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客运专线相关旅客列车开行方案优化研究

邓连波  
【摘要】: 建立一个合理的旅客列车开行方案,是铁路运输组织中越来越重要的系统工程问题。普速铁路、提速普速铁路网的不断发展,新建高速铁路、客运专线的即将推出,将形成高速的客运专线和客货混跑的既有铁路构成的铁路客运网络,使旅客列车开行方案更为复杂化。客运专线的旅客列车开行方案不仅仅局限于客运专线上的旅客列车,而是指整个相关区域运输网络的旅客列车开行方案。其主要内容包括相关区域路网所有开行列车的类别、对数、运行区段和停站,以充分满足旅客的出行需求,使铁路运输企业效益最大化。 本文在详尽的社会经济分析的基础上,通过对客运专线的运营成本构成及计算方法的探讨,分析了铁路客运专线旅客列车开行方案的相关收益及费用,从铁路运输企业和旅客两方面的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及其求解方法。对铁路旅客乘车行为的特点和各种影响因素进行全面分析,揭示了铁路旅客列车客流分布的内在原因。系统研究了铁路旅客换乘网络的构造和评价,对旅客在列车网络上的客流分配理论进行了探讨。将客流换乘选择的多类用户的用户平衡分配模型作为下层规划,将均衡考虑企业利益和旅客需求作为上层规划,将列车开行方案与旅客换乘方案结合起来,建立综合优化旅客列车开行方案的双层规划模型。系统建立旅客列车开行方案的评价指标体系,对其社会经济效益进行综合评价。由于问题的规模和特点,通过抽象归纳铁路企业制定开行方案的丰富经验和利用邻域搜索优化方法,设计了基于模拟退火算法的优化算法,可解决大规模的旅客列车开行方案优化问题。 本文具体研究工作如下: 1)客运专线旅客列车开行方案的相关效益和费用分析 旅客列车开行方案的相关收益与费用从两个方面进行分析,其一为铁路运输企业的收益与成本;其二为旅客的收益与费用。这种成本费用和效益分析方法是合理优化旅客列车开行方案的前提。将旅客时间价值按照消费层次进行划分,便于针对不同层次的客流特点确定旅客列车开行方案。旅客支出除了票价一项外都是(或已折合为)时间,按照不同消费层次的旅客时间价值将其它时间费用转化为货币支出,使不同量纲的费用支出得到了统一。这种成本和收益的分析和计算为旅客列车开行方案优化模型的建立奠定了基础。 2)多目标规划模型和初始方案生成算法 通过对客运专线相关旅客列车开行方案特点的研究,分析了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的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。并根据“按流开车”的思想,提出了旅客列车开行方案生成的求解方法,包括列车开行数量判别式、列车吸流原则、确定列车类别的动态规划等。该项研究已在郑州至西安、武汉至广州的客运专线预可行性研究中得到了成功的应用,求解路网规模为60个车站的旅客列车开行方案仅需100秒左右时间。 3)换乘网络构造和铁路客流分配方法的研究 铁路企业针对旅客出行的各种需求制定的旅客列车开行方案,还应考虑到开行方案的实现情况——旅客对列车的选择行为。通过对旅客对换乘方案选择行为的分析,将其归结为多类用户的平衡分配问题。对于运输企业制定的旅客列车开行方案,旅客根据自己的意愿,对出行换乘方案进行选择。在考虑拥挤费用的情况下,最终达到一个平衡状态。不同消费层次的客流在换乘网络上的分配问题,可以归结为一个多类用户(消费层次)的用户平衡交通分配问题。在既有研究成果的基础上,对铁路旅客换乘网络的构造、评价进行了系统探讨,设计了基于开行方案和停站方案的换乘网络,充分考虑旅客换乘过程中的时间、货币支出、拥挤等精神消耗,对网络上阻抗进行了详细讨论,给出了该网络上客流分配模型,设计了相应算法。我们采用效率较高的一种路径配流方法—梯度射影算法(GP)算法,采用逐步增加路径的方式,取得了较好的运算效率。 “旅客换乘网络优化设计”奠定了旅客换乘方案选择的基础。对换乘网络及其客流出行阻抗的确定,铁路旅客客流分配模型和算法探讨,形成了系统的铁路客流分配方法。 4)建立了旅客列车开行方案的评价指标体系 在旅客运输现行运营组织评价指标的基础上,针对铁路运输的特殊属性和列车开行方案具体要求,对评价指标进行了整合与补充,建立了旅客列车开行方案评价指标体系,较全面涵盖了开行方案的各方面评价要求。 由于评价指标的相互替代性和相关性,使用聚类分析方法合理简化了指标体系的规模。对开行方案评价指标体系进行主成分分析,使其更具有可操作性。开行方案的评价指标体系是评价和优化开行方案的基础。该评价体系可以用于评价列车开行方案的运营效果,特别是用于列车开行方案的生成和优化。 5)系统的客运专线旅客列车开行方案优化模型和求解方法 将列车开行方案与旅客换乘方案结合起来,建立综合优化旅客列车开行方案的双层规划模型。开行方案优化问题的双层规划模型综合考虑了旅客和铁路企业的利益,客流分配反映了铁路开行方案的运营特征。这种崭新的建模思想具有十分明显的先进性和合理性。 通过抽象归纳铁路企业制定开行方案的丰富经验和利用邻域搜索优化方法,将开行方案的研究与客运径路确定、旅客列车换乘网络设计、旅客换乘的客流分配问题,旅客列车停站优化、旅客列车开行方案的评价指标分析等一系列相关子问题结合起来,建立了以模拟退火求解算法为基础的求解算法,具有运算速度快、优化效率高的特点。这种优化方法全面反映了开行方案的本质特征,体现了旅客列车开行方案的内在规律。 6)客运专线旅客列车开行方案优化系统设计 在客运专线旅客列车开行方案优化理论研究的基础上,系统分析了设计要求、功能需求、数据组织和系统结构,完成相关软件的编制,能够方便快捷地解决路网上大规模的旅客列车开行方案优化问题。并已在多条客运专线预可行性研究中得到了成功的应用,取得了良好的效果。 本文的客运专线相关旅客列车开行方案的优化理论研究为高速铁路和客运专线建设的旅客运输组织、经济效益评价提供了决策支持。并可应用到城市轨道运输和公交组织方案、混合交通的客运方案和换乘问题,具有较好的应用前景。客运相关旅客列车开行方案问题的探讨,对推进铁路旅客运输组织、城市轨道运输组织、城市公交的旅客换乘、多交通方式的运输方案和换乘问题的研究具有重要意义。


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