考虑客流波动及方案衔接性的周末列车开行方案建模方法与流程

本发明属于智能交通领域，具体涉及考虑客流波动及方案衔接性的周末列车开行方案建模方法。

背景技术：

对于高速铁路列车开行方案的编制与优化国内实践层面通常采用人工调整的方式，根据经验中的客流需求波动，通过整列加/减列车开行调整列车开行方案。国外对于动车组在站重联解编的计划，通常在动车组运用环节才进行设计，在开行方案设计环节不予考虑，无法匹配客流需求。

在周末或其他客流高峰时期，高速铁路列车的客流需求将产生较大波动，特别是服务于通勤、商务、旅游客流的线路，客流规律较工作日变化明显，客流量总体波动外，客流结构更变化万端，对运输服务产品和客流组织提出了更高的要求和挑战。针对于此类时期，目前的高速铁路列车开行方案设计方法主要面临如下问题：

1)缺乏理论研究，无法精细针对波动的客流需求提供适合的运输产品供给方案。目前的开行方案实际应用中，主要通过人工调整，以客流总量为依据调整列车运输产品供给，通过整列加/减列车开行调整列车开行方案，不考虑动车编组运用的调整，调整手段相对单一。在客流结构大幅变化的条件下，无法精细适应客流规律，将导致部分区段能力虚糜、部分区段供不应求的现象，难以对运力资源和线路能力进行最优利用。

2)与后续方案的接续性欠佳。目前的开行方案设计与调整方法中对接续性的考虑有限，然而周末时期下不适合使用全新的运输计划或进行大幅度调整，因为此类时期不同于节假日等特殊时期，出现次数较为频繁，在实际应用中，列车开行方案与运行图的频繁改变对后续运输组织设计、路局指挥调度与车站的工作组织有较大影响，因此，采用的方案应尽量贴合波动时期前的上一方案，以最小幅的调整满足客流需求波动，减少对后续工作组织的负面影响。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供一种考虑客流波动及方案衔接性的周末列车开行方案建模方法，建立了针对周末客流高峰时期的周末列车开行方案模型，重组运输资源供给，以高效提升运输产品质量，满足客流需求多样性，充分利用运输资源，实现运输组织的提质增效。

本发明是通过以下技术方案实现的：

考虑客流波动及方案衔接性的周末列车开行方案建模方法，所述方法包括：

以周末列车开行方案运行前的上一时段开行方案为输入，即以周末列车开行调整前上一阶段的平日列车开行方案作为输入；

根据上一时段的平日列车开行方案来设计周末列车开行方案备选集合，并对客流需求进行异质性分析；所述周末列车开行方案备选集合包括平日列车备选集合和周末列车备选集合；所述平日列车备选集合是对上一时段的平日列车开行方案进行扩展后产生的备选集合，与所述上一时段的平日列车开行方案相比，平日列车备选集合中列车开行方案的列车起讫点、运行径路与列车停站方案维持不变，对列车编组进行整列加/减编组和灵活编组调整；所述周末列车备选集合与上一时段的平日列车开行方案相比，新增了上一时段的平日列车开行方案中没有的列车起讫点或停站方案；

生成周末列车开行方案时，从设计的所述周末列车开行方案备选集合中选择平日列车开行方案线和周末列车开行方案线，列车开行总成本由所述平日列车开行方案线的开行成本和所述周末列车开行方案线的开行成本构成；以所述列车开行总成本最小为目标，构建目标函数；对处于所述周末列车备选集合的周末列车开行方案线以及调整为灵活编组的列车方案线赋予相应罚值，利用目标函数约束列车方案线的调整手段顺序；

在周末列车开行方案运行周期内，对od服务频率、区间服务频率、动车组数量、方案相似度、上下行对称、线路能力均进行约束。

进一步地，以所述列车开行总成本最小为目标，构建的所述目标函数为：

式中：

l：所有备选方案线的集合，l∈l表示各条备选方案线；

l^w为平日列车备选集合；

l^ew为周末列车备选集合；

方向为k的周末列车备选集合中新增方案线l的开行频率；

方向为k的属于平日列车备选集合中的方案线l的开行频率；

k：列车开行的上下行方向，0为下行，1为上行；

wl：每条备选方案线l的开行成本，成本中考虑了列车编组及解编、加开新线的价格。

进一步地，对od服务频率进行约束，包括对大站客流od和其它客流od分级进行求解：

式中：

u：od集合，u∈u表示集合中的每个od；

lu：对每个odu∈u，能够为odu提供服务的列车备选线集合，表示备选集中列车备选线与od的覆盖关系；

e：所有运行区段集合，e∈e表示路网中的每个列车运行区段，列车运行区段为路网中每两个相邻车站间的区段；

l^h：服务于大站的列车备选线集合；

u^h：大站od集合；

每个od对u在方向k上的列车服务频率需求。

进一步地，基于集合覆盖，对区间服务频率进行约束，将区间服务频率转化为区间坐席能力，为每个线路区间提供满足区段客流密度的坐席能力，供旅客自由选择：

式中：

le：对每个区段e∈e，运行径路覆盖路网区段e的列车备选线集合，表示备选集中列车与区段的覆盖关系；

μl：对于编组固定的周末备选集，每条备选方案线各区间的编组相同，即

平日备选集中，方向为k时，备选方案线l在区段e上的编组信息，为已知常数，

e：所有运行区段集合，e∈e表示路网中的每个列车运行区段，列车运行区段为路网中每两个相邻车站间的区段。

进一步地，所述方法从可行性与实用性的角度出发，对区间动车组数量进行约束，具体为：

在周末列车开行方案运行周期内，各区间的通过列车数量满足区间通过能力约束：

式中：每个区段e在方向k上的列车服务频率需求；

对于仅能始发终到列车但不能在线解编的车站i，保证始发的动车组数量不超过周末列车开行方案运行周期前站存动车组数量与终到动车组数量之和：

对于能够进行始发终到且在线解编作业的车站i，始发的动车组数量不超过列车运行周期前站存动车组数量、终到动车组数量以及在车站i解编的动车组数量之和：

式中：

dli：从车站i∈s^da始发的列车备选线集合；

ali：终到车站i∈s^da的列车备选线集合；

s：所有车站集合，i∈s表示路网中的每个车站；

s^j：有在线解编能力的车站集合；

s^da：所有具有始发终到列车能力的车站集合；

平日备选集中，方向为k时，备选方案线l从车站i出发时的列车编组，

平日备选集中，方向为k时，备选方案线l到达车站i时的列车编组，

sparei：车站i∈s^da在此运行周期前剩余的动车组数量；

ali：终到车站i∈s^da的列车集合；

ssi：在车站i∈s^j解编的列车集合。

进一步地，对周末列车开行方案和上一时段的平日列车开行方案进行相似度约束，以减小两方案间的调整幅度：

式中：

α：平日列车开行方案上下行方案相似系数；

β：周末列车开行方案上下行起讫点对称系数。

进一步地，考虑列车运行图铺画，对上下行方案进对称性约束，为了减少其对产品多样性的影响，不严格约束列车成对开行，只对起讫点进行约束，便于后续对运行图进行铺画：

式中：

qqdj：列车起讫点种类j的集合；

分别表示下行方案中采用的平日方案线频率、周末方案线频率与上行方案中采用的平日方案线频率、周末方案线频率。

进一步地，在周末列车开行方案运行周期内，各车站接发车数量满足其接发车的线路能力约束：

式中：

运行周期内，车站i在k方向的始发能力；

运行周期内，车站i在k方向的终到能力；

考虑存在旅客换乘情况，不研究针对换乘旅客的服务，但对各车站的列车服务频率进行下限约束：

决策变量约束：

式中：ls表示服务于车站s的列车集合。

本发明的有益技术效果：

本发明所述方法建立了针对周末时期的周末列车开行方案模型，在客流结构发生变化的周末时期，本方法能够在保证调整幅度较小的条件下，以客流变化前的上一阶段方案为基础，设计编制新的列车开行方案，与目前正在实施的方案相比，该方案更加贴合客流结构，并减少了动车组使用数量。本发明所述方法重组了运输资源的供给，以高效提升运输产品质量，满足客流需求多样性，充分利用运输资源，实现运输组织的提质增效。

附图说明

图1为本发明实施例中考虑客流波动及方案衔接性的周末列车开行方案建模方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

首先对本发明中使用的一些名词进行定义：列车备选集(合)指列车开行方案线(简称方案线)集合，其中包括列车起讫点、列车运行径路、列车停站方案、列车编组与列车开行频率的要素。列车备选集(合)中的每条方案线成为列车备选开行方案线，简称备选线或备选方案线。

本发明中使用的列车备选集合称为周末列车开行方案备选集合，由平日列车备选集合(简称平日备选集)与周末列车备选集合(简称周末备选集)组成。其中，平日列车备选集合中的列车备选开行方案线称为平日列车备选开行方案线(简称平日线)，周末列车备选集合中的列车备选开行方案线称为周末列车备选开行方案线(简称周末线)。

本发明中，若无特殊说明，则“备选集”泛指符合上述列车备选集合定义的一切列车开行方案线集合，在本发明中，即指周末列车开行方案备选集合，包括平日列车备选集合与周末列车备选集合两部分。

本发明实施例提供一种考虑客流波动及方案衔接性的周末列车开行方案建模方法，所述方法以列车开行成本最小为目标，对车站、od客流和列车进行划分，定义不同层级的列车对不同层级的od客流进行服务，满足不同层次对不同服务质量客运产品的多样性需求。生成列车时，根据设计的备选列车方案线集合中选择部分列车方案线(每条备选方案线预设列车起讫点、停站和区段编组的要素)，决策其开行频率。

定义本发明实施例中模型的变量与符号：对模型设计的变量与集合、参数进行定义：

a.决策变量

从周末列车备选集合中选取的，方向为k的新增方案线l的开行频率；

从平日列车备选集合中选取的，方向为k的新增方案线l的开行频率；

b.集合

c.参数

具体地，在本实施例中，所述方法包括：

以周末列车开行方案运行前的上一时段开行方案为输入，即以周末列车开行调整前上一阶段的平日列车开行方案作为输入；

根据上一时段的平日列车开行方案来设计周末列车开行方案备选集合，并对客流需求进行异质性分析；所述周末列车开行方案备选集合包括平日列车备选集合和周末列车备选集合；所述平日列车备选集合是对上一时段的平日列车开行方案进行扩展后产生的备选集合，与所述上一时段的平日列车开行方案相比，平日列车备选集合中列车开行方案的列车起讫点、列车运行径路与列车停站方案维持不变，对列车编组进行整列加/减编组和灵活编组调整；所述周末列车备选集合与上一时段的平日列车开行方案相比，新增了上一时段的平日列车开行方案中没有的列车起讫点或停站方案；

生成周末列车开行方案时，从设计的所述周末列车开行方案备选集合中选择平日列车开行方案线和周末列车开行方案线，列车开行总成本由所述平日列车开行方案线的开行成本和所述周末列车开行方案线的开行成本构成；以所述列车开行总成本最小为目标，构建目标函数；对处于所述周末列车备选集合的周末列车开行方案线以及调整为灵活编组的列车方案线赋予相应罚值，利用目标函数约束列车方案线的调整手段顺序；

在周末列车开行方案运行周期内，对od服务频率、区间服务频率、动车组数量、方案相似度、上下行对称、线路能力均进行约束。

具体地，在周末列车开行方案备选集合中，每条备选方案线预设列车起讫点、停站和区段编组的要素。所述平日列车开行方案包括：列车起讫点、列车运行径路、列车停站方案、列车编组、列车开行频率。

具体地，所述对客流需求进行异质性分析，是根据既有客票数据，对直达性需求、服务频率需求、区间客流频率需求、客流波动趋势进行分析，获得设计目标线路在目标时期内的od服务频率需求、区间客流频率需求与车站服务频率需求，作为后续方案设计的客流需求输入。

在本实施例中，以所述列车运行总成本最小为目标，构建的所述目标函数为：

目标函数为列车运行总成本最小，总成本由周末方案线的运行成本与平日方案线的运行成本构成。其中，列车成本由固定成本、停站成本、动车组运用成本构成，为了控制列车方案调整手段的顺序，对列车在站重联解编(即调整为灵活编组的列车方案线)和处于周末备选列车集合的方案线赋予相应罚值，利用目标函数约束列车方案线的调整手段顺序。

在本实施例中，对od服务频率进行约束，包括对大站客流od和其它客流od分级进行求解：

客流的od服务频率是衡量运输产品服务水平的一个重要指标，列车开行方案应满足各个od对服务频率需求的下限。其中为了保证重要节点间的列车服务质量，对大站客流od和其它客流od分级进行求解，能够满足不同层次对不同服务质量客运产品的多样性需求。

在本实施例中，基于集合覆盖，对区间服务频率进行约束，将区间服务频率转化为区间坐席能力，为每个线路区间提供满足区段客流密度的坐席能力，供旅客自由选择：

基于集合覆盖思想，对区间服务频率进行约束，能够保证服务线路上每个区间的服务频率满足区间客流需求。并且求解时，本模型不决策具体客流在具体列车上的分配，而是将区间服务频率转化为区间坐席能力，能够供旅客自由选择。

在本实施例中，在铁路运输组织设计阶段，列车开行方案、运行图与动车运用计划通常依次独立进行，但前序环节中往往缺乏对后续阶段中运输资源的考虑，不利于各环节间的顺畅衔接。本模型从可行性与实用性的角度出发，对动车组数量进行约束，为后续交路计划的设计提供了必要条件。

所述方法从可行性与实用性的角度出发，对区间动车组数量进行约束，具体为：

在周末列车开行方案运行周期内，各区间的通过列车数量满足区间通过能力约束：

对于仅能始发终到列车但不能在线解编的车站i，保证始发的动车组数量不超过周末列车开行方案运行周期前站存动车组数量与终到动车组数量之和：

对于能够进行始发终到且在线解编作业的车站i，始发的动车组数量不超过列车运行周期前站存动车组数量、终到动车组数量以及在车站i解编的动车组数量之和：

在本实施例中，对周末列车开行方案和上一时段的平日列车开行方案进行相似度约束，以减小两方案间的调整幅度：

在本实施例中，考虑列车运行图铺画，对上下行方案进对称性约束，为了减少其对产品多样性的影响，不严格约束列车成对开行，只对起讫点进行约束，便于后续对运行图进行铺画：

式中：

分别表示下行方案中采用的平日方案线频率、周末方案线频率与上行方案中采用的平日方案线频率、周末方案线频率。

在本实施例中，在周末列车开行方案运行周期内，各车站接发车数量满足其接发车的线路能力约束：

考虑存在旅客换乘情况，不研究针对换乘旅客的服务，但对各车站的列车服务频率进行下限约束：

决策变量约束：

本发明所述方法建立了针对周末客流高峰时期的周末列车开行方案模型，目标函数为列车运行总成本最小，总成本由周末方案线的运行成本与平日方案线的运行成本构成。其中，列车成本由固定成本、停站成本、动车组运用成本构成，为了控制列车方案调整手段的顺序，对列车在站重联解编(调整为灵活编组的列车方案线)和处于周末备选列车集合的方案线赋予相应罚值，利用目标函数约束列车方案线的调整手段顺序。

本发明提供的所述方法的有益技术效果：

1)基于列车灵活编组的列车开行方案

列车灵活编组、在站重联解编能够实现对运力资源的灵活利用。我国目前逐渐开展对灵活编组列车的研制与实验，本发明提供的方法灵活设计动车编组，利于优化动车资源运用，降低不必要的运输成本，重组运输资源供给，以高效提升运输产品质量，满足客流需求多样性，充分利用运输资源，实现运输组织的提质增效。

2)基于实际应用设计列车开行方案调整

根据实际应用和客流波动，该模型将周末列车开行方案的调整决策分为多个阶段，即依次对周末方案周期的上一方案进行以下三种调整手段：(1)方案线加减频率/取消开行、(2)调整为灵活编组、(3)增加改变停站的新方案线。调整顺序由实际应用中的三种方式的成本大小决定，模型中也通过对方案线设置不同成本实现对调整顺序的控制。

3)上下行方案的相似性与差异性

国内外进行列车开行方案编制研究时，通常对上下行方案进行对称假设，便于求解与列车成对开行。考虑研究线路的客流波动，上下行客流存在较大差异的概率较高，不再假设上下行列车一致，而是对同一条线路的上下行开行方案分别、同时进行求解；同时为便于后续列车运行图与动车组运用计划的设计，对上下行方案的对称性、不同方案间的相似性提出了一定要求，保证列车能够近似“成对开行”。

4)与后续运输组织计划的运力资源衔接

列车运输组织是由多环节组成的有机统一整体，频繁的列车开行方案/时刻表调整对动车交路和运用计划提出了较大挑战。从可行性与实用性的角度出发，本发明所述方法通过对动车组使用数量进行约束，为后续交路计划的设计提供了必要条件。