包含空车调拨的高速铁路网络动车组运用计划调整方法

本发明涉及高速铁路动车组调度指挥，特别是一种包含空车调拨的高速铁路网络动车组运用计划调整方法。

背景技术：

1、动车组是高速铁路运营过程中的一种重要设施设备资源，对于铁路运营管理者来说它是执行列车运行图任务的最终载体，对于旅客来说它是最直接的载运工具。高速铁路系统本身是一个易受诸多内部及外部因素影响的复杂综合系统。当高速铁路列车在运行过程中遇到不良天气、任务失误以及线路、通信信号、动车组故障等情况时，处于该系统中的动车组也会受到影响。如果高速铁路在日常运营过程中受到严重干扰并导致列车偏离原计划运行时，需要对相关的行车计划进行调整。在调整过程中不仅需要对列车运行图进行调整，还需要对动车组运用计划进行调整，从而保障调整后的列车运行图能够得到充分地执行。随着高速铁路网络规模的进一步扩大，投入运营的动车组数量也不断增加，动车组的实际运营环境也在不断发生变化，严重干扰场景下高铁网络动车组运用计划调整问题已经成为铁路调度指挥方面亟需解决的关键问题之一。

2、目前国内针对动车组运用计划调整的研究还不常见，现有方法通常依据动车组调度员的人工经验，即在干扰发生后进行基于“人工经验”动车组运用计划调整。当严重干扰情况发生时，调度员首先需要根据严重干扰信息(比如干扰的发生时间、地点及影响范围，干扰的预计持续时长等)，对现有的列车运行图进行调整。然后，根据调整后的列车运行图，依据个人经验进行动车组运用计划的调整。目前也存在辅助调度软件，在调整过程中起辅助决策的作用。

3、基于人工经验调整的方法，通常效率较低，且给调度员带来较大的工作压力。既有的辅助调度软件运用环境设置较为简单，如不考虑空车调拨，不考虑动车组的日常维修限制或仅考虑单一(时间或里程)维修限制，不能对车组类型进行识别等，无法保障调整过程中的实际运行安全。通常辅助软件中所涉及方法的计算时间也较长，也无法保障解决方案的实时性需求。因此，现有技术并不能有效地辅助现场的应急管理决策。

技术实现思路

1、针对现有技术中环境设置简单及计算耗时长等问题，本发明提出一种包含空车调拨的高铁路网动车组运用计划调整方法。该方法针对多车种、多动车段(所)构成的复杂高铁路网，在考虑空车调拨、动车组改编及日常检修作业等条件下，实现动车组运用计划调整方案的快速生成。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种包含空车调拨的高速铁路网络动车组运用计划调整方法，包括以下步骤：

3、步骤1、明确调整后的列车运行图信息；

4、步骤2、确立车次接续条件，建立车次接续关系；

5、步骤3、构建包含空车调拨的动车组接续网络；

6、步骤4、建立考虑包含空车调拨的高铁路网动车组运用计划调整模型；

7、步骤5、确定高铁路网动车组运用计划调整方案。

8、作为本发明的进一步改进，所述步骤1具体如下：

9、当高速铁路网络中发生干扰时，根据高速铁路网络运行过程中受干扰的影响程度及该干扰可能得持续时间，及时发布调整后的列车运行图；在得到发布调整后的列车运行图后，明确运行图中关键信息，即与列车车次相关的信息；梳理关键车次信息，作为初始输入数据。

10、作为本发明的进一步改进，在步骤2中，车次接续的判断条件包括：

11、条件1)、判断前序车次的终到车站是否与后序车次的始发车站相同，只有二者相同时才能满足车次接续要求；

12、条件2)、判断前序车次的终到时间是否小于后序车次的始发时间；且始发时间和终到时间之差要大于接续作业时间的最小值；

13、条件3)、判断是否具备改编条件。

14、作为本发明的进一步改进，在条件2)中，若初始数据存在多天的车次信息，为了防止车次接续错乱，此时后续车次的始发时间与前序车次的终到时间之差要小于某个固定值。

15、作为本发明的进一步改进，在条件3)中，判断是否具备改编条件具体包括：

16、当前序车次的终到车站与后续车次的始发车站相同，但该衔接车站没有直接与路网中的动车段相连的线路，则无法进行动车组的改编，即前后车次编组必须一致；

17、当前序车次的终到车站与后续车次的始发车站相同，且该衔接车站具有直接与动车段相连的线路，此时前后车次的动车组类型必须相同，但编组数量可以不同；当编组数量不同时，条件2)中的接续作业时间需要大于允许的最小改编作业时间。

18、作为本发明的进一步改进，在步骤3中，基于运筹学图论方法，建立包含空车调拨的动车组接续网络；所述动车组接续网络为一个有向图g＝(v,e)，图中点v代表各车次以及由动车段构成的源点/汇点，边e则代表网络图中的弧。

19、作为本发明的进一步改进，根据各弧代表的实际含义，对弧进行分类，包括车次接续弧、空驶接续弧、过夜驻留弧、车次改编弧以及出入段弧；在动车组运用计划调整过程中对添加的空驶车次的始发、终到车站进行限制，即规定能够进行空车调拨的区间；然后对空驶车次进行集成，减少空驶车次数量，进一步缩小问题的复杂度。

20、作为本发明的进一步改进，所述步骤4具体如下：

21、在构建的包含空车调拨的动车组接续网络上，根据动车组运用计划调整的实际需求，建立一个两阶段混整数线性整数优化模型；第一阶段模型用于生成多种与原动车组运用计划方案路径相似或偏离较小的可行路径集合，其优化目标包含4个部分：(1)取消车次惩罚；(2)偏离原计划惩罚；(3)额外空驶车次使用惩罚；(4)库存不平衡惩罚；目标函数为最小化费用，模型表示为：

22、

23、其中，z(m-p)表示第一阶段模型的费用，为属于图定车次t*且编组方式为me的取消车次t的费用，ζ·γc为接续组合c，即接续组合中前后续车次在干扰发生时间diss前的费用，为空驶车次t，即属于空驶车次ta且编组方式不为me)的费用，为动车段b中u类似动车组的库存不平衡的惩罚；第一阶段模型约束条件主要考虑以下5类，具体模型如下：

24、(1)车次唯一性约束：

25、

26、

27、其中为0-1决策变量，若车次t的担当动车组编组方式为m，则取1，否则为0；t1、t2代第1天及第2天运行图车次集合，根据要求为了完成一天内的车次任务，t1∪t2中对应的车次必须有且只有某一动车组担当；te、tn分别为可用空驶车次集合和可用过夜车次集合，至多被使用一次；at、dt分别表示车次t的终到和始发车站，b为动车段集合；

28、(2)接续网络平衡约束：

29、

30、保证接续网络中各中间节点的流平衡，其中为0-1决策变量，若编组方式m和m'分别为接续组合c中的第一个车次fc和第二个车次sc的编组方式，则取1，否则为0；为接续组合c的可行编组方式，即在接续组合c中，fc的编组方式m，sc的编组方式为m'；

31、(3)动车段库存能力约束：

32、

33、控制各时刻各类动车组的数量，分别表示在车次接续组合c中，u类型动车组重联和摘解的数量；分别表示从编组方式m改编为m'时重联/摘解的u型动车组数量；

34、

35、对动车组的使用划分：仅在动车所始发、终到时进行改编作业与包含额外改编作业的动车组；代表在时刻time动车所b内u类型动车组的数量，为运营前动车段(所)b中u型动车组的数量，为0-1决策变量，分别表示在车次接续组合c中，摘解/重联的u类型动车组是否来自动车所b；

36、

37、为限制动车组数量，其中表示动车段(所)b中u类动车组的上限；

38、(4)库存均衡约束：

39、

40、保证运营开始、结束时库存平衡，其中为运营后动车段(所)b中u型动车组的数量；btime、etime分别为运营周期的开始和结束时间；

41、(5)实时调整约束：

42、严重干扰发生时，原运行图中的部分车次已经执行，原动车组运用计划中的车次接续关系及其编组方式已固定：

43、

44、其中，art为车次t的终到时间；然后结合下式来进一步确定该车次与其他车次之间的接续关系：

45、

46、考虑备用动车组，引入参数表示车站v∈v'中所停放的u型备用动车组数量，v'为备用动车组车站集合；严重干扰发生后，能够灵活的启用备用动车组，各车站库存需要增加平衡残差项：

47、

48、此外，还需保证各车站各类备用动车组的数量保有限制：

49、

50、第二阶段模型用于保证具体执行各路径标准组的一致性，以及各备选标准组和其可能执行路径之间的维修可行性，其优化目标为最小化虚拟启动费用；通过引入该虚拟启动费用，进一步提升动车组运用效率，其模型表示为：

51、

52、其中，z(s-p)为第二阶段模型的目标函数；代表标准组r是否担当路径p∈pr，是取1，否为0；acr为一个动车组r的启动费；第二阶段模型主要包含以下四类约束：

53、(1)运行线担当约束；

54、

55、通过上式保证各车次的编组需求；其中，在当列车车次t是可行路径p∈p的一部分时，取1，否则为0；mt表示车次t所需动车组数量；

56、(2)唯一性约束；

57、

58、通过该式保证每个动车组至多有一条可行路径；

59、(3)维修限制约束；

60、

61、通过上式，保证日常检修限制中的时间和距离约束；其中分别表示动车组r的初始累积运行距离和时间；lt为车次t的距离，ptime为路径p的运行时间；

62、(4)实时调整类约束：

63、

64、通过上式固定严重干扰发生前已执行车次的具体动车组信息；

65、通过上述两阶段模型得到一个完整的包含空车调拨的高铁路网动车组运用计划调整模型。

66、作为本发明的进一步改进，所述步骤5具体包括以下步骤：

67、步骤1)、通过第1阶段模型，即路径生成模型获得多种可行的路径实时调整方案，将所有的可行路径方案储存在解池中。

68、步骤2)、设置抽取规则，从解池中依次抽取固定数量的路径调整方案，经过路径搜索算法获取单个标准动车组的可行路径集合；

69、步骤3)、将获得的单个标准动车组的可行路径集合作为输入，进一步求解第2阶段模的考虑动车组的日常检修限制的指派模型。

70、作为本发明的进一步改进，步骤3)中的求解过程中，首先确定各输入参数，在对应的参数内若得到单个或多个可行解时，按目标函数输出最优解；如果在对应的参数内，没有得到可行解时，则返回步骤2)，判断解池中是否存在更多方案，并重复步骤3)；若解池中没有更多解，则返回步骤1)，然后重复步骤2)和步骤第3)；且在求解过程中，还需明确求解过程中路径的归属关系，即判断该路径是否在干扰发生时已经由某动车组执行了一部分；对于已经执行的路径，必须保证调整后的动车组运用计划中该路径的担当动车组与原计划一致；从而得到包含空车调拨的高铁路网动车组运用计划调整方案。

71、本发明的有益效果是：

72、本发明针对既有的动车组运用计划调整方法对调度员人工经验依赖较强且不能切实反应实际安全运营需求的问题，创新性的提出了一种包含空车调拨的高铁路网动车组运用计划调整方法；满足高铁路网动车组运用计划调整的实际安全运营需求，能够快速获取包含空车调拨的动车组运用计划调整方案，以减轻调度员工作压力，为严重干扰场景下高速铁路调度员的实时调度决策提供有力辅助。本发明符合铁路总公司开展高速铁路智能化运维关键技术研究的需要。