客运专线列车开行方案优化模型研究综述

客运专线列车开行方案优化模型研究综述刘茜130710161西南交通大学交通运输与物流学院四川成都6100312西南交通大学全国铁路列车运行图编制研发培训中心四川成都6100313综合交通运输智能化国家地方联合工程实验室四川成都610031摘要：旅客列车开行方案要能较好地反映铁路旅客运输的经营策略和服务质量水平。随着我国铁路客运专线网络的不断建设，寻找和探索一个系统的有效的解决客运专线网络旅客列车开行方案优化设计与调整的研究思路和研究方法，对于我国客运专线网络的不断建设和完善、理论的不断发展、客运专线网络旅客运输组织的协调与优化等方面都具有十分重要的意义。关键词：客运专线；列车开行方案；优化模型ResearchSummaryofTrainPlansonthePassengerDedicatedLineLIUXi1,2,31SchoolofTransportationandLogistics,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu,China,6100312NationalRailwayTrainDiagramResearchandTrainingCenter,SouthwestJiaoTongUniversity,Chengdu,China,6100313NationalandLocalJointEngineeringLaboratoryofComprehensiveIntelligentTransportation,Chengdu,China,610031Abstract:Passengertrainoperationplancanreflecttheoperatingstrategyandtheservicequalityofrailwaytransportwell.WiththerapiddevelopmentofChina’srailwaypassengerdedicatedlinenetwork,itisveryimportanttoseekasystematicandeffectivewaytosolvethelineplanningproblem(LPP).ThesettlementoftheLPPisnotonlybeneficialforthefurtherconstructionoftherailwaypassengerdedicatedline,butalsoofgreatsignificancetothedevelopmentofthetheoryofpassengertrainoperationplanaswellasthecoordinationandoptimizationoftransportationorganizationoftherailwaypassengerdedicatedline.Keywords:Railwaypassengerdedicatedline;Trainoperationplan;Optimizationmodel0、导言客运专线网络旅客列车开行方案是指确定在客运专线网络中运行的旅客列车的开行种类、运行区段、运行径路和开行对数的计划。影响开行方案制定的主要因素有：客流量与客流性质；列车运行区段两端站所在城市的政治经济地位、文化背景、旅游资源及国防意义等；列车编组及定员；车站及区间通过能力（客运设备配置条件）等。随着经济的不断发展，我国高铁建设事业逐渐进入了白热化阶段，旅客列车开行方案能较好地反映铁路旅客运输的经营策略和服务质量水平。相应的，随着客运专线建设而来的客运专线开行方案的研究也得到了广泛的重视。近年来，我国境内专家学者对于客运专线列车开行方案问题的研究愈来愈多也愈来愈深入，并取得了相应的成果。本文就目前国内外专家学者对客运专线列车开行方案优化模型的研究做一个简单述评。1、研究现状一、国内研究现状目前，我国各专家学者对客运专线列车开行方案相关问题的研究主要分为以下几个大类：基于车流或列车合并的开行方案研究、基于建立多目标规划模型的开行方案优化、双层规划模型优化、与周期性运行图相结合的开行方案研究等。（1）基于车流合并的研究文献【1】[1]在其论文中提出合并式列车开行方案的设想，分析了合并式列车开行方案对高速铁路运输质量、动车组运用情况、车站工作、区间通过能力等方面的影响并提出合并式列车开行方案的设计原则。文献【2】[2]通过分析客运专线列车开行方案的特性，提出了通过车流合并来确定和优化列车开行方案的方法。并设计了合并车流的数据结构及相关计算机算法，并结合实例进行了验证。（2）通过建立数学模型的开行方案优化客运专线列车开行方案优化问题的影响因素很多，目前对于此问题的研究大多时以建立数学模型并求解实现的。文献【3】[3]充分考虑影响城市间开行列车的各种主要因素的基础上，建立了确定在两主要城市间开行合理列车对数、列车载客人数、旅客列车在沿线车站停车次数及停车机会的数学模型。目前对于客运专线列车开行方案优化模型主要分为单目标优化模型、多目标优化模型、双层规划模型以及基于周期运行图的优化模型等。多目标优化模型有：文献【4】[4]从旅客平均候车时间出发，提出城际旅客出行方便值的概念，以城际铁路旅客出行方便值最大和运营组织效益最优为目标，建立城际铁路客车开行方案优化模型。文献【5】[5]建立了以旅客停站时间最少、列车虚糜最少及为满足的旅客需求最少为目标函数的多目标规划模型。考虑到客流波动导致问题求解困难和方便旅客提高运输效益等实际情况，又设计了多层次0-1规划模型（MS0-1PM）及其算法，并以京沪高铁为例进行计算，证明了算法是有效的。文献【6】[6]通过分析铁路客运专线的相关收益及费用，从铁路运输企业和旅客两方面利益出发建立了客运专线相关旅客列车开行方案的多目标优化模型，提出了优化旅客列车开行方案的求解方法。文献【7】[7]提出基于“备选集”的高速铁路列车开行方案优化方法，列车开行方案的编制分两阶段实现，使其具有很强的可操作性并符合实际应用特点:首先根据一定原则生成备选集，得到最有可能开行列车的集合作为列车开行方案优化的解空间；其次结合多商品流问题，建立基于备选集生成列车开行方案的混合整数规划模型，求解列车开行方案的同时获得所有客流的列车分配结果，并根据模型结构特点设计拉格朗口松弛启发算法。以上文献尽管都是通过建立多目标规划模型来研究开行方案的优化问题，但侧重点却各不相同。文献【4】看重旅客出行方便性和各方效益，围绕这几方面来优化开行方案。文献【5】着重对客运专线列车停站次数及停站时间进行分析，重点优化开行方案中的停站方案相关问题，且模型采用的求解方法是通过建立一个新的简单的模型来分开求解，这是文章的一大特色。文献【6】侧重分析经济效益对开行方案的影响，分别以铁路企业和旅客的收益为目标函数对开行方案进行优化，通过将多目标转化成单目标进行求解。文献【7】则提出了一个新的概念“备选集”在此基础上建立多目标规划模型，采用拉格朗日松弛启发算法进行求解，已达到优化的目的。以双层规划模型研究的有：文献【8】[8]在既有旅客列车开行方案研究的基础上，基于客运专线和高速铁路建设路网发展规划，分析旅客列车开行方案的相关费用和优化目标，均衡考虑企业利益和旅客需求，将列车开行方案与旅客换乘方案结合起来，以客流在铁路换乘网络上的分配作为下层规划，建立旅客列车开行方案优化的双层规划模型。文献【9】[9]通过分析与旅客列车开行方案相关的铁路旅客运输需求影响因素，构造旅客运输弹性需求函数关系，将旅客换乘方案的选择归结为弹性需求下的用户平衡分配问题，进而利用铁路企业与旅客之间的Stackelberg博弈关系，建立了基于弹性需求的旅客列车开行方案的双层规划模型，并设计了基于模拟退火算法求解的优化算法。文献【10】[10]基于旅客列车开行方案和运行图的铁路企业运营效益和旅客出行费用，以铁路企业效益最大化为优化目标，以车站整备能力、车辆总数和列车编组辆数等能力资源限制以及列车到发作业相容性为约束，建立旅客列车开行方案与运行图综合优化的双层规划模型；分别基于旅客列车开行方案和列车运行图的换乘网络进行客流分配，将旅客列车开行方案和列车运行图优化有效结合起来，设计了基于模拟退火的综合优化算法。文献【11】[11]研究不同时段旅客出行的方便度，分析不同类型列车的客流平衡条件，建立不同类型列车的广义费用函数，在此基础上，建立制定客运专线列车开行方案的多目标双层规划模型，该模型以列车开行的最大收益和旅客的最大方便度为目标，同时考虑基于旅客最小出行费用的不同列车配流问题。以上四篇文献从不同的角度建立了双层规划模型并设计相关算法进行求解，合理解决了列车开行方案的优化问题。介绍单目标规划模型的文献如下：文献【12】[12]采用定量和定性分析相结合的办法根据路网上旅客OD流量，以方便旅客旅行为目标，将直通旅客列车开行方案的确定归结为二分图的最大权匹配问题，通过计算得到一个优化的初始方案;在此基础上，对方案进行经济有利性评价，适当地调整线路使线路负载分布均匀，减少运载能力的虚糜，从而形成一个较为满意的结果。文献【13】[13]以旅客时间消耗最小为目标，在一定客流前提下建立了城际客运专线旅客列车开行方案的优化模型，并设计了其求解算法。文献【14】[14]以满足客流量为基础，以减少动车组使用数量为优化目标，构建城际铁路列车开行方案的优化模型。该方法根据客流情况具体分析，选定列车编组方案，初步确定列车交路、列车种类和不同种类列车的停站方式，然后对相关方案的动车组使用数量进行计算，得出动车组数量最小的方案，进而最终确定列车开行方案。文献【15】[15]考虑了客运需求可能在多种列车间转移影响的条件下，以最大化铁路效益为目标函数的单目标非线性规划决策模型。文献【16】[16]构造了基于路网的列车运行图优化模型，通过不断向子路网增加区段，使铺划运行图的范围不断扩大，最终铺划出整个路网运行图。基于周期性运行图的优化模型也是研究开行方案的一种有效方法，主要有以下几篇文章为代表：文献【17,18】[17,18]研究基于周期运行图的旅客列车开行方案，同时考虑铁路运输企业运营的收益、旅客的总等待时间等具体需求，特别考虑到客流的不确定性，建立了包含3个具体目标的机会约束模型。并以京津城际铁路为背景，利用该模型计算得到列车的开行方案。此文也是以建立多目标规划模型作为研究手段的，三个目标分别为经营者成本支出最小、列车坐席虚糜损失最小及旅客等待时间最小。文献【19】[19]通过对个性化停站方案与平均化停站方案的比较，提出客运专线客流密集区段周期运行图列车开行方案的设计原则，并通过对京沪客运专线沪宁段列车开行方案的设计及方案比较，验证以上理论的可行性。（3）其他方面在开行方案编制方面，文献【20】[20]通过分析国外列车开行方案编制流程及其特点，根据我国高速铁路的列车开行方案特点，提出将立足于我国实情的研究成果与国外列车开行方案编制流程相融合，形成适合我国高速铁路的更加完整和实用的列车开行方案编制流程。文献【21】[21]【22】[22]【23】[23]则分别以具体的客运专线线路为对象，对该铁路线路的开行方案进行分析。文献【20】在分析日本新干线运营经验的基础上，结合我国铁路的实际情况，对未来的京沪高速铁路中有关旅客运量的分解、列车的停站方案、运行图的铺画格式、高速动车组的运用方式等进行了初步研究。文献【21】结合秦沈客运专线实际情况，对新建秦沈客运专线和既有沈山线的技术条件进行了对比。通过对秦沈间客流结构和秦沈客运专线客车速度匹配问题的分析，对秦沈客运专线中有关旅客列车开行方案、高速动车组的运用及列车运行图的编制等问题进行了初步研究。文献【22】根据列车开行方案的有关研究，提出编制武广高速铁路2011年非节假日期间列车开行方案要在继承传统列车开行方案的基础上，吸收节拍式列车开行方案、合并式列车开行方案、周期性运行图列车开行方案的优点。通过调查武广高速铁路沿线客流情况，预测2011年非节假日期间上行各区段客流数据，提出