一种城市轨道交通实现客货共运的优化方法

本发明属于城市轨道交通运营组织，具体涉及一种城市轨道交通实现客货共运的优化方法(尤指地铁)。

背景技术：

1、随着社会经济地进一步发展，人民的生活水平有了极大地提高，城市人口和车辆不断增加。同时为了满足人民对物质生活的需要，许多产业蓬勃发展，比如物流业的覆盖面和运输量都有了极大地提升。城市货物运输需求与日俱增，城市的环境污染也日益严重。如何实现城市交通以及相关产业低碳、可持续发展是目前受到各行各业持续关注的一个问题。

2、在城市轨道交通线路网络化的进程中，面对客运需求的时空不均衡情况和线路可供给运能大于客运需求造成运能浪费的情况，如何平衡需求与供给，成为了城市轨道交通中一个亟需解决的问题。许多城市的轨道交通线路呈现出早晚高峰客流需求较大，在部分区段经常出现实际载客量远超过额定载客量的情况；同时在平峰时段或者部分城郊线路等客流需求较小的时空节点下，线路、车辆等行车资源没有被充分利用。城市货物运输需求随着城市物流的发展而不断增加。同时城市货物的运输主要依靠的是城市道路运输，加剧了道路的拥堵情况并增加了城市的碳排放。为了缓解环境污染以及交通拥堵问题，一些城市提出慢行交通、车辆限行和提倡公共交通的解决措施，例如北京市针对本地核发号牌的机动车规定每天6时至23时，五环路(不含)以内道路禁止载货汽车通行。在这种措施下，货物的运输时间难免有延长，运输的时效性难以保证。

3、因此，综合考虑城市轨道交通有列车载客余量，以及一些时效性相对较强的货物难以准时送到目的地这两个原因，考虑开启轨道交通列车货运模式，即货物由铁路货运列车运至铁路与城市轨道交通的枢纽站，经枢纽站工作人员运输至轨道交通列车上。这种基于城市轨道交通的共线共车的客货共运模式不仅可以将行车资源进行合理使用，还可以增加运营公司收益，同时给货物运营商压缩运输时间。

4、现有技术中，较多的物流货物路径规划研究涉及到了城市轨道交通货运的内容，其中轨道交通货运作为一种运输策略被提出，缺乏合理的理论框架和数学模型以及缺乏对轨道交通客运服务和轨道交通时刻表的充分考虑。轨道交通货运的实现除了运营组织的规划，还需要基础设施的配合，现有技术中考虑到客运列车拖挂货物列车以及增设货运专线的研究，缺乏对基础设施投入成本的考量。轨道交通货运的目的是提高线路利用率和提高运营收益，故为了尽可能地利用现有的线路条件并减少货运成本，有必要对轨道交通客货共运进行优化。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种城市轨道交通实现客货共运的优化方法，来解决现有技术中的客运服务和轨道交通时刻表以及投入成本未被充分考虑的问题。

2、为达到以上目的，本发明的技术方案是：提供一种城市轨道交通实现客货共运的优化方法，其创新点在于，包括以下步骤：

3、步骤1：通过分析轨道交通运营的历史数据，得到轨道交通时刻表信息以及客流数据；

4、步骤2：选择轨道交通运营的任意时段作为研究时段，并对研究时段进行离散化处理；

5、步骤3：结合研究时段内的轨道交通时刻表信息，构建时空网络来描述轨道交通列车的运行状态；

6、步骤4：根据乘客、货物到达的时空节点结合轨道交通列车运行的时空网络将城市轨道交通的客货共运问题转化为客货列车类型划分问题以及乘客和货物分配问题；

7、步骤5：以城市货运的装卸时间为基础研究列车停站时间的变化以及乘客上下车人数的变化，以货运收益最小和列车满载率最大为目标，构建城市轨道交通客货共运模型并求解，实现城市轨道交通客货共运的优化。

8、进一步的，所述的步骤1中获取的轨道交通时刻表信息包括轨道交通列车的到发间隔、停站间隔，获取的客流数据包括乘客的起讫点数据。

9、进一步的，所述的步骤2中选择轨道交通运营的平峰期作为研究时段。

10、进一步的，对研究时段进行离散化处理，即将一个完整时段离散为许多个单位时间长度为1的时间区间，并采用集合t＝{t|1,2,...,q}表示时间离散化后的时间集合，其中1和q分别表示该研究时段的开始时刻节点和结束时刻节点。

11、进一步的，所述的步骤3中，构建时空网络的的具体方法为：采用建立二维坐标的方法来描述轨道交通列车运行的时空轨迹；列车运行状态，用值等于0或1的变量对城市轨道交通列车的到达状态进行描述，当列车i在t时刻已经到达或者经过车站k时，变量等于1；当列车i在t时刻还未到达车站k时，变量等于0。

12、进一步的，所述的步骤4中，客货列车类型划分以及乘客和货物分配，具体为：通过将不同时刻到达的乘客和货物看作控制单元，在货物与轨道交通列车时空匹配的基础上将轨道交通列车划分为客运列车和客货共运列车；在轨道交通列车划分为客运列车和客货共运列车的基础上，结合乘客到达车站的时间，考虑轨道交通列车装载能力的约束，得到乘客和货物与轨道交通列车的匹配情况。

13、进一步的，所述的步骤5中，构建的城市轨道交通客货共运模型，具体包括以下决策变量：

14、定义非负整数型的决策变量来表示第i(∈i)列轨道交通列车是否是客货共运的列车；其中，i＝{i|1,2,...,n}是轨道交通列车的集合，而i是轨道交通列车的索引，n是一个表示轨道交通列车的列车总数的常数；

15、定义非负整数型的决策变量γi,l,p(∈[0,1])表示第i(∈i)列轨道交通列车是否要运输货物lp(通常用货运集装箱为单位计量)；其中，l＝{l|1,2,...,f}是铁路货运列车的集合，l为铁路货运列车的索引，f是一个表示铁路货运列车的列车总数的常数；p＝{p|1,2,...,e}是铁路货运列车的货物批次，p是铁路货运列车货物的索引，e表示该列车上货物的批次数，通过使用铁路货运列车编号和货物批次编号相结合的方式来标识货物，所有这样的货物构成的集合，记为lp；

16、定义整数型变量k＝{k|1,2,...,m}表示表示轨道交通车站的集合，m为列车数量，k为轨道交通车站的索引，m是一个表示轨道交通车站的车站总数的集合，定义非负整数型决策变量表示单位时间内到达车站k的乘客人数。

17、进一步的，所述的步骤5中，构建的城市轨道交通客货共运模型并求解的过程为：

18、(1)列车到站约束

19、列车i在车站k的到达时刻为列车i在k-1站的出发时刻与区间运行时分之和，同时，将k站至k+1站的区间定义为k区间：

20、

21、式中：表示列车i到达k车站的时刻，表示列车i离开k-1车站的时刻，表示列车i在k区间的运行时间；

22、列车的到站时间应满足到达间隔约束：

23、

24、式中：表示列车i在k车站的最小到达间隔，表示列车i在k车站的最大到达间隔；

25、(2)列车发车约束

26、列车i在车站k的发车时间由列车i到达k站的到达时刻和在k站的停站时间决定：

27、

28、式中：表示列车i在k车站的停站时间；

29、列车发车时间也应满足发车间隔约束：

30、

31、式中：表示列车i在k车站的最小发车间隔，表示列车i在k车站的最大发车间隔；

32、(3)列车停站时间约束

33、列车在车站停站的停站时间应满足最大最小间隔约束：

34、

35、式中：表示列车i在k车站的最小停站时间，表示列车i在k车站的最大停站时间；

36、客货共运列车的停站时间约束如下：

37、

38、式中：表示列车i在lp货物的起点车站的停站时间，表示列车i在lp货物的起点车站因装载货物而增加的停站时间，表示列车i在lp货物的起点车站的最小停站时间，其值与相等，表示列车i在lp货物的起点车站的最大停站时间，其值与相等；

39、

40、式中：表示列车i在lp货物的终点车站的停站时间，表示列车i在lp货物的终点车站因卸载货物而增加的停站时间，表示列车i在lp货物的终点车站的最小停站时间，其值与相等，表示列车i在lp货物的终点车站的最大停站时间，其值与相等；

41、(4)货物与列车的匹配

42、铁路列车l的p货物可由某一轨道交通列车i运输：

43、

44、到达车站k的货物，将由随即到达的列车运输，即：

45、

46、式中：表示货物lp到达轨道交通线路的k车站的时间；

47、

48、(5)列车额定载客量约束

49、客运列车的额定载客量为c，客货共运列车的额定载客量为c：

50、

51、(6)列车满载率计算

52、两种类型的列车的乘客满载率计算方法如下所示：

53、

54、式中：表示列车i离开k车站后的断面客流量；wi,k表示列车i离开k车站后的满载率；

55、

56、

57、

58、(7)列车运行状态变量的表示

59、用变量bi,k(t)(∈[0,1])对列车的运行状态进行描述：

60、

61、

62、引入变量yi,k(t)(∈[0,1])对列车的运行状态变量进一步计算：

63、

64、(8)客流计算

65、乘客到达轨道交通车站的时间是动态变化的，上车乘客的数量是轨道交通列车的到达间隔内到达车站的乘客数量的累计值：

66、

67、式中：表示在k车站乘坐列车i的上客量；

68、列车i在车站v的下客客流量为以该站为目的站的前面车站上客客流量总和：

69、

70、式中：表示列车i在k车站的下客量，βv,k(t)表示时段t内，到达线路v车站并前往k车站的客流比例；

71、区间断面客流量计算：

72、

73、所有到达车站的乘客都可以乘坐列车离开，实现出行需求：

74、

75、(9)目标函数

76、满足货运需求的前提下，追求最大的满载率，以期提高列车能力的利用率：

77、

78、式中：vl,p表示货物的货运收益。

79、进一步的，通过cplex求解器对所述的步骤(1)-(9)中的约束和目标函数进行编译并求解，即求解城市轨道交通客货共运模型，实现城市轨道交通客货共运的优化。

80、本发明和现有技术相比，产生的有益效果如下：

81、(1)本发明所述的一种城市轨道交通实现客货共运的优化方法，综合考虑了客运、货运、轨道交通列车三者之间的耦合关系，通过将研究时间离散化，构建时空网络以描述轨道交通列车的运行过程；考虑乘客和货物的动态到达特性，结合列车运行的时空网络，将列车划分为客运列车和客货共运列车并考虑列车装载能力的约束，构建以最小货运收益和最大乘客满载率为目标的整数规划模型，实现了轨道交通线路的客运和货运的协同运输。

82、(2)本发明所述的一种城市轨道交通实现客货共运的优化方法，可作为一种非高峰时段适用于城市轨道交通的实现客货共运的运输方案，具体是在考虑货物与列车的分配策略以及对乘客对列车的选择策略的基础上，考虑城市轨道交通列车停站时间因货物装卸而改变的情况，实现对乘客和货物的合理分配，以充分利用轨道交通行车资源。