一种铁路互联互通背景下的运营组织动态优化分析系统的制作方法

本发明属于高速铁路网络运能自动化分析技术领域，具体涉及一种铁路互联互通背景下的运营组织动态优化分析系统。

背景技术：

铁路运输在经济社会发展中具有特殊重要的地位和作用，决定了它是大众化的交通工具；也决定了其在我国综合交通体系中的骨干地位，对经济社会发展产生重大作用和深远影响。随着我国城市铁路交通线网建设的逐步加强、线网规划日益完善、路由结构逐渐深化复杂，单纯依靠人工计算或简易工具计算方法已较为困难在较短时间内得出合理的高铁开行方案，并进行运能运量动态优化分析。

就国内外针对高速铁路网络运能适应性分析模型/系统相关研究，众多学者进行了一定的研究工作。deleeuwf，kjt，manheimml^[1-3]三人在其文献中从不同的角度将运输网络的能力分为三类：最终能力，表示在物理拓扑结构的限制下运输系统的最大运输能力；实际可用能力，指在实际运营的过程中，运输系统所表现出来的运输能力；经济能力，限制条件为最经济运营模式(最小边际成本和最短径路)的情况下运输网络所表现出来的运输能力。路网能力适应性的概念由cho^[4]于2002年在其博士论文中率先提出,他的路网适应性概念为在所有可能的运输情景下给定路网结构的期望最终能力与在所有可能的运输情景下基本路网结构r的期望最终能力的比值。在这之后，mo和chang^[5]在2004年将货运系统的能力适应性定义为“运输系统在需求变动时将其服务维持在一个满意的技术水平的能力”。chen和kasi^[6]在此基础上对能力适应性进行了更深入的探讨，指出目前对路网能力适应性的探讨应该根据路网能力不同计算方式所关注的侧重的不同分为两种，一是路网系统对整个运输情景都变化(包括od客流结构和od流流量的变化)的适应性；另一个出发点是路网系统仅针对od流流量变化的适应性。在这一前提下，chen^[7-8]提出了基于od流矩阵最大矩阵乘数的能力适应性和基于路网系统最大运输能力的能力适应性。projc^[9]在提出铁路运输能力的列车速度、区间长度、闭塞分区、单/双线等多个与铁路运输网络能力有关的延迟函数，并运用模拟方法对铁路运输能力的多个特性进行评估,得出运行速度是影响运输能力最重要的因素的结论。nijkampp等人^[10]指出运输系统应该是一个受到多维限制的系统,并拓展了许多限制系统运输能力的因素，如环境、运营准则、管理措施等。chena等人^[11]建立了网络能力可靠性的定义系统，并创建了能力可靠性的计算框架。feie等人^[12]提出路网灵活性的定义,将路网灵活性分为节点灵活性和线路灵活性。并指出在各类交通运输网络中国际航运网络的灵活性是最低的，铁路运输网络的灵活性低于公路网络的灵活性。chodj等人^[13]提出了可靠性定义并在此基础之上检验了线路、旅行时间、节点等随机因素对可靠性的影响。khovv^[14]等人在其文献中通过数学模型对网络中各因素(如客流量、旅行速度、流量密度等)之间的关系进行了分析，将旅客的也理状态描述为变化曲线，分析不同也理情景下，乘客对旅行速度和客流密度的承受能力。

薛宇飞^[15]对铁路网络能力进行了界定，给出了网络“点”、“区段”两个维度的系统能力的计算理论，并构建了用于求解区段有效能力的k短路车流分配模型，给出了高速铁路网络能力的计算方法。张嘉敏等人^[16]定义了高速铁路网络能力的衡量标准，提出了高速铁路网络能力计算的两阶段方法。胡安洲等人^[17]在其文献中较为完整地探讨了铁路网络运输能力，包括定义、计算方法、能力利用和提升等问题，张星臣^[18]总结己有文献研究的不足，综合考虑路网各节点之间运距、路网规模等因素，对路网系统运输能力的定义系统进行了补充，并对路网规划进行了定量分析。孟翀^[19]在其硕士论文中探讨了“全高速”、“中高速混跑”、“客货混跑”三种模式下我国客运专线通过能力的计算方法。陈韬^[20]等人提出基于路网流量分配模拟的货运铁路网能力供需适应性仿真，以路网中产生的广义运输费用最小作为优化目标，构建了多商品流的铁路网车流分配模型。其中的多商品流可以类比至高速网络中的中高速混跑动车组，有一定的参考价值。雷中林^[21]在2009年对cho的适应性计算表达式提出了异议，并同时提出了自己的路网适应性数学表达式。郑亚晶^[22]指出铁路路网能力适应性是路网储备能力和路网潜在能力对运输需求增长的适应性特征，路网储备能力和路网潜在能力在空间上的可转移特性使得路网适应性的结果并不唯一，在这种条件下，利用运输需求结构约束构建了较为科学的路网适应性计算模型,并提出了适用于路网新建线路方案比选的适应性测度指标。徐瑞华^[23]在现有铁路网络运输能力的研究基础之上，提出了储备能力的计算方法并说明了它与其它能力利用率之间的关系。为确定列车仿真运行中的数据参数，建立列车运行模拟模型，并用实例实现了仿真实验，给出了实验线路储备能力的初始范围。叶婷婷^[24]在其文献中引入复杂网络理论的概念对我国铁路网络的拓扑结构进行了分析,展开研究了不同攻击模式情况下路网可靠性的表现。雷莉^[25]为计算在最优配流情况下铁路客运网络能力适应性，建立了基于多商品流的客流分配模型，求解在一定旅客出行需求和路网结构条件下的旅客最佳出行方案，并根据最佳出行方案来求解评价系统中的各项指标。

背景技术中所引用的参考文献如下：

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[19]孟翀.铁路客运专线通过能力计算方法的研究[d].北京交通大学.2007.

[20]陈韬,王文宪,倪少权.关于铁路网运输能力供需适应性预测仿真[j].计算机仿真,2018,35(05):142-147.

[21]雷中林,何世伟.铁路路网系统运输能力灵活性研究[j].铁道学报,2009,31(1):26-30.

[22]郑亚晶.铁路网络能力可靠性、能力适应性及抗毁性研究[d].北京交通大学,2013.

[23]徐瑞华.铁路运输能力利用问题研究[d].北京交通大学,1995.

[24]叶婷婷.基于复杂网络的全国铁路网络连通可靠性分析[d].北京交通大学,2009.

[25]雷莉.铁路客运网络能力适应性分析[d].西南交通大学,2016.

现有的铁路网络运能分析系统存在如下问题：

第一，现有方法主要侧重于铁路运输网络的运能运量适应性分析模型上，没有针对网络互连互通背景下的铁路运输模式如何提高网络运输效率进行深入研究，并能提出铁路网络运能动态优化分析方法。

第二，既有研究多从铁路运输网络的固定模式角度出发，对铁路运营方案进行适应性评估与建模优化，尚未有对运营组织模式进行优化调整，从铁路网络能力利用率和乘客在市内的铁路出行便捷度进行运营组织方案优化模型研究。

第三，现有技术对多种运营模式的比较无法快速给予响应，例如针对于车站优先、线路优先、全局网络、考虑客流、固定部分线路这几种情况较难实现动态优化并给出图形化和表格化的结果。

技术实现要素：

为了克服现有铁路枢纽运能分析系统中存在的上述问题，本专利申请提出了一种铁路互联互通背景下的运营组织动态优化分析系统，本发明的技术方案如下：

一种铁路枢纽互联互通运营组织动态优化分析系统，所述系统主要包括基础网络管理模块、车站线路能力管理模块、行车方案设定和优化模块、行车方案结果输出模块；

(1)所述基础网络管理模块主要用于线路网络的建立和删除、车站线路的建立与管理，可实现线路网络的构建；所述基础网络管理模块包括网格建立模块、车站管理模块、线路管理模块和线路关系管理模块，其中，所述网格建立模块可实现现状网格的录入、修改、重置和删除等相关操作；所述车站管理模块、线路管理模块和线路关系管理模块可实现车站、线路和线路关系的新建和管理；铁路枢纽网络的互联互通及贯通运营的构架构建；

(2)所述车站线路能力管理模块主要用于车站能力及线路能力的查看和修改，能够实现车站通过能力的计算，所述车站线路能力管理模块包括到发线通过能力计算模块以及咽喉通过能力计算模块；

1)所述到发线通过能力计算模块能够实现各条件录入，并计算到发线通过能力，所述到发线通过能力由下式计算：

2)所述咽喉通过能力计算模块能够实现各条件录入，并计算咽喉通过能力，其中，所述咽喉通过能力的计算步骤如下：

1)确定各方向列车数量

2)确定到发线固定使用方案

3)计算各道岔组占用时间

4)计算两端咽喉区通过能力

(3)所述行车方案设定和优化模块主要实现行车方案的手动输入或自动优化，所述自动优化能够在不同背景网络下，以车站优先、线路优先、全局网络、考虑客流四种优化目标之一，选择中心发车外围停靠、中心发车外围不停靠、外围发车、外围发车中心停靠四种列车运营模式，并能够兼顾停靠站模式，进行运营组织自动优化；

(4)所述行车方案结果输出模块主要实现行车方案的表格输出或可视化图形输出。

本发明基于对车站能力的计算以及铁路网络运营组织优化的研究，针对铁路枢纽规划网络，设计了铁路互联互通背景下的运营组织动态优化分析系统，该系统相对于现有技术可以达到如下技术效果：

1)本发明的铁路运营组织动态优化分析系统包括路网拓展功能，除内置铁路网络的现状版本以外，能方便实现铁路网络的建立、编辑与删除，线路区间的添加与删除，编辑线路关系等功能，能够便于操作人员快速构建路网，同时针对多种网络结构进行快速运能运量适应性分析，大大降低操作人员的工作强度，提升规划业务的工作效率。

2)本发明的铁路运营组织动态优化分析系统可以对铁路网络中的车站能力以及线路能力进行查询、计算及修改编辑，所述车站线路能力管理模块能够实现车站到发线通过能力及咽喉区通过能力的精确计算，节省大量理论研究员的劳力成本，并能杜绝计人工计算过程中的错误。

3)本发明的铁路运营组织动态优化分析系统能够实现对铁路网络的行车方案进行手动设定，并考虑不同开行方案，从车站优先、线路优先、全局网络、考虑客流四种模式进行基于混合整数线路优化模型的自动优化，同时可以考虑是否选择停靠站模式。

4)本发明的铁路运营组织动态优化分析系统能够以表格形式或图形展示的方式输出计算结果，发明结果可用于指导高密度超大城市的国家铁路线路、枢纽、配套设施的规划建设。

附图说明

图1为本发明一种铁路互联互通背景下的运营组织动态优化分析系统的设计流程图。

图2为本发明一种铁路互联互通背景下的运营组织动态优化分析系统的组成结构图。

图3为深圳北站线路结构及通过能力示意图。

图4为深圳站线路结构及通过能力示意图。

图5为福田站线路结构及通过能力示意图。

图6为机场东站线路结构及通过能力示意图。

图7为深圳坪山站线路结构及通过能力示意图。

图8为西丽枢纽站线路结构及通过能力示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的铁路互联互通背景下的运营组织动态优化分析系统能够对铁路基础网络、车站线路能力进行管理，利用系统内的优化算法对行车方案进行优化，最后能以表格及可视化图形的方式进行输出展示，对国家铁路的互联互通运营组织能够起一定的作用。

本发明分析系统的设计流程图和组成结构图分别如说明书附图1、2所示。

本发明的铁路互联互通背景下的运营组织动态优化分析系统主要包括基础网络管理模块、车站线路能力管理模块、行车方案设定和优化模块、行车方案结果输出模块。

(1)基础网络管理模块主要用于线路网络的建立和删除、车站线路的建立与管理，可实现线路网络的构建；所述基础网络管理模块包括网格建立模块、车站管理模块、线路管理模块和线路关系管理模块，其中，所述网格建立模块可实现现状网格的录入、修改、重置和删除等相关操作；所述车站管理模块、线路管理模块和线路关系管理模块可实现车站、线路和线路关系的新建和管理，从而最终实现对线路网络的构建。在线路网络构建过程中，可自主连接不同线路的终点，以实现铁路枢纽网络的互联互通以及列车的贯通运营等措施，为后续新型列车运输模式提供基础。

(2)所述车站线路能力管理模块主要用于车站能力及线路能力的查看和修改，能够实现车站通过能力的计算。高速铁路、客运专线车站(以下简称高铁站)通过能力包括到发线通过能力以及咽喉通过能力两部分，所述车站线路能力管理模块包括到发线通过能力计算模块以及咽喉通过能力计算模块。

1)所述到发线通过能力计算模块能够实现各条件录入，并计算到发线通过能力，所述到发线通过能力由下式计算：

2)所述咽喉通过能力计算模块能够实现各条件录入，并计算咽喉通过能力，其中，所述咽喉通过能力的计算步骤如下：

1)确定各方向列车数量

2)确定到发线固定使用方案

3)计算各道岔组占用时间

4)计算两端咽喉区通过能力

附图2-8为不同车站的线路结构及通过能力示意图。

(3)所述行车方案设定和优化模块主要实现行车方案的手动输入或自动优化，所述自动优化能够在不同背景网络下以车站优先、线路优先、全局网络、考虑客流四种模式之一，并能够兼顾停靠站模式，进行运营组织自动优化，即在给定的运输线路和客流需求等输入条件下，以最大化车站和线路能力利用和最便捷满足乘客出行需求作为目标函数，并以车站能力限制、客流时空特征、线路和区段能力限制作为约束条件，建立高速铁路运营方案优化模型，该模型由两个目标函数和六个约束条件组成，是典型的混合整数线性规划模型，可以采用精确求解算法，利用lpsolve模型求解器对该混合整数规划模型进行优化求解。

模型目标一为:其一为充分利用车站和线路的通过能力，因为对铁路运营组织的优化主要是通过提高铁路通过能力及利用率来实现。

模型目标二为：便捷市域内客流出行，客流运输的便捷性用客流量与列车开行对数的乘积表示。

模型约束：

式中：

1)符号：

i表示车站，i表示车站集合；

j表示线路，j表示线路集合；

2)自变量：

自变量为xijs，其中xij表示从车站i发往线路j的列车对数，s表示从车站i到线路j的预定开行方案下停靠的车站，若s＝i，则表示本站始发，若s≠i，则表示本站停靠。

3)输入参数

k表示线路中的区段，k表示某条线路的区段集合；

αij为0-1变量，用于表示xij是否经过区段k，若经过则取值1，否则取0。

ci表示车站i的设计通过能力，

cj表示线路j的设计通过能力，

ck表示区段k的设计通过能力，

tj表示线路j的使用通过能力，

fij表示每对由车站i发往线路j的列车的潜在高铁客流运输量。

(4)所述行车方案结果输出模块主要实现行车方案的表格输出或可视化图形输出。

以上所述之实施例仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出更多可能的变动和润饰，或修改均为本发明的等效实施例。故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明之思路所作的等同等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。