专利名称：用于基于模拟的运行规划器的系统和方法
技术领域：
本公开针对为解决相遇-通过(meet-pass)规划或运行规划问题而开发的运行规 戈丨J器。
背景技术：
运行计划是在预定时间段对铁路网络中运行列车的详细计划。运行计划开始于 调度活动的列表，例如与始发、终点、工作人员(crew)调换、车头调换、列车停车、所分配工 作、检验等相关联的时刻。根据调度活动，运行规划器生成例如相遇、通过、在同一平面的铁 路交叉、计划暂停(hold)和安全空间的事件。相遇-通过涉及规划沿相反方向行驶的列车 可相互通过的相遇位置。它还涉及确定快车可超过沿相同方向行驶的慢车的通过位置。当 前，调度员通常人工制订运行计划。但是，运行计划的这种人工制订不足以有效规划大规模 铁路运营的运行。当前第1类铁路运营通常涉及三万至六万轨道英里数，并且每天处理一千至五千 辆列车。铁轨处理混合交通，包括各自具有其自身调度特性的大宗商品、联运、快运货物、汽 车、旅客等。通常，铁路运营被分为具有控制各区域的集中调度中心的地理区域。因此，经 过许多区域的单辆列车在其旅程中看到许多调度员。与这种类型的列车规划关联的常见问 题是，终点(goal)可能没有在区域上传递，并且一个调度员看起来良好的运行计划实际上 可能损害整个铁路的运营。计算运行计划要求各种数据，包括列车时刻表(schedule)和运营成本、铁道网的 拓扑结构、速度限制和轨道阻塞、列车的实时状态以及调度员输入。规划算法使用所有这种 数据来生成运行列车的近似最佳方式。一种使用计算机化运行规划器的现有技术方法利用称为模拟退火(simulated annealing)的技术。在这种方法中，所有列车的调度行程均使用无对立运行时间来布置。 然后，规划器在行程的随机点反复插入或去除随机延迟，从而搜索最大总计划值。然后，规 划器搜索更好的计划，直至达到尝试的最大次数，或者来自前一计划的总计划值的变化在 统计上不明显。
发明内容
本公开针对一种计算机化运行规划器，它使用计算机模拟对包括轨道拓扑结构、 列车时刻表和活动的问题的细节建模。该计算机化规划器构造开始于当前时间的运行计 划，从而始终确保可行性。它通过在短持续时间一次一个递增地运行列车来实现这个方面， 并且重复该过程，直至列车达到其目的地或者达到历程(horizon)的结束。
图1是本申请一个实施例的运行计划周期的简化图解表示。图2是本申请一个实施例所提供的列车运行图的简化图解表示。
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图3是本申请一个实施例的简化流程图。
具体实施例方式计算运行计划要求各种数据，包括列车时刻表和运营成本、铁道网络的拓扑结构、 速度限制和轨道阻塞、列车的实时状态以及调度员输入。参照图1，操作目标100可包括列车时刻表、列车优先级和运营成本。本公开确保 列车准时到达其目的地，同时考虑列车优先级，列车优先级实际上可以是动态的以便使运 行列车所引起的总成本最小。为了确保满足操作目标，规划器需要列车时刻表，该时刻表包 括作为输入的始发位置和目的地位置、列车优先级、工作人员期满(crewexpiration)时间 以及预期的工作人员调换位置。规划器还确保它在制订运行计划时满足多个限制110。这类限制的部分列表包 括基于轨道或拓扑结构的限制-轨道阻塞(不确定的或基于时间的)-速度限制(不确定的或基于时间的)-切换(switch)限制(不确定的或基于时间的)-高度、重量和宽度限制-旁轨限制(多辆列车、交叉点)基于列车的限制-列车优先级-列车时刻表变更-性能要求-最大可能的速率-关键列车-对携带危险材料等的列车的特殊处理活动管理要求-工作人员调换-车站活动-其它轨道上和轨道外活动，包括组合、链接和辅助列车规划器能够接收轨道和车站活动的实时状态120，包括位置报告、延迟报告、轨道 障碍以及组成和工作人员报告。规划器在生成运行计划时，还必须考虑调度员发起的限制 130，例如列车当局以及锁定相遇和通过位置。根据这些输入，技术效果是，本公开生成所有 被调度列车在每一辆列车的规划历程沿轨道拓扑结构的运行的详细计划140。该计划包括 用于执行包括相遇、通过、列车始发和终点、所分配工作、检查、工作人员调换、车头调换等 的所有列车有关活动的时刻表。图2示出本公开所生成的运行计划的一个示例。列车运行图是用于可视化运行计 划的工具。从一端延伸到另一端的轨道沿y轴线200表示。y轴线上的标签是沿轨道的车 站。时间沿χ轴线210表示。图中的各条线示出单辆列车在各个时间点的位置。向上的斜 线220表示沿上行(up-bound)方向行驶的列车，而向下的斜线230表示沿下行方向行驶的 列车。在任何给定点的线条的斜率是列车在那个时间点的速率。相遇和通过位置也可从列 表运行图来推断，其中等候的列车具有零速率M0。
本公开使用详细的模拟模型，该模型模拟轨道拓扑结构和列车的运行。然后，它为 在这种模拟环境中的各列车构建时刻表，同时以系统方式使列车在规划周期开始时从其当 前位置运行到其相应目的地。在制订运行计划时必须进行多个判定。这些判定包括各列车 需要采取的从起点到目的地的路径、规划历程中的相遇和通过位置、其中需要执行例如工 作人员调换的活动的位置等。对于这些判定中的每个判定存在许多可能的选择。现实世界 的运行规划问题极为复杂。生成可行且稳定的良好解决方案非常困难。先前已经进行的解 决这个问题的许多尝试获得有限的成功。本公开以系统方式在模拟环境中探索搜索空间， 以便获得鲁棒的良好解决方案。参照图3，在一个实施例中，本公开为各列车制订优选路线(300)。优选路线是列 车为以最佳方式实现其所有目标应当采取的最佳可能路线。除了优选路线之外，还生成多 个备选路线(310)，它们绕过优选路线的区域。选择(320)列车中之一来模拟其运行。要 运行的列车可根据多个标准来选择，所述标准包括列车优先级、列车已经引起的延迟、列车 已经前进的程度等。在一个实施例中，列车可运行，直至到达判定点(330)。判定点是一个 以上路线可用于列车的点，包括列车可以选择在那一点可用的两个或更多不同轨道段、例 如旁轨或备选轨道中之一上运行的切换点。在其它实施例中，列车可运行预定量的模拟时 间或者直到出现它因为许多原因中之一而导致的轨道不可用所以无法在其优选路线上进 一步运行的情形。这些原因包括轨道阻塞、轨道被其它列车占用等。一旦列车运行到判定 点，则进行关于列车进一步运行的评估(340)。例如，一种评估可以是关于优选路线的下一 部分是否可用的确定。如果轨道可用，则规划器选择该列车运行到下一判定点(320)。如果 没有可行的解决方案，则规划器使列车在目标点延迟或者由原路返回(backtrack)并且选 择备选路线(350)。规划器对于所有列车重复这个过程，直至所有列车到达其相应的模拟目 的地，或者到达历程的结束。在一个实施例中，当列车遇到无法再沿其优选路线运行的情形时，规划器按照系 统方式解析此情形。多种技术可用于解析这种情形，包括启发式方法、数学编程和其它局部 优化方法。所采用的技术可使列车由原路返回、使它们在其当前位置延迟和/或使列车沿 优选路线的备选路径运行。技术效果是，规划器以系统方式使在模拟环境中的列车前进，直 至列车到达其模拟目的地，或者到达规划历程的结束。以下示例示出本公开一个实施例的操作。规划器可根据时间按照升序对列车分 类，在该时间之前已将它们调度成从起始点运行。然后，它选择分类列表中的第一列车，并 且尝试使该列车沿其优选路线运行。如果可行路段存在，则它使列车前进到下一判定点。如 果没有可行的解决方案，则它使列车在其当前位置延迟或者由原路返回并且选择下一最佳 路段。它重复这个过程，直至所有列车到达其模拟目的地，或者达到历程的结束。为了确保列车的最佳运行，在模拟运行中考虑若干度量(metric)。在确定列车的 运行时，规划器考虑以下度量#每辆列车的切换数列车从其优选路线切换到备选路线的次数。规划器尝试使 这个度量最小。#等倌通过列车以等倌通过另一列车的次数。规划器尝试使这个度量最小。#工作人员期满数调度期间工作人员班次期满的次数。规划器尝试使这个度量最小。
计划之间保持的相遇和通过的％ 这是从一个计划到另一个计划保持相同的相遇 和通过的百分比的量度。规划器设法使这个度量最大。规划器还可提供作为规划周期的输出的度量，它们可用于与统计范数(norm)进 行比较或者与其它现有技术进行比较。这类输出度量包括算法运行时间规划器生成解决方案所花的时间(以秒计)。平均列车谏率具有规划器所牛成的列车时刻表的所有列车的平均谏率。该度量 对可能对所有列车的平均速率以及列车组的平均速率感兴趣的顾客有用。它可用于确定每 天调度的列车英里数。每辆列车的平均延迟这从列车到达其目的地的最晚时间来测量。M^imm 当所有列车在没有任何其它交通阻碍其前进的情况下在其主要路 线中运行的列车平均速率。#未解决冲突两辆或多辆列车处于同一路段的机会数量。%鲁棒件这是运行计划的稳定性的量度。应当理解，上述方法/系统中任一个的输出是运行计划，它用于规划列车在铁路 网络中的实际运行。一旦运行计划被生成并且传递到列车(运行计划的一部分或者运行计 划的全部同时或者在不同时间传递)，列车对于列车通过铁路网络的实际(物理)运行遵照 该运行计划。本说明书中所述的主题的实施例和功能操作可通过数字电子电路或者通过计算 机软件、固件或硬件来实现，包括本说明书中公开的结构及其结构等效或者其中一个或多 个的组合。本说明书中所述的主题的实施例可实现为一个或多个计算机程序产品，即在 有形程序载体上编码以便由数据处理设备执行或者控制数据处理设备的操作的一个或多 个计算机程序指令模块。有形程序载体可以是传播信号或者计算机可读介质。传播信号是 人工生成的信号，例如机器生成的电、光或电磁信号，生成所述电、光或电磁信号来对信息 编码以便传送到适当的接收器设备供计算机执行。计算机可读介质可以是机器可读存储装 置、机器可读存储衬底、存储器装置、影响机器可读传播信号的物质组成或者其中一个或多 个的组合。术语“数据处理设备”囊括用于处理数据的所有设备、装置和机器，作为举例包括 可编程处理器、计算机或者多个处理器或计算机。除了硬件之外，该设备还可包括为所述计 算机程序创建执行环境的代码，例如构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统 或者其中一个或多个的组合的代码。计算机程序(又称作程序、软件、软件应用、脚本或代码)可通过任何形式的包括 编译或解释语言或者说明性语言或过程语言的编程语言来编写，并且它可按照包括作为独 立程序或者作为模块、组件、子例程或者适用于计算环境的其它单元的任何形式来部署。计 算机程序不一定对应于文件系统中的文件。程序可存储在保存其它程序或数据(例如标 记语言文档中存储的一个或多个脚本)的文件的一部分中、在专用于所述程序的单个文件 中、或者在多个协调文件(例如存储一个或多个模块、子程序或者代码部分的文件)中。计 算机程序可部署成在一个计算机或者在位于一个站点或分布于多个站点并且通过通信网 络互连的多个计算机上运行。本说明书中所述的过程和逻辑流可由运行一个或多个计算机程序以便通过对输入数据进行操作并且生成输出来执行功能的一个或多个可编程处理器来执行。这些过程和 逻辑流还可由专用逻辑电路、例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)来 执行并且设备也可实现为所述专用逻辑电路。适合运行计算机程序的处理器作为举例包括通用和专用微处理器以及任何种类 的数字计算机的任何一个或多个处理器。一般来说，处理器将从只读存储器或随机存取存 储器或者它们两者接收指令和数据。计算机的基本要素是用于执行指令的处理器以及用于 存储指令和数据的一个或多个存储器装置。一般来说，计算机还将包括用于存储数据的例 如磁盘、磁光盘或光盘的一个或多个大容量存储装置，或者在操作上与其耦合以便从其中 接收数据或者对其传递数据或者接收和传递数据。但是，计算机无需具有这类装置。此外， 计算机可嵌入另一个装置，例如移动电话、个人数字助理(PDA)、移动音频或视频播放器、游 戏控制台、全球定位系统(GPQ接收器，这里仅举几个例子。适合于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质包括所有形式的非易失性 存储器、介质和存储器装置，作为举例包括半导体存储器装置，例如EPROM、EEPROM和闪速 存储器装置；磁盘，例如内置硬盘或可移动磁盘；磁光盘；以及CD ROM和DVD-ROM盘。处理 器和存储器可由专用逻辑电路来补充或者结合到其中。为了提供与用户的交互，本说明书中所述的主题的实施例可在具有用于向用户显 示信息的显示装置、例如CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示器)监视器以及用户可用其 向计算机提供输入的键盘和指点装置、例如鼠标或轨迹球的计算机上实现。其它种类的装 置也可用于提供与用户的交互；例如，来自用户的输入可通过包括声、话音或触觉输入的任 何形式被接收。本说明书中所述的主题的实施例可在计算系统中实现，计算系统包括例如数据服 务器的后端组件或者例如应用服务器的中间组件或者例如客户端计算机的前端组件或者 一个或多个这种后端、中间或前端组件的组合，其中客户端计算机具有图形用户界面或者 万维网浏览器，用户可通过客户端计算机与本说明书中所述的主题的实现进行交互。系统 的组件可通过数字数据通信的任何形式或介质、如通信网络来互连。通信网络的示例包括 局域网(“LAN”)和例如因特网的广域网(“WAN”)。计算系统可包括客户端和服务器。客户端和服务器一般相互远离，并且通常通 过通信网络进行交互。客户端和服务器的关系依靠运行于相应计算机并且相互具有客户 端-服务器关系的计算机程序而出现。虽然本说明书包含许多具体细节，但是它们不应当被理解为对任何发明或者可要 求权益的范围的限制，而是应当被理解为可能是对具体发明的具体实施例特定的特征的描 述。本说明书在独立实施例的上下文中描述的某些特征也可在单个实施例中组合实现。相 反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可分别在多个实施例中分离或者以任何适 当的子组合实现。此外，虽然特征在上文中可描述为通过某些组合来起作用并且甚至最初 这样要求权益，但是，来自要求权益的组合的一个或多个特征在一些情况下可脱离该组合， 并且要求权益的组合可针对子组合或者子组合的变型。类似地，虽然在附图中按照特定顺序来描述操作，但是，这不应当理解为要求这类 操作按照所示的特定顺序或者按顺序执行或者要求执行所有所示操作以便实现合乎需要 的结果。在某些情况下，多任务和并行处理会是有利的。此外，以上所述实施例中的各种系统组件的分离不应当理解为要求所有实施例中的这种分离，而应当理解，所述程序组件和 系统一般可一起集成在单个软件产品中或者包装到多个软件产品中。
虽然上文详细描述了几个实施例，但是其它修改是可能的。其它实施例可落入随 附权利要求书的范围之内。
权利要求
1.一种对多辆列车在轨道网络上的运行进行规划的方法，包括以下步骤(a)为多辆列车确定优选路线；(b)为所述多辆列车确定至少一条备选路线；(c)从所述多辆列车选择第一列车；(d)模拟所述第一列车沿优选路线向第一判定点的运行；(e)评估所述第一列车的模拟运行；(f)从所述多辆列车选择第二列车；(g)模拟所述第二列车沿路线向第二判定点的运行；(h)评估所述第二列车的模拟运行；(i)对所述多辆列车中每辆列车重复选择、模拟运行及评估的步骤直至下列条件中至 少之一为止⑴满足预定时间；以及(ii)所有列车到达其相应的模拟目的地。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述选择步骤包括按照列车优先级、所述列车已经 引起的延迟和所述列车已经前进的程度中至少之一的函数选择所述第一列车。
3.如权利要求1所述的方法，其中，选择所述第一列车的步骤和选择所述第二列车的 步骤选择同一辆列车。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述第二列车由原路返回到所述第一目的地点。
5.如权利要求3所述的方法，其中，所述第二列车的模拟运行包括使所述第二列车在 所述第二目的地点延迟。
6.如权利要求3所述的方法，其中，模拟所述第二列车的运行的步骤沿备选路线进行。
7.如权利要求1所述的方法，其中，评估所述第一列车的模拟运行的步骤包括确定列 车从其优选路线切换到备选路线的次数、列车以等值通过另一辆列车的次数、调度期间工 作人员班次期满的次数以及从一个计划到另一个计划保持相同的相遇和通过的百分比中 至少之一。
8.一种与铁路计算机辅助列车运行规划器配合使用的计算机程序产品，其中，所述铁 路网络分为多个轨道段，所述计算机程序产品包括计算机可用介质，具有在所述介质中包含的用于规划列车运行的计算机可读程序代码 模块，所述计算机可读程序代码模块包括用于使计算机为多辆列车确定优选路线的计算机可读第一程序代码模块；用于使计算机为所述多辆列车确定至少一条备选路线的计算机可读第二程序代码模块；用于使计算机从所述多辆列车选择第一列车的计算机可读第三程序代码模块；用于使计算机模拟所述第一列车沿优选路线向第一判定点的运行的计算机可读第四 程序代码模块；用于使计算机评估所述第一列车的模拟运行的计算机可读第五程序代码模块；用于使计算机对所述多辆列车中每辆列车重复选择、模拟运行以及评估的步骤直至下 列条件中至少之一为止的计算机可读第六程序代码模块(i)满足预定时间；以及(ii)所 有列车到达其相应的模拟目的地；其中，所述计算机可读第五程序模块编程为使列车从其优选路线切换到备选路线的次 数、列车以等值通过另一辆列车的次数、调度期间工作人员班次期满的次数中至少之一最
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述第五程序模块编程为使从一个计划到另一个 计划保持相同的相遇和通过的百分比最大。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所述第三程序模块编程为按照列车优先级、所述 列车已经引起的延迟和所述列车已经前进的程度中至少之一的函数来选择所述列车。
11.一种对多辆列车在轨道网络上的运行进行规划的方法，包括以下步骤(a)从所述多辆列车选择第一列车；(b)为所述第一列车确定优选路线；(c)为所述第一列车确定备选路线；(d)模拟所述第一列车沿优选路线向第一判定点的运行；(e)评估所述第一列车的模拟运行；(f)如果所述模拟运行不满足预定标准，则模拟所述第一列车沿备选路线的运行。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述备选路线包括使所述第一列车在所述第一 判定点延迟。
13.如权利要求11所述的方法，其中，所述备选路线包括使所述第一列车由原路返回。
14.如权利要求11所述的方法，其中，所述选择步骤包括按照列车优先级、所述列车已 经引起的延迟和所述列车已经前进的程度中至少之一的函数来选择所述第一列车。
15.如权利要求11所述的方法，其中，评估所述第一列车的模拟运行的步骤包括确定 列车从其优选路线切换到备选路线的次数、列车以等值通过另一辆列车的次数、调度期间 工作人员班次期满的次数以及从一个计划到另一个计划保持相同的相遇和通过的百分比 中至少之一。
全文摘要
一种通过模拟多辆列车在轨道网络上的运行来规划列车在轨道网络上的运行的系统和方法。
文档编号B61L27/00GK102083674SQ200880111850
公开日2011年6月1日 申请日期2008年10月14日 优先权日2007年10月12日
发明者H·摩根, J·基克布施, M·E·特拉塔, M·S·威尔斯, M·加比拉斯, R·马克利, S·博拉普拉加达 申请人:通用电气公司