6.2 进路的搜索 ....................................................................................................... 96 6.3 进路选择模型 ................................................................................................... 98 6.3.1 符号及变量说明 ......................................................................................... 98 6.3.2 目标函数 ..................................................................................................... 99 6.3.3 约束条件 ................................................................................................... 100 6.3.4 求解算法 ................................................................................................... 102 6.4 本章小结 ......................................................................................................... 104 7 区段站综合自动化系统的总体设计 .................................................................... 105 7.1 系统设计原则与目标 ..................................................................................... 105 7.1.1 系统的设计原则 ....................................................................................... 105 7.1.2 系统的设计目标 ....................................................................................... 107 7.2 系统需求分析 ................................................................................................. 108 7.3 系统框架 ......................................................................................................... 108 7.4 模块功能 ......................................................................................................... 110 7.5 作业计划协调编制及反馈调整 ..................................................................... 110 8 结论与展望 ............................................................................................................ 113 8.1 论文的主要工作与创新点 ............................................................................. 113 8.2 有待进一步研究的问题 ................................................................................. 114 参考文献 .................................................................................................................... 116 攻读学位期间主要的研究成果 ................................................................................ 129 致 谢 ........................................................................................................................ 130
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1.1 研究意义
车站是铁路运输的基层生产单位，其基本任务是通过一系列的技术作业完成所应承担的运转、客运、货运运输任务，它由一定数量的车场、作业区等子系统组成，并配备了与工作任务相适应的设备和人员。在铁路运输实际工作中必须进行车种调度指挥工作，对车站的各项技术作业进行统筹规划、周密安排。据统计，货车每一次周转中平均需在车站进行5-6次中转作业，要进行两次装卸作业，货车在车站的停留时间约占到整个货车周转时间的70%左右，由此可见，合理、高效地组织车站运输工作对压缩货车在站停留时间、加速车辆周转、提高铁路货运服务质量和确保铁路运输畅通具有重要的作用。
根据2014年7月中国铁路总公司下发的《铁路技术管理规程（普速铁路部分）》对车站分类的方法，车站按技术作业分为编组站、区段站、中间站，按业务性质分为营业站、非营业站，营业站分为客运站、货运站、客货运站；区段站和编组站都需办理一定数量的货物列车无调中转、解体、编组等技术作业，配备了大量的技术设备，所以把区段站和编组站统称为技术站。以技术站为分界点将铁路线划分为铁路区段。
区段站的主要工作是为通过该站的大部分货物列车办理中转作业、为通过列车更换机车或机车乘务组换班、办理区段列车和摘挂列车解体、编组作业。区段站占有技术站总数量相当大的比重，是我国铁路网中的重要组成部分。就规模而言，它相对编组站较小，但它却包含了编组站的各种行车作业。因其需办理一定数量的客货运业务，所以它也需办理中间站或客、货运站的绝大部分作业，因此区段站的作业组织比较复杂。提高区段站作业组织水平和效率，对提高我国整个铁路运输组织水平和效率具有相当重要的作用。
编组站一般设在国家路网的重要铁路枢纽处，日办理车数很大，设置了一定数量的专业性车场，配备了大量的调车设备和从业人员。车站车场、设备、人员分工比较明确，各子系统相对比较独立，子系统的作业项目比较单一，因此编组站作业组织还相对比较简单。区段站涉及的技术作业种类虽多，但量不是很大，其办理的车流中有调中转车所占办理车数的比重较小，而无调中转车和本站货物作业车占的比重相对较高，一般只配备1-2台机车，调机所承担的作业种类比较杂，通常是一机多用。到发线、调车线、调车机车等设备虽有分工，但实际运输生产中由于设备运用紧张经常混用。
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整个铁路网是一个庞大而复杂的系统，从结构上看，是由车站、枢纽和线路相互连接而成的，因此铁路运输组织的自动化由区段列车运行调度指挥的自动化和车站及枢纽运输组织的自动化组成。目前列车调度指挥系统（TDCS）与计算机编制列车运行图在全路得到了广泛使用和不断完善，使我国铁路“线”上的自动化已达到相当高水平；而“点”上自动化即车站工作自动化，已经不能满足现代化铁路运输车站作业组织的现实需求。目前，我国铁路区段站现有的系统往往是单独开发建设，自成体系，系统间连通性和互操作性差，各自为阵，无法统一调度；信息化与自动化严重脱节，整体自动化程度不高，区段站设备的自动化水平与运输组织现代化需求的矛盾相当突出。随着我国铁路现代化建设的加快进行，车站各部门信息网络系统及以全路运输管理信息系统（TMIS）的建立、全路信息网络的逐步形成和计算机调度集中系统的采用，使得区段站作业自动化成为区段站作业运输组织的必然趋势，同时也为实现车站作业自动化和智能化提供有利的技术条件。
区段站的行车组织工作是主要是在车站作业计划的指导下进行的。车站作业计划包括日计划、班计划、阶段计划和调车作业计划。为了安全、高效地完成车站所承担的运输任务，提高出发列车的正点率，减少货车在区段站的停留时间，车站调度人员必须根据现在及预计的车流状况，运用车站所有设备，合理制定车站作业计划，均衡组织车站运输工作。通过对我国部分铁路区段站进行调研了解到，目前我国区段站作业计划的编制与调整仍然是由人工进行的，编制效率很低、很容易出错、计划的质量也不高、对作业不确定性的应对能力不强。由于受各种不确定性因素的影响，造成到达列车的到达时间和编组内容与预先掌握的存在差别，再加上不同调度指挥人员的水平也存在差异，因此车站对提前编制的车站作业计划调整工作相当复杂和紧张，计划的兑现率相当低。传统的技术作业图表对区段站可以说仅仅是事后车站工作的记录，已丧失了原有的调度指挥功能。一部分车站虽近些年开发了计算机编制车站技术作业图表的软件，但也只是将原人工绘制的图表改由计算机编制，不能体现调度指挥功能。
区段站不同于编组站，由于各种设备资源数量比较紧张，各项作业相互制约，作业进路间交叉干扰比较严重，车站作业计划编制所涉及的制约因素更多，编制的难度更大，因此不能直接移植编组站作业计划编制优化的模型及算法，必须针对区段站车站作业计划编制优化进行专门研究。
1.2 国内外研究现状
尽管区段站作业量相对较小，但调机作业复杂，作业间相互影响、交叉干扰比较严重，因此我国目前对区段站综合自动化系统的研究甚少，研究主要停留在
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车站作业计划编制决策支持等理论研究阶段。相对而言，编组站各调车机车作业相对单一，相互间的影响小，具备建设综合自动化系统的优势条件。因此我国率先对编组站自动化系统进行逐渐深入的研究，并取得了许多有益的研究成果，在我国主要编组站建成了比较完善的综合自动化系统。我国传统编组站综合自动化系统包括了驼峰自动化、推峰机车遥控、编尾计算机联锁及货车管理信息四个子系统，实现了货车信息处理系统与驼峰自动化联机，但系统间信息仅单方向传输，不能相互共享，系统基本上单独开发，自成体系，各系统间的连通性和互操作性较差。近年来我国编组站自动化技术取得了长足的进步，先后在一些主要编组站建成了集成自动化系统（CIPS）和编组站综合自动化系统（SAM）两个技术体系的自动化系统。2007年以集成为核心的编组站综合自动化系统（CIPS）在成都北编组站投入使用，开创了一种编组站管理的新模式，使我国编组站技术步入世界领先行列。2007年12月16日，第一个编组站综合自动化系统（SAM）在新丰镇编组站投入运营。编组站综合自动化系统（SAM）的设计遵循《铁路信息化总体规划》要求，采用局站一体化设计、整个车站实行集中化管理、作业计划自动编制和执行，实现了编组站管理和控制的高度智能化和自动化。
国内外学者对车站作业计划编制方面进行了大量的研究，取得了许多有益的研究成果。李文权和杜文（2002）在《铁路技术站日工作计划优化模型及其算法》专著中运用排序理论对技术站日工作计划编制问题做了比较系统的研究，研究的子问题包括日车流分配、空车调配、到发线运用、咽喉区道岔组安排、列检组安排、取送车作业安排等，建立了相应的排序模型，并设计了相应的算法，最后以列检组安排耦合全站作业，统一协调安排全站工作 [1]。黎浩东，何世伟和王保华等（2011）全面分析了编组站阶段计划编制的相关内容，对国内外关于确定和不确定环境下阶段计划的编制及其计算机实现的文献进行了全面而系统的综述。探讨了阶段计划自动编制仍存在的问题及未来的研究方向[2]。袁庆达，杜文和黎青松（2000）对区段站阶段计划的优化编制进行了研究，以阶段内满轴正点列车最大化为优化目标，以到发线占用、解体、编组、车流接续、列车出发为约束，建立了区段站阶段计划编制的整体优化模型，为实现模型的求解，根据大系统理论，把整个系统分解为到发线安排、车流分配、车列解体和车列编组4个子系统，运用排序理论设计了相应的算法，并以参数联系为纽带，设计了模型综合协调优化算法。文献对模型的算法没有编程实现验证，区段站的作业细节也没有全面考虑
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目前国外对车站作业计划编制方面可见的成果虽然不多，这与国外发达国家
运输能力相对比较富余的路情有关。但国外对车站作业计划编制问题研究开始时间较早，主要是运用数学、运筹学方法对其进行研究。因路情与我国存在较大区
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别，研究的关注点与我国学者也有一定的差别。Assad A A（1980）专门用一章综述了调车场和铁路枢纽模型方面的研究成果，他把已有的研究成果归纳为3类。第1类为排队模型，这类模型认为货车必须访问一些服务设施（到达场、列检、解体、编组等），必须确定平均排队时间和平均排队长度等；第2类为调车场模拟模型；第3类为确定编组站生产能力的模型 [4]。Yagar S, Saccomanna F F和Shi Q（2009）研究了驼峰解体作业顺序的确定问题，提出了一种两阶段组成的HSS算法，首先利用筛选程序从大量的列车中减少优先安排的列车的数量，然后提出一种基于提高到发列车协调性的列车解体排序程序，运用实际案例对先到先解体（FIFO）、现场采用的方法和HSS进行比较，案例表明HSS算法具有较好的优越性[5]。Tolga B, Teodor G C和Vincent M（1983）对铁路调车场空车配流问题进行了分析，以减少调车场空车的停留时间为优化目标，提出了一个整数规划模型，基于动态再分配的方法提出了一种快速的、有效的求解方法。运用北美铁路的实际数据对提出的模型和算法进行了验证。结果表明，算法能有效减少空车在站的停留时间，能够应用到实际工作中[6]。Nils B, Malte F和Florian J等（2012）对自19世纪70年代至今调车场方面的研究论文进行了综述，指出许多学者已经意识到有效运用调车场是提高铁路货物运输水平的重要措施之一，分析了已经提出许多相关理论和实际应用数据，并指出目前研究存在的问题和下一步研究的方向[7]。Marin M和Jose V（2009）提出了一种分析和评价平面调车场的模拟模型方法。基于事件模拟的计算机程序包，构建和实现了调车场模拟模型SIMUL’8[8]。Michal D和Du?an T（2013）针对列车驼峰解体作业分别提出了一个数学模型和一个模拟模型。数学模型采用马尔科夫过程，认为驼峰溜放过程是一个服务排队系统。认为到达系统的货物列车是顾客，所有模型的随机变量除顾客服务时间服从爱尔兰分布外，都被认为服从指数分布。运用分阶段的方法构造了数学模型，并运用合适的软件工具进行求解。运用着色Petri网络建立模拟模型，两个模型都运用实际数据进行了测试[9]。Nikbakhsh J, Hamid R S和Sajjad N（2011）针对确定网路节点的车站解体和编组能力提出了多时段优化方法，提出运用模拟退火算法，研究了算法如何在邻域空间效率地搜索解、接收概率和跳出局部解。案例表明，所提出的方法是有效的，并对不同的参数设置进行了灵敏度分析，能为规划和分析调车场能力提供一种更有效的管理工具[10]。Lentink R M, Fioole P和Kroon L G等（2002）等运用网络流方法，建立了关于列车调度计划制定的数学模型，并提出了求解该问题的算法 [11]。
我国的运输能力比较紧张，采用的是柔性控制型运输组织模式。相比较而言，欧美等发达国家运输能力比较富裕，铁路运输主要采用低密度、大编组的组织形式，属于刚性控制运输组织模式，所以我国与欧美国家的路情有很大不同，其运
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