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吴兴堂, 杨明坤, 王洪伟, 周敏, 吕金虎, 董海荣. 面向负载均衡的高铁路网列车开行方案优化方法. 自动化学报, 2022, 48(2): 492−503 doi: 10.16383/j.aas.c210612

Wu Xing-Tang, Yang Ming-Kun, Wang Hong-Wei, Zhou Min, Lv Jin-Hu, Dong Hai-Rong. Load-balancing oriented line plan optimization for a high-speed railway network. Acta Automatica Sinica, 2022, 48(2): 492−503 doi: 10.16383/j.aas.c210612

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c210612?viewType=HTML

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关键词

摘   要

针对当前高速铁路运营过程中存在的运输需求与运力资源不匹配现象, 面向负载均衡原理研究了路网条件下运能可适配的高速铁路旅客列车开行方案优化与评估方法. 首先, 针对路网条件下列车开行方案优化, 构建以提升经济效益、社会效益和网络负载均衡为目标的非线性混合整数规划模型, 并设计基于遗传算法和粒子群算法的两阶段混合搜索求解算法. 在此基础上, 考虑开行列车在高速铁路网中的抗干扰能力, 建立了面向网络化运营场景的开行方案综合评估指标体系, 揭示了故障场景下高速铁路网络性能的演化规律. 最后, 以实际高速铁路线路数据和运营数据为场景进行仿真实验, 本文提出方法在保证运输需求和路局收益的同时能够有效地提升8.66%网络整体负载均衡性, 增强发生故障时网络的抗干扰能力.

引   言

高速铁路凭借其安全快速、正点率高、舒适性好等特点, 已逐渐发展成为综合交通运输体系的骨干力量和国民经济的重要组成. 根据《中国国家铁路集团有限公司2020年统计公报》, 2020年全国共投产高速铁路新线2521公里, 截至2020年底, 全国铁路路网密度已经达到152.3公里/万平方公里, 高铁运营里程超过3.8万公里, 占比世界高铁总里程约2/3, 100万以上人口大城市高铁覆盖率达到95%, 全年的高铁动车组旅客发送量约为15.17亿. 对比世界上高速铁路发展较为先进的国家如日本、法国和德国等, 我国已经成为世界上高铁里程最长、运输密度最高、成网运营场景最复杂的国家.

旅客列车开行方案是高速铁路运营组织的重要环节, 同时也是运行图编制和调整的基础和前提. 开行方案确定了列车开行的起讫点、运行路径、停站方案、车底运用等内容, 决定了运行图中各站间开行列车的密度以及列车运行的线路条件, 影响高速铁路行车作业质量、铁路部门运营效益和运输资源利用率. 因此, 对开行方案的优化研究已经吸引了国内外广大学者的关注. Fu等研究以天为周期的旅客列车开行方案, 建立双层规划模型, 并设计启发式搜索算法, 确定列车开行频率以及不同模式组合下的停站方案. Gattermann等研究了开行路径备选集的生成问题, 分析了不同的路径备选集对开行方案的解的影响. Yue等研究了高速铁路列车停站方案和运行图协同优化问题, 使用拉格朗日松弛法将该数学模型化简为线性规划问题, 并通过列生成算法进行求解. Han等以开行方案的周期性、跨线列车数量、跨线列车运营里程和固定停站模式为优化目标, 建立了多目标整数规划模型. Canca等以最大化铁路部门收益为目标, 计算了路网建设、车底购买、列车开行和车辆管理等成本, 设计了一种自适应大邻域搜索算法进行求解. Park等综合考虑了铁路部门运营成本和旅客的出行时间, 建立高速铁路旅客列车开行方案优化模型, 确定每条线路的列车开行频率, 同时考虑多种停站模式组合. Jamili等针对工作日和节假日不同时期的客流差异, 研究了基于非站站停停站模式的城市轨道交通运营方案, 设计了鲁棒性停站方案优化方法. Fu等研究了高速铁路列车停站方案优化问题, 将节点进行等级划分, 以保持停站方案的规则性、连通性和快速性为目标, 建立两阶段混合整数规划模型. Chen等提出了车站间可达性和可达性程度的概念, 考虑铁路部门的经济效益和旅客的出行便捷性建立列车开行方案多目标优化模型. 佟璐提出了基于客流起讫点的备选路径集与合理路径集的生成方法, 以最大化旅客出行效益为优化目标将客流分配到列车服务网络上. 苏焕银等考虑了旅客出行的时变需求, 以旅客出行时间和列车运行时间为目标, 建立Stackelberg博弈模型. 黄鉴以最大化运输收益和最小化列车运行路径广义阻抗为优化目标, 采用网络划分方法, 建立了考虑客流预测和开行方案的综合优化模型. 张新分析了影响高速铁路区段通过能力的因素, 并将提高区段通过能力作为总目标引入开行方案编制流程中. 综上所述, 现有对旅客列车开行方案的研究大多是针对列车运行径路方案、列车停站方案和客流分配方案中的部分进行优化, 而考虑三者综合优化的研究较少, 但三者之间密切相关、相互影响, 列车运行径路方案直接影响列车停站方案, 同时不同的停站方案会吸引不同的客流量. 在优化目标方面, 大多数学者都是从线路视角进行研究, 主要包括铁路部门运输效益、运输成本、使用列车数量等, 而从网络视角对开行方案进行研究则较少. 因此, 结合我国高速铁路网特征, 综合列车运行径路方案、列车停站方案和客流分配方案, 对面向路网、考虑整体资源利用率的开行方案优化方法进行研究具有一定的意义.

高速铁路网络可视为由基础设施层、列车流运行层与客流出行层三层结构耦合而成的复杂网络系统. 基础设施层由车站和线路连接组成, 是开行列车和运输旅客的载体, 约束了列车流和客流在路网上的传输; 列车流运行层体现列车在路网上的开行方式, 受限于路网基础设施和车底资源等条件, 但同时又必须满足客流的出行需求, 列车的开行带动客流在路网上运输, 这三层结构既相互制约又相互影响. 列车流运行层中开行的列车可以看做是基础设施层上的负载, 客流出行层中的客流可视为列车流运行层上的负载. 因此, 高速铁路网具备双重负载, 对运输需求和运力资源进行匹配是一种负载均衡的过程.

高速铁路的快速发展使得客流需求量增长迅猛, 旅客对出行的需求已不仅限于目的地的可达, 而对高铁服务水平和出行质量有了更高的要求, 旅行时间、换乘便捷性、乘车舒适度等都成为旅客选择出行方式时的制约因素. 同时, 随着高速铁路网的逐步形成, 旅客在同一起讫点之间的可选出行路径增多, 径路方案与停站方案呈现多样化特征, 影响运营特性的因素和制约运营效益的条件也在增多, 从而使得高速铁路运输组织难度加大. 当前铁路部门在设计开行方案时主要依赖于人工经验, 耗时长、自动化水平较低、设计人员工作强度大, 因此自动化的开行方案设计方法研究亟待展开. 此外, 我国的高速铁路网作为一种异质性网络, 尚存在着路网空间分布不均衡、网络拓扑结构复杂、不同区域旅客出行需求差异大、不同车站作业强度相差大等特点. 因此, 对有限的运力资源进行合理调度, 实现运输需求与运力资源的匹配具有重要研究意义.

本文针对高速铁路网络化运营条件下开行方案优化方法与评估体系展开研究. 首先提出负载均衡指标来表征网络中不同节点作业强度的差异性, 以经济效益、社会效益和运营效益为目标构建多目标优化模型, 并设计两阶段求解算法对该模型进行求解; 进一步结合运输指标与网络指标构建开行方案综合评估指标体系. 基于中国高速铁路网络数据仿真验证表明基于负载均衡优化后的开行方案能够提高运输组织与客流需求、路网条件和运输资源的匹配性, 为我国高速铁路网的发展以及网络运营组织优化提供理论基础和依据.

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