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大型铁路客运站的进路分配问题及缓冲时间研究

作　者: 贾文峥
导　师: 毛保华；何天健
学　校: 北京交通大学
专　业: 系统分析与集成
关键词: 铁路客运站进路分配问题缓冲时间有色时间Petri网定量评价
分类号: U291.6
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 442次
引　用: 9次
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内容摘要

衔接多个方向的大型客运站接发车作业密集,咽喉区交叉干扰多,通常构成行车组织的瓶颈,例如广州站、武汉站、郑州站、北京站及成都站等。这类大型客运站的能力既要能满足运行图中规定的接发车作业,又要实现一定的服务水平。在相同的时空范围内,随着接发车作业数量的增加,车站对列车作业的服务水平呈下降趋势；当车站能力不能满足运行图的需求时,一些列车就会产生到达或出发晚点。在车站平面图和列车运行图已知,以及车站能力满足图定列车作业的前提下,考虑到列车运行过程中的扰动,不同的接发车方案可能产生不同的效果,例如一个方案的抗干扰能力强于另外一个方案。在车站能力富余的前提下,研究如何获取抗干扰能力较好的接发车方案值得探讨,这将为分析车站能力与运行图抗干扰性的关系提供参考。因此,为获取高质量的列车接发车方案,需要研究车站接发车作业的进路分配问题。铁路客运站的进路分配问题是编制旅客列车运行计划的一部分,目的是为运行图中的列车分配无冲突的进路和站台,同时满足车站作业和运输组织的要求。进路分配问题中包含由列车运行图和车站平面图引起的时间和空间约束,求解进路分配问题的一个基本要求是疏解列车作业之间的时空冲突,同时考虑车站设备利用以及列车服务水平,进路分配问题的解称为进路分配方案。既有方法中的目标函数包括列车等级总权重最大化、到发线运用效用最大化、分配进路总权重最大化以及列车晚点时间最小化等,部分研究提到进路分配方案与列车作业抗干扰性的关系问题,但未能充分考虑车站能力富余条件下以优化抗干扰性为目标的进路分配问题。本文采用分层方法探讨进路分配问题与列车作业缓冲时间的关系,取得较好效果。首先以列车运行计算数据为基础,考虑列车接发车作业占用进路的详细时间,建立进路分配问题的约束满足模型。然后提出评价进路分配方案的定量指标,并利用仿真方法分析进路分配方案的抗干扰性,最后提出根据评价指标对进路分配方案进行局部优化的可行性。主要研究内容和结论包括以下五个方面。(1)构造列车作业时间窗重叠图模型。利用列车运行计算获取列车接发车作业占用轨道区段的时间窗信息,通过判断列车作业时间窗之间的关系,构造列车作业时间窗重叠图。利用该模型可以将列车作业按照时间窗重叠关系分为若干个簇,在求解进路分配问题时以这些簇为单位疏解列车作业的空间冲突。因此,列车作业时间窗重叠图模型可以将大规模的进路分配问题进行分解。(2)建立进路分配问题的约束满足模型,并利用求解约束规划(ConstraintProgramming, CP)问题的启发式搜索方法疏解列车作业的空间冲突。约束条件分为硬约束和软约束两类,硬约束表示不可违反的约束条件,包括股道作业间隔时间约束和进路冲突约束；软约束表示偏好,包括上下行约束、列车等级引起的约束、列车接续引起的约束、动车组运用计划引起的约束。求解过程分为约束识别、值排序以及回溯搜索(Backtracking)三个步骤。(3)建立评价进路分配方案的定量指标体系。指标主要包括“使用站台的偏好”、“缓冲时间数”、“最小缓冲时间”、“车站设备利用率”以及瓶颈和晚点传播等内容。由于列车停留的股道表明了旅客乘降及技术作业的可用站台,因此“列车分配最优股道的总权重”反映了车站为列车提供的服务水平。两项作业之间不存在缓冲时间表示它们是完全的平行作业,存在缓冲时间则表示相反情况,即前一项作业受到的扰动大于缓冲时间时,后一项作业就会被延误,因此“缓冲时间数,,表示进路分配方案中存在的潜在冲突数。“最小缓冲时间”是指进路分配方案中所有缓冲时间的最小值,它表示方案中最脆弱的两项作业,也表示整个方案能容忍的不引起晚点传播的最大扰动。“车站设备利用率”反映了股道与咽喉区轨道区段的利用率,根据这些指标可以发现车站平面图中对接发车作业构成瓶颈的道岔组或轨道区段。(4)利用有色时间Petri网技术建立进路分配方案的动态模型,并进行扰动分析。接发车作业的基本单元是列车占用和释放轨道区段的活动,在构造列车活动模型的基础上,建立单列车作业模型、两列车作业模型以及大规模进路分配方案的分层Petri网模型。模型可以描述列车运行图、车站轨道区段与进路以及进路分配方案,列车作业缓冲时间被隐式包含在模型中。通过对模型中的列车活动施加扰动,并收集模型中的列车实际到发时间信息,就可以获取扰动造成的晚点传播,从而识别方案中的瓶颈,并利用列车晚点时间等信息比较方案的抗干扰性。(5)基于实际车站平面图的案例分析表明缓冲时间的分布及大小是影响进路分配方案抗干扰性的根源,这一发现为进路分配方案的局部最优化及制定调车作业方案提供数据支撑。以包含1045条进路的车站平面图和持续时间为1小时的列车运行图为案例,利用既有的WNPP方法和本文的约束规划方法求解相同规模的问题,两种方法所得方案的最小缓冲时间分别为17秒和188秒。分别对两个方案施加360秒的扰动,约束规划方法所得方案中列车的平均出发晚点时间比WNPP方法所得方案中的列车晚点少35.07%,因此约束规划方法能得到抗干扰性较好的方案。这进一步验证了约束规划方法求解进路分配问题的有效性。

全文目录

致谢  5-7
中文摘要  7-9
ABSTRACT  9-15
图形目录  15-17
表格目录  17-18
第1章引言  18-32
  1.1 研究背景  18-19
  1.2 旅客列车运行计划的编制方法  19-25
    1.2.1 客流分配  20-21
    1.2.2 列车开行方案制定  21
    1.2.3 列车运行图编制  21-22
    1.2.4 动车组运用计划编制  22-23
    1.2.5 车站作业计划编制  23-25
  1.3 本文的研究目标与主要内容  25-26
  1.4 关键技术问题及研究方法  26-28
  1.5 本文结构安排  28-29
  1.6 小结  29-32
第2章进路分配问题概述  32-44
  2.1 数据准备  32-35
    2.1.1 车站平面图  32-33
    2.1.2 列车运行图与动车组运用计划  33
    2.1.3 列车运行计算  33-35
  2.2 缓冲时间定义  35-36
  2.3 典型方法讨论  36-38
    2.3.1 股道分配问题的图染色模型  36-37
    2.3.2 进路分配问题的整数线性规划模型  37-38
  2.4 既有方法的局限性分析  38-41
  2.5 CP方法的适用性分析  41-42
  2.6 小结  42-44
第3章进路分配问题的CP模型及算法  44-70
  3.1 资源调度问题综述  44-48
    3.1.1 概述  44
    3.1.2 问题的分类  44-46
    3.1.3 基于约束的模型描述  46-48
    3.1.4 可行性与强壮性目标  48
  3.2 进路分配问题描述  48-55
    3.2.1 问题分解  48-50
    3.2.2 定义描述  50-55
  3.3 列车作业时间窗重叠图描述  55-58
  3.4 RAP问题的CP模型  58-61
    3.4.1 CP模型的建立  58-59
    3.4.2 硬约束描述  59-60
    3.4.3 软约束描述  60-61
  3.5 约束集描述  61-62
  3.6 算法  62-67
    3.6.1 约束识别  63
    3.6.2 值排序  63-64
    3.6.3 BT搜索  64-65
    3.6.4 BJ搜索  65-67
  3.7 小结  67-70
第4章进路分配方案评价的指标体系  70-82
  4.1 方案评价的必要性分析  70-71
  4.2 进路分配方案描述  71-75
    4.2.1 缓冲时间分析  73-74
    4.2.2 瓶颈识别方法  74-75
  4.3 进路分配方案指标  75-79
    4.3.1 分配接发车进路的列车数  75
    4.3.2 使用站台的偏好  75-76
    4.3.3 缓冲时间数  76-77
    4.3.4 最小缓冲时间  77
    4.3.5 瓶颈引起的列车晚点时间及晚点列车数  77-78
    4.3.6 所有作业引起的平均晚点时间及平均晚点列车数  78
    4.3.7 股道利用率  78-79
  4.4 进路分配方案的敏感性分析  79-80
  4.5 小结  80-82
第5章进路分配方案评价的Petri网模型  82-96
  5.1 引言  82-83
  5.2 有色时间Petri网  83-84
  5.3 模型构造  84-89
    5.3.1 列车活动模型  86-87
    5.3.2 单列车作业模型  87-88
    5.3.3 两列车作业模型  88-89
  5.4 缓冲时间及晚点传播  89-90
  5.5 分层Petri网模型  90-93
  5.6 小结  93-96
第6章案例分析及讨论  96-122
  6.1 数据准备  96-100
    6.1.1 车站平面图  96-99
    6.1.2 列车到发时间及方向  99-100
  6.2 算法验证  100-107
  6.3 进路分配方案评价  107-114
    6.3.1 WNPP与CP  107-109
    6.3.2 扰动分析  109-114
  6.4 进路分配方案的敏感性分析  114-119
    6.4.1 列车数量分析  114-115
    6.4.2 扰动分析  115-116
    6.4.3 设备利用率分析  116-119
  6.5 局部优化  119-120
    6.5.1 可行性分析  119-120
    6.5.2 优化方法  120
  6.6 小结  120-122
第7章论文工作总结及研究展望  122-128
  7.1 本文的主要工作及研究结论  122-124
  7.2 本文的创新点  124-126
  7.3 值得进一步研究的内容  126-128
参考文献  128-138
附录A  138-146
作者简历  146-150
学位论文数据集  150

大型铁路客运站的进路分配问题及缓冲时间研究

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