基于旅行时间消耗的高速列车开行方案优化_冯彦彦.pdf

2023 年 2 月总第 349 期收稿日期：20220708；修回日期：20220811作者简介：冯彦彦（1986），女，河南郑州人，硕士，助教，主要从事交通运输研究，E-mail：。基于旅行时间消耗的高速列车开行方案优化冯彦彦摘要：通过对普速、高速、上线与下线共 4 类列车和高速线与原有线路间的跨线情况分别进行分析，利用 Logit 模型对客流进行分配，并以达到最低旅客出行支出以及减少铁路系统运营成本为优化目标，构建得到由多目标组成的规划模型。根据旅客最小出行支出以及最低运营成本的目标要求来设计算法，同时构建了适应度函数。之后在MATLAB 软件上运行编程数据并求解出各个算例，形成高速铁路跨线列车的最优化运行方案。采用上述方案时，经计算得到旅客的出行总支出为 5 744 260.7=53C，铁路运营成本为 5 957.34=6C，验证了模型和算法的有效性。关键词：高速铁路；开行方案；多目标规划；遗传算法中图分类号：U292.3文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2023.02.007（河南工业贸易职业学院，河南郑州451191）文章编号：1674-9146（2023）0200703随着国内高速铁路建设的不断推进，成网运营规模不断扩大，极大增加了跨线列车的数量。采取跨线开行的运行模式能够显著扩大高速列车服务范围，充分满足旅客的直达需求，同时还能够缩短旅客换乘时间并减少换乘次数，使旅客获得更加舒适的旅途体验1-5。目前，已有许多学者对高速铁路的跨线运行模式进行了优化分析，并且取得了较大的成果。例如，有学者选择单目标规划的方式来达到优化的目的6-10；大部分学者都是选择多目标规划的方式来实现优化。当前的许多文献通常都是选择起点终点（O-riginDestination,OD）客流量作为分析依据，综合考虑铁路运输系统以及旅客的具体需求来构建多目标的优化模型。只对单一跨线列车的运行情况进行分析，未对跨线的具体类型进行分析11-15。根据以上研究结果，本文对高速线和原有线路间的跨线情况进行分析，利用 Logit 模型对客流进行分配，并以达到最低旅客出行支出以及减少铁路系统运营成本为优化目标。1旅行时间消耗模型旅客在出行过程中产生的支出包括票价与旅行时间。其中，票价部分取决于每人每千米票价率以及出行的距离，前者取决于线路与列车的级别。在实际运行期间，跨线列车可能会发生多次跨线的情况。本文只分析高速列车下既有线以及普速列车上高速线两种情况，只发生一次跨线。选择 ab 作为起讫点对不同类型的旅行时间进行分析，其表达式为T1ab=bj=a+1djx1jv1q1ab （1）花费于纯普速列车时间的表达式为Tab=bj=a+1dj（1x2j）vqab （2）下线列车花费时间的表达式为T3ab=bj=a+1djx3jv1q3ab+bj=a+1dj(1x3j)v3q3ab （3）上线列车花费时间的表达式为T4ab=bj=a+1dj(1x4j)v2q4ab+bj=a+1djx4jv4q4ab （4）总旅行时间的表达式为Tab=4k=1Tkab （5）全线所有旅客旅行时间的表达式为T=m1a=0mb=1Tabm1a=0mb=14k=1Tkab （6）考虑到旅客的票价以及旅行时间具有各自的量纲，不能采用对两者进行直接加和的方式得到旅客的出行总支出，因此创建了旅客时间价值作为评价依据。将全线旅客总旅行时间按照以下方式进行折算，其表达式为-007-SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITYNo.2 Feb.2023，Total No.349C=T=m1a=0mb=14k=1Tkabk （7）2算例分析2.1准备数据2.1.1站间距假定高速线附近存在一条跟这条线路平行排列的线路，而且这两条线路的车站之间保持相同的站间距。其中，S2、S4与 S6属于衔接站，各站高速线和既有线通过联络线进行相互连接，满足跨线的条件，具体的运行路径见图 1。各个车站之间的站间距、各个车站之间的日均输送客流量和不同列车类型的人千米票价率及车千米消耗率分别见表 1、表 2和表 3。2.1.2旅行速度本文选择时速达到 300 km/h 的车型作为下线跨线列车，可以在高速线上实现 300 km/h 的车速，既有线速度等于 200 km/h；选择速度为 250 km/h 的动车组作为上线跨线列车，在高速线上可以达到 250 km/h的速度。2.2计算跨线列车以长编组的方式运行，且设置定员为1 200 人，具备充足的区间通过能力。分配客流时，不受诱发客流的影响，设定旅客时间价值为 40 元/h。2.2.1初始方案不同区段客流密度见表 4。由表 4 可以看出，不同区段的客流密度分布状态。坚持“按流开车”的原则，根据不同方向的各区段内达到的最低客流密度开车。2.2.2调整初始方案各层次客流对应的列车类型也存在差异，分别对 4 种列车分担率进行分析，利用动态调整的方式获得新的方案。在区段 S0S7之间总共有 25 列列车保持运行状态，包括 5 列纯高速、5 列下线、7 列纯普速、8 列上线；在区段 S0S6之间总共存在 6 列列车，包括1 列纯普速、2 列纯高速、2 列上线、1 列下线；在区段 S1S6之间总共存在 10 列列车，包括 3 列纯普速、2 列纯高速、2 列上线、3 列下线；在区段S2S6之间总共存在 5 列列车，包括 1 列纯普速、1列纯高速、1 列上线、2 列下线；在区段 S3S5之间总共存在 8 列列车，包括 2 列纯普速、2 列纯高速、2列上线、2 列下线。2.2.3 优化方案在 MATLAB 软件上完成求解，首先对 01 变量k、a、b 进行定义，接着把特定参数代入到模型内，利用设计得到的遗传算法根据具体步骤实施循环优化，每次进行迭代时都要做好记录并且对最优解进行更新。第 9 页图 2 为计算结果的具体界面。从图 2-a中可以看到不同方案旅客出行总支出的计算结果，高速线既有线s0s1s2s3s4s5s6s7高速线平行线s0s1s2s3s4s5s6s7表 2各个车站之间的日均输送客流量表 3不同列车类型的人千米票价率及车千米消耗率表 4不同区段客流密度区段距离e184e2126e3218e4182e591e6274e7203区段S1S2S3S4S5S6S7S08 1524 5631 3741 7436 1347 2621 063S13 3521 5161 2064 9825 975962S21 9621 4183 4525 162743S31 1864 0524 652816S41 5622 6521 152S54 856853S6524列车类型人千米票价率/（元 人-1 km-1）车千米消耗率/（元 人-1 km-1）k=10.430.12k=20.260.08k=30.380.07k=40.180.05k=50.210.08区段e1e2e3e4e5e6e7S034 562 33 621 25 632 21 305 19 863 14 1231 123S120 512 19 541 15 486 15 6338 896 2 845S215 026 11 896 12 5408 067 3 263S313 324 11 6549 654 4 414S46 9874 125 2 105S511 2635 163S64 032创新 思 维Innovative Thinking（人）（人）表1各个车站之间的站间距图 1运行路径示意图（km）-008-2023 年 2 月总第 349 期（a）旅客运输总支出（b）铁路部门运营成本（c）适应度图 2计算结果曲线图旅客出行总支出/107元5.905.855.805.75050100150迭代次数/次0501001505.905.855.805.75适应度值/10-8迭代次数/次适应度值/10-80501001503.503.453.40迭代次数/次图 2-b 给出了铁路系统的运营成本，同时在图 2-c中给出了迭代的适应度结果。通过以上计算得到不同列车的分担率，其中纯普速列车为 22.7%，纯高速列车为 23.8%，上线列车为 27.4%，下线列车为24.8%。通过分析发现，位于区段 S0S7范围内，上线列车转为高速线包含了 2 站，下线列车下既有线包含了 6 站；位于区段 S1S6范围内，下既有线包含了 4 站，上高速线包含了2 站；位于区段 S2S6范围内，下既有线包含了 4 站，上高速线包含了 4 站；位于区段 S3S5范围内，下既有线包含了 4 站，上高速线包含了 4 站。采用上述方案时，经过计算得到了旅客的出行总支出为 5 744 260.7=53C，铁路运营成本为 5 957.34=6C。3结论1）以旅客最小出行支出以及最低运营成本为目标要求来设计算法，同时构建了适应度函数。之后在 MATLAB 软件上运行编程数据并求解出各个算例，形成高速铁路跨线列车的最优化运行方案。采用上述方案时，经过计算得到旅客的出行总支出为5 744 260.7=53C，铁路运营成本为 5 957.34=6C。2）由于本研究在构建数学模型时设置了假设条件，因此在实际应用中会出现一定的偏差，未充分考虑不同客流情况下的差异性，并且对动车运行过程限制因素以及线路的载荷运输能力也没有全面深入考虑，因此还需要在后续研究中对这些情况继续探讨。参考文献：1蒋春生.市域铁路运营组织模式及越行站配线研究J.综合运输,2019,41(3):37-41.2李洁,彭其渊,杨宇翔.基于旅客出行时段特征的高速铁路列车始发时间研究J.综合运输,2019,41(3):82-88.3李鸿儒.地铁列车车门系统故障分析及处理J.山东工业技术,2019(11):54.4胡文斌.西安屏蔽门系统地铁区间通风变频技术方案J.建筑与文化,2019(4):173-174.5王金,支锦亦,向泽锐,等.我国卫生列车应用现状及研究展望J.医疗卫生装备,2019,40(4):93-97.6李澍,王晨,李思桦.有轨电车运行安全与信号技术标准J.城市轨道交通研究,2019,22(4):115-118.7张宇亭,张佳,李昕晏,等.基于大小交路的西安地铁 3 号线行车组织优化J.城市轨道交通研究,2019,22(4):139-142.8盖杰,余以正,孙健,等.高速列车外风挡结构周围流场和气动载荷的仿真分析J.大连交通大学学报,2019,40(2):89-93.9宋健,魏伟.重载列车纵向动力学仿真模型的有效性分析J.大连交通大学学报,2019,40(2):112.10闫红卫,张政.基于天棚阻尼二系悬挂系统的半主动控制策略研究J.科技创新与应用,2019(10):103-104.11王仁庆.地铁列车长大下坡制动时制动电阻超温故障的分析及处理J.电力机车与城轨车辆,2019,42(2):71-73+86.12陈浩,刘永孝,李斌.5000 吨重载列车系统动力学分析J.铁路计算机应用,2019,28(3):6-11.13张佳楠,方亚非,李瑞.铁水联运车站集装箱货场自动化控制系统研究J.铁路通信信号工程技术,2019,16(3):82-86+96.14黄凯莉,袁天辰,杨俭,等.基于射流的高速列车受电弓空腔气动噪声降噪方法J.铁道学报,2020,42(7):50-56.15岳朝鹏,崔俊锋.中国高铁列控定位技术及对北斗卫星定位应用需求J.铁路通信信号工程技术,2019,16(3):1-4.（责任编辑王璐）（英文部分下转第 13 页）-009-2023 年 2 月总第 349 期Optimization of High-speed Train Operation PlanBased on Travel Time ConsumptionFENG Yan-yan(Henan Industry and Trade Vocational College,Zhengzhou 451191,China)Abstract：The trains are divided into fou