基于周期化运行的轨道交通列车开行方案和运行图研究

论文摘要

随着以列车运行速度为代表的铁路技术装备水平的不断提高,以及人们对运输需求的日益增长,在我国轨道交通实行以列车周期运行为特征的运输组织模式成为可能。本文深入分析了周期化列车运行的特点,根据我国国情、轨道交通的特点以及发展方向,提出在我国轨道交通系统实行列车周期化运行的运输组织模式;将列车周期化运行与我国快速轨道交通的路网结构、车流性质、实际要求等具体情况相结合,围绕制定列车周期开行方案和编制列车周期运行图两个主题,通过详细的影响因素分析,分别建立了模型,设计了相应求解算法,对符合我国国情的列车周期化运行的相关组织理论进行了深入研究。本文主要包括以下几方面的内容:(1)提出了单元周期运行图的表示周期运行图的方法,分析了轨道交通采用周期化运行模式的优点以及采用条件。提出了基于列车周期运行的条件下,线路通过能力新的评价标准——组合通过能力。以京沪客运专线为背景,研究了不同列车开行模式下的组合通过能力。结合我国国情,分析了在我国快速轨道交通网采用基于周期化运行组织模式的可行性和必要性。(2)介绍了周期事件排序问题(PESP),构建了基于约束图的PESP模型框架,研究并归纳了PESP模型的周期约束及其可行解的一些特点和性质,对一些主要性质给出了证明方法。深入研究了周期势差模型。将PESP模型与其他相关模型进行了比较,并且研究了PESP适合列车运行图铺划的优势。研究了求解PESP的复杂性并给出了改进了的反推求解算法。(3)研究了城际轨道交通列车周期开行方案的制定。从运输企业、乘客利益以及总体最优的观点出发,充分考虑到客流的不确定性,分别建立了不同目标的单目标机会约束模型和多目标机会约束模型,给出了极大模理想点求解多目标规划、等价类求解机会约束规划的方法,研究了针对此模型的遗传算法。以京津城际轨道交通线为背景,求解了不同条件下的最优列车周期开行方案,分析了计算方法和不同条件下模型所得结果。(4)研究了客运专线网周期列车开行方案的制定。提出将合并式列车开行方案和拆分式列车开行方案相结合,减少列车的开行种类,简化开行方案的制定。从减少运输企业成本支出、减少乘客换乘观点出发,考虑客流的不确定性,建立了相应单目标模型和多目标模型。对不同等级列车客流分配、改进的最短路算法、机会约束确定性等价类转换、将非线性规划模型转化为线性规划模型进行简化以及模型求解的遗传算法进行了研究。以一定规模的客运专线网络为背景,结合我国的实际情况,分别求解了该路网中、高速列车混行,纯高速列车运行以及列车交错停车运行等不同条件下的列车周期开行方案。(5)研究了周期运行图的编制理论,并编制了实际周期运行图。分别讨论了编制周期运行图需考虑的具体周期约束及其周期势差表示,深入研究了动车组循环套跑模式下折返周期约束的表示及其计算方法、旅客换乘周期约束的表示及其计算方法、动车组使用数量的计算。以PESP理论、周期势差模型为基础,建立了周期运行图网络模型,研究了网络模型生成树的选择、决策变量的取值特点,研究了模型求解前简化的方法,设计了遗传算法对模型进行求解;编制了树状和网状轨道交通实际单元周期运行图。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究的意义
• 1.2 列车周期化运行相关研究现状
• 1.2.1 国内相关研究
• 1.2.2 国外相关研究
• 1.3 本论文研究内容与研究思路
• 1.3.1 本论文拟研究的内容
• 1.3.2 本论文的研究思路和方法
• 1.4 论文的结构
• 2 基于周期化运行的列车运输组织模式理论
• 2.1 列车周期化运行的概念
• 2.2 列车周期化运行的运输组织模式在各国（地区）的运用
• 2.2.1 树状路网
• 2.2.2 网状路网
• 2.3 列车周期化运行的运输组织模式的优点
• 2.4 列车周期化运行的通过能力计算
• 2.4.1 列车周期化运行条件下线路通过能力计算的特点
• 2.4.2 周期化运行条件下通过能力计算方法
• 2.4.3 周期化运行条件下京沪客运专线通过能力研究
• 2.5 采用列车周期化运行的运输组织模式应该具备的条件
• 2.6 我国轨道交通采用周期化运输组织模式的可行性
• 2.7 本章小结
• 3 周期事件安排问题理论
• 3.1 周期事件安排问题
• 3.1.1 周期事件安排问题的阐述
• 3.1.2 周期事件安排问题模型
• 3.1.3 周期时间窗约束图
• 3.2 PESP的特性研究
• 3.2.1 PESP约束表示形式的多样性
• 3.2.2 多重PESP约束
• 3.2.3 相邻两个PESP约束的合并
• 3.2.4 变量z的选择
• 3.2.5 PESP解的整数属性
• 3.2.6 具有不同周期的PESP周期约束
• 3.2.7 PESP等价解
• 3.2.8 PESP有解的充要条件
• 3.2.9 周期事件发生的次序
• 3.3 周期势差模型
• 3.4 PESP理论运用于周期运行图铺划问题的适用性研究
• 3.4.1 PESP模型与其他求解运行图的模型比较
• 3.4.2 PESP模型求解铺划周期运行图模型的优势
• 3.5 PESP求解的复杂性及其求解算法
• 3.5.1 PESP求解的复杂性
• 3.5.2 PESP的求解算法
• 3.6 本章小结
• 4 基于周期化运行的城际轨道交通列车开行方案研究
• 4.1 城际轨道交通运营特点分析
• 4.1.1 我国城际轨道交通网规划
• 4.1.2 城际轨道交通运营特点分析
• 4.2 城际轨道交通列车开行方案模型
• 4.2.1 城际轨道交通列车开行方案影响因素
• 4.2.2 基于运营成本的城际轨道交通列车开行方案模型
• 4.2.3 基于旅客出行成本的城际轨道交通列车开行方案模型
• 4.2.4 多目标列车开行方案模型
• 4.3 模型求解方法与算法
• 4.3.1 极大模理想点法求解多目标规划
• 4.3.2 机会约束规划求解
• 4.3.3 遗传算法设计
• 4.3.4 GAMS求解
• 4.4 算例
• 4.5 本章小结
• 5 基于周期化运行的客运专线网列车开行方案研究
• 5.1 基于周期化运行的客运专线网列车运营特点分析
• 5.1.1 我国高速客运专线网规划
• 5.1.2 基于周期化运行的客运专线网运营特点分析
• 5.2 基于周期化运行的客运专线网列车开行方案模型
• 5.2.1 基于周期化运行的客运专线网开行方案影响因素
• 5.2.2 基于运营成本的客运专线网列车开行方案模型
• 5.2.3 基于旅客换乘的客运专线网列车开行方案模型
• 5.2.4 基于周期化运行的客运专线网列车开行方案多目标模型
• 5.3 模型求解方法与算法
• 5.3.1 客流分配
• 5.3.2 列车径路
• 5.3.3 机会约束规划确定等价类转换
• 5.3.4 线性整数模型化简转换
• 5.3.5 遗传算法设计
• 5.4 算例
• 5.4.1 算例基本情况介绍
• 5.4.2 计算结果
• 5.5 本章小结
• 6 周期运行图编制
• 6.1 周期运行图编制的特点
• 6.1.1 单元周期运行图
• 6.1.2 运用PESP理论求解
• 6.1.3 我国轨道交通周期运行图编制的特点
• 6.2 周期运行图编制模型
• 6.2.1 周期运行图周期约束分析
• 6.2.2 动车组的循环使用及其使用数量
• 6.2.3 旅客换乘约束
• 6.2.4 周期运行图模型
• 6.3 模型求解算法分析
• 6.3.1 约束图生成树的选择
• 6.3.2 模型求解前化简
• 6.3.3 模型求解算法
• 6.4 周期运行图编制算例
• 6.4.1 京津城际轨道交通周期运行图
• 6.4.2 客运专线网周期运行图
• 6.5 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 主要研究结论
• 7.2 论文的主要创新
• 7.3 需要进一步研究的问题
• 参考文献
• 附录 A
• 附录 B
• 附录 C
• 客运专线网周期运行图编制相关数据
• 作者发表论文情况
• 作者简历
• 学位论文数据集