一种城市轨道交通列车运行调整方案优化方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种城市轨道交通列车运行调整方案优化方法和系统。方法包括：1、构建轨道交通列车运行要素约束；2、梳理常用的列车运行调整策略，抽象表达为数学公式；3、建立列车运行调整方案优化模型；4、以贪心算法结合列车时刻表推算方法，对模型进行求解，得到列车运行调整方案。该方法将城市轨道交通列车运行过程要素以及常用的运行调整策略抽象为数学模型，相比于目前现实中主要依据人工经验制定方案的方式，通过定量优化的方式求解得出的运行调整方案更加科学合理。该方法重点关注实际运行过程中典型的“线路通行能力下降”场景，详细考虑了的列车运行约束，充分保证调整方案的适用性。能够满足突发事件下列车运行调整的高时效性需求。性需求。性需求。

【技术实现步骤摘要】
一种城市轨道交通列车运行调整方案优化方法和系统


[0001]本专利技术涉及铁路交通管理领域，特别是涉及一种城市轨道交通列车运行调整方案优化方法和系统。

技术介绍

[0002]随着我国城市轨道的发展，线网规模与客流量快速增长的同时，城市轨道交通的运营压力和负荷逐渐增大。此外城市轨道交通系统是一个集成车辆、信号、供电等多系统的复杂整体，任何一个环节出现突发情况都会影响线路甚至网络的运行效率。因此在突发事件扰乱原始运行计划后，需要快速制定相应的运行调整方案以减少列车运行和乘客出行延误，并在突发事件结束后尽快恢复原始运行计划。
[0003]在现阶段的实际运营过程中，突发事件下的列车运行调整方案主要由行车调度员基于个人工作经验制定，或是参考运营管理部门事先制定的行车调度手册，基于现实情况和相关预案拟定运行调整方案并上报值班主任。待调整方案被确认后，行车调度员向线路中各列车司机发布运行调整命令，组织列车有序通过突发事件所在的区间或车站，保证运营安全的同时尽快恢复正常的运营秩序。
[0004]但是上述调整方案的实现主要依赖于人工经验，主观性较强，行车调度员参考运营公司制定的相关预案以及《城市轨道交通运营指标体系》做出相关决策。然而实际运营过程中，突发事件种类多样且对于运营秩序的影响各不相同，应急预案并不能涵盖所有场景，因此无法对部分特定情景下的运行调整方案制定起到有效指导作用。
[0005]此外，人工经验调度并非是对列车运行调整方案的优化过程，缺乏对备选方案效果的定量评价、分析和对比，无法考虑实施列车运行调整策略对后续列车运营的潜在影响，也就无法进一步考虑对线路全局运行的影响，因此调整方案整体存在一定的优化空间，需要一套完整且科学的优化技术辅助行车调度员制定运行调整方案。
[0006]近年来，国内外学者对突发事件下的列车运行调整问题进行了理论方法研究，建立数学优化模型并使用商业求解器或设计专用算法进行求解，形成列车运行调整优化技术。通常，列车运行调整问题依据突发事件对运行的影响程度被分为“轻度干扰背景下的调整问题”和“严重中断背景下的调整问题”。
[0007]“轻度干扰背景下的调整问题”可描述为列车运行受外界干扰而小范围偏离原始运行计划，例如车站大客流导致列车停站时间增加，使列车运行延误。针对该问题的理论研究通常认为延误发生是单源头的且持续时间较短，对列车运行影响范围有限。考虑利用列车时刻表缓冲时间，压缩列车区间运行时间和停站时间，进一步调整列车在各站的到达和出发时间减少列车延误。此外，一些方案中也考虑额外使用简单的运行调整策略，例如列车在某些车站通过不停车、增加列车越行次数等，以此来提高线路列车的周转速度，减少列车延误。
[0008]“严重中断背景下的调整问题”是指列车运行受到外部或内部的干扰而严重偏离运营计划，需要对列车时刻表进行大范围调整，甚至还需要对乘务计划和列车车底周转计
划进行重新安排。针对于此问题，较多现有的技术方案关注线路区间单向或双向中断场景，即在故障时段内线路某区间单侧或双侧完全无法通行。当轨道单向中断时，“单轨双向运行”是常用的调整策略即双向列车交替通过故障区间，该方案的关键技术是检查并疏解共用轨道区段内的列车运行冲突，避免双向列车相撞。而双向轨道中断则是最严重的突发事件场景，相关研究考虑“车次取消”、“组织小交路折返”、“列车迂回运行”和“在站扣车等待”等运行调整策略，基于时空网络、事件
‑
活动网络等思想构建优化模型。
[0009]上述技术方案的缺点总结有以下几点：
[0010](1)多数列车运行调整优化技术研究以轻微干扰、轨道单向或双向中断为突发事件背景。但实际运营中，由于系统安全措施不断升级，像轨道中断这类严重场景的发生概率较小，更加常见的是如信号系统故障引起的线路区间通行能力下降场景。相比于轻微干扰，此类场景持续时间较长；相比于轨道中断，此类场景下的故障区间仍然有通行能力，因此需要在充分利用线路剩余能力的同时采用合理的调整措施减少列车延误。
[0011](2)较多的相关研究以城际铁路为背景，由于线路长度普遍较长、列车周转时间久、列车间隔较大，因此这部分方案通常不考虑双向的列车车底周转问题，而城市轨道交通列车周转快、运行间隔较小，忽略车底周转计划的调整将降低运行调整方案的可行性。
[0012](3)相比于城际铁路系统，城市轨道交通线路存在列车、信号系统制式不同的问题，线路间的连接性较差且站内侧线较少，因此现有技术方案中常用的“在站扣车等待”、“迂回运行”等调整策略对城市轨道交通系统的适用性较差，相关理论方法无法直接提供有效指导。
[0013](4)突发事件下的列车运行调整问题对方案制定具有较高的时效性要求。部分现有技术方案使用商业求解器进行求解，但多数商业求解器仅能处理线性规划模型，当模型包含复杂的非线性约束时求解效率较低，且商业求解器的效率对于模型输入参数具有较高的敏感性。此外，目前较少的理论方案被有效集成于便于操作的软件系统中，因此技术方案的实用性有待提高。

技术实现思路

[0014]针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种城市轨道交通列车运行调整方案优化方法和系统，主要用于突发事件下的城市轨道交通列车运行计划调整，在线路运营受突发事件影响偏离原始计划后，能够充分利用线路剩余通行能力维持运营并在突发事件结束后尽快恢复运营计划。
[0015]本专利技术主要包括一个应对突发事件的列车运行调整问题数学模型，一种专用算法对模型进行优化求解，和一个集成上述理论方法的软件系统。该专利技术为列车运行调整工作提供辅助决策作用，便于方案的科学合理制定、展示和输出。针对于现有技术中的不足，本专利技术主要解决的问题及专利技术目的为：
[0016](1)本专利技术提出的城市轨道交通列车运行调整优化方法并非基于人工经验或应急预案，而是通过建立科学合理的数学优化模型实现。具体来说，将城市轨道交通系统的物理设施(如车站、轨道、配线等)和运行要素(列车运行、停站、折返等作业环节)抽象为参数和变量，将系统的运行过程抽象为数学公式表达，以便于结合运筹学理论以及计算机技术进行方案优化。
[0017](2)本专利技术包含的数学优化方法主要解决线路区间通行能力下降场景的列车运行调整问题。根据对北京地铁运营历史数据的统计，约38.02％的突发事件场景下会采取降级运行，即线路部分区间的通行能力下降。本专利技术以该类典型场景为切入点，使得提出的方法具有更大的实际应用价值。
[0018](3)本专利技术包含的方法以城市轨道交通为主体对象，考虑了现实中城市轨道交通运行间隔小、列车周转快的特性，以及系统内多种类配线和设施的影响。运行调整策略包含现实中行车调度员常用的且满足线路实施条件的多种策略，使得本专利技术提出的方法对城市轨道交通具有更好的适用性。
[0019](4)本专利技术基于运筹学原理，针对城市轨道交通列车运行调整问题设计一个专用求解算法，该算法能在可接受时间范围内输出较高质量的列车运行调整方案，提高模型求解效率以满足城市轨道交通运行调整的高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种城市轨道交通列车运行调整方案优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、梳理现实中城市轨道交通列车运行要素，构建列车运行安全保障约束、列车作业时间约束、车底周转接续约束、终点站折返线占用约束和调整方案制定期内列车运行原则约束；步骤2、梳理现实中行车调度员常用的列车运行调整策略，运行调整策略包括列车小交路折返、列车暂停运行和列车重新上线运行；明确每一种运行调整策略的实施过程并抽象表达为数学公式；步骤3、以最小化列车总延误和各站列车取消惩罚为目标，建立列车运行调整方案优化模型；步骤4、以贪心算法为基础，结合列车时刻表推算方法，对列车运行调整方案优化模型进行求解，得到列车运行调整方案。2.如权利要求1所述的城市轨道交通列车运行调整方案优化方法，其特征在于，步骤1中，列车运行安全保障考虑了列车到达间隔、列车发车间隔和列车追踪间隔，列车的最小到达间隔、发车间隔和追踪间隔约束分别如下：达间隔、发车间隔和追踪间隔约束分别如下：达间隔、发车间隔和追踪间隔约束分别如下：式中，K为线路列车集合，I为线路车站集合，为列车k到达i站的时间，为列车k离开i站的时间，和分别为正常运行条件下i站的列车的最小到达间隔、发车间隔和追踪间隔，和则分别为突发事件影响下i站的列车的最小到达间隔、发车间隔和追踪间隔；当列车k在突发事件持续时段内到达i站时θ
ki
为1，否则为0；列车作业时间约束包括列车的区间运行时间范围约束、最小停站时间约束、在终点站的最小折返作业时间约束，列车的区间运行时间范围约束、最小停站时间约束、在终点站的最小折返作业时间约束分别如下：最小折返作业时间约束分别如下：最小折返作业时间约束分别如下：式中和分别表示正常状态下和突发事件持续时段内列车在线路区间(i,i+1)的最小运行时间，为列车在线路区间(i,i+1)的最大允许运行时间，为列车在车站i的最小停站时间，为列车在终点站S折返的最小作业时间；当列车k'与k在终点站S接续时为1，否则为0；车底周转接续约束如下：
终点站折返线占用约束为：式中，当列车k早于列车k'进入终点站S的折返线时为1，否则为0；当列车k'进入折返线的时间早于列车k完成折返时为1，否则为0；c
S
为终点站S折返线的最大容量；调整方案制订期内列车运行原则的数学约束如下：式中t
dis
为突发事件的发生时间，T
dec
表示运行制定调整方案所需的时长，和分别表示列车k到达和离开车站i的原始计划时间。3.如权利要求1所述的城市轨道交通列车运行调整方案优化方法，其特征在于，步骤2中，列车小交路折返策略抽象描述为：y
ki
≤cr
i k∈K,i∈Ik∈K,i∈I式中，当车站i配置渡线或与双向轨道连通的停车线时cr
i
为1，否则为0；和分别为列车在车站i小交路折返所需最小作业时间和最大允许作业时间；当列车k在车站i小交路折返时y
ki
为1，否则为0；当列车k在车站i小交路折返且列车k'在对向车站S
‑
i+1与其接续时为1，否则为0；M为一个极大的正数；列车暂停运行策略抽象描述为：列车暂停运行策略抽象描述为：列车暂停运行策略抽象描述为：式中，当列车k在车站i暂停运行时x
ki
为1，否则为0；当列车能够在车站i暂停运行时st
i
为1，否则为0；cp
i
为与车站i连接的停车线、车辆段或停车场的总容量；n
rs
为线上运行的车
底总数；与双向轨道连通的停车线既能够发挥停车线作用也能够发挥渡线作用，但停车线作用和渡线作用存在潜在冲突：有列车暂时存放在停车线时，其余列车无法在此处小交路折返，对此类冲突描述为：对此类冲突描述为：对此类冲突描述为：式中为列车k开始存放在车站i处停车线的时间；为列车k在车站i完成折返作业的时间，和分别表示列车k到达和离开车站2S
‑
i+1的时间；当列车k在车站2S
‑
i+1暂停运行时，x
k(2S
‑
i+1)
等于1，否则等于0；列车重新上线运行策略抽象描述为：列车重新上线运行策略抽象描述为：式中，当列车k从车站i出发重新上线运行时p
ki
为1，否则为0；当列车k'在车站i暂停运行的时间早于列车k由此重新上线运行的时间时为1，否则为0；当列车k'早于列车k由车站i出发重新上线运行时为1，否则为0；bt
i
为与车站i连接的停车线、车辆段或停车场内的备用车底数量。4.如权利要求1所述的城市轨道交通列车运行调整方案优化方法，其特征在于，步骤3中，所述目标描述为：式中，当列车k在调整后到达车站i时z
ki
为1，否则为0；pe为列车在某车站取消后的惩罚值。5.如权利要求1所述的城市轨道交通列车运行调整方案优化方法，其特征在于，步骤4中，基于贪心算法的列车运行调整优化算法如下：首先，将突发事件的影响方式与原计划列车时刻表进行对比，评估线路通行能力下降程度，并估算需要采取列车运行调整策略的列车总数G：
式中T
dis
为突发事件的预计持续时间，为原计划列车时刻表中车站i的列车到达间隔；其次，贪心算法中每一轮的迭代对象为列车，依据到达能力瓶颈区域的先后依次进入迭代轮次；在每一轮迭代中，依据当前对象列车在突发事件发生时的位置和线路配线及设施设置情况，遍历所有可能采取列车小交路折返和列车暂停运行策略的车站位置并假设采用相应运行调整策略；然后，对于每一种假设采用的运行调整策略，使用列车时刻表推算方法获得对应调整后的列车时刻表，并计算该列车时刻表对应的目标值：列车总延误和各站列车...

【专利技术属性】
技术研发人员：张翕然，陈绍宽，汪波，杨安安，王卓，柏赟，毛保华，白云云，陈垚，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：