CN107563546B - 一种基于区域协同的高速铁路列车运行图编制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区域协同的高速铁路列车运行图编制方法，具体步骤为：将整个高速铁路网划分成若干个子网，在子网内以干线为基础进行编制，对于干线则编制规格化程度高的列车运行图，路网跨线列车则基于区域子网进行选线，进而完成整个高速铁路网的运行图的编制。本发明方法实现了成网条件下高速铁路列车运行图协同优化编制，可实际运用于我国铁路列车运行图编制工作中，适用于单条和成网高速铁路线路列车运行图编制、全路列车运行图编制等问题；且本发明方法效率高，具有很好的操作性、通用性。

Description

一种基于区域协同的高速铁路列车运行图编制方法

技术领域

本发明涉及高速铁路列车运行图技术领域，特别是一种基于区域协同的高速铁路列车运行图编制方法。

背景技术

列车运行图规定了各种列车占用区间的次序，列车在每个车站的到达、出发或通过时刻，列车在各区间的运行时间，列车在车站的停站时间标准，以及机车(动车组)交路等，把整个路网的运输生产活动联系成为一个统一的整体，是铁路运输工作的综合计划、铁路行车组织的基础，是协调铁路各部门、单位按一定程序进行生产活动的工具。随着高速铁路与既有线贯通成网运营的新特点，高速铁路列车运行图编制仍然沿用了传统的既有线列车运行图编制方法，即优先铺画跨线长途高速列车，然后铺画本线列车，总体而言是全路一盘棋，先路网后局部，立足于整体路网，关联性强，导致长距离跨线列车对本线列车的开行造成严重干扰和影响，整个路网的列车运行线交织在一起，各条线路相互关联，无法更多地从自身的角度出发进行产品设计优化，很难真正实现全路列车运行图的编制优化。

现有高速铁路列车运行图编制方法主要有：1)通过构建数学模型和设计相应算法优化高速铁路列车运行图；2)通过构建数学模型和设计相应算法研究周期性列车运行图编制优化方法；3)高速铁路列车运行图及其相关业务编制及系统优化方法。其本质上采用传统的是既有线列车运行图编制方法或停留在单条高速铁路线路周期性列车运行图编制方法。

相关术语及概念

列车运行图：列车运行图规定了各种列车占用区间的次序，列车在每个车站的到达、出发或通过时刻，列车在各区间的运行时间，列车在车站的停站时间标准，以及机车交路等。它把整个路网的运输生产活动联系成为一个统一的整体，列车运行图是铁路运输工作的综合计划、铁路行车组织的基础，是协调铁路各部门、单位按一定程序进行生产活动的工具。

铁路列车运行图编制系统：我国铁路已广泛采用计算机编制列车运行图，构建了集列车运行图数据管理、技术资料管理、列车运行计划、列车运行仿真、车底(动车组)交路计划等相关技术作业计划于一体的列车运行图编制与管理协同一体化信息平台，开发了铁路列车运行图编制系统，实现了基于局域网、铁路广域网的联网编图，实现了基于全路网列车运行图的统一编制管理。

列车运行图编制管理模式：目前，我国铁路列车运行图的编制采用两级管理模式，其中，铁路总公司负责确定列车运行图的编制原则、方针及任务，制定直通客车方案图，并领导和组织全路列车运行图的编制工作；铁路局负责拟定具体行动计划，并具体负责完成本局的编图工作。我国铁路列车运行图的编制是应用铁路列车运行图编制系统，在联网条件下，系统依据管辖区域、业务工种设定编图人员的数据操作权限，由多用户协同工作完成运行图编制工作。

周期性列车运行图：简称规格化列车运行图，也叫模式化运行图，是指在基本运行图各个时间段，列车运行线铺画都具有相同的模式：每个时间段(即周期)内，各种列车的开行种类、数量、运行顺序和速度相同，以此形成一个相对固定的基本运行图模式。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于区域协同的高速铁路列车运行图编制方法，打破传统的铁路运行图编制中存在的路网交织、错综复杂、环环相扣的弊端，将这一紧耦合问题化解为松耦合问题，实现了成网条件下高速铁路列车运行图协同优化编制。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于区域协同的高速铁路列车运行图编制方法，包括以下步骤：

步骤1：按照高速铁路区域子网划分方法，将高速铁路网划分成若干区域子网；

步骤2：各自独立编制区域子网内高速铁路干线规格化列车运行图；

步骤3：基于区域子网内干线列车运行图，确定区域子网内支线的跨线列车运行线，进而编制区域子网内支线列车运行图；

步骤4：基于各区域子网间运行线的时空衔接关系，合理选择确定高速铁路路网跨线列车运行线，并适当调整区域子网内支线列车运行图，完成整个高速铁路网的运行图编制。

进一步的，所述步骤1采用改进近邻传播聚类算法对高速铁路区域子网进行划分，具体为：

步骤1.1：初始化

设置样本高速铁路线路x_i和x_k的相似度矩阵s(i,k)，矩阵值采用欧式距离为测度，即s(i,k)＝-||x_i-x_k||²；设置所有对角线元素s(k,k)为相同的定值p，

初始化吸引度矩阵r(i,k)＝0；初始化归属度矩阵a(i,k)＝0；设置最大迭代次数Maxits，N表示需要划分的高速铁路区域子网数，i、j、k表示不同高速铁路线路的编号；

步骤1.2：迭代

1)更新吸引度和归属度矩阵

吸引度矩阵R更新计算公式为：

归属度矩阵A更新计算公式为：

2)对吸引度矩阵R和归属度矩阵A进行缩放

R＝(1-λ)·R+λ·R_old

A＝(1-λ)·A+λ·A_old

其中，R_old与A_old为上一次迭代得出的吸引度和归属度矩阵，λ为阻尼因子；

3)对所有样本求吸引度与归属度之和，根据

找到每个样本的类中心样本；

步骤1.3：结果输出

判断信息迭代过程是否达到设置的最大迭代次数Maxits，是则算法终止，否则返回步骤1.2。

进一步的，所述步骤2具体为：

步骤2.1：确定子网高速铁路干线规格化列车运行图周期长度T：

T₊＝Δt*e，Δt＝t₁+t₂+t₃，T_min＝τ*(M-1)

t₁表示高速列车停车附加时间；t₂表示高速列车停站时间；t₃表示高速列车起动附加时间；规格化列车运行图列车数量为M列；始发站最少发车间隔时间为τ；INT表示取整；e表示停站数；

步骤2.2：根据单元周期内的设计要求，对列车进行铺画和固定，确定列车分布；

步骤2.3：根据区域内分时段客流需求，基于单元规格化列车运行图，通过合理抽线，确定子网内整个干线高速铁路干线规格化列车运行图。

进一步的，所述步骤3具体为：

步骤3.1：根据跨线列车开行方案，确定跨线列车合理上、下线时刻范围；跨线列车在子网内主干线上、下线的合理时间上、下线时间范围t_上、t_下分别为：

其中，跨线列车从起始站至上线接口点的旅行时间为T₁，从下线接口点至终点站的旅行时间为T₂；在子网内主干线上的跨线区段内的旅行时间为T；在上、下线衔接口处停站时间分别为t_停上,t_停下；

步骤3.2：根据跨线列车的合理上、下线时间，选择跨线列车在主干线上的运行图；

依据跨线列车的合理上、下线时间，在满足接续时间标准的条件下，选择与跨线列车到达上线接口接续时间最短的主干线上空闲运行线，作为跨线列车在主干线上的运行图；

步骤3.3：将跨线列车在主干线上的列车运行线和其他线路的运行线接续，形成跨线列车的运行线。

进一步的，所述步骤4具体为：

步骤4.1：根据跨线列车开行方案，确定跨线列车途经的相关区域子网；

步骤4.2：根据跨线客流的需求，确定跨线列车在始发站所属区域子网的列车运行线；

步骤4.3：根据始发站所属区域子网的列车运行线，在满足接续时间标准的条件下，基于跨线列车的运行径路，在始发站所属区域子网的相邻子网内，选择与始发站所属区域子网的列车运行线接续时间最短的运行线，以此方法，依次选择跨线列车通过区域子网运行线与上一子网运行线接续时间最短的列车运行线，以跨线列车终到站所属区域子网运行线，选择结束；

步骤4.4：将所有选择的运行线接续，形成路网跨线列车的运行线。

进一步的，还包括步骤3.4：区域子网内其他支线列车运行图编制，即在完成子网主干线规格化运行图框架后，采用插线的方法，铺画短线列车，编制区域子网内其他支线列车运行图。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明方法打破传统的铁路运行图编制中存在的路网交织、错综复杂、环环相扣的弊端，将这一紧耦合问题化解为松耦合问题，实现了成网条件下高速铁路列车运行图协同优化编制。

2)本发明方法使得各条线路保持相对的独立性，各线路可以更多地从自身的角度出发进行产品设计优化。

3)本发明方法可实际运用于我国铁路列车运行图编制工作中，适用于单条和成网高速铁路线路列车运行图编制问题、全路列车运行图编制问题。

4)本发明方法效率高，真实可靠，具有很好的操作性、通用性。

附图说明

图1是本发明基于区域协同的高速铁路列车运行图编制方法的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明包括以下步骤：

第一步，按照高速铁路区域子网划分方法，将高速铁路网划分成若干区域子网；第二步，各自独立编制区域子网内高速铁路干线规格化列车运行图；第三步，基于区域子网内干线列车运行图，确定区域子网内支线的跨线列车运行线，在此基础上，编制区域子网内支线列车运行图；第四步，基于各区域子网间运行线的时空衔接关系，合理选择确定高速铁路路网跨线列车运行线，并适当调整区域子网内支线列车运行图，完成整个高速铁路网的运行图编制。

一、高速铁路区域子网划分方法

1、基于改进近邻传播聚类算法的高速铁路区域子网划分方法原理

1)将所有N条高速铁路线路样本都视为候选的类代表，为每条线路建立与其它线路的吸引程度的信息，即任意两条线路x_i和x_k之间的相似度，存储在N×N相似度矩阵中。

2)用s(i,k)表示线路x_k在多大程度上适合作为线路x_i的类代表，初始假设所有线路样本被选中成为类代表的可能性相同，即设定所有s(k,k)为定值p。

3)算法引入了两个重要的信息量参数—吸引度矩阵R和归属度矩阵A，r(i,k)是从x_i指向x_k，用来表示线路x_k适合作为x_i的类代表的代表程度；a(i,k)是从x_k指向x_i，用来表示线路x_i选择x_k作为类代表的合适程度。对于任意线路样本x_i，计算所有样本的吸引度r(i,k)和归属度a(i,k)之和，则两者之和最大的样本x_k为类代表。

4)设用来稳定算法的阻尼因子λ，其原理是在每次更新迭代吸引度矩阵R和归属度矩阵A之前，需要用λ对R和A进行缩放。

2、基于改进近邻传播聚类算法的高速铁路区域子网划分算法基本步骤

Step1初始化

设置样本高速铁路线路x_i和x_k相似度矩阵s(i,k)，矩阵值采用欧式距离为测度，即s(i,k)＝-||x_i-x_k||²；

设置所有对角线元素s(k,k)为相同的定值p，

设置初始化吸引度矩阵r(i,k)＝0；初始化归属度矩阵a(i,k)＝0；设置最大迭代次数Maxits；N表示需要划分的高速铁路区域子网数。

Step2迭代

Ⅰ)更新吸引度和归属度矩阵

吸引度矩阵R更新计算公式为：

归属度矩阵A更新计算公式为：

Ⅱ)对吸引度矩阵R和归属度矩阵A进行缩放

R＝(1-λ)·R+λ·R_old

A＝(1-λ)·A+λ·A_old

其中，R_old与A_old为上一次迭代得出的吸引度和化归属度矩阵。

Ⅲ)对所有样本求吸引度与归属度之和，根据

找到每个样本的类中心样本；

Step3结果输出

判断信息迭代过程是否达到设置的最大迭代次数Maxits，是则算法终止，否则返回Step2。

二、区域子网内高速铁路干线规格化列车运行图编制方法

1、编制思路

各区域子网内，首先针对子网内高速铁路主干线，独立编制该线规格化列车运行图，然后，根据客流特征，合理挑选确定跨线和本线列车运行线。

2、子网内高速铁路干线单元规格化列车运行图的编制方法

1)确定子网高速铁路干线规格化列车运行图周期长度T。

T₊＝Δt*e，Δt＝t₁+t₂+t₃，t₁表示高速列车停车附加时间；t₂表示高速列车停站时间；t₃表示高速列车起动附加时间；T_min＝τ*(M-1)；规格化列车运行图列车数量为M列；始发站最少发车间隔时间为τ；INT表示取整；e表示停站数。

2)根据单元周期内的产品设计，先铺画级别高、停站少、运行速度快、吸引旅客多、运营效益高的列车，将该类列车安排在整点发车，进行铺画和固定，确定列车分布；

3)为了使通过能力最大，将旅行速度最低、停站数量最多列车铺画在周期运行图的最后一列；

4)将子网内主干线路划分为若干大区段，确保每趟列车停站均衡，降低运行图铺画难度。

3、根据区域内分时段客流需求，基于单元规格化列车运行图，通过合理抽线，确定子网内整个干线高速铁路干线规格化列车运行图。

三、区域子网内支线列车运行图编制方法

1、区域子网内支线跨线列车运行图编制方法

Step1根据跨线列车开行方案，确定跨线列车合理上、下线时刻范围。

跨线列车在子网内主干线上、下线的合理时间上、下线时间范围t_上、t_下分别为：

其中，跨线列车从起始站至上线接口点的旅行时间为T₁，从下线接口点至终点站的旅行时间为T₂；在子网内主干线上的跨线区段内的旅行时间为T；在上、下线衔接口处停站时间分别为t_停上,t_停下，合理到(发)站时间在7:00-24:00之间。

Step2根据跨线列车的合理上、下线时间，选择跨线列车在主干线上的运行图。

依据跨线列车的合理上、下线时间，在满足接续时间标准的条件下，选择与跨线列车到达上线接口接续时间最短的主干线上空闲运行线，作为跨线列车在主干线上的运行图。

Step3将跨线列车在主干线上的列车运行线和其他线路的运行线接续，形成跨线列车的运行线。

2、区域子网内支线其他列车运行图编制方法

区域子网内其他支线列车运行图编制方法，是在完成子网主干线规格化运行图框架后，采用插线的方法，铺画短线列车。

①短线列车的运行区段是从一个接口站到另一个接口站(或终点站)。

②短线列车的铺画应在不改变原有的运行图框架基础上，最大限度利用运行图的能力，且运行距离越长越好。

③当插入的短线列车运行线在某站不能满足时间间隔约束时，采用“微调相邻的长线运行线，缩短其在相邻车站的停站时间”的铺画方法。

四、基于区域协同的路网跨线列车运行线选线方法

1、编制思路

根据跨线列车开行方案，在相关子网内合理选择运行线，以保证运行线之间时空关系的良好接续，形成路网跨线列车运行线。

2、编制方法

Step1根据跨线列车开行方案，确定跨线列车途经的相关区域子网；

Step2根据跨线客流的需求，确定跨线列车在始发站所属区域子网的列车运行线；

Step3根据始发站所属区域子网的列车运行线，在满足接续时间标准的条件下，基于跨线列车的运行径路，在始发站所属区域子网的相邻子网内，选择与始发站所属区域子网的列车运行线接续时间最短的运行线(此过程可适当调整子网内支线运行线)，以此方法，依次选择跨线列车通过区域子网运行线与上一子网运行线接续时间最短的列车运行线，以跨线列车终到站所属区域子网运行线，选择结束；

Step4将所有选择的运行线接续，形成路网跨线列车的运行线。

Claims (5)

1.一种基于区域协同的高速铁路列车运行图编制方法，其特征在于，该方法通过计算机执行实现以下步骤：

步骤1：按照高速铁路区域子网划分方法，将高速铁路网划分成若干区域子网；

步骤2：各自独立编制区域子网内高速铁路干线规格化列车运行图；

步骤3：基于区域子网内干线规格化列车运行图，确定区域子网内支线的跨线列车运行线，进而编制区域子网内支线列车运行图；

步骤4：基于各区域子网间运行线的时空衔接关系，合理选择确定高速铁路路网跨线列车运行线，并适当调整区域子网内支线列车运行图，完成整个高速铁路网的运行图编制；

其中，所述步骤2具体为：

步骤2.1：确定子网高速铁路干线规格化列车运行图周期长度T：

T+＝Δt*e，Δt＝t₁+t₂+t₃，T_min＝τ*(M-1)

t₁表示高速列车停车附加时间；t₂表示高速列车停站时间；t₃表示高速列车起动附加时间；干线规格化列车运行图列车数量为M列；始发站最少发车间隔时间为τ；INT表示取整；e表示停站数；

步骤2.2：根据单元周期内的设计要求，对列车进行铺画和固定，确定列车分布得到单元规格化列车运行图；

其中单元周期内的设计要求是列车需要满足铺画级别高、停站少、运行速度快、吸引旅客多和运营效益高；同时，将旅行速度最低、停站数量最多列车铺画在周期运行图的最后一列；将子网内主干线路划分为若干大区段，确保每趟列车停站均衡；

步骤2.3：根据区域内分时段客流需求，基于单元规格化列车运行图，通过合理抽线，确定子网内整个干线高速铁路干线规格化列车运行图。

2.如权利要求1所述的一种基于区域协同的高速铁路列车运行图编制方法，其特征在于，所述步骤1采用改进近邻传播聚类算法对高速铁路区域子网进行划分，具体为：

步骤1.1：初始化

设置样本高速铁路线路x_i和x_k的相似度矩阵s(i,k)，矩阵值采用欧式距离为测度，即s(i,k)＝-||x_i-x_k||²；设置所有对角线元素s(k,k)为相同的定值p，

初始化吸引度矩阵r(i,k)＝0；初始化归属度矩阵a(i,k)＝0；设置最大迭代次数Maxits，N表示需要划分的高速铁路区域子网数，i、j、k表示不同高速铁路线路的编号；

步骤1.2：迭代

1)更新吸引度和归属度矩阵

吸引度矩阵R更新计算公式为：

归属度矩阵A更新计算公式为：

a(i,k)∈A；

2)对吸引度矩阵R和归属度矩阵A进行缩放

R＝(1-λ)·R+λ·R_old

A＝(1-λ)·A+λ·A_old

其中，R_old与A_old为上一次迭代得出的吸引度和归属度矩阵，λ为阻尼因子；

3)对所有样本求吸引度与归属度之和，根据

找到每个样本的类中心样本；

步骤1.3：结果输出

判断信息迭代过程是否达到设置的最大迭代次数Maxits，是则算法终止，否则返回步骤1.2。

3.如权利要求2所述的一种基于区域协同的高速铁路列车运行图编制方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

步骤3.1：根据跨线列车开行方案，确定跨线列车合理上、下线时刻范围；跨线列车在子网内主干线上、下线的合理时间上、下线时间范围t_上、t_下分别为：

其中，跨线列车从起始站至上线接口点的旅行时间为T₁，从下线接口点至终点站的旅行时间为T₂；在子网内主干线上的跨线区段内的旅行时间为T；在上、下线衔接口处停站时间分别为t_停上,t_停下；

步骤3.2：根据跨线列车的合理上、下线时间，选择跨线列车在主干线上的运行图；

依据跨线列车的合理上、下线时间，在满足接续时间标准的条件下，选择与跨线列车到达上线接口接续时间最短的主干线上空闲运行线，作为跨线列车在主干线上的运行图；

步骤3.3：将跨线列车在主干线上的列车运行线和其他支线列车运行线接续，形成支线的跨线列车运行线。

4.如权利要求3所述的一种基于区域协同的高速铁路列车运行图编制方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

步骤4.1：根据跨线列车开行方案，确定跨线列车途经的相关区域子网；

步骤4.2：根据跨线客流的需求，确定跨线列车在始发站所属区域子网的列车运行线；

步骤4.3：根据始发站所属区域子网的列车运行线，在满足接续时间标准的条件下，基于跨线列车的运行径路，在始发站所属区域子网的相邻子网内，选择与始发站所属区域子网的列车运行线接续时间最短的运行线，以此方法，依次选择跨线列车通过区域子网运行线与上一子网运行线接续时间最短的列车运行线，以跨线列车终到站所属区域子网运行线，选择结束；

步骤4.4：将所有选择的运行线接续，形成路网跨线列车运行线。

5.如权利要求3所述的一种基于区域协同的高速铁路列车运行图编制方法，其特征在于，还包括步骤3.4：区域子网内其他支线列车运行图编制，即在完成子网主干线规格化运行图框架后，采用插线的方法，铺画短线列车，编制区域子网内其他支线列车运行线。

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