高速磁浮车站列车作业优化与能力分析.pdf
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1、第 20 卷 第 11 期2023 年 11 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 11November 2023高速磁浮车站列车作业优化与能力分析邓连波1,陈晨1,静恩伟1,张颖1,霍亮2(1.中南大学 交通运输工程学院 湖南省轨道交通大数据实验室,湖南 长沙 410075;2.中铁第四勘察设计院集团有限公司 线路站场设计研究院,湖北 武汉 430063)摘要:高速磁浮作为一种高速度、高舒适性的便捷公共交通方式已成为公共交通的重要组成部分。目前高速磁浮方式整体上处于技术研发为主,商业运营仍处于
2、起步阶段,特别是针对车站能力的研究较为缺乏。基于高速磁浮列车的运输组织要求,对高速磁浮车站的列车作业优化和能力利用问题进行研究。通过将高速磁浮车站到发线与径路一体化考虑,从车站径路运用和车站径路分段解锁的层面着手,在时间空间双重约束下建立给定时刻表下高速磁浮车站作业安排优化模型。根据问题特性,将遗传算法的全局搜索性能和模拟退火算法的局部搜索性能相结合,设计遗传模拟退火算法。通过高速磁浮车站算例得出总延误为0的车站作业安排优化方案,并对车站能力利用状况进行分析。设计基于列车作业紧凑安排的车站能力启发式算法,通过压缩给定时刻表下车站接发车作业的间隔时间,计算特定的车流构成类型和比例下的高速磁浮车站
3、通过能力。对比分析不同运行图场景下的高速磁浮车站通过能力,探索其一般规律。分析得出不停站通过列车、始发终到列车、停站通过列车、立折列车对车站通过能力利用效率依次降低的规律。该研究从列车车站列车作业组织角度丰富了高速磁浮技术,可为高速磁浮车站的作业安排和能力利用提供借鉴。关键词:高速磁浮;作业安排;车站能力;遗传模拟退火算法中图分类号:U292.1 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)11-4041-09Train operation optimization and capability analysis of high-speed m
4、aglev stationDENG Lianbo1,CHEN Chen1,JING Enwei1,ZHANG Ying1,HUO Liang2(1.School of Traffic and Transportation Engineering,Rail Data Research and Application Key Laboratory of Hunan Province,Central South University,Changsha 410075,China;2.Design and Research Department of Track Alignment and Statio
5、n Yard,China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China)Abstract:High-speed maglev has grown to be a significant component of public transportation as a practical method offering high speed and great comfort.The high-speed maglev system is currently in the technology research
6、 and development phase,and its commercial operation is still in its infancy,especially not much research has been done on station capacity.The train operation optimization and capacity utilization of high-speed maglev stations were investigated based on the transportation organization needs of high-
7、speed maglev trains.收稿日期:2022-12-05基金项目:中国铁建股份有限公司2019年度科技重大专项(2019-A06);中铁第四勘察设计院集团有限公司科技研究开发计划项目(2019K110-1)通信作者:邓连波(1977),男,辽宁昌图人,教授,博士,从事交通运输规划与管理研究;Email:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20222325铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 11月Considering the integration of arrival-departure tracks and routes of high-spee
8、d maglev station,an optimization model of high-speed maglev station operation arrangement based on the provided schedule was established under the dual constraints of time and space from the aspects of station route application and station route section unlocking.Based on the characteristics of the
9、problem,a genetic simulated annealing algorithm was developed by combining the global search performance of the genetic algorithm with the local search performance of the simulated annealing method.A case was used to obtain the optimization scheme of station operation arrangement with total delay of
10、 0,and the utilization of station capacity was examined.To calculate the carrying capacity of high-speed maglev stations under a specific type and proportion of train flow by compressing the interval time between station receiving and dispatching trains in a given schedule,a heuristic algorithm base
11、d on the compact arrangement of train operation was designed.Comparing,evaluating,and exploring the general principles of the station carrying capacity under various train diagram scenarios of transport demand.It is concluded that the utilization efficiency of station carrying capacity decreases suc
12、cessively by the through train without stop,arrival-departure train,through train with stop,turn-back train.This study completes high-speed maglev technology from the standpoint of train operation organization at the train station,which can provide reference for the operation arrangement and capacit
13、y utilization of high-speed maglev station.Key words:high speed maglev;assignment arrangement;station capacity;genetic simulated annealing algorithm 近年来,我国高速磁浮技术得到了长足发展1,被视为未来重要的超高速交通模式。在高速磁浮交通系统中,车站作为线路上重要的实体连接点,其作业组织优劣一定程度上决定列车在路网上的运行情况、车站通过能力以及高速磁浮交通的竞争力。因此,有必要根据高速磁浮线路和设备特性,研究其作业组织和能力问题。当前在轨道交通车站
14、咽喉径路安排方面的研究主要从咽喉布置、径路交叉干扰等方面展开。李晓娟等2将车站咽喉区长度引入通过能力计算,以通过列车数最多为优化目标。在到发线利用方面34,主要以到发线均衡使用、占用时耗最小等为优化目标。随着研究深入,更多学者倾向于将车站咽喉和到发线一体化研究513。潘明轩等14以列车在站总运行时分最小为优化目标,通过压缩列车到站间隔,提高车站通过能力。陈韬等15考虑咽喉、到发线的影响,建立车站通过能力计算模型。史峰等16认为车站到发线运用由列车咽喉区径路决定,建立了两者一体优化的0-1整数规划模型,设计模拟退火算法求解。经过数十年的运营实践,高速铁路车站作业和能力利用的研究较为成熟,由于目前
15、关于高速磁浮方式整体上仍处于技术研发为主,商业运营仍处于起步阶段,因而针对车站能力的研究较为缺乏。与高速铁路相比,高速磁浮车站站型更为紧凑,车站布置形式差异大,车站列车径路采用牵引供电分区进行划分运用分段,车站内各类列车的技术作业过程,径路交叉与冲突、分段运用、作业协同等也存在差别。本文在已有研究基础上,以不同类型高速磁浮列车在站内的径路占用、作业交叉疏解等为约束,以列车径路占用时间最短、列车延迟时间最小和到发线运用均衡为目标,建立给定时刻表下高速磁浮车站作业安排优化模型。根据问题特性,设计遗传模拟退火算法,对典型高速磁浮车站布置形式优化求解车站作业安排方案。对比分析多场景下车站通过能力,探索
16、其一般规律。1 高速磁浮车站列车作业安排优化与能力利用问题分析高速磁浮列车单项作业过程是车站列车作业安排和能力分析的基础,主要包括始发、终到、通过、立折等列车类型,各类列车站内技术作业过程为:始发列车的作业过程由出段作业和发车作业组成。终到列车的作业过程由接车作业和入段作业组成。通过列车分为停站通过和不停站通过,前者由接车和发车作业组成;后者使用车站4042第 11 期邓连波,等:高速磁浮车站列车作业优化与能力分析正线不停车一次性通过车站。立折列车分为站前和站后折返,前者利用车站到发线折返,其作业过程由反向接车和发车作业组成;后者利用车站牵出线转线,反向进入到发线停车上客和发车作业。上述作业过
17、程中,考虑高速磁浮速度高、转弯半径小,车站咽喉区较短、轨道分段以牵引供电分区划分,且没有交分道岔和交叉渡线等特点,做出如下假设:1)不考虑高速磁浮列车速度、长度、编组的差异,各列车技术条件具有同质性;2)将动车段(所)视为车站的一个衔接方向,不额外考虑其能力、出入段能力影响;3)基于高速磁浮技术特点,将车站线路分为进站、到发线、出站3个牵引分区,列车径路按供电分区划分,采用“一次锁闭,分段解锁”;4)一条到发线只能同时停靠一列列车,径路占用遵循“先到先服务”原则;5)以高峰时段的车站能力作为研究对象,不考虑设置维修天窗、车站设备突发故障等特殊情况的影响。2 给定时刻表下高速磁浮车站列车作业安排
18、优化建模高速磁浮车站列车作业安排应基于列车时刻表,综合考虑多列车作业协同、径路分段解锁、径路交叉疏解等约束下的股道运用和径路安排。以典型通过式六线车站为例,供电分区如图 1所示,不同颜色代表供电分区划分17。将接车径路分为进站和部分到发线分区,发车径路分为部分到发线和出站分区。针对不同类型高速磁浮列车,分别定义始发、终 到、停 站 通 过、直 通、折 返 列 车 集De Aa Th Pa Tu。Tu分 站 前、站 后 折 返 集TubefTuaft。设定列车可行作业径路集 ri均由股道Rl=rli|q=12liIl,接车径路Ral=ralip|p=12PliIl(共Pl条),发车径路Rdl=r
19、dlip|q=12QliIl(共Ql条)组成。Gl为列车l可用股道集;r表示列车占用径路;a和d表示接发车;ijk为车站股道;p和q为径路编号。引入冲突度7表达径路间的相容关系,令径路rlip与rhiq的冲突度为lphq,则径路rlip开始占用径路lphq时间后,才能开始准备径路rhiq的占用。考虑不同类型列车占用咽喉区的开始时刻不同,定义径路冲突度函数(r1r2)r1r2RalRah,并以其敌对径路解锁时间为基础来计算,与r1和r2的列车类别、作业性质和到发线运用有关。r1作业开始后,r2需延后解锁时间越多,(r1r2)越大。2.1列车作业耗时和基于能力利用的优化目标设计高速磁浮列车l按时刻
20、表先后到达,站内总走行耗时:Z1=lLralipRallralptalip+lLrdliqRdllrdlqtdliq(1)式中:lrdlq为l占用径路情况;talip和tdliq为接车和发车径路占用径路时间,s。在给定时刻表下,应尽量使列车“按图行车”3,避免晚点。总晚点时分:Z2=lLTliend-al+lLTlistr-dl(2)式中:TliendTlistr和aldl分别表示列车实际、图定图1车站供电分区示意图Fig.1Schematic diagram of station power supply zones4043铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 11月到发时刻,mi
21、n。到发线运用均衡性目标:Z3=iI()lLtlixli-lLtli/|I2(3)式中:|I|是到发线数量;若l占用股道i,则xli取1,否则取 0;在考虑时间内,i=1ntzixij是到发线总占用时间,s;lLtli/|I是到发线平均占用时间,s;tli是l占用到发线的全部时间,s。2.2列车作业安排和能力利用约束条件分析高速磁浮列车作业安排和能力利用的时间、空间、逻辑约束。式(4)表示同一车站仅能采用站前、站后折返中的一种4。式(5)表示列车进站时选择唯一股道。式(6)和式(7)表示接(发)列车选择唯一径路。式(8)和式(9)表示接车、股道线、发车径路一致性。式(10)和式(11)表示列车
22、占用车站径路起讫时刻的基本关系。式(12)表示列车实际、图定到发时刻间的关系。式(13)表示最低停站时间要求。K为K技术作业类型列车占总列车比例。lKiIxlilLiIxli=KK=DeAaThPaTu(4)iIxli=1lLlTuaft(5)ralipRallral=1lL(6)rdliqRdllrdl=1lL(7)xlilralipwralipiralipRallLiI(8)iIxliwrdliqilrdliqrdliqRdllL(9)Taliend+lLralipRallralptalip=TliendiIP12|Rdl|(10)Tlistr+lLrdliqRdllrdlqtdliq=T
23、dliqiIP12|Rdl|(11)Tliendal,TlistrdllLiI(12)Tlistr-TliendlLiI(13)与高速铁路类似,当相邻2列磁浮列车到发、通过同一股道时,后车需等前车股道占用解锁后才能进入。站后折返可视为2个具有时间接续关系的反向停站通过列车,也要等前车解锁后再占用。高速磁浮车站内各种列车股道占用时间疏解约束为:M(2+1lh-xli-xhj)+Tahi-Tdlilihj,lhLlhiI(14)M(3-1lh-xli-xhj)+Tali-Tdhihjli,lhLlhiI(15)其中,当l先于h占用到发线,1lh取1,否则取0;l接车径路开始时刻早于h,2lh取1,
24、否则取0,其余同理。结合高速磁浮车站以供电分区划分占用的特性,对任意接车径路raliprahjp和发车径路rdliprdhjq,构造两相邻列车接接、发发、接发、发接径路冲突及分段解锁约束为:M(2+2lh-xli-xhj)+Tahjp-Talipaalphp(16)M(3-2lh-xli-xhj)+Talip-Tahjpaahplp(17)M()2+3lh-xli-xhj+Tdhjq-Tdliqddlqhq(18)M()3-3lh-xli-xhj+Tdliq-Tdhjqddhqlq(19)M()2+4lh-xli-xhj+Tdhjq-Talipadlphq(20)M()3-4lh-xli-xh
25、j+Talip-Tdhjqadhqlp(21)M()2+5lh-xli-xhj+Tahjp-Tdliqdalphq(22)M()3-5lh-xli-xhj+Tdliq-Tahjpdahqlp(23)lhLlhiIljIhp12|Ral|p12|Rah|q12|Rdl|q12|Rdh|高速磁浮站前折返的到发列车视为同一趟连续作业的列车9。站后折返列车Tuaft简化为2个具有时间接续关系的反向停站通过列车径路,引用列车标志firsec表示,正向发车时刻rdfirliq和反向接车径路开始时刻raseclip具有时间接续关系且占用2条到发线。站后折返列车约束为:Tdfirlip+tlrdfirliqr
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