铁路调度_铁路站调度
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铁路调度结课论文
论文题目：列车运行调整问题的研究
学生姓名： 王祎楼 学生学号： 0616028 指导教师： 崔炳谋
列车运行调整问题的研究
摘要：列车运行调整是在实际运行中调度员根据列车运行图和列车运行现状编制的列车运行实施计划，是铁路行车组织研究的重点，在研究方法和内容上都有较为丰硕的成果。本文在大量查阅国内外有关文献的基础上,介绍了国内外对于铁路运行调整的研究现状，分析了铁路运行调整的原因和影响因素，提出了铁路运行调整的基本原则和可能的调整方法，最后提出了新的有关铁路运行调整的研究方向。关键词：铁路运输；列车运行调整；调整方法
1概述
铁路运输在目前我国的交通运输中占有重要地位，被喻为国民经济的大动脉。随着我国国民经济的不断增长，我国的铁路建设进入了快速发展时期。在十三五规划中，国家对于铁路的投资仍然保持增长势头，在十三五期间全国新建铁路达2.3万公里，其总投资不少于2.8万亿元。至2020年全国铁路营业里程将达到15万公里，其中高速铁路达3万公里，并形成四横四纵的高铁客运专线以及环渤海地区、长江三角洲地区和珠江三角洲地区三大城际客运系统。
近些年，随着航空运输以及高速公路的大规模兴起，铁路运输面临着越来越大的竞争。随着我国高铁网络的不断扩大以及铁路运行速度的不断提升，使得人们出行的旅途时间不断减少，但同时人们对于旅客列车准时性的要求不断提高。因此，既要保证旅客运输的高时效性的同时又要保证列车的安全成为了目前亟待解决的一个问题。
在铁路日常的运营中，有着如天气变化、自然灾害、设备故障、人为因素等随机事件的产生，导致列车不能按照原先制定的计划正常运行，影响列车的出发到站、区间运行时间等，并且影响后续列车的运行，甚至影响到整个铁路网的运营。而当列车运行偏离制定的运行图时就需要调度人员采取适当的措施，制定出运行调整方案将其对运行图产生的负面影响降低到最低值，已恢复列车的正常运行。但是根据研究表明，调度员80%的时间用于搜索信息等常规性工作,而仅有20%的时间用于制定调度决策,这就决定了他们很难采用优化的方式来进行列车运行调整,而且不同的调度员采取的策略和调整的效果也不尽相同。因此，先进的列车运行调整理论成为了实现高效列车调度指挥的重要基础[1]。
2国内外研究状况
鉴于列车运行调整对铁路运营管理的重要作用，各国学者纷纷对列车运行调整问题进行研究以提升列车运行调整方案的质量。作为铁路调度的核心工作，目前列车运行调整的研究多集中在数学模型的建立和算法求解两方面。通过阅读相关研究文献，目前比较有代表性的主要有以下几类：运用传统数学或运筹学最优化方法、运用人工智能算法、运用计算机模巧仿真方法和运用智能计算方法[2]。
2.1运筹学方法
受运筹学在车间调度问题上的影响，上世纪七十年代初很多学者开始用运筹学解决列车运行调整问题。OR方法以目标函数最优为中心,其代表性的方法有分支界限法、整数规划法。1973年B.Szpigel首次提出最优列车调度问题，并采用分支定界法和线性规划法来解决单线铁路列车运行调度问题。之后Araya等人又对此做了更深入的研究，提出在干扰工况的情况下的在线行车指挥方法，将列车运行调整问题看作是0-1混合整数规划问题，利用产生式系统方法得到次优解，然后再采用分支限界法得到最优解。Jovanovic针对列车运行调整问题将启发式技术弓入整数规划方法，该方法可以减少搜索节点数，加快求解速度[3]。
我国学者对于此方面也进行了深入的研究。张咏、杨晓军、赵留杰、都国报等人采用层次分析法原理对影响列车运行调整的因素进行比较分析，并建立列车运行调整的模型；查伟雄、陈治亚、李夏苗等人针对列车运行调整问题，建立了线性规划模型；张翠萍等人将图论模型与启发式算法引入列车运行调整模型中等。然而，基于运筹学的列车运行调整方法有着其固有的缺陷：方法缺乏灵活性和适应性，不能很好地满足实际列车运行调整的需要，实时性和交互性差。
2.2人工智能算法
解决行车指挥问题的人工智能方法大致可分为专家系统方法、模糊决策方法及把两者结合起来的模糊专家系统方法[4]。
专家系统方法：专家系统本来是为医疗诊断和故障诊断而开发的,但它作为调度规划方法却得到了广泛的应用。专家系统把专家知识用IF-THEN形式的规则来表示并存放在规则库中,推理机则基于规则库进行调度。如日本三菱公司于1982年开发的ESTRAC系统采用启发式规则和分支定界法相结合的方法，使得知识工程技术可以用于解决大规模、复杂路网的调整问题。其后，Kataoka等于年提出了一个基于专家系统技术的时刻生成系统DLAPLAN,Hyoudou等于1997年提出了一个解决东海道新干线列车运行调整问题的专家系统UWS。
在我国具有代表性的是北方交通大学的程宇所提出的采用“组合界限法”来编制列车运行调整计划的理论和方法。但是在我国列车等级复杂,行车密度大,线路能力饱和的情况下,采用这种方法调整的效果存在一定的局限性[4]。
模糊决策方法：1991年铁道部科学研究院贾利民等提出了基于模糊决策的行车指挥方法,由于模糊系统具有将人类的知识和经验表达成模糊规则的特性,其推理方式与人类的推理十分接近。该方法用不同领域上的模糊集来表征调度员思维和决策中的各种不同因素,然后根据模糊运算规则对各站列车的发车优先级进行重新设定。但是模糊系统中隶属度函数的确定一直是一个比较困难的问题。传统的方法是采用试凑的方法,这要花费较长时间并且也难以得到优化的系统[4]。
模糊专家系统方法：Chang&Thia和Alexander先后提出了用模糊专家系统解决列车运行调整问题的方法。模糊专家系统由相互分离的知识库和推理机两部分构成，由于专家的知识具有模糊性，只有很少几个规则能被所有专家接受，大多数规则只能在某种程度上得到某些专家的认可，可以使用模糊方法来处理这一模糊性。该方法在一定程度上提高了专家系统的精度，但在如何优化处理隶属度方面存在问题。
2.3仿真方法
20世纪60年代IBM公司首次成功幵发出离散时间系统仿真语言后，人们对仿真语言展开了大量的研究并将其应用于列车运行调整问题上，以及20世纪90年代周伟、周嘉山等人提出的离散事件动态系统理论，都对列车运行调整问题的研究有着很大的推动作用。但是，离散事件动态系统有可能发生复杂性的组合爆炸，使用该方法还存在着模型不够直观、难以验证状态方程的完整性、正确性等不足[5]。
3列车运行调整的研究与分析
列车运行调整是指在实际运行中调度员滚动进行阶段计划编制,当列车受到干扰使其无法按图运行时,及时调整列车与车站区间的关系,以消除干扰并最终使列车按运行图运行。运行调整紧密围绕运行图进行,运行调整的目的是使列车尽快恢复按运行图运行。目前,我国铁路运行调整一般是编制3-4小时的调整计划即编制阶段计划图。编制阶段计划图也要受上述各种编制运行图条件的制约,实际上它不过是一张短时间的运行图而己[6]。
3.1列车运行调整的原因
铁路在日常运输中，列车偏离运行图运行图运行时在所难免的，而造成这种情况的原因也是多种多样的，对于不同的原因我们也有着不同的解决办法，概括起来有以下几种[7]：
（1）自然灾害：由于这种情况产生的对列车的运行影响较大，且很难预测，严重时甚至会中断列车的运行，如地震、山体滑坡和泥石流等；
（2）天气异常：此种情况虽然可以通过人为预测降低风险，但是由于它的动态变化性，仍然很难被人们掌握，其对列车运行仍能产生较大的影响；
（3）特殊情况下的临时停车或延长停站时间，如为了保证专列的安全和及时救护急重病人；（4）作业方面原因：有时原计划会因车流预报不符合实际情况或在中途发生变化而出现不准确或难以兑现，有时因施工影响或某些车站作业环节失误而造成列车晚点；
（5）机车车辆、线路、通信信号等设备故障；
（6）列调指挥不当,尤其是当调整不当后产生传播效应时,会形成列车运行秩序紊乱。
通过对以上原因的分析，可以发现自然灾害、天气异常以及在特殊情况下的临时停车或延长停战时间对列车运行产生的影响较大的，且这些原因经常是不可控制的。而对于后面的三项原因我们是可以通过人为的监督控制而消除的。根据列车运行过程中各种干扰对列车运行影响的程度不同，列车运行晚点可以分为不可恢复晚点和可恢复晚点，两种晚点情况调整的目的和方法不同。不可恢
复晚点，调整的目标是使列车尽量减少晚点时间，降低对其他列车的运行干扰，尽快输送积压的旅客。可恢复晚点，根据其外在表现形式，大致可以归结为以下两种情形：自身晚点和后效晚点。无论何种晚点情形，都会对客运专线的运输组织以及客运服务质量有很坏的影响，如果合理的运用冗余时间，就会消除或减弱这种不利影响。冗余时间 t 冗越长，列车运行图弹性越大，调整的弹性也就越大，列车运行调整越简单。若列车晚点时间小于 t 冗 , 则前行列车晚点不会影响后续列车的运行；当晚点时间大于 t 冗时，这是运行调整问题所研究的主要内容[8]。3.2列车运行调整的影响因素
（1）铁路运输质量：不仅包括运输服务质量,还包括列车始发终到的准时性。对准时性的要求是旅客或货主对列车晚点时间的接受程度,晚点时间可接受程度越小,则要求所采用的运行调整方法越及时有效。如对于晚点时间可接受程度为30min时,在线路能力较紧张的条件下,可能只有采用预留列车运行备用线的方法来实现列车运行调整,而当可接受程度为1h时,列车运行调整可通过插空运行其他方法来实现。对于高速铁路、客运专线要求列车平均晚点时间保持在较低的水平,所采用的运行调整方法需能保证及时有效[8]。
（2）运输组织方式：不同的运输组织方式,其对运行调整之后产生的影响也是不同的。若线路仅运行单一速度列车或速差不大的多种速度等级列车,则便于运行调整；若运行速差大的不同类别列车,则不便于列车运行调整,且对后续列车造成较大影响。
（3）列车开行对数与线路能力利用：列车开行对数和线路能力利用的情况不同,运行调整实施的难易程度也不同。开行对数越高,线路能力利用率越高,则可用于列车运行调整的空间就越小,运行调整之后的效果也就越差。为保证实现一定的运行调整效果和运输质量,列车开行对数和线路能力利用率则应控制在合理的范围内。研究分析表明,要把列车平均晚点时间控制在lh左右,线路能力利用率就应保持在80%的水平。
（4）列车运行图的设计方式：运行图设计方式不同,提供给列车运行调整的便捷程度也就不同。对于同一种类列车相对集中的铺画方式,当前行列车晚点时,可利用后续列车间的冗余时间,适当调整列车运行间隔满足晚点列车运行；而对于相对均衡铺画的运行图，由于不同等级列车交叉运行,则较难运用列车间隔冗余时间来满足晚点列车运行调整需要[10]。
3.3列车运行调整的特点
（1）约束性强。进行列车运行调整时,要满足列车与列车、列车与车站等多方面的约束。一般分为物理约束如运行时分、停车时间、运行间隔、车站容量等约束和经验约束如交会地点选择、机车交路、旅行时间、列车等级划定等约束[11]。
（2）优化指标多。列车运行调整的总优化目标是通过调整使列车在运行过程中能以最快的时间尽可能达到按图行车。常用的具体评价指标有:晚点时间最少、晚点列车对数最小、旅行时间最小、列车正点率最大、机车使用台数最小等等。在建模时,一般用其中的某个或某几个组合来表示最终的优化目标[12]。由于我国铁路的列车日常运行调整工作是分级管理、分段实施的,因此调整的范围就被限定在了某个时空区域之内,即目标的优化不具备时空上的完整性,唯一的方法就是增加优化区域的时空范围或采用遍历算法(如时空区域滚动算法)进行处理,但这决非本质上的解决。
（3）动态性。列车的运行是一个动态过程。造成列车运行图紊乱的因素是无法预料的，随时有产生变化的可能。随着时间的不断变化，列车的运行特征在变化，车站的接发车能力、股道运用、会车、越行等技术条件也在随时变化[13]。
（4）实时性。列车运行调整是与列车的运行同步进行的，调整之后既要不会对系统造成新的干扰，也要给调度人员确认方案、下达调度命令留下充足的时间。因此，列车运行调整过程对实时性的要求很高。另外,虽然对运行调整要求强实时性,但是从动态性可以看出,因为调整过程也存在着随机扰动,即事件处理的实时性总滞后于事件的发生。在实时处理过程中,调整与新产生的随机扰动是否具有一致性,是整个优化调整过程的理论关键和基础。
（5）组合优化特性[9]。由于高速铁路运行调整方案的评价指标很多，列车运行调整的最优是结合多个目标基础上的总体组合最优。组合最优从理论上来说，并不是不可能实现，但求得组合最优解需要耗费大量的时间。采用何种方法能很好地处理列车运行调整组合优化特性，是国内外学者致力于研究的方向。
3.4列车运行调整的原则
列车运行调整的总原则应该是维护原计划运行图的严肃性，遵守调度规则，使晚点列车尽快恢复正点，并减少或消除其影响。具体来讲，在处理客客、客货和货货等列车之间的关系时，应遵循先客后货、先快后慢以及先高后低的顺序；一般不应移动客车运行线，个别情况下必须移动有停站的客车运行线时，只能向右而不能向左移，因为左移就意味着提前开车，将影响旅客按己定时刻表正点乘车，这是制订调整计划时应遵守的重要原则，具体如下所示。
（1）与晚点时间有关的调整原则：对于相同等级列车来说，正点列车绝对优先，晚点列车后行；所有相同等级列车按最早可能出发时间排序出发；部分有特殊要求的列车优先，其它列车按上一原则处理。对于不同等级列车来说，低等级列车不得引起高等级列车连带晚点，高等级列车必要时可接受低等级列车一定时间的连带晚点，部分高等级列车可接受低等级列车一定时间的连带晚点，其它列车绝对优先[14]。
（2）与列车运行自身约束传播有关的调整原则：总原则是低等级列车不得越行高等级列车，可选原则有同等级列车之间不越行和同等级列车之间可越行两种[14]。
3.5列车运行调整的方法
通过阅读大量国内外文献资料和参考国内外铁路的运营经验，列车运行调整的措施主要包括[10]：
（1）加开或停运列车
在铁路列车运营过程中，当某辆列车出现了故障而难以修复时，一般采取停运或下线的调整措施。另外一种情况就是由于区间封锁，为提供封锁所需的时间，一般会在列车运行图上抽停部分运行线，停止这些列车的运行。
如若出现故障列车下线或货流增加的情况，此时一般会使用备用列车代替故障列车参与运行，或者为满足货流的需求，加幵一些列车。
（2）组织列车早点或赶点出发
为使晚点列车恢复正点运行，在保证行车安全的前提下，允许列车以不超过线路允许速度的速度快速行驶，这种通过压缩区间运行时分的方式，就称为列车赶点。为实现这一目标，列车调度员需要综合考虑线路最高允许速度、列车状况、列车等级等条件提高列车的运行速度，降低列车的区间运行时分[15]。另外，作为货物列车，由于不像客运列车一样必须遵循正点发车的规定，货物列车在早点到达时，可以提前发车，从而降低延误对列车的影响。在实际调度指挥工作中，还可以灵活地将两者结合起来，在组织列车早点出发的同时组织列车赶点。
（3）减少列车停站时间
当列车在车站停车时，可以加快列车在车站的作业速度，降低列车在车站的停站时间，但是列车的停站时间必须满足列车在车站内所需完成的规定技术作业时间，另外，可以通过提前发车来减少列车在车站的停站时间。
（4）改变列车的到发顺序
当某些列车晚点之后，为保证其他列车的正点运行，可以通过改变列车到发次序的方式使其他列车尽量正点运行，最大程度地降低列车连带晚点带来的影响。
（5）合并或分解列车
遇到施工封锁、区间故障等情况时，列车在区段内大量积聚，此时可以根据实际情况，考虑车型、到发线、机车牵引等情况，进行列车合并；当列车发生故障或者到发线有效长度不够时，可考虑进行列车分解。
（6）列车扣车和临时停车
列车扣车和临时停车是受到列车自身故障或其他情况的影响，而采取的一种方法。由于列车设备故障的原因，需要在区间临时停车进行检查或故障处理，或者勉强运行至前方车站进行扣车处理。
（7）变更到发线使用
列车由于各种原因的影响不能按时发车时，在车站就会占用一定的到发线，这势必会引起后续列车对该到发线的正常使用，因此，为避免发生到发线使用的冲突，列车调度员需要根据实际情况，变更到发线的使用避免使后续列车因为这种情况而导致不能正常行驶。
（8）设置区间或车站施工封锁
当涉及到设备维修、故障处理时，会给正常运输带来干扰，同时也影响运输安全，针对这种情况，一般进行施工封锁，该区段或车站禁止列车通行。
（9）设置区间施工慢行
当区间线路施工时，为确保安全，需要对相关车辆发出慢行的调度命令，另外，当列车发生故障，为了使其拥有足够时间处理故障，需要对列车进行慢行限制。
（10）列车的救援
若列车在运行中发生故障，无法继续运行时，那么列车长时间的停车，势必会影响整个线路的正常运行，后续列车可能被迫停止运行。因此，需要电话通知列车救援。根据实际情况，采用前方或后方靠近的方式对故障列车进行救援工作，然后将故障列车拖送至临时存车线或车辆段进行检修。
（11）减小列车追踪间隔时间
在自动闭塞区段上，列车的时间追踪间隔都有一定的富余量，因此，可以通过压缩列车间的追踪间隔时间，来恢复列车按图行车。
（12）组织反方向行车
当双线铁路某一方向因线路施工封锁区间时，或前方区间由于列车故障而难以快速地组织列车运行时，列车调度员可以根据有关规定组织反方向行车，即将另一方向的单向铁路设置成双向行车。
当线路能力富裕时,各种运行调整方法基本可以得以实施,也能满足相应的运行调整需要。但当线路能力紧张时,利用列车速度储备加速运行、压缩停站时间、改变停站地点等方法,仅能满足晚点时间较短的列车运行调整的需要,而晚点时间长的列车则需通过具有不同调整效果和优缺点的以下4种运行调整方案来调整[5]。
（1）备用线方案。该方案是在铺画运行图时适当铺画各种富裕的列车运行线,以便运行调整和开行临时列车使用。其优点是能有效保证各种晚点列车的运行调整,运行调整时间可以控制在一定的范围内,旅行速度有一定保证,运行调整效果好,且晚点列车对线路其他列车正常运行基本无影响。该运行调整方案的最大缺点是为保证一定的列车运行调整效果,线路能力利用率要控制在一定的范围内。
（2）插空方案。该方案是指晚点列车利用运行图的空闲时间运行。其优点是晚点列车的运行调整对其他列车的正常运行基本无影响,对线路能力利用无限制,且能力利用率越小,调整效果越好,但由于插空运行会造成晚点列车可能增加待避次数,降低了旅行速度,且晚点列车的增晚时间无法有效控制。
（3）换乘方案。晚点跨线中速列车上的旅客在高速线衔接站全部换乘高速列车或既有线开行的客车,晚点高速列车换乘后续适宜的高速列车。该方案对其他列车的正常行车无影响,但在旅客的换乘衔接上实施难度较大,并且由于换乘增加了旅客旅行的不便。
（4）既有线方案。该方案仅适合跨线晚点高速列车的调整,是指晚点列车变更运行线路,原经由高速线运行区段改在既有线上运行。其优点是,晚点列车对原有线其他正常运输无影响,且能提高部分时段高速线列车运行灵活性。缺点是既有线运行秩序将受到影响,对选乘跨线列车的旅客运输承诺难以实现,影响铁路企业的信誉。
4研究展望
经过多年各国众多学者的研究，列车运行调整的研究取得了丰硕的成果。随着我国铁路网规模的不断扩大，铁路运行调整目标、约束条件也在不断发展。同时随着计算机技术的提高，众多新的优化算法的提出，使得局限于计算能力一些问题的解决成为可能。今后对于列车运行调整的研究仍是热点[16]。
对于列车运行调整，综合诸因素的一体优化是下一步的研究方向。由于铁路运输组织的复杂性，在实际运输生产中，为降低指挥难度，将联系紧密的车流组织和列车运行组织分割成两部分由技术站和调度所分别完成[17]。纵观全局，车流组织虽然是车站的主要工作，但其生成的列流是组成运行线的源；反之，运行线如不能与车流组织很好的配合，则待发列车等待时间增大，车小时增加。因此，在列车运行调整中，将技术站的车流接续纳入其中进行考虑，兼顾点、线运输组织情况，将技术站的车流接续作为列车运行调整的约束和目标，达到满意的“中时、停时、旅速、周时”等运输指标，是值得研究的方向[7]。
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