（交通运输规划与管理专业论文）基于弹性需求的客运专线开行方案优化设计研究.pdf

北京交通人学硕+ 学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：客运专线开行方案是铁路运力资源配置及运用的集中体现，是连接运 输需求和运力资源的桥梁，也是编制列车运行计划和日常运输生产指挥的重要支 撑和依据，更是影响客运专线运输组织的关键。在运输需求日益呈现多样化与人 性化的今天，科学合理地设计客车开行方案具有重要的现实意义。 本文根据国内外客运专线运输组织、开行方案等领域的既有研究成果，深入 研究了客车开行方案的优化设计问题，对问题进行了建模分析和求解算法设计， 为客运专线开行方案的优化设计提供了理论基础。 论文的主要工作如下： 1 、定性分析了客流量及客流结构、客车编组及定员、车站作业能力、车底数 量等因素对客运专线开行方案设计的影响。并从满足旅客出行需求和提高铁路客 运企业经济效益的角度出发，提出了设计开行方案应考虑的基本原则：( 1 ) 提高 旅行速度原则、( 2 ) 方便旅客原则、( 3 ) 提高旅行舒适度原则、( 4 ) 经济合理性 原则。 2 、为解决开行方案设计中的旅客对于出行乘车方案的选择问题，运用图论知 识，提出了基于开行方案的客运换乘网络构造方法，定义了车站节点、列车停车 节点、列车发车节点、上车弧段、乘车弧段、停车弧段、换乘弧段以及下车弧段 等网络元素，描述了它们之间的关系，建立了与开行方案相对应的客运换乘网络， 从而为研究铁路客流的分配问题提供了基础。 3 、从分析影响铁路旅客出行行为的因素入手，在充分考虑旅客出行过程中的 票价、时间费用、舒适度费用等各种广义费用支出的基础上，构建了在客运换乘 网络上基于弹性需求的铁路客流分配模型，并采用f r a n k w b l f e 算法求解。 4 、建立了弹性需求的客车开行方案双层规划优化模型用于客运专线开行方案 的优化设计。模型的上层规划目标是实现铁路客运企业经济效益的最大化，下层 规划目标是全体旅客出行广义费用的最小化。为解决模型非线性大规模的求解难 点，采用遗传算法进行求解，并对解的编码、交叉操作、变异操作等遗传要素进 行了详细设计。最后，以一条典型的客运专线线路为算例，验证了模型及算法的 可行性和有效性。 关键词：客运专线；开行方案；双层规划；遗传算法；客流分配；换乘网络；弹 性需求 分类号：u 2 9 3 1 a b s t r a c t a b s t r a c t ：a st h ec o n c e n t r a t e de x p r e s s i o no fr a i l w a yt r a n s p o r tc a p a c i t yr e s o u r c e ， p a s s e n g e rt r a i np l a no fh i g hs p e e dp a s s e n g e rr a i l w a y sc o n n e c t st h et r a n s p o r td e m a n d s a n dt r a n s p o r tc a p a c i t y i ts u p p o r t so fm a k i n gt r a i nr u n n i n gp l a na n dt r a i no p e r a t i o n o r g a n i z a t i o n ，a n da f f e c tt h et r a n s p o r to r g a n i z a t i o no fh i g hs p e e dr a i l w a y s i n c et r a v e l d e m a n d sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ed i v e r s i f i e da n dh u m a n i s t i c ，i ti so fg r e a tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et oo p t i m i z et h ep a s s e n g e r t r a i np l a n a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hf i n d i n g so ft r a n s p o r to r g a n i z a t i o na n dp a s s e n g e rt r a i n p l a n , t h i sp a p e rs t u d i e st h eo p t i m i z a t i o no fh i g hs p e e dr a i l w a yp a s s e n g e rt r a i np l a n s y s t e m a t i c a l l y , b a s e do nt h ea n a l y s i s o fs u b s t a n t i v ec h a r a c t e r i s t i c s a n dt h e n a n o p t i m i z a t i o nm o d e la n dd e t a i la l g o r i t h m sa n de x a m p l ea r eg i v e n i tc a ns u p p l yt h e o r y e v i d e n c et op a s s e n g e rt r a i np l a n ( 1 ) p a p e ra n a l y z e s t h ei n f l u e n c ef a c t o r so fp a s s e n g e rt r a i np l a nq u a l i t a t i v e l y i n c l u d i n gp a s s e n g e rf l o w ,f l o wc o n s t r u c t i o n ，p a s s e n g e rt r a i nm a r s h a l i n ga n df i x e d n u m b e r , s t a t i o nc a p a c i t ya n du n d e r b o d yn u m b e r , i nt e r m so fs a t i s f y i n gt r a v e ld e m a n d s a n di m p r o v i n ge c o n o m i cb e n e f i t s ，a n db r i n g i n gu ps e v e r a lp r i n c i p l e sc o n s i d e r e dw h e n m a k i n gp l a n s ：i m p r o v i n gt r a v e l i n gs p e e d ，c o n v e n i e n tp a s s e n g e r s ，r a l s m gd e g r e eo f t r a v e l i n gc o m f o r ta n de c o n o m yo fu s e ( 2 ) i no r d e rt os o l v et h ed e c i s i o nm a k i n gp r o b l e mo fp a s s e n g e rt r a v e l i n gp l a n ，b y u s i n gg r a p ht h e o r y , t h i sr e s e a r c ha l s oi n c l u d e sc o n s t r u c t i n gp a s s e n g e r t r a n s f e rn e t w o r k b a s e do np a s s e n g e rt r a i np l a n a n dt h ed e f i n i t i o no fs t a t i o nn o d e ，t r a i ns t o pn o d e ，t r a i n d e p a r t i n gn o d e ，g e t t i n go na r c ，r i d i n ga r c ，s t o p p i n ga r c ，t r a n s f e ra r c ，g e t t i n go f f a r cw a s p r e s e n t e d a n dt h e na n a l y s e so ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h e m ( 3 ) p a p e rs t u d i e st h ep a s s e n g e rf l o wa s s i g n m e n tw i t he l a s t i cd e m a n d s i sc o m i n g n e x t ar o u t ec h o i c em o d e li ss e tu po nt h eb a s i so fo r i g i n - d e s t i n a t i o n u s e r e q u i l i b r i u mm o d e lw a sg i v e nb yc o n s i d e r i n gt h ep r i c e ，t i m ec o s t ，a n ds p i r i t l o s sa n d f r a n k w o l f ea l g o r i t h mi sp r e s e n t e db a s e do na b o v er e s e a r c h ( 4 ) t h r o u g hb a l a n c i n gt h ei n t e r e s to ft h er a i l w a yc o r p o r a t i o na n dt h ed e m a n do f p a s s e n g e r s ，ab i 1 e v e lp r o g r a m m i n gm o d e lf o ro p t i m i z a t i o no fp a s s e n g e rt r a i np l a nw i t h e l a s t i cd e m a n d sw a ss e tu p t h i sm o d e lt a k e sm a x i m i z i n ge c o n o m i cb e n e f i t sa sh i g h e r p r o j e c t ，a n dg e n e r a l i z e dc o s ta sl o w e r o n e ag e n e t i ca l g o r i t h mw a sd e s i g n e da c c o r d i n g t oi t sc h a r a c t e r i s t i c ，a n dc o d i n go fc h r o m o s o m e s ，c r o s so p e r a t o r s ，m u t a t i o ns t r a t e g yw a s 北京交通人学硕十学位论文 a b s t r a c t d e s i g n e di nd e t a i l t h ei n s t a n c eh a sb e e nt e s t e di ns o m ed e d i c a t e dp a s s e n g e rt r a f f i cl i n e w i t hg o o dr e s u l t sa n dc a l c u l a t i o ne f f i c i e n c y k e y w o r d s ：p a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e ；t r a i np l a n ；b i - l e v e lp r o g r a m m i n g ；g e n e t i c a l g o r i t h m ；p a s s e n g e rf l o wa s s i g n m e n t ；t r a n s f e rn e t w o r k ；e l a s t i cd e m a n d c l a s s n o ：u 2 9 3 1 v 北京交通大学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：沭匆f 司乌。签字日期：2 哆年多月多日 7 0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 棚同k 签字白期：砂瑚罗年6 月多日 导师签名：当撕侈 签字同期： 6 夕年多月 致谢 值此论文完成之际，谨向尊敬的导师张星臣教授致以我最崇高的敬意和衷心 的感谢! 本论文是在导师的严格要求与悉心指导下完成的，从论文的选题到最终 定稿都凝聚着导师大量的心血。导师渊博的知识、严谨的治学态度、严肃的科研 作风、平易近人的性格给我留下了极其深刻的印象，导师正直踏实的做人品格更 是深深地影响和激励着我，使我受益匪浅。导师除了在学业上给予我积极的指导 以外，在生活和思想方面对我充满了无微不至的关怀和帮助，学生的感激之情无 以言表。在此，我由衷地感谢导师多年来对我的关心、培养以及各方面的帮助! 在今后的人生道路上，我必将铭记导师的谆谆教诲，以更加饱满的热情、更加成 熟的心态投入到工作和生活中，努力实现自己的人生价值。 论文的完成得到了徐彬和陈军华两位师兄的大力帮助，他们为我的论文创作 提供了大量有价值的意见和建议。在研究生学习期间，他们还传授给我许多做人 与做事的道理，让我的思想深受启发，使我的性格愈加圆润。在此，我向他们表 示衷心的感谢! 感谢北京交通大学交通运输学院对我多年来的辛勤教育、培养和关心，感谢 曾经指导和帮助过我的所有老师和同学! 感谢我的室友夏明。在我历经挫折、意志脆弱的时候，正是他不断地鼓励与 支持，才使得我有勇气走出困境，重新面对学习和生活。我们之间的这份真挚友 情，我将永远铭记! 在此，我祝愿他能尽快完成论文，早日实现自己的理想。 在求学期间，我得到了许多师兄弟、同学以及朋友们的关心和照顾，与你们 在一起共同学习、共同生活的这段日子，是我一生中最快乐、最难忘的。在此， 我向你们表示诚挚的谢意，并祝愿你们身体健康、前程似锦! 最后，我要特别感谢父亲与母亲的养育之恩和淳朴教导，感谢所有长辈以及 亲人们对我的教育和关怀，因为有了你们二十多年来对我的无私关爱、付出与奉 献，我才能取得今天的成绩。在今后的工作中，我将继续努力，以更加优异的表 现来回报你们! 谨以此文献给所有关心、帮助和支持过我的人，谢谢你们! 杨同庆 2 0 0 9 年5 月18 日 北京交通人学硕十学位论文 绪论 1 1 选题背景 1 绪论 近年来，铁路通过六次大提速，推出夕发朝至、城际列车、旅游列车、一站 直达列车等多种列车品牌，实行计算机联网售票等多种现代化服务手段，大大提 升了铁路的客运竞争力。2 0 0 4 年3 月，国务院讨论通过了中长期铁路网规划， 明确了铁路网中长期建设目标。预计到2 0 2 0 年，我国铁路将建成“四纵四横”的 快速客运通道以及三个城际快速客运系统，建设客运专线1 2 万公里以上。这标志 着，未来几年将是我国铁路客运快速发展的重要时期。 随着客运专线建设的全面展开，客运专线运输组织理论与方法需要及时进行 研究，从而为未来的运营组织及管理工作提供科学的理论依据和技术支持。客运 专线运输组织理论与方法的内容十分广泛，主要包括客流需求预测与分析、客车 开行方案的设计、列车运行计划的编制、动车运用及优化、乘务员运用与配置以 及客车运行调度等方面的内容。其中，客车开行方案是客运组织的核心，因为它 作为连接客运需求和运输计划的桥梁，方案制定的好坏不仅关系到客流需求是否 得到满足，还影响列车运行计划的编制质量及其他相关技术和作业计划的制定。 当前，我国对客运专线运输组织的研究已经进行得相当广泛。在开行方案领 域，铁道科学研究院、北京交通大学、西南交通大学和中南大学等科研单位的专 家学者对客车开行方案的优化设计都做了许多研究工作，取得了一些具有较高理 论水平和实践指导意义的研究成果。然而，我们也应该看到，现阶段的大多数研 究往往只是针对开行方案中的个别问题进行展开，缺乏对开行方案的系统分析。 许多模型对现实问题进行了大量简化，并不能真正地刻画和反映实际问题。比如， 既有的研究都假定客运需求量是固定的，而实际上客运需求量会随着旅客广义出 行费用的变化而变化，表现出一定的弹性。广义出行费用增加，则客运需求量会 变小，所以将客运需求表示成广义出行费用的函数，则能更好地反映实际的交通 需求状况。研究弹性需求条件下的开行方案优化设计能更好地符合实际情况。 可以说，目前我国关于客运专线客车开行方案相关问题的研究还有很大的拓 展空间，许多现实问题亟待探索和解决。鉴于此，本文将紧密联系我国铁路旅客 运输组织的国情，针对客运专线运输组织的特点及要求，围绕客运专线开行方案 的优化设计问题进行研究，以期为未来的客运专线运营组织工作提供有价值的理 论支持和实践指导。 北京交通人学硕十学位论文绪论 1 2 选题意义 随着经济的发展和人民生活水平的提高，我国旅客出行需求总量不断地在增 加，旅客出行需求也趋于多元化。铁路客运专线将不可避免地面临来自公路与民 航运输更加激烈的竞争和挑战。特别地，伴随人们追求更高的生活品质，旅客对 速达性、经济性、便利性、舒适性、安全性等服务质量的要求也日益增强。铁路 客运想要在竞争中谋求发展，唯一出路就是从市场出发，不断改善客运产品结构 和质量，提高运输服务水平，从而最大限度地满足旅客出行各方面的需求。 与此同时，随着大规模的快速轨道客运网络的建设以及铁路技术装备水平的 提升，我国铁路网的路网条件、网络结构、生产力布局、资源配置等都将发生较 大程度的变化，客运专线运送的客流性质、承担的运输任务以及提供给旅客的服 务水平也将与既有线存在明显差异。因此，如何在新的生产力配置和客运市场条 件下，设计出合适的运输组织方法将成为我国客运专线乃整个快速客运网络成功 运营的关键。 客车开行方案作为客运组织的重要环节，它不仅是连接客流和运行图必不可 少的中间桥梁，还很大程度上反映了旅客运输的经营策略和服务质量，体现着客 运组织的服务水平。只有正确地组织各种客车的开行，才能经济合理地使用客运 机车车辆和各种客运技术设备，充分利用铁路运输资源，发挥客运专线的运输优 势，为铁路争取到更多的市场份额。因此，对客车开行方案进行研究就显得尤为 重要，它是铁路客运专线旅客运输面临的急需解决的核心问题，对发展铁路客运 专线旅客运输、提高客运服务质量及水平，争取市场份额有着极其重要的作用。 综上所述，客运专线客车开行方案的研究对于运输组织理论的完善，客运专 线的日常运营组织的协调，旅客运输经济效益的提高都具有十分重要的意义。 1 3 国内外研究现状 旅客列车开行方案是开展铁路客运工作的基础，多年来，国内的许多专家学 者对铁路客车开行方案的制定及优化进行了比较深入的研究，同时取得了一定的 理论研究成果。文科1 2 1 对既有普速铁路旅客列车的组织和开行方案的设计方法进 行了系统描述。 1 3 1 国内研究现状 ( 一) 经济效益计算与评价 2 北京交通人学硕十学位论文绪论 单文浩、叶怀珍【3 】分析了不同等级旅客列车的成本和收入构成，通过每- - n 车 的平均满员率来计算列车的收益情况，进而评价列车开行方案的效果。 贾俊芳【4 】从铁路运输企业的角度，对影响旅游列车开行方案的因素进行了分 析，并提出用a h p 方法评价旅游列车开行方案的构想。 陶思宇、查伟雄【6 】通过对开行方案的经济效益影响因素的分析，提出了旅客列 车丌行方案经济效益评价的计算方法，该方法可以计算出旅客列车在单程全程满员 状况下的收入、成本、盈亏状况、保本上座率等指标。 藤志民等【_ 7 】以网运分离为实际背景，对旅客列车开行单列成本和收入进行分 析，确定了单列旅客列车的开行费用，并构造了旅客列车开行的单列核算模型。 宾松等【8 】从铁路运营效益与旅客出行效益两个角度出发，分析比较各种跨线列 车在客运专线和既有线上运营所产生的经济效益来确定较优的方案。 张鹏辉、孙晚华【9 】以拟建的京沪高速铁路为背景，从增加既有线货物列车数带 来的收益、减少高速列车开行数量产生的损失以及中速列车在高速线上运行的机 会收益三方面对开行中速上线列车的经济效益进行评价。 ( 二) 列车开行径路选择 徐琳【lo 】对影响开行方案径路选择的技术、经济及客流等因素进行比较，提出 并建立了确定单列旅客列车开行径路选择的a h p 模型，以南昌至北京间直通旅客 列车为例进行了实例计算。 王拮、彭其渊【l i 】着重研究了旅客列车开行线路的选择，分析了传统最短路径 算法的不足，提出利用遗传算法求解路网中任意两点间k 条最优路径的思想，并 进行了算法设计与仿真计算。 ( 三) 京沪高速铁路开行方案相关问题 沈庆衍、郎茂祥【1 2 】分析了京沪客流现状及特点，进而提出高速铁路与既有线 的分工原则及分阶段分工方案，并对高速客站的设置及不同等级列车的停站方案 进行了定性分析。 兰淑梅【1 4 】参照日本新干线运营经验，结合我国铁路的实际情况，对未来京沪 高速铁路的客流量按不同类型的列车进行分解，并讨论了高速线路的客运组织模 式、列车的停站方案、运行图的铺画格式、高速动车组的运用方式等问题。 陈慧、杨浩【1 6 】针对高速铁路客流密集区段，提出个性化停站与平均化停站两 种方式，就其特点及适用情况进行对比分析，并对京沪线沪宁段列车开行方案进 行了设计及方案比选。 赵鹏、杨浩【1 1 7 】以京沪高速铁路为背景，结合该线的客流预测结果，提出了跨 线客流的3 种输送模式，并从动车组利用、旅客旅行时间节省和旅客需求适应程 3 北京交通人学硕士学位论文绪论 度等方面对3 种模式进行了比较。 ( 四) 开行方案优化模型及算法 张拥军等【2 i 】对高速列车停站影响进行了分析，根据实际问题，以旅客停站时 间最少、列车虚糜最少、未满足要求的旅客数量最少为目标，建立了多目标0 1 规划数学模型，并运用有序组合树方法对问题进行求解。 查伟雄等【2 2 】采用定性与定量分析相结合的方法，根据路网上的o d 流量，以 方便旅客出行为目标，给出了单目标0 1 规划模型，并将直通旅客列车开行方案的 确定归结为二分图的最大权匹配问题。 周立新【2 3 】在分析了成本和收益两种传统运输模型不足的基础上，综合考虑旅 行时间、旅行费用、旅行方便与舒适等多因素对市场细分的影响，以及运输能力 使用与需求转移的影响，构造了单o d 对旅客列车开行方案决策模型。 何宇强、毛保华【2 4 】提出旅客出行方便度概念。在此基础上，建立了客运专线 列车开行方案的多目标双层规划模型。该模型以列车开行的最大收益和旅客的最 大方便度为目标，同时考虑基于旅客最小出行费用的不同列车配流问题。文章实 现了求解该模型的混沌算法，并以2 0 0 8 年石太客运专线的列车开行方案的制定为 例进行了说明。 邓连波、史峰【2 5 。2 7 1 研究了旅客列车开行方案的相关费用和优化目标，均衡考 虑企业利益和旅客需求，将列车开行方案与旅客换乘方案结合起来，以客流在铁 路换乘网络上的分配作为下层规划，建立了旅客列车开行方案优化的双层规划模 型，并设计了基于模拟退火算法的优化求解方法。 汪波、杨浩【2 8 。2 9 1 研究了基于周期运行图的旅客列车开行方案，同时考虑了铁 路运输企业运营的收益、旅客的等待时间等具体需求，特别是考虑到客流的不确 定性，建立了包含三个目标的机会约束模型。文章最后以京津城际铁路为背景， 利用该模型计算了周期运行模式下的列车开行方案。 ( 五) 开行方案设计与优化系统 胡辉【l8 】针对郑州铁路局的实际情况，开发了旅客列车开行方案系统。 查伟雄掣玛】基于市场经济条件下铁路旅客列车的开行需求，对旅客列车开行 方案计算机决策支持系统的数据流程、功能结构以及各子系统的构成进行了深入 研究。根据现场的实际要求，成功开发了相应的计算机系统。 史峰等【2 0 】结合客运专线建设的实际背景，提出开发旅客列车开行方案优化系 统的必要性和紧迫性。依托开行方案优化模型及算法，开发了铁路旅客列车开行 方案优化系统，通过对某拟建客运专线的开行方案进行测算，表明该系统具有良 好的优化质量和运算效率。 4 北京交通人学硕十学位论文 绪论 1 3 2 国外研究现状 国外关于客车开行方案的研究要追溯到1 9 6 5 年，a n t h o n ，圳给出了旅客列车 开行方案设计和优化的基本框架。长期以来，国外铁路运营管理人员及科研人员 不断地在探索和挖掘开行方案设计问题的内在规律，寻求解决开行方案优化问题 的有效方法。从最初的单一通勤线路上不同列车的停站组合方案的设计，到如今 网络化、周期化条件下大规模列车开行方案的制定，国外相关研究都取得了丰富 的理论成果。 ( 一) 直线无分支型线路的开行方案优化 e i s e l e 3 4 】研究了城市郊区通勤铁路线上旅客列车的停站方案问题。他指出对于 城市郊区通勤线路，在多对一客流o d 需求的情形下，区域停站的方式比全停站 和间隔停站方式都要优越。 a s s a d 3 5 】针对直线无分支型线路，指出在列车方案中，主要关心的是所有列车 方向的停站方案。并表面对于这类列车停站的安排问题，最常用的做法是利用某 种评价准则从所有可能方案中选择较优方案。 g h o n e i m 【3 6 】研究了城市通勤列车在早、晚高峰期内固定时间间隔成组周期发车 的问题。作者建立动态规划模型，目标是为了找到各区域最经济的划分方法，文 章求解了加拿大c f l g a r yl r t 不同客流情况下列车的周期开行模式。 s o n e 和c l a e s s e n s 3 7 。9 1 在e i s e l e 研究的基础上，进一步研究了各种停站方式的 组合问题。并用实例表明，区域停站不适用于通勤以外的铁路系统。对于城际问 高速铁路多对多客流o d 需求的情况下，各种停站方式的组合要比单一的区域停 站方式好得多。 y u h e mc h a n g t 4 0 】以拟建的台湾高速铁路为背景，建立了在周期化运行模式下， 以总体运营成本最小和旅客总等待时间最少的多目标整数规划模型。在多对多客 流o d 需求和给定运输能力下，作者采用模糊规划方法来求解最佳的开行方案。 ( 二) 网络和周期化开行方案优化 b u s s i e c k 4 l 】以德国铁路为背景，阐述了德国铁路旅客列车开行方案的制定方 法。作者以直达旅客数量最大为优化目标，研究能力约束条件下周期开行方案的 制定，通过简化模型规模和增加松弛变量，降低了模型的求解精度，但是大大减 少了模型求解时间。 b u s s i e c k 4 2 】研究了基于周期化运行的欧洲公共交通( 包括轨道、公交等) 开行 方案的制定，该论文以文献【4 1 , 4 3 】提出的能力模型和费用模型为基础，引入割平面 方程、线性松弛等方法，深入研究了模型的求解算法。 5 北京交通人学硕十学位论文绪论 c l a e s s e n s 和d i j k 4 3 】以荷兰铁路为背景，研究在给定路网结构、客流分布及能 力约束条件下，运营费用最小的开行方案问题。优化内容包括开行列车的起讫点、 开行频率、列车编组。为减小模型的求解难度，作者将非线性整数规划模型转化 为线性规划模型求解，并采用约束满足和分枝定界方法。但由于问题规模太大， 无法求得精确解，只能在可接受时间内获得满意解。 b u s s i e c k 4 4 1 研究了基于费用最优的旅客列车开行方案，研究的重心是模型的求 解算法。开行方案优化问题本身是n p 完全的，作者将线性规划模型和非线性规划 模型相结合，辅以一些线性松弛不等式，设计了可变固定过程算法用以加快模型 的求解速度。 g o o s s e n s 4 5 。4 7 1 研究了同一类型路网中( i c 或a r ) 列车具有不同停站方案的情 况下，周期化客车开行方案的制定。文章给出了同一路径最多可有3 种不同停站 模式下的列车开行方案优化模型及其算法，算法对大规模路网问题的求解仍然比 较困难。 1 4 论文的研究思路 论文的研究思路如图1 1 所示。 ( 1 ) 从剖析开行方案的概念入手，明确客运专线开行方案的内涵与外延，论 述开行方案的主要构成要素，并总结分析既有的开行方案优化设计方法。 ( 2 ) 对影响开行方案设计的主要因素进行系统分析，探讨其中的影响规律。 ( 3 ) 良好的客车开行方案一方面要能满足旅客的多样化出行需求，另一方面 要使铁路客运企业获得一定的经济效益，从以上两个目标出发，研究设计开行方 案应该考虑的基本原则，并将其作为分析构建开行方案的优化设计模型的前提和 基础。 在铁路旅客运输系统中，包含着两方面的决策，一是来自铁路客运企业，二 是来自于铁路旅客。这两方面决策相互关联，互为影响，使运输系统稳定在某种 平衡状态。本文认为开行方案的设计不能仅从铁路企业的角度出发，还应充分考 虑旅客的利益以及在给定开行方案的条件下旅客对于多种出行乘车方案的选择行 为。基于这样的优化思想，论文需要进行以下几个问题的研究： ( 4 ) 研究基于开行方案的客运换乘网络构造方法。从出行者的角度来看，旅 客出行选择的基础不只是实际的铁路线网，而是由铁路线网与各种列车所共同组 成的列车运行网络，我们可以称之为客运换乘网络。旅客对于多种出行方案( 或 不同列车产品) 进行选择的过程可以视为旅客在换乘网络中的多路径出行选择过 程，也即是我们常说的客流分配过程。因此，要考虑给定开行方案的条件下旅客 6 北京交通人学硕士学位论文绪论 对于多种出行乘车方案的选择，前提就在于构建好开行方案所对应的客运换乘网 络，并做到准确合理地描述换乘网络中的各种阻抗参数。 图l - l 论文的研究思路 f i g1 - 1p a p e rr e s e a r c hp l a n ( 5 ) 确定客运换乘网络的出行阻抗。客运换乘网络中不同类别的弧段对应着 旅客出行过程中经历的不同环节，为此，需要研究旅客在不同出行环节中所支付 的广义费用种类及多少，确定出换乘网络中不同类别弧段的费用阻抗。一般来说， 旅客的广义出行费用包含了票价、旅行时间费用以及舒适度费用。 ( 6 ) 分析影响铁路旅客出行行为的主要因素，研究在客运换乘网络上基于弹 性需的铁路客流分配模型与算法。首先，根据广义交通行为理论，全面分析铁路 旅客在对出行方案进行选择时所考虑的主要因素，探讨这些因素如何有效地进行 7 北京交通大学硕士学位论文 绪论 量化。以此为基础，运用效用理论，对弹性需求条件下铁路旅客的出行选择行为 进行建模分析，并构建出基于客运换乘网络的铁路客流分配模型，根据模型特点 设计出相应的求解算法。 ( 7 ) 研究弹性需求条件下的客车开行方案的双层规划优化模型与算法。客车 开行方案的确定除了需要考虑铁路客运企业的经济效益外，还应充分考虑和满足 旅客多样化的出行需求，降低旅客的出行费用。基于此，构建双层规划模型用于 优化设计客车开行方案，其中，上层规划描述铁路客运企业设计最佳的开行方案 以实现企业的目标，下层规划描述铁路客流在客运换乘网络( 或不同出行方案) 中的分配模式。同时，模型还将考虑旅客的出行量随出行费用的变化而变化，即 客运需求是弹性变化的情况，以使模型反映的问题更加符合实际。关于求解方法， 到目前为止，双层规划的求解大约有十几种算法，为此本文将针对所建模型的求 解特点和难点，设计出相应的求解算法。 1 5 论文的结构与内容 论文的结构与主要内容安排如下： 第一章：绪论。简述论文的选题背景及选题意义，综述国内外关于客运专线 开行方案设计的研究成果，指出现有研究存在的不足之处和论文研究的出发点， 阐述论文的研究思路和研究内容，最后介绍论文的内容安排。 第二章：客车开行方案影响因素及设计原则研究。本章对客车开行方案的概 念进行剖析，指出开行方案的主要构成要素，并描述开行方案在客运组织中的层 次和作用。在此基础上，对影响开行方案设计的几个主要因素进行分析，同时提 出设计开行方案应考虑的基本原则。 第三章：弹性需求的铁路客流分配模型与算法。首先，回顾多种既有换乘网 络的构造情况，对不同网络的规模、功能和计算处理能力进行综合比较分析，同 时提出基于开行方案的客运换乘网络构造方法。然后，对影响铁路旅客出行行为 的因素进行分析，并根据效用理论，给出弹性需求的铁路旅客出行选择模型。在 此基础上，充分考虑旅客出行过程中的票价、时间费用、舒适度费用等各种广义 费用的支出，构建在客运换乘网络上基于弹性需求的铁路客流分配模型，并给出 f r a n k w o l f e 求解算法。 第四章：弹性需求的客车开行方案双层规划优化模型与算法。分析客车开行 方案优化设计问题的本质特点，指出用双层规划方法来解决该问题的优势所在。 对开行方案设计问题进行描述，建立上层以铁路客运企业经济效益最大化，下层 以全体旅客出行广义费用最小化为目标的客车开行方案双层规划优化模型。针对 8 北京交通人学硕士学位论文 绪论 模型大规模非线性的特点，提出采用启发式的遗传算法进行求解，并对解的编码、 交叉操作、变异操作等遗传要素进行详细设计。最后，以一条典型的客运专线线 路为算例来验证模型及算法的可行性和有效性。 第五章：结论与展望。总结论文所作的主要工作以及获得的结论，并提出需 要进一步完善和研究的问题。 1 6 本章小结 ( 1 ) 在快速轨道客运网络大规模建设以及铁路技术装备水平不断提升的背景 下，本文认为我国铁路网的路网条件、网络结构、生产力布局、资源配置等都将 发生较大程度的变化。在此基础上，文章提出了客运专线开行方案的优化设计问 题，此问题的研究是我国客运专线运营实践的必然需求，同时也是客运专线运输 组织理论的补充与深化，具有重要的理论和实践意义。 ( 2 ) 综述了国内外专家学者在开行方案领域所开展的工作及取得的一系列重 要成果，并说明了研究中存在的问题和需要改进的地方。 ( 3 ) 阐述了论文的研究思路，介绍了论文的结构和内容安排。 9 北京交通人学硕+ 学位论文客卞开行方案影响冈素及设计原则研究 2 客车开行方案影响因素及设计原则研究 本章根据我国既有普速铁路运输组织理论中关于旅客列车开行方案( 全文简 称客车开行方案) 的描述，结合我国客运专线的实际情况及其运输组织特点，论 述客运专线客车开行方案的内涵及其主要构成要素，系统分析影响客车开行方案 设计的主要因素，并提出设计客车开行方案应考虑的基本原则。 2 1 客车开行方案的定义 客车开行方案是指确定旅客列车运行区段、客车种类及开行对数的计划【l 】。客 车的始发站、终到站、经由的路线和停站构成客车的运行区段，客车种类区别出 客车不同的等级或性质，开行对数的多少表示行车量的大小，三者构成一个完整 的客车开行方案。客车开行方案在铁路运输中占有非常重要的地位，是铁路旅客 运输组织及运营的基础。为了满足旅客的旅行要求，方便旅客出行，铁路客运部 门必须确定旅客列车开行数量、种类、运行区段、停靠站、合适的列车始发、终 到及经由中途各主要站的时间，并考虑不同车次旅客列车的合理接续时间。 2 2 客车开行方案的主要构成要素 按照文献【l 】的界定，客车开行方案仅指旅客列车运行区段、列车种类、开行对 数的计划，不包含列车运行方案图在内。考虑到列车运行方案图( 又称“客车方 案”) 也是一种方案性质，不是列车运行详图，而且与列车运行区段、种类、数量 紧密联系在一起，所以将客车方案及由此计算的客车车底数量也纳入到开行方案 之中。这样，客车开行方案包括以下五方面的内容。 ( 一) 客车运行区段 客车运行区段包括始发站、终到站、经由线路及停站方案四个要素，其中始 发站是指旅客列车由何处始发；终到站是指列车在何处终到；经由线路是列车实 际运行所经过的线路【l 】。一般在始发站与终到站之间有多条径路可以选择，需要综 合考虑多种因素，进行最佳径路的选择。因我国高速客运专线尚未成网，故经由 线路目前为唯一方案。 ( 二) 客车种类 1 0 北京交通人学硕十学位论文客下开行方案影响冈素及设计原则研究 客运专线与普速铁路一样，旅客列车也分若干等级。当只运行一种运行速度 的高速列车时，主要根据其停站次数的多少进行划分，停站次数越少等级越高【4 引。 因此，在确定列车丌行方案阶段，可按列车沿途停站比例分为直达列车、特快列 车、快速列车、普通列车等，参见表2 1 。此外，从运行距离上可将其分为长途列 车、中途列车、短途列车，根据列车跨越区段比例，其分类结果如表2 2 所示。未 来客运专线的管理模式将不同于现有体制，且随着客运公司改革的深化，直通列 车和管内列车的概念将逐步被长途列车和短途列车所取代。因此，对于客运专线 不宜按传统的“直通、管内 概念进行分类。 表2 1 客运专线客车按旅行速度的分类 t a b2 - 1t r a i nc l a s sa c c o r d i n gt ot r a v e ls p e e d 客车种类停站比例( )说明 直达o 1 0不停站或很少停站 特快 2 0 3 0 停站数量较少 快速4 0 6 0停站数量占一半左右 普通7 0 l o o基本上站站停 表2 - 2 客运专线客车按运行距离的分类 t a b2 - 2t r a i nc l a s sa c c o r d i n gt ot r a v e ld i s t a n c e 客车分类 ， 跨越区段比例 长途客车 3 4 中途客车1 4 3 4 短途客车 l ； k 为某类列车吸引客流的比例，0 k l ； r n 为某类列车的平均编组数； a 为列车合理的上座率，0 a ：d 一个区段、一条线路或全路能提供的年席位公里( 万人公旱) 。 现有铁路的a 可通过实际统计得到。我国铁路旅客列车平均席位利用率多年 来保持在7 0 左右，其中快速列车、特快、直通快车的上座率普遍较高，而慢车 虚糜现象却较严重。席位利用率与列车运行线路、运行距离、旅行速度、开行时 间、定员和停站次数等因素密切相关。为保证旅客运输质量。a 的取值应严格控制， 一般取0 7 5 0 8 。a 高于o 8 的区段和线路、时间段、车次、月份和天数就有可能 超员【4 9 1 。由于客运专线尚处起步阶段，缺少经验和统计数据，因此a 的取值应参 考国外高速铁和国内城际铁路的运营现状，并结合专家知识慎重确定。 2 4 4 客流波动系数 由于受季节、时间和环境等各方面因素影响，客流量每天都在变化。高峰月 日均客流量与年日均客流量之比就是客流波动系数【2 1 。 我国主要铁路干线客流波动系数高达1 4 。为此，客运专线必须对节假同( 含 客流高峰日期，以下同) 的旅客运输做出安排。为了适应旅客运输市场这一规律， 在设计客车开行方案时，采取“基本运行图 的方法，即以满足旅客平日出行需 要为根本，考虑高峰同的客流波动，形成基本客车开行方案和高峰客车开行方案 复合而成的旅客列车开行方案。 2 4 5 服务频率和运量的关系 对于一种运输方式而言，服务频率是吸引旅客的至关重要的因素，尤其是在 市场经济条件下更是如此。一个“方案”的服务频率可直接反映出沿线各站旅客 乘坐客车的机会( 次数) ，显示出“方案 吸引客流的程度。在客流预测中，将不 同的服务频率输入运量预测模型后，可得出不同服务频率条件下的运量变化情况。 1 6 北京交通大学硕 。：学位论文客车开行方案影响因素及设计原则研究 图2 2 服务频率与客运量关系图 f i g2 - 2c o n n e c t i o nb e t w e e ns e r v i c ef r e q u e n c ya n dt r a f f i c s 如甄静、赵映莲在论高速铁路旅客列车开行方案设计【删中采用世界银行 推荐的国际通用的客流预测模型进行预测，以南京至上海( 约2 9 5 k m ) 为例，得 出服务频率与运量的关系如图2 2 所示。两者的关系是：服务频率高，运量增长， 但服务频率达到一定的次数后，再增加服务频率对运量的影响就不大了。 2 4 6 车站作业能力及车底数量 客车开行方案受车站作业能力的制约，当车站作业能力不足时( 包括到发能 力、车底整备折返能力) ，可延长或缩短列车运行区段，以避开车站能力的限制。 此外，还应考虑车站在政治、经济、文化、地理位置等多方面的因素。有时因车 站地位的不同，可超越客流需要而延长运行区段。 为了合理使用车底设备，尽可能地减少车底数量，开行方案将因车底的合理 套用而调整，如将不同区段的短途列车贯通运行，以减少车底需要数；当长途列 车车底整备时间过长时，可考虑跑短途列车。 2 5 客车开行方案的设计原则 客车开行方案总的目标是以铁路旅客运输市场为背景，在相关条件允许的情 况下，经济、合理、充分地使用客运机车车辆和各种客运技术设备，以最大限度 地满足旅客出行需求为基本要求，同时在提高运输质量方面下大力气，以达到更 多地吸引、诱发客流以及扩大铁路市场份额的目的。运输市场的竞争就是产品质 量的竞争，客运竞争归根结底就是客运服务质量的竞争，把握好市场经济条件下 1 7 北京交通人学硕+ 学位论文客车开行方案影响冈素及设计原则研究 旅客需求和心理的变化是铁路客运专线扩大其所占市场份额的重要因素，因此， 设计客运专线开行方案时应该从旅客角度出发遵守提高旅行速度原则、方便旅客 原则以及提高旅行舒适度原则。 科学合理、符合旅客出行要求的开行方案不但能够吸