，建议可采用 v 型天窗，即在不同的区间可以设置不同的施工天窗，以充分利用运行图左、右 三角区及非高速列车运行时间带的能力。 2 5 运行线调整原则 由于高速列车和中速列车的速度差别，列车可分为高速和中速两大类。下面 根据相邻列车间的不同位置关系，分别进行越行和追踪的判断处理。用乇表示当 前运行线，和乞分别表示运行图中前后相邻的运行线。 1 2 硕士学位论文第二章列车运行图编制系统分析 2 5 1 高速列车 根据前述的列车铺画顺序，长途和短途高速列车是最先铺画的两类。因此， 这些运行线之间不存在中速列车干扰的情况，相邻列车均为高速列车。在铺画原 则中已声明高速列车间不越行，根据这一特点，它与相邻列车的位置关系有以下 3 种： ( 1 ) 如图2 1 ，厶与相邻的厶和l 的发车时间间隔均大于同类列车追踪间隔 标准，那么三列车之间是不会产生相互干扰的，列车厶的运行线可以继续往下一 站铺画。这种情况是不需要进行处理的正常情况。 ( 2 ) 如图2 2 ，厶与前面的厶的间隔小于同类列车追踪间隔标准。在已铺 画完成的情况下，只能将厶的运行线向后移动至不受此约束的点，即与厶发车时 刻间隔不小于标准的时间点。这种情况属于追踪处理类。 图2 - 1 高速运行线与邻线位置关系之一图2 - 2 高速运行线与邻线位置关系之二 ( 3 ) 如图2 - 3 ，厶与后面的列车如的间隔小于同类列车追踪间隔标准。与图 2 - 2 类似，应该将毛向后移动至与如发车时刻间隔不小于标准的位置。这种情况 属于追踪处理类。 2 5 2 中速列车 图2 - 3 高速运行线与邻线位置关系之三 由于中速列车是在高速列车铺画完毕的情况下进行铺画的，因此影响因素与 高速列车相比更多一些。下面论述的是需要进行追踪或越行处理的异常情况，分 为四类，共8 种情况。 ( 1 ) 相邻的前后列车均为高速列车 硕士学位论文 第二章列车运行图编制系统分析 a 如图2 4 ，考虑到列车运行中的安全性，中速列车厶与高速列车的发车时 刻间隔小于异类列车追踪间隔标准，那么可将乇向后移动至与发车时刻间隔不 小于标准的位置。这属于追踪处理类。 b 如图2 5 ，中速列车厶与高速列车如的发车时刻间隔小于必