胡亞峰
(北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100073)
隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快,城市交通堵塞和環(huán)境污染也日益嚴(yán)重。只有采用大客運(yùn)量的軌道交通系統(tǒng),才能從根本上解決城市公共交通問(wèn)題。截至2011年底,我國(guó)大陸已有北京、上海、南京等13個(gè)城市建成軌道交通系統(tǒng)[1],另有蘇州、寧波等22個(gè)城市在建或通過(guò)審批。
列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃規(guī)定了列車(chē)運(yùn)行的時(shí)間與空間關(guān)系,是鐵路運(yùn)營(yíng)組織的基礎(chǔ)。該計(jì)劃包含列車(chē)在各車(chē)站的起停時(shí)間、作業(yè)方式、折返方式及所用車(chē)輛、出入庫(kù)路徑等。通過(guò)列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃,整個(gè)鐵路網(wǎng)的生產(chǎn)活動(dòng)聯(lián)成一個(gè)整體,并有秩序地進(jìn)行作業(yè)。與長(zhǎng)距離軌道交通相比,城市軌道交通具有客流量大、客流時(shí)空分布不均衡、站間距短、車(chē)站配線少等特點(diǎn),這給其列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃的編制帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。
在城市軌道交通系統(tǒng)建設(shè)初期,需要考慮軌道交通系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模、建設(shè)方案、車(chē)輛選型和系統(tǒng)建成以后的各種運(yùn)營(yíng)指標(biāo)等,以指導(dǎo)軌道交通系統(tǒng)的建設(shè);在系統(tǒng)建設(shè)后期,需要快速編制高效的列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃,以適應(yīng)客流變化及線路改造,保障軌道交通系統(tǒng)高效和安全運(yùn)營(yíng)。這些都需要高效的列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃編制與驗(yàn)證系統(tǒng),以提升城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)效率和安全性。
本文結(jié)合北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司在該領(lǐng)域的研究成果,回顧當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展,介紹系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能組成,詳細(xì)研究若干關(guān)鍵問(wèn)題。需要指出的是,本文的研究背景為城市軌道交通,但相關(guān)研究成果對(duì)長(zhǎng)距離軌道交通同樣具有借鑒意義。
自上世紀(jì)50年代始,國(guó)外學(xué)者即開(kāi)始研究利用計(jì)算機(jī)編制列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃[2]。日本注重人工智能方法,將計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成的解作為原始方案,再采用人機(jī)交互方式進(jìn)行修正。前蘇聯(lián)著眼運(yùn)輸生產(chǎn)上的實(shí)用性,應(yīng)用計(jì)算機(jī)代替人工運(yùn)算。荷蘭基于列車(chē)周期時(shí)刻表模型,開(kāi)發(fā)了運(yùn)行計(jì)劃編制的決策支持系統(tǒng)[3]。此外,美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家也先后進(jìn)行相關(guān)研究與實(shí)驗(yàn),取得了一些成果。我國(guó)自上世紀(jì)60年代也開(kāi)始研究列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃編制問(wèn)題。鐵道部科學(xué)研究院率先于1962年利用計(jì)算機(jī)鋪劃非平行運(yùn)行圖。西南交通大學(xué)引入專(zhuān)家系統(tǒng),研究了運(yùn)行計(jì)劃編制中的人工智能問(wèn)題,并設(shè)計(jì)了全路運(yùn)行圖編制系統(tǒng)[4]。
在城市軌道交通領(lǐng)域,國(guó)外對(duì)列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃編制的研究起步較早,且有較成熟的軟件產(chǎn)品。西門(mén)子公司于1998年開(kāi)始研制名為“Falko”的軟件[5],用于鐵路系統(tǒng)時(shí)刻表的建立、驗(yàn)證和運(yùn)營(yíng)仿真。它以完整的閉環(huán)交通控制系統(tǒng)為模型,提供實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程的真實(shí)模擬,是高質(zhì)量、有效的時(shí)刻表編制與驗(yàn)證系統(tǒng)。阿爾卡特、通用電氣、阿爾斯通等信號(hào)系統(tǒng)提供商也有各自配套的時(shí)刻表系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)對(duì)該方向的研究落后于國(guó)外,但近幾年發(fā)展速度很快。同濟(jì)大學(xué)研制的TPM編圖軟件[6],實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行計(jì)劃的計(jì)算機(jī)編制與調(diào)整,使運(yùn)營(yíng)部門(mén)擺脫了Excel等第三方工具,提高了生產(chǎn)效率。在牽引計(jì)算、列車(chē)運(yùn)行仿真、運(yùn)輸計(jì)劃優(yōu)化等方向,國(guó)內(nèi)學(xué)者做出了一定貢獻(xiàn)。總體而言,國(guó)內(nèi)研究成果覆蓋面較廣,但缺乏深度,也缺少有影響力的產(chǎn)品。
該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)市場(chǎng)基本被國(guó)外信號(hào)公司主導(dǎo),但國(guó)外公司產(chǎn)品往往與自身信號(hào)系統(tǒng)綁定,不提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)配置接口,且人機(jī)交互方式不適應(yīng)國(guó)內(nèi)用戶(hù)習(xí)慣[7]。國(guó)內(nèi)公司的一些相關(guān)軟件產(chǎn)品也在地鐵運(yùn)營(yíng)公司和鐵路設(shè)計(jì)院有應(yīng)用,但幾乎都集中于人工編制與人工調(diào)整等功能,在運(yùn)行計(jì)劃優(yōu)化和高精度仿真驗(yàn)證方面鮮有突破。
構(gòu)建具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃編制與驗(yàn)證系統(tǒng),是一項(xiàng)緊迫而又富有挑戰(zhàn)的任務(wù)。該系統(tǒng)涉及的客流預(yù)測(cè)與分析、列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃優(yōu)化、運(yùn)營(yíng)評(píng)估等依托于軌道交通運(yùn)輸專(zhuān)業(yè),而列車(chē)牽引建模與計(jì)算、信號(hào)系統(tǒng)仿真等又依托于信號(hào)控制專(zhuān)業(yè)。北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司組織各相關(guān)專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì),借鑒國(guó)內(nèi)外成功經(jīng)驗(yàn)與先進(jìn)技術(shù),依托北京地鐵8號(hào)線等工程項(xiàng)目,對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行了長(zhǎng)期和深入的研究,取得了一些成果。
列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃編制與驗(yàn)證系統(tǒng)由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、運(yùn)行計(jì)劃優(yōu)化編制、運(yùn)行計(jì)劃人工編輯、仿真驗(yàn)證和運(yùn)行計(jì)劃輸出等5大模塊構(gòu)成,總體結(jié)構(gòu)和主界面分別如圖1、2所示。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃編制的基礎(chǔ)和依據(jù),包括客流數(shù)據(jù)、線路數(shù)據(jù)、車(chē)輛數(shù)據(jù)、信號(hào)參數(shù)和時(shí)間標(biāo)尺等。
客流數(shù)據(jù)指未來(lái)某一日期范圍內(nèi)的線路客流量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),主要包括分時(shí)分方向斷面客流量、分時(shí)起訖點(diǎn)客流分布、分時(shí)分方向換乘量等。線路數(shù)據(jù)包括線路平面圖、平縱斷面、站場(chǎng)圖、車(chē)輛段分布等。車(chē)輛數(shù)據(jù)包括可用車(chē)輛的型號(hào)、數(shù)量、編組、牽引性能、初始分布等。信號(hào)參數(shù)描述了進(jìn)路、保護(hù)區(qū)段、限速區(qū)段、ATC類(lèi)型、聯(lián)鎖類(lèi)型等信號(hào)細(xì)節(jié)信息。時(shí)間標(biāo)尺規(guī)定了區(qū)間運(yùn)行時(shí)間、停站時(shí)間、折返時(shí)間、出入庫(kù)時(shí)間、追蹤間隔時(shí)間等時(shí)間參數(shù)的默認(rèn)值。

運(yùn)行計(jì)劃優(yōu)化編制是本系統(tǒng)的核心模塊。列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃按精細(xì)度可分為運(yùn)力配置計(jì)劃、車(chē)輛計(jì)劃、運(yùn)行計(jì)劃和進(jìn)路計(jì)劃。
運(yùn)力配置計(jì)劃編制是計(jì)劃優(yōu)化編制的第一步,主要依據(jù)客流預(yù)測(cè)結(jié)果和具體線路的折返站情況設(shè)置交路形式、停車(chē)方案和分時(shí)開(kāi)行密度。車(chē)輛計(jì)劃是計(jì)劃優(yōu)化編制的第二步,以車(chē)輛使用數(shù)最小化為目標(biāo),考慮車(chē)輛種類(lèi)及初始分布等約束條件,為每個(gè)單車(chē)次分配一輛列車(chē),同時(shí)生成所需的出庫(kù)和入庫(kù)車(chē)次。運(yùn)行計(jì)劃是計(jì)劃優(yōu)化編制的第三步,將車(chē)輛計(jì)劃精確到車(chē)站軌道,并確定具體的折返路徑。進(jìn)路計(jì)劃是計(jì)劃優(yōu)化編制的最后一步,將運(yùn)行計(jì)劃精細(xì)到進(jìn)路區(qū)段,并考慮各進(jìn)路區(qū)段間的互斥來(lái)保證計(jì)劃的合理性。
運(yùn)行計(jì)劃人工編輯貫穿于計(jì)劃編制全過(guò)程,通過(guò)一系列人機(jī)交互界面方便用戶(hù)修改編制結(jié)果。該模塊按功能可分為添加列車(chē)、修改列車(chē)、刪除列車(chē)、復(fù)制列車(chē)、交路合并和交路分拆等6部分。
添加列車(chē)功能供用戶(hù)人工增加單輛完整列車(chē),可配置運(yùn)行交路、運(yùn)行時(shí)間、折返路徑等信息。修改列車(chē)功能供用戶(hù)修改已有列車(chē)的信息。刪除列車(chē)功能供用戶(hù)刪除已有的單輛或多輛列車(chē)。復(fù)制列車(chē)功能以已有列車(chē)為模板,單次增加多輛相似列車(chē)。交路合并和交路分拆功能分別用于兩輛列車(chē)合并和單輛列車(chē)分拆。通過(guò)以上功能,用戶(hù)可對(duì)運(yùn)行計(jì)劃做出全面且合理的修改。
該模塊對(duì)軌道交通各運(yùn)行要素建模,并設(shè)置各類(lèi)運(yùn)行故障,以驗(yàn)證列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃的合理性。運(yùn)行要素包括客流、ATC、聯(lián)鎖和車(chē)輛牽引系統(tǒng)。
客流仿真用于模擬旅客在車(chē)站的動(dòng)態(tài)行為,包括到站、安檢、過(guò)閘機(jī)、行走、排隊(duì)、等待、上車(chē)、下車(chē)和離站等行為。ATC仿真包括列車(chē)自動(dòng)防護(hù)模擬和晚點(diǎn)情形下的自動(dòng)調(diào)整策略模擬。聯(lián)鎖仿真指模擬信號(hào)機(jī)、道岔和進(jìn)路間的相互制約關(guān)系。牽引計(jì)算指根據(jù)車(chē)輛牽引性能、線路平縱斷面及限速信息,動(dòng)態(tài)計(jì)算列車(chē)的運(yùn)行速度。模擬驗(yàn)證過(guò)程中,列車(chē)運(yùn)行情況和信號(hào)系統(tǒng)狀態(tài)同步顯示于圖形窗口上。
運(yùn)行計(jì)劃輸出模塊以多種形式輸出運(yùn)行計(jì)劃,以滿足不同部門(mén)的使用需求。這些形式包括車(chē)底時(shí)刻表、車(chē)站時(shí)刻表、車(chē)次時(shí)刻表、進(jìn)路計(jì)劃和運(yùn)營(yíng)評(píng)估結(jié)果。
車(chē)底時(shí)刻表指按車(chē)底編號(hào)輸出的時(shí)刻表,同一車(chē)底關(guān)聯(lián)的所有單車(chē)次按時(shí)間先后次序排列。車(chē)站時(shí)刻表指按車(chē)站輸出的時(shí)刻表,同一車(chē)站經(jīng)過(guò)的所有單車(chē)次按時(shí)間先后次序排列。車(chē)次時(shí)刻表指按單車(chē)次號(hào)次序輸出的時(shí)刻表。進(jìn)路計(jì)劃包含了列車(chē)運(yùn)行所需的詳細(xì)進(jìn)路信息,供信號(hào)系統(tǒng)使用。運(yùn)營(yíng)評(píng)估結(jié)果指系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行計(jì)劃的分析評(píng)估信息,如列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃協(xié)調(diào)性、可實(shí)施性和安全性等。
運(yùn)力配置計(jì)劃規(guī)定了線路的旅客輸送任務(wù),其編制基礎(chǔ)是客流預(yù)測(cè)結(jié)果和線路信息。交路的起訖站依據(jù)客流空間分布密度和具體折返站情況設(shè)置,其形式包括單一列車(chē)交路、大小列車(chē)交路和共線列車(chē)交路等。各交路的站停方案和站停時(shí)間依據(jù)各站的斷面客流密度而定。交路的開(kāi)行密度依據(jù)客流時(shí)間分布密度而定,需考慮追蹤間隔時(shí)間約束。
運(yùn)力配置計(jì)劃的優(yōu)化目標(biāo)可分為兩個(gè)層面,分別為面向運(yùn)營(yíng)單位和面向旅客。對(duì)于運(yùn)營(yíng)單位,需考慮運(yùn)營(yíng)成本與收益,這要求單車(chē)滿載率盡可能高。對(duì)于旅客,需考慮等待時(shí)間和換乘次數(shù)等服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題,這要求發(fā)車(chē)頻率盡可能高且盡量開(kāi)行長(zhǎng)交路。綜合考慮線路運(yùn)營(yíng)成本、旅客等待時(shí)間和旅行時(shí)間,定量分析三者間的關(guān)系,構(gòu)建了多目標(biāo)優(yōu)化模型,并應(yīng)用啟發(fā)式算法處理和求解該模型,取得了較好的結(jié)果。
車(chē)輛計(jì)劃指為滿足運(yùn)力配置計(jì)劃而制定的車(chē)輛使用計(jì)劃。單條線路可含多個(gè)車(chē)輛段(含停車(chē)場(chǎng)),各車(chē)輛段配置的車(chē)輛種類(lèi)和數(shù)量也不一樣,這給車(chē)輛調(diào)度帶來(lái)了一定復(fù)雜性。車(chē)輛計(jì)劃的優(yōu)化目標(biāo)為車(chē)輛使用數(shù)最小化,約束條件包括各車(chē)輛段存車(chē)線數(shù)、存車(chē)種類(lèi)、存車(chē)數(shù)、最小出入庫(kù)時(shí)間、最小檢修周期、各折返站最小折返時(shí)間和各車(chē)站最大存車(chē)數(shù)等。此外,如車(chē)輛需在指定車(chē)輛段檢修,則需該車(chē)輛段的出庫(kù)車(chē)輛與入庫(kù)車(chē)輛一致;如要求各車(chē)輛段車(chē)輛均衡使用,則需要設(shè)置各車(chē)輛段的最小用車(chē)數(shù)。
針對(duì)該優(yōu)化問(wèn)題,分別建立了車(chē)輛同向銜接模型、異向銜接模型、車(chē)站存車(chē)模型和出入庫(kù)模型。優(yōu)化方法上采取分步優(yōu)化策略。首先只考慮折返時(shí)間和車(chē)站最大存車(chē)數(shù)約束,同時(shí)增加必要的單車(chē)次,以最小化車(chē)輛使用數(shù)。其次考慮車(chē)輛段相關(guān)的各項(xiàng)約束關(guān)系,增加出庫(kù)車(chē)次和入庫(kù)車(chē)次。最后對(duì)車(chē)輛使用數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化,合并同一車(chē)輛段滿足最小檢修周期約束的車(chē)輛,并對(duì)同向車(chē)次間隔時(shí)間作平滑處理。對(duì)北京地鐵多條線路實(shí)施該優(yōu)化策略,在優(yōu)化效果和求解時(shí)間上都有一定優(yōu)勢(shì),如圖3所示。

列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃需進(jìn)一步精確到軌道,并確定具體的折返路徑。折返站一般配置多條渡線或折返線。列車(chē)在折返站也相應(yīng)存在多條折返路徑,可分為站前折返和站后折返兩大類(lèi)。根據(jù)使用渡線或折返線的不同,各大類(lèi)又可細(xì)分為若干小類(lèi)。折返站的折返能力是影響線路運(yùn)輸能力的主要因素之一。運(yùn)行計(jì)劃編制中,需要通過(guò)優(yōu)化折返路徑與折返時(shí)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)正線運(yùn)營(yíng)與折返的有效銜接。
通過(guò)對(duì)列車(chē)在折返站的作業(yè)過(guò)程分析和分解,本系統(tǒng)自動(dòng)提取關(guān)鍵位置點(diǎn)。分析各作業(yè)子過(guò)程間的關(guān)系可知,同一列車(chē)不同子過(guò)程在時(shí)間上存在接續(xù)關(guān)系,在空間上存在接續(xù)關(guān)系和選擇關(guān)系;不同列車(chē)子過(guò)程間的約束關(guān)系可分為相容、部分互斥和完全互斥3類(lèi)關(guān)系。如此,折返站作業(yè)可視為離散事件驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng),可建立基于事件驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)空間模型。如圖4所示,基于該模型,設(shè)計(jì)面向折返調(diào)度的遞推式算法,可有效確定運(yùn)行計(jì)劃中各列車(chē)的占用軌道和折返路徑。

與單線路相比,軌道交通網(wǎng)絡(luò)的客流將呈現(xiàn)不同的特征,其運(yùn)行計(jì)劃優(yōu)化問(wèn)題也更復(fù)雜。從路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)角度,必須進(jìn)一步提高路網(wǎng)客流預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性、各線路運(yùn)力配置的均衡性和運(yùn)行計(jì)劃的協(xié)調(diào)性。路網(wǎng)形成后,客流的產(chǎn)生、時(shí)間分布和空間分布特性都會(huì)發(fā)生變化。建立更準(zhǔn)確有效的預(yù)測(cè)模型和分析技術(shù),才能得到精準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)客流數(shù)據(jù)。運(yùn)力配置的均衡性主要考慮換乘站,包括不同線路在換乘站的客流高峰時(shí)段不同時(shí)到達(dá)、延續(xù)時(shí)間不等及線路間換乘客流不均衡等情況。運(yùn)行計(jì)劃的協(xié)調(diào)性主要考慮換乘旅客的方便和快捷,各線首末班車(chē)次發(fā)車(chē)時(shí)刻及各線列車(chē)在換乘站的到發(fā)時(shí)刻需協(xié)調(diào),以盡可能減少乘客的換乘時(shí)間。
軌道交通運(yùn)營(yíng)仿真按空間可分為車(chē)站、線路和路網(wǎng)等3個(gè)層次。車(chē)站仿真需模擬旅客到站、安檢、過(guò)閘機(jī)、行走、等待、排隊(duì)、上車(chē)、下車(chē)和離站全過(guò)程,需構(gòu)建旅客模型、車(chē)站環(huán)境與設(shè)備模型和列車(chē)模型。線路仿真需模擬不同情形下列車(chē)在線路上的運(yùn)行狀態(tài)及車(chē)流與客流的聯(lián)動(dòng)關(guān)系,需構(gòu)建客流模型、ATC模型、聯(lián)鎖模型和車(chē)輛牽引模型。路網(wǎng)仿真需模擬車(chē)站、線路和路網(wǎng)3層人流、車(chē)流和信號(hào)系統(tǒng)的集成聯(lián)動(dòng)關(guān)系。
對(duì)客流、既有信號(hào)系統(tǒng)和車(chē)輛牽引系統(tǒng)建模,基于列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃,本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)車(chē)站和線路仿真。系統(tǒng)可設(shè)置臨時(shí)限速、客流擁塞、車(chē)門(mén)故障和信號(hào)設(shè)備故障等各類(lèi)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景,以多種速率進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn),從而對(duì)運(yùn)行計(jì)劃與運(yùn)行結(jié)果的內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行評(píng)估。實(shí)際運(yùn)營(yíng)中很難實(shí)施的極限實(shí)驗(yàn)和突發(fā)情況可以在此系統(tǒng)上得以復(fù)現(xiàn)和研究。
運(yùn)營(yíng)評(píng)估從車(chē)站、線路和網(wǎng)絡(luò)等不同層面上對(duì)軌道交通路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)能力進(jìn)行分析與評(píng)估。運(yùn)營(yíng)評(píng)估的數(shù)據(jù)來(lái)源于歷史運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)和列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃的仿真結(jié)果。評(píng)估方法包括線路運(yùn)輸能力、路網(wǎng)運(yùn)輸能力、列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃協(xié)調(diào)性和可實(shí)施性、換乘站銜接、首末車(chē)銜接、實(shí)際運(yùn)營(yíng)效果和運(yùn)營(yíng)安全性等。通過(guò)研究運(yùn)營(yíng)評(píng)估理論和方法,可為高效配置路網(wǎng)資源、保障安全運(yùn)營(yíng)和提高服務(wù)水平提供科學(xué)依據(jù),為運(yùn)營(yíng)部門(mén)提供決策支持,實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)整體效益的提升。
隨著城市軌道交通路網(wǎng)的逐步建成,列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃編制與驗(yàn)證系統(tǒng)將對(duì)路網(wǎng)安全高效運(yùn)營(yíng)發(fā)揮日益重要的作用。本文結(jié)合北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司研究成果,回顧了國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展,介紹了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能組成,詳細(xì)分析了其中幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃編制與驗(yàn)證系統(tǒng),是一項(xiàng)緊迫而又富有挑戰(zhàn)的任務(wù),需要更多研究團(tuán)體和相關(guān)企業(yè)的參入。
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