基于双层规划模型的高速铁路列车开行方案优化研究

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高速铁路客运网络列车开行方案优化模型

第 18 卷第 6 期 2010 年 12 月
中国管理科学 Chinese Jour nal of M anagement Science
文章编号: 1003- 207( 2010) 06- 0051- 08
V ol. 18, No . 6 December , 2010
高速铁路客运网络列车开行方案优化模型
旅客列车开行方案设计是指从一个可行方案的集合中选出既能满足运营约束又能实现运营目标的开行方案组合, 总的目标是以客运量为基础( 即按流开车 ) , 在相关条件允许的情况下, 经济、合理、充分地使用客运机车车辆和各种客运技术设备, 最大限度地满足旅客出行需求, 方便旅客出行( 尽可能地减少旅客换乘次数的旅行时间) , 同时要尽量减少运营成本, 使铁路运营商收益最大化。列车开行方案设计是铁路运输的战略计划层的重要任务, 好的旅客列车开行方案能够提高铁路旅客运输的经营效果和效益。
每次列车具体的承运和坐席分配数据。本模型利用一个 OD 客流的虚拟换乘矩阵, 精
确计算 OD 客流在各个可能的换乘站的换乘情况, 同时构造了几个关联矩阵, 把每个 OD 客流在各条换乘弧上的客流与每列可以运送该 OD 客流的列车相关联, 不仅能够优化列车开行方案, 还能同时优化各列车的坐席分配和中转客流, 并使客流分配与列车开行方案相互匹配, 统一优化。
本研究和现有研究相比的主要特点和区别如下: ( 1) 本文提出的模型将列车开行方案、OD 客流分配与列车坐席分配统一在一个模型中优化; ( 2) 着眼于复杂路网的全局最优, 而不是单条线路; ( 3) 从复杂网络多种不同始发- 到达组合、不同停站方式、不同类型的发车备选方案集中选出最优发车方案组合。对上述创新点还会在本文的第 2 和第 3 小节中进一步展开论述。

考虑要素协同的高铁列车运行图双层优化模型

文章编号：1672-4747（2022）02-0125-11考虑要素协同的高铁列车运行图双层优化模型石敏涵1，吕红霞1，2，3，倪少权1，2，3，吕苗苗1，2，3（1.西南交通大学，交通运输与物流学院，成都611756；2.综合交通大数据应用技术国家工程实验室，成都611756；3.综合交通运输智能化国家地方联合工程实验室，成都611756）摘要：列车停站方案、列车运行图和动车组接续方案间相互影响，将三者进行协同优化能够保证在提高客流需求满足程度的同时，最大程度地降低由动车组运用决定的铁路部门运输组织成本。

因此，本文在分析三者间协同关系的基础上，建立双层模型。

上层模型为以旅客需求满足程度最高、铁路部门运输成本最低为目标的协同优化模型，下层模型为以动车组运用数量和接续时间最小为目标的最优动车组接续模型，且下层模型将最优动车组运用指标决定的铁路部门运输成本传递至上层目标函数中，构成双层模型间的联系。

结合模型的双层特性，设计双层启发式算法求解，外层采用计算效率高、计算效果好的自适应大邻域搜索算法，根据算子的历史表现动态确定算子选择概率，以获得停站方案与运行图综合可行解；内层采用模拟退火算法，在外层输入方案的基础上，确定相应的最优动车组接续方案，并将指标输出至外层。

算例分析结果表明，采用本文提出的协同优化方法进行优化，能在可接受时间范围内得到指标较优的综合方案，验证了本文模型和算法的有效性。

关键词：铁路运输；停站方案；列车运行图；动车组接续方案；协同优化；双层规划中图分类号：U292.4+1文献标志码：ADOI ：10.19961/ki.1672-4747.2021.07.004Bilevel Optimization Model for High-speed Railway Train Operation Diagram Considering Multifactor CooperationSHI Min-han 1，LV Hong-xia 1，2，3，NI Shao-quan 1，2，3，LV Miao-miao 1，2，3(1.School of Transportation and Logistics ，Southwest Jiaotong University ，Chengdu 611756，China ；2.NationalEngineering Laboratory of Integrated Transportation Big Data Application Technology ，Chengdu 611756，China ；3.National United Engineering Laboratory of Integrated and Intelligent Transportation ，Chengdu 611756，China)Abstract ：The train stop plan ，train operation diagram ，and electrical multiple units (EMUs)circula-tion plan interact.Their collaborative optimization ensures that the satisfaction of passenger flow de-mand can be improved.In addition ，the transportation organization costs of the railway department determined by EMUs operation can be minimized.Therefore ，a bilevel model based on the analysis of the collaborative relationship between these three schemes was established in this study.The up-per-level model was the collaborative optimization model established to achieve the highest satisfac-tion of the passenger demand and the lowest transportation cost of railway departments.The lower-level model was the optimal EMUs operation model for the minimum number of EMUs used and the收稿日期：2021-07-05录用日期：2021-08-09网络首发：2021-08-18审稿日期：2021-07-05~07-14；08-02~08-07；08-09基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFB1200702）；国家自然科学基金项目（52072314）；四川省科技计划项目（2020YJ0268，2020YJ0256）；成都市科技项目（2019-YF05-01493-SN ，2020-RK00-00036-ZF ）；浙江省自然科学基金项目（LQ18G030012）；教育部人文社科基金项目（18YJC630190）作者简介：石敏涵（1998—），女，硕士研究生，研究方向为运输组织优化理论与方法，E-mail ：通信作者：吕苗苗（1986—），女，博士，讲师，研究方向为轨道交通运输组织优化，E-mail ：引文格式：石敏涵，吕红霞，倪少权，等.考虑要素协同的高铁列车运行图双层优化模型[J].交通运输工程与信息学报，2022，20(2)：125-135.SHI Min-han ，LV Hong-xia ，NI Shao-quan ，et al.Bilevel Optimization Model for High-speed Railway Train Operation Diagram Considering Multifactor Cooperation[J].Journal of Transportation Engineering and Information ，2022，20(2)：125-135.第20卷第2期2022年06月交通运输工程与信息学报Journal of Transportation Engineering and InformationVol.20No.2Jun.2022minimum connection time.The lower-level model transferred the transportation cost of the railway department determined using the optimal EMUs operation index to the objective function of the up-per-level model，which constitutes the connection between these two bined with the dou-ble-layer characteristics of the model，a double-layer heuristic algorithm was designed to solve the problem.In the outer layer，the adaptive large-neighborhood search algorithm with high computation-al efficiency and good computational effect was adopted.The selection probability of the operators was dynamically determined based on the historical performance to obtain a feasible solution of the train stop plan and train operation diagram result.The inner layer had a simulated annealing algo-rithm，determined the corresponding optimal EMUs connection scheme based on the outer layer，and output the index to the outer layer.Finally，the example analysis result shows that a comprehensive scheme with improved indexes can be obtained within an acceptable time range using the proposed collaborative optimization method，verifying the effectiveness of the model and algorithm.Key words：railway transportation；train stop plan；train operation diagram；EMUs circulation plan；collaborative optimization；bilevel programming0引言高速铁路列车停站方案和列车运行图的优劣决定了旅客出行的便捷程度，动车组接续方案的优劣决定了运输成本。

铁路车辆结构多层面优化设计研究及典型运用

铁路车辆结构多层面优化设计研究及典型运用1. 动力系统的优化设计动力系统是铁路车辆的关键部件之一，其性能直接影响着车辆的牵引力、动力输出和加速性能。

在动力系统的优化设计中，需要考虑的因素包括动力传动装置的传动效率、稳定性和可靠性，发动机的功率输出和燃油效率等。

通过优化动力系统的设计，可以提高车辆的牵引能力，降低能耗，提升运行效率。

2. 结构强度和安全性的优化设计铁路车辆在运行过程中会受到各种外部力的作用，因此其结构强度和安全性是非常重要的。

在结构强度和安全性的优化设计中，需要考虑车辆的承载能力、抗疲劳性能和碰撞安全性能等方面。

通过优化车辆的结构设计，可以提高车辆的安全性能，延长其使用寿命。

3. 车辆操纵性和稳定性的优化设计在铁路车辆的设计中，操纵性和稳定性是影响乘客乘坐舒适度的重要因素。

通过优化车辆的悬挂系统、转向系统和减震系统等，可以提高车辆的操纵性和运行稳定性，减少乘坐时的颠簸感，提升乘客的乘坐舒适度。

4. 节能环保的优化设计随着节能环保意识的增强，铁路车辆的节能环保特性也成为了优化设计的重点之一。

在车辆的设计中，需要考虑减少能源消耗、降低排放等方面的要求，通过使用先进的材料和技术，优化车辆的动力系统和空气动力学性能，实现对能源的高效利用和环境的友好保护。

1. 高速动车组的结构优化设计在中国，高速动车组作为铁路交通的重要组成部分，其结构的优化设计对于提高车辆的运行速度、稳定性和安全性具有重要意义。

通过对动车组的车体结构、动力系统和悬挂系统等方面进行优化设计，可以提高动车组的运行效率和乘坐舒适度，进一步提升铁路交通的服务质量和运行效果。

2. 轻轨列车的结构优化设计轻轨列车作为城市轨道交通的重要载体，在城市交通系统中有着广泛的应用。

在轻轨列车的设计中，需要考虑车辆的体积、载客量和运行稳定性等方面的要求，通过对轻轨列车的结构进行优化设计，可以提高其运行效率、减少能耗，进一步改善城市交通运输的质量。

高速铁路列车控制系统的建模与优化研究

高速铁路列车控制系统的建模与优化研究随着现代交通技术的迅猛发展，高速铁路列车作为一种高效、环保、安全的交通工具，在各个国家得到广泛应用。

高速铁路列车的运行速度和运行安全性直接关系到乘客的安全与舒适度，因此，对高速铁路列车的控制系统进行建模和优化研究至关重要。

高速铁路列车控制系统由多个子系统组成，包括列车牵引系统、制动系统、供电系统、信号系统等等。

这些子系统的协调运行，直接决定了列车的运行速度、加速度、制动距离等关键指标。

因此，通过建模和优化研究，可以提高列车的运行效率和安全性。

首先，高速铁路列车控制系统的建模是研究的基础。

建模的目的是将复杂的列车控制系统简化为数学模型，通过模型来揭示系统的运行规律。

建模过程中需要考虑列车的运行特性、动力学方程、控制算法等因素，并将其转化为数学表达式。

常用的建模方法包括基于微分方程的牵引力-速度模型、基于力/功率平衡的制动距离模型等。

建模的结果需要与实际运行数据进行验证，以保证模型的准确性和可靠性。

其次，优化研究是高速铁路列车控制系统的关键问题。

通过对列车控制系统的优化，可以最大程度地提高列车运行速度、减少制动距离、降低能耗和排放等，从而提供更好的乘车体验和经济效益。

优化方法包括遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法等。

这些方法可以根据不同的优化目标，选择合适的优化策略，得到最佳运行参数的配置。

此外，还可以通过优化车辆的设计和装备，提高列车的动力、制动和控制能力，进一步提升列车的运行效率。

高速铁路列车控制系统的建模与优化研究还面临着一些挑战和问题。

首先，高速铁路列车的运行环境复杂多变，包括不同气候条件、不同线路条件等，需要建模和优化方法具有一定的适应性和鲁棒性。

其次，高速铁路列车的控制系统涉及到多个子系统和参数，需要综合考虑不同的指标和约束条件，才能得到合理的优化结果。

最后，高速铁路列车的建模与优化方法需要和现场实际情况相结合，才能真正提高列车的运行效率和安全性。

综上所述，高速铁路列车控制系统的建模与优化研究对于提高列车的运行效率和安全性具有重要意义。

高速铁路列车运行图优化设计模型研究

高速铁路列车运行图优化设计模型研究高速铁路系统已经成为现代化交通运输的重要组成部分。

为了提高列车运行的效率和服务质量，通过对运行图进行优化设计是一项重要的研究课题。

本文将针对高速铁路列车运行图的优化设计模型展开讨论，探讨如何通过合理的设计模型来提高列车运行图的效率和安全性。

一、高速铁路列车运行图的特点高速铁路列车运行图的特点主要包括运行时间、列车间隔以及车站停靠时间。

为了保证列车系统的高效运转，需要优化运行图设计，使得列车间隔最小化，运行时间最短化，并在保证安全和舒适的前提下，合理控制车站停靠时间。

二、高速铁路列车运行图优化的目标和约束在进行高速铁路列车运行图设计时，需要考虑以下的目标和约束因素：1. 运行时间最小化：避免列车之间相互影响，减少运行时间，提高列车的运输能力。

2. 乘客等待时间最小化：合理安排列车的发车时间和车站的停靠时间，减少乘客等待时间。

3. 列车之间的间隔最小化：通过控制列车出发和到达时间，调整列车之间的间隔，以确保运行的平稳性和安全性。

4. 车站停靠时间的控制：根据客流量和列车类型，合理安排车站停靠时间，以保证列车的正常运行和乘客的舒适出行。

5. 车站设备的限制：根据车站的设备条件和运行能力，将列车的停靠时间限制在合理范围内。

6. 车站之间的时分制约：考虑到车站之间的距离，车站停靠时间需要合理分配，避免造成拥堵。

三、高速铁路列车运行图优化设计模型为了实现高速铁路列车运行图的优化，可以采用数学建模的方法，建立相应的优化设计模型。

以下为可能的设计模型：1. 基于整数规划的模型：通过变量设定和约束公式，以最小化目标函数为目标，通过整数规划的方法来求解最优的列车运行图。

该模型可以考虑列车运行时间、列车间隔和车站停靠时间等因素。

2. 基于图论的模型：将高速铁路列车运行图视为一个图，节点表示车站，边表示列车行驶的路径，通过建立合适的图模型，来求解最优的列车运行图。

该模型可以考虑列车间隔和车站安排等因素。

高速列车运行系统的建模与优化研究

高速列车运行系统的建模与优化研究随着社会的发展和人民生活水平的提高，高速列车作为一种快速、高效的交通工具，得到了广泛的应用和推广。

为了保障高速列车的安全和运行效率，建立高速列车运行系统的建模和优化方法成为了研究的重点。

本文将深入探讨高速列车运行系统的建模与优化研究，旨在提高高速列车运行的安全性和效率。

高速列车运行系统的建模是基于对列车运行过程进行准确描述和理解的基础，其目的是对列车运行的各项因素进行全面的分析，并建立模型来模拟运行过程。

建模需要考虑的因素包括列车的物理特性、路线的几何形状和信号系统等。

通过对列车的加速度、速度、牵引力、制动力等关键参数的建模，可以实现对列车行为的仿真和预测，为优化高速列车运行系统提供有效的数据支持。

在高速列车运行系统的建模过程中，首先需要对列车的物理特性进行分析和研究。

这包括列车的质量、长度、空气阻力、摩擦力等因素的考虑。

其中列车的质量和长度对列车的加速度和速度变化有着直接的影响，而空气阻力和摩擦力则会对列车的牵引力和制动力产生影响。

通过建立这些因素的数学模型，可以准确描述列车的动力学特性。

进一步，考虑到高速列车在行进过程中所经过的路线的几何形状，建模工作需要对路线的曲率、坡度、弯道半径等进行建模和计算，以便预测列车在运行过程中的行为。

其次，建模过程还需要考虑信号系统的因素。

在高速列车运行过程中，信号系统在保证列车安全行驶方面起着至关重要的作用。

建模需要将信号系统的工作原理和逻辑纳入运行系统模型中，并将信号灯、道岔等设备的状态和变化考虑在内。

通过建立这一部分的模型，可以模拟和预测列车在不同信号状态下的运行情况，并对列车的运行路线进行优化。

高速列车运行系统的优化研究是建模工作的延伸和拓展，旨在提高列车运行效率和安全性。

优化的目标包括减少列车的行驶时间、提高列车的运行稳定性和降低列车的能耗等。

实现这些目标需要考虑到列车的运行速度、加速度、制动力等因素，并结合具体的路线条件进行综合分析。

高速铁路列车运行模拟与优化研究

高速铁路列车运行模拟与优化研究高速铁路是现代交通领域的重要组成部分，它以其快速、安全和高效的特点受到了广泛的关注和应用。

而高速铁路列车的运行模拟与优化研究则是促进高速铁路运行的关键因素之一，它可以帮助我们更好地理解和优化列车在高速铁路上的运行情况，提高运行效率和安全性。

在现代高速铁路系统中，列车的运行模拟是通过使用计算机仿真技术对列车运行过程进行模拟，从而得出准确的运行数据和参数。

通过采集、分析和模拟列车在不同情况下的运行数据，可以评估列车运行的性能并找出潜在的问题，以便进行合理的优化措施。

运行模拟可以帮助我们了解列车在不同速度、载重和道路条件下的行为，并提供指导以便更好地设计和安排高速铁路系统。

在高速铁路列车运行模拟与优化研究中，一个重要的方面是列车的调度与时刻表优化。

通过研究列车的运行情况、乘客需求、道路容量和停站时间等因素，可以建立合理的列车运行时刻表。

利用列车运行模拟可以评估不同时刻表的效率和可行性，并找到最佳的列车调度方案。

优化调度和时刻表可以提高列车的运行效率，减少乘客等待时间，提高整个铁路系统的运输能力。

另一个重要的研究方向是列车的行车控制与安全。

高速铁路系统要求列车在高速下安全运行，并保持与其他列车的安全距离。

通过运行模拟和优化研究，可以提供有效的列车行车控制策略，确保列车之间的安全距离和行车速度的均衡。

通过模拟和优化不同的行车控制方案，可以找到最佳的行车控制策略，保证列车的安全性和系统的稳定性。

此外，高速铁路列车的动力系统研究也是运行模拟与优化的重要内容之一。

高速铁路列车需要在快速运行的同时保持较大的载客量和安全性能。

通过模拟列车在不同速度和负载下的动力性能，可以评估列车的动力系统的性能并找出优化的方向。

模拟和优化可以帮助改进列车的能效，提高动力系统的效率和可靠性。

综上所述，高速铁路列车运行模拟与优化研究对于提高高速铁路系统的运行效率和安全性具有重要意义。

通过模拟列车的运行过程、优化调度与时刻表、行车控制和动力系统等方面，可以提供有效的决策支持，促进高速铁路系统的发展和进一步完善。

铁路车辆结构多层面优化设计研究及典型运用

铁路车辆结构多层面优化设计研究及典型运用在现代铁路运输中，铁路车辆一直扮演着至关重要的角色。

随着科技的不断发展和进步，铁路车辆的结构设计也在不断地优化和升级。

多层面优化设计是一种综合考虑车辆结构的安全、舒适性、经济性和环保性等方面因素的设计方法。

本文将重点探讨铁路车辆结构多层面优化设计的研究及典型运用。

1. 安全性优化铁路车辆在运行过程中需要考虑到各种外界环境和因素带来的安全隐患，因此安全性优化是设计过程中的首要考虑因素。

通过采用先进的材料和结构设计，可以提高车辆的抗疲劳、抗碰撞和抗静载能力，确保车辆在运行过程中的安全性。

2. 舒适性优化车辆的舒适性对于乘客的体验和健康至关重要。

在设计过程中需要考虑到减震、降噪、空气流通等因素，通过合理设计车辆结构和内部装饰，提高乘客的舒适感和乘坐体验。

3. 经济性优化在设计车辆结构时，需要综合考虑到成本、能源消耗和维护成本等因素，并在此基础上进行经济性优化设计。

通过降低车辆自重、提高能源利用率和延长车辆寿命等措施，降低车辆的运营成本和维护成本。

4. 环保性优化现代社会对于环保要求越来越高，因此在设计车辆结构时需要考虑到环保因素。

采用低排放材料和减少能源消耗的设计方案，可以降低车辆对环境的影响，提高车辆的环保性。

1. 车体结构设计的优化车体作为车辆的主要部件之一，在设计过程中需要兼顾到车体的强度、刚度和轻量化。

通过采用先进的轻量材料和优化的结构设计，可以降低车体的自重，提高车辆的运行速度和能效比。

2. 车辆悬挂系统的优化车辆悬挂系统对于车辆的平稳性和舒适性有着重要影响，因此在设计过程中需要充分考虑到悬挂系统的优化。

通过采用先进的减震器和悬挂结构设计，可以提高车辆的行驶稳定性和乘坐舒适性。

3. 转向架结构的优化转向架作为车辆的关键部件之一，其结构的优化对于车辆的安全和稳定性有着重要影响。

通过采用先进的转向架结构设计和材料，可以提高车辆的转向灵活性和抗侧翻能力。

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摘要：基于高速铁路旅客高标准、高质量的出行需求，针对现有研究中双层规划模型存在的问题，均衡考虑运营企业利益和旅客需求，建立反映高速铁路旅客行为的双层规划模型。在客流分配的下层规划模型中根据服务网络结构，结合失败概率的换乘惩罚，采用合适的路径搜索算法进行客流分配，并基于客流分配结
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＴｒａｆｆｉｃａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，ＢｅｉｊｉｎｇＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４４，Ｃｈｉｎａ）
果对高速铁路列车开行方案进行评价。通过算例分析得到列车开行方案较优解
验证模型和算法的可行性。
关键词：高速铁路；列车开行方案；双层规划模型
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｈｉｇｈ — ｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙｐａｓｓｅｎｇｅｒｔｒａｖｅｌｉｎｇｄｅｍａｎｄｏｆｈｉｇｈｓｔａｎｄａｒｄａｎｄｈｉｇｈｑｕａｌｉｔｙ，ｔａｒｇｅｔｉｎｇｗｉｔｈｐｒｏｂｌｅｍｓｅｘｉｓｔｉｎｇｉｎｂｉ — ｌｅｖｅｌｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｍｏｄｅｌｏｆｅｘｉｓｔｉｎｇ
Ｂｉ－［ｅｖｅ［ＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇＭｏｄｅ［
陈路锋，宋瑞，何世伟，何必胜
ＣＨＥＮＬｕ— ｆｅｎｇ，ＳＯＮＧＲ．ｕｉ，ＨＥＳｈｉ — ｗｅｉ，ＨＥＢｉ — ｓｈｅｎｇ
（北京交通大学交通运输学院，北京１０００４４）
文章编号：１００３一ｌ４２ｌ（２０１３）０６ —００ｌ８ — ０码：Ａ
基于双层规划模型的高速铁路列车开行方案优化研究
ＳｔｕｄｙｏｎＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＨｉｇｈ－ｓｐｅｅｄＲａｉｌｗａｙＴｒａｉｎＷｏｒｋｉｎｇＤｉａｇｒａｍｂａｓｅｄｏｎ
ｏｆｓｅｒｖｉｃｅｎｅｔｗｏｒｋａｎｄｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｏｆｆａｉｌｕｒｅｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ，ｓｕｉｔａｂｌｅｒｏｕｔｅ
ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｍｏｄｅｌｗｈｉｃｈｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇｈｉｇｈ — ｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙｐａｓｓｅｎｇｅｒａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｉｎｔｈｅｌｏｗｅｒ．１ｅｖｅｌｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｍｏｄｅｌｏｆｐａｓｓｅｎｇｅｒｆｌｏｗｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ