CN114154792A - 基于动车组交路的节假日多日列车开行方案优化建模方法 - Google Patents

基于动车组交路的节假日多日列车开行方案优化建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于动车组交路的节假日多日列车开行方案优化建模方法，包括以下步骤：模型信息输入；获得平日列车备选集；获得节假日列车备选集；获得平日动车组交路集合；得到二维时空OD客流需求；得到节假日多日列车服务网络；对整个节假日时期的列车开行方案编制进行一体化建模。本发明在节假日客流高峰时期，通过对列车服务网络和模型决策变量增加日期维度，实现了对整个节假日时期列车开行方案的一体化编制，弥补了既有开行方案编制理论和方法中关于多日列车开行方案一体化编制的空白。本发明解决了既有节假日列车开行方案编制模型对动车组交路缺乏考虑的问题，克服了从需求角度调整开行方案时对动车组交路结构的破坏。

Description

基于动车组交路的节假日多日列车开行方案优化建模方法
技术领域
本发明属于高速铁路运输组织技术领域，具体涉及一种基于动车组交路的节假日多日列车开行方案优化建模方法。
背景技术
动车组列车以其快速、便捷和舒适的特点，使旅客短时间内往返探亲、旅游成为可能，越来越多的旅客选择在节假日乘坐高铁出行。短期内激增的出行需求带来了节假日客流高峰，与平日的客流时空特征呈现出明显差异，同时节假日期间每天的客流总量与结构也在发生变化，这些都对整个节假日期间的列车开行提出了新的要求。另一方面，列车开行不是一项孤立任务，与之相关的还涉及到动车组周转计划、车站接发车计划、车站旅客组织计划等，这要求列车开行方案尽可能在一定时期内保持稳定，以避免相关环节的运输组织计划频繁发生变动，影响现场运输组织作业。
实践中，为保持开行方案的稳定性，主要通过人工方法在平日列车开行方案的基础上增开列车、增大编组来获得节假日列车开行方案。理论层面，针对节假日列车开行方案编制方法的理论研究很少，并存在对动车组周转问题考虑不够深入、研究时间范围为单日而非整个节假日时期等缺点，导致研究成果难以适应实际生产要求。
综上所述，目前的高速铁路节假日列车开行方案设计方法主要面临如下问题：
其一、缺乏理论研究，已有的少数研究对动车组周转问题考虑不够深入，与实际生产应用的要求存在差距。列车的运行任务需要由具体的动车组担当实现，一组动车组一天内依次担当多个车次的运行任务，形成动车组交路。目前，针对节假日列车开行方案编制的理论研究很少，并且对动车组周转的考虑侧重灵活编组以适应客流，对动车组周转稳定性的约束仅停留在车站到发动车组数量守恒的层面。然而，由于一条动车组交路是由多个车次按照运行时刻依次接续构成，因此在车站到发动车组数量守恒的情况下仍可能存在多种列车接续关系，不足以保证交路结构及相关运输组织计划的稳定。另一方面，动车组交路反映的是动车组每天的实际周转运用情况，实现动车组交路层面的稳定可以确保在实际生产中列车开行方案的可实施性和每日开行方案之间的过渡衔接。因此，目前客流导向的节假日开行方案编制研究缺乏对动车组周转稳定性的考虑，为真正从实际生产应用的角度出发实现运输组织计划的稳定性和可实施性，在节假日列车开行方案编制工作中对动车组周转问题的考虑需要细化至动车组交路层面，这对模型的构建提出了新的要求。
其二、已有的列车开行方案编制研究多针对单日方案，缺少对多日方案一体化编制的探索，难以适应节假日列车开行方案编制的要求。我国现行小长假时间跨度大多为3天，国庆节长假达到7天，因此完成节假日旅客运输任务需要协调生成多天的列车开行方案。相比单日方案编制，多日方案的一体化编制首先扩大了问题规模；其次，需要基于每日之间不同的客流需求编制对应的开行方案，提高了建模要求；另外，出于对运输组织计划稳定性的要求，还需要考虑节假日期间每日的列车开行方案、动车组交路与平日方案、交路的结构相似性，以及每日之间方案、交路的结构相似性。这些都增加了节假日多日列车开行方案一体化编制的难度。
其三、实际中普遍采用的编制方法对节假日期间的客流波动适应性不强，导致部分线路区段通过能力和运力资源的使用效率不高。实际生产中，主要通过增开列车、增大平日列车编组的方式人工生成节假日列车开行方案，这种方法除增加编组外基本保持平日列车开行方案固定，最大程度地保证了列车开行方案的稳定性，但同时局限了节假日列车开行方案的编制手段。在节假日客流需求结构发生明显改变的情况下，从适应客流波动角度出发的灵活调整不足，难以精细化匹配节假日客流需求的变化。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种基于动车组交路的节假日多日列车开行方案优化建模方法。
本发明的技术方案是：一种基于动车组交路的节假日多日列车开行方案优化建模方法，包括以下步骤：
ⅰ.将车站及线路信息、节假日客流需求、节假日增开列车备选集、节假日之前的平日列车开行方案和平日动车组交路作为模型输入；
ⅱ.对步骤ⅰ中平日列车开行方案中的列车考虑所有可能的编组情况，获得平日列车备选集；将节假日增开列车备选集与平日列车备选集结合构成节假日列车备选集；
ⅲ.对步骤ⅰ中平日动车组交路考虑所有可能的车型编组情况，并扩展交路周期至节假日时间长度，获得平日动车组交路集合；
ⅳ.对节假日客流需求中的OD客流需求增加日期维度，得到二维时空OD客流需求；
ⅴ.基于步骤ⅱ中节假日列车备选集，在传统单日列车服务网络的基础上，对网络弧边增加日期维度，得到节假日多日列车服务网络；
ⅵ.基于节假日多日列车服务网络，在考虑动车组交路开行状态的情况下，对整个节假日时期的列车开行方案编制进行一体化建模。
更进一步的，步骤ⅵ中基于节假日多日列车服务网络对整个节假日时期的列车开行方案编制进行一体化建模，其数字化模型中包含目标函数，约束条件和决策变量。
更进一步的，步骤ⅵ数字化模型下，得到适应实际生产要求的节假日多日列车开行方案，过程如下：
通过选择满足约束条件情况下目标函数最优的列车开行集合与动车组交路开行集合，即为包含了动车组交路开行状态信息的节假日多日列车开行方案。
更进一步的，步骤ⅵ数字化模型中的决策变量包括：
节假日列车备选集中列车的开行频率、列车的配流情况和平日动车组交路集合中交路的开行状态；
更进一步的，步骤ⅵ数字化模型中的目标函数以整个节假日期间列车开行方案总成本最小和列车开行方案差异性最小为目标进行构建。
更进一步的，步骤ⅵ数字化模型中的约束条件包括：
OD客流需求、列车坐席能力、区间服务频率、节假日增开列车的对称性、平日动车组交路开行情况、动车组交路开行与列车开行的逻辑关系、节假日期间开行的平日列车比例、决策变量取值。
更进一步的，步骤ⅲ得到平日动车组交路集合的具体过程如下：
将平日实际开行的动车组交路按照节假日时间长度与交路实际周期的倍数关系，复制扩展成周期为节假日时间长度的动车组交路，使扩展交路的周期恰好覆盖整个节假日时期，然后搭配所有可能的车型编组情况，得到平日动车组交路集合。
更进一步的，步骤ⅵ中对整个节假日时期的一体化建模方法具体实现如下：
对OD客流需求增加日期维度，得到二维时空OD客流需求；基于节假日列车备选集，在传统单日列车服务网络的基础上，对网络弧边增加日期维度，得到节假日多日列车服务网络；对列车开行与配流决策变量设置日期维度；对应日期的列车服务网络只能服务对应日期的OD客流需求，进而决定对应日期的列车开行与配流决策变量；不同日期之间的列车开行状态通过动车组交路开行状态来连接。
更进一步的，步骤ⅵ以整个节假日期间列车开行方案总成本最小构建的目标函数，在最优化列车开行成本的同时，最大化了运力资源使用效率，说明编制的列车开行方案适应客流特点。
更进一步的，步骤ⅵ以列车开行方案差异性最小构建的目标函数，使编制的列车开行方案在满足一系列约束的基础上，每日之间的列车开行差异最小，有效保证了节假日期间开行方案层面的运输组织计划稳定性。
更进一步的，以整个节假日期间列车开行方案总成本最小构建的目标函数以及以列车开行方案差异性最小构建的目标函数通过加权系数结合，构成适应客流特点和运输组织计划稳定性的总目标。
更进一步的，步骤vi构建了平日动车组交路开行情况约束、动车组交路开行与列车开行的逻辑关系约束以及节假日期间开行的平日列车比例约束，使列车开行决策以动车组交路开行决策为依托，并维持了平日列车在节假日期间的开行比例，有效保证了所得开行方案的稳定性与可实施性。
本发明在节假日客流高峰时期，通过对列车服务网络和模型决策变量增加日期维度，实现了对整个节假日时期列车开行方案的一体化编制，弥补了既有开行方案编制理论和方法中关于多日列车开行方案一体化编制的空白，适应了节假日时期列车开行方案编制的实际需要。
本发明模型通过引入动车组交路开行决策变量以及动车组交路与列车开行逻辑关系约束，在节假日列车开行方案编制过程中深度考虑了动车组周转的稳定性，解决了既有节假日列车开行方案编制模型对动车组交路缺乏考虑的问题，克服了从需求角度调整开行方案时对动车组交路结构的破坏，真正从实际生产应用层面实现了运输组织计划的稳定性和可实施性。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明中节假日多日列车服务网络构建方法示意图。
具体实施方式
以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：
如图1～2所示，一种基于动车组交路的节假日多日列车开行方案优化建模方法，包括以下步骤：
ⅰ.将车站及线路信息、节假日客流需求、节假日增开列车备选集、节假日之前的平日列车开行方案和平日动车组交路作为模型输入；
ⅱ.对步骤ⅰ中平日列车开行方案中的列车考虑所有可能的编组情况，获得平日列车备选集；将节假日增开列车备选集与平日列车备选集结合构成节假日列车备选集；
ⅲ.对步骤ⅰ中平日动车组交路考虑所有可能的车型编组情况，并扩展交路周期至节假日时间长度，获得平日动车组交路集合；
ⅳ.对节假日客流需求中的OD客流需求增加日期维度，得到二维时空OD客流需求；
ⅴ.基于步骤ⅱ中节假日列车备选集，在传统单日列车服务网络的基础上，对网络弧边增加日期维度，得到节假日多日列车服务网络；
ⅵ.基于节假日多日列车服务网络，在考虑动车组交路开行状态的情况下，对整个节假日时期的列车开行方案编制进行一体化建模。
更进一步的，步骤ⅵ中基于节假日多日列车服务网络对整个节假日时期的列车开行方案编制进行一体化建模，其数字化模型中包含目标函数约束条件和决策变量。
更进一步的，步骤ⅵ数字化模型下，得到适应实际生产要求的节假日多日列车开行方案，过程如下：
通过选择满足约束条件情况下目标函数最优的列车开行集合与动车组交路开行集合，即为包含了动车组交路开行状态信息的节假日多日列车开行方案。
更进一步的，步骤ⅵ数字化模型中的决策变量包括：
节假日列车备选集中列车的开行频率、列车的配流情况和平日动车组交路集合中交路的开行状态；
步骤ⅵ数字化模型中的目标函数以整个节假日期间列车开行方案总成本最小和列车开行方案差异性最小为目标进行构建。
更进一步的，步骤ⅵ数字化模型中的约束条件包括：
OD客流需求、列车坐席能力、区间服务频率、节假日增开列车的对称性、平日动车组交路开行情况、动车组交路开行与列车开行的逻辑关系、节假日期间开行的平日列车比例、决策变量取值。
更进一步的，步骤ⅲ得到平日动车组交路集合的具体过程如下：
将平日实际开行的动车组交路按照节假日时间长度与交路实际周期的倍数关系，复制扩展成周期为节假日时间长度的动车组交路，使扩展交路的周期恰好覆盖整个节假日时期，然后搭配所有可能的车型编组情况，得到平日动车组交路集合。
更进一步的，步骤ⅵ中对整个节假日时期的一体化建模具体实现如下：
对OD客流需求增加日期维度，得到二维时空OD客流需求；基于节假日列车备选集，在传统单日列车服务网络的基础上，对网络弧边增加日期维度，得到节假日多日列车服务网络；对列车开行与配流决策变量设置日期维度；对应日期的列车服务网络只能服务对应日期的OD客流需求，进而决定对应日期的列车开行与配流决策变量；不同日期之间的列车开行状态通过动车组交路开行状态来连接。
更进一步的，步骤ⅵ以整个节假日期间列车开行方案总成本最小构建的目标函数，在最优化列车开行成本的同时，最大化了运力资源使用效率，说明编制的列车开行方案适应客流特点。
更进一步的，步骤ⅵ以列车开行方案差异性最小构建的目标函数，使编制的列车开行方案在满足一系列约束的基础上，每日之间的列车开行差异最小，有效保证了节假日期间开行方案层面的运输组织计划稳定性。
更进一步的，以整个节假日期间列车开行方案总成本最小构建的目标函数以及以列车开行方案差异性最小构建的目标函数通过加权系数结合，构成适应客流特点和运输组织计划稳定性的总目标。
更进一步的，步骤vi构建了平日动车组交路开行情况约束、动车组交路开行与列车开行的逻辑关系约束以及节假日期间开行的平日列车比例约束，使列车开行决策以动车组交路开行决策为依托，并维持了平日列车在节假日期间的开行比例，有效保证了所得开行方案的稳定性与可实施性。
进一步地，以整个节假日期间列车开行方案总成本最小和列车开行方案差异性最小为目标构建的目标函数为：
目标函数Z1：整个节假日期间列车开行方案总成本最小
Figure BDA0003335400090000071
目标函数Z2：整个节假日期间列车开行方案差异性最小
Figure BDA0003335400090000072
式中，Z1为成本目标，Z2为相似性目标，λ1和λ2分别为目标Z1、Z2的加权系数；T为节假日期间包含的日期集合，t∈T表示节假日期间的每个日期；K为动车组车型及其编组状态集合，kn∈K表示集合中的每个车型与编组状态组合；L0为节假日列车备选集，l∈L0表示备选集中的每趟列车；L为包含了车型与编组信息的节假日列车开行方案备选集，由L0扩展而来，
Figure BDA0003335400090000073
表示车型与编组状态为kn的列车l，即备选集中的一条开行方案线；
Figure BDA0003335400090000074
表示节假日期间第t天方案线
Figure BDA0003335400090000075
的开行频率；
Figure BDA0003335400090000076
表示方案线
Figure BDA0003335400090000077
对应的动车组标准组数量；ml表示列车l的开行里程；t1、t2表示节假日期间的具体日期，分别为第t1天和第t2天；
Figure BDA0003335400090000081
分别表示方案线
Figure BDA0003335400090000082
在节假日第t1天、第t2天的开行频率；
进一步地，对OD客流需求进行约束：
Figure BDA0003335400090000083
式中，i、j表示线路上的车站；D为客流OD集合，(i，j)∈D表示具体的某个客流OD，有i≠j；Lij为能够服务客流OD(i，j)的列车集合，即在i站、j站均设置停站的列车集合，有
Figure BDA0003335400090000084
Figure BDA0003335400090000085
表示节假日期间第t天方案线
Figure BDA0003335400090000086
运输的从i站前往j站的OD客流量；
Figure BDA0003335400090000087
表示客流OD(i，j)在节假日期间第t天的客流出行需求；
进一步地，对列车坐席能力进行约束，通过比较列车在各区间提供的坐席数量与各区间的客流数量来实现：
Figure BDA0003335400090000088
式中，E表示节假日多日列车服务网络，
Figure BDA0003335400090000089
表示网络E中的一条弧边，即第t天通过方案线
Figure BDA00033354000900000810
从在i站到j站；U表示线路的两相邻车站组成的区间集合，u∈U表示集合中的某个具体区间；Ul表示列车l运行经过的区间集合；θ为列车客座率参数，有0＜θ≤1；n表示列车的编组数量，n∈{1，2}，具体数值可由
Figure BDA00033354000900000811
获得；hk表示车型k的定员数量，车型k可由
Figure BDA00033354000900000812
获得；
进一步地，对区间服务频率进行约束，包括旅客服务角度的区间最小服务频率要求和线路通过能力角度的区间最大通过频率要求：
Figure BDA00033354000900000813
式中，Lu表示运行经过区间u的列车集合；
Figure BDA0003335400090000091
表示区间u的最小服务频率参数；
Figure BDA0003335400090000092
表示区间u的最大列车通过能力参数；
进一步地，对节假日增开列车的对称性进行约束，包括上、下行增开列车数量对称约束和上、下行增开列车编组数量对称约束：
上、下行增开列车数量对称约束：
Figure BDA0003335400090000093
式中，Dtr为列车起讫点集合，dt∈Dtr表示某个具体的列车起讫点；dt1、dt2表示两对具体的列车起讫点；
Figure BDA0003335400090000094
分别表示dt1、dt2的始发站；
Figure BDA0003335400090000095
分别表示dt1、dt2的终到站；
Figure BDA0003335400090000096
分别表示起讫点为dt1、dt2的列车集合；LH为节假日增开的列车集合；
上、下行增开列车编组数量对称约束：
Figure BDA0003335400090000097
进一步地，对平日动车组交路开行情况进行约束，包括动车组交路开行状态约束和必须开行的动车组交路约束：
动车组交路开行状态约束：
Figure BDA0003335400090000098
式中，C0为平日动车组交路集合，根据节假日时期的时间长度T将实际交路扩展适配为周期T的交路，c∈C0；
Figure BDA0003335400090000099
表示车型为k、编组为n的动车组交路c；
Figure BDA00033354000900000910
表示车型为k、编组为n的动车组交路c是否开行；
必须开行的动车组交路约束：
Figure BDA0003335400090000101
式中，
Figure BDA0003335400090000102
表示平日动车组交路c是否在节假日期间必须保留开行，是取值为1，否取值为0；
进一步地，对动车组交路开行与列车开行的逻辑关系进行约束：
Figure BDA0003335400090000103
式中，Lc为动车组交路c担当的列车车次集合；
进一步地，对节假日期间平日列车开行比例进行约束：
Figure BDA0003335400090000104
式中，LW为平日列车开行方案中的列车集合；α表示平日列车开行方案中的列车在节假日期间的开行比例系数；
决策变量取值约束：
Figure BDA0003335400090000105
Figure BDA0003335400090000106
Figure BDA0003335400090000107
又一实施例
本实施例中，列车开行方案是指一组列车开行方案线及其开行频率的集合，每条列车开行方案线是一趟列车的属性及空间开行信息，包括列车起讫点、停站方案、车型编组、运行径路等；列车备选集是列车开行方案的候选集合，由更多可能开行的列车构成，同样包含列车起讫点、停站方案、车型编组、运行径路等信息，生成列车开行方案的过程即是从列车备选集中挑选符合约束条件的最优子集的过程；动车组交路是指动车组的一个周转周期，表示动车组自担当周期内第一列车次的运行任务、离开动车段开始，至完成担当周期内最后一列车次的运行任务、返回动车段为止的一次周转运用，表现为其所担当的一组列车车次依据各自运行时刻的首尾接续，结合现行动车组检修规程，当前的动车组交路周期大多为1天或2天；节假日是指基于法定节假日的铁路旅客运输角度的节假日时期，结合法定节假日长度、客流特点和铁路运营需要，通常包含法定节假日时期及其之前一天在内。
本实施例中，节假日列车备选集与平日动车组交路集合是编制节假日列车开行方案的基础。将节假日前平日列车开行方案中的列车搭配所有可能的车型编组情况，与节假日增开列车备选集共同构成节假日列车备选集；将平日实际开行的动车组交路按照节假日时间长度与交路实际周期的倍数关系，复制扩展成周期为节假日时间长度的动车组交路，使扩展交路的周期恰好覆盖整个节假日时期，然后搭配所有可能的车型编组情况，得到平日动车组交路集合。
本实施例提供一种基于动车组交路的节假日多日列车开行方案优化建模方法。除了需要考虑传统单日列车开行方案编制的要素，节假日多日列车开行方案编制的难点在于处理开行方案的稳定性，即满足节假日客流需求的同时，尽可能保持节假日方案与平日方案的结构相似性，实现节假日每日之间、节假日与平日之间方案的平稳过渡。本发明通过构建节假日多日列车服务网络和在模型中引入动车组交路来解决这一难题，动车组交路反映的是每日列车运行任务担当情况和动车组周转情况，因此是联系开行方案自身属性与运输组织计划稳定性的纽带。有基于此，本发明以整个节假日时期列车开行成本和方案差异性最小为目标，决策平日动车组交路在节假日的开行情况以及节假日列车备选集中列车的开行频率。
定义本发明实施例中模型的变量与符号：
对模型设计的变量与集合、参数进行定义：
1)决策变量
Figure BDA0003335400090000121
节假日列车备选集中列车的开行频率，表示车型与编组状态为kn的列车l(即方案线
Figure BDA0003335400090000122
)在节假日期间第t天的开行频率；
Figure BDA0003335400090000123
列车的配流情况，表示节假日期间第t天，方案线
Figure BDA0003335400090000124
运输的从i站前往j站的OD客流量；
Figure BDA0003335400090000125
平日动车组交路集合中交路的开行与否，表示车型为k、编组为n的平日动车组交路c是否开行，此集合中的交路是将实际的平日动车组交路根据节假日时间长度T扩展成周期为T的交路，其选择开行即表示其在整个节假日期间担当的车次均开行；
2)集合
Figure BDA0003335400090000126
Figure BDA0003335400090000131
3)参数
Figure BDA0003335400090000132
Figure BDA0003335400090000141
具体地，在本实施例中，所述方法包括：
将车站及线路信息、节假日客流需求、节假日增开列车备选集、节假日之前的平日列车开行方案和平日动车组交路作为模型输入。
对平日列车开行方案中的列车考虑所有可能的编组情况，获得平日列车备选集；节假日增开列车备选集与平日列车备选集构成节假日列车备选集；对平日动车组交路考虑所有可能的车型编组情况，并扩展交路周期至节假日时间长度，获得平日动车组交路集合；对OD客流需求增加日期维度，得到二维时空OD客流需求；基于节假日列车备选集，在传统单日列车服务网络的基础上，对网络弧边增加日期维度，得到节假日多日列车服务网络。
基于节假日多日列车服务网络对整个节假日时期的列车开行方案编制进行一体化建模；将节假日列车备选集中列车的开行频率、列车的配流情况和平日动车组交路集合中交路的开行与否设置为决策变量；以整个节假日期间列车开行方案总成本最小和列车开行方案差异性最小为目标构建目标函数；考虑从OD客流需求、列车坐席能力、区间服务频率、节假日增开列车的对称性、平日动车组交路开行情况、动车组交路开行与列车开行的逻辑关系、节假日期间开行的平日列车比例、决策变量取值等方面对节假日每日的列车开行建立约束条件；通过选择满足约束条件情况下目标函数最优的列车开行集合与动车组交路开行集合，即可得到适应实际生产要求的节假日多日列车开行方案。
在本实施例中，所述以整个节假日期间列车开行方案总成本最小和列车开行方案差异性最小为目标构建的目标函数为：
目标函数Z1：整个节假日期间列车开行方案总成本最小
Figure BDA0003335400090000151
目标函数Z2：整个节假日期间列车开行方案差异性最小
Figure BDA0003335400090000152
成本目标计量方式为整个节假日期间动车组开行的“组·公里”，通过所开行列车的编组数量和开行里程计算获得。成本目标在最优化列车开行成本的同时，最大化了运力资源使用效率，说明编制的列车开行方案适应客流特点。差异性目标计量方式为节假日每日之间列车开行的差异数量，通过计算两两日期之间列车开行的差异数量获得。开行方案差异性目标使得编制的列车开行方案在满足一系列约束的基础上，每日之间的列车开行差异最小，有效保证了节假日期间开行方案层面的运输组织计划稳定性。两目标可通过加权系数构成总目标。
在本实施例中，对OD客流需求进行约束，客流需求的数量形式为OD客流量：
Figure BDA0003335400090000161
列车开行方案的基本任务是满足旅客出行需求。基于集合覆盖思想，对于同一天内的每个客流OD，在节假日列车备选集中都有若干趟列车可为其提供运输服务(即在OD起讫点车站均设置停站的列车)，其客流需求可能被分配到多趟列车上，因此该约束的构建通过对节假日多日列车服务网络的配流实现。配流过程考虑旅客均选择最短路出行，暂不考虑换乘，最终在节假日期间选择开行的列车需要满足每日的OD客流需求量。
在本实施例中，对节假日多日列车服务网络的配流与列车坐席能力密切相关，因此对列车坐席能力进行约束，通过比较列车在各区间提供的坐席数量与各区间的客流数量来实现：
Figure BDA0003335400090000162
该约束的构建同样基于对节假日多日列车服务网络的配流。如上所述，每个客流OD的需求可能会被分配到若干可为其提供运输服务的列车上；而对每趟列车来说，又可同时服务多个客流OD。因此，对每趟列车的配流结果应当满足在列车所途经的各区段，列车的载客人数不大于该列车的定员。此外，为了使结果更加符合列车实际带流情况，可参考实际列车客座率等数据，在配流过程中对各列车设置客座率参数。
在本实施例中，从旅客服务和运营规则两方面对区间服务频率进行约束：
Figure BDA0003335400090000171
该约束包括旅客服务角度的区间最小服务频率要求和线路通过能力角度的区间最大通过频率要求，即生成的节假日列车开行方案在各区间的列车通过数量不能低于该区间列车输送能力下限所要求的列车通过频率，不能高于该区间满足列车安全间隔条件下的线路通过能力所要求的列车通过频率。
在本实施例中，节假日列车开行方案的编制除了对平日列车开行的优化选择，还需要加开部分节假日列车。平日列车的选择开行以动车组交路为单位决策，但增开的节假日列车由于在开行方案阶段未确定其开行时刻，因此需要后续编制其动车组交路。为了便于后续阶段编制增开列车的动车组交路计划，结合实际生产中的列车开行规则，对节假日增开列车的对称性进行约束，具体包括上、下行增开列车数量对称约束和上、下行增开列车编组数量对称约束：
具体地，对于上、下行增开列车数量对称约束，该约束表示上下行增开的列车在列车起讫点和列车数量上保持对称，即任意一组对称的列车起讫点在节假日期间增开的列车数量相等：
Figure BDA0003335400090000172
具体地，由于增开列车的运行任务需要增加相应的动车组来担当，因此增开列车的编组数量需要在上、下行方向上一致，否则多出的编组需要额外安排动车组担当，也难以形成完整回路，影响动车组运用的经济性。因此，对于上、下行增开列车编组数量的对称性进行约束，即任意一组对称的列车起讫点在节假日期间增开列车的编组数量相等：
Figure BDA0003335400090000181
在本实施例中，多日列车开行方案编制对方案结构稳定性和平稳过渡性提出了更高要求。如果采用传统单日列车开行方案编制模型直接对平日列车在节假日期间的开行状态进行优化，容易破坏平日动车组交路结构，影响动车组的实际周转。尤其节假日期间每日的客流需求特征不同，极易造成每日之间的列车开行结构和动车组交路结构杂乱无序，给运输组织计划的实施带来极大不便。因此在开行方案编制过程中引入动车组交路因素，在满足客流需求的基础上，通过决策平日动车组交路的开行来确定节假日期间平日列车的开行状态。相应地，单日列车开行方案编制模型中对列车开行设置的要求约束在本实施例中需要通过对动车组交路设置来实现。具体地，对平日动车组交路开行状态设置的约束条件包括动车组交路开行状态约束和必须开行的动车组交路约束：
动车组交路开行状态约束，开行状态包括交路开行与否以及以何种编组状态开行，一条动车组交路的所有开行状态彼此互斥：
Figure BDA0003335400090000182
该约束规定了平日动车组交路在节假日期间最多有一种开行状态。特别地，若平日动车组交路包含跨线列车或者其动车组车底配属不属于线路所涉铁路局，则该交路在节假日期间保留开行，并遵循其在实际节假日期间的编组状态，以避免对其他线路或铁路局的运输组织计划造成影响。对于其它平日交路，在节假日期间的开行状态可进行优化决策。
必须开行的动车组交路约束：
Figure BDA0003335400090000191
该约束规定了节假日期间必须开行的平日动车组交路，具体地，包括担当有标杆车、大站车、跨线车的平日交路以及其它平日重点交路等。该约束设置的目的一是确保标杆车、大站车等重点列车以及客座率高、运营效益好的重点交路在节假日期间照常开行，二是避免因调整跨线车交路的开行而对相关线路和铁路局的列车开行造成影响。
在本实施例中，平日动车组交路和平日列车在节假日期间的开行状态均为模型的决策变量，因此从实际生产规则的角度出发对动车组交路开行与列车开行的逻辑关系进行约束：
Figure BDA0003335400090000192
该约束表示动车组担当车次的开行状态应与该动车组交路的开行状态一致。通过该约束，在动车组交路与列车之间建立起联系，在此基础上模型可分别对平日动车组交路的开行和平日列车的开行进行约束。
以上3组约束即为节假日多日列车开行方案编制模型在引入动车组交路因素后需要对应设置的约束条件。
在本实施例中，上述节假日期间必须开行的动车组交路约束保证了节假日期间一定的平日动车组交路开行比例，但这部分必须开行的平日交路是基于业务规则的考量，而非从数量角度进行的约束。因此为了进一步确保节假日列车开行方案与平日列车开行方案的结构稳定性，对节假日期间平日列车的开行比例直接进行数量约束：
Figure BDA0003335400090000193
该约束规定了节假日期间每日开行的平日列车数量需要达到一定比例，从数量上保证节假日列车开行方案与平日列车开行方案的结构稳定性，而在实际可行性上，则通过对应的平日动车组交路的稳定开行来保证。
决策变量取值约束：
Figure BDA0003335400090000201
Figure BDA0003335400090000202
Figure BDA0003335400090000203
本发明实现了在节假日列车开行方案编制过程对动车组交路的完整考虑，提升了方案的实际应用价值。
既有的节假日列车开行方案编制研究对动车组周转稳定性考虑不足，容易忽视开行方案优化调整对动车组交路结构的改变，影响所得方案的可行性和实用性。本发明所述方法通过引入动车组交路开行决策变量以及动车组交路开行约束、动车组交路与列车开行逻辑关系约束，在节假日列车开行方案编制过程中详细考虑了动车组周转稳定性因素，解决了既有开行方案编制模型对动车组交路缺乏考虑的问题，克服了从需求角度调整开行方案时对动车组交路结构的破坏，真正从实际生产应用层面实现了运输组织计划的稳定性，提升了方案的实际应用价值。
本发明实现了节假日多日列车开行方案的一体化编制，弥补了理论研究空白，契合了节假日列车开行方案编制的实际需要。
节假日多日列车开行方案的编制在问题规模、开行方案的稳定性、每日之间的方案衔接上都提出了更高的要求和挑战。针对既有研究大多针对单日开行方案编制的现状，本发明所述方法通过对列车服务网络和模型增加日期维度，以及在开行方案编制过程中引入动车组交路，实现了节假日多日列车开行方案的一体化编制；并且通过在开行方案编制过程考虑整个节假日期间的动车组周转，从实际生产应用的角度实现了运输组织计划的稳定性和接续性。所述方法弥补了既有开行方案编制理论中关于节假日多日列车开行方案一体化编制的空白，并很好地契合了节假日列车开行方案编制的实际需要。
本发明相比当前实际生产中采用的编制方法，提高了对节假日客流需求的适应性。
实际生产中采用在平日开行方案的基础上增大列车编组和增开列车的方式生成节假日列车开行方案，制约了针对节假日需求的灵活调整手段。本发明所述方法从适应节假日客流需求出发，对平日动车组交路在节假日期间是否开行和采用何种编组开行进行决策，在满足一定的平日交路开行比例基础上，尽可能地基于节假日客流特点来优化平日动车组交路的开行状态，适应节假日显著变化的客流结构，同时提高运力资源的利用效率，降低运营成本，保持运输组织计划稳定性的同时努力实现节假日旅客运输组织的提质增效。

Claims (12)

1.一种基于动车组交路的节假日多日列车开行方案优化建模方法，其特征在于：包括以下步骤：
(ⅰ)将车站及线路信息、节假日客流需求、节假日增开列车备选集、节假日之前的平日列车开行方案和平日动车组交路作为模型输入；
(ⅱ)对步骤(ⅰ)中平日列车开行方案中的列车考虑所有可能的编组情况，获得平日列车备选集；将节假日增开列车备选集与平日列车备选集结合构成节假日列车备选集；
(ⅲ)对步骤(ⅰ)中平日动车组交路考虑所有可能的车型编组情况，并扩展交路周期至节假日时间长度，获得平日动车组交路集合；
(ⅳ)对节假日客流需求中的OD客流需求增加日期维度，得到二维时空OD客流需求；
(ⅴ)基于步骤(ⅱ)中节假日列车备选集，在传统单日列车服务网络的基础上，对网络弧边增加日期维度，得到节假日多日列车服务网络；
(ⅵ)基于节假日多日列车服务网络，在考虑动车组交路开行状态的情况下，对整个节假日时期的列车开行方案编制进行一体化建模。
2.根据权利要求1所述的基于动车组交路的节假日多日列车开行方案优化建模方法，其特征在于：步骤(ⅵ)中基于节假日多日列车服务网络对整个节假日时期的列车开行方案编制进行一体化建模，其数字化模型中包含目标函数，约束条件和决策变量。
3.根据权利要求2所述的基于动车组交路的节假日多日列车开行方案优化建模方法，其特征在于：步骤(ⅵ)数字化模型下，得到适应实际生产要求的节假日多日列车开行方案，过程如下：
通过选择满足约束条件情况下目标函数最优的列车开行集合与动车组交路开行集合，即为包含了动车组交路开行状态信息的节假日多日列车开行方案。
4.根据权利要求2所述的基于动车组交路的节假日多日列车开行方案优化建模方法，其特征在于：步骤(ⅵ)数字化模型中的决策变量包括：
节假日列车备选集中列车的开行频率、列车的配流情况和平日动车组交路集合中交路的开行状态。
5.根据权利要求2所述的基于动车组交路的节假日多日列车开行方案优化建模方法，其特征在于：步骤(ⅵ)数字化模型中的目标函数以整个节假日期间列车开行方案总成本最小和列车开行方案差异性最小为目标进行构建。
6.根据权利要求2所述的基于动车组交路的节假日多日列车开行方案优化建模方法，其特征在于：步骤(ⅵ)数字化模型中的约束条件包括：
OD客流需求、列车坐席能力、区间服务频率、节假日增开列车的对称性、平日动车组交路开行情况、动车组交路开行与列车开行的逻辑关系、节假日期间开行的平日列车比例、决策变量取值。
7.根据权利要求2所述的基于动车组交路的节假日多日列车开行方案优化建模方法，其特征在于：步骤(ⅲ)得到平日动车组交路集合的具体过程如下：
将平日实际开行的动车组交路按照节假日时间长度与交路实际周期的倍数关系，复制扩展成周期为节假日时间长度的动车组交路，使扩展交路的周期恰好覆盖整个节假日时期，然后搭配所有可能的车型编组情况，得到平日动车组交路集合。
8.根据权利要求2所述的基于动车组交路的节假日多日列车开行方案优化建模方法，其特征在于：步骤(ⅵ)中对整个节假日时期的一体化建模具体实现如下：
对OD客流需求增加日期维度，得到二维时空OD客流需求；基于节假日列车备选集，在传统单日列车服务网络的基础上，对网络弧边增加日期维度，得到节假日多日列车服务网络；对列车开行与配流决策变量设置日期维度；对应日期的列车服务网络只能服务对应日期的OD客流需求，进而决定对应日期的列车开行与配流决策变量；不同日期之间的列车开行状态通过动车组交路开行状态来连接。
9.根据权利要求5所述的基于动车组交路的节假日多日列车开行方案优化建模方法，其特征在于：步骤(ⅵ)以整个节假日期间列车开行方案总成本最小构建的目标函数，在最优化列车开行成本的同时，最大化了运力资源使用效率，说明编制的列车开行方案适应客流特点。
10.根据权利要求5所述的基于动车组交路的节假日多日列车开行方案优化建模方法，其特征在于：步骤(ⅵ)以列车开行方案差异性最小构建的目标函数，使编制的列车开行方案在满足一系列约束的基础上，每日之间的列车开行差异最小，有效保证了节假日期间开行方案层面的运输组织计划稳定性。
11.根据权利要求5所述的基于动车组交路的节假日多日列车开行方案优化建模方法，其特征在于：以整个节假日期间列车开行方案总成本最小构建的目标函数以及以列车开行方案差异性最小构建的目标函数通过加权系数结合，构成适应客流特点和运输组织计划稳定性的总目标。
12.根据权利要求6所述的基于动车组交路的节假日多日列车开行方案优化建模方法，其特征在于：步骤(vi)构建了平日动车组交路开行情况约束、动车组交路开行与列车开行的逻辑关系约束以及节假日期间开行的平日列车比例约束，使列车开行决策以动车组交路开行决策为依托，并维持了平日列车在节假日期间的开行比例，有效保证了所得开行方案的稳定性与可实施性。
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