An implementation of cellular automaton model for single-line train working diagram

According to the railway transportation system＇s characteristics, a new cellular automaton model for the single- line railway system is presented in this paper. Based on this model, several simulations were done to imitate the train operation under three working diagrams. From a different angle the results show how the organization of train operation impacts on the railway carrying capacity. By using the non-parallel train working diagram the influence of fast-train on slow-train is found to be the strongest. Many slow-trains have to wait in-between neighbouring stations to let the fast-train（s） pass through first. So the slow-train will advance like a wave propagating from the departure station to the arrival station. This also resembles the situation of a highway jammed traffic flow. Furthermore, the nonuniformity of travel times between the sections also greatly limits the railway carrying capacity. After converting the nonuniform sections into the sections with uniform travel times while the total travel time is kept unchanged, all three carrying capacities are improved greatly as shown by simulation. It also shows that the cellular automaton model is an effective and feasible way to investigate the railway transportation system.

基于列车群组运行的重载铁路运输组织研究综述

列车群组运行模式为重载铁路通过加大行车密度解决运能紧张问题提供了新途径。该模式可突破车站接发车、集解编运输组织模式、快捷货运三大瓶颈,实现运输效能、运输组织灵活性及快捷货运时效性的提升。在分析虚拟编组技术的发展历程及技术特征、重载铁路群组运输控制和运输组织研究现状的基础上,从重载铁路群组列车控制理论与方法、列车群组运行条件下运输组织模式适应性、列车群组运行条件下运输组织方法3个方面,系统总结了既有研究存在的问题,提出了该模式从理论走向应用需要进一步研究的关键问题,包括适应复杂运营条件的重载铁路列车群组运行协同控制方法、列车群组运行下高效运输组织模式、列车群组计划与运行图编制智能化理论与技术、列车群组运行智能调整优化理论与技术研究等。

高速铁路列车运行图弹性评价方法

高速铁路系统内外部干扰严重影响着运行图的实施效果,因此量化运行图的抗干扰能力对高速铁路运输组织有着深远影响。研究在分析列车运行图动态性能的基础上定义了列车运行图弹性的概念及其影响因素,进一步针对不同强度的干扰场景,提出了不同场景下的列车运行图弹性系数,并构建了评价指标与综合评价体系,基于列车自动调整引擎设计了列车运行图弹性的仿真实验。结合数据包络分析,提出了列车运行图弹性的评价方法,结果表明该方法能有效对高速铁路列车运行图弹性进行评价与量化,为不同运行图在弹性方面提供相对效率的比较与优化方向,能够为运行图铺画、运行图能力提升与“一日一图”的实施等实际运输生产应用,提供一定的辅助决策和参考。

考虑多方效益的高速铁路客运通道合理分工研究

在铁路通道日常调图中,列车开行方案的调整能否与运行图相互协调显得尤为重要。通过对平行通道内旅客列车开行方案进行调整并与运行图进行综合优化并探究各方效益变化,可得到更贴合运行实际的调整方案,为铁路企业调图决策提供指导。通过构建出行服务网络对旅客市内出行时间进行描述,以运输企业成本及旅客出行时间最小为优化目标,以通过能力限制、列车到发时刻限制等为约束条件,构建非线性整数规划模型,从而实现列车开行方案、运行图调整一体化模型的构建,并调用商业软件对模型进行求解。以某平行通道进行算例分析,对模型有效性进行验证。算例结果分析表明,通过本模型求得的分工方案可对通道内列车进行合理分工,有效减少旅客出行时间。通过对调整前后各铁路企业效益变化情况进行量化计算,其结果可为铁路运营企业进一步优化开行方案提供参考。

单线铁路区段开行一对摘挂列车运行图优化研究

单线铁路摘挂列车运行图优化,有助于加速车辆周转和货物送达。由于顺向车流在车站等待时间确定,故列车开行时只考虑上行和下行的逆向车流。当每日开行一对摘挂列车时可采用上开口、下开口和交叉方案等3种运行图形式,使用0-1变量将其转换成1种。考虑摘挂列车交叉车站选择逻辑约束,列车在车站到达和出发时刻、停站时间、区间运行时间等运行过程约束,逆向车流在中间站停留总时间、所需货物作业时间等约束,建立以逆向车流在中间站停留车分钟之和最小为目标的非线性整数规划模型。引入大M将其非线性约束转换成线性,得到线性整数规划模型。设计6个车站算例,使用数学软件求得最优解,根据求解结果从不同角度对摘挂列车运行图优化提出建议,为运行图编制和调整提供参考。

考虑碳排放的城市轨道交通跳站运行图优化

为了降低城市污染物排放,实现低碳绿色发展,在传统的列车跳站停车模式优化模型的基础上,考虑跳站停车对再生制动能量利用的影响,并且考虑每位乘客的乘车可达性,针对跳站停车可能出现的乘客换乘次数过多及无法到站的问题,提出跳站停车到站约束,并设计列车车内风险惩罚函数,以乘客总等待时间和碳排放最小为目标函数,构建城市轨道交通跳站停车优化模型。考虑模型的非线性特征,设计一种新的滚动跳站停车模式。以天津市某地铁线路为例,对早高峰列车采取跳站停车模式优化。结果表明,考虑再生能利用的跳站停车方案在乘客平均等待时间几乎不变的情况下,牵引碳排放最多降低11.74%;并且相比于传统的跳站停车,考虑车内风险的跳站停车模式可以降低车内风险35.6%。

高速列车运行图节能优化研究现状及展望

为理清高速列车运行图节能优化的研究脉络,主要从高速列车节能运行方式、节能运行图模型构建、算法设计等方面对国内外相关研究进行综述。结果表明:高速列车节能运行具有多种节能方式并存、不同学科交叉等特点,其研究内容从单区间内列车操纵策略优化,发展到列车运行图优化;模型约束从简单的速度、时间上限,变为考虑列车安全时距、复杂线路条件、电分相区等多种因素;算法思想也从基础的庞特里亚金原理,逐渐扩展到运用各类启发式算法帮助快速求解,以及使用精确算法进行预处理,提高求解精度。未来可以针对高速列车在复杂运行区间的驾驶策略、开行方案对能耗的影响、高速列车再生制动能的储能装置等方向继续深入研究。

基于均衡性和能力利用的高速铁路标杆车运行图编制方法研究

高速铁路标杆车的服务品质对于提高铁路客运产品的竞争力具有重要意义,在现场实际编图过程中,高速铁路标杆车须优先铺画,因此标杆车运行图的编制结果决定了整个列车运行图的框架。为了提高高速铁路标杆车的服务品质,考虑标杆车区间运行时分约束、交路接续时间约束等编图基本约束,结合标杆车始发时间约束、成组约束等特殊约束,基于事件活动网络构建以OD服务均衡性和能力利用为目标的整数线性规划模型。设计分阶段迭代求解算法框架,嵌套商业求解器进行求解,第1阶段为不考虑安全间隔时间约束的标杆车分组问题,以OD服务均衡性为目标进行求解;第2阶段以求解得到的标杆车分组为输入,增加安全间隔时间约束,以能力利用为目标进行求解。最后以京广高速铁路为案例,使用实际编图参数,运用优化求解器ILOG CPLEX进行求解,验证模型的有效性和可行性。实验结果表明:优化模型可以在较短时间内高效求解,与实际图对比,上下行OD服务均衡性分别提升38.2%和51.7%,能力损失降低50%,针对不同规模的算例,在200 s内均能得到最优解。针对不同交路接续时间,得出限制标杆车在北京西站的交路接续时间在45 min以内,不会对OD服务均衡性和能力利用造成较大影响。研究结果可为高速铁路标杆车运行图编制及优化提供参考。

基于有限时空域的铁路运行图货物列车运行线铺画方法研究

目前我国部分普速铁路干线仍然存在客货列车争能现象,为此铁路部门时常采用“调客增货”的方式以满足部分时段货物运输需求。但由于普速铁路列车运行图编制时,货物列车运行线的铺画优先级往往低于旅客列车,缺少旅客列车停开后的货物列车运行线自动分析和编制方法,导致货运市场与运行图编制无法适配。为此,将普速铁路旅客列车停开后的货物列车运行线铺画问题转化为动态规划问题,从运行线的函数特征、车站间隔时间和货物列车运行线铺画区域3个方面阐述模型原理,构建基于双计算周期的动态规划模型,并以京广铁路平南至邯郸南一场区段为例对模型进行了有效性验证。结果表明,该方法能有效求解有限时空域内的货物列车运行线连续铺画问题,对提高普速铁路通过能力利用率、优化普速铁路客货列车结构具有理论与实际意义。

基于人工智能的列车运行图智能编制技术体系框架研究

列车运行图是铁路运输组织的核心,其编制质量直接影响铁路运营管理、劳动生产和资源配置的综合效能,将人工智能前沿技术应用于列车运行图编制,解决大规模复杂路网条件下列车运行图常态化编制的效率和质量统筹优化问题,是铁路运输领域的最新发展趋势。分析我国列车运行图编制现状,在总结国内外列车运行图编制理论研究的基础上,梳理列车运行图编制的任务目标、规则约束和策略方法体系,结合人工智能大数据、大算力、大模型和大应用理论,构建列车运行图智能编制总体架构,设计基于人工智能的列车运行图高速智算平台技术架构,创建基于人工智能的列车运行图智能编制总体路线,提出下一步发展需要重点突破的关键技术,旨在为基于人工智能的列车运行图智能编制技术发展提供参考依据。

基于客流匹配的城市轨道交通列车运行图优化研究

列车运行图与客流需求息息相关,当运行图提供的能力与客流需求相匹配时,城市轨道交通系统既可以充分地适应乘客的需要,还可以最大限度地利用自身的运输能力。通过对乘客出行路径选择影响要素的探讨分析,改进有效路径搜索算法,构建客流分配模型并利用MSA算法对模型进行求解。基于配流结果提出列车运行图能力与客流需求匹配程度的定量评价方法,利用多目标合成的方法进行计算。基于能力匹配度的计算结果,采取相应的分时段、分区段、分方向的优化方法,实现列车运行图能力与客流需求的协调匹配。最后以南京轨道交通为例进行实例计算,与能力匹配度进行对比,结果表明:本文采取的优化方法能够使城市轨道交通列车运行图与客流需求匹配度提高19.59%。

高普平行通道列车开行结构调整优化模型研究

铁路通道作为连接区域中心和枢纽的重要运输纽带,对旅客出行、货物运输以及区域经济的发展具有重要意义。在高速铁路和普速铁路双网融合的背景下,如何优化高普平行通道内列车开行结构,实现客运提质、货运增能,已成为关键问题之一。针对区域内平行通道列车开行状况,为满足路网能力提升及运行图优化需求,研究基于客货分线和列车运行图优化模型理论,在列车运行图基本约束的基础上综合考虑列车跨天运行以及V形天窗的情况,以高速铁路和普速铁路列车始发终到调整时间最小和高速铁路列车数量增加最多为双目标函数,构建了高普平行通道列车开行结构调整优化模型。通过案例分析验证了模型的有效性,优化了现有列车开行结构,实现了既有运行图新增列车运行线,研究结果为通道内列车开行方案调整提供理论依据。

采用储能式车辆的城市轨道交通列车运行图分析

储能式轨道交通车辆采用车载储能介质,无需架空接触网等额外供电设施,可以降低高架线路的景观影响及工程投资,在低运量的城市轨道交通线路上拥有较大优势,但其采用的储能式动力方式会对行车组织产生特殊影响。对于采用蓄电池储能式车辆并在停车场集中充电方式的轨道交通线路,分析其对轨道交通公交化、高频率、安全性运营组织的影响因素;在考虑这些影响因素的情况下,提出列车运行图铺画时的约束条件,主要有运用车数、高峰小时列车对数、全日列车运行计划、折返时间、区间运行时分、停站时间、车辆段场出入时分、停车场分布及功能、停车场股道及列位等,以及运行能耗、车载电池容量、充电时间、出入停车场次序等。最后以衡阳胶轮有轨电车示范线项目为例,对储能式城市轨道交通车辆的列车运行图进行深入分析,并对运行图指标进行总结,提出优化措施,研究成果可为同类项目的设计研究提供参考。

考虑客座率偏好的动车组周转计划编制研究

针对当前动车组周转计划在列车运行图“抽线”时所出现的客流适应性差问题,提出考虑客座率偏好的动车组周转计划编制方法。以列车运行线为节点、列车运行线衔接关系为弧构建时空网络,弧的费用用接续时间的函数表示,则一条动车组交路可以表示为时空网络中的一条路径。在考虑动车组接续效率的同时,提出将客座率相近的运行线编至同一条动车组交路的客座率匹配关系,并将其表示为运行线间是否可以接续的一个约束条件,从而将动车组周转计划编制问题转化为一类带特殊约束的最短路问题。设计了基于Cplex的分组求解方法。所生成方案除了满足动车组使用效率优化的传统目标外,客座率相近的运行线被编制在同一条交路中,以适应抽线方式对动车组周转交路的需求。

低碳导向的城轨列车节能运行方案研究

在城市轨道交通事业迅猛发展的同时,能源消耗总量与碳排放总量过大的问题也日显突出,因此提出低碳导向的城市轨道交通列车运行方案集成优化方法。对列车运行过程中的动力学特性进行分析,确定列车牵引能耗的计算方法,并通过电网排放因子量化列车碳排放与牵引能耗的关系。通过列车运行图和速度曲线控制,在匹配更多再生制动能量的同时减少牵引能耗,构建以全线列车总碳排放量最小为目标的集成优化模型,并设计基于遗传算法的高效启发式算法对模型进行求解。利用北京地铁燕房线的实际数据进行实例验证,结果表明优化后列车再生制动能匹配量增加76.1%,全线碳排放量降低33%。

京唐京滨铁路周期运行图编制方案研究

京唐铁路、京滨铁路主要服务于区域城际客流及中长途客流,综合路网衔接条件、列车运行时分、运营适应性等因素明确了2条铁路的动车组类型、定员,结合客流特点,以公交化运营为出发点,考虑规格化开行列车、充分发挥动车组性能、保证一定服务频率、提高车底运用效率等原则,建议跨线列车及本线大站停城际列车采用350 km/h级别动车组,本线站站停城际列车采用200 km/h级别动车组。以开行方案及线路工程条件为基础,编制京唐铁路与京滨铁路周期运行图,规格化开行城际列车与跨线列车,北京城市副中心至宝坻南段每10 min开行1对车,京唐铁路与京滨铁路列车运行图全日共铺画194列车,划分为17个交路,两线共需配置18列8辆编组350 km/h动车组、11列4辆编组200 km/h城际动车组。

面向旅客到达晚点最小的高速铁路列车运行图冗余时间布局优化研究

高速铁路列车是为旅客提供的高质量运输产品,具有运行速度高、密度大等特点。然而随机出现的运行干扰会导致列车晚点,由于列车之间存在关联及安全间隔约束,晚点还会进一步扩大,扰乱高速铁路运输组织秩序,导致乘车旅客到达晚点,降低运输服务质量。在运行图中设置冗余时间,增加运行图弹性,是吸收列车晚点的重要方式。通过构建高速铁路列车运行图网络模型,推算考虑冗余时间的列车晚点概率密度函数,以旅客到达晚点总时间期望值最小为目标,建立高速铁路列车运行图冗余时间布局优化模型,设计贪心算法,以京沪高速铁路北京南—济南西区段为例进行分析。研究结果表明,模型求解得出的冗余时间布局能够较好降低旅客到达晚点总时间期望,对保障运输组织秩序,提升客运服务质量具有积极意义。

基于时空协同优化的多目标城市轨道交通延误恢复研究

针对城市轨道交通延误引起滞留旅客较多和短期运力不足的情况,提出同时采用车站限流措施和灵活跳停策略的列车延误调整方法。通过构建多目标线性规划模型,对延误列车运行图进行优化调整,将优化目标分为延误旅客总人数最小化和线路延误总时间最小化2部分,同时引入跳停决策变量,考虑跳停对计算线路总延误时间的影响,精确调整线路延误列车运行时间。多目标线性规划模型既有效缓解因滞留旅客过多造成的站台拥挤,又快速恢复因某趟列车延误造成的大面积晚点。最后通过实际算例对模型进行验证,计算结果表明该模型相较于传统的运行时刻调整策略可有效缓解站台滞留旅客的拥挤情况,缩短线路总延误时间,快速恢复城市轨道交通系统的正常运营。

基于云平台的列车运行图编制系统设计及关键技术研究

列车运行图是列车运输组织计划的核心,是保证铁路运输安全、高效的有效手段。随着我国路网规模迅速增长、客货运需求多元时变,列车运行图编制工作向常态化发展。为提升列车运行图编制效率和质量,提高编图系统自动化、智能化和信息化水平,采用云平台技术体系构建新一代列车运行图编制系统。设计提出了系统总体结构、技术架构和网络架构,通过云平台实现与上下游系统的互联互通和资源共享;研究攻克了编图资料即时云同步、编图指标实时计算、编图数据实时云备份与冗余存储、大规模群体协同编制和一体化编制终端等多项关键技术;开发形成了覆盖编图业务全流程的核心功能模块。新一代列车运行图编制系统已应用于现场编图工作,在功能、性能和安全性方面均有明显提升,对创新列车运行图编制管理模式和业务流程,提高编图信息化、智能化水平具有重要意义。

合肥铁路枢纽能力利用分析与优化改造策略研究

在阐述合肥铁路枢纽概况和枢纽能力利用影响因素要素的基础上,在列车运行图参数方面,运用仿真计算法对车站(合肥北城站)、区段(合肥北城—合肥南合福场区段)、车站区段(巢湖东站及相邻区段)进行分析;在列车开行方案方面,运用理论分析、实际分析对列车运行径路(京港高速铁路)、列车流量(合蚌高速铁路)、普速铁路客运服务产品进行分析,探究合肥铁路枢纽能力利用的薄弱环节。研究结果表明:在基础设施方面,改造合肥北城—合肥南合福场区段线路,改造巢湖东合福场东咽喉,优化京港高速铁路;在列车开行方案方面,加强对接京沪高速铁路,加开动力集中型动车组,调整枢纽内列车运行径路;综合采用上述措施可以有效提高合肥铁路枢纽运输能力、效率和竞争力。