高鐵樞紐車站到發線運用與進路選擇綜合優化研究

黃全，賀振歡,何紅

(1.廣州鐵路集團公司，廣東 廣州 510088；2.北京交通大學交通運輸學院，北京 100044；3.廣州鐵路職業技術學院，廣東 廣州 510430)

【交通運輸】

高鐵樞紐車站到發線運用與進路選擇綜合優化研究

黃全1，賀振歡2,何紅3

(1.廣州鐵路集團公司，廣東 廣州 510088；2.北京交通大學交通運輸學院，北京 100044；3.廣州鐵路職業技術學院，廣東 廣州 510430)

通過分析高鐵樞紐車站接發列車和客運作業的特點，考慮接發列車技術要求和現場客運組織要求，將到發線運用和進路選擇作為整體進行綜合優化，以到發線運用和檢票口作業量均衡、接發列車受交叉干擾程度最小為優化目標，建立0-1整數規劃模型，并針對實際問題設計蟻群算法求解。最后以廣州南站為案例進行分析，結果表明各到發線接發列車數量和檢票口作業量較為均衡，占用同一到發線相鄰兩列車最小時間間隔較為合理，有利于列車運行受到干擾時接發股道和時間的調整，達到了優化到發線運用和進路選擇的目的。

高速鐵路；樞紐車站；到發線運用；進路選擇；蟻群算法

我國高速鐵路樞紐車站具有站場規模大、銜接方向多，列車開行密度大、運行正點要求高，到發及換乘客流量大、客運服務質量要求高等特點，車站整體作業組織復雜。車站接發列車組織的通暢水平、客運組織的協調程度，很大程度上取決于車站到發線運用計劃編制的好壞。因此，結合高鐵樞紐車站行車和客運組織實際，制定科學合理的到發線運用計劃，優化列車接發順序和股道，是應對高鐵樞紐車站接發列車數量迅速增長、到發線能力日趨緊張狀況的需要，也是保障行車安全、提高車站作業組織效率的要求。

到發線運用計劃是指在一定時間段內車站全部列車占用到發線及占用時間的計劃，在確保列車進出站進路不沖突的前提下，盡可能地減少列車的等待時間。針對大型客運站的到發線運用優化問題，國內外已有不少研究。朱亮等[1-2]將到發線運用問題分為到發線占用和進路選擇進行綜合優化；謝楚農等[3-4]運用多目標規劃理論與分枝定界法研究該問題；何林等[5-7]考慮了方便旅客乘降的問題；郭吉安等[8]構建了客專場與普速場到發線運用計劃綜合優化編制模型，并給出算法思路；雷明等[9]則在編制到發線運用計劃時綜合考慮了行車設備、客運設施布局、車站作業計劃穩定性等因素；甘志泉[10]分析了目前到發線占用費用取值方法的缺陷，提出綜合考慮列車運行方向、在站作業方式、列車種類等因素確定到發線占用費用的方法；曹鍵[11]以到發線運用均衡和旅客乘降便利為優化目標，運用免疫克隆選擇算法進行求解。上述研究涉及了到發線運用優化問題的多個方面、多個角度，為后續相關研究提供了有益的參考，但針對實際站房站場規模大、接發列車作業極其繁忙、客運組織復雜的高速鐵路樞紐車站的到發線運用優化問題的研究仍涉及較少。因此，本文在已有研究基礎上，將到發線運用計劃編制分為給列車分配到發線和選擇合理接發車進路，結合大型高鐵樞紐車站現場作業實際要求，考慮到發線運用相關約束條件，以到發線運用和檢票口客運作業量均衡、接發列車交叉干擾次數最少為優化目的，對樞紐高鐵站到發線運用優化問題進行深入研究。

1 到發線及進路占用約束條件

1.1 參數及變量定義

(2)決策變量定義。

1.2 約束條件

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

2 優化目標

(1)考慮到線路、道岔等過度使用造成設備磨損，以及檢票口檢票、換乘等客運作業問題，以到發線運用和檢票口作業量均衡作為一個優化目標：

(10)

其中，考慮到經停列車有檢票和換乘兩項作業，作業時間相對最長，且經停、始發和終到列車的客運作業時間依次遞減，因此設定系數a,b,c表示計算檢票口工作量時對不同類型列車的權重取值，且b>a>c。

(2)考慮到列車在運行過程中會受到不確定的干擾，為保證接發列車作業的安全、減少臨時股道變更及出現列車晚點時便于運行調整，所編制的計劃應盡量避免進路交叉，且相鄰列車間能夠預留一定的緩沖時間，以進路交叉次數最少為另一個優化目標。

(11)

式中：

(12)

因此，確定本問題目標函數為：

z=min(λ·z1+μ·z2)，

式中,λ,μ為權重系數，且λ+μ=1，可根據實際需要選定取值。

由式(1)～(9)，(12)構成了到發線運用與進路選擇優化模型。

3 算法設計

高鐵樞紐車站接發列車數量多，模型變量規模龐大，若通過整數規劃方法快速有效地求解模型是不現實的，而基于群體智能的蟻群算法能較好地解決多種NP難組合優化問題，因此本例采用蟻群算法求解模型。

3.1 算法策略

(1)節點狀態轉移規則。本文算法中的螞蟻在當前節點i轉移到下一節點j的規則由公式(13)決定：

(13)

式中，取q0=log(k)/log(K)，其中k為當前螞蟻編號，K為最大螞蟻數量；q∈(0,1)為隨機數；τij(k)為節點i與j間的信息素量，ζij(k)為節點i與j間的啟發信息量，α,β分別為信息素和啟發信息在總信息量中的權重系數；Ri為由節點i可轉移到的節點集合；u為由概率轉移公式(14)計算出來的節點。本文列車在選擇占用到發線及進路時，首先生成隨機數q，若q≤q0，則選擇占用[τij(k)]α·[ζij(k)]β最大的到發線和進路；否則，按式(14)隨機選擇。

(14)

(2)信息素更新規則。對同一外部循環下每次內部循環，每當螞蟻從節點i轉移到j后，路徑(i,j)上的信息素按式(15)局部更新；對同一外部循環下所有內部循環中最優解對應路徑上的信息素，按公式(16)全局更新。

τij(k+1)=(1-ρ)τij(k)+ρτ0，

(15)

(16)

(3)啟發信息設計。本文根據車站作業實際需求設定若干“到發線優先運用原則”，若到發線占用符合相應原則，則按式(17)更新兩節點間啟發信息。

(17)

式中，N表示“到發線優先運用原則”總個數， n表示當前列車占用到發線滿足的“到發線優先運用原則”個數。

3.2 算法流程

本文基于蟻群算法的到發線運用與進路選擇優化方法流程如圖1所示。

圖1 基于蟻群算法的優化方法流程圖Fig. 1 Flow chart of optimization method based on ant colony algorithm

4 案例分析

4.1 基本概況

以廣州南站到發線運用優化問題為例，其站場如圖2所示，由京廣場(1～19道)和廣珠場(20～28道)組成，其中IX、X為京廣高鐵正線，XXIII、XXIV為廣珠城際正線。京廣場連通10個方向：京廣、廣深港、南廣、廣珠聯絡線(至碧江)上下行，廣州動車段A、B線；廣珠場連通6個方向：廣珠、貴廣線上下行，廣珠動車所A、B線，廣珠場與京廣場在南端由一渡線相連通。四條正線不能上水作業，股道7,8,13,14,25,26可吸污作業，20道禁止接入有客運營業的長編或重聯動車組。2017年1月5日調圖后，廣州南站滿圖營業列車數量達365對。

圖2 廣州南站場示意圖Fig. 2 Plan sketch of Guangzhou South station

根據廣州南站作業實際情況，設定五個“到發線優先運用原則”：(1)列車由連通方向接入到發線或由到發線向連通方向發出時，應盡量避免穿越正線運行。如難以同時兼顧接發車時，應綜合考慮影響最小的方案。例如由動車段B線出庫車底盡可能接入10～19道，并由京廣、南廣上行線發車。(2)無需進行技術作業的動車組應優先接入不具備技術作業條件的到發線，預留可替代性小的功能性到發線。(3)南貴廣方向列車在京廣場接發時與京廣高鐵上下行列車造成交叉干擾影響較大，實際可考慮優先安排其在廣珠場接發。(4)各檢票口人工通道和自動檢票閘機數量不盡相同，應優先將出發客流較大的始發列車(相對而言跨線列車在本站出發客流較少)安排在客運設備齊全的檢票口作業。(5)為減少客流聚集、沖突，降低誤乘風險，應盡量避免同站臺不同到發線兩列車同時作業。

動車組占用到發線及進路時間參數可參考表1。

表1 動車組占用到發線及進路時間參數

4.2 結果分析

利用C#編程實現算法，α,β分別取0.4,0.6，ρ取0.5，對廣州南站到發線運用及進路選擇進行優化編制。如圖3所示為部分到發線運用方案圖，根據實際和優化兩個運用方案，計算得到相應評價指標，如表2所示。

圖3 廣珠場19:00～24:00列車占用到發線方案展示Fig. 3 Scheme of arrival-departure track utilization at Guangzhu station yard from 19:00 to 24:00

表2 實際與優化方案評價指標對比結果Table 2 Comparison of practical and optimized evaluation indexes

注：①表2中1號股道對應1號檢票口，2,3對應2號檢票口，……，28對應15號檢票口。②“每一檢票口換算客運作業量”欄中，各類列車權重值分別取始發列車為1.0，7:00-22:20終到列車0.8，跨線列車1.2，出入庫車底、動檢車等無客運營業的列車0。

5 結論

本文將高鐵樞紐車站到發線運用與進路選擇作為整體進行綜合優化，同時考慮客運作業的要求，建立了綜合優化模型，并對廣州南站到發線運用方案進行優化編制，得到如下結果：

(1)通過本文方法優化編制得到的方案較實際方案更優，各到發線接發列車數量、檢票口作業量都較為均衡，占用同一到發線相鄰兩列車最小時間間隔較為合理，且有利于列車運行受到干擾時接發股道和時間的調整。

(2)在對到發線運用與進路選擇進行綜合優化時，通過設立“到發線優先運用原則”，考慮了同一咽喉區不同線路不同方向接發列車交叉干擾、接發列車技術要求、客運作業要求等一系列因素，但未考慮車底故障長時間占用到發線、臨時加開列車出入庫占用到發線和進路等特殊突發情形，考慮這些因素所編制的方案將更加切合現場實際，因此這類問題在今后將有待進一步研究。

[1]朱亮，周浪雅，諸葛恒英.大型客運站到發線運用及進路決策模型研究[J].鐵道運輸與經濟,2013，33(6):46-51.

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[12]楊浩.鐵路運輸組織學[M].3版.北京：中國鐵道出版社,2013:68-92.

Comprehensiveoptimizationforutilizationofarrival-departuretracksandrouteselectioninhub-stationofhigh-speedrailway

HUANGQuan1,HEZhen-huan2,HEHong3

(1.GuangzhouRailwayCorporation，Guangzhou510088，China;2.TrafficandTransportationSchool,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China;3.GuangzhouInstituteofRailwayTechnology,Guangzhou510430,China)

∶Through analyzing characteristics of arrival and departure of trains as well as passenger services, and considering technique requirements of train arrival & departure and passenger organization in high-speed railway hub-station, the use of arrival-departure track and route selection were taken as a whole to be optimized comprehensively. Aiming at the equilibrium use of arrival-departure track, the equilibrium workload of ticket-check entrance, and the minimum conflict of train arriving and departing, the 0-1 integer programming models were established. Meanwhile, the ant colony algorithm was designed to solve practical problems. Taking Guangzhou South station for an example, results showed that the utilization of arrival-departure tracks and the workload of ticket-check entrances were more balanced, and the minimum time interval of two trains which occupied the same arrival-departure track was more reasonable, which was beneficial to the adjustment of track and time when the train was delayed and disturbed, achieving goals of optimization for utilization of arrival-departure tracks and route selection.

∶high-speed railway; hub-station; utilization of arrival-departure tracks; route selection; ant colony algorithm

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.06.013

2017-05-19

中國鐵路總公司重點研究課題(2016X005-D)

黃全(1988—)，男，助理工程師，碩士研究生，研究方向為運輸組織理論與技術。E-mail: huangquan2015@163.com

U293.2

A

1002-4026(2017)06-0079-08