专利名称：一种快速识别和消除高速铁路运输能力瓶颈的方法
技术领域：
本发明涉及一种快速识别和消除高速铁路运输能力瓶颈的方法，应用于高速铁路 运输组织领域。
背景技术：
运输能力问题的早期研究主要集中在各种能力的基本概念和对各单项设备能力 的计算与确定上，早在1878年，俄国别尔霍夫斯基最早开始研究通过能力，随后一些学者 开始研究平行运行图和非平行运行图的通过能力计算，铁路运输能运力资源优化配置文献 综述力的有关概念和理论经过一个多世纪的研究与发展，已经成为铁路运输管理学科的一 个重要分支。前苏联和我国铁路运输组织方式相似，都是组织型行车，运输能力研究开展较 早，提出了实际可利用能力的概念，指出由作业中断造成的通过能力损失使实际可利用能 力比现有的计算通过能力要小得多，通过能力的主要损失不在于运行中断本身，而在于中 断所引起的扰动，但文中并未对扰动规律作深入研究。到20世纪60 70年代，前苏联一 些专家把客车扣除系数的理论分析和经验公式的计算应用到实际工作当中，取得了较好的 效果。西方发达国家铁路运输组织方式不同于我国，是规划型行车，运输能力相对富裕， 能力利用负荷较低而运输质量要求较高，注重对行车组织中各种随机扰动对通过能力的影 响研究，比较有代表意义的是德国铁路，他们借助利用率系数计算通过能力，把区间通过能 力分为区间通过能力、最小通过能力、限制通过能力、小时通过能力、没有缓冲时间的通过 能力以及常量缓冲时间的小时通过能力等，并为保证能力的可实现性和一定的运输质量要 求，在列车运行图中都预留了适当的缓冲时间，以弥补各种随机扰动所造成的能力损失，缓 冲时间确定的基础则是对随机扰动造成的列车晚点及其传播规律的深入研究，其研究方法 主要采用概率统计和排队论。DeLeeuw(1962) 22J,Kneafsey (1975) ,Manheim(1979)分别从不同的侧面定义了运 输系统能力，把运输系统能力分为最终能力、实际可利用能力和经济能力，最终能力是考虑 在物理拓扑结构限制下运输系统的最大生产能力，而实际可利用能力和经济能力则分别强 调实际日常运营条件下和最经济运营的模式(最小边际成本和最短路径)下运输系统的生 产能力，这三者的关系如下运输系统最终能力最大，而运输系统经济能力最小。Scheppach and Faucett (1973)曾尝试确定 1950-1970 这二十年内的美国综 合交通运输系统(包括航空、铁路、公路和内陆水运)的能力，并简要估算了它的大小。 Morlok(1978)提出了服务水平概念，这一概念不仅包括旅行时间而且还涵盖可靠性、机动 灵活性、安全性、和舒适性等多方面内容，但并没有计算出其具体数值。Prokopy and Rubin(1975)运用模拟方法评估了铁路运输能力的多个特性，把铁 路运输能力定义为各种延迟的函数，并提出了与能力有关的多个延迟函数(如列车运力资 源优化配置文献综述速度、区间长度、闭塞分区长度和单线或双线等)，论证了运行速度影 响运输能力的最重要参数，阐明了运行速度对运输能力的影响情况。Khan(1979)提出了一种铁路能力分析方法，并应用于加拿大铁路网分析中，结果表明运输能力依赖于影响路网 组成的诸多因素，包括各个组成设备、机车车辆类型和货物类别等。Morlok(1981)讨论了综合运输系统的能力，并把OD需求作为矢量集，进而提出 了 Traffic Lan。和Traffic Pattern的概念，他还提议开发一个综合运输系统的数学模 型，模型的目标函数是综合交通运输系统的最大能力，约束条件是各种交通模式、子系统设 备能力、可耗资源限制、机车车辆有效性和运输成本等。Nijkamp(199;3)进一步拓展了系统 运输能力的许多附加限制条件，认为运输系统应该是一个受多维限制的系统，它不仅受路 网拓扑结构限制，还受到包括诸如环境、运营规则和有效管理等更为广泛的限制。Morlok and Riddle (1999)后来在考虑了这些限制条件以后，建立了一个综合运输系统的数学模 型。Popken Douglas (1996)讨论了以边际费用为基础的运输能力分析模型，来分析评估运 距和运能平衡，这个模型只需要较少的系统参数，就可以决定费用有效性。Bintong Chen, Partrick Τ. Harker (1990)运用概率论的方法研究了单线铁路列 车时刻表的可靠性评价方法，并以列车发到在时刻表规定的时刻中心随机波动为前提给出 了列车延误概率、会车与越行概率的评价方法，建立了列车扰动的非线性方程。通过简化模 型进行求解，所得结果可用于评价时刻表的可靠性。利用系统可靠性理论和方法研究了铁 路运输技术设备和机车车辆可靠性对运输过程和指标的影响，并对车站配线计算、可靠性 指标、车站停留时间和经济合理的能力负荷水平进行了详细的论述，指出用运行图冗余问 题表示能力储备系数，表明发挥设备最大效能、注重运输质量和能力可实现问题等的迫切 性。随着计算机快速时发展，模拟技术在铁路问题中的应用得到了发展。 D. Frank(1966)最早开始了列车运行延误模拟研究，随后E. R. Pertersen (1974)和Bestsy S. Greenberg(1988)}分别提出了列车延误模拟模型和分析模型，而较全面的模型则是铁路 线模拟和优化结构模型(E. R. Petersen and A. J. Taylor, 1982)。该模型以列车从区间两端 车站按一定的随机分布出发为前提，根据列车运行过程所满足的各种约束条件，建立了可 用于列车运行模拟和优化的模型，并编制了计算程序，该模型可用于列车运行延误分析和 规划列车运行时刻表。运力资源优化配置文献综述日本学者运用计算机模拟方法对新干线 列车运行延误和恢复策略进行了分析研究，并开发了新干线列车运行模拟系统和扰动情况 下列车运行控制专家系统。日本学者还运用液体动力学模型，将列车运行看成液体中的振 动源以振动波传播的原理进行了研究。国内许多专家、学者致力于运输能力及瓶颈的识别和消除方面的研究，取得了显 著的成果，并且我国铁路情况复杂，铁路运输能力一直十分紧张，所以我国专家对铁路运输 能力的研究一直很关注，对高速铁路运输能力的瓶颈点也非常重视。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出一种快速识别和消除高速铁路运输能力瓶 颈的方法。该方法运用于高速铁路运输能力的管理和评估，对于所设定的运行图，通过利用 率的计算对线路能力的瓶颈点进行识别并给出瓶颈的消除方案。本发明的具体方法为一种快速识别和消除高速铁路运输能力瓶颈的方法包括如下步骤
1)综合理论分析、运行图压缩和计算机仿真共同计算高速铁路各研究对象的能力 利用率；2)针对各研究对象的能力利用率对高速铁路运输能力进行瓶颈识别；3)对所识别的瓶颈点进行分析及判断是否需要消除，如需要消除则给出瓶颈消除 的方案。进一步，所述的计算高速铁路各研究对象的能力利用率具体方法为分别根据理 论分析法、运行图压缩法及仿真的方法计算各研究对象的能力利用率值，取三种方法的计 算结果进行加权平均得出最终的能力利用率值，并做相应的存储记录。进一步，所述的对高速铁路各研究对象进行瓶颈识别的具体方法为首先对于每 个研究对象，结合权利要求2中的能力利用率计算方法得出的能力利用率的值并选取各研 究对象中其中能力利用率的最大值作为该线路运输能力的瓶颈点。进一步，结合权利3中的瓶颈识别方法所得的瓶颈点进行分析及判断是否消除的 具体方法为首先设定一个线路上可接受的最大利用率值，将此时瓶颈点能力利用率与其 进行比较，判断是否需要瓶颈消除；若瓶颈点能力利用率超过了所设定的值，则此时的相对 瓶颈点转化为绝对瓶颈点，需要消除；若小于所设定的最大利用率值，则无需消除；同时， 记录调整的步骤和方案。进一步，所述的对绝对瓶颈点进行消除的具体方法如下首先判断权利3中所识别出瓶颈点是车站还是区间，对于不同类型的研究对象， 采用不同的影响因素值的调整来对瓶颈进行消除；要降低瓶颈点的利用率，则需要增加各 研究对象的通过能力，采取以下几种方法来对能力利用率进行调整1)在线路和动车组允许的条件下，增加运行列车速度的目标值；2)在列车运行安全的条件下，减少列车的在站作业时间；3)减少中速列车被运行次数；4)减少高速列车的停站率；以上调整方法能调整1)-4)中任意一个值或任意几个值，但是在保证运行图符 合实际情况及列车正常、安全运行的前提下；通过对瓶颈点能力利用率相关参数的合理调 整，将调整后的值再重新根据理论分析、运行图压缩和计算机仿真分别进行计算，得出该点 在参数调整后的能力利用率；此时再判断该利用率与最大利用率值的关系，若小于最大利 用率值则消除了能力利用的瓶颈，若仍然比最大利用率值大，则循环以上步骤继续计算，直 到计算出来的能力利用率值小于设定值最大利用率值，此时将该线路运输能力的瓶颈点消 除。进一步，上述的研究对象为铁路的各个车站和各个区间。本高速铁路运输能力瓶颈快速识别和消除方法的有益效果是，根据不同方法综合 计算能力利用率，从而快速识别和消除线路能力的瓶颈点。为高速铁路运输能力的瓶颈点 识别和消除提供了一种有效、合理、快速的运输能力管理方法，保证高速铁路安全、准时运 行提供了技术支持。
图1高速铁路运输能力瓶颈识别及消除方法总流程图2车站通过能力利用率理论方法计算流程图；图3区间通过能力利用率理论方法计算流程图；图4运行图压缩能力利用率计算方法流程图；图5计算机仿真能力利用率计算方法流程图；图6高速铁路运输能力瓶颈识别方法流程图；图7高速铁路运输能力相对瓶颈点消除方法流程图；图8高速铁路运输能力线路瓶颈消除方法流程图。
具体实施例本发明快速识别和消除高速铁路运输能力瓶颈的方法从线路角度出发，考虑点、 线能力的协调与匹配，综合车站和区间的通过能力，寻找影响线路运输能力的关键点，对高 速铁路运输能力的管理提供关键技术支持，从而保证线路上列车的正常运行。快速识别和消除高速铁路运输能力瓶颈的方法将所研究线路上的各车站和区间 分别作为一个研究对象，首先根据理论数学分析方法分别计算车站、区间的理论通过能力 值。对于设定的运行图，通过消除缓冲时间对运行图进行压缩运行图进行压缩，从而将压缩 前后的各车站和区间的能力得到各研究对象的压缩能力利用率。然后再根据输入参数值， 通过运输能力仿真平台对车站和区间的通过能力利用率进行仿真，得到研究对象的仿真能 力利用率。对于每个研究对象，将其理论能力利用率值、压缩能力利用率值和系统仿真能力 利用率值分别进行加权平均，得到各研究对象的平均能力利用率。对比各对象的平均能力 利用率，利用率最大的研究对象即为该线运输能力的相对瓶颈点。对瓶颈点进行消除判断， 选择性对其进行消除。重新计算线路的运输能力，识别新的瓶颈点，直到所找出的相对瓶颈 点利用率小于设定值，此时便完全消除了该线路的瓶颈点并给出瓶颈点消除方案。该方法 为高速铁路运输能力的瓶颈点识别和消除提供了一种有效、合理、快速的运输能力管理方 法，保证高速铁路安全、准时运行提供了技术支持。该方法的总体流程如图1所示。此快速识别和消除高速铁路运输能力瓶颈的方法各步骤的具体内容如下1.高速铁路各研究对象能力利用率的计算分别根据理论分析法、运行图压缩法及仿真的方法计算各研究对象的能力利用率 值，并做相应的存储记录。各能力利用率计算方法流程图如图2-5所示。A、理论能力计算方法车站通过能力的理论计算方法主要内容有首先，根据车站各条股道和道岔组所 接发的各种列车的数量，以及各种列车占用设备的时间标准，计算出各条股道和道岔组的 利用率。计算股道接发车能力时，将占用该股道的始发列车数、通过列车数、停站列车数和 立折列车数相加作为该股道的发车数，将终到列车数、通过列车数、停站列车数和立折列车 数作为该股道的接车数。用该股道的接车数除以股道利用率，算出该股道的接车能力，同理 算出股道发车能力。将属于某一车场的所有股道的接车能力相加得到该车场的股道接车能 力，同理得到车场股道发车能力。将道岔组作业中的停站列车进站次数和通过列车进站次 数相加作为该道岔组的接车数，将停站列车出站次数和通过列车出站次数作为该道岔组的 发车数。若接车数大于发车数则将该道岔组作为接车道岔组，反之，作为发车道岔组。找出 一个咽喉利用率最大的接车道岔组和发车道岔组，计算出其能力，作为该咽喉的能力。然后比较一个车场的股道接车能力及两端咽喉的接车能力，将最小值作为车场的接车能力，同 理算出车场发车能力。将车站各车场的接车能力相加得到该车站的接车能力，同理得到车 站的发车能力。通过所研究的运行图数据，将各车站实际的接车数量与发车数量分别与计 算所得的能力值相除，得到接车能力利用率和发车能力利用率，将其中值较大者作为该车 站的能力利用率。区间通过能力利用率的计算方法主要内容有由于高速铁路的特性，可能线路上 只运行一种速度等级的高速列车，所以需先将线路分成不同的客运区段来计算区间的通过 能力。对于各个区段，采用扣除系数的方法计算其各自的区段通过能力。首先通过列车在 一昼夜内的运行时间段、运行间隔时间和各区段的长度计算出平行运行图的能力。其次判 断该线路各速度等级列车的比例，通过各比例系数，调整扣除系数。如果只有高速列车一种 速度等级的列车运行时，则只考虑不同停站次数和停站方式对能力的影响，即计算时只使 用高速列车停站扣除系数；如果有其他速度等级的列车或跨线列车共线运行，计算时还需 使用其他速度等级列车的额外扣除系数。通过各区段的平行运行图能力和扣除系数计算得 各区段的区段通过能力。然后将各区段的能力值分配给它所包含的区间的通过能力，即所 包含区间的通过能力与其所在区段通过能力相同。通过所研究的运行图数据，将各区间实 际的通过列车数量计算所与所得的对应通过能力值相除，得到该区间能力利用率。B、运行图压缩压缩方式分全图压缩和区间选择性压缩。全图压缩即将整张运行图压缩，区间选 择性压缩即针对某段区间某段时间内车次进行压缩。压缩原理不改变图定停站方式、停站 时间及运行线先后顺序，按从左至右顺序，依次向左平移每一条运行线，最终使相邻两条运 行线最小间距为最小列车间隔时间(若相邻两条运行线的原图定间距小于用户输入的最 小列车间隔时间，则仍保持原图定间距)。对发生越行的车次，将交叉的运行线及内部包含 的其它运行线作为一个整体，首先内部压缩，原理同前面所述，然后将这个整体向左平移。对于对应线路所需研究的运行图，首先除了运行图中各列车的运行参数，还要输 入其他压缩时需要使用的参数。包括天窗截止时间以该时间作为时间界限进行压缩；最 小列车间隔时间。根据分全图压缩和区间选择性压缩的压缩方式和压缩原理对所输入的运行图进 行压缩。列车运行图压缩算法步骤如下1)如果当前上下行方式选择为上下行，则分为下行方向所有车次压缩和上行方向 所有车次压缩两步进行。下行方向车次压缩完后再进行上行方向所有车次压缩。否则，直 接进入第2、步。2)将运行图所有车次排序，按下述方法排序。(1)将该线路车站按运行方向顺序进行排列。(2)分别将每个车站经过的列车，按离站时间先后顺序排序。(3)找出所有运行线交叉的车次集合，将相互关联的车次按组分开。(4)对运行图中的运行线进行逐条向前移动。(5)对于某条运行线，设运行线与前面所有运行线的最小间隔时间T，最小列车间 隔时间I，判断T-I是否大于0，若大于0则说明可压缩，并将该运行线向左移动时间T-I，若等于0则说明不能压缩，则移动到下一条要压缩的运行线。(6)如果该运行线在交叉车次集合内，并且是该组交叉车次集合中最后一趟车次， 则将该组交叉车次集合看做一个整体，求该整体可以向左移动的最大时间距离，即使该整 体与前面所有运行线的最小时间间隔为最小列车间隔时间I。将该组交叉集合内所有运行 线向左移动时间I。移动到下一条运行线，并返回步骤(5)。如果运行线为最后一趟车次， 则转步骤(7)。(7)运行图压缩完成。单击保存运行图，更新数据库，将压缩后运行图保存，可进行 评价分析。根据运行图的压缩原理和压缩的操作步骤，可以对全图进行压缩，也可以对某个 区间进行压缩。对于全图压缩，可以得到压缩前后各车站和区间分别的总占用时间。待运 行图压缩后，各研究对象的所通过的所有列车的总占用时间会被压缩到一个时段，则对于 运行图来说就会出现一个空余的时间空间。所以对即定的运行图，各研究对象的能力利用 率即设定为压缩后总占用时间与总可以运行时间的比例。C、能力仿真系统仿真车站通过能力利用率的仿真计算基于车站通过能力仿真系统，首先通过对仿真 数据进行读取，设定车站站场拓扑结构、列车车站运行进路计划和仿真扰动方案和其他仿 真参数的设置。然后在仿真环境中，设定仿真时长、仿真时钟推进步长，对仿真时钟进行初 始化并开始仿真。在仿真过程中需要实时的仿真控制，通过进路占用状态的可视化界面和 列车运行状态可视化界面，对进路占用和列车运行进行实时的观测及调整保证列车的正 常、安全运行。通过仿真时钟的推进判断仿真是否结束，如果结束则记录仿真结果数据；如 果没有结束，则判断是否有仿真扰动，若没有则返回仿真运行控制，继续运行。若有仿真扰 动，将产生列车运行的延误，则此时需要调整列车在该车站运行进路计划，返回仿真运行控 制，继续运行。当循环仿真结束后，记录仿真结果数据，提取并计算该车站的能力利用率值。区间通过能力利用率的仿真计算基于区间通过能力仿真系统，首先通过对仿真 数据及运行图参数进行读取，设定线路拓扑结构、线路的闭塞分区及信号机制。基于列车运 行图对列车的运行进行仿真。然后在仿真环境中，设定仿真时长、仿真时钟推进步长，对仿 真时钟进行初始化并开始仿真。在仿真过程中需要实时的仿真控制，通过区间占用状态的 可视化界面和列车运行状态可视化界面，对进路占用和列车运行进行实时的观测及调整保 证列车的正常、安全运行。通过仿真时钟的推进判断仿真是否结束，如果结束则记录仿真结 果数据；如果没有结束，则判断是否有运行延误，通过调整列车运行计划，返回仿真运行控 制，继续运行。当循环仿真结束后，记录仿真结果数据，提取并计算各区间的能力利用率值。2.瓶颈识别将线路的各个车站和各个区间均看做该线路的一个研究对象。首先对于每个研究 对象，结合其对应的三种能力利用率的值并对此三个值进行加权平均从而得出该研究对象 的平均能力利用率。此处的权重值，可由不同情况下选取不同的参数，根据利用率计算的重 要程度等因素来确定不同条件下的权重值。由上公式可得各研究对象的最终能力利用率， 并记录存储。基于上述三种方法计算出的各个对象对应的利用率值，分别给予相应的集合对其 定义，具体定义方式如表1中所示。用率计算结果存储表
权利要求
1.一种快速识别和消除高速铁路运输能力瓶颈的方法，其特征是该方法包括如下步骤1)综合理论分析、运行图压缩和计算机仿真共同计算高速铁路各研究对象的能力利用率；2)针对各研究对象的能力利用率对高速铁路运输能力进行瓶颈识别；3)对所识别的瓶颈点进行分析及判断是否需要消除，如需要消除则给出瓶颈消除的方案。
2.如权利要求1所述的快速识别和消除高速铁路运输能力瓶颈的方法，其特征是所 述的计算高速铁路各研究对象的能力利用率具体方法为分别根据理论分析法、运行图压 缩法及仿真的方法计算各研究对象的能力利用率值，取三种方法的计算结果进行加权平均 得出最终的能力利用率值，并做相应的存储记录。
3.如权利要求1所述的快速识别和消除高速铁路运输能力瓶颈的方法，其特征是所 述的对高速铁路各研究对象进行瓶颈识别的具体方法为首先对于每个研究对象，结合权 利要求2中的能力利用率计算方法得出的能力利用率的值并选取各研究对象中其中能力 利用率的最大值作为该线路运输能力的瓶颈点。
4.如权利要求1所述的快速识别和消除高速铁路运输能力瓶颈的方法，其特征是结 合权利3中的瓶颈识别方法所得的瓶颈点进行分析及判断是否消除的具体方法为首先设 定一个线路上可接受的最大利用率值，将此时瓶颈点能力利用率与其进行比较，判断是否 需要瓶颈消除；若瓶颈点能力利用率超过了所设定的值，则此时的相对瓶颈点转化为绝对 瓶颈点，需要消除；若小于所设定的最大利用率值，则无需消除；同时，记录调整的步骤和 方案。
5.如权利要求4所述的快速识别和消除高速铁路运输能力瓶颈的方法，其特征是所 述的对绝对瓶颈点进行消除的具体方法如下首先判断权利3中所识别出瓶颈点是车站还是区间，对于不同类型的研究对象，采用 不同的影响因素值的调整来对瓶颈进行消除；要降低瓶颈点的利用率，则需要增加各研究 对象的通过能力，采取以下几种方法来对能力利用率进行调整1)在线路和动车组允许的条件下，增加运行列车速度的目标值；2)在列车运行安全的条件下，减少列车的在站作业时间；3)减少中速列车被运行次数；4)减少高速列车的停站率；以上调整方法能调整1)-4)中任意一个值或任意几个值，但是在保证运行图符合实际 情况及列车正常、安全运行的前提下；通过对瓶颈点能力利用率相关参数的合理调整，将调 整后的值再重新根据理论分析、运行图压缩和计算机仿真分别进行计算，得出该点在参数 调整后的能力利用率；此时再判断该利用率与最大利用率值的关系，若小于最大利用率值 则消除了能力利用的瓶颈，若仍然比最大利用率值大，则循环以上步骤继续计算，直到计算 出来的能力利用率值小于设定值最大利用率值，此时将该线路运输能力的瓶颈点消除。
6.如上述1-5中任一权利要求所述的快速识别和消除高速铁路运输能力瓶颈的方法， 其特征是所述的研究对象为铁路的各个车站和各个区间。
全文摘要
本发明涉及一种快速识别和消除高速铁路运输能力瓶颈的方法。该方法包括A将所研究线路上的各车站和区间分别作为一个研究对象，对于设定的运行图，通过理论分析法、运行图压缩法及系统仿真法，先后得出各研究对象的能力利用率；B对于每个研究对象的三种利用率进行加权平均，取平均利用率最大的研究对象为该线运输能力的相对瓶颈点；C判断该瓶颈点的能力利用率，若大于设定值，则通过调整方案的选定，循环以上利用率计算方法，直到利用率值小于设定值；D对线路进行重新瓶颈识别，直到所找出的相对瓶颈点利用率小于设定值。本发明为高速铁路运输能力的瓶颈识别和消除提供了一种有效、快速的方法，为列车安全、准时运行提供技术支持。
文档编号G06F19/00GK102129522SQ20111006472
公开日2011年7月20日 申请日期2011年3月17日 优先权日2011年3月17日
发明者刘军, 刘敏, 李华, 李得伟, 李晓娟, 贾利民, 郭然, 韩宝明 申请人:北京交通大学