基于时效和能效的城市轨道交通列车运行图与速度曲线优化研究

Along with the rapid expansion of urban rail systems, reducing the total operation cost as well as improving the passenger service is more important than ever. Based on the analysis of Automatic Fare Collection (AFC) data, an optimization approach in terms of train timetable and speed profile for urban rail systems will be developed in this project, which aims to minimize passenger travel time and train operation energy consumption simultaneously. Firstly, the project aims at addressing the dynamic passenger volume based on the real-world smart card data to formulate the detailed passenger travel time model, which can calculate the passenger travel time accurately with any given train timetable and speed profile. Meanwhile, an electrical energy flowing model is established to calculate the train operation energy consumption in any train working graphs. Subsequently, a bi-objective two-stage programming model is set up to determine the optimal timetable and speed profile, and corresponding design algorithms are given to search the optimal solutions. Finally, real-world case studies based on a set of real-world data of the Beijing Metro Yizhuang and Changping lines, for instance, vehicle, route, operation, passenger data etc., are conducted to validate the developed optimization approach.

随着城市轨道交通规模的快速扩张，总体运营成本过高、乘客服务质量欠佳等问题日渐突出。本项目基于AFC刷卡数据分析，从乘客服务和运营成本角度出发，对城市轨道交通列车运营组织和速度优化问题进行系统研究，建立减少乘客出行时间和降低列车运行能耗的运行图和速度曲线优化模型，以最大化城市轨道交通的列车运行效率。首先，依据实际城市轨道交通系统的动态客流数据，构建乘客出行时间的精细化计算模型，从而在任给列车运行图和速度曲线的情况下，准确地评估乘客出行时间；与此同时，构建电能流动模型，精确计算任意列车运行图和速度曲线下的列车运行能耗；其次，以乘客出行时间和列车运行能耗为目标，以列车发车间隔、停站时间、站间运行时间、速度曲线等为决策变量，构建双目标双阶段规划模型，并设计优化算法寻找最优解；最后，基于北京地铁亦庄线和昌平线的实际车辆数据、线路数据、运营数据、客流数据等对模型和算法进行实例验证。

本项目从提升乘客服务和降低运营成本的角度出发，对城市轨道交通列车运行图和速度优化问题进行了系统研究，提出了一系列面向乘客出行时间减少和列车运行能耗降低的列车运行优化模型，从而提升了城市轨道交通列车运营效率。基于北京地铁实际数据的数值算例表明，本项目所提出的方法可有效降低列车运行能耗，同时减少乘客平均出行时间。在本项目的资助下，负责人在交通科学领域高水平期刊IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems、管理科学领域高水平期刊International Journal of Production Economics等上面发表了学术论文12篇，其中3篇论文（负责人第一作者2篇，通讯作者1篇）入选ESI热点/高被引论文；在Springer上合作出版专著1部；负责人作为第一发明人申请国家发明专利6项，其中3项获得授权，1项成功进行了技术成果转化；参与获得了教育部自然科学一等奖、中国公路学会科学技术一等奖等科研奖励。此外，在项目资助期间，负责人入选了第四届中国科学青年人才托举工程，获得了中国管理科学与工程学会优秀博士论文奖。