动车组高级修计划优化模型及算法研究

动车组高级修耗时较长,当检修作业发生在客流高峰时期,造成客运能力持续紧缺,而提前检修又会造成检修成本增加。基于高级修计划的编制流程与实际约束条件,本文构建了0-1整数规划模型。为方便模型的描述,以每列动车组的运用与检修历史数据为基础生成备选送修时间集合,即送修时间窗。模型以检修规程、用车需求和检修能力限制等实际条件为约束,以损失里程最小为优化目标。设计了相应的粒子群求解策略。最后以上海局的部分动车组为实际背景进行了案例分析。结果显示,与目前普遍采用的人工编制计划相比,本文所述方法可将动车组的损失里程降低21.58%,而且送修计划的质量与编制效率也都有较大幅度的提升。

基于Q学习算法的摘挂列车调车作业计划优化

针对摘挂列车编组调车作业计划编制问题,基于强化学习技术和Q学习算法,提出1种调车作业计划优化方法。在表格调车法的基础上,将调车作业计划分为下落和重组2个部分。通过动作、状态和奖励3要素构建调车作业问题的强化学习模型,以调车机车为智能体,以车组下落的股道编号为动作,以待编车列的下落情况为状态,形成车组挂车、摘车具体条件和车辆重组流程,并依据车组下落的连接状态和车辆重组后产生的总调车程设计奖励函数。改进Q学习算法求解模型,以最小化调车程为目标,建立待编车列与最优调车作业计划之间的映射关系,智能体学习充分后即可求解得到最优的调车作业计划。通过3组算例对比验证本方法效果,结果表明:相较于统筹对口法和排序二叉树法,本方法使用的股道数量更少、调车作业计划更优;相较于分支定界法,本方法可在更短时间内求解质量近似的调车作业计划。因而,本方法有助于提高车站调车作业计划编制的智能化决策水平。

考虑集结时间的中欧班列直达与中转运输优化模型

为缩短中欧班列全程运行时间,促进其高质量发展,构造考虑集结时间的中欧班列直达与中转运输优化模型。根据实际中的直达、中转2种中欧班列运输组织方式,提出用虚拟弧表示集结过程的广义服务网络构建方法;基于广义服务网络,考虑不同中转方案对各中转节点集结时间的影响,得到以各货源点发出中欧班列集装箱总耗时最短为目标,以网络流量守恒和集结弧、运输弧能力为约束条件的优化模型;针对模型因决策变量出现在分母的复杂非线性项而难以求解的问题,提出先插入切线近似逼近曲线、再构造等效代换不等式组的“两步走”线性化处理方法;通过小型模拟算例验证模型的有效性。结果表明:对于4个运量相对较小的货源点,与全部直接开行直达中欧班列的全直达方案相比,优化方案中各点始发的中欧班列集装箱总耗时减少42.8 TEU·d,因而该优化模型是可行且有效的。

基于里程最大化的动车组交路计划优化方法

动车组交路计划是编制动车组运用计划与检修计划的重要基础,对于加强动车组的运营管理具有重要作用。针对动车组交路计划编制的问题,主要在动车组一级检修的里程周期和时间周期的约束下,以动车组运行里程最大化和列车车次接续时间最小化为优化目标,构建了动车组交路计划优化的0-1整数规划模型。在此基础上,设计了交路计划优化编制的算例,并采用Lingo软件对模型进行求解,优化结果验证了模型的有效性。

列车开行方案优化中的机车交路影响研究

结合货物列车的实际运行特点,分析“列车途经技术站时若不解体则必有换挂机车等无调作业”这一传统货物列车开行方案优化理论假设的局限性,并总结列车途经技术站的作业模式。在传统假设的基础上,考虑机车交路对无改编中转列车的影响,建立综合考虑无调和有调作业的货物列车开行方案优化的双层规划模型。结合所建模型的特性,采用模拟退火算法求解。以京沪铁路为背景进行案例研究,结果表明,新模型得到的开行方案有效地过滤了传统模型中的不合理开行方案,并且新模型得到的车流开行总成本与传统模型得到的结果相比有所节省。

综合考虑区段列车与直达列车的编组计划优化方法

在不预先假设列车编组计划模型中相邻2个支点站之间必定开行区段列车的情形下,从迭代优化的视角分析摘挂列车与区段列车的组织特点,得到相邻2个支点站间开行区段列车的临界车流条件;从货物列车编组计划的整体性出发,在车流径路确定的条件下,构建包含非连续单位阶跃函数的车流组织优化双层0-1整数规划模型,实现直达列车与区段列车开行方案的相互关联,并提出基于模拟退火为主算法的迭代逼近策略求解模型。利用由京广铁路实际场景设计来的丰台西站—江村站通道案例,进行远程直达列车与区段列车开行方案的综合优化,验证改进模型的合理性。结果表明:与基于传统假设的技术直达优化方案相比,改进模型求解得到的新方案中,编组去向数量由33个增至36个,其中技术直达增加4个,区段列车减少1个;求解得到的各个区段车流强度均符合开行条件,进一步验证了将区段列车开行条件纳入远程直达列车编组计划综合优化的合理性。

车底数最小化的动车组交路计划优化

基于现场生产需求,研究动车组交路计划优化问题。首先,界定动车组交路定义,分别以交路数最少、列车接续时间最短和车底数最少作为优化方向,分析3种目标下交路计划优化的不同效果,以及动车组交路计划的限制条件;然后,以所有动车组交路所需车底数最少为主要目标、以交路总时间最短为次要目标,考虑列车接续和动车组检修等约束条件,构建车底数最小化的动车组交路计划优化模型;最后,对整数非线性规划模型进行线性化处理,并依托上海局实际列车数据,对模型开展案例研究。结果表明:该模型可灵活转换优化目标,具有较好的灵活性和通用性;相比人工交路计划,该模型得到的优化计划减少车底数1列,缩短交路总时间420min;通过模型参数的灵敏度分析验证不同优化目标间的分歧性,并得出3条交路计划优化建议分别是,在保障动车组设备安全的前提下延长检修周期、提高车站作业效率并缩短动车组在站停留时间和压缩检修作业时间。

带资金预算约束的动车组高级修计划优化研究

近年来我国高速铁路发展迅速,动车组运用越来越广泛。随着动车组保有量的增长,动车组市场进入了高级修的高峰期。由于动车组高级修成本高,且在目前的维修体制中,各路局对高级修预算都有一定限制,而既有研究未考虑这一关键限制条件。鉴于目前动车组在一年内进行高级修次数一般小于一次的事实,本文采用年度高级修资金预算约束的策略,在分析资金预算及成本支出的基础上,构建带资金预算约束的动车组高级修计划优化0-1整数规划模型。对中国铁路某局集团有限公司的124列动车组进行实际优化,使用Python调用Gurobi进行精确求解。将生成的优化方案与不考虑资金预算限制下的优化方案进行比较,在不超预算的情况下,得到优于人工经验的方案。

铁路大宗货物直达运输与牵引重量损失的平衡

铁路大宗货物一般要求尽可能在装车地编组始发直达列车,以减少途中的有调中转作业、缩短货物送达时间、加快机车车辆循环。我国铁路网规模庞大,各铁路区段的牵引定数并不完全一致。要解决的核心问题是在列车牵引重量不一致的线路上,哪些货流(大宗商品)可以组织点到点直达运输,哪些货流需要合并组织编开到途中编组站的直达列车,哪些车流送往相邻技术站作为技术车流集结。以装卸地和运行途中的成本最小化为目标确定最优的直达运输与牵引重量损失之间的平衡,并形成一个非线性0-1规划模型。最后以哈局海拉尔煤炭装车区为背景,进行实例优化,进一步验证本文理论和模型的有效性。

多供应商大宗整列直达列车联动发车分析研究

对于由多供应商提供大宗原材料的企业,供应商的列车发车间隔将影响企业的库存水平。为此,将着重研究在收货方平均库存最小目标下的多供应商的整列直达列车联动发车间隔关系。由于不同供应商的供货量、始发直达的列车运输量、途中的运输时间或路径差异均会对列车到达间隔产生影响;故分别解析了多供应商列车运输量相同与不相同、每个供应商年供货量相同与不相同4种组合情况下的列车联动发车间隔优化方法。最后,给出了算例分析,结果显示,相对于随机的发车间隔,企业的平均库存水平降低了24.2%。

摘挂列车编组计划优化研究

合理的摘挂列车开行方案能够有效提高区段内车流组织水平和设备使用效率。摘挂列车开行方案除受区间通过能力、车站设备能力、车流量分布等因素的影响外,还与是否开行区段列车有关。根据区段列车和摘挂列车的运行特点,通过分析区段与摘挂列车运行过程中的车小时消耗以及对区间通过能力的影响,建立以区段列车和摘挂列车的集结车小时和运行车小时、摘挂列车在站停留车小时和停站次数最小化为目标函数的优化模型。最后结合数值算例,利用优化软件对模型进行求解,得出总车小时消耗最少的车流组织方案,验证了模型的可行性。

基于AR模型的动车组日均走行里程测算方法研究

动车组日均走行里程的测算在动车组运用和检修计划的编制中起着十分重要的作用。首先分析了动车组日均走行里程的各种影响因素,为了能够准确测算出后续一段时间内动车组的日均走行里程,提出了日均里程测算方法。同时,考虑到动车组运用在时间维度上具有一定的关联性和规律性,通过对日均上线动车组数进行时间序列分析,构建了AR模型来预测下一年的日均上线车组数,并完成动车组日均里程测算。最后,通过模型预测了2020年某动车所CRH380B型动车组的日均走行里程,通过与实际情况比较,最终的预测误差小于5%。

铁路高附加值货流改编链优化研究

由于高附加值货流分布和班列产品结构并不完全匹配,在铁路网上仍然还有相当一部分高附加值货物无法挂运班列送达,因此,减少这部分货流的在途中转次数将提高其在运输市场中的竞争力。在分析铁路货物运输流程的基础上,提出以高附加值货流改编次数最少为目标的改编链优化模型,把车流在改编站上产生的改编费用通过列车服务网转换为列车弧的权值,这样,把模型的求解问题转化为列车服务网上的广义最短路径求解问题。采用C++计算机语言对模型进行求解,以江村至丰台西方向的车流为例进行验证,验证了模型的有效性。

基于Pareto最优的动车组高级修轮廓计划多目标决策研究

动车组高级修轮廓计划对动车组使用效率提升、检修成本控制和检修基地效益提高等多个经营目标的实现至关重要,而这些经营目标间存在着此长彼消、效益悖反现象。针对多目标互斥问题,将高级修轮廓计划中各业务逻辑关系进行数学抽象,借鉴流体力学中坐标系分析法,在拉格朗日坐标系下,测算每列动车组在何时何地进行何种等级高级修作业,在欧拉坐标系下,记录每一检修地点每一时刻每一等级高级修作业在修动车组列数,并将二者有效耦合,构建多目标0-1整数规划模型。然后利用ε-constraint法求解多目标规划模型得到Pareto前沿。最后,基于上海局部分动车组的实际案例对模型的合理性与有效性进行验证。结果显示,相较于以往决策过程,文中所述方法可快速给出系列最优解,大幅度提升高级修轮廓计划编制的质量与效率。

An estimation model of time-varying origin-destination flows in expressway corridors based on unscented Kalman filter

On the basis of measurable time series of mainline and ramp flows from traffic counts and the assumption of travel time distributions, this research presents a dynamic system model and its on-line estimation algorithm for recursive estimation of time-varying origin-destination (OD) matrices in expressway corridors. The proposed model employs a macro-traffic flow model to estimate travel times of OD flows and uses parameters of the traffic model as state variables, which are added to the constrained function of the system. To improve the model efficiency, we revise the travel time distribution based on the feature of normal distribution. The research employs a newly developed filtering technique, called unscented Kalman filter. The proposed model is evaluated with simulation experiments. Numerical analyses with respect to the sensitivity of the selection of initial parameters on the estimation results indicate that the proposed model is sufficiently reasonable and stable for real-world appli-cations.