（交通运输规划与管理专业论文）客运专线调度指挥关键技术问题研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论支第1 页 摘要 随着我国客运专线的建设，客运专线的调度指挥相关问题，已成为解决 客运专线运输组织问题的关键课题之一。本文从系统角度研究和探讨了我国 客运专线列车运行调整问题，运用系统模型方法对客运专线调度指挥系统的 系统结构进行了初步辨识。 根据列车运行组织过程，对客运专线运行调整问题进行了深入细致的系 统分析，阐述了列车运行调整与其它运输组织问题的内在关联性，确定了文 章的基本研究内容。为了提高决策速度，确定客运专线运行调整的基本思路 为先确定列车到发顺序后然后推定列车到发时刻，按照该思路，建立了相应 的优化决策模型，设计了对应遗传算法。 研究了当列车运行波动时，到发线运用计划的调整原则和调整方法，建 立了与之相对应的多目标0 1 规划模型，采用d b f s 算法进行求解。论文分 析了动车组运用计划与调整计划的的区别，然后根据调整目标制定了调整原 则，在此基础上建立动车组调整计划优化模型，根据模型特点采用蚁群算法 进行求解，引入约束主导原理解决蚂蚁算法的约束问题。 论文采用用布尔矩阵表达客运专线调度指挥系统结构，对系统结构进行 归类、简化，更清晰地了解系统结构及其各要素之间的关系。使用d e m a t e l 方法对系统进行分析：客运专线调度系统的各子系统在系统评价体系中，对 其他子系统影响较大的子系统是运营调度子系统、综合维修子系统、运输计 划子系统，而动车组则受其他子系统的影响较大。 论文主要创新性工作为： 1 构建了客运专线运行调整优化模型，为了求解，在先构建了基于交叉 d e a 的列车排序模型，设计了相应遗传算法对模型进行进一步求解推定列车 到发时刻： 2 研究了客运专线运行调整时的到发线运用优化问题，建立了与之对应 的多目标0 - t 规划模型，设计对应d b f s 算法： 3 分析了客运专线实际运输过程中的动车组运用优化问题，建立了阶段 第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 计划动车组运用优化模型，采用蚂蚁算法对模型进行求解； 关键词：客运专线；运行调整；遗传算法；到发线；动车组运用； 西南交通大学博士研究生学位论文第1 n 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t so fp a s s e n g e rt r a f f i c s p e c i a ll i n e ，s t u d y i n g a n i n t e l l i g e n t t r a i nt r a f f i cc o n t r o l s y s t e mw h i c hi sa d a p t a b l e t oc h i n ar a i l w a y i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi sb e c o m i n gm o r ei m p o r t a n ta n du r g e n t s o ，t h e p a p e rm a k e ss y s t e m a t i cr e s e a r c ho nt r a i no p e r a t i o na d j u s t m e n to fo u rc o u n t r y s p a s s e n g e rt r a f f i cs p e c i a ll i n e t h ei n i t i a li d e n t if i c a t i o no fp a s s e n g e rt r a f f i cs p e c i a ll i n e t r a i nt r a f f i cc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g nt h r o u g ht h es y s t e mm o d e l a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s so fo r g a n i z a t i o no ft r a i no p e r a t i o n ，t h ep a p e rm a k e s t h o r o u g h a n de x t e n s i v e s y s t e m a t i ca n a l y s i s t ot h ea d j u s t m e n t p r o b l e m o f p a s s e n g e rt r a f f i cs p e c i a ll i n e t h ei n t e r n a lr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt r a i no p e r a t i o n a d j u s t m e n ta n do t h e rp r o b l e m s0 1 1t r a n s p o r t a t i o no r g a n i z a t i o na r ee x p o u n d e d a n d t h e nt h eb a s i cc o n t e n t st h ep a p e rw i l lb es t u d i e da r ed e t e r m i n e d ，t om a k eq u i c k d e c i s i o n ，t h eb a s i ct h o u g h tt oa d j u s ti sd e t e r m i n e da sf i r s t s e a r c h i n g t r a i n a r r i v a l d e p a r t u r eo r d e r st h e nr e c k o n i n gt r a i na r r i v a l d e p a r t u r et i m e s o p t i m i z a t i o n m o d e lo nt h ep a s s e n g e rl i n ei ss e tu pb yt h et h o u g h t sa n dt h ec o r r e s p o n d i n g g e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) i sa p p l i e dt os o l v et h ep r o b l e m t h ea d j u s t m e n tp r i n c i p l e sa n dm e a s u r e sf o rt r a c kp l a na l es t u d i e d ，a n dt h e n t h ew o r k i n gp r o c e s so fm a k i n gt h ea d ju s t m e n tp l a no nt r a c ku s i n gi ss e td o w n d b d sa l g o r i t h mi se f f e c t i v et ot h em u l t i o b j e c t i v eo - 1p r o g r a m m i n gm o d e l f i r s t t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ep r i m a r yp l a na n dt h ea d j u s t m e n tp l a no ft r a i nu n i ti s d i s c u s s e d ，a n dt h e nt h ew o r k i n gp r o c e s so fm a k i n go p t i m a la d j u s t m e n tp l a ni s s t u d i e db a s e do ns o m ea d ju s t m e n tp r i n c i p l e sw h i c ha r es e tb a s e do nt h e a d j u s t m e n tg o a l t r a i n s e ta d j u s t m e n ts c h e d u l i n g ( t a s ) p r o b l e mi se q u a lt ot s p w h e nt h e ya l ea l l s i n g l eo b j e c t i v ep r o b l e m t h e nd e s i g nt h ec o r r e s p o n d i n ga n t a l g o r i t h m t h ep r o b l e mo fc o n s t r a i n ti se f f e c t i v eb yt h ep r i n c i p l eo fa n tr e s t r a i n t 第1 v 页西南交通大学博士研究生学位论文 i nt h ep a p e r , b o o l e a ne x p r e s s i o no fm a t r i xp a s s e n g e rl i n es c h e d u l i n gc h a i no f c o m m a n ds t r u c t u r e ，t h es t r u c t u r eo ft h es y s t e ma l ec l a s s i f i e d ，s i m p l i f i e d ，c l e a r u n d e r s t a n d i n go ft h es t r u c t u r eo ft h es y s t e ma n di t se l e m e n f s w ec a nc o m et ot h e c o n c l u s i o nb yt h ed e m a t e lm e t h o d ：o p e r a t o rs c h e d u l i n gs u b s y s t e m ，g e n e r a l r e p a i rs u b s y s t e m ，t r a n s p o r t - p l a ns u b s y s t e m h a v eag r e a ti n f l u e n c et oo t h e r s u b s y s t e ma n dt r a i n - s e ts c h e d u l i n gs u b s y s t e mi se a s yt ob ea f f e c t e d t h ei n n o v a t i o n sb r o u g h to u ti nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 t r a i nr e g u l a t i o no p t i m i z a t i o nm o d e lo nt h ep a s s e n g e rl i n ei ss e tu p t h e o r d e ro ft r a i ni s d e s i g hb yt h ec o r s sd e a t h e na ni n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m ，g e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) i sa p p l i e dt os o l v et h ep r o b l e m a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co ft h et r a i nr e g u l a t i o np r o b l e m ， 2 o nt h eb a s i so fa n a l y s i sa n dr e f e r e n c eo ft h ea r r i v a la n dd e p a r t u r el i n e s ，a m u l t i o b j e c t i v e0 1p r o g r a m m i n gm o d e li se s t a b l i s h e dt od e a lw i t ht h el o a d e d c o n t a i n e rr o u t i n g ，a n da tt h es a m et i m e ，d b f sa ss o l v i n gm e t h o da r es e l e c t e da f t e r t h er e s e a r c ha n da n a l y s i so fr e l e v a n ta l g o r i t h m 3 t h i sp a p e rc o n s t r u c tt h et a sm o d e lt op a s s e n g e rt r a f f i cs p e c i a ll i n e ，t a s p r o b l e mi se q u a lt ot s pw h e nt h e ya r ea l ls i n g l eo b j e c t i v ep r o b l e m t h e nd e s i g n t h ec o r r e s p o n d i n ga n ta l g o r i t h m k c yw o r d s ：p a s s e n g e rt r a f f i cs p e c i a ll i n e ；t r a i na d j u s t m e n tp l a n ；o p t i m i z a t i o n o nt h ea r r i v a la n dd e p a r t u r el i n e s ；t r a i n s e ta d j u s t m e n ts c h e d u l i n g ； 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口在年解密后使用本授权书： 2 、不保密口僮用本授权书。 学位论文作者签名： 日期：吐年月皇日 美9必地 名 一 签字 师 塑 一碎 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师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，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出贡献的个人和 集体，均已在文中做了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由个 人承担。 本学位论文的主要创新点如下! 1 分析了客运专线运行调整特性，构建了客运专线列车运行调整模型，在 求解模型过程中，通过对客运专线列车本身运输类指标的选取，建立了基于 这些目标的交叉d e a 模型对列车进行排序，继而使用遗传算法对列车发车时 刻进行了推定； 2 研究了客运专线运行调整时的到发线运用优化问题，建立了与之对应 的多目标0 - 1 规划模型，设计对应d b f s 算法； 3 分析了客运专线实际运输过程中的动车组运用优化问题，建立了阶段 计划动车组运用优化模型，采用蚂蚁算法对模型进行求解； 学位论文作者签名： 日期：狙耻年毒摩l 日 西南交通大学博士研究生学位论支第1 页 1 1 选题背景 第1 章绪论 1 1 1 问题提出 铁路运输具有运量大、成本低、质量好、安全性高、受气候影响小等优 点，一直是我国现代交通运输体系中重要的运输方式之一。随着社会的发展 和国民经济的增长，以及其他运输形式的迅速发展，要求铁路运输更加高效、 快捷、可靠，为此国家提出了修建客运专线。客运专线列车的高速度和高密 度运行，给旧有的调度指挥工作带来的巨大的挑战。具体而言，就是两大瓶 颈问题，一是调度指挥过程中，如何充分、迅速和可靠地收集和传递反映列 车运行状态的各种信息，并及时可靠地将各种调度命令传递到铁路网络内有 关的部门和工作岗位 二是如何在越来越短的时间内，在对列车运行状态进 行监督、预测、和分析的基础上，对列车群的运行状态和方式进行有效地调 整，以满足运输按计划运行的要求。同时，提高调度指挥人员的工作效率， 改善他们的劳动条件、降低劳动强度，提高调度指挥工作的自动化和智能化 程度的需要也越来越迫切。 多年以来，我国铁路既有线调度指挥工作主要靠调度员与车站值班员电 话联系和手工绘图，劳动强度大而且工作效率低下，随着调度监督系统和d m i s 和t m i s 的大面积推广，跟踪和车次号校核技术的进步，调度命令和三小时阶 段计划的下达也可以自动实现，自动化程度大大提高，但三小时计划的编制 一直未得到很好的解决。一方面，系统庞大，参数复杂，难于建模，传统的 优化措施和自动摔制理论难于奏效；另一方面，各调度台之间的作业是相互 联系的，而各调度台系统本身掌握的信息量不够大，不足以实现全自动的优 化的计划调整。随着高速铁路、铁路智能交通工程等的兴起，现有的行车指 挥方法已无法适应现代化的需求，且现有的列车运行调整辅助决策系统主要 用于客货混行的线路，其铁路通过能力评价和优化方法不能完全适应客运专 线运行图，不能简单的直接用于客运专线的运行调整，同时，客运专线上行 驶的列车速度比现有的线路要高出很多，其对列车运行调整的实时性有了更 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 高的要求，因此研究高实时性的调度算法和开发与之相适应的调度指挥辅助 系统具有重要意义。 客运专线运输的规律性强，客运专线调度指挥系统的计划性也较强，系 统应强调用计划来统一协调相关专业的工作，实现一元化管理，从而大大提 高作业效率，保证各专业协调一致的工作。我国铁路正在实施的客运专线调 度指挥系统集成是一项庞大的系统工程，为了明确客运专线调度指挥系统管 理的问题和目标，对铁路客运专线系统的系统结构进行初步辨识，研究系统 中各要素间关联关系，对于客运专线调度指挥系统进行系统分析、系统优化、 系统选择和系统实施有重要意义。 1 1 2 研究目的及意义 ( 1 ) 列车运行调整是客运专线运输组织中必须研究的重要课题，客运专 线虽然拥有现代化的程度很高的技术装备，列车运行稳定性较既有线显著提 高，但是实际运输生产过程中难免会出现各种随机干扰。我国客运专线将面 临晚点中速列车运行调整工作和列车接续以及动车组运用三个工作特点，因 此问题复杂。所以，运行调整工作是我国客运专线一个值得研究也是必须研 究的重要课题。 ( 2 ) 研究运行调整优化理论与方法对于提高列车运营水平有重要意义， 客运专线速度高，密度大，列车之间联系紧密，一旦出现运行干扰，很容易 导致出现大面积列车运行紊乱，不只给旅客造成损失和不便，也会给铁路本 身带来各种损失，行车指挥任务非常艰巨，如何采取各种措施，在现有的设 备能力范围内使列车尽早恢复正常运行秩序不仅可以提高列车运行稳定性， 也可以减少对设备储备能力的需要，降低运营成本。 ( 3 ) 完善客运专线运输组织理论与方法，客运专线运行调整与既有线运 行调整对象上、时效要求上、运行图结构上都有明显不同。通过对客运专线 列车运行调整问题的研究，建立相应的优化理论和方法，对于完善客运专线 运输组织理论与方法有着重要意义。 ( 4 ) 随着我国高速铁路建设进程的加快，对于客运专线调度指挥系统这 样一个巨大且复杂的管理系统进行结构分析，将会对系统优化和系统选择有 重要意义。我国即将投入运营的客运专线的行车指挥方式、调度指挥系统架 西南交通大学博士研究生学位论支第3 页 构等都有着自- 己的特点，不能全盘利用国外的研究成果，研究我国客运专线 调度指挥系统问题是十分必要的。 1 2 国内外研究现状概述 1 2 1 国外列车运行调整研究现状 对调度理论的研究已有4 0 多年的历史，人们在6 0 年代中期就己认识到 求解调度问题的困难性，并且在7 0 年代随着n p 完全理论的出现逐渐明确了 调度问题的本质复杂性【1 1 。针对如何快速、有效地解决列车调度问题，国内 外许多学者进行了不懈的研究1 2 - 9 1 在铁路运输领域，多年来行车指挥问题的研 究一直倍受各国学者的关注，其研究热点主要集中在数学模型的建立和求解 过程的开发两方面。目前比较有代表性的实现这两方面的方法有以下几类：仿 真方法、运筹学方法、人工智能方法。 ( 1 ) 仿真方法 尽管仿真不能进行复杂分析，但它可以灵活详尽地对系统进行建模，因 此在系统设计、使用、评价等方面成为一种实用的方法。自从1 9 6 1 年i b m 公 司开发o p s s ( 离散事件系统仿真语言) 以来，出现了许多仿真专用的程序语言， 用仿真解决调度问题的方法得到了显著普及。特别是随着计算机的进步，其 有用性正在迅速提高。 f r a n k 、p e a t 、m a r w i c k 、m i t c h e l l 、p e t e r s e n 、t a y l o r l 2 4 1 等开始了用仿 真技术进行行车调度问题的研究。a b e & a r a y af r a n d ( 1 9 8 6 ) 1 5 l 、 p e t e r s e n t a y l o r l ( 1 9 5 2 ) ，驹谷( 1 9 8 1 ) 1 6 1 、安部荒谷( 1 9 8 6 ) 等【8 - 1 9 , 3 8 - 41 】人在基 于事件的仿真和基于网络的仿真等方面做出了许多研究。 ( 2 ) 运筹学方法 七十年代初受到运筹学在车间调度问题上得到成功应用的鼓舞，很多学 者【5 , 2 0 - 2 5 a 6 - 5 0 1 开始了用运筹学解决列车运行调整问题的研究。o r 方法以目标函 数最优为中心，其代表性的方法有分支限界法、整数规划法，b s z p i g e l1 5 j 于 1 9 7 3 年率先提出了最优列车调度问题，利用线性规划技术和分支定界法解决 单线铁路上列车的调度问题。其后k r a y a 1 等人又开发了考虑不同速度和燃料 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 消耗的更为完整的模型，进行了更为深入的研究。s a u d e 1 等于1 9 8 3 年提出了 个优化的列车调度模型，并开发了一个用于单线铁路的全局优化方法，该 方法使用分支定界法部分列举出可能的交会、越行方案。j o v a n o v i c 5 j 于1 9 8 9 年提出了一个将启发式技术引入整数规划的行车调度方法，该方法显著地减 少了搜索节点的数目，从而大大提高了求解速度。k r a y a i7 j 等提出了一个在干 扰工况下产生优化调度的在线行车指挥方法。他们把调度问题视为o l 混合 整数规划问题，并基于产生式系统方法得到一个次优解，然后以该解为初始 上界，利用分枝限界法产生一个优化解。c u r y 为s a op a u i o 地铁公司开发了 一个时刻表白动生成系统，对列车和乘客的运动建立了分析模型，并通过拉 格朗日松弛法把复杂问题分解为若干子问题，再通过分层方式求解各子懈。 但当约束和环境比较复杂时拉格朗日松弛技术将难以应用。 由于列车调度问题的组合特性，在有刀列车、七个车站的铁路中，所有可 能的组合数量达到2 础，传统数学规划方法无法在容许的计算时间内有效地解 决调度问题。为探索数学规划方法实时性差的缺点，人们开始探索各种启发 式算法，在文献 5 中，介绍的j o v a n o v i c 的启发性算法是其中最引人注意的。 该算法以北美铁路为背景，以总体延误费用为目标函数，在既有的数学枚举 法的基础上改进而成，成为“以最低的延误费用来解决列车调度问题的下界 算法”。基于数学规划方法的调整算法的最大优势是，有大量的现有研究成果 可以借鉴，其主要的缺陷有以下四个： 算法满足的实时性难以满足。 算法的灵活性较差，这主要体现在数学模型的灵活性和目标函数的灵 活性两个方面。 交互性差，作为核心的调度员无法参与求解过程。 ( 3 ) 人工智能方法( a i ) 8 0 年代人工智能技术的兴起激发人们使用基于知识的技术解决调度问题 与运筹学方法相比，人工智能方法主要有以下特征【2 1 1 ： 现实系统包含有许多复杂的约束条件，人们更希望找到满足这些约束 条件的可行解，而不一定是最优解。 利用专家掌握的知识可以解决难以形式化的约束及目标。 西南交通大学博士研究生学位论支第5 页 解决行车指挥问题的人工智能方法大致可分为专家系统方法 2 0 - 3 2 】、模 糊决策1 3 3 - 4 2 方法及把两者结合起来的模糊专家系统方法。 但是人工智能方法仍然存在如何优化处理隶属度函数的问题。 1 2 2 国内列车运行调整研究现状 目前对于我国对于既有线的智能行车技术已经取得了一定的研究成果 4 3 - 9 1 1 ，对于既有线的列车运行调整算法，国内众多学者进行了详细地研究，在 理论上提出了各种不同的调整策略和调整模型。文献 4 3 4 6 3 采用d e d s 解决 列车运行调整问题的方法。但由于d e d s 的研究刚刚兴起，尚缺乏统一的理论 基础，而且容易产生组合爆炸。文献 6 0 - 6 5 针对采用数学规划的方法对列车 运行调整问题进行了求解，建立了数学模型并对其进行了求解，但是对目标 的选取过于单一以及约束条件考虑的不够完善。文献 8 8 将列车运行调整问 题看作一类有序加工的动态工件调度问题，对列车运行调整进行了分析，并建 立了以列车运行时间为优化目标的数学模型。数学模型在理论上具有一定的 意义，但却忽略了一个重要的方面：列车运行调整的目标不应单纯以列车的运 行时间为优化目标，而应该以列车计划运行图为目标，保证调整后的列车能够 尽可能地“按图行车”，以减少列车的晚点时间。文献 4 7 5 0 ，6 6 - 8 7 分别基 于模糊决策理论和图论提出了不同的调整算法，但这些算法在实现时均具有 相当大的难度。对于高速铁路的列车运行调整算法，国内的学者也进行了研 究，但基本上只是基于决策支持系统思想提出了一些调整原则，并没有明确提 出优化目标及相应的优化模型。文献 8 9 - 9 1 针对客运专线的提出了以运行图 为优化目标的调整算法，但是没有体现出客运专线的行车特点，有些约束条 件如动车组等未得到体现。 随着计算机技术的飞速发展，基于人工智能的系统综合了人工智能技术 和分布式系统的灵活性、适应性、可靠性等特点，越来越引起人们的重视。 文献 5 1 - 5 4 代表了这方面的研究成果。 1 2 3 国外调度指挥系统研究及应用的现状 到2 0 0 6 年，世界上铁路运行速度在2 0 0 k m h 及以上的国家有1 0 个，其 中法国、德国、日本、意大利和西班牙等国家的高速铁路最高运行速度己经 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 超过2 5 0 k m h 。高速铁路的运营管理和列车运行调度由调度中心负责，调度中 心是高速铁路的中枢，它根据机车车辆配备、车站配备及作业、沿线线路和 设备状态、人员配备、相邻线路列车运行状态等，统一指挥列车运行和协调 铁路运输各部门的工作。欧美和日本等发达国家竞相研制和发展以列车运行 管理为核心的铁路综合自动化系统。 列车调度指挥系统的研究分为两个方面，一种是系统体系结构，一种是 调度算法。从系统体系结构的角度，行车调度指挥系统的研究大致可分为三 种类型：集中式、集散型和分布式系统。 集中式系统，是指在一台计算机上集中控制整个系统的监视、数据采集、 数据处理、数据存储、过程控制。集中型控制系统存在一些严重的缺陷：生产 规模越大，集中的范围也越大，系统的可靠性就越差。单台计算机的容量和 速度有限。系统升发的周期和入力问题，由于控制水平的提高，新的要求会 不断地提出来，使得软件越来越复杂，越来越庞大。所以新开发的系统很少 用集中型。 集散型是指根据纵向分层，横向分散的思想，通过可靠的网络将分布在 各地的计算机系统连接起来，共同完成整个系统的数据采集、传输、存储、 处理、输出等功能。这种结构符合系统运营和管理的实际情况。其特点是：系 统上下层之间相刘一独立，下层为上层提供服务，横向同级的设备之间也相 对独立，系统组建灵活方便。各独立子系统之间采用标准的通信协议联络， 便于开发和调试。软硬件系统均易于实现标准化、模块化。易于维护和扩展。 系统采用开放的标准化模块化设计，配置灵活，适应不同用户和用户需求变 化的需要。系统的分散结构，可以有效的防止系统局部故障的蔓延。加上冗 余设计以后，系统的可靠性大大增加。 分布式系统，在集散型系统的基础上更进一步，除了一些必要的管理功 能和数据处理功能集中在中心设备以外，大量的功能都分布在各地的子系统 中完成。由于从外观上和用户界面上很难分清系统是属于集散型还是分布型， 所以也有人将分布型归结为集散型的一种。 1 2 。4 国内调度指挥系统研究及应用的现状 我国目前的运输组织基本上是属于组织型的体系，它采用统一领导、分 西南交通大学博士研究生学位论支第7 页 级管理、集中指挥的原则组织运输。既有铁路运输调度系统由铁道部调度中 心、铁路局调度所、各站段调度室三级调度机构组成，结构见图卜1 既有线 调度系统结构，其中铁路局调度所直接指挥列车运行。既有铁路客货列车混 合运行且货物运输占用重要地位，这样的特点决定了调度机构主要都是针对 货物运输而设置的；与旅客运输有关的只有一个客运调度台，而列车调度台 主要工作量是安排与指挥调度区段管内的调车作业及货物列车的运行，各级 调度的日班计划其内容主要是“装、卸、排”及货物列车的开行计划。这种 调度指挥方式不适应客运专线的运输组织的特点和要求。因此，我国客运专 线综合调度机构应有别于现行调度系统，必须借鉴国外先进经验及我国“客 运专线的特点进行构建。 国内外调度指挥系统的差别表现在运输组织模式和技术水平的差异，国 外高速铁路调度系统是基于“客货分离”( 德国的时间上分离，法国、日本的 空间上分离) 构建的，而技术水平的差异主要体现在高速铁路调度指挥的自动 化、集成化、综合化、信息化和智能化上。国外高速铁路调度指挥系统在先 进的技术条件支持下，成为集移动数据通信、设备监控、列车运行自动控制、 事故预警、防灾、等功能的综合系统。 根据目前我国既有线调度的特点和对国外三种类型的高速铁路调度系统 的了解，我们必须认识到伴随着铁路客运量的增加。列车高速与高密度的运 行，铁路运输业务的复杂性、多样性及业务量的急骤增长，用传统的、简单 的调度指挥管理手段甚至单一的自动化系统来谋求铁路业务指挥管理的合理 化和现代化，已经成为不可能。我国客运专线调度系统不仅需要满足我国客 运专线的特点，同时也要大胆引进、吸收和开发国外的先进技术装备，面临 着运行管理模式创新和技术创新双重的挑战。 第8 页西南交通大学博士研究生学位论文 曲盟盟黼检修 图i - i 既有线调度指挥结构图 1 。3 研究思路和论文结构 1 。3 。1 研究目标 从新建客运专线出发，借助于现代计算机技术、系统工程思想，挖掘调 查数据之间的内在联系，应用现代数学建模方法，探究客运专线车流特征和 行车指挥特性，构建客运专线调度指挥系统。在运行调整工作中，确定客运 专线运行调整准则，借助于数学建模和最优化理论建立客运专线中不同指标 之间的关系模型。该模型应能反映调整过程的行为过程以及行为目标，真正 实现客运专线的“以人为本”。设计现代优化算法进行模型求解，求解出模 型的优解集，并对优解集进行评价，提供给决策者以参考。 综上所述，论文的研究目标主要为：通过系统分析客运专线列车运行特 性；科学界定约束条件，构造客运专线列车运行调整优化模型及其相应的求 解方法，使之成为一个相对完整的理论体系；分析客运专线调度指挥系统结 构，为客运专线调度指挥系统构建提供一定的理论参考和具有实际意义的结 论。 西南交通大学博士研究生学位论文第9 页 1 3 2 研究方法及技术路线 研究方法是服务于研究任务和研究目标的。本文的研究紧紧围绕客运专 线，以理论研究为主，在研究过程中充分借鉴和参考以往的研究成果，将定 性分析与定量计算、横向比较与纵向分析相结合，采用系统科学的观点和方 法、类比法、文献分析法及数理模型的方法进行研究，同时借鉴离散数学、 最优化理论、系统科学等相关学科的研究方法。 由于对客运专线调度指挥的研究在我国刚刚起步，广大专家和学者对其 缺乏全面统一的认识，而且关于客运专线的运输组织理论尚未经过实际的检 验，客运专线的建设也正处于规划设计中，列车数据来源只能依靠假设，并 不能得到很好的保证，因此本论文研究以理论分析为主；在相关章节构建具 体的模型和求解方法进行分析与演绎。 另外，由于客运专线在我国是一个新生事物，在对客运专线调度指挥的 研究中应该体现一定的新理念： ( 1 ) 具有先进性：客运专线运输组织将会是一种现代化的运输组织方式， 是铁路客运运输的一项重大改革。对客运专线调度指挥方式的选择应该有利 于提高客运专线运输的效率，有利于改善运输管理水平，充分体现运输组织 方式的先进性。 ( 2 ) 具有前瞻性：在客运专线调度指挥研究过程中，充分考虑客运专线 系统的发展及其对系统建设的指导作用，使客运专线调度指挥系统的建设规 模及装备水平要适当超前，预留发展条件。 ( 3 ) 体现系统性：在客运专线运输组织研究过程中，从系统的角度出发， 应用系统的观点和思想进行研究和分析。 1 3 3 研究内容及结构安排 本论文共包括七章，各章主要内容及结构安排如图1 - 2 ： 第l o 页西南交通大学博士研究生学位论文 】互 土 i 第二章客运专线列车运行概述 l 第三章客运专线列车运行调整模型与算法 第1 章为绪论部分，主要介绍了论文选题背景、国内外研究现状、研究 方案、研究目的及研究意义等； 第2 章主要对客运专线运输组织系统和既有线运输组织系统进行了系 统分析，对客运专线运行图系统做了定性分析，研究了客运专线运行调整 特点； 第3 章重点研究了客运专线运行调整的优化理论与方法，介绍了客运专 线运行调整的基本思路，技术关键与基本方法。构建了客运专线运行调整优 化模型，为了求解，在先构建了基于交叉d e a 的列车排序模型，设计了相应 遗传算法对模型进行进一步求解推定列车到发时刻； 第4 章和第5 章主要是研究技术设备的运用问题，其中第4 章重点研究 了客运专线调度指挥的到发线运用问题。构建基于车站的图与网络模型，通 调 一 一析一 行 一 一分一 一还 一 一构一 车 一 一结一 列织一 一统一 线组一 一系一 专输一 一挥一 一还运一 一指一 麦才一 一幺。一 章技一 一专一 五的一 = 还一 鎏塑嚣匝 西南交通大学博士研究生学位论文第1 1 页 过对模型的分析，并经过对相关算法的研究和分析，最终证明使用d b f s 和 g p 算法作为模型的求解方法是可行的；第5 章主要研究了客运专线运行调整 中的高速动车组运用问题。首先分析了动车组运用计划与动车组调整计划的 区别，给出了考虑各种客观条件下的运行调整动车组运用优化模型，根据模 型特点设计了蚁群算法对模型进行计算： 第6 章用布尔矩阵表达客运专线调度指挥系统结构，对系统结构进行了 归类、简化，更清晰地了解系统结构及其各要素之间的关系。通过铁路客运 专线系统的各子系统的系统评价体系，分析了各子系统在整体系统中的原因 度，影响度。 第7 章利用相关假设数据对前面内容进行了实际验证，证明了研究的有 效性。 最后对全文进行了简单概括，总结了本文的主要研究成果、主要创新点 以及今后需要进一步研究的问题。 第1 2 页西南交通大学博士研究生学位论文 第2 章客运专线列车运行调整概述 列车运行调整问题是一个与实际运输生产紧密联系的问题，是客运专 线运输组织系统所包含的众多运输组织问题之一。在深入研究该问题之前， 对其进行系统分析，了解客运专线运行调整特性与既有线的运行调整特性 的内在联系与区别，便于根据我国客运专线运输组织研究现状和工作需要， 有目的的选择研究内容，准确、全面地研究我国客运专线运行调整问题。 2 1 列车运行调整原因 在实际运行当中，列车运行偏离运行图是一种难免的现象，但它的起因 又是有差别的，不同的原因要求列车调整的策略也不同，造成列车运行紊 乱的原因有【6 5 1 ： ( 1 ) 自然灾害：如地震、水害、山体坍塌以及泥石流等，这些都难以预 测而且影响很大，有时会造成长时间的列车运行中断； ( 2 ) 天气异常：如暴风雨、雪及大雾等，虽能预测，但同样会影响列 车的正常运行； ( 3 ) 为保证专列安全和救护急重病人会临时停车或延长停站时间； ( 4 ) 作业方面原因；由于车流预报不实或中途变化，造成原计划不准 并难以兑现。有时因线路施工影响或车站作业某些环节失调等而造成列车 晚点： ( 5 ) 由于机车操纵或机械故障等原因； ( 6 ) 列调指挥不当，尤其是当调整不当后产生传播效应时，会形成列 车运行序紊乱。 以上各原因当中，前3 项基本属于难于预测和不可避免的现象，对此， 自动化调整系统的任务应该是及时做出列车运行调整方案，提供列调进行 决策；后3 项则基本属于可以事前预计到或可以避免的，对此，自动化调 整的任务应不仅在发生晚点后采取补救措施，而且应该能够在事前报警或 提相应方案，以期避免列车运行失常。 西南交通大学博士研究生学位论支第1 3 页 2 2 列车运行调整影响因素 列车运行调整的影响因素主要包括以下几个方面： ( 1 ) 铁路运输质量 运输质量不仅包括运输服务质量，还包括列车始发终到的准时性。对 准性的要求是旅客或货主对列车晚点时间的接受程度，晚点时间可接受程 度小，则要求所采用的运行调整方法越及时有效。客运专线要求列车平均 晚点时间保持在较低的水平。所采用的运行调整法需能保证及时有效。 ( 2 ) 运输组织方式 不同的运输组织方式，对于运行调整方法的实施有较大影响。若线路 仅运行单一速度列车或速差不大的多种速度等级列车，则便于运行调整： 若运速差大的不同类别列车，则不便于列车运行调整，且对后续列车造成 较响。 ( 3 ) 列车开行对数与线路能力利用 列车开行对数和线路能力利用的情况不同，运行调整实施的难易程度 也不同开行对数越高，线路能力利用率越高，则可用于列车运行调整的空 间小，运行调整所实现的调整效果越差。为保证实现一定的运行调整效果 和运输质量，列车开行对数和线路能力用率则应控制在合理的范围内， ( 4 ) 列车运行图的设计方式 编制人员在编制列车运行图时都预留有一定的缓冲时间，以便进行列 车运行调整。运行图设计方式不同，缓冲时间的分布也就不尽相同，能够 提供给列车运行调整的便捷程度也不同。对于同一类列车相对集中铺画方 式，前行列车晚点，可利用后续列车间的冗余时问，适当调整列车运行间 隔满足晚点列车运行；而对于相对均衡铺画的运行图，由于不同等级列车 交叉运行，则较难运用列车间隔冗余时间来满足晚点列车运行调整需要。 2 3 列车运行调整特征 列车运行调整具有以下几个明显的特征【6 5 】： ( 1 ) 涉及变量多 在列车调整问题中，变量数与待调整列车列数、车站的数目密切相关， 第1 4 页西南交通大学博士研究生学位论文 如果是双线自动闭塞铁路区段运行调整问题，涉及的变量能达到几千个。 ( 2 ) 变量关系复杂 约束条件表明了列车调整问题变量之间的祸合关系。而约束条件众多， 说明众多变量之间具有十分复杂的关联关系。 ( 3 ) 优化指标众多 列车运行调整问题的总的优化目标是使调整后的列车运行图尽量逼近 计划运行图，在具体评价一个调度方案时常用的优化指标有：始发总晚点 时间最小，总发车晚点最小；总到达晚点最小。总晚点列车对数最少等。 ( 4 ) 动态性 列车运行调整问题的自变量、约束条件和优化目标是随时间推进而不 断变化的。 ( 5 ) 实时性高 列车运行调整是在列车群运行过程中进行的，一方面调整应不给系统 带来新的干扰，另一方面还应给调度员确认方案、传达调度指令留下足够 的时间，因而对列车运行调整决策的实时性、有效性的要求十分突出。目 前实时性要求仍是许多方法难以凑效的一大障碍。 ( 6 ) 组合优化特性 由于列车数量、车站数量都是基本固定的，因此如果将它们一一组合， 一定能找到最优解。但是组合是以消耗大量时间为代价的。找到一种能较 好处理列车运行调整的组合优化特性的运行调整方法一直是国内外学者努 力的目标。 2 。4 既有线列车运行调整过程研究 在既有线调度所内，设有多种职能调度员，而其中联系最为紧密的是 计划调度员、机车调度员和行车调度员。计划调度员根据每日的车流、货 物运输计划及机车状况制定班计划，白天班制定一天二班的日计划，夜间 班则根据第一班的计划执行情况制定第二班的调整计划。当班计划制定完 后，要及时将班计划信息送到机车调度员和行车调度员。机车调度员根据 当班机车情况制定与班计划相匹配的机车运用计划，然后将机车运用计划 西南交通大学博士研究生学位论文第1 5 页 也送至行车调度员。行车调度员参照机车运用计划把班计划落实到实际的 列车运行指挥中去，其工作可分为两个方面，制定阶段计划和掌握并记录 列车实际运行情况。此外，计划调度员和机车调度员都要及时掌握各行车 台的计划执行情况，为制定下一班计划和铺画机车的实际周转图做准备。 调度台之间的信息传递如图2 1 所示。 图2 - ! 调度台信息传递过程 列车运行调整是铁路行车调度指挥自动化系统的关键环节。目前，在 一般情况下系统根据下属列车、车站汇报的当前列车运行状态信息和线路、 车站状态信息，用直观的图形方式( 一般采用运行图的基本格式) 显示当前状 态。同时，依据当前状态信息编制调整计划方案，一般可提供多个备选方 案，如确保重点列车正点的方案、减小调整影响范围的方案等。调度人员 依据实际情况选择方案，并可对方案进一步调整以达到满意。系统应对调 整方案进行检查，确保安全。调度人员确认方案，根据方案发布调度命令， 系统应记录调整方案及调度人员的操作信息以备查询。行车指挥的主要任 务是当列车运行受到其它因素干扰时