博士学位论文 区段站到发线运用计划编制优化
3 区段站到发线运用计划编制优化
区段站是相邻牵引区段的分界点之一，部分列车需在区段站更换牵引机车或乘务组换班；无改编中转列车需在区段站办理的中转作业，区段车流需在区段站办理的解编作业；另外区段站还需对外办理一定数量的对外客、货运业务。因此区段站办理的列车一般来说既有旅客列车又有货物列车，其中旅客列车包括终到旅客列车、始发旅客列车、需停车办理客运作业的通过旅客列车和直接通过的旅客列车，办理货物列车有无改编中转列车、部分改编中转列车、到达解体列车和自编始发列车。
区段站到发线运用计划与到发列车的数量、性质、到达时分、列车的停站作业时间、技术作业种类、技术作业时间、车站布置形式和机车交路等有关。区段列车所有到发列车的数量、性质、到发时分、列车的停站作业时间在全路调整列车运行图时以列车时刻表的形式已下达给车站。列车技术作业的种类和技术作业时间与区段站的技术设备、人员配置及作业组织水平有关，其作业总时分区段站已经查定，可通过《车站行车工作细则》得到。在区段站设计阶段时，设计部门根据预测的车站客货列车数量，在对区段站到发线运用方案初步规划的基础上对车站图型进行设计。投入运营后，区段站根据本车站的实际客货列车情况及列车本身的特征，结合本站的设备情况，对各种不同性质的列车固定到发线运用方案，并在《车站行车工作细则》予以规定。此外机车交路对到发线运用安排也有一定的影响。机车出入段或更换机车乘务组可能会延长的列车技术作业总时分，且机车出入段对接发列车进路排列也有一定的影响。近些年，由于机车换代升级，对货运列车进行了提速，部分机车交路实行长交路，旅客列车和部分高等级货物列车勿需在区段站更换机车和机车入段整备，一定程度也减少了机车出入段对接发列车作业的干扰，也增加了到发线运用安排的灵活度。
通过对国内外研究现状分析了解到目前国内外学者对区段站到发线运用计划的编制优化问题有一定的研究，其研究成果为本文进一步研究打下了较好的基础。本章以尽量按固定使用方案运用到发线和使接发列车作业对调车作业的延误最小为优化目标，除考虑到发线运用计划可行、列车与到发线间的对应关系外，还考虑了车站行车作业进路间的约束，建立了编制优化的整数规划模型，运用现代排序理论，把模型转化为特殊的平行机固定工件排序模型，设计了启发式方法进行求解。
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3.1 模型的建立
3.1.1 目标函数
设区段站计划时段内有n列列车办理到发作业，列车集合为J?J1,J2,...,Jn，可供接发列车的到发线有m条，到发线集合为M??M1,M2,...,Mm?。设列车
??Ji(i?1,2,...,n)到达区段站的时刻为xi(i?1,2,...,n)、离开区段站的时刻为yi(i?1,2,...,n)。通过旅客列车、无改编中转列车、部分改编列车的xi、yi值，终到旅客列车、到达解体列车的xi值和始发旅客列车、自编始发列车的yi值可根据列车运行图得到，始发旅客列车、自编始发列车xi的最大值和终到旅客列车、到达解体列车yi的最小值可结合列车到发技术作业时间标准进行推算，其具体值可根据调机运用情况在一定范围内进行调整。
根据我国铁路车站目前使用的联锁设备的特点，在准备办理接车（转线）进路时起到列车停妥止，必须确保所使用的接车到发线空闲，因此必须对xi进行修正。而办理发车（转线）进路时，列车离开到发线轨道区段后，到发线即时恢复解锁状态，因此yi值不需要进行修正。列车运行图规定的列车在到发线停留的延续时间为ti?yi?xi，设列车Ji在到发线Mj办理到达作业准备进路必要的时间和
到列车通过进站距离的时间为tij，列车Ji在到发线Mj出发作业的车列转线准备进转'到'转路必要的时间和列车转线走行距离的时间为tij，可得xij或xij，?xi?tij?xi?tij'yij?yi。
为便于叙述，本章引入以下概念。
调车时间窗(tl,tl')：在区段站作业比较集中时段，某些调车作业进路与接发列车存在进路交叉，为保证接发列车作业的安全，因需暂时停止相应的调车作业。本文所指的调车时间窗为区段站日（班）计划中已经规定的调车作业时间段。
列车权重wi(i?1,2,...,n)：由于区段站各办理列车的延误对整个车站的影响程度不同，所以根据列车的属性和作业性质，规定了各类办理列车优先安排的等级，即为列车权重。其确定原则为旅客列车权重高于货物列车，到达列车权重高于出发列车，高等级货物列车权重高于低等级货物列车。
列车有限度?i(i?1,2...,n)是指在制定区段站到发线运用计划时依照到发线固定使用方案可供列车选择的到发线数目，主要依据列车性质和到发线固定运用方案确定取值。
为了保持车站良好的作业秩序和作业组织方便，应尽量按《车站行车工作细
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则》规定的到发线固定运用方案分配列车占用到发线，按固定运用方案无法安排时才能活用到发线。其活用规则为旅客列车可在所有有站台的到发线办理接发作业，除超限货物列车外的其它货物列车可以在所有的到发线办理接发作业。作业紧张的情况下，正线、机车走行线也可安排列车办理接发作业。
用矩阵Cij?(cij)表示列车Ji占用到发线Mj的权矩阵，元素cij的取值为：
Mj，且符合固定使用方案；?0列车Ji可使用到发线?1列车J可使用到发线Mj，但不符合固定使用方案；i cij?? ?列车Ji使用正线或机车走行线Mj；?2?列车Ji不能使用到发线Mj。?M其中M为给定的充分大的正数。
设?ij?1表示列车Ji安排在股道Mj办理接发作业，否则，?ij?0。为使到发列车尽量按到发线固定使用方案接发列车作业，公式（3-1）的z1值应越小越好，即要求：
mn minz1???cij?ij （3-1）
j?1i?1为降低数据输入和程序计算的复杂度，按照文献[85]所述方法，对区段站两端咽喉区的道岔进行分组。为便于研究，可以认为行车进路由道岔组和无岔轨道线路段连接而成的。设道岔组的集合为：G??group1,group2,...,groupQ?,Q为车站总道岔组数，无岔轨道线路段的集合为L??l1,l2,...,lW?，W为车站无岔轨道线路段总数，若干道岔组与无岔轨道线路段组合构成相应的进路，可用进路元素集合表示进路为pn??setn1,setn2,...,setnKn?，setnk?G?L,0?k?Knk?Z，Kn为该进路的元素数。一次车列转线、机车出入段、摘挂调车、取送车作业都需两次占用起讫点间的进路，两次所占用的进路不一定相同。设日（班）计划规定的与接发列车作业有进路冲突的调车作业进路为pl,设相应占用进路的调车时间窗
(tl,tl')，0?l?d，d为计划时段调车时间窗总数，其值为作业项目数的2倍。车站咽喉结构比较复杂的车站列车Ji在到发线Mj办理接发作业的可能存在几条进路，因此用Rij(i?1,2,...,n;j?1,2,...,m)表示列车Ji在到发线Mj办理接发作业的进路集合，pk为接发列车时选定的进路，pk?Rij。
在安排区段站到发线运用计划时应尽量减少列车接发作业对调车作业延误时间z2，设列车Ji在到发线Mj办理到发作业时间与调车作业时间窗(tl,tl')交叉的时间范围为[Aijl,Bijl]。因此z2值可表示为公式（3-2）。
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mndminz2????(Bijl?Aijl)?ijlj?1i?1l?1 （3-2）
两项作业进路的时间交叉范围[Aijl,Bijl]为公式（3-3）。
''[Aijl,Bijl]?[xij,yij]?[tl,tl'] （3-3）
若进路pk与进路pl互为敌对进路，两进路的计划开通时间存在交叉，变量
?ijl的值取1，否则取0。
?1[Aijl,Bijl]??且pk?pl???ijl??其它?0 （3-4） 因此，区段站到发线运用计划编制优化问题是一个多目标优化问题，两个目标函数间相互影响，一个目标函数值的改善可能会导致另一个目标函数值的恶化，不可能同时达到最优。本文采用线性加权的方法，对以上两个目标函数进行协调。
设以上2个目标的权重系数分别为?1、要求?1??2?1，且0??1、?2?1，?2，其值根据各目标值的量纲不同及决策者的偏好确定 [91-92]。因此可将区段站到发线运用计划编制优化的多目标问题转化为单目标问题，其目标函数值z为公式（3-5）。
minz??1z1??2z2 （3-5） 根据以上叙述，区段站到发线运用计划编制优化模型的目标函数可表示为公式（3-6）。
minz??1??cij?ij??2???(Bijl?Aijl)?ijl （3-6）
j?1i?1j?1i?1l?1mnmnd3.1.2 约束条件
设Di(i?1,2,...,n)表示列车Ji是否安排了到发线用于办理接发作业，Di?1表
'示列车Ji在时刻xij没有安排在到发线Mj上接发，否则Di?0。若要编制到发线
运用计划是可行的，必须把计划时段内列车运行图规定的所有列车安排到允许的到发线上，否则，所编制的到发线运用计划是不可行的。即要求满足公式（3-7）。
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n
?D?0ii?1 （3-7）
一般来说，针对一列车办理接发作业一次只需安排一条到发线，这列车一直占用这条到发线，中途不转换到其它到发线，占用一直到离开这条到发线为止。因此：
??j?1mij?1i?1,2,...,n （3-8）
'以所有列车开始占用到发线的时刻xij为间隔点，把计划时段划分成时间段
Tk(k?1,2,...,K)，时间段Tk内的列车集合为Vk，在时间段Tk内，某一到发线最多被列车集合Vk内的一列车占用，因此必须满足公式（3-9）。
Ji?Vk??ij?1j?1,2,...,m （3-9）
设yij?1表示列车Ji占用进路集合Pij中的pij，否则，yij?0；办理一列车接发车进路时，该列车只能占用一条接发车进路，因此：
pij?Pij?yij?1i?1,2,...,n,j?1,2,...,m （3-10）
在时间段Tk内某一接发列车进路最多为列车集合Vk中一列车的办理接发列车作业，即：
Ji?Vk?yij?1j?1,2,...,m （3-11）
根据车站联锁关系，任何时刻接发某列车的进路不能和与其有冲突的接发列车进路同时开通，即要求两进路集合在同一时刻不能有重复元素。即：
pij?pi'j'??i?i';i,i'?Vk （3-12）
在实际接发列车过程中，前行列车尾部必须全部离开股道，相应的轨道电路才会得到释放，才能为使用同一到发线的另一列车准备接车进路。为了保证作业的绝对安全，前行列车释放到发线后至另一列车开始占用该到发线前，必须保证有一定的安全间隔时间。
设Jinext为安排在到发线Mj的列车Ji的紧后列车，为了保证作业安全，使用同一到发线的两列车办理接发列车作业时，必须保证一定的安全间隔时间?，即
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