一种地铁消防车和列车的联合调度优化方法

本发明涉及消防，尤其涉及一种地铁消防车和列车的联合调度优化方法。

背景技术：

1、火灾将对地铁运营造成严重破坏。一方面，地铁火灾发生将导致火灾区间上游的列车被阻碍，从而造成列车停运。另一方面，由于一些地铁缺乏消防系统或喷淋系统的电源被火灾切断，导致地铁火灾很难被扑灭。受制于地铁隧道行驶条件，常规的消防车无法驶入，只能依靠消防员靠近火场灭火。这不仅难以控制火势，还会造成消防员伤亡的二次灾害。由于缺乏专业的地铁消防装备，一旦发生轰燃，只能任由大火持续燃烧。因此，向隧道内派送具有强大灭火能力的消防车具有极度的迫切性和必要性。专门用于扑灭地铁火灾的地铁消防车近些年应运而生，目前有路轨式和履带式两类。路轨式地铁消防车安装了橡胶轮和轨道轮，可以从地面道路驶入地铁，故通常部署在车辆段、地铁停车线。该车具有极强的综合消防救援能力。履带式地铁消防车可在火场外数百米遥控喷出雾化水汽，具有强大的排烟灭火能力；该车体积小，爬坡能力强，可由地铁站施放入轨道，一般部署在地铁站、车辆段。随着地铁通车里程及客运量的持续攀升，地铁火灾日趋严峻，为了扭转地铁消防“赤手空拳”被动形势，部署地铁消防车已经势在必行。布鲁塞尔、中国香港、北京、上海、天津等十多座城市已有购置上述这两类地铁消防车。

2、地铁消防车能否在最短时间内到达火灾点对于地铁火灾救援至关重要。消防车从部署点驶向火灾区间时，地铁消防车将遭遇若干列车而无法通行，只能调度这些列车为地铁消防车开辟可优先通行的救援通道。如何调整消防路线沿线的列车，为地铁消防车快速开辟消防通道成了亟待解决的关键问题。

3、对地铁火灾救援的研究朝着不同的方向发展。之前的大多数研究都聚焦于地铁乘客疏散和烟雾控制，但这两者都是被动措施，不能主动灭火。在铁路火灾的列车调整领域，火灾对铁路运行的影响最早由wiklund在2003年进行的研究。他开发了一个模拟程序，以模拟火灾对位于斯德哥尔摩的车站的影响。zhang等提出了一种评估中断不确定性下地铁应急车辆救援性能的模型。然而，上述研究均没有探索地铁消防车在地铁隧道中的运行。当地铁消防车进入地铁隧道救火时，会扰乱原有列车的运行，因而需根据地铁消防车的救火行动调整列车的运行计划。传统的列车调整旨在通过多种策略快速重新获得足够质量的可行时刻表，包括灵活的停车，客运列车与普通列车优先级优化，列车交替通行、客流控制和列车通过渡线折返。为了生成最优(至少接近最优)调度，求解算法通常包括分支定界算法、两阶段法、启发式法、滚动时域算法、分解迭代算法等。这些算法通常与商业优化器gurobl、llngo、cplex、gams优化器等进行编码，可以获得足够的求解精度和时间效率。corman等和fang等对干扰或中断情况下的列车调整模型和算法进行了广泛而深入的文献综述。一般来说，以往关于列车调整的研究主要集中在列车的路线、列车发车和到站的时间点以及列车在共同轨道段的通行顺序等方面，而没有涉及进入地铁的特殊车辆。因此，现有的研究无法应对列车交通流中插入地铁消防车进行救援和地铁消防车优先于列车的调度问题。

技术实现思路

1、为此，本发明实施例提供了一种地铁消防车和列车的联合调度优化方法，用于解决现有技术中无法应对列车交通流中插入地铁消防车进行救援和地铁消防车优先于列车的调度的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种地铁消防车和列车的联合调度优化方法，该方法包括：

3、s1：构建地铁消防车和列车的联合调度模型；

4、s2：建立被困列车撤离策略、地铁消防车越行策略和列车交替放行策略；

5、s3：根据上述三种策略建立所述地铁消防车和列车的联合调度模型的约束条件；

6、s4：基于上述约束条件，以地铁消防车救援响应时间、被困列车撤离时间和列车总延误时间的加权和最小化为优化目标，对所述地铁消防车和列车的联合调度模型进行优化；

7、s5：利用优化后的地铁消防车和列车的联合调度模型进行调度；

8、其中，所述被困列车撤离策略为：将被困列车向远离火灾点方向撤离，并在最近的车站停车并清客；

9、所述地铁消防车越行策略为：地铁消防车借助渡线和反向轨道越行前方列车；

10、所述列车交替放行策略为：列车将利用渡线与火灾区段的反向轨道替代双向运行。

11、优选地，步骤s3中，所述约束条件包括列车约束条件和地铁消防车约束条件；

12、所述列车约束条件包括：同向列车在区间及车站的安全约束条件、对向列车在火灾区段的安全约束条件、列车在区间、车站的作业约束条件、火灾事故前的运行约束条件、列车的折返约束条件以及被困列车撤离约束条件；

13、所述地铁消防车约束条件包括：地铁消防车与列车之间的安全时距约束条件、地铁消防车在区间、车站的作业时间约束条件以及地铁消防车越行安全约束与次序约束条件。

14、优选地，所述同向列车在区间及车站的安全约束条件包括：

15、a.两列上行同向列车相继离开、进入同一区间[k，k+1]的车头时距ha，其约束公式如下：

16、ai，k+1+ha≤aj，k+1+m(1-qijk)，i，j∈o，k∈e

17、aj，k+1+ha≤ai，k+1+m(1-qjik)，i，j∈o，k∈e

18、dik+ha≤djk+m(1-qijk)，i，j∈o，k∈e

19、djk+ha≤dik+m(1-qjik)，i，j∈o，k∈e

20、b.两列下行同向列车相继离开、进入同一区间[k，k+1]的车头时距ha，其约束公式如下：

21、aik+ha≤ajk+m(1-qijk)，i，j∈i，k∈e

22、ajk+ha≤aik+m(1-qjik)，i，j∈i，k∈e

23、di，k+1+ha≤dj，k+1+m(1-qijk)，i，j∈i，k∈e

24、dj，k+1+ha≤di，k+1+m(1-qjik)，i，j∈i，k∈e

25、c.车站同时只能停放一辆列车，即前车离开车站后，后车才可到达车站，列车之间保持最小安全时距h0，其约束公式如下：

26、dik+h0≤ajk+m(1-qijk)，i∈o∪i-g，k∈v

27、djk+h0≤aik+m(1-qjik)，i∈o∪i-g，k∈v

28、所述对向列车在火灾区段的安全约束条件包括：

29、a.下行列车j使用渡线与反向轨道时，上行列车i需在上行车站l*-1等待下行列车j到达下行车站l*-1后，再等待安全时距θc后才可进入区间[l*-1，l*]，其约束公式如下：

30、

31、b.在区间[k*，k*+1]，若上行列车i处于火灾区段的完好轨道，则下行列车j需在下行车站k*+1等待上行列车i到达上行车站k*+1后，再等待安全时距θc后才可离开，其约束公式如下：

32、

33、其中，i，j为列车标识，k为车站/区间标识，o为上行列车集合，i为下行列车集合，g为火灾中断区段内的被困列车集合，e为区间集合，e＝{1，2，...，β-1｝，v为车站集合，v＝{1，2，...，β}，r为火灾发生后被重新调度的列车集合，m为一个极大值，aik为列车i到达车站k的时刻，dik为列车i离开车站k的时刻，θc为对向列车之间的安全时距，ha为列车之间的车头时距，h0为列车之间的最小安全时距，l*为下行方向火灾区间前方第一条渡线后侧的车站标识，k*为下行方向火灾区间后方第一条渡线前侧的车站标识，pijk为对向列车进入区间/车站k的顺序，qjik为同向列车进入区间/车站k的顺序。

34、优选地，所述列车在区间、车站的作业约束条件包括：

35、a.在列车调整过程中，列车区间运行时间不应小于原定计划作业时间，且不应大于最大区间运行时间，故有如下约束公式：

36、

37、

38、b.在列车调整过程中，列车在车站作业时间不应小于原定计划作业时间，列车到达车站的时间不应小于原定时刻，故有如下约束公式：

39、

40、

41、c.在列车调整过程中，列车借助渡线使用反向轨道时，其区间运行时间需考虑列车通过渡线的时间以及调车时间，故有如下约束公式：

42、

43、

44、其中，i，j为列车标识，k为车站/区间标识，o为上行列车集合，i为下行列车集合，e为区间集合，e＝{1，2，...，β-1｝，v为车站集合，v＝{1，2，...，β｝，aik为列车i到达车站k的时刻，dik为列车i离开车站k的时刻，为原定时刻表中列车i到达车站k的时间，为原定时刻表中列车i离开车站k的时间，为列车在区间[k，k+1]的最大运行时间，tk为列车在区间[k，k+1]的理想运行时间，k*为下行方向火灾区间后方第一条渡线前侧的车站标识，l*为下行方向火灾区间前方第一条渡线后侧的车站标识，为列车通过渡线cs所需的时间，cs为第s条渡线，其值与区间序号一致，s∈c，为列车需折返通过渡线cs的时间惩罚值，为折返标记集合。

45、优选地，所述火灾事故前的运行约束条件包括：

46、a.在火灾发生前，上下行列车到达或离开车站k的时刻不受故障影响，应当按照原计划进行，故有如下约束公式：

47、

48、

49、

50、

51、

52、

53、b.在火灾发生前已进入车站(l*，k*]之间区段的下行列车，由于前方区段已经被破坏，将按照原顺序在对应车站驻停，因而有如下约束公式：

54、

55、c.列车按照一定顺序发车，它们之间无越行，因而对于列车i和j，若有i＜j，则对于任何车站有qijk＝1，因而有如下约束公式：

56、qijk＝1，if i＜j，i，j∈o or i，j∈i-g，k∈e

57、所述列车的折返约束条件包括：

58、地铁线路在终点站并未设置停车场或车辆段，下行列车由上行列车折返后形成，因此，列车进行折返作业时需满足以下折返时间约束公式：

59、diβ-ajβ＝τ，i∈o，j∈i

60、其中，i，j为列车标识，k为车站/区间标识，o为上行列车集合，i为下行列车集合，g为火灾中断区段内的被困列车集合，e为区间集合，e＝{1，2，...，β-1｝，v为车站集合，v＝{1，2，...，β}，m为一个极大值，β为车站，τ为终点站折返时间，ajβ为列车j到达车站β的时刻，diβ为列车i离开车站β的时刻，aik为列车i到达车站k的时刻，dik为列车i离开车站k的时刻，为原定时刻表中列车i到达车站k的时间，为原定时刻表中列车i离开车站k的时间，k*为下行方向火灾区间后方第一条渡线前侧的车站标识，l*为下行方向火灾区间前方第一条渡线后侧的车站标识，f为火灾发生地点，f∈(e，v)，tf为地铁发生火灾时刻，qjik为同向列车进入区间/车站k的顺序。

61、优选地，所述被困列车撤离约束条件包括：

62、a.被困列车清客、不载客约束条件：

63、被困列车i停于故障区段w的车站kev，其在车站kev清客后远离火源撤出线路，因此有如下约束公式：

64、

65、被困列车撤离时，在车站不进行客运作业，因此有如下约束公式：

66、

67、b.被困列车与同向、对向列车的安全约束条件：

68、被困列车撤离时，通过渡线移动至上行轨时需与上行列车保持最小安全时距h0，因此有如下约束公式：

69、

70、

71、

72、

73、被困列车撤离时会与反向下行列车在区间[k*，k*+1]产生冲突，对区间[k*，k*+1]的轮流占用，因此有如下约束公式：

74、

75、

76、c.被困列车在区间的次序约束条件：

77、一列列车先到达站台，其他列车应等待该列车离开后才进入站台，按照列车先到先走原则，因此有如下约束公式：

78、

79、

80、当火灾上游有多辆被困列车，其按照后进先出的顺序疏散，因此有如下约束公式：

81、qijk＝1，if i＞j，i，j∈g，k∈{kev，...，β-1}

82、其中，i，j为列车标识，β为车站，k为车站/区间标识，o为上行列车集合，i为下行列车集合，g为火灾中断区段内的被困列车集合，e为区间集合，e＝{1，2，...，β-1}，v为车站集合，v＝{1，2，...，β}，w为受故障影响的区间集合，r为火灾发生后被重新调度的列车集合，m为一个极大值，aik为列车i到达车站k的时刻，dik为列车i离开车站k的时刻，k*为下行方向火灾区间后方第一条渡线前侧的车站标识，h0为列车之间的最小安全时距，θc为对向列车之间的安全时距，kev为被困列车所在车站，tclear为被困列车在车站的清客时间，为被困列车i到达车站kev的时刻，为被困列车i到达车站k的时刻。为被困列车i离开车站k的时刻，pijk为对向列车进入区间/车站k的顺序，qjik为同向列车进入区间/车站k的顺序。

83、优选地，所述地铁消防车与列车之间的安全时距约束条件包括：

84、a.地铁消防车与列车离开区间时保持安全时距h0，其约束公式为：

85、

86、

87、

88、

89、b.地铁消防车与列车进入区间时保持安全时距h0，其约束公式为：

90、

91、

92、

93、

94、c.为保证一站一车原则，前车离开车站后，地铁消防车才可进入车站，因而有如下约束公式：

95、

96、di,k+1+h0≤af,k+1+m(1-qifk)+mzfk，i∈o，k∈c

97、

98、df,k+1+h0≤ai,k+1+m(1-qfik)+mzfk，i∈o，k∈c

99、d.在最靠近火灾的区间[l*-1，l*]，考虑地铁消防车与下行列车在该区间的占用顺序，并保证安全时距θc，故有如下约束公式：

100、

101、

102、f.非被困列车应在地铁消防车到达车站l*-1前离开该车站，因而有如下约束公式：

103、df,k+1+h0≤ai,k+1+m(1-qfik)+mzfk，i∈o，k∈c

104、其中，i，j为列车标识，β为车站，f为地铁消防车标识，k为车站/区间标识，o为上行列车集合，i为下行列车集合，c为拥有渡线的区间集合，包含一个虚拟区间，cs为第s条渡线，其值与区间序号一致，s∈c，e为区间集合，e＝{1,2，...，β-1}，为相邻渡线cs与cs+1之间的区间集合(不包含拥有渡线的区间)，r为火灾发生后被重新调度的列车集合，m为一个极大值，aik为列车i到达车站k的时刻，dik为列车i离开车站k的时刻，afk为地铁消防车f到达车站k的时刻，dfk为地铁消防车f离开车站k的时刻，θc为对向列车之间的安全时距，k*为下行方向火灾区间后方第一条渡线前侧的车站标识，l*为下行方向火灾区间前方第一条渡线后侧的车站标识，h0为列车之间的最小安全时距，qfik为地铁消防车f与同向列车i进入区间/车站k的顺序，pfik为地铁消防车f与对向列车i进入区间/车站k的顺序，为地铁消防车f经过拥有渡线cs的区间后所处轨道的上下行方向。

105、优选地，所述地铁消防车在区间、车站的作业时间约束条件包括：

106、a.地铁消防车经过车站不进行上下客作业，其区间实际运行时间也不应小于理想运行时间，故有如下约束公式：

107、

108、

109、0≤dfk-afk,k∈v

110、b.地铁消防车通过渡线转向反向轨道时，因渡线朝向可能出现z形折返，需要更长的渡线通过时间，因而有如下约束公式：

111、

112、

113、其中，k为车站/区间标识，β为车站，e为区间集合，e＝{1，2，...，β-1}，c为拥有渡线的区间集合，包含一个虚拟区间，cs为第s条渡线，其值与区间序号一致，s∈c，v为车站集合，v＝{1，2，...，β}，m为一个极大值，afk为地铁消防车f到达车站k的时刻，dfk为地铁消防车f离开车站k的时刻，为地铁消防车f在区间[k，k+1]的理想运行时间，为地铁消防车f通过渡线cs所需的时间，为地铁消防车f需折返通过渡线cs的时间惩罚值，为折返标记集合，为为地铁消防车f经过拥有渡线cs的区间后所处轨道的上下行方向，为地铁消防车f经过拥有渡线ck的区间后所处轨道的上下行方向是否变化。

114、优选地，所述地铁消防车越行安全约束与次序约束条件包括：

115、a.地铁消防车f越行时应确保在反向区段不存在冲突，即应确保区间[m-1，n+1]之间的下行区段空闲，因此在下行列车j+1到达车站m-1后，地铁消防车方可进入区间[m-1，m]；当其通过渡线cn返回原轨道车站n+1，下行列车j才可进入区间[n，n+1]，因而有如下约束公式：

116、

117、

118、b.在未越行区间，地铁消防车与同向上行列车以先到先走顺序进入、离开相应区间，因而有如下约束公式：

119、qfik＝1，if afk≤aik，i∈o，k∈e

120、qifk＝1，if aik≤afk，i∈o，k∈e

121、其中，i，j为列车标识，β为车站，f为地铁消防车标识，k为车站/区间标识，o为上行列车集合，i为下行列车集合，m为地铁消防车前往反向轨道时所借用渡线前方的第一个车站标识，n为地铁消防车返回原轨道时所借用渡线后方的第一个车站标识，g为火灾中断区段内的被困列车集合，c为拥有渡线的区间集合，包含一个虚拟区间，cs为第s条渡线，其值与区间序号一致，s∈c，e为区间集合，e＝{1,2，...，β-1}，m为一个极大值，aik为列车i到达车站k的时刻，dik为列车i离开车站k的时刻，afk为地铁消防车f到达车站k的时刻，dfk为地铁消防车f离开车站k的时刻，θc为对向列车之间的安全时距，l*为下行方向火灾区间前方第一条渡线后侧的车站标识，qfik为地铁消防车f与同向列车i进入区间/车站k的顺序，pfik为地铁消防车f与对向列车i进入区间/车站k的顺序，为地铁消防车f经过拥有渡线cs的区间后所处轨道的上下行方向。

122、优选地，步骤s4中，以地铁消防车救援响应时间、被困列车撤离时间和列车总延误时间的加权和最小化为优化目标，具体包括：

123、所述地铁消防车救援响应时间为：

124、a1＝(aff-af1)+δt

125、所述被困列车撤离时间为：

126、

127、所述列车总延误时间为：

128、

129、所述地铁消防车救援响应时间、被困列车撤离时间和列车总延误时间的加权和为：

130、min a＝λ1a1+λ2a2+λ3a3

131、其中，i为列车标识，β为车站，f为地铁消防车标识，o为上行列车集合，i为下行列车集合，g为火灾中断区段内的被困列车集合，e为区间集合，e＝{1，2，...，β-1}，v为车站集合，v＝{1，2，...，β}，m为一个极大值，f为火灾发生地点，f∈(e，v)，aik为列车i到达车站k的时刻，dik为列车i离开车站k的时刻，为原定时刻表中列车i到达车站k的时间，为原定时刻表中列车i离开车站k的时间，为被困列车i离开车站β的时刻，为被困列车i到达车站kev的时刻，λ1、λ2、λ3为各目标函数的权重值，λ2＞λ1＞＞λ3。

132、从以上技术方案可以看出，本发明申请具有以下优点：

133、本发明实施例提供一种地铁消防车和列车的联合调度优化方法，本发明建立了地铁消防车-列车的联合调度模型，实现了二者的协同优化；通过被困列车撤离策略，实现了因火灾而驻停列车的撤离；通过越行策略，保证了地铁消防车的优先通行权，大幅缩短地铁消防车的救援响应时间；通过交替放行策略，维持了地铁系统的基本运转，避免了因地铁系统瘫痪而导致其他交通系统的拥塞；本发明采用滚动时域算法对模型进行求解，极大地减少了模型的求解时间，提高了模型的实践性。