高速铁路动车组运用和检修综合优化的相关问题研究

Train circulation and maintenance plan takes an important role in transport organization of high speed railway, which has a direct impact on the safety, operation cost and service quality. Based on the specific technology and management requirements in Chinese high speed railway, this research project will study the train circulation plan and maintenance plan in strategic, tactical and operational levels respectively. In the strategic level, a model based on set partitioning problem for train routing plan will be constructed, and then a column-generation-based algorithm will be developed to solve the problem. In the tactical level, an integrated model for weekly or monthly train circulation plan and maintenance plan will be proposed. The mathematical and engineering properties of the integrated model will be discussed, and a heuristic algorithm will be developed. In the operational level, an integrated model for train timetable rescheduling and train circulation rescheduling after a disruption will be constructed. An iteration method integrating optimization and simulation will be proposed to solve the problem. Besides, concepts of flexibility for train circulation and maintenance plan in strategic and tactical levels will be proposed and studied. Finally, cooperation with the industry will be carried out to verify the effectiveness of the proposed models and methods. After modifying the parameters of the models, software packages on circulation and maintenance plan will be developed.

动车组的运用和检修计划是高速铁路客运组织过程中的重要环节，直接关系到高铁列车运行安全、经济效益和服务质量。本课题以我国高铁动车组实际运营条件和检修要求为背景，旨在从策略层、运营层和操作层分别对动车组运用和检修计划进行分析，总结并抽象出其中的关键问题。在策略层，构建基于集合划分思想的动车组交路计划生成模型，并结合列生成、分支定界等方法设计相应的算法；在运营层，研究基于交路计划的动车组运用和检修计划一体化编制的模型，分析模型的数学性质和工程意义，设计高效的启发式算法；在操作层，构建disruption情况下列车运行图与动车组运用计划的综合调整模型，并尝试集成优化方法与模拟方法，通过迭代求解模型。此外，本课题还提出并研究策略层和运营层动车组运用和检修计划的“弹性”概念。最后，寻求相关单位合作，以实际数据为支撑，检验模型和算法的有效性，调整模型参数，进而完成相关软件包的开发。

动车组的运用和检修计划是高速铁路客运组织过程中的重要环节，直接关系到高铁列车运行安全、经济效益和服务质量。项目组以我国高铁动车组实际运营条件和检修要求为背景，采用运筹学领域取得的相关成果，对我国动车组交路计划的制定、动车组运用和检修一体化、动车组周转-列车运行图-线路检修的协同优化等问题进行深入研究。. 首先，通过有向图的方式将动车组的周转表示出来，分别建立基于弧（arc）和基于路径（path）的集合覆盖模型，借助通用求解器或者设计分支定价算法求解模型、获得满足维修要求的动车组的交路计划，并且分析模型和算法的性质及适用范围；进一步的，将动车组的编组和解编操作考虑进来，改进动车组的周转网络，以及分支定价算法。. 其次，基于给定的交路计划，研究以周或月为单位的动车组运用和检修计划一体化编制的模型。项目组同样采用了时空网络描述动车组的运用和维修，进而建立相应的集合覆盖模型；分析模型的数学性质和工程意义，设计启发式算法和分支定价法对模型进行求解，并比较不同算法的适用范围。. 再次，研究了大小交路条件下城轨列车周转与运行图的协同优化。由于客流的时空不均匀，采用大小交路可以有效的实现运能和客流需求的匹配，但与此同时也将交路选择、列车周转以及运行图的设计复杂化；项目组通过虚拟车次的引入，分析了大小交路条件下客流演化-运行图的耦合关系，设计混合进化算法，高效求解模型。. 此外，为了解决铁路网络中列车运行图编制与轨道维修任务调度之间的冲突，项目组借助时空网络建模技术，构建了列车运行图与轨道维修计划协同优化的整数线性规划模型。借助Lagrangian 松弛算法，对模型中的困难约束松弛。由于这类约束数量过多，项目组引入“行生成”的思想，动态添加约束，进而提高了Lagrangian 松弛算法的效率。