间歇式供电的城际列车开行方案的优化方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种间歇式供电的城际列车开行方案的优化方法及系统，该方法包括：城际铁路列车每天的运营时间段划分为多个等长的微小时间区段；将每个城际列车线路上的车站节点、列车的列车停站弧和列车运行弧构成时空网络有向图；将旅客出行需求点集中具有相同出发时间的旅客划分为一个旅客群体；根据旅客群体是否乘坐列车出行构建旅客群体与列车的关系变量和决策变量；设置出行时间偏差惩罚时间以及未登上列车旅客惩罚时间；以列车运行成本和旅客出行成本的加权和最低为优化目标，设定约束条件；求解得到优化后的城际列车开行方案。本发明专利技术在优化的同时可以计算旅客实际出发时间偏差，量化了旅客时变需求满足程度。

【技术实现步骤摘要】
间歇式供电的城际列车开行方案的优化方法及系统
本专利技术涉及列车调度
，尤其涉及一种间歇式供电的城际列车开行方案的优化方法及系统。
技术介绍
间歇式供电城际列车是下一代城际交通的重要方式，间歇式供电车辆在保留传统城际轨道交通优势的前提下，改变了供能模式，有效精简了功能系统的空间分布，但同时也带来供能紧张，剩余能源焦虑的问题。间歇式供电城际列车客流量大且具有时变特性，在早晚高峰时段会出现明显的波动情况，列车开行方案应当满足旅客时变需求，避免旅客拥堵造成列车能耗负担增加；同时根据实际情况充分利用铁路运输资源，降低铁路企业的运营成本。城际客流需求具有明显的时变特性，即在运营时间段内，每对起讫站之间的需求大小都会随着时间的变化而变化。在同一运营日中的不同时段，客流可能会发生波动。现有的列车开行方法未考虑客流的时间分布，仅从空间(线路、车站等)和时间(列车到发时刻、旅客出行时刻等)两个角度进行优化。因此需要在开行方案决策过程中考虑客流的时间分布，从空间(线路、车站等)和时间(列车到发时刻、旅客出行时刻等)两个角度进行评价，得到列车开行方案的整体最优。
技术实现思路
本专利技术提供了一种间歇式供电的城际列车开行方案的优化方法及系统，用以解决现有的列车开行方法未考虑客流的时间分布，仅从空间(线路、车站等)和时间(列车到发时刻、旅客出行时刻等)两个角度进行优化的技术问题。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种间歇式供电的城际列车开行方案的优化方法，包括以下步骤：根据城际铁路列车每天的运营时间段，将运营时间段通过多个离散的时间点划分为多个等长的微小时间区段；将每个城际列车线路上的车站节点通过多个等长的微小时间区段扩展为对应的多个时空节点，构成时空点集合；由列车的列车停站弧和列车运行弧构成有向弧段集合；时空点集合和有向弧段集合构成时空网络有向图；根据每个城际列车线路上的车站数量确定旅客出行需求点集，将旅客出行需求点集中具有相同出发时间的旅客划分为一个旅客群体；根据旅客群体是否乘坐列车出行构建旅客群体与列车的关系变量和决策变量；设置出行时间偏差惩罚时间以及未登上列车旅客惩罚时间；以列车运行成本和旅客出行成本的加权和最低为优化目标，以时空网络中的时空节点上列车流和客流守恒特性，列车流和客流之间的时间逻辑，以及铁路行车组织要求的车站发车间隔时间、列车定员以及列车运行总数作为约束条件；求解得到优化后的城际列车开行方案。优选地，列车运行成本为列车在弧段上运行时间之和；旅客出行成本包括：旅客群体在弧段上旅行时间之和、旅客出行时间偏差成本和未登上列车惩罚成本的加权和。优选地，根据旅客群体是否乘坐列车出行构建旅客群体与列车的关系变量和决策变量，包括：为列车f与旅客群体关系变量，若旅客群体乘坐列车f出行则否则列车开行方案与旅客的出行情况采用如下的决策变量：其中，E为有向弧段集合；为旅客出行需求点集中具有相同出发时间的旅客的旅客群体；f为列车；为有向弧段，且列车在弧段上的运行时间为(τ―t)。优选地，优化目标如下：minZ＝δ1Ψ1+δ2Ψ2+δ3Ψ3+δ4Ψ4(6)其中，Ψ1为列车运行成本；Ψ2为旅客弧段出行时间；Ψ3为旅客出行时间偏差惩罚时间；Ψ4为未登上列车旅客惩罚时间；δ1,δ2,δ3,δ4分别为前述四者的加权参数；其中，列车运行成本Ψ1如下：其中，列车在弧段上的运行时间为(τ―t)；Ω为列车开行方案；旅客群体在弧段上旅行时间之和计算公式如下:其中，P表示网络中所有旅客群体集合，Pre表示由于列车定员限制导致未登上列车旅客集合，即当旅客群体未登上列车时旅客出发时间偏差总惩罚时间计算公式如下:其中，旅客群体的出发偏差惩罚时间值如下：其中，为旅客群体所乘列车发车时间，λ1，λ2为正加权参数；未登上列车旅客惩罚时间计算函数如下：其中，未登上列车旅客群体的惩罚时间值值取为旅客群体起讫点间最小列车成本。优选地，时空网络中的时空节点上列车流和客流守恒特性，包括：列车流守恒约束：式(7)为在时空点上的列车流守恒约束，使得到达时空点(j,τ)的列车数减去终到列车数等于离开时空点(j,τ)的列车数减去始发列车数；客流守恒约束：式(8)和(9)保证旅客群体从起点离开并到达相应终点，式(10)保证旅客群体在途经中间节点时的到达和离开数量平衡。优选地，列车流和客流之间的时间逻辑约束，包括：决策变量关系约束：在时空网络中，旅客只能使用有列车经过的弧段，即在任意弧段上，任何旅客群体的决策变量值均不能大于任何列车决策变量值；决策变量取值约束：其中，i是车站编号；j是列车编号。优选地，铁路行车组织要求的车站发车间隔时间、列车定员以及列车运行总数约束，包括：列车定员约束：同时乘坐同一列车的旅客数应不大于列车定员数；始发车站发车时间间隔约束：始发车站任意两列列车的发车时间间隔不小于固定值ε；列车总数约束：Y(Ω)≤b(14)表示列车开行方案Ω使用的列车数不大于固定值b。优选地，求解得到优化后的城际列车开行方案，包括，求解列车运行成本和旅客出行成本的加权和从低到高排序中靠前的多个优化解，取其中列车运行成本最低的优化解为最终结果。本专利技术还提供一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一方法的步骤。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术的间歇式供电的城际列车开行方案的优化方法及系统，根据城际高铁线路的情况和特点构建了时空网络，根据优化问题和时空网络的特点给出了模型中所用变量，优化目标，包括列车运行成本和旅客出行成本两部分，通过列车在弧段上运行时间之和、旅客在弧段上出行时间之和、旅客出行偏差惩罚时间和未登上列车旅客惩罚时间这四者的线性组合计算。综合考虑了铁路企业和出行旅客两方面成本。借助于时空网络方法可以更加便捷的考虑列车在各站的到发时间，在优化的同时可以计算旅客实际出发时间偏差，量化了旅客时变需求满足程度，体现了时变需求对开行方案制定的影响。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是本专利技术优选实施例的间歇式供电的城际列车开行方案的优化方法的流程示意图；图2是本专利技术优本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种间歇式供电的城际列车开行方案的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：/n根据城际铁路列车每天的运营时间段，将所述运营时间段通过多个离散的时间点划分为多个等长的微小时间区段；/n将每个城际列车线路上的车站节点通过所述多个等长的微小时间区段扩展为对应的多个时空节点，构成时空点集合；由列车的列车停站弧和列车运行弧构成有向弧段集合；所述时空点集合和所述有向弧段集合构成时空网络有向图；/n根据每个城际列车线路上的车站数量确定旅客出行需求点集，将旅客出行需求点集中具有相同出发时间的旅客划分为一个旅客群体；/n根据旅客群体是否乘坐列车出行构建旅客群体与列车的关系变量和决策变量；设置出行时间偏差惩罚时间以及未登上列车旅客惩罚时间；/n以列车运行成本和旅客出行成本的加权和最低为优化目标，以时空网络中的时空节点上列车流和客流守恒特性，列车流和客流之间的时间逻辑，以及铁路行车组织要求的车站发车间隔时间、列车定员以及列车运行总数作为约束条件；求解得到优化后的城际列车开行方案。/n

【技术特征摘要】
1.一种间歇式供电的城际列车开行方案的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据城际铁路列车每天的运营时间段，将所述运营时间段通过多个离散的时间点划分为多个等长的微小时间区段；
将每个城际列车线路上的车站节点通过所述多个等长的微小时间区段扩展为对应的多个时空节点，构成时空点集合；由列车的列车停站弧和列车运行弧构成有向弧段集合；所述时空点集合和所述有向弧段集合构成时空网络有向图；
根据每个城际列车线路上的车站数量确定旅客出行需求点集，将旅客出行需求点集中具有相同出发时间的旅客划分为一个旅客群体；
根据旅客群体是否乘坐列车出行构建旅客群体与列车的关系变量和决策变量；设置出行时间偏差惩罚时间以及未登上列车旅客惩罚时间；
以列车运行成本和旅客出行成本的加权和最低为优化目标，以时空网络中的时空节点上列车流和客流守恒特性，列车流和客流之间的时间逻辑，以及铁路行车组织要求的车站发车间隔时间、列车定员以及列车运行总数作为约束条件；求解得到优化后的城际列车开行方案。


2.根据权利要求1所述的间歇式供电的城际列车开行方案的优化方法，其特征在于，所述列车运行成本为列车在弧段上运行时间之和；所述旅客出行成本包括：旅客群体在弧段上旅行时间之和、旅客出行时间偏差成本和未登上列车惩罚成本的加权和。


3.根据权利要求1或2所述的间歇式供电的城际列车开行方案的优化方法，其特征在于，根据旅客群体是否乘坐列车出行构建旅客群体与列车的关系变量和决策变量，包括：

为列车f与旅客群体关系变量，若旅客群体乘坐列车f出行则否则
列车开行方案与旅客的出行情况采用如下的决策变量：






其中，E为有向弧段集合；为旅客出行需求点集中具有相同出发时间的旅客的旅客群体；f为列车；为有向弧段，且列车在弧段上的运行时间为(τ―t)。


4.根据权利要求3所述的间歇式供电的城际列车开行方案的优化方法，其特征在于，所述优化目标如下：
minZ＝δ1Ψ1+δ2Ψ2+δ3Ψ3+δ4Ψ4(6)
其中，Ψ1为列车运行成本；Ψ2为旅客弧段出行时间；Ψ3为旅客出行时间偏差惩罚时间；Ψ4为未登上列车旅客惩罚时间；δ1,δ2,δ3,δ4分别为前述四者的加权参数；
其中，列车运行成本Ψ1如下：



其中，列车在弧段上的运行时间为(τ―t)；Ω为列车开行方案；
旅客群体在弧段上旅行时间之和计算公式如下:



其中，P表示网络中所有旅客群体集合，Pre表示由于列车定员限制导致未登上列车旅客集合，即当旅客群体未登上列车时
旅客出发时间偏差总惩罚时间计算公式如下:

【专利技术属性】
技术研发人员：秦进，张威，柳晓峰，鲁寨军，张宇，谭宇超，聂文斌，
申请(专利权)人：中南大学，中车株洲电力机车有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43