高速铁路列车流优化控制模型与算法研究

To aim at the long-term strategies and actual demands of the high-speed railway transport with 500km/h, we integrate the interdisciplinary theories and methods to study the optimization and control of train flow, where our emphasis is focused on the respects of energy saving, high-efficiency operation and resource allocation,etc. Under the high-speed and high-density conditions, we study the dynamic characters of train movement, and the evolution mechanisms of train flow. Considering the dynamic characters of high-speed train, we study the cooperative control models and algorithms for train group. In uncertain environment, we study the control strategies of train energy saving, and the optimal control theories and methods of train group. Based on the demand of comfort, punctuality and energy saving, we propose some new control models and algorithms to optimize the evolution of train flow. Furthermore, under disturbance circumstance, we perfect the conflict detection method for train movement, and then establish the optimal adjust model as the conflict-free condition can be met. Moreover, on those mentioned above, we further investigate the integration of train optimization control and train operation schedule in high-speed railway networks so that the global optimization for train flow control can be achieved. At last, we attach importance to combining theory with practice. By analyzing measured data, we suggest some optimal design plan which can be used to improve the operation situations of train fow.

面向时速500公里/小时高速铁路建设的长远战略与现实需求，综合运用交叉科学中的理论和方法，在节能减排、高效运营和资源分配等方面开展列车流优化控制的理论和方法研究。研究高速度、高密度条件下列车运行的动态特性，以及列车流的演化机理。结合高速列车运行时的特性分析，构建高速度、高密度条件下多列车协同控制的模型和算法。研究不确定环境下，列车运行节能操纵策略以及多列车优化控制理论和方法。基于列车运行的准时性、舒适性和节能性目标需求，研究列车流优化控制的模型和算法。完善扰动情况下列车运行过程的冲突检测方法，在满足疏解策略的条件下建立列车流优化调整的模型和算法。在此基础上，进一步研究高速铁路网络中列车运行优化控制和车流组织一体化的理论和方法，实现铁路运输系统列车流控制的全局最优化。强调理论联系实际，通过分析实际测量数据，寻求一种能够有效改善高速铁路列车流运行状况的优化设计方案。

轨道交通作为国民经济发展的重要支柱行业之一，做好节能减排工作，提高资源使用效率，十分必要并且形势紧迫。同时，也是提高服务水平，提升行业竞争力，促进社会可持续发展的重要保障。.本项目，首先，研究了高速条件下列车运行的动态特性，以及列车流的演化机理。其次，研究复杂环境下，列车运行节能操纵策略以及多列车优化控制理论和方法。最后，基于列车运行的准时性、舒适性和节能性等目标需求，研究列车流优化控制的模型和算法。在此基础上，研究网络化运营条件下列车运行优化控制和车流组织一体化的模型和算法，以实现列车运行图的全局优化设计。.主要成果，第一，考虑复杂的列车运行环境，充分利用各种资源，通过对列车运行速度的控制，给出列车运行优化控制相关模型和算法。优化目标包括列车运行的准时性、舒适性和节能性等。实证研究表明所提出的优化控制模型，在不同的能量转化率下，再生制动能量的利用率可以达到4%-12%。第二，应用所建立的多目标列车时刻表优化模型，与现有时刻表相比，得到的优化时刻表在客流高峰和非高峰时期，乘客等待时间和在站等待时间以及能耗水平均有下降。其中，高峰期的能耗降低分别可达9.43%和10.45%，乘客等待时间降幅分别为1.89%和2.94%。第三，从网络化层面上提出了列车流协同优化控制模型和算法，重点是在网络化的运行环境下列车的高效运营及资源分配等。结果显示所提出的列车运行优化控制和车流组织一体化的模型和算法，实现了列车流控制的全局优化。实例分析，以京沪高铁及北京地铁为背景开展了广泛深入的研究。计算结果表明，所提出的方法得到的列车总延迟时间可分别降低44.44% 和73.53%。在同等级和不同等级列车算例中，优化列车速度组合对应的列车运行图的总延迟时间较之固定列车速度组合条件下得到的结果分别降低了28.89%和48.82%。.所得到的成果对于我国铁路与城市轨道交通系统节能减排、降低运营成本、提高运输效率和服务水平均有重要的理论和实际意义。