基于多阶段不确定规划模型的列车运行图加线技术研究

Train operation diagram is the basis of railway transportation plans and train operation organization. Due to the seasonal fluctuation of passenger flow, often there will be new paths inserted to the existing operation diagram. How to reasonably insert new pahts with minimum adjustments on existing trains, is always a research topic worth exploring. Based on the idea of multi-stage uncertain programming models, this research focuses on techniques for inserting train paths into existing timetables, with the aim of acheiving a trade-off between efficiency and robustness. The paths-inserting problem on inter-city railway line is first modeled under different conditions, such as single track and multiple tracks. On this basis, the further research is concerned with paths-inserting models on the railway networks. The mathematical properties of different models are explored, including transformation and decomposition of models, the convergence of approximate solutions. According to the different application background, with the aid of the branch and bound method, the light robust optimization method and collaborative optimization technique, corresponding heuristic algorithms are designed. A computer simulation platform is set up to verify the effectiveness of models and the efficiency of algorithms. Finally, considering conditions of Chinese railway networks and train organization, software packages on techniques for inserting new paths into existing timetables are developed based on the models and algorithms.

列车运行图是铁路运输工作的综合计划和行车组织的基础。由于客流的季节性波动，时常会有新线路加入到既有的运行图中。在避免对既有线路进行大幅度调整的前提下，如何合理的插入新线路，始终是一个值得深入探讨的课题。本项目基于多阶段不确定规划模型的思想，研究列车运行图的加线问题，旨在对新加线路的运行效率和调整后运行图的鲁棒性之间进行合理折中。本项目首先以城际铁路为对象，研究单线、多线铁路上的列车运行图加线问题。在此基础上，进一步研究铁路网络上的运行图加线技术。探讨模型的数学性质，如模型的转化和分解、近似解的收敛性等。根据问题的不同应用背景，借助分支定界、轻鲁棒优化、协同优化等技术，设计相应的启发式求解算法。建立计算机仿真平台，分析模型和算法的有效性和求解效率。最后，结合我国铁路路网条件与列车组织方式的特点，尝试开发基于该研究方法的运行图加线技术软件包。

列车运行图是铁路运输工作的综合计划和行车组织的基础。由于客流的季节性波动，时常会有新线路加入到既有的运行图中。在避免对既有线路进行大幅度调整的前提下，如何合理的插入新线路，始终是一个值得深入探讨的课题。本项目采用运筹学领域取得的相关成果，对列车运行图加线问题进行建模和优化。首先，本项目分析了高速铁路列车运行图加线问题涉及的各类约束条件，构建多目标规划模型，设计三阶段优化方法，求解该模型，并以杭甬温高铁线路的数据，检验模型和算法的有效性与适用性。其次，本项目针对地铁快车加线问题，分析乘客的路径选择，估计快慢车上乘客的分配情况。在此基础上，项目组分析运行图、乘客总旅行时间、列车总牵引能耗之间的耦合关系，并以此优化快慢车运营方案下地铁列车运行图。此外，项目组引入不确定变量和随机变量，刻画铁路路网中的非确定性因素，针对铁路运输问题，构建不确定规划模型。在不确定理论的框架下，分析模型的等价类，对不确定规划模型进行分解，进而有效求解该模型。进一步的，项目组将在建模与算法方面取得的成果，应用到地铁列车运行图调整问题中，结合客流演化规律和故障处理信息，优化地铁列车调整策略，并基于北京地铁的数据，检验所提出的调整策略。本项目的研究，丰富了优化技术在列车运行图问题中的应用，为列车运行图加线问题和调整问题，提供了理论依据。