大型高速铁路车站作业计划 自动编制技术研究

刘 敏，张伯驹，林 枫，安 迪，刘晓溪

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 运输及经济研究所，北京 100081； 2. 中国铁路信息科技集团 有限公司，北京 100844）

0 引言

编制车站作业计划是传统的运输组织方案优化问题，是列车运行图编制的重要环节。刘敏等[1]依据车站办理的列车结构，考虑一定的缓冲时间要求，通过仿真编制高速铁路车站作业计划，测算车站通过能力。任禹谋等[2]引入滚动时域调度策略建立高速铁路车站到发线动态调整模型，采用遗传算法求解。应恒[3]在车站轨道电路分段解锁、列车密集到发、紧凑作业的场景下，以车站单方向追踪列车到达方向列车间隔时间总和最小为优化目标，以到发线与进路占用唯一性、整体性、到发线安全使用间隔、列车间隔时间、进路冲突疏解等为约束，构建高速铁路列车进路分配优化模型。马驷等[4]考虑列车晚点的情况，以车站作业过程占用车站设备的不均衡性最小和列车进站延误时间最短为目标，建立后续列车进路分配方案的动态调整模型。刘杰等[5]以作业计划稳定性强和接发车进路条件优为目标，构建高速铁路车站股道与咽喉区运用多目标优化模型，采用改进的带精英策略的非支配排序遗传算法求解。甘志良[6]建立以符合股道固定使用方案、提高车站作业效率和计划稳定性为目标的高速铁路车站股道综合运用优化模型，提出综合考虑列车运行方向、列车在站作业方式、列车种类3方面因素确定股道占用费用的方法，基于多目标遗传算法的思想设计求解算法。邓远冬[7]构建列车晚点下高速铁路车站股道运用调整模型，设计基于拉格朗日松弛的求解算法。黄全等[8]以股道运用和检票口作业量均衡、接发列车交叉干扰程度最小为优化目标，建立高速铁路车站作业计划0-1整数规划模型，设计蚁群算法求解。

大型高速铁路车站一般与动车所相邻，始发、终到、出入库等各种类型的列车较多，存在大量的进路交叉，人工编制方案的难度较高。给定列车时刻表和车底交路方案的情况下，全面考虑列车到发时刻调整，上水、吸污和转线等作业安排，以及动车所出入库等情形，提出优化编制模型以及以自动编制过程为主、人机交互过程为辅的自动编制流程。采用自主开发的自动编制系统，实例验证优化编制模型和自动编制流程。

1 大型高速铁路车站作业分析

1.1 列车作业类型

在编制大型高速铁路车站作业计划时，一般将与其相邻的动车所看作车站的一个接车和发车方向，将车站内的列车作业类型分为接车（包括出库）、发车（包括入库）、通过、转线4类，不同列车在车站的作业类型如表1所示。在站场条件允许（如启用牵出线）的情况下，除通过和停站列车外，其他类型的列车均可考虑安排转线作业。

表1 不同列车在车站的作业类型Tab.1 Types of train operation at station

1.2 车站路径选择

将列车作业的进路依次连接，构成列车在车站内的路径。大型高速铁路车站的股道数量较多，每列车一般存在多条路径，若该列车在车站有上水和吸污等作业要求，其车站路径需满足该要求。

安排转线作业可在一定程度上优化车站作业秩序，也在一定程度上增加车站作业负担。以北京南站高速场为例，假定可利用牵出线组织转线作业，19道具备吸污作业条件。对需进行吸污作业的廊坊站立折列车，路径1利用19道接发，不安排转线作业，但发车进路切割咽喉，与接车进路产生交叉，车站路径1如图1所示；路径2利用19道接车，利用牵出线转线，利用11道发车，安排转线作业，发车进路不切割咽喉，车站路径2如图2所示。

图1 车站路径1Fig.1 First itinerary of the train station

图2 车站路径2Fig.2 Second itinerary of the train station

1.3 进路占用时间

由于占用时间存在差异，将进路分解为空间上互不包含的股道区段和咽喉区段，均称为进路区段，进路区段的占用开始和结束时刻基本均可以列车到发时刻（或转线作业的发到时刻）为基准，提前或推迟固定的时长表示，进路占用时间示意图如图3所示。其中，对于发车和通过作业，考虑出发追踪要求，以出清区间第一离去闭塞分区为进路占用结束时刻，对比进路释放时刻存在较小的冗余时间，对编制车站作业计划的影响很小。

图3 进路占用时间示意图Fig.3 Route occupation time

2 车站作业计划优化编制模型

大型高速铁路车站作业计划优化编制的基本思路，是通过给定列车时刻表、车底交路方案以及列车到发时刻的调整范围，全面考虑列车到发时刻调整、上水、吸污和转线等作业安排，以及动车所出入库等情形，优化编制车站作业计划，尽量为更多列车安排路径，提高车站作业计划的性能。因此，提出优化编制模型的基本模型，考虑车站间隔时间、动车所出入库先发后到间隔时间、限制连续追踪列车数量约束，完善优化编制模型。

2.1 基本模型

2.1.1 目标函数

基本模型是从车站作业计划的安排列车数量和整体性能2方面构建目标函数，其具体如下。

（1）尽量为更多列车安排路径，考虑无法为所有列车安排路径的可能性。

式中：L表示列车集合；Pa表示列车la∈L的备选路径集合；xa,b为0-1变量，表示列车la是否选择备选路径pa,b。

（2）尽量提高车站作业计划的性能。

式中：qa,b表示备选路径pa,b的质量，主要依据路径所包含进路的平行进路数量。

（3）尽量减少转线作业次数。式

中：da,b表示备选路径pa,b安排转线作业的次数。

2.1.2 约束条件

基本模型主要是从路径选择、股道停站时间、转线作业走行时间、进路区段占用4个方面考虑设置约束条件，其具体如下。

（1）路径选择约束，每列车最多选择1条备选路径，可能存在无法安排路径的情况。

（2）股道停站时间约束。

式中：Sa,b表示备选路径pa,b∈Pa的进路区段集合，表示类型为股道（咽喉进路）的进路区段集合；和表示列车la在股道上的最小和最大停站时间；变量和表示列车la在股道上的到达和出发时刻。

（3）转线作业走行时间约束。

式中：若备选路径pa,b的进路区段sa,b,c和sa,b,d对应转线进路的出发和到达股道，用sa,b,c→sa,b,d表示；参数表示走行时间。

（4）进路区段占用约束。

式中：常量M表示1个大数；常量d表示1 d时长；z为0-1变量，表示占用顺序，仅当2条路径均被选择时，约束有效，股道区段的占用时间范围不能重叠，否则约束无效（恒成立）。若备选路径pa,b的进路区段sa,b,c和备选路径pi,j的进路区段si,j,k在空间上冲突，用sa,b,csi,j,k表示。

2.2 车站间隔时间约束

在进路占用不冲突的情况下，车站各项间隔时间示意图如图4所示，虚线方框表示时刻相同。理论上，只要图3所示的进路占用时间参数取值准确，则相互冲突的股道和进路的占用时间范围不会重叠，保证行车安全所要求的车站各项间隔时间。以先到后通间隔时间为例，前行停站列车的接车进路释放后，才可为后行通过列车准备进路，前行列车的到达时刻与后行列车的通过时刻的间隔时间为先到后通间隔时间。

图4 车站各项间隔时间示意图Fig.4 Train headway under different conditions at station

2.3 动车所出入库线先发后到间隔时间约束

对于可接发列车的动车所出入库线，需额外考虑先发后到间隔时间要求，动车所出入库线先发后到间隔时间示意图如图5所示。情形A满足车站内的进路占用无冲突，但两车在动车所出入库线上的运行必然冲突。情形B为两车的动车所出入库线先发后到间隔时间构成，只有前行出发列车出清区间且动车所进路释放后，后行到达列车才可办理动车所发车作业。

图5 动车所出入库线先发后到间隔时间示意图Fig.5 Train headway of entry and exit line of EMU depot under condition of departuring train first and then arriving train

动车所出入库线先发后到间隔时间约束如下。

式中：变量和表示列车la的到达和出发时刻；表示该动车所出入库的先发后到间隔时间；z为0-1变量，表示到发顺序。若路径pa,b的进路区段sa,b,c位于接车进路上，路径pi,j的进路区段si,j,k位于发车进路上，从同一动车所出入库线接发，用si,j,k⇄sa,b,c表示。

2.4 限制连续追踪列车数量约束

基本模型通过选择质量更好的路径（主要依据路径所包含进路的平行进路数量）、减少转线作业次数来提高方案的性能。在列车到发顺序确定的情况下，可通过分配必要的缓冲时间，限制连续追踪列车数量，提高方案的稳定性，连续追踪发车最多3列示意图如图6所示。

图6 连续追踪发车最多3列示意图Fig.6 Consecutive departure of no more than three trains

限制连续追踪列车数量约束如下。

式中：若连续追踪发车（或接车）数量最多为m，考虑连续追踪发车（或接车）数量大于m的列车群，假定列车数量为n，n＞m，顺序编号为l1—ln， 追踪间隔时间为t追踪，必要的缓冲时间为t缓冲。

3 车站作业计划自动编制技术

3.1 自动编制流程设计

优化编制模型为混合整数规划模型，采用分支切割或列生成算法求解。针对大型高速铁路车站，列车数量较多，备选路径集合的规模较大，0-1变量的数量较多，直接求解时间较长。为此，自动编制流程采用迭代的思路，在每次迭代过程中尽量缩小求解规模。自动编制流程以自动编制过程为主，人机交互过程为辅，自动编制流程如图7所示。其中，自动编制过程包含求初始解、时段优化、随机优化、性能优化等功能，均利用优化编制模型求解；设计人机交互过程，以利用专家知识和经验，同时提供智能辅助功能。

图7 自动编制流程Fig.7 Automatic track planning process

（1）验证路径，即验证每个列车的每条备选路径是否可用。例如，对终到—始发列车，若备选路径包含转线作业，但停站时间较短，该备选路径不可用。

（2）求初始解，即重新安排所有列车的路径，每次选择少量列车安排路径，保持其他列车的路径方案。可能存在部分列车不能安排路径的情形。

（3）时段优化，即按照时段顺序，每次选择一定时间范围内的所有列车，调整选定列车的路径方案，保持其他列车的路径方案。

（4）随机优化，即设置一定的迭代次数，每次随机选择少量未安排路径的列车和已安排路径的列车，调整选定列车的路径方案，保持其他列车的路径方案。

（5）性能优化，即完成所有列车的路径安排后，保持所有列车的路径方案和到发顺序，仅调整到发时刻，通过分配缓冲时间，限制连续追踪列车数量，提高方案的稳定性。

（6）人机交互，人机交互过程分为即时调整和全局调整，提供智能辅助功能，人机交互过程如图8所示。即时调整指每次人工调整1列车的方案（包括调整时刻或股道、安排或取消转线作业等）后，自动检测和提示冲突，调用优化编制模型，使车站作业计划可行；全局调整指人工调整多列车的方案后，人工调用优化编制模型，使车站作业计划可行。

图8 人机交互过程Fig.8 Human-computer interactive process

3.2 实例研究

根据前述优化编制模型和自动编制流程，自主开发完成“高速铁路车站作业计划自动编制系统V1.0”。以北京南站高速场为实例，假定启用牵出线（目前未启用），测试方案共143列车，包含终到—始发（立折）列车84列、终到—入段列车19列、出段—始发列车40列，包含时速300 km和350 km 2种速度级，满足车站到发间隔时间要求，但未考虑车站作业计划的可行性。列车到发时刻调整幅度设为2 min，在接车股道、发车股道、牵出线的最小停留时间分别设为16 min，20 min，12 min，转线进路走行时间设为5 min，动车所出入库线先发后到间隔时间设为20 min。车站间隔时间参数取值如表2所示。

表2 车站间隔时间参数取值 minTab.2 Parameter values of train headway at station

测试电脑为Intel Core i9处理器，64G内存，采用的自动编制过程为：验证路径—求初始解—时段优化（多次）。在2 h内完成137列车的路径安排，剩余6列需人工调整，得到北京南站高速场作业计划如图9所示，其中与牵出线相关的连线表示转线作业，测试显示自动编制技术的全面性和可行性。

图9 北京南站高速场作业计划Fig.9 Operation planning of high speed yard at Beijing South Station

4 结束语

随着高速铁路网密度越来越高，大型高速铁路车站的始发、终到、出入库等各种类型的列车越来越多，采用人工方式编制车站作业计划难以快速高效完成，亟需研究大型高速铁路车站作业计划自动编制技术。大型高速铁路车站自动编制技术由优化编制模型和自动编制流程构成，其中优化编制模型全面考虑大型高速铁路车站的各种情形，特别考虑转线作业安排、动车所出入库等情形，实用性强；自动编制流程以自动编制过程为主，人机交互过程为辅，从而能在保证车站作业计划质量的同时，较快速地完成方案的编制。