基于多商品流模型的国铁运输网主干通道能力集中释放下流量转移问题研究

近期高铁网将陆续投入运营，既有干线上相当大的一部分客流会向高铁转移，从而释放大量的既有线货运能力。目前国家铁路网有数千个车站，二十余万股OD。与道路配流方法不同,铁路车流径路选择不仅受制于单股车流不可拆散条件,而且进入编组站的车流还有树形径路约束,流量分配极为复杂。故如何合理优化国铁网络的流量转移问题是运输学科中亟待解决的基础科学问题之一。合理的流量调整方法可更好地实现铁路总货运效益的发挥，进而间接地弥补高铁网的高成本带来的收益不足。本项目将具体研究:1)点到点大宗直达货流（煤炭、矿石、石油、钢铁等）分配的多商品流模型设计；2)构造符合树形径路约束条件的铁路技术车流分配模型；3)采用弧段阻尼系数变化调整的方法进行小范围流量转移修正；3) 研究国家铁路网上重点平行通道的流量转移。主要包括京沪、京九、京广、焦柳南北大通道,陇海、石太、新石、宁西、沪昆等东西向通道的能力释放和流量转移案例研究。

在国家铁路运输网络主干通道能力集中释放的背景下，本项目基于多商品流理论，对铁路网流量转移问题进行了深入研究，项目的主要研究内容及创新点如下：1）研究了铁路网的能力形成机理，对国铁网主干通道能力集中释放情况下的全网能力变化特征进行了分析。提出了铁路网理论最大能力的概念，并研究了铁路网能力测算的近似量化方法。2）在铁路主要通道能力得到释放的情况下，研究了平行通道间流量转移的方法。包括基于0-1背包问题的非最短径路货流回归最短径路的数学规划模型和基于阻尼系数法的流量转移方法。3）分析了我国大宗货流的分布特点及运输组织形式，研究了符合单支 OD 不可拆散约束下的多商品流模型、考虑品类和特定径路的大宗货流分配模型、基于弧-路模型的过饱和通道向欠饱和通道流量转移方法以及分优先级的平行通道间列流调整方法。4）研究了铁路技术车流分配的树形径路模型。包括基于编组站有调中转能力的制约及车流在编组站的合并机理；采用分流连续变量乘积项等于零为约束条件，构建了符合树形径路约束的铁路技术车流分配模型，并在此基础上考虑了不可行流的因素对模型进行了修正。此外，本研究还采用布尔型变量加和等于1来描述车流径路中第一前方站选择的唯一性约束，将模型改造为0-1规划模型并讨论了其复杂性。5）基于车流归并的思想，提出了将国家铁路网不失真地同构变换为主要技术站构成的支点网络的方法。包括按照流向的车流归并方法，按照流向与吸引域的车流分层综合归并技术和通过重构枢纽网络的有效截流点归并方法，并在此基础上分析了中国铁路网同构变换的案例。6）研究了基于多商品流模型的铁路网配流问题的求解方法。首先采用商业软件LINGO进行了求解试验，分析了求解不同路网规模的求解效率，发现LINGO难以在可接受的时间内求解较大规模的铁路网树形径路约束配流问题。为此我们研究了模拟退火算法在求解RFFA问题中的应用，并就两种方法在求解铁路网配流模型方面的效果进行了对比。7）以我国2020年的规划铁路网为背景，完成了119439股货流OD的径路及流量分配的实证研究。包括基于全路网无能力约束条件下的配流试验；欠饱和、饱和与过饱和等三类线路分布特征分析；主要通道能力释放分析及流量转移轮廓方案；基于树形径路模型的模拟退火优化试验和规划铁路网上部分通道的流量转移方案。最后针对石太铁路能力不足的状况提出了修建忻霸铁路的建议。