一种基于微观路网的高速铁路列车运行图编制方法

本发明提供一种基于微观路网的高速铁路列车运行图编制方法，属于列车运行优化。

背景技术：

1、列车运行图是铁路运输组织的基础性文件，其规定了列车在路网中各车站的到达、出发或通过时间，列车在车站的停站时间以及列车在区间的运行时间。列车运行图能有效地协调铁路内部不同环节的运输生产活动，并以时刻表的形式发布给旅客，是衔接旅客出行、货运运输和铁路内部运作管理的纽带，也是优化运力资源配置，提升铁路实际可用能力的关键。

2、近年来，随着高速铁路迅速发展，越来越多的旅客被其高速、舒适、安全、便捷的特点吸引，客运需求也随之迅速增长，线路能力愈发紧张。因此，如何更高效地进行高速铁路运输组织以最大程度的释放路网能力，更充分地满足旅客出行需求已成为高速铁路列车运行图编制的核心技术背景。

3、基于微观路网的列车运行图编制关注于列车在微观单元的占用情况，相比于宏观路网能够更准确地得到每个资源的能力占用情况，以更好地进行线路能力优化，受到了国际铁路联盟的重视，在部分欧洲国家得到了应用，取得了较好的效果。本技术在现有列车运行图编制技术的基础上，建立新的基于微观路网的模型，以更好的反映列车真实运行过程的影响，同步协调停站方案优化与到发线运用，更好地服务于高速铁路运输组织管理。

4、现有技术之一，基于宏观路网的列车运行图构建是最常见的运行图编制方法，宏观路网是指对实际路网的高度抽象，将列车车站看作节点，将站间区间或闭塞分区看作一个整体，整个路网由车站和站间区间构成，缺少详细的线路信息与信号系统。

5、该方法的核心在于不考虑列车在基础设施上详细运行过程，而是通过设置固定的到到、发发、通通、到通、通到、发通、通发、到发、发到等时间，保证各作业过程有序进行，没有冲突。一般而言，基于宏观路网的列车运行图模型包括：

6、(1)路径选择约束：保证列车选择且只选择一条路径以连接预计的起点和终点

7、(2)运行时间约束：约束列车在站间区间或闭塞分区内的运行时间，使其大于最小运行时间，小于最大运行时间

8、(3)停站时间约束：根据停站方案对列车停站时间进行约束，使其满足预计的最小停站时间，并不超过合理的停站时间范围

9、(4)间隔时间约束：对列车在车站的到达、出发、通过时刻进行约束，保证任意两列车间的对应作业间隔时间满足最小间隔时间要求。

10、现有技术一的缺点：

11、(1)不能精细化进行站内作业对基本单元的占用描述。高速铁路实际运行中，列车可以在站内进行一系列作业，包括列车到达、列车出发、列车通过、旅客乘降、列车会让、列车越行、列车折返等，每项作业需要占用对应的线路资源，也就是基本单元，并消耗一定的作业时间，实际情况非常复杂。而宏观路网将车站看作一个点，完全没有考虑其中涉及的作业以及这些作业可能占用的资源和花费的时间，最终求得的结果往往难以适应真实的现场作业。

12、(2)不能进行间隔时间的灵活压缩，浪费了现有基础设施的能力。为了避免列车运行冲突，基于宏观路网的模型往往会采用固定的最小间隔时间，使任意两列车在涉及同一资源的任意两项作业间保持一个安全的时间间隔。该固定间隔时间必须要满足所有可能情况，即必须在所有的可能间隔时间中选择最大的时间。这种方法虽然保证了列车安全运行，但如果某两项作业实际所需的间隔时间小于整体的固定间隔时间，仍必须按照整体的固定间隔时间进行计算，从而导致该时间段内线路能力不能得到充分利用。

13、现有技术之二，基于列车运行进路的精细化列车运行图编制方法是近年来提出的精细化列车运行图编制方法之一。该方法为了克服传统列车运行图编制中存在的问题，采用列车运行进路来对列车运行进行建模。

14、列车基本运行单元的选择是编制精细化列车运行图的核心问题，以不同的运行单元进行建模会导致不同的模型性质。基于列车运行进路的精细化列车运行图编制方法以列车运行进路为基本运行单元，将列车运行过程分为到达进路、出发进路、通过进路和折返进路。具体而言，到达进路是同一车站内从进站信号机到出站信号机的列车路径，描述列车进站的运行过程；出发进路是从出站信号机到车站边界点的列车路径，描述列车从车站出发的运行过程；通过进路是边界点到通过信号机或者在同一区间中的两个连续通过信号机之间的列车路径，描述列车在站内通过或区间内正常运行的过程；折返进路是同一侧线以相反的方向从一个出发信号机到另一个出发信号机的列车路径，描述列车在站内改变运方向的过程。

15、与宏观路网的列车运行图编制方法不同，该方法不设置作业间的最小间隔时间，转而分析列车在以上进路中的运行过程，得到列车在每一个进路的占用情况(即使是同一个轨道，如果对应不同的进路，则对应的占用情况不同，即需考虑列车实际运行情况)，通过确保任意进路在任意时间最多只被一列列车占用来避免列车运行冲突。一般而言，基于进路的精细化列车运行图模型包括：

16、(1)进路选择约束：在可能的进路集合中，选择最终需要经过的进路。

17、(2)最小运行时间约束：约束列车在进路上的运行时间，使其不小于最快速度下得到的运行时间。

18、(3)进路时间接续约束：约束相邻两进路的接续时间，保证列车离开前一个进路的时间和进入下一进路的时间相等。

19、(4)停站时间约束：根据停站方案对列车停站时间进行约束，使其满足预计的最小停站时间，并不超过合理的停站时间范围。

20、(5)路径选择约束：确保所选进路能首尾顺次相连成一条连接起点和终点的完整路径。

21、(6)进路冲突疏解约束：对任意两列列车在同一进路的占用时间进行约束，保证占用时间不发生重合。

22、现有技术二的缺点：

23、该方法的核心是借助列车运行进路详细描述列车运行过程，但实际上，以进路为运行单元的划分方法不容易与列车速度距离曲线结合。具体来说，列车的一次起停过程是一个连贯而完整的运行过程，包括加速、惰行、减速、制动各环节，各环节之间相互影响，而基于列车运行进路的划分方法则将这个完整的过程人为地分割成了若干个进路，并假设这些进路上的运行过程彼此独立，这导致该种方法涉及的运行数据必然偏离实际的列车运行速度距离曲线，仍然只能是一个平均值或估计值，导致铺画列车运行图兑现率不高。

技术实现思路

1、随着旅客出行需求的不断增长和高速铁路列车开行数量持续增加，现有高速铁路路网中部分线路和车站能力逐渐达到了瓶颈，限制了运能的进一步增长。如何能通过运输组织方法更好地释放既有高速铁路线路能力已成为列车运行图编制亟需解决的技术问题，本发明提供一种高速铁路精细化列车运行图编制方法，相比于既有技术，该方法主要解决以下的技术问题：

2、1.根据列车实际运行情况进行间隔时间有效压缩。以一次完整起停过程对应的子路径为基本列车运行单元，结合列车运行速度距离曲线，对列车在每一个基本单元的占用时间进行计算。分析列车运行过程，疏解不同列车在基本单元上的占用冲突，保证运行安全。以子路径为抓手，将列车间的追踪间隔时间压缩至轨道电路的占用无冲突，并将列车区间运行和站内走行视为相同作业类型，有效增加线路运能。

3、2.通过子路径组合的方式进行停站方案和到发线运用的灵活调整。列车停站方案对列车运行图质量有着较大影响，通过增加(减少)会让、越行作业可以更灵活地适应不同列车运行需求，以充分发挥线路潜在能力。

4、3.通过设计有效的超启发式算法进行模型求解，以解决微观层面细粒度如此之大的规模，在较短时间内求得一个质量高的可行解。

5、本发明采取的技术方案为：

6、一种基于微观路网的高速铁路列车运行图编制方法，根据列车实际运行过程建立并求解混合整数模型，得到最终的列车运行图；具体包括以下步骤：

7、首先，获取列车运行数据，先得到列车运行速度距离曲线数据；该数据通过仿真平台模拟列车在每个子路径的加速、惰行、减速、制动过程获得，或者以列车运行控制系统的车载设备为信息源，进行直接读取；基于列车运行速度距离曲线数据，分析列车在子路径上的运行过程，得到对子路径上每个基本单元的占用闭塞时间，由此得到列车在子路径上的闭塞时间；

8、在获得列车闭塞时间后，将其作为输入信息和微观线路信息一同输入到已经建立的混合整数模型中，对混合整数模型进行求解；混合整数模型满足高速列车在线路上的移动规则，通过疏解每一个基本单元上诸多列车间的冲突保证安全运行，通过调整列车出发时间、运行时间、停站时间、运行路径保证求解结果满足列车移动约束、列车路径约束、基本单元占用约束，以子路径为列车运行单元实现灵活调整停站方案和到发线运用方案，保证列车间无冲突运行，并避免因固定间隔时间导致的运能浪费，以有效提高运行图质量。

9、其中，所述的列车闭塞时间计算基于在每个子路径的加速、惰行、减速、制动过程得到，为基于微观路网的子路径列车运行过程计算得到，具体包括：

10、(1).微观路网构建

11、列车实际走行路网包括铁路车站和连接车站的铁路区间；在微观路网中，分析列车在每一个基本单元上的占用过程，计算和疏解不同列车之间的占用冲突，提高运行图通过能力；

12、在区间选择闭塞分区作为微观路网的基本单元；在车站选择轨道电路为基本单元；

13、(2).微观路网的列车运行过程

14、通过微观路网将列车运行过程与基本单元结合起来，从微观层面实现了列车对基本单元的占用时间计算；列车占用时间包括道岔转换时间、预留时间、列车运行时间、缓冲时间、列车出清时间以及线路释放时间；其中进路办理时间指前后列车进路排列时道岔转换需要的时间；预占用时间是指列车进入闭塞分区前在车载监控制动距离范围内走行所花费的时间；运行时间是指从列车头部驶入占用闭塞分区到头部离开占用闭塞分区的时间；清空时间是从列车头部离开闭塞分区至列车尾部离开闭塞分区的时间；释放时间是指列车完全出清占用闭塞分区后闭塞解锁时间；当不同列车在任意基本单元的闭塞分区不重叠时，列车运行不发生冲突，以此实现列车追踪间隔时间继续压缩，直至存在一个或多个基本单元占用时间之间无时间空隙，此时两列车的追踪间隔时间最小；

15、(3).列车走行模块

16、以列车一次起车到停车的过程为基本的列车控制单元，将其定义为子路径；子路径为连接同一列车路径上两车站间的有向径路，由若干微观路网基本单元顺次连接而成，其两端节点分别为列车在前端车站发车进路的起点和在后端车站到达进路的终点；

17、列车速度距离曲线是记录列车运行过程中任意时刻任意里程列车运行速度的曲线；速度距离曲线为列车驾驶员驾驶列车时的里程速度曲线，速度距离曲线展示出列车运行过程中每一个微观路网的基本单元的运行工况和运行状态，包括牵引、巡航、惰行和制动，列车速度实时获取；保证混合整数模型在计算过程中反应列车不同运行状态。

18、列车运行过程以一个子路径为列车的一次运行过程，包含完成的列车起停过程，由牵引巡航惰性制动组成的，速度从0km/h到最高运行速度后，再从最高运行速度回到0km/h，实现列车运行过程中速度的连贯性；

19、列车从起始站至终到站的运行过程如果存在停站，则由多个子路径组成，如果没有停站则只包含一个子路径；列车由车站a始发，终到车站d，列车运行路径可由p2、p3和p4组成，或由p5和p4组成，抑或由p2和p6组成，也由p1单独形成列车运行路径；列车开行方案规定列车需停车站c，列车通过子路径的选择决策列车是否在车站b停站，以满足系统中某个目标最优；列车运行路径中包括p5和p4，则列车不在车站b停站；若列车运行路径包括p2、p3和p4，则列车在车站b停站；此方法通过子路径的选择影响列车的运行路径，从而进行停战方案的调整。

20、其中，所述的混合整数模型包括：

21、1.列车移动使用规则

22、列车选择适当的路径，针对列车所有可选择的路径，列车选择的路径上列车经过的每个基本单元的时刻允许不为0，对于列车未选择的路径，列车经过其上的每个基本单元的时刻为0；列车在每个基本单元上的运行时间固定，包括列车预占用基本单元的时间、进入基本单元的时间、离开基本单元的时间、清空基本单元的时间及基本单元施放时间；列车离开始发站的始发基本单元限制在一定的时间窗之内；对于同一路径内的基本单元，列车离开上一个基本单元的时间等于该列车进入下一个基本单元的时间；针对停站的列车，列车在到发线基本单元上的实际停留时间需要在一定的时间范围之内，根据车站等级及客流量合理调整时间；

23、2.列车路径约束

24、对于列车所有选择的路径，保证列车始发站的基本单元只有一条路径流出，同样列车的终到站基本单元只有一条路径流入；而对于列车可能停于每个车站的到发线基本单元，保证每个基本单元流入路径和流出路径的数量相等；

25、3.基本单元占用规则

26、列车占用每个基本单元的开始时刻为列车进入该基本单元的时间减去预占用时间，列车占用每个基本单元的结束时刻为列车离开该基本单元的时刻加上轨道清空时间；列车运行过程要求疏解每列车在同一基本单元占用冲突，任何时刻每一基本单元只允许一列车使用，且占用时间不能重叠，在区间未设置越行设备时，要求两列车在区间的运行顺序不得发生改变；

27、区间集合q和车站集合z组成铁路运行线路；由微观路网构建规则，区间q∈q和车站z∈z都由微观单元基本单元b∈b组成，n∈n为轨道的两端节点；r为列车集合，对于每列列车r∈r，存在可能途经的车站集合zr，以及不包括起点站与终点站的可能途径的车站集合z′r；l为子路径集合，每一子路径l∈l由首尾相连的基本单元b∈br组成，为子路径l第一个基本单元，bl表示子路径l的最后一个基本单元；和分别表示列车r的起始节点和终到节点；lr为列车r可能经过的子路径集合，表示列车r可能经过的子路径分界点集合；和分别为流出和流入节点n且列车r可能经过的子路径集合；bl为子路径l包含的基本单元集合，为列车r在子路径l上停留的基本单元集合；表示列车r在子路径l上途经基本单元b的运行时间，表示列车r在子路径l基本单元b的停留时间；

28、变量为：整数变量，列车r经由子径路l进入基本单元b和离开基本单元b的时间；

29、yr，l，0-1变量，为1表示列车r使用子径路l，为0则反之；

30、整数变量，列车r经由子径路l开始占用基本单元b和结束占用基本单元b的时间；

31、αr，r′，b，0-1变量，为1表示列车r早于r进入基本单元b；

32、整数变量，列车r经由子径路l在基本单元b的实际停留时间；

33、目标函数：选取列车运行线占用运行图时间最小为模型的目标函数；

34、

35、

36、

37、式(2)为网络流平衡约束，在始发站流出子路径唯一，在终到站流入子路径唯一，并保证列车在每一个分界点流入流出的子路径数量相同；式(3)确保每个子路径分界点流入和流出路径至多有一条，以此保证列车只选择若干首尾连接其起点至终点的子路径集合；列车由始发站至终到站的子路径集合有多个，通过列车的子路径选择，确定列车是否增停新的车站，并确定列车的到发线使用方案，使得不同等级列车之间产生越行机会；

38、

39、

40、

41、

42、利用大m法将列车对子路径的占用与列车在该子路径的各基本单元的进入时间和离开时间进行耦合，当如果列车r不会经由子路径l占用各基本单元，列车r经由子路径l进入各基本单元的时间和离开各基本单元的时间为0；

43、当列车到达车站停站，位于车站到发线时，需要分别考虑列车在基本单元上的运行时间和停留时间；列车r在基本单元b上的运行时间是通过列车速度曲线与运行里程结合得到不同速度等级列车在基本单元上的运行时间，作为模型的输入数据，列车的运行过程与现场实际速度曲线一致；

44、列车r在其始发车站的发车时间要求在给定的时间窗内；

45、

46、

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48、

49、式中表示列车r的终到节点，分别表示子路径l中包含的节点n对应的前一个基本单元和后一个基本单元；为保持在细粒度较大的路网上列车运行过程连贯一致，需要将各个基本单元的进出时间衔接；如果两个连续基本单元被同一列车占用，则列车头部离开前一个基本单元的时间等于其进入下一个基本单元的时间；式(10)和式(11)分别考虑两个连续的基本单元属于不同的子路径和属于同一路径；

50、

51、

52、列车在到发线上的实际停留时间大于其最小停留时间且不能超过预定的最大停留时间保证有充足的时间进行旅客乘降；

53、

54、

55、式(14)和(15)对子路径在基本单元的占用时间进行约束，用以描述列车对基本单元的实际占用情况；

56、

57、

58、式(16)和(17)处理两列车在同一基本单元上的冲突问题；为保证列车间运行安全，不发生冲突，列车在线路运行时需保持对线路线资源时空占用的唯一性，一个基本单元在任意时刻只能有一列列车占用，各列车对同一基本单元的占用时间不能出现重叠；当两列列车先后经过同一个基本单元时，会涉及不同的进路排列时间

59、

60、式(18)是对任意两列列车在同一区间的运行顺序进行约束，在区间未设置越行设备的条件下，要求任意两列列车在区间中不能改变运行顺序。

61、其中，所述的混合整数模型求解算法，具体方法为：

62、与超启发式耦合的滚动时域算法创新性地将超启发式算法引入到对所提混合整数模型的求解中，该算法以滚动时域算法为底层算法，将路径选择策略算法作为上层算法；超启发式算法在进行启发式求解时，一次选择多个策略，避免解陷入局部最优，在得到质量更优解的同时保证较高的求解效率；

63、滚动时域算法将列车运行图编制问题在时域上分解为不断滚动进行的一系列小规模子问题或者有限时段的局部问题代替大规模或者无限时段的一次全局问题，每个子问题的求解只利用当前时刻已知的部分信息；在每一个决策时刻，利用当前的已知信息，确定一个滚动窗口，根据一定的滚动规则决定在该局部子问题中考虑哪些信息，然后在该窗口内求解局部列车运行图子问题；这部分解的完成时刻就是新的调度时刻，求解结果也将作为下一决策时刻的已知局部信息，如此重复迭代，直到对全部子问题求解完成；

64、超启发式算法通过上层高级启发式算法操纵和控制下层低级启发式算法实现解的不断更新迭代；所采取的与超启发式所结合的滚动时域算法，将利用上层的启发式算法为下层滚动时域算法每一个时域选择不同的求解策略，即最优的滚动规则；其中，上层启发式算法主要包括策略的选择机制和解的接收机制，将路径选择策略算法作为策略的选择机制，然后从一组预定义的下层启发式中选择一个启发式，将其应用于当前解以生成新的解，将滚动时域算法作为下层启发式算法；然后考虑是否对新解进行接收，若接收，则新解将替换当前解，重复迭代直至找出最优解。

65、本发明具体技术效果：

66、(1)创新性地提出了子路径的概念，将列车完整的运行路径根据起停情况分为若干独立运行过程，描述列车在每个独立过程中的运行情况，能与实际列车速度距离曲线结合，与实际列车运行过程贴合，大大提高模型的计算精度。

67、(2)灵列车在子路径备选集中选择首尾相连的子路径集合，通过子路径的决策实现列车的灵活调整停站方案，增加(减少)会让、越行作业可以更灵活地适应不同运输组织情况，以充分发挥线路潜在能力；子路径的决策也影响着着到发线使用方案，即实现列车运行图编制与到发线运用一体优化。

68、(3)本发明较为全面地描述了基于微观路网的列车运行图编制理念，包括微观路网的构建方法、子路径的形成机理与列车运行图编制混合整数模型，三者间信息呈现递进关系，是基于微观路网的列车运行图编制的关键技术。