（计算机应用技术专业论文）基于网络路由行为的铁路春运方案及可靠度研究.pdf

摘要。 、f 本课题研究根据全国铁路春运旅客列车车厢分组思想和全国铁路春运线路区域 划分思想，运用分组数组交换理论和层次区域划分思想来优化目前我国铁路长期超负 荷运行，线路负荷率过大，运输密度过高，运输能力持续紧张的问题。借鉴计算机网 络中的路由协议中的优越性能来为铁路运输寻找较优的传输线路，达到提高运输效 率，缓解运输压力的目的。 本课题致力研究用计算机网络中的路由方法来解决类似春运等客流分散问题。在 全国铁路春运临时旅客列车车厢分组思想中，本课题利用网络通信数据传输过程中的 数据包分组转发原理的各种优点，把春运中的旅客仿真成分组交换中的数据包单元， 对春运列车进行以车厢为分组单元，从而利用分组交换技术的先进性对铁路春运旅客 运输进行优化，通过车厢分组对旅客进行转发，从微观方面对铁路春运旅客运输方式 进行模拟整合。 在宏观方面，本研究运用层次区域划分思想对全国铁路运行区域进行划分。把全 国铁路网络抽象模拟成具有路由行为的计算机网络，通过对路由协议的选取，根据地 理位置和城市的交通战略地位等客观条件把全国铁路网络划分成了若干个运行计算 机网络路由协议的仿真网络区域，从而利用处理计算机网络中数据转发和传输的问题 来解决春运铁路旅客运输的问题；利用计算机网络路由协议的优越性能帮助和引导我 们自动找到最佳的传输路径，帮助提高铁路运输旅客的效率。 最后本文介绍了路网可靠性的内容及目标，并分析了路网可靠性的意义，从可靠 度分配角度研究了串并联等复杂系统的可靠度，并对其中的某些线路进行了可靠度分 配的计算，以期为铁路交通网可靠性研究提供了依据和参考。 仿真试验结果证明从微观和宏观两方面对全国春运铁路网络进行规划整合后， 从车厢运转速度、车厢利用效率、旅客周转时延以及铁路线路利用率等方面，都得到 了一定的提高。 关键字：车厢分组，区域划分，铁路春运，运输效率，可靠度 i i i a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ei d e ao fn a t i o n a lr a i l w a yc a r r i a g eg r o u p i n go fe x t r ap a s s e n g e r t r a i n a n dt h et h o u g h to fl i n er e g i o n a ld i v i s i o nd u r i n gs p r i n gf e s t i v a l ，t h i sp r o j e c tu t i l i z e st h e t h i n k i n go fh i e r a r c h i c a lr e g i o n a ld i v i s i o nt os o l v es o m ep r o b l e m s ，w h i c ha r et h ec u r r e n t l o n g t e r mo v e r l o a do p e r a t i o no fr a i l w a y , l a r g el i n el o a d i n gr a t e ，h i g ht r a n s p o r td e n s i t y , a n dt h ec o n t i n u o u st e n s i o nt r a n s p o r ta b i l i t y t h i sp a p e ra l s ou t i l i z e sh i g hp e r f o r m a n c eo f n e t w o r kr o u t i n gp r o t o c o l st of i n dt h eo p t i m a lt r a n s m i s s i o nl i n e ，s u b s e q u e n t l yi m p r o v i n g t r a n s p o r te f f i c i e n c y , e a s et r a n s p o r tp r e s s u r e f r o mt h ei d e ao fn a t i o n a lr a i l w a yc a r r i a g eg r o u p i n go fe x t r ap a s s e n g e rt r a i n ，t h i s s t u d ym a k e su s e o ft h ep r i n c i p l eo fd a t ap a c k e tr e t r a n s m i s s i o n ，w h i c hd u r i n gt h ep r o c e s so f d a t ac o m m u n i c a t i o n sa n dt r a n s m i s s i o n ，t a k i n ga d v a n t a g eo fi t sm e r i t st og r o u pc a r r i a g eo f t r a i nd u r i n gs p r i n gf e s t i v a li no r d e rt of o r w a r dp a s s e n g e r s i tw i l lb ei n t e g r a t e df r o mt h e m i c r ol e v e lo ft h er a i l w a yp a s s e n g e rt r a n s p o r td u r i n gs p r i n gf e s t i v a l t h i sp r o j e c tu t i l i z e st h em e t h o d ，w h i c hi sc o m p u t e rn e t w o r kt os o l v ep r o b l e m sl i k e d i s p e r s i v ep a s s e n g e ri ns p r i n gf e s t i v a l i nm a c r o - l e v e ls i d e ，t h i ss t u d yd i v i d et h ea r e ao f c o u n t r yr a i l w a yb a s e do nt h ei d e ao fh i e r a r c h i c a lr e g i o n a ld i v i s i o n ，a b s t r a c t l ys i m u l a t e n a t i o n a lr a i l w a yn e t w o r kt ot h ec o m p u t e rn e t w o r kw h i c hr u nn e t w o r kr o u t i n gp r o t o c o l s a c c o r d i n gt os o m eo b j e c t i v ec o n d i t i o nl i k eg e o g r a p h i c a lp o s i t i o na n dt r a n s p o r ts t r a t e g i c p o s i t i o n i nc i t y , e t c ，n a t i o n a lr a i l w a yn e t w o r ki sd i v i d e di n t oan u m b e ro fc o m p u t e r n e t w o r k sr o u t i n g p r o t o c o lw h i c hi sr u n n i n gi nt h en e t w o r ka r e a t h e r e b yu s i n gh a n d l ed a t a f o r w a r d i n g a n dt r a n s f e r r i n go fc o m p u t e rn e t w o r kt os o l v et h ep r o b l e mo ft r a n s p o r t p a s s e n g e rb yt r a i n t h i sp a p e ra l s o u s e st h ep r i n c i p l eo fc o m p u t e rn e t w o r kr o u t i n g p r o t o c o l sc o u l dg u i d et h er o u t e rf i n dt h eb e s tt r a n s m i s s i o np a t ha u t o m a t i c a l l yt oh e l p i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft r a n s p o r tp a s s e n g e rb yt r a i n i nt h ee n dt h i sr e s e a r c ha n a l y z e st h e c o n t e n t sa n dt h eo b j e c t i v e so ft h er o a dn e t w o r kr e l i a b i l i t y , a n da n a l y z e st h es i g n i f i c a n c eo f r o a dn e t w o r kr e l i a b i l i t y r e s e a r c ht h ec o m p l e xs e r i e s - p a r a l l e ls y s t e mr e l i a b i l i t yf r o mt h e p e r s p e c t i v eo ft h er e l i a b i l i t yd i s t r i b u t i o n ，p r o v i d e sab a s i sa n dr e f e r e n c ef o rt h er a i l w a y t r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kr e l i a b i l i t ys t u d y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l tp r o v e st h a ta f t e rb o t ht h em i c r oa n dm a c r oa s p e c t si n t e g r a t e d p l a n n i n gt h en a t i o n a lr a i ln e t w o r ki ns p r i n gf e s t i v a l ，r u n n i n gs p e e do fc a r r i a g e ，e f f i c i e n c y o fc a r r i a g ea n dt i m ed e l a yo fp a s s e n g e rt u r n o v e r , e t c ，w h i c ha l lh a v eb e e ni m p r o v e dt o s o m ed e g r e e 一一 k e y w o r d ：r a i l w a yc a r r i a g eg r o u p i n g ，h i e r a r c h i c a lr e g i o n a ld i v i s i o n ，r a i l w a yp a s s e n g e r t r a n s p o r td u r i n gs p r i n gf e s t i v a l ，e f f i c i e n c yo fc a r r i a g e ，r e l i a b i l i t y 目录 第l 章文献综述1 1 1 课题来源：1 1 2 国内外在本领域的研究现状2 第2 章引言4 2 1 论文的研究意义4 2 2 论文研究范畴5 2 2 1 研究内容5 2 2 2 研究目标5 第3 章车厢分组运输模式：7 3 1 网络数据交换方式的比较j 7 3 1 1 线路交换7 3 1 2 报文交换7 3 1 3 分组交换：8 3 2 分组交换方式的选取8 3 2 1r i p 路由协议的特点和应用9 3 3 车厢分组思想应用j l o 瓣。 第4 章区域划分运输模式1 3 4 1 我国铁路运输与计算机网络关系的由来1 3 4 2b g p 协议的原理1 4 4 3o s p f 协议的特点1 4 4 3 1o s p f 协议的学习和熟悉1 4 4 3 2 分层拓扑有几个重要的优势：1 5 4 3 3o s p f 五种状态以及各个状态的特点：1 6 。 4 3 4o s p f 有以下几种区域类型：1 7 4 4 全国铁路主干线路研究1 7 。 4 5 区域划分思想1 8 4 5 1 区域划分思想1 8 4 5 2 层次区域划分j 1 9 第5 章铁路春运区域划分思想模拟实现2 2 5 1 模拟环境介绍2 2 5 2 模拟环境配置2 2 5 3 区域划分模拟过程2 6 5 3 1i p 地址分配2 6 5 3 2 模拟数据指标分析3 0 5 4 测试3 0 5 4 1 测试区域划分前各项指标3 0 5 4 2 测试区域划分后各项指标3 3 5 4 3 测试数据分析3 6 第6 章路网可靠性和线路可靠度分配研究3 8 6 1 铁路网可靠性3 8 6 2 路网可靠性3 8 v 6 2 1 网络可靠性评价指标3 8 6 2 2 传统的连通可靠性算法4 0 6 3 线路可靠度分配研究4 1 6 3 1 线路可靠度分配4 1 6 3 2 国内重点线路可靠度分配研究4 1 第7 章总结与展望4 5 参考文献：4 7 致谢5 0 个人简历及攻读硕士期间发表的论文5 l v i 1 1 课题来源 第1 章文献综述 春运是我们国家长期以来实行的经济制度和几千年以来的风俗习惯相结合的产 物，它是前后繁忙我国运输系统对春节旅客运输的简称，体现了我国独特的民俗民风 和亲情文化。它是民工流、学生流、旅游流、探亲流的“四流合一 所形成的客流高 峰，尤其重要的是它牵扯到人民群众的切身利益，具有很强的社会性及政治性。 它是伴随着我国经济高速增长和改革开放迅速发展起来，是时间上周期性很强 的、运输介质上集各类旅客运输为一体的特殊运输市场现象。随着改革开放的不断深 入，铁路运输系统无论在运输设备上，系统组织上，还是在站点服务质量上都有很大的 提高，即便如此，我国铁路运输行业一直处于十分紧张的状态，铁路运输行业供需矛 盾日渐突出，其主要原因就是它以世界铁路总长度的6 5 里程，完成了全世界铁路 客货周转总量1 4 以上。0 4 年我国铁路营业里程大约7 5 万公里，占世界铁路营运 总里程的6 4 7 。但从2 0 0 4 年的统计数字看，我国铁路却完成了世界铁路客运总周 转量的2 7 3 ，货运周转量占世界铁路货运总周转量的2 4 8 ，这导致我国铁路长期 以来超负荷运行，线路负荷率一直过大，运输密度过高，运输能力持续紧张的局面。 整个2 0 0 6 年，我国铁路运输行业创造了四个世界第一：旅客周转总量世界第一， 铁路运输密度世界第一，换算周转量世界第一货，物发送量世界第一。整个一年，我 国铁路运输业共完成旅客周转量6 6 2 2 亿人公里，比第二位的旅客运输大国印度高出 近9 0 0 亿人公里，而这个数字是美国、俄罗斯两国总和的3 g 倍。在完成货物发送量 方面，我国的数字是2 8 7 亿吨，比排在第二位的美国多运近1 0 亿吨。完成换算周转 量是2 8 5 6 9 亿吨公里，是俄罗斯的1 5 倍。运输密度达到3 6 7 7 万吨公里公里，是 俄罗斯的1 6 倍n 1 。由此我们可以看出我国的铁路交通运输业的运输效率已经达到世 界之最，但必须注意的现实却是铁路的发展滞后于国民经济和社会发展。在线路结构 方面，西方主要发达国家铁路的主通道已经基本实现了复线甚至是4 线，客、货列车 分线运行，而我们国家的铁路运输线路却一直是客货混跑；在运营速度方面，国外上 世纪8 0 年代，时速达3 0 0 公里的高速铁路成套技术已经基本成熟，而我们主体平均 时速还远远没有达到这个水平；在信息技术方面，许多发达国家早己把信息网络通讯 技术应用于行车指挥、客货服务，而我们铁路交通信息化建设还处于刚刚起步阶段。 到2 0 0 6 年底，我国铁路运营总里程为7 6 6 万公里，而人均运营长度却不到5 9 厘米。在客运方面，我国铁路每天能为旅客提供的席位只有2 4 2 万多个，但春运期间 旅客客流达到这个数字的两倍。从春运的人数分布来看，民工的返家时间和探亲旅游 者的出行时间在节前呈“m 型，即旅客出行时间主要集中在春运第4 天至第8 天和 春运第1 2 天至第1 5 天这两个时间段口3 j 。近几年国家铁道部的统计数据表明，我国 外出民工每年大约有8 千万到1 2 亿，其中8 0 以上选择春运期间回家过年，占春运 期间客流总量的5 0 以上；大中专院校的学生客流的数字在1 5 0 0 万人左右，其中9 0 以上是寒假选择回家；另外还有探亲流和旅游流h 1 。 2 0 0 8 年春运期间，我国南方各省普降大雪，这给我国本已压力沉重的铁路等交 通运输部门制造了更大的困难。“全国春运看广州。旅客滞留的问题每年在广州站 体现的尤为明显。今年1 月2 6 、2 7 日连续两天，来自珠三角地区的旅客及广州市区、 广州郊区的旅客，不断地涌入广州火车站。仅仅1 月2 8 日一天就滞留乘客1 0 万之多。 到3 月2 日，为期4 5 天的2 0 0 8 年春运，铁路发送旅客1 9 6 亿人次，同比增长1 1 8 。 此次春运铁路应对了前所未有的冰雪恶劣气候的挑战，并创下开行临时旅客列车数量 等多项历史之最。而在很短的时间内很难做到让如此庞大的乘客数量及时疏散，无法 达到旅客“随到随走”的服务目标。大量农民工返乡，学生往返学校，超负荷客运流 量的经济安全责任对地区和社会造成的压力成为不容忽视的焦点问题障1 2 0 0 9 年春 节1 0 万农民工骑摩托车回家过年。火车票“一票难求”，长途车票价太贵。在粤劳 务工成群结队骑摩托车回家，成了春运的另类风景。为何出现一票难求的状况呢7 其 主要原因是一是我国铁路运输系统旅客周转速度慢，二是我国的铁路线路基础设施跟 不上社会的发展，线路少，线路利用率低。在基础设施在短时间内不能大幅度的提高 改善的情况下，提高线路利用率，提高旅客的运输效率就迫在眉睫了。 1 2 国内外在本领域的研究现状 而对于计算机网络通讯技术和铁路交通运输两个单独的学科领域，国外很多学者 专家都做了较为深入的研究，并在很多方面取得领先地位。但对于中国特有的、超大 规模铁路春运这样客流运输的问题，由于国外其先进的铁路线路基础设施建设和松散 平衡的人口分布等原因，很少有学者进行具体类似春运的研究，所以对于我国铁路春 运研究，能够给我们提供的参考资料很有限。尽管如此，国外学者专家对铁路列车调 运，公共场合的大规模人群紧急疏散方面的研究仍给本课题研究提供了相关参考。如 阿尔卡特公司专门为葡萄牙铁路运输系统研制的计算机调度集中控制中心系统，西门 子公司为德国铁路运输系统研制的列车速度自动控制系统等等，这些控制调度系统虽 只是现代化的交通手段，但为我们如何实现站内按优先级调度提供了思路。 目前国内在这方面的研究多数只是概括性的描述一些结合政策、法规的问题，多 2 为传统的交通解决方法，很少有从理论与技术角度研究这一问题的研究。国内学者如 著名交通大学的学者吕宏义等发表的我国铁路春运存在问题的分析及对策，针对 我国铁路春运系统的现状、我国春运出现的原因以及其历史演变过程等做了分析，得 出的结论是增开临时旅客列车是解决春运问题的根本途径。曹学明等学者在关于铁 路春运客流分析与诱导研究中追溯了我国铁路春运的发展历史，但只是单纯利用了 道路交通方法研究分析其了原因和特点，没有具体提出理论解决方法和实例。 本课题研究结合计算机网络路由、队列管理和队列调度方法，运用网络数据分组 交换思想变更旅客车厢编组，运用基于区域划分思想的队列管理和调度，将计算机网 络路由理论和铁路春运相结合，而且以从小到大、从微观到宏观的层次方式对中国铁 路春运进行合理科学的网络路由仿真，提高铁路春运效率，加快突发人流量疏散，强 化铁路春运稳固力度，对于缓解我国铁路春运严峻紧张的状况具有十分重要的意义。 2 1 论文的研究意义 第2 章引言 首先用基于网络路由行为的铁路春运方案及可靠度研究的一系列方法( 队列车厢 编组与临客问题、铁路网络区域划分) 解决春运问题对于春运问题的研究，具有十分 重要的创新意义。首先，铁路交通运输是我国国民经济的基础支柱产业，我国铁路客 运业务旅客周转量占全国旅客周转总量的4 6 ，可见铁路运输业在我国交通运输业中 的地位n 引。解决春运问题，更是我国目前面临的关系国计民生的大事。本项目研究 利用网络路由协议理论，从网络技术的角度剖析问题，对缓解目前春运严峻形式提出 了一种创新方法。 其次，着力克服春运过程中的客流疏散问题具有现实意义。近几年来，虽然中国 经济的发展在世界经济总低迷趋势中仍保持良好的增长势头，但是中国城镇化进程的 滞后并不能与经济的增长相匹配，从而使中国经济面临着越来越多的问题和挑战。造 成农村剩余劳动力分散转移的不稳定、第三产业发展缓慢。伴随着中国加入世界贸易 组织，我国城市化进程步伐也逐渐加快。在当前，中国农村劳动力有近5 亿，其中却 有不少于1 6 亿是剩余劳动力，这是现阶段改革开放下劳动力向城市转移的必然结 果。但是担负着快速高效地实现人、货、车的空间移动的铁路春运也随着人口的爆发 式流动暴露出越来严重的问题，主要包括：1 高峰运能不足；客流高峰期运能和运量 的矛盾仍对0 8 年春运造成严重威胁。一票难求，车站难进，列车难上，庞大的交通 需求与有限的运输资源形成了强烈的反差，在此情况下改乘其它交通工具的旅客又使 客流白白流失。2 高峰事件迭出；车载满员或超员后，到站不开车门的现象时有发生， 使持票旅客上不了车，不但使铁路财产受到严重损失，而且铁路信誉也大打了折扣。 3 、高峰各部门束手无策；在有流无车，人流物流无法有效流动且尚无对策的情况下， 铁路部门和旅客都着急。究其原因，主要是在实际工作中未能审时度势，合理安排， 统筹规划。在春运这一特殊时期，本课题受到网络路由协议对于解决计算机网络拥塞 具有显著效果这一方法的启迪，寻找出一种新的铁路运输方式来提高运输旅客的效 率，缓解运输压力，降低转发时延，在最短的时间内解决突发人流量疏散问题具有十 分重要的现实意义。 第三，运用计算机网络中的路由分发的方法来解决类似春运客流分散等问题，不 论是对解决铁路客流运输问题还是促进计算机网络自身发展都有深刻的意义。四通八 达的铁路、公路及水路构成了我国丰富的“交通网络”系统，而诸如迪杰斯特拉或队 4 列等基础算法和理论就是在交通路径的选择及铁路调度中总结发展而来的，如果在春 运问题中借鉴这些原理和方法，相信可以极大的推动列车调运进程并有效的制定出春 旅客列车运行方案，从而使铁路旅客运输能力和现代化交通系统建设等诸多方面得到 大大的改善提高。 第四，作为国家运输的生命线，铁路交通网的可靠性有着极其重要的作用。失去 了可靠的路网，不但铁路系统的维护费用激增，而且也会造成巨大的浪费；可靠的路 网不仅仅用于衡量紧急灾害情况下，交通系统的功效，甚至对于在交通阻塞、事故多 发地段，恶劣天气下，甚至对于某些道路发生不畅通的情况也能进行有效分析，评估 路网状况，进而提供良好的交通服务，基于此，本课题通过对全国铁路干线网络系统 的可靠性研究，根据铁路线路的总体要求，提出一种针对特定线路可靠度的分配方法， 从而可以主动掌握特定线路的可靠度指标，在一定程度上满足铁路交通网运能需求， 提高线路稳定性及预防灾难事故发生。 2 。2 论文研究范畴 2 2 1 研究内容 ( 1 ) 研究全国铁路运行线路，把铁路运输线路网抽象成计算机网络模型； ( 2 ) 分析并比较各路由协议，结合铁路运输的特殊性选择合适的路由协议对网 络进行规划； ( 3 ) 探讨现行铁路旅客春运现状和运行方案，指出现行方案的不足之处； ( 4 ) 根据现行方案的不足之处，探讨基于车厢分组的旅客运行方案，队列管理 和队列调度的整体的协调，提出一种优化的铁路春运旅客车厢分组运行方 案； ( 5 ) 探明春运旅客铁路运输网络的构造并抽象成层次网络； ( 6 ) 提出基于网络路由行为的中国春运旅客运行方案； ( 7 ) 运用可靠度分析的理论对全国铁路网络进行可靠度研究。 2 2 2 研究目标 本课题研究拟根据全国铁路春运临时旅客列车车厢分组思想和全国铁路春运线 路区域划分思想，运用层次区域划分思想来解决目前我国铁路长期超负荷运行，线路 负荷率过大，运输密度过高，运输能力持续紧张的问题，利用网络路由协议中的优越 性能来为铁路运输寻找最优的传输线路，达到提高运输效率，缓解运输压力的目的。 在全国铁路春运临时旅客列车车厢分组思想中，本课题研究利用网络通信数据传 输过程中的数据包分组转发原理，其具有的优点包括：数据传输可靠，迅速，保证顺 序，线路效率高，数据接收者和发送者无需同时工作，可把一个报文送到多个目的地， 可建立报文优先级，可在网络上实现差错控制和纠错处理。分组交换仍采用存储转发 传输方式，但将一个长报文先分割为若干个较短的分组，然后把这些分组( 携带源、 目的地址和编号信息) 逐个地发送出去。本研究利用分组转发的这个原理来对铁路春 运运输进行车厢分组对旅客进行转发，从微观方面对铁路春运旅客运输进行整合。 本课题利用计算机网络中的方法来解决类似春运等客流分散问题，在宏观方面本 研究运用层次区域划分思想中对全国铁路区域进行划分，把全国铁路网络抽象模拟成 运行网络路由协议的计算机网络，根据地理位置和城市的交通战略地位等客观条件把 全国铁路网络划分成了若干个运行计算机网络路由协议的网络区域。从而利用处理计 算机网络中数据转发和传输的问题来解决铁路运输旅客的问题。利用计算机网络路由 协议可以引导路由器自动找到最佳的传输路，帮助提高铁路运输旅客的效率。 最后从路网可靠性方面入手研究我国主要铁路干线的可靠度分配问题。从可靠度 分配角度研究了串并联等复杂系统的可靠度，以期为铁路交通网可靠性研究提供依据 和参考。 6 第3 章车厢分组运输模式 3 1 网络数据交换方式的比较 3 1 1 线路交换 电路交换方式是以电路联接为目的。电话网就是一个很典型的实例。我们在打电 话时，第一步就是摘下话机拨号。拨完号，交换机就会知道和谁通话，接着为双方建 立通话电路连接，一旦一方挂机，双方的线路就被断开了，为它们各自开始下一次的 通话做准备。电路交换，就是在通信时建立电路，通信完毕时断开电路羽。 线路交换的特点： ( 1 ) 独占性：建立线路之后、释放线路之前，即使站点之间无任何数据可以传 输，整个线路仍不允许其它站点共享，因此线路的利用率较低，并且容易引起接续时 的拥塞。 ( 2 ) 实时性好：一旦线路建立，通信双方的所有资源( 包括线路资源) 均用于 本次通信，除了少量的传输延迟之外，不再有其它延迟，具有较好的实时性； ( 3 ) 线路交换设备简单，不提供任何缓存装置； ( 4 ) 用户数据透明传输，要求收发双方自动进行速率匹配； ( 5 ) 电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说比较长； ( 6 ) 电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互 进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制。 3 1 2 报文交换 中间结点由具有存储能力的计算机承担，用户信息可以暂时保存在中间结点上。 报文交换无需同时占用整个物理线路。如果一个站点希望发送一个报文( 一个数据 块) ，它将目的地地址附加在报文上，然后将整个报文传递给中间结点；中间结点暂 存报文，根据地址确定输出端口和线路，排队等待线路空闲时再转发给下一结点，直 至终点。 报文交换的特点： ( 1 ) “存储一转发”； ( 2 ) 不独占线路，多个用户的数据可以通过存储和排队共享一条线路； ( 3 ) 无线路建立的过程，提高了线路的利用率； ( 4 ) 可以支持多点传输( 一个报文传输给多个用户，在报文中增加“地址字段， 中间结点根据地址字段进行复制和转发) ； ( 5 ) 中间结点可进行数据格式的转换，方便接收站点的收取； ( 6 ) 增加了差错检测功能，避免出错数据的无谓传输等。 报文交换的不足之处： ( 1 ) 由于“存储一转发和排队，增加了数据传输的延迟； ( 2 ) 报文长度未作规定，报文只能暂存在磁盘上，磁盘读取占用了额外的时间； ( 3 ) 任何报文都必须排队等待：不同长度的报文要求不同长度的处理和传输时 间，即使非常短小的报文( 例如：交互式通信中的会话信息) ； ( 4 ) 报文交换难以支持实时通信和交互式通信的要求。 3 1 3 分组交换 相对于线路交换和报文交换，分组交换则是指为分组加上一个标识，该标识用于 指明该分组的目的地址，然后交换机根据每个分组的地址标识，将它们发送至目的地。 它将网络中传送的数据分成一定的长度，每个部分则是一个分组。分组交换实际上也 是存储一转发的过程，它兼有电路交换和报文交换的优点。在线路传输过程中分组交 换采用了动态复用技术，在线路上传送数据分组。每个数据分组被标识后，就在一条 线路上同时传送多个数据分组。交换机把接收来的数据存放在存储器内，接着在内部 网络中发送到接收端。接收端把分组头去掉后，即可将各分组数据字段按分组前的顺 序，重新组装成完整的报文。分组交换在传输时延方面比报文交换，交互性方面比报 文交换优越，起电路的利用率比电路交换高引。 综上所述，分组交换方式具有以下优点：( 1 ) 线路利用率高，多逻辑信道的能力 强，故电路的利用率高；( 2 ) 可实现分组交换网上的不同规程、速率和码型之间的互 相交换；( 3 ) 差错检测和纠正的能力强，线路传送的误码率极小；( 4 ) 分组交换的网络 管理功能强。 3 2 分组交换方式的选取 针对以上分组交换方式的诸多优点，我国在安排临时客运计划时候可以参考借鉴 分组交换技术，利用其线路利用率高，故障率低等特点来优化我国的旅客运输系统， 特别是春运期间，大规模的人群在短时间内涌向车站，这时候需要及时疏散输送旅客， 使我国有限的铁路线路得到充分的利用并且安全把旅客送达目的地是至关重要的。而 以往我国的临客运行安排主要包括三个方面：定点( 列车始终站) 、定线( 行车路线) 、 定编( 列车吸收范围) n 引。目前我国现行的方法比较机械，它是以列车为单位，随机 安排同一方向的旅客计划，一旦此批旅客达到车满，则由这些人组成第一列；接着再 抽取另外的客运计划，组成第- - y 0 ，如此等等。可以看出，目前人工的处理方法没有 统筹全局，抽组第一列没有考虑其他旅客的特殊情况。 临时旅客列车的运行线是为了满足广大乘客的需要，但不影响既定旅客列车运行 的情况下插空当加开的，有些时候就是走的货物列车运行线n 引，所以其各种速度指 标明显低于正常情况下的旅客列车。在现有的客运机车、车辆和列车编组规定的条件 下，机车牵引力不能得到充分和有效的利用，所以临时旅客列车存在着各种扩大编组 的可能n 町n7 1 。这种可能性在计算机网络中就是数据转发的问题，当一个数据包被分成 数据帧转发时，可能所选择的线路不一样，但是这些线路都是路由协议通过计算得到 的最优的路径，这样就加快了数据转发的速率，降低了网络拥塞。如此基于以上分组 交换的种种优点，我们可以设想把临客旅客列车划分为以车厢为单位，可以把每节车 厢加挂在去往同一方向的其他列车上，列车车厢到达下一站后该如何转发，就由下一 站列车运行计划决定。这样我们就可以利用上述分组交换的诸多优点来优化铁路临时 旅客运输的问题。实现临时旅客快速运转，提高铁路线路的利用率。从而实现铁路运 输随到随走的目标。 3 2 1r i p 路由协议的特点和应用 在i n t e r n e t 网上，运行着很多网关协议，r i p ( r o u t i n g i n f o r m a t i o np r o t o c o l s ，路 由信息协议) 是一种内部网关协议，是使用最广泛的距离向量协议，它采用的是距离 矢量算法。 对路由来说，最主要的内容是目的地址和下一跳地址( n e x th o p ) 。对动态路 由协议来说，为了找到最佳路由，还必须注意路由的开销( m e t r i c ) 。所以路由项主 要包括了目的地址、下一跳地址和路由开销信息等n 引。具体信息描述为： ( 1 ) 目的地址：指目的主机或网络的i p 地址；( 2 ) 下一跳地址：到信宿的路 由中的第一个路由器；( 3 ) 接口：用于到下一跳物理网络；( 4 ) m e t r i c 值：一个 数，指明本路由器到信宿的开销；( 5 ) 定时器：路由项最后一次被修改的时间；( 6 ) 路由标记：区分路由为内部路由协议的路由还是外部路由协议的路由的标记等。而在 实际的铁路春运旅客运输中，每个旅客都有其各自的目的地址，在到达目的地的过程 中需要经过每一个站点，从一个站点下一跳到下一个站点。所乘坐的列车车次有准确 的达到时间以及固定的票价。这些相似性都可以用r i p 协议来定义和实现。 9 3 3 车厢分组思想应用 在车厢分组思想中本方案设想把临时旅客列车划分为以车厢为独立单位，把每节 车厢加挂在去往同方向的列车上，每节车厢中运输的是达到同一目的地的旅客。列 车车厢到达目的地后如何转发，就由目的地列车运行计划决定。这样可以应用r i p 思想对铁路春运旅客运输进行车厢分组思想进行整合。 如图3 - 1 ，以每节车厢为单位把火车模拟成一个数据堆栈，旅客模拟成数据流， 被封装在每节车厢中，这里的数据转发就是旅客被运送到不同的地点。 图3 - 1 车厢分组示意图 f i g 3 - 1r a i1 w a yc a r r i a g eg r o u p i n gs k e t c hm a p 1 号车厢发往a 地；2 号车厢发往b 地；3 号车厢发往c 地，在增加的旅客中， 以车厢分组为单位。当到达a 地站后1 号车厢完成数据转发任务，被卸载下来，成为 空车厢后再来封装和转发其他数据再加挂到其他车次上。到达b 地后2 号车厢完成数 据转发任务，被卸载下来，同1 号车厢一样，等待转发其他旅客的任务，而不知道自 己下一站的目的地。还有一种情况就是当一节车厢到一个站点，而这个站点不是自己 的终点站，为了选择更好的路线可以加挂到其他车次上。在这种方案中，各个相邻火 车站之间应随时保持联系，随时通告和更新列车信息。火车站之间最重要的就是交换 和更改到站旅客列车车厢分组信息。 这里用到了前面讲到的路由思想，我们可以把旅客要去到的终点站模拟成路由 协议中数据包的目的地址；而旅客所乘列车要去往的下一站模拟成协议中数据包的 n e x t - h o p ；接口模拟成车厢到达车站时所在的站台；而m e t r i c 才是旅客手中的车票 的票价或是从出发点到终点站所需要的时间：定时器可以模拟成最后一次相邻火车站 之间发布的列车车厢分组到站更新信息的时间；路由标记可用于模拟车厢的某些路由 特定属性。 假设有- n 车从广州一长沙一武汉一郑州： 传统的运输方式中，所有乘坐该车次的旅客都必须等到列车发车时间才能出发， 这就缓慢了疏散旅客的速度和反应能力，而且在中途的长沙、武汉站点，会出现同样 1 0 的拥挤，加重了中途站点的旅客压力，不能在最短时间内疏散尽量多的乘客，如图 3 2 所示。造成0 8 年春运期间出现的1 0 0 万旅客滞留广州的现象，严重影响了广大 人民群众的利益。 图3 - 2 分组前的运输方式 f i g 3 2t r a n s p o r tm o d eb e f o r eg r o u p i n g 当采用车厢分组方案后： abcd 分组分组分组 图3 - 3 分组后的运输方式 f i g 3 3t r a n s p o r tm o d ea f t e rg r o u p i n g 如图3 3 是采用车厢分组转发的思想进行运送旅客的行程图，把去往不同地点 的旅客安排到不同的车厢。 可以把长沙车厢加挂在去往与长沙同一方向的其他列车上同时把本车厢分组的 目的地址标记为：长沙；而n e x t h o p 恰好是长沙；m e t r i c 是车厢分组中旅客从出 发点到终点站所需要的时间。长沙车厢分组到达长沙站后，发布车厢分组到站信息， 通告本车站和相邻车站有车厢分组到站。空出的车厢可以安排其他旅客或者卸载下来 或是由长沙站列车分组运行计划决定。 去往武汉的旅客被安排到另一节车厢中，被加挂到去往武汉方向的列车上，本 车厢分组目的地址标记为武汉；n e x t h o p 则标记为长沙；m e t r i c 是车厢分组中旅客 从出发点到终点站所需要的时间。当车厢分组到达长沙站后，其目的地址不变，而 n e x t h o p 更改为武汉。最后当该车厢到达武汉站时，发布车厢分组到站信息。 这样把路由协议和车厢分组转发的思想结合起来应用到临时旅客的运行方案中， 把每个车站模拟成一个路由器，为每个路由器分配一个i p 地址，这样全国的铁路运 输系统就组成一个大的铁路运输网络。在这样的一个运输网络中车站之间转发车厢分 组，利用路由协议自身的优越特点自动发现最优路径。在此方案中火车，车厢和旅客 流是车站间互相转发的数据，旅客被封装在以车厢为分组单位的数据包中，再根据路 由协议找到的最优路径转发到各个目的站点。 网络路由协议对于解决计算机网络拥塞具有显著的效果，基于网络行为学的方法 本方案把路由协议、分组交换与铁路春运旅客运输相结合，利用网络路由自主选择最 优路径的原理和车厢分组的思维方式，把车厢看成数据单元，在数据转发过程中以车 厢分组为单位，寻找到种新的铁路运输方式来提高运输旅客的效率，缓解运输压力， 提高车厢分组的响应速度，降低转发时延，把聚集在一个站的旅客，通过分组的形式 转发到其他各个站点去，在最短的时间内解决突发人流量疏散问题。能较大限度的提 高春运旅客运输的效率，节省运输时间和成本。 1 2 第4 章区域划分运输模式 4 1 我国铁路运输与计算机网络关系的由来 交通与网络问题历来都紧密的联系在一起。在计算机网络，甚至在数据结构等这 样的计算机基础理论中，有很多算法、协议都是来源于人们对交通问题的思考。当然 我们也可以反过来利用成熟的计算机网络路由行为的办法来优化我们的铁路春运运 输系统。随着我国铁路运输行业的t m i s ( 铁路运输管理信息系统) ，p w m i s ( 铁路工 务管理信息系统) 等应用系统的建设，铁路计算机广域网形成了目前上连铁道部、下 连地区信息中心的骨干网络及地区信息中心与上百个站段等单位连接的基层网，通过 铁道部还可以实现铁路局间的网络互通，并且随着其他应用系统如网络电报、公文流 转、车辆、机务、物资、财务等管理信息系统的陆续投产运行，网络规模还在不断扩 大1 9 1 。 针对我国春运阶段大规模旅客在较短时间内涌向车站的现象，铁路应充分有效地 利用自身资源，强化运输需求管理，将出行由客流大量聚集的节点向客流较少的节点 转移，将出行方式由拥挤的方式向非拥挤的方式转移，从而在一定程度上减少出行中 的时空消耗，将出行由交通拥挤的路径向非拥挤的路径转移，从而在空间上均衡路网 载荷，并在一定程度上减少了出行的时空损耗，将出行由交通拥挤的时段向非拥挤的 时段转移，从而在时间上均衡路网载荷。最后，适当利用价格机制进行调节，会起到 很好的均衡客流的作用。 而春运中旅客在路由选择时会考虑多种路由选择因素，这些因素包括政治、经济 或安全方面的考虑。如对于0 8 年南方各地大雪冰冻等天气，这种情况下的线路选取 就不能只单方面的要求线路最短或者运输时间上最小消耗，因为按照运行线路或者运 行时间的原则选取的线路可能由于大雪或电力等问题并不能通行。因此这种情况下选 择最佳的传输路径应该综