基于时空网络的铁路动车所调车作业和检修流程调度方法

本发明涉及调车和检修作业，具体涉及基于时空网络的铁路动车所调车作业和检修流程调度方法。

背景技术：

1、随着我国高铁网络的不断拓展和旅客运输需求的增长，动车组投入运用数量的增加，动车组检修需求也相应增大，部分动车所的检修能力已经接近饱和，成为高速铁路运输系统的能力瓶颈。提高动车所的检修能力是当前高铁运输组织中亟待解决的一个重要问题。动车所调车作业和检修流程调度是动车所日常生产组织的重要基础计划，在实际生产作业中，计算机辅助技术尚未完全发挥作用，调车作业和检修流程调度联合计划仍然高度依赖技术调度人员的人工编制，耗时长，且编制质量的高低很大程度上取决于计划编制人员的素质和经验，难以衡量好坏。

2、时空网络建模技术是一种成熟的解决时空资源占用冲突的技术方法，已经被广泛应用于车辆路径问题、列车时刻表问题、乘务排班问题和机车车辆周转等问题中。该技术通过对物理资源节点进行时间维度的拓展并离散化，构建时空节点，并根据时空节点之间的关系构建有向联弧，以得到融合了资源占用费用的时空网络。最后，利用多商品网络流理论进行建模和求解。现有技术主要有整数规划建模，智能算法设计，启发式算法设计，仿真测试等技术手段。其中整数规划建模手段通过构建一个整数规划模型然后利用商业求解器求解。主要缺点是前提假设过多，变量和约束过多导致求解困难，无法规避商业求解器的版权限制。智能算法设计主要是利用一些元启发式算法比如遗传算法、粒子群优化算法等进行求解，主要缺点是前提假设过多，解的质量取决于编码和算子的设计，且无法衡量解的质量，甚至无法收敛至可行解。启发式算法设计利用一些人为设定的规则将问题简化，主要缺点是无法衡量求解的质量，通过牺牲解的质量换取求解的速度。仿真测试主要用于解的可行性，主要缺点是无法提供一个基础的计划，只能够用来验证计划的可行性，或者验证车站的能力大小。这些技术方案的不足之处在于假设条件过多，实际约束考虑不全，以及没有考虑进路冲突等因素，研究成果在不同程度上偏离实际，较难应用。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种基于时空网络的铁路动车所调车作业和检修流程调度方法，以动车组和动车所基础数据为驱动，利用时空网络技术，将难以用数学形式表述的约束嵌入到时空网络的构建中，并赋予时空联弧以费用，构建多商品网络流模型，实现动车所调车计划和检修流程调度的计算机辅助编制。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

3、一种基于时空网络的动车所调车作业和检修流程调度方法，包括以下步骤：

4、s1、通过物理节点时间维度拓展方法构建动车所基础设施资源物理网络并复制，将动车站进行物理节点化处理，节点按照联通关系和占用关系进行连接，得到物理网络，复制上述网络；

5、s2、通过时空网络构建方法构建动车组时空网络模型来模拟动车组移动和维护过程，将所述s1中复制得到的的网络在时间维度上进行扩展，根据人工经验、现有作业实际规章和安排，股道之间的联通关系、动车组与股道之间的利用关系，定义不同类型的时空弧，通过有向的联弧连接两个具有关系的时空节点，通过服务弧将两层网络连接，构建双层时空网络，描述动车组在动车站的移动、服务和停留状态；

6、s3、通过不兼容时空网络弧分析方法分析s2中的不兼容时空网络弧的集合，根据股道和列位时间的配属关系、股道和道岔的安全间隔时间，得到不兼容时空弧集合，基于双列位的股道，分析不兼容点集合和弧集合，通过设置虚拟普通道岔，解决复式交分道岔的不兼容约束，在建模前进行不兼容集合的数据预处理；

7、s4、构建动车组在动车所的调车作业和检修流程调度的联合多商品网络流模型，动车组在所述s3中的时空网络中的移动过程看作商品流，通过网络流平衡约束和动车组之间的相互约束，构建多商品网络流模型，利用数学技术求解，并利用上下界解的间隙值来衡量所求的可行解的质量。

8、进一步地，所述s4中，

9、目标函数是：目标函数(1)是最小化总运营费用，运营费用包括服务弧的服务费用、服务股道和存车股道的停留费用，调车弧的调车费用，调车作业的固定惩罚费用和取消动车组的惩罚费用；

10、约束条件主要包括∶

11、流守恒约束包含约束(2)(3)和(4)：

12、

13、

14、

15、动车组服务次数约束为约束(5)，表示每个服务只需要进行一次：

16、

17、不兼容弧使用限制约束为约束(6)(7)和(8)：

18、

19、

20、

21、决策变量约束为约束(9)：

22、

23、进一步地，所述s2中不同类型的时空弧为：

24、(9)起始弧

25、对于任何i1∈ninine，动车组通过一个或多个起始弧进入网络，cea＝0；

26、(10)结束弧

27、对于任何i1∈noutine，动车组通过一个或多个结束弧离开网络，cea＝0；

28、(11)调车弧

29、对于任何i1，j1∈n1∩ne，如果节点i1和节点j1之间存在物理方向链接，则存在调车弧a＝(i1，t)→(j1，t′)，t′＝t+tij，t≥ae，t′≤de，

30、(12)服务弧

31、对于任何i1∈n1ine\nsto，i2∈n2ine\nsto，都有服务弧a＝(i1，t)→(i2，t′)，t′≤de，cfix表示调车操作的固定惩罚费用参数；

32、(13)存车弧

33、对于任何i1∈n1ineinsto，i2∈n2ineinsto都有存车弧a＝(i1，t)→(i2，t)，ae＜t＜de，cea＝cfix；

34、(14)停留弧

35、对于任何i2∈n2ine且允许停留，都有停留弧a＝(i2，t)→(i2，t+1)，ae＜t＜de-1；

36、(15)状态转移弧

37、对于任何i2∈n2ine，i1∈n1ine都有状态转移弧a＝(i2，t)→(i1，t)，ae＜t＜de，cea＝0；

38、(16)虚拟弧

39、对于任何i1∈ninine，j1∈noutine都有虚拟弧a＝(i1，ae)→(j1，de)；令

40、

41、动车组时空网络中时空弧集合是上述(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)和(8)的并集。

42、进一步地，所述s1中物理节点化处理为将双列位配置的动车站的物理股道节点分为列位节点、双列位股道节点和普通股道节点，添加动车所的到达节点和离开节点，以上节点按照联通关系和长短编组的占用关系进行连接，得到长编动车组的物理网络和短编动车组的物理网络，然后将上述网络复制为两份，第一份表示列车调车占用的网络，第二份表示列车停留占用的网络，以表示列车的调车状态和停留状态。

43、进一步地，所述s3中的不兼容时空弧集合是针对时空节点和道岔的，定义中节点的不兼容节点集，然后定义时空节点和道岔的不兼容时空弧集，通过数据预处理，在建模之前枚举所有不兼容的时空弧集。

44、本发明的有益效果是通过物理节点时间维度拓展方法、时空网络构建方法、不兼容时空网络弧分析方法、多商品网络流模型构建等关键技术，实现了高速铁路动车站的调车作业和检修流程调度优化。通过运用计算机辅助技术优化编制动车所日常调车作业计划和检修流程调度计划，考虑诸多现场作业实际；融合人工经验到时空网络中；基于数学知识，所得解的质量能够被衡量；测算结果可有效支撑不同布置形式和规模的动车所计划生成和优化，节省检修成本，提升高速铁路检修能力。

45、(1)提出了将带有双列位配置的动车站进行物理节点化处理的关键方法，充分考虑了不同股道类型之间的区别，使该方法可以用于尽端式和通过式两种不同的股道端口设置类型，以及普通股道和双列位股道两种不同的股道列位设置类型。基于实际的物理节点连接，该方法能够适用于不同布置类型的动车站。

46、(2)利用时空网络构建的技术方法，创新地定义了多种不同类型的时空弧，实现了双层时空网络的构建，完整细致地描述了动车组在动车站的移动、服务和停留状态。

47、(3)基于双列位的股道，分析不兼容点集合和弧集合，通过设置虚拟普通道岔，创新地解决了复式交分道岔的不兼容约束，通过不兼容集合的数据预处理，减轻了模型的规模，提高了该方法的适用性。

48、(4)实现了基于多商品网络流模型的动车站调车作业和检修流程调度优化模型。