高铁枢纽车站到发线运用与进路选择综合优化研究

黄全，贺振欢,何红

(1.广州铁路集团公司，广东 广州 510088；2.北京交通大学交通运输学院，北京 100044；3.广州铁路职业技术学院，广东 广州 510430)

【交通运输】

高铁枢纽车站到发线运用与进路选择综合优化研究

黄全1，贺振欢2,何红3

(1.广州铁路集团公司，广东 广州 510088；2.北京交通大学交通运输学院，北京 100044；3.广州铁路职业技术学院，广东 广州 510430)

通过分析高铁枢纽车站接发列车和客运作业的特点，考虑接发列车技术要求和现场客运组织要求，将到发线运用和进路选择作为整体进行综合优化，以到发线运用和检票口作业量均衡、接发列车受交叉干扰程度最小为优化目标，建立0-1整数规划模型，并针对实际问题设计蚁群算法求解。最后以广州南站为案例进行分析，结果表明各到发线接发列车数量和检票口作业量较为均衡，占用同一到发线相邻两列车最小时间间隔较为合理，有利于列车运行受到干扰时接发股道和时间的调整，达到了优化到发线运用和进路选择的目的。

高速铁路；枢纽车站；到发线运用；进路选择；蚁群算法

我国高速铁路枢纽车站具有站场规模大、衔接方向多，列车开行密度大、运行正点要求高，到发及换乘客流量大、客运服务质量要求高等特点，车站整体作业组织复杂。车站接发列车组织的通畅水平、客运组织的协调程度，很大程度上取决于车站到发线运用计划编制的好坏。因此，结合高铁枢纽车站行车和客运组织实际，制定科学合理的到发线运用计划，优化列车接发顺序和股道，是应对高铁枢纽车站接发列车数量迅速增长、到发线能力日趋紧张状况的需要，也是保障行车安全、提高车站作业组织效率的要求。

到发线运用计划是指在一定时间段内车站全部列车占用到发线及占用时间的计划，在确保列车进出站进路不冲突的前提下，尽可能地减少列车的等待时间。针对大型客运站的到发线运用优化问题，国内外已有不少研究。朱亮等[1-2]将到发线运用问题分为到发线占用和进路选择进行综合优化；谢楚农等[3-4]运用多目标规划理论与分枝定界法研究该问题；何林等[5-7]考虑了方便旅客乘降的问题；郭吉安等[8]构建了客专场与普速场到发线运用计划综合优化编制模型，并给出算法思路；雷明等[9]则在编制到发线运用计划时综合考虑了行车设备、客运设施布局、车站作业计划稳定性等因素；甘志泉[10]分析了目前到发线占用费用取值方法的缺陷，提出综合考虑列车运行方向、在站作业方式、列车种类等因素确定到发线占用费用的方法；曹键[11]以到发线运用均衡和旅客乘降便利为优化目标，运用免疫克隆选择算法进行求解。上述研究涉及了到发线运用优化问题的多个方面、多个角度，为后续相关研究提供了有益的参考，但针对实际站房站场规模大、接发列车作业极其繁忙、客运组织复杂的高速铁路枢纽车站的到发线运用优化问题的研究仍涉及较少。因此，本文在已有研究基础上，将到发线运用计划编制分为给列车分配到发线和选择合理接发车进路，结合大型高铁枢纽车站现场作业实际要求，考虑到发线运用相关约束条件，以到发线运用和检票口客运作业量均衡、接发列车交叉干扰次数最少为优化目的，对枢纽高铁站到发线运用优化问题进行深入研究。

1 到发线及进路占用约束条件

1.1 参数及变量定义

(2)决策变量定义。

1.2 约束条件

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

2 优化目标

(1)考虑到线路、道岔等过度使用造成设备磨损，以及检票口检票、换乘等客运作业问题，以到发线运用和检票口作业量均衡作为一个优化目标：

(10)

其中，考虑到经停列车有检票和换乘两项作业，作业时间相对最长，且经停、始发和终到列车的客运作业时间依次递减，因此设定系数a,b,c表示计算检票口工作量时对不同类型列车的权重取值，且b>a>c。

(2)考虑到列车在运行过程中会受到不确定的干扰，为保证接发列车作业的安全、减少临时股道变更及出现列车晚点时便于运行调整，所编制的计划应尽量避免进路交叉，且相邻列车间能够预留一定的缓冲时间，以进路交叉次数最少为另一个优化目标。

(11)

式中：

(12)

因此，确定本问题目标函数为：

z=min(λ·z1+μ·z2)，

式中,λ,μ为权重系数，且λ+μ=1，可根据实际需要选定取值。

由式(1)～(9)，(12)构成了到发线运用与进路选择优化模型。

3 算法设计

高铁枢纽车站接发列车数量多，模型变量规模庞大，若通过整数规划方法快速有效地求解模型是不现实的，而基于群体智能的蚁群算法能较好地解决多种NP难组合优化问题，因此本例采用蚁群算法求解模型。

3.1 算法策略

(1)节点状态转移规则。本文算法中的蚂蚁在当前节点i转移到下一节点j的规则由公式(13)决定：

(13)

式中，取q0=log(k)/log(K)，其中k为当前蚂蚁编号，K为最大蚂蚁数量；q∈(0,1)为随机数；τij(k)为节点i与j间的信息素量，ζij(k)为节点i与j间的启发信息量，α,β分别为信息素和启发信息在总信息量中的权重系数；Ri为由节点i可转移到的节点集合；u为由概率转移公式(14)计算出来的节点。本文列车在选择占用到发线及进路时，首先生成随机数q，若q≤q0，则选择占用[τij(k)]α·[ζij(k)]β最大的到发线和进路；否则，按式(14)随机选择。

(14)

(2)信息素更新规则。对同一外部循环下每次内部循环，每当蚂蚁从节点i转移到j后，路径(i,j)上的信息素按式(15)局部更新；对同一外部循环下所有内部循环中最优解对应路径上的信息素，按公式(16)全局更新。

τij(k+1)=(1-ρ)τij(k)+ρτ0，

(15)

(16)

(3)启发信息设计。本文根据车站作业实际需求设定若干“到发线优先运用原则”，若到发线占用符合相应原则，则按式(17)更新两节点间启发信息。

(17)

式中，N表示“到发线优先运用原则”总个数， n表示当前列车占用到发线满足的“到发线优先运用原则”个数。

3.2 算法流程

本文基于蚁群算法的到发线运用与进路选择优化方法流程如图1所示。

图1 基于蚁群算法的优化方法流程图Fig. 1 Flow chart of optimization method based on ant colony algorithm

4 案例分析

4.1 基本概况

以广州南站到发线运用优化问题为例，其站场如图2所示，由京广场(1～19道)和广珠场(20～28道)组成，其中IX、X为京广高铁正线，XXIII、XXIV为广珠城际正线。京广场连通10个方向：京广、广深港、南广、广珠联络线(至碧江)上下行，广州动车段A、B线；广珠场连通6个方向：广珠、贵广线上下行，广珠动车所A、B线，广珠场与京广场在南端由一渡线相连通。四条正线不能上水作业，股道7,8,13,14,25,26可吸污作业，20道禁止接入有客运营业的长编或重联动车组。2017年1月5日调图后，广州南站满图营业列车数量达365对。

图2 广州南站场示意图Fig. 2 Plan sketch of Guangzhou South station

根据广州南站作业实际情况，设定五个“到发线优先运用原则”：(1)列车由连通方向接入到发线或由到发线向连通方向发出时，应尽量避免穿越正线运行。如难以同时兼顾接发车时，应综合考虑影响最小的方案。例如由动车段B线出库车底尽可能接入10～19道，并由京广、南广上行线发车。(2)无需进行技术作业的动车组应优先接入不具备技术作业条件的到发线，预留可替代性小的功能性到发线。(3)南贵广方向列车在京广场接发时与京广高铁上下行列车造成交叉干扰影响较大，实际可考虑优先安排其在广珠场接发。(4)各检票口人工通道和自动检票闸机数量不尽相同，应优先将出发客流较大的始发列车(相对而言跨线列车在本站出发客流较少)安排在客运设备齐全的检票口作业。(5)为减少客流聚集、冲突，降低误乘风险，应尽量避免同站台不同到发线两列车同时作业。

动车组占用到发线及进路时间参数可参考表1。

表1 动车组占用到发线及进路时间参数

4.2 结果分析

利用C#编程实现算法，α,β分别取0.4,0.6，ρ取0.5，对广州南站到发线运用及进路选择进行优化编制。如图3所示为部分到发线运用方案图，根据实际和优化两个运用方案，计算得到相应评价指标，如表2所示。

图3 广珠场19:00～24:00列车占用到发线方案展示Fig. 3 Scheme of arrival-departure track utilization at Guangzhu station yard from 19:00 to 24:00

表2 实际与优化方案评价指标对比结果Table 2 Comparison of practical and optimized evaluation indexes

注：①表2中1号股道对应1号检票口，2,3对应2号检票口，……，28对应15号检票口。②“每一检票口换算客运作业量”栏中，各类列车权重值分别取始发列车为1.0，7:00-22:20终到列车0.8，跨线列车1.2，出入库车底、动检车等无客运营业的列车0。

5 结论

本文将高铁枢纽车站到发线运用与进路选择作为整体进行综合优化，同时考虑客运作业的要求，建立了综合优化模型，并对广州南站到发线运用方案进行优化编制，得到如下结果：

(1)通过本文方法优化编制得到的方案较实际方案更优，各到发线接发列车数量、检票口作业量都较为均衡，占用同一到发线相邻两列车最小时间间隔较为合理，且有利于列车运行受到干扰时接发股道和时间的调整。

(2)在对到发线运用与进路选择进行综合优化时，通过设立“到发线优先运用原则”，考虑了同一咽喉区不同线路不同方向接发列车交叉干扰、接发列车技术要求、客运作业要求等一系列因素，但未考虑车底故障长时间占用到发线、临时加开列车出入库占用到发线和进路等特殊突发情形，考虑这些因素所编制的方案将更加切合现场实际，因此这类问题在今后将有待进一步研究。

[1]朱亮，周浪雅，诸葛恒英.大型客运站到发线运用及进路决策模型研究[J].铁道运输与经济,2013，33(6):46-51.

[2]赵鹏,宋文波，陈霞，等.大型铁路客运站到发线与咽喉区综合运用优化[J].北京交通大学学报,2015,39(6):1-7.

[3]谢楚农,黎新华.铁路客运站到发线运用优化研究[J].中国铁道科学,2004,25(5):130-133.

[4]雷定猷,王栋,刘明翔.客运站股道运用优化模型及算法[J].交通运输工程学报,2007,7(5):84-87.

[5]何林,吕红霞.高速铁路车站到发线运用优化研究[J].铁道运输与经济,2012,35(8):47-50.

[6]夏明,周磊山.客专大站到发线运用随机机会约束模型与算法研究[J].物流技,2010,215(4):25-30.

[7]CAREY M，CARVILLE S. Scheduling and plat forming trains at busy complex stations[J]. Transportation Research Part：Policy and Practice A, 2003,37:195-224.

[8]郭吉安,石红国.客运专线与既有线衔接车站到发线运用优化研究[J].交通运输工程与信息学报,2012,10(2).132-136.

[9]雷明,孟学雷.多优化目标视角下高铁站到发线运用计划编制[J].山东科学,2016,29(4):60-67.

[10]甘志泉.高速铁路车站咽喉区与到发线综合运用优化[D].成都：西南交通大学,2017.

[11]曹键.高速铁路枢纽站到发线运用计划优化编制模型与算法研究[J].铁道经济研究,2016(6),17-20.

[12]杨浩.铁路运输组织学[M].3版.北京：中国铁道出版社,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

中国铁路总公司重点研究课题(2016X005-D)

黄全(1988—)，男，助理工程师，硕士研究生，研究方向为运输组织理论与技术。E-mail: huangquan2015@163.com

U293.2

A

1002-4026(2017)06-0079-08