需求导向型铁路客运产品设计优化理论与方法

The construction of large-scale rapid rail network and its being put into operation make the design of demand-oriented rail passenger transport products a possibility, which feature reasonable structure and allow multiple services at the same time. A research project is to be applied from the fact of railway passenger transports in China. Based on the analysis of the space, time, direction and hierarchy of rail passenger travel demands, the research project will set up product attributes, categories, and prices which are matched with the passenger demands, and establish a demand-fitness based mathematical description of passenger transport products. The research will build a mathematical model based on the optimal matching between demand and capacity by analyzing the influential relationship between passenger transport products and transport capacity and studying their coupling in different patterns of transport organization. The project will investigate the optimization problem of rail passenger transport products in different transport conditions and demand combinations, design the demand-oriented rail passenger products which integrate with operation zones, departure times, scheduling patterns and train properties, and study the design of passenger transport products based on response to travel behavior of users. Finally, the tide phenomenon associated with the demand distribution, and a formation of passenger transport products suited with the tide-demand will be studied. Proposing a theory and method for the systematic design of demand-oriented rail passenger products, the research project is to solve the core technology in the operation management of railway passenger train transportation and to provide the society with high-quality convenient service and products, which is of great theoretical and practical significance.

快速铁路网的大规模建设并投入运营，为设计面向需求、结构合理、服务多元的铁路客运产品成为可能。本项目从我国铁路旅客运输的实际出发，在分析铁路客运需求的空间、时间、方向及层次特性的基础上，构建与客流分布匹配的多属性产品集合，建立基于需求适应度的铁路客运产品数学描述；分析客运产品与运输能力的影响关系，研究不同运输环境下铁路客运产品与运输能力的耦合机理，构建基于需求与能力最优适配的数学模型；研究不同运输环境及不同需求组合下铁路客运产品的优化问题，设计面向需求并集成开行区域、始发时刻、调度模式和列车属性的精细化铁路客运产品，研究基于用户行为响应的客运产品的优化设计；分析铁路客运需求分布的"潮汐现象"，构建与潮汐需求匹配的客运产品。本研究项目，将提出需求导向型铁路客运产品的系统化设计理论与方法，为解决铁路旅客列车运营管理的核心技术，向社会提供优质便捷的服务产品，具有重要的理论和现实意义。

铁路客运产品实际上是铁路向社会提供的有偿空间位移服务，表现形式为集成了多种属性的列车时刻表，本课题也就是研究不同环境及约束下列车时刻表的设计问题。项目组深入分析了铁路旅客需求的空间、时间及层次特性，以及运输需求与供给的影响关系和耦合机理，系统地研究了基于需求驱动并集成到发时刻、停站方案和调度模式的列车时刻表的优化问题，取得的主要成果包括：1）以一条拥挤的铁路走廊为背景，研究了时变条件下列车时刻表的优化问题，通过引入乘客上车时间窗的概念，建立了动车组数量给定条件下基于需求驱动的列车时刻表非线性整数规划模型，计算了时变及拥挤环境下乘客在站停留时间，给出了求解模型的启发式算法。2）以一条常规的铁路客运专线为背景，研究了轨道列车时刻表的优化问题，建立了基于分钟需求的实时调整和基于小时需求的全天候列车运行的统一数学模型，通过引入不同的0-1变量，修改了模型的目标函数和约束条件，使修正后的模型在理论上严谨正确，又能满足CPLEX软件特殊的求解限制。3）以含有一个换乘枢纽的高速铁路网络为背景，研究了轨道列车调度方案的协同优化问题；构建了单线路列车调度的非线性数学优化模型，通过对单线路模型的自然扩展，建立了基于列车协同调度的多线路数学模型；对于单线路模型，设计了基于动态规划的精确求解算法；对于多线路模型，构建了基于整数编码的遗传算法。4）对于一个现实的公共交通系统，绝大部分情况下，时刻表只有与车辆调度方案紧密结合，运营部门才可能提供真实可行的位移服务，基于此，本项目深入研究了国际交通与运筹学界公认的热点和难点问题—多车场车辆调度问题，通过集成网络简化、拉格朗日分解、对称性削减等技术，分别从数学建模和算法设计的角度，对学术界现有的成果进行了重大改进。5）本结题项目还研究了与轨道列车时刻表相关的其他问题，如基于满意度的列车开行方案设计、列车乘务调度优化等。