CN111098897A - 一种铁路枢纽车站列车运行进路选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路枢纽车站列车运行进路选择方法，包括：将枢纽车站的站线与道岔构成的拓扑结构抽象为有向图；设置道岔节点的转向惩罚值，来去除道岔节点转向角度小于设定角度的线路，并将枢纽车站进路距离和道岔数作为优化目标，结合有向图来迭代优化指定次数，从而获得最优列车运行进路。该方法可以避免道岔不合理转向情况出现，还可以提高列车进站过程的安全性，并且，还能够提高车站接发列车效率，有利于列车正点率的提高，从而提高列车运行图的兑现率、枢纽站行车安全和运输装备的综合运用效率。

Description

一种铁路枢纽车站列车运行进路选择方法

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种铁路枢纽车站列车运行进路选择方法。

背景技术

铁路枢纽车站是组织旅客运输、服务于社会的窗口，也是铁路客流的集散中心，主要办理列车始发、终到、通过、整备等技术作业以及面向旅客的售票、候车、乘降等客运业务。铁路枢纽站聚集大量始发和终到列车作业需求，接发车方向和股道数量多，设有到发场和客车整备所满足客车、车底在站作业需要。旅客列车进入客运站后根据其性质，进行到达、整备、出发等作业流程，作业过程中会占用咽喉、到发线、客车整备线等轨道资源，同时也会涉及到调车机车、机车、车底等车辆资源的占用。因此，枢纽站作业计划是咽喉、到发线、整备线和调机等资源的综合运用计划，使旅客列车技术作业任务在规定的时间得到相应的资源，安全顺畅地完成既定作业流程，不仅要使各个资源占用计划(到发线运用计划、进路排列计划、调机运用计划和客车整备线运用计划)之间彼此协调，还要协调各列车之间对资源的占用需求。在我国枢纽站中，调度员通过进路办理指挥车站日常运输生产，其进路选择水平和效率直接关系到列车运行图的兑现率、枢纽站行车安全和运输装备的综合运用效率，是影响铁路枢纽站运输服务质量的关键因素之一。

为了提高客运市场的适应性，铁路运输企业通过建设客运市场硬件环境、优化客运产品结构和运力资源，不断扩大路网规模。铁路枢纽列车开行密度的增大在一定程度上缓解了旅客出行的问题，但由于列车到发时间的相对集中，作业密度极度增加，这给作业能力本不富裕的枢纽站带来了巨大的挑战。这对调度员车站进路选择能力是一种挑战。目前，车站进路选择作业能力和区间通过能力不协调，使枢纽站进路办理作业能力成为制约列车运行速度的重要环节。

进路是指车站为接发列车、办理列车通过以及车站调车作业而设置的在车站内以站内线路和道岔构成的一段径路。进路办理之后，构成进路的站内线路的区段和道岔均不得已被其它的机车、列车使用，即，两条进路不可共用铁路线路和道岔。车站内部的线路和道岔实质上形成了一个小型的路网，在进路的起点和终点之间，可以存在多种连接通路。即列车在通过车站、在车站到发以及机车在站内进行调车作业时，在车站内从一点运行至另一点，其实质是在一个路网上运行，而且有多条径路可以选择。而列车进路排列的问题就是在不影响安全生产的前提下，合理设置各种列车和调车作业的进路，使得车站接发列车和调车作业正常进行。

车站咽喉区是车站各种作业密集的区域，其决定了车站能力。咽喉区设置有大量为进路转换服务的道岔和渡线，是站内行调作业发生相互交叉的区域。由于咽喉区在车站线路布置时所体现的复杂性，列车到发作业在咽喉区的进路安排就成为十分重要的环节，在为列车选择进路时，避免或减少作业的冲突，缩短列车走行距离，成为提高列车运行效率，节约运营成本的重要手段，也是车站作业优化的一个重要环节。

目前主要有如下三种进路选择方案：

1、将进路和列车作为节点而生成车站网络拓扑结构，进而选择进路。但是，该方案缺陷在于：1)没有考虑枢纽车站；2)没有考虑进路方向；3)没有考虑咽喉区和站细(车站行车工作细则)。

2、在针对枢纽车站咽喉区进路算法设计过程中，迭代计算停止方法为设定目标函数的优化目标值作为衡量标准，当决策变量的取值是目标函数的值达到理想标准时停止迭代计算。但是，该方案缺陷在于：1)迭代计算停止实际优化操作时优化目标难以预见，且有可能无法达到优化目标，导致迭代停止条件无法满足；2)没有考虑进路决策条件(例如，道岔占用情况)。

3、在列车运行进路选择方法时，枢纽车站阶段计划调整是应对调度的有效手段。当路网列车出现晚点、故障或天气原因导致原定计划改变，中心调度员通过调整运行图保障列车安全快速运行，目前的调整主要集中在到发线的运用优化。但是，该方案缺陷在于：1)在复杂的枢纽车站，人工很难在短时间内从全局的角度选择出列车运行进路的优化计划，很难合理分配进路、咽喉区和股道等资源；2)进路选择时没有考虑枢纽车站的复杂性和特殊性；3)没有考虑进路距离；4)没有考虑道岔数。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁路枢纽车站列车运行进路选择方法，可以选出最优的列车运行进路，也能够提高列车进站过程的安全性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种铁路枢纽车站列车运行进路选择方法，包括：

将枢纽车站的站线与道岔构成的拓扑结构抽象为有向图；

设置道岔节点的转向惩罚值，来去除道岔节点转向角度小于设定角度的线路，并将枢纽车站进路距离和道岔数作为优化目标，结合有向图来迭代优化指定次数，从而获得最优列车运行进路。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，将枢纽车站进路距离和道岔数作为优化目标，建立列车运行进路选择模型，在满足接发列车及列车安全通过时，接发列车进路尽可能距离短，缩短列车进站时间，提高车站接发列车效率，有利于列车正点率的提高，列车进路经过的道岔数量尽可能少，由于经过的道岔越少，列车在进站过程中越安全。同时，通过设置转向惩罚值，也可以避免道岔不合理转向情况出现；此外，迭代计算停止是以迭代计算次数作为衡量办法，还可以保证计算结果尽可能达到最优。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种铁路枢纽车站列车运行进路选择方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的车站咽喉区示意图

图3为本发明实施例提供的枢纽车站的有向图；

图4为本发明实施例提供的粒子运动原理图；

图5为本发明实施例提供基于粒子群的列车运行进路选择方式的流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种铁路枢纽车站列车运行进路选择方法，如图1所示，其主要包括：

一、将枢纽车站的站线与道岔构成的拓扑结构抽象为有向图。

如图2所示，为车站咽喉区示意图，它是一个描述车站内部的由站线与道岔所构成的小型路网拓扑结构。本发明实施例中，将图2所示的拓扑结构抽象为如图3所示的有向图。

所述有向图表示为：G(V,E)，其中，V为枢纽车站的节点集合，节点集合V包括进入车站与离开车站的节点集合VX(即，车站与铁路正线区间的分界点集合)，以及道岔岔心形成的节点集合VY，V＝VX∪VY；E是由相邻节点之间的铁路车站站线及渡线。

如图3中，vx为进入车站与离开车站的节点，vy为道岔岔心形成的节点(道岔节点)，下标数字为节点序号；图3中央区域的1～5段线路表示到发线。

二、设置道岔节点的转向惩罚值，来去除道岔节点转向角度小于设定角度的线路，并将枢纽车站进路距离和道岔数作为优化目标，结合有向图来迭代优化指定次数，从而获得最优列车运行进路。

1、道岔节点转向的合理性分析。

由于道岔结构特点与列车、机车的运行方面的限制，在枢纽车站内进路的搜索不同于在路网上列车运行径路的搜索。在路网上列车运行径路搜索相对宏观，不需要列车在经过道岔时，道岔的状态。而车站内列车与调车进路必须对该问题加以考虑。

如图3所示枢纽车站的有向图中，假定搜索节点vx₂至到发线3的进路，进路vx₂—>vy₃—>vy₅—>vy₇—>vy₉—>vy₁₆是合理的。因为所有经过的道岔都可以设置处于合理的转向位，该进路是可行的。而进路vx₂—>vy₃—>vy₁—>vy₇—>vy₉—>vy₁₆显然是不合理的，虽然从拓扑结构上来说，该进路是连通的，但是，由于列车及机车运行限制，道岔vy₃与vy₁此时并不能给出合理的转向。

本发明在建立列车进路设计的模型是为了避免道岔不合理转向，用设置惩罚值的方法，使得在搜索车站进路时，将其惩罚值设置为一个很大的数，如此，基于进路里程最短或者广义里程最短的搜索算法将摈弃该进路，从而保证避免道岔不合理转向情况出现。

以单开道岔为例，设置道岔节点的转向惩罚值，三个相邻的道岔节点记为vy_a,vy_b,vy_c，道岔节点vy_a经道岔节点vy_b转向道岔节点vy_c的角度记为∠vy_a vy_b vy_c，则转向惩罚值z(vy_a,vy,vy_c)表示为：

其中，θ表示设定角度；

如果z(vy_a,vy,vy_c)＝∞，则去除包含道岔节点vy_a经道岔节点vy_b转向道岔节点vy_c的线路。

2、枢纽车站列车运行进路选择模型。

本发明重点研究枢纽车站列车进路选择。即接车进路、发车进路以及列车通过进路选择。设s_i表示列车的进站端节点，显然，s_i∈VX^J；f_i表示列车出站端节点，f_i∈VX^C，由于车站左右两段均可以作为出站和进站断点，有VX^J＝VX^C＝VX。列车的到发线与正线构成的集合记为L，显然，L

E。L含有两个子集，分别是正线子集L^Z与到发线子集L^DF。

TR表示需要列车进路的集合。列车进路分为三类，形成三个子集，分别是接车进路子集JL^J，通过进路子集JL^T与发车进路子集JL^F。可知，接车进路的起点属于列车进站端点集合VX^J，而讫点属于到发线子集L^DF。发车进路的起点属于到发线子集L^DF，而讫点属于列车出站端点集合VX^C。

进路jl_j的表示用进路经过的起讫节点表示。如从节点vx₁至到发线3的进路可表示为

在进行搜索计算时，将该链表表示为节点的集合。

本发明实施例中，设置0或1变量用以表示列车占用进路的情况，若列车tr_i占用了进路jl_j,则

的取值为1，否则为0。假设列车tr_i的可行进路有N_i条，则

当一条进路被占用，那么进路上所有的道岔被占用，不能同时被其它进路使用。设计变量

为0或1变量，表示列车tr_i是否占用了进路jl_j上的第m个道岔，若占用，则

若为占用，则

在同一时刻有：

其中，N_tr是接发列车及通过列车的总量。

枢纽车站在安排列车进路时，在满足接发列车及列车安全通过时，接发列车进路应尽可能距离短。接发车进路长度最短利于司机控制列车进站时间，提高车站接发列车效率，有利于列车正点率的提高。另外，列车进路经过的道岔数量应尽可能少，因为经过的道岔越少，列车在进站过程中越安全。

基于上述原理，本发明实施例中，对于列车进路的安排，考虑两个优化目标。其一是列车进路的距离，另一个为列车进路中包含的道岔数。而这两个优化目标并不矛盾，一般来讲，列车进路包含的道岔数少，那么其进路的长度必然会短。所以，本发明将列车进路的安排的优化目标设计为经过的道岔数最少，则优化目标函数表示为：

在针对枢纽车站咽喉区进路算法设计过程中，迭代计算停止是以迭代计算次数作为衡量办法，设定算法的最大迭代次数，达到该迭代次数即停止计算，示例性的，可以设定迭代的次数上限为200，以保证计算结果尽可能达到最优。

三、列车运行进路选择方式。

本发明实施例中，使用基于粒子群算法来迭代优化，以获得最优列车运行进路。

基于粒子群算法，以二维空间为例，粒子的运动方式及速度变化可表示如图4所示。

图4中，左下方的圆形粒子目前搜索到的位置，右上方的圆形粒子表示下一次迭代后的位置。V1表示基于个体极值的速度；V2表示粒子当前速度；V3表示改进后的速度；V4表示基于全局最优值的速度。

如图5所示，基于粒子群算法迭代优化的方式主要包括：

步骤1、初始化粒子群，设置粒子群的规模M_s，根据初始道岔占用情况设置

其中，初始阶段，各粒子的位置随机。示例性的，可以设置M_s＝40。

本发明实施例中，粒子用来模拟列车在进路中经过的道岔，粒子的速度代表列车移动的快慢，位置代表列车移动的方向，通过粒子的速度和位置来选择进路中的道岔，使整个进路最优。

步骤2、根据种群中各粒子的位置，确定相应道岔是否被占用，进而确定变量

的取值，从而计算适应度函数的值，再根据适应度函数的值确定本次迭代的最优粒子的最优位置p_best(即局部最优位置)，通过比较各次迭代结果的最优粒子的最优位置，从而确定最优粒子的全局最优位置p_group，并判断迭代是否达到指定次数，若是，则转入步骤5；若否，则转入步骤3。

适应度函数是依据进路设计模型中的优化目标设计的函数，可以直接以优化目标作为适应度函数，也可以依据优化目标函数作为基础，进行一定的修正，在设计时要充分体现优化目标。在本发明实施例中，直接将适应度函数设计为优化目标函数：

本领域技术人员可以理解，最优粒子的最优位置可以直接通过适应度函数的值来判断，即，每次迭代局部最优位置也即使得适应度函数的值为最小值的粒子所在位置。

步骤3、根据局部最优位置和全局最优位置，计算粒子的飞行速度；由于

为0或1变量，但是，计算出的飞行速度的值并不一定是0或1，因此，需要将飞行速度的值修正为1或0，若飞行速度的值大于1，则修正为1；若小于1，则修正为0；从而确定下一步站内线路和道岔占用情况。

粒子的飞行速度的公式为：

v_k+1＝w×v_k+1+c₁r₁(p_best-x_k)+c₂r₂(p_group-x_k)

其中，k表示迭代次数，v是粒子的速度，w是飞行惯性权重值，介于0与1之间，x_k是当前粒子的位置向量，r₁,r₂是介于0与1之间的随机数，c₁,c₂是学习因子，p_best是局部最优位置，p_group是全局最优位置，通常取c₁＝c₂＝2。

步骤4、根据位置计算公式，计算每个粒子的新位置，并转入步骤2。

粒子群位置更新的公式为：

x_k+1＝x_k+v_k+1

步骤5、根据种群中最优粒子的全局最优位置，将每一次迭代得到的结果连接起来，确定最优列车运行进路。

在每次迭代过程中，都会根据适应度函数计算出最优的粒子，并记录最优粒子的最优位置，迭代完成后，在所有粒子中确定最优粒子和最优位置，进而确定最优列车运行进路。

本发明实施例上述方案相对于现有方案而言，主要获得如下有益效果：

1)建立枢纽车站网络拓扑有向图，避免道岔不合理转向，用设置惩罚值的方法，使得在搜索车站进路时，基于进路里程最短或者广义里程最短的搜索算法，保证避免道岔不合理转向情况出现。

2)建立枢纽车站列车运行进路选择方法，考虑两个优化目标，列车进路的距离和列车进路中包含的道岔数，不仅使各个资源占用计划之间彼此协调，还满足了各列车之间对资源的占用需求，列车进路经过的道岔数量应尽可能少，因为经过的道岔越少，列车在进站过程中越安全，并提高车站接发列车效率，有利于列车正点率的提高，从而提高列车运行图的兑现率、枢纽站行车安全和运输装备的综合运用效率。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种铁路枢纽车站列车运行进路选择方法，其特征在于，包括：

将枢纽车站的站线与道岔构成的拓扑结构抽象为有向图；

设置道岔节点的转向惩罚值，来去除道岔节点转向角度小于设定角度的线路，并将枢纽车站进路距离和道岔数作为优化目标，结合有向图来迭代优化指定次数，从而获得最优列车运行进路。

2.根据权利要求1所述的一种铁路枢纽车站列车运行进路选择方法，其特征在于，所述有向图表示为：G(V,E)，其中，V为枢纽车站的节点集合，节点集合V包括进入车站与离开车站的节点集合VX，以及道岔节点集合VY；E是由相邻节点之间的铁路车站站线及渡线。

3.根据权利要求1所述的一种铁路枢纽车站列车运行进路选择方法，其特征在于，设置道岔节点的转向惩罚值，来去除道岔节点转向角度小于设定角度的线路包括：

三个相邻的道岔节点记为vy_a,vy_b,vy_c，道岔节点vy_a经道岔节点vy_b转向道岔节点vy_c的角度记为∠vy_a vy_b vy_c，则转向惩罚值z(vy_a,vy,vy_c)表示为：

其中，θ表示设定角度；

如果z(vy_a,vy,vy_c)＝∞，则去除包含道岔节点vy_a经道岔节点vy_b转向道岔节点vy_c的线路。

4.根据权利要求1所述的一种铁路枢纽车站列车运行进路选择方法，其特征在于，将枢纽车站进路距离和道岔数作为优化目标，优化目标函数表示为：

其中，N_tr是接发列车及通过列车的总量，N_i为列车tr_i的可行进路总数；

为一个0或1的变量，表示列车tr_i是否占用了进路jl_j上的第m个道岔，若占用，则

若为占用，则

当第m个道岔被占用后，进路jl_j上的其他道岔不能被其他进路占用；在同一时刻

5.根据权利要求4所述的一种铁路枢纽车站列车运行进路选择方法，其特征在于，使用基于粒子群算法来迭代优化，以获得最优列车运行进路，迭代方式包括：

步骤1、初始化粒子群，设置粒子群的规模M_s，根据初始道岔占用情况设置

初始阶段，各粒子的位置随机；其中，粒子用来模拟列车在进路中经过的道岔，粒子的速度代表列车移动的快慢，位置代表列车移动的方向，通过粒子的速度和位置来选择进路中的道岔，使整个进路最优；

步骤2、根据种群中各粒子的位置，确定相应道岔是否被占用，进而确定变量

的取值，从而计算适应度函数的值，再根据优化目标函数的值确定本次迭代的最优粒子的最优位置p_best，即局部最优位置，通过比较各次迭代结果的最优粒子的最优位置，从而确定最优粒子的全局最优位置p_group，并判断迭代是否达到指定次数，若是，则转入步骤5；若否，则转入步骤3；

步骤3、根据局部最优位置和全局最优位置，计算粒子的飞行速度；并将飞行速度的值修正为1或0，若飞行速度的值大于1，则修正为1；若小于1，则修正为0；从而确定下一步站内线路和道岔占用情况；

步骤4、根据位置计算公式，计算每个粒子的新位置，并转入步骤2；

步骤5、根据种群中最优粒子的全局最优位置，将每一次迭代得到的结果连接起来，确定最优列车运行进路。

6.根据权利要求4所述的一种铁路枢纽车站列车运行进路选择方法，其特征在于，设置变量

来标示列车tr_i是否占用了进路jl_j，当列车tr_i占用了进路jl_j，记变量

否则变量

则：

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