一种基于网络演化的列车开行控制方法与系统与流程

本发明涉及列车开行控制领域。更具体地，涉及一种基于网络演化的列车开行控制方法与系统。

背景技术：

随着铁路的快速发展，尤其我国十三五期间提出加强铁路基础设施建设，铁路固定资产投资规模将达3.5至3.8万亿元，建设新线3万公里。至2020年，全国铁路营业里程将达到15万公里，其中高速铁路3万公里，铁路网络化运行特性越发明显。

现有的列车开行控制方式主要依赖于人工编制的列车开行方案，对列车开行方案的研究也局限于单条铁路线路，列车网络化开行控制的研究基础相对薄弱，形成有别于传统控制方法的新型控制系统与方法是列车控制领域亟待解决的问题，并且对提高铁路运输经济效益等方面都具有十分重要的意义。

因此，需要提供一种基于网络演化的列车开行控制方法与系统，解决目前列车开行方案存在的人工编制效率低、局限于单条线路等问题。

技术实现要素：

本发明要解决的一个技术问题是提供一种基于网络演化的列车开行控制方法，以解决传统列车开行控制只能依赖于人工编制列车开行方案的问题，同时能够考虑多条线路得到方案最优的列车开行控制方案，本发明要解决的另一个技术问题是提供一种基于网络演化的列车开行控制系统。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种基于网络演化的列车开行控制方法，其特征在于，所述方法包括：

S1：根据列车客流和路网数据，构建铁路网络模型，并对网络模型进行特性分析，输出网络特性参数；

S2：根据所述网络特性参数和车流网演化规则生成车流网；

S3：分析所述车流网与开行方案的映射关系，生成初始开行方案；

S4：对所述初始开行方案进行评价和优化，得到列车开行方案。

优选的，所述S1包括：

S11：根据列车客流和路网数据，构建包括铁路地理网和铁路客流网的铁路网络模型；

S12：对网络模型进行特性分析，输出网络特性参数，所述网络特性参数包括节点群落关系度量矩阵、节点物理连接矩阵和车站重要程度矩阵。

优选的，所述铁路地理网以车站作为网络节点，以连接两个车站之间的轨道作为连接两个网络节点的边。

优选的，所述铁路客流网将有旅客乘降的两个车站的连线为边，以所述两个车站之间的客流量作为边权。

优选的，

所述节点群落关系度量矩阵为

所述节点物理连接矩阵为

所述车站重要程度矩阵为

其中，ω_ij为铁路网络模型中区间ij的客流量的参数，p_ij为铁路网络模型中区间ij的客流量，η为列车满载率，L为列车定员。

优选的，所述S2包括：

S21：根据所述网络特性参数，计算任意两个车站间连接概率为

F_ij＝α_ijp_ij(s_i+s_j)

其中，F_ij为两个车站之间的客流引力，p_ij两个车站ij间的客流量，α_ij为两个车站ij间的群落关系度量参数，β_ij为两个车站ij间的物理连接参数，s_i、s_j为车站i、j的重要程度参数；

S22：选择所述连接概率最大的两个车站连接，此时两个车站的边权加1，同时将铁路网络模型中两个车站ij间的边权减1；

S23：重复S21-S22直至所述铁路网络模型中所有边权均为负结束演化，将演化后的铁路网络模型作为车流网。

优选的，所述S3包括：

S31：根据所述车流网，将同一列车运行线路上的所有车站设为一个群落；

S32：列举出每个群落的所有列车停站方案，根据保证直达列车的开行、站间剩余权重反馈生成直通列车、考虑择站停列车和站间剩余所有权重反馈生成逐站停列车的规则生成所有备选开行方案，每生成一个备选开行方案将该群落内两个车站间的权重减1；

S33：将所有群落均按S32生成所有备选开行方案，得到所有群落的初始开行方案。

优选的，所述S4包括：

S41：计算每个所述初始开行方案的评价指标值，根据列车开行方案评价指标体系对每个所述初始开行方案进行指标打分；

S42：采用适应度函数判断每个所述初始开行方案所处等级，若所述初始开行方案符合要求，则作为列车开行方案；若所述初始开行方案不符合要求，则对所述初始开行方案进行优化，重复S41，直到得到符合要求的所有初始开行方案作为列车开行方案。

优选的，所述适应度函数为

其中，y_l为初始开行方案l的评价指标值，γ_l为初始开行方案l的指标打分。

本发明同时公开了一种基于网络演化的列车开行控制系统，其特征在于，所述系统包括：

网络模型构建模块：用于根据列车客流和路网数据，构建铁路网络模型，并对网络模型进行特性分析，输出网络特性参数；

网络模型演化模块：用于根据所述网络特性参数和车流网演化规则生成车流网；

开行方案生成模块：用于分析所述车流网与开行方案的映射关系，生成初始开行方案；

开行方案评价模块：用于对所述初始开行方案进行评价和优化，得到列车开行方案。

本发明的有益效果如下：

1、克服了传统列车开行控制依赖人工编制的问题，能够快速实现列车开行控制。

2、支持网络化列车开行控制问题，提高了列车开行方案的实用性。

3、在保证单条线路列车开行控制方案最优的同时，又兼顾了路网整体列车开行控制方案的最优。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出一种基于网络演化的列车开行控制方法的流程图。

图2示出一种基于网络演化的列车开行控制系统的示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明一方面公开了一种基于网络演化的列车开行控制方法，所述方法包括：

S1：根据列车客流和路网数据，构建铁路网络模型，并对网络模型进行特性分析，输出网络特性参数。

S11：根据列车客流和路网数据，构建包括铁路地理网和铁路客流网的铁路网络模型。其中，所述铁路地理网以车站作为网络节点，以连接两个车站之间的轨道作为连接两个网络节点的边；所述铁路客流网将有旅客乘降的两个车站的连线为边，以所述两个车站之间的客流量作为边权。

S12：对网络模型进行特性分析，输出网络特性参数，所述网络特性参数包括节点群落关系度量矩阵、节点物理连接矩阵和车站重要程度矩阵。其中，

所述节点群落关系度量矩阵为

所述节点物理连接矩阵为

所述车站重要程度矩阵为

其中，ω_ij为铁路客流网中区间ij的客流量的参数，p_ij为铁路网络模型中区间ij的客流量，η为列车满载率，L为列车定员。

S2：根据所述网络特性参数和车流网演化规则生成车流网。

S21：根据所述网络特性参数，计算任意两个车站间连接概率为

F_ij＝α_ijp_ij(s_i+s_j)

其中，F_ij为两个车站之间的客流引力，p_ij两个车站ij间的客流量，α_ij为两个车站ij间的群落关系度量参数，属于同一群落则趋于1，否则取趋于0的某个数值，β_ij为两个车站ij间的物理连接参数，i、j存在物理连接取1，否则为0，s_i、s_j为车站i、j的重要程度参数；

S22：选择所述连接概率最大的两个车站连接，此时两个车站的边权加1，同时将铁路网络模型中两个车站ij间的边权减1；

S23：重复S21-S22直至所述铁路网络模型中所有边权均为负结束演化，将演化后的铁路网络模型作为车流网。

S3：分析所述车流网与开行方案的映射关系，生成初始开行方案。

S31：根据所述车流网，将同一列车运行线路上的所有车站设为一个群落；

S32：列举出每个群落的所有列车停站方案，根据保证直达列车的开行、站间剩余权重反馈生成直通列车、考虑择站停列车和站间剩余所有权重反馈生成逐站停列车的规则生成所有备选开行方案，每生成一个备选开行方案将该群落内两个车站间的权重减1；

S33：将所有群落均按S32生成所有备选开行方案，得到所有群落的初始开行方案。

S4：对所述初始开行方案进行评价和优化，得到列车开行方案。

S41：计算每个所述初始开行方案的评价指标值，根据列车开行方案评价指标体系对每个所述初始开行方案进行指标打分。所述评价指标可包括路网、线路和车站三种。其中，路网评价指标包括路网平均度、路网平均节点介数、路网平均聚集系数、路网平均服务能力、路网平均换乘次数、路网虚糜人公里数。线路评价指标包括线路平均度、线路平均节点介数、线路平均聚集系数、线路平均服务能力、线路平均换乘次数、线路虚糜人公里数。车站评价指标包括车站度、车站介数、车站聚集系数、车站平均换乘次数、车站服务频率。

S42：采用适应度函数判断每个所述初始开行方案所处等级，若所述初始开行方案符合要求，则作为列车开行方案；若所述初始开行方案不符合要求，则对所述初始开行方案进行优化，重复S41，直到得到符合要求的所有初始开行方案作为列车开行方案。所述适应度函数为

其中，y_l为初始开行方案l的评价指标值，γ_l为初始开行方案l的指标打分。

如图2所示，本发明同时公开了一种基于网络演化的列车开行控制系统，其特征在于，所述系统包括：

网络模型构建模块：用于根据列车客流和路网数据，构建铁路网络模型，并对网络模型进行特性分析，输出网络特性参数。根据列车客流和路网数据，构建包括铁路地理网和铁路客流网的铁路网络模型。其中，所述铁路地理网以车站作为网络节点，以连接两个车站之间的轨道作为连接两个网络节点的边；所述铁路客流网将有旅客乘降的两个车站的连线为边，以所述两个车站之间的客流量作为边权。对网络模型进行特性分析，输出网络特性参数，所述网络特性参数包括节点群落关系度量矩阵、节点物理连接矩阵和车站重要程度矩阵。其中，所述节点群落关系度量矩阵为

所述节点物理连接矩阵为

所述车站重要程度矩阵为

其中，ω_ij为铁路客流网中区间ij的客流量的参数，p_ij为铁路网络模型中区间ij的客流量，η为列车满载率，L为列车定员。

所述网络模型构建模块可包括网络模型构建规则库、网络模型存储单元和网络特性分析单元。网络模型构建规则库依据网络构建规则，接受客流及路网数据生成铁路地理网、客流网模型；网络模型存储单元将网络模型构建规则库单元中生成的网络模型存储起来，供网络特性分析单元调用；网络特性分析单元，分析各网络模型特有的及各网络模型间的相关关系，并负责输出关系函数及网络特性参数。

网络模型演化模块：用于根据所述网络特性参数和车流网演化规则生成车流网。根据所述网络特性参数，计算任意两个车站间连接概率为

F_ij＝α_ijp_ij(s_i+s_j)

其中，F_ij为两个车站之间的客流引力，p_ij两个车站ij间的客流量，α_ij为两个车站ij间的群落关系度量参数，属于同一群落则趋于1，否则取趋于0的某个数值，β_ij为两个车站ij间的物理连接参数，i、j存在物理连接取1，否则为0，s_i、s_j为车站i、j的重要程度参数。选择所述连接概率最大的两个车站连接，此时两个车站的边权加1，同时将铁路网络模型中两个车站ij间的边权减1；重复如上计算直至所述铁路网络模型中所有边权均为负结束演化，将演化后的铁路网络模型作为车流网。

所述网络模型演化模块可包括车流网演化规则库和演化车流网存储单元，车流网演化规则库接受网络特性分析单元传来的网络特性参数，匹配适应现有网络拓扑的车流网演化规则，并将演化所得车流网传递给演化车流网存储单元。

开行方案生成模块：用于分析所述车流网与开行方案的映射关系，生成初始开行方案。根据所述车流网，将同一列车运行线路上的所有车站设为一个群落；列举出每个群落车站间存在的所有列车停站方案，根据保证直达列车的开行、站间剩余权重反馈生成直通列车、考虑择站停列车和站间剩余所有权重反馈生成逐站停列车的规则生成所有备选开行方案，每生成一个备选开行方案将该群落内两个车站间的权重减1；将所有群落均按如上计算生成所有备选开行方案，得到所有群落的初始开行方案。

所述开行方案生成模块可包括车流网开行方案映射单元，车流网开行方案映射单元对演化所得车流网进行分析，根据一系列规则反馈生成开行方案。

开行方案评价模块：用于对所述初始开行方案进行评价和优化，得到列车开行方案。计算每个所述初始开行方案的评价指标值，根据列车开行方案评价指标体系对每个所述初始开行方案进行指标打分。所述评价指标可包括路网、线路和车站三种。其中，路网评价指标包括路网平均度、路网平均节点介数、路网平均聚集系数、路网平均服务能力、路网平均换乘次数、路网虚糜人公里数。线路评价指标包括线路平均度、线路平均节点介数、线路平均聚集系数、线路平均服务能力、线路平均换乘次数、线路虚糜人公里数。车站评价指标包括车站度、车站介数、车站聚集系数、车站平均换乘次数、车站服务频率。采用适应度函数判断每个所述初始开行方案所处等级，若所述初始开行方案符合要求，则作为列车开行方案；若所述初始开行方案不符合要求，则对所述初始开行方案进行优化，重复S41，直到得到符合要求的所有初始开行方案作为列车开行方案。所述适应度函数为

其中，y_l为初始开行方案l的评价指标值，γ_l为初始开行方案l的指标打分。

所述开行方案评价模块可包括开行方案指标计算单元、开行方案指标判断单元、开行方案调整单元。开行方案指标计算单元对开行方案的网络指标进行评价，并将评价结果传输给开行方案指标判断单元；开行方案指标判断单元根据铁路运行管理人员录入的开行方案评价目标与开行方案指标计算单元传输的指标进行比对，判断下一步是进入开行方案调整单元还是直接对开行方案进行显示输出；开行方案调整单元通过调整规则对初始开行方案进行优化。

所述列车开行控制系统进一步还可以包括基础数据模块和人机交互模块。所述基础数据模块可包括客流数据库和路网数据库二部分。客流数据库和路网数据库的数据可针对不同的路网进行实时更新。所述人机交互模块为数据维护及展示开行方案结果的操作终端，包括数据维护单元和开行方案显示单元二部分。数据维护单元实现客流数据库、路网数据库、网络模型构建规则库、车流演化规则库、车流网与开行方案映射规则库等数据的读写、同步、保护；开行方案显示单元调用开行方案生成模块的开行方案，并重点显示某条指定线路的开行方案，配以文字说明。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。