考虑客流需求特点的中长距离列车备选集两阶段生成方法与流程

1.本发明属于高速铁路运输组织技术领域，具体涉及一种考虑客流需求特点的中长距离列车备选集两阶段生成方法。


背景技术：

2.目前，大多数高速铁路列车开行方案编制问题都基于备选集来开展。在此背景下，列车开行方案的编制是一项两阶段工作：在第一阶段，生成包含列车起讫点、停站方案、车型编组、运行径路等要素的候选列车集合，即备选集；在第二阶段，根据旅客优先、成本优先等具体目标，从备选集中选择一个最优子集，并确定所选列车的开行频率，得到列车开行方案。因此，备选集是列车开行方案编制工作的基础。
3.我国高速铁路列车开行方案备选集的生成主要涉及列车起讫点、停站方案和车型编组这三个要素。由于我国高速铁路采用非“站站停”的停站模式，理论上存在大量的列车停站组合，因此停站方案设计是我国高速铁路列车备选集生成的难点——既要为开行方案提供足够的备选列车种类，又要避免备选集的规模过大影响后续方案编制效率。
4.在我国高铁路网中，中长距离列车通常指里程500km以上的列车。这类列车担负着中长距离出行旅客的运输任务，是连接跨区域大节点城市之间以及跨区域大节点城市与中小节点城市之间的重要纽带，也是我国大规模高铁路网背景下所特有的列车开行模式，在我国高速铁路列车服务网络和春运等特殊时期发挥着重要作用。由于中长距离列车途经车站数量相比短距离列车较多，其停站组合数量随着途经车站数量的增加会出现急剧增长，影响备选集生成效率和质量，因此其备选集生成宜采用分阶段方法以区段为单位进行。
5.在既有研究中，备选集通常作为已知条件给定，专门针对中长距离列车备选集生成方法的研究很少。仅有的少数研究中，由于欧洲国家的铁路多采用“站站停”模式，因此停站方案不是其备选集研究的重点和难点；而国内目前的研究工作中主要采用基于实际业务规则的全枚举方法生成备选集，存在备选集规模过大、对需求特点考虑不足的问题。综上，目前的高速铁路中长距离列车备选集生成方法主要存在以下问题：
6.其一、理论研究缺乏
7.备选集虽然是编制列车开行方案的重要基础，但在既有的开行方案研究中通常作为已知条件给定，针对备选集生成方法的理论研究较少。在实际生产中，备选集通常为多年沿袭使用的人工经验产物，同样缺少精细、定量的设计方法做支撑。因此，迫切需要提出合适的中长距离列车备选集生成方法，为中长距离候选列车集合的设计和工程实践提供理论依据。
8.其二、国外铁路停站模式与国内不同，其方法难以适应我国高速铁路需要
9.欧洲有少数学者研究了与开行方案相关的备选集生成方法，但由于欧洲国家基于车站节点分级系统对列车划分不同等级，各等级列车在各自的车站系统中多采用“站站停”的停站模式，因此在生成列车开行方案备选集时，处理的主要问题是确定列车等级、起讫点和运行路径。而我国高速铁路线路里程较长、沿途车站数量较多，“站站停”模式会使列车旅
行时间大大增加，也会产生不必要的停站冗余。因此，我国高速铁路采用非“站站停”的停站模式，列车停站方案相比欧洲更加复杂多样，如何确定种类丰富且数量合理的候选停站方案是备选集生成的核心问题。综上，因停站模式不同导致的备选集生成侧重点不同，使得国外关于备选集的研究成果难以应用于我国高速铁路中长距离列车备选集生成。
10.其三、国内目前形成的方法主要基于实际业务规则，存在生成备选集规模过大、对需求考虑不足的问题
11.针对我国高速铁路的停站模式特点，国内少数学者结合实际业务规则，形成了一套适应我国高速铁路背景的备选集枚举生成流程。这种方法能够生成足够规模的备选集供开行方案编制阶段使用，同时通过相关业务规则的限制，也剔除了一部分不合理和不符合实际开行规则的候选列车。然而，在我国高速铁路停站模式下，列车停站组合数量随着途经车站数量的增加会以2n形式急剧增长，中长距离列车途经车站较多，采用枚举方法生成备选集会导致备选集规模爆炸，不仅影响备选集生成效率和质量，还会大大影响下一阶段列车开行方案编制效率。同时，该方法在只考虑业务规则进行枚举的情况下，所得备选集结果基本固定，无法体现不同需求背景下生成备选集的侧重点和差异化。
12.因此，国内研究中常用的基于业务规则的枚举方法在应用于中长距离列车备选集生成时存在明显弊端。


技术实现要素：

13.本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种考虑客流需求特点的中长距离列车备选集两阶段生成方法。
14.本发明的技术方案是：一种考虑客流需求特点的中长距离列车备选集两阶段生成方法，包括以下步骤：
[0015]ⅰ.将整条线路划分为若干短距离区段；
[0016]ⅱ.将中长距离客流od的服务需求按照上述短距离区段分解；
[0017]ⅲ.中长距离客流od服务需求分解至短距离区段后，与原始短距离客流od服务需求合并；
[0018]ⅳ.基于合并后的需求，运用迭代拼接方法生成各短距离区段的备选集；
[0019]
ⅴ
.根据原始中长距离客流od服务需求，将各短距离区段的备选集择优组合生成满足需求的中长距离列车备选集。
[0020]
更进一步的，步骤ⅰ将整条线路划分为若干短距离区段，具体如下：
[0021]
根据线路车站数量和列车起讫点车站分布情况，选取合适的列车起讫点车站作为分割点，将线路合理划分为若干短距离区段。
[0022]
更进一步的，步骤ⅱ将中长距离客流od的服务需求按照上述短距离区段分解，具体如下：
[0023]
将中长距离列车备选集的生成分解至各短距离区段进行，对应的跨区段客流od需求分解至各短距离区段，以在短距离区段备选集的生成过程中将跨区段客流od需求分段考虑在内，
[0024]
跨区段客流od包括中长距离客流od以及跨区段的短距离客流od。
[0025]
更进一步的，步骤ⅲ中长距离客流od服务需求分解至短距离区段后，与原始短距
离客流od服务需求合并，具体如下：
[0026]
在对跨区段客流od需求按照区段端点分解后，将各区段得到的分解客流od需求与区段覆盖的短距离客流od需求合并，合并结果为该区段备选集生成所需要的客流od需求。
[0027]
更进一步的，步骤ⅳ基于合并后的需求，运用迭代拼接方法生成各短距离区段的备选集，具体如下：
[0028]
各短距离区段的备选集生成采用基于迭代拼接思想的双循环方法，过程包括外层循环和内层循环；
[0029]
其外层循环包括初始化流程、对所有列车起讫点循环、对每个列车起讫点的备选集生成过程迭代循环、判断当前备选集是否满足要求；
[0030]
其内层循环基于列车段迭代拼接的思想，在外层循环对备选集生成过程的迭代控制下不断进行列车段的拼接，生成新列车段，并判断其是否为有效列车以及是否可加入到该列车起讫点的备选集中。
[0031]
更进一步的，步骤
ⅴ
根据原始中长距离客流od服务需求，将各短距离区段的备选集择优组合生成满足需求的中长距离列车备选集，具体如下：
[0032]
根据中长距离列车起讫点所覆盖的短距离区段的首尾连接情况，选择各短距离区段备选集中起点、终点或起终点为区段分割点的列车，枚举出该区段组合方案下所有可能的列车组合，每一种可能的列车组合即为一趟可能的中长距离列车；
[0033]
将枚举出的所有可能的列车组合作为中长距离列车备选集生成模型的解空间，通过求解模型即可获得该中长距离列车起讫点下的中长距离列车备选集。
[0034]
更进一步的，中长距离列车备选集生成模型包括目标函数，所述目标函数以生成的中长距离列车总里程长度最短和总停站数量最少为目标构建。
[0035]
更进一步的，中长距离列车备选集生成模型包括服务频率约束，所述服务频率约束为：
[0036]
对生成的中长距离列车备选集应当满足的跨区段客流od服务频率进行约束。
[0037]
更进一步的，中长距离列车备选集生成模型包括坐席数量约束，所述坐席数量约束为：
[0038]
对生成的中长距离列车备选集应当满足的各区间坐席数量进行约束。
[0039]
更进一步的，中长距离列车备选集生成模型包括停站数量约束，所述停站数量约束为：
[0040]
对生成的中长距离列车停站数量进行约束。
[0041]
本发明以客流量需求和服务频率需求为导向，考虑实际业务规则和列车开行规则，设计了中长距离列车备选集两阶段生成方法。通过将中长距离列车备选集生成分解至各短距离区段，将大规模复杂问题分解为若干子问题，有效提高了中长距离列车备选集生成的可操作性和高效性。
[0042]
本发明在生成各短距离区段备选集的过程中，充分考虑了对不同需求所提供列车服务的侧重和差异化，相比枚举法优化了备选集结构和规模，并提高了备选集质量和针对性；在对各短距离区段备选集组合生成中长距离列车备选集的过程中，由于短距离区段备选集的规模已实现优化，因此中长距离列车备选集生成的效率得到提高，规模得到控制，并且生成的中长距离列车在方便运营调度、保证旅行速度两方面均实现优化。
[0043]
本发明所述方法克服了国外备选集生成方法不适用于我国高速铁路停站模式，以及国内现有基于业务规则的全枚举方法生成中长距离列车备选集时因停站组合爆炸导致的生成效率低、生成规模过大的问题，并且弥补了国内现有生成方法无法根据不同背景下的需求特点针对性生成备选集的缺陷，进一步充实了列车备选集生成的理论研究体系，具备实际应用推广价值。
附图说明
[0044]
图1为本发明实施例中两阶段生成流程示意图；
[0045]
图2为本发明实施例中短距离候选列车生成示意图；
[0046]
图3为本发明实施例中短距离列车备选集生成方法完整双循环流程图；
[0047]
图4为本发明实施例中跨区段客流od需求分解至短距离区段示意图；
[0048]
图5为本发明实施例中短距离区段备选集组合枚举生成中长距离列车备选集生成模型的解空间示意图。
具体实施方式
[0049]
以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：
[0050]
如图1～5所示，一种考虑客流需求特点的中长距离列车备选集两阶段生成方法，包括以下步骤：
[0051]ⅰ.将整条线路划分为若干短距离区段；
[0052]ⅱ.将中长距离客流od的服务需求按照上述短距离区段分解；
[0053]ⅲ.中长距离客流od服务需求分解至短距离区段后，与原始短距离客流od服务需求合并；
[0054]ⅳ.基于合并后的需求，运用迭代拼接方法生成各短距离区段的备选集；
[0055]
ⅴ
.根据原始中长距离客流od服务需求，将各短距离区段的备选集择优组合生成满足需求的中长距离列车备选集。
[0056]
步骤ⅰ将整条线路划分为若干短距离区段，具体如下：
[0057]
根据线路车站数量和列车起讫点车站分布情况，选取合适的列车起讫点车站作为分割点，将线路合理划分为若干短距离区段。
[0058]
步骤ⅱ将中长距离客流od的服务需求按照上述短距离区段分解，具体如下：
[0059]
将中长距离列车备选集的生成分解至各短距离区段进行，对应的跨区段客流od需求分解至各短距离区段，以在短距离区段备选集的生成过程中将跨区段客流od需求分段考虑在内，
[0060]
跨区段客流od包括中长距离客流od以及跨区段的短距离客流od。
[0061]
步骤ⅲ中长距离客流od服务需求分解至短距离区段后，与原始短距离客流od服务需求合并，具体如下：
[0062]
在对跨区段客流od需求按照区段端点分解后，将各区段得到的分解客流od需求与区段覆盖的短距离客流od需求合并，合并结果为该区段备选集生成所需要的客流od需求。
[0063]
步骤ⅳ基于合并后的需求，运用迭代拼接方法生成各短距离区段的备选集，具体如下：
[0064]
各短距离区段的备选集生成采用基于迭代拼接思想的双循环方法，过程包括外层循环和内层循环；
[0065]
其外层循环包括初始化流程、对所有列车起讫点循环、对每个列车起讫点的备选集生成过程迭代循环、判断当前备选集是否满足要求；
[0066]
其内层循环基于列车段迭代拼接的思想，在外层循环对备选集生成过程的迭代控制下不断进行列车段的拼接，生成新列车段，并判断其是否为有效列车以及是否可加入到该列车起讫点的备选集中。
[0067]
步骤
ⅴ
根据原始中长距离客流od服务需求，将各短距离区段的备选集择优组合生成满足需求的中长距离列车备选集，具体如下：
[0068]
根据中长距离列车起讫点所覆盖的短距离区段的首尾连接情况，选择各短距离区段备选集中起点、终点或起终点为区段分割点的列车，枚举出该区段组合方案下所有可能的列车组合，每一种可能的列车组合即为一趟可能的中长距离列车；
[0069]
将枚举出的所有可能的列车组合作为中长距离列车备选集生成模型的解空间，通过求解模型即可获得该中长距离列车起讫点下的中长距离列车备选集。
[0070]
中长距离列车备选集生成模型包括目标函数，所述目标函数以生成的中长距离列车总里程长度最短和总停站数量最少为目标构建。
[0071]
中长距离列车备选集生成模型包括服务频率约束，所述服务频率约束为：
[0072]
对生成的中长距离列车备选集应当满足的跨区段客流od服务频率进行约束。
[0073]
中长距离列车备选集生成模型包括坐席数量约束，所述坐席数量约束为：
[0074]
对生成的中长距离列车备选集应当满足的各区间坐席数量进行约束。
[0075]
中长距离列车备选集生成模型包括停站数量约束，所述停站数量约束为：
[0076]
对生成的中长距离列车停站数量进行约束。
[0077]
本发明考虑客流需求特点的中长距离列车备选集两阶段生成方法，包括两个阶段，其中步骤ⅰ～ⅳ为第一阶段，步骤
ⅴ
为第二阶段。
[0078]
第一阶段，将线路划分为若干短距离区段，将中长距离列车起讫点分解至各短距离区段，对各区段分别在考虑客流需求特点的前提下生成备选集；
[0079]
客流需求是备选集编制的重要输入，在将中长距离列车起讫点分解至各短距离区段后，同样应对跨区段的客流od需求进行分解，跨区段客流od包括中长距离客流od以及短距离跨区段客流od，二者均应当分解至各短距离区段，在生成各区段备选集的过程中考虑。
[0080]
各短距离区段的备选集生成采用基于迭代拼接思想的双循环方法，过程包括外层循环和内层循环；外层循环的主要步骤包括初始化流程、对所有列车起讫点循环、对每个列车起讫点的备选集生成过程迭代循环和判断当前备选集是否满足要求；内层循环的作用则是基于列车段迭代拼接的思想，在外层循环对备选集生成过程的迭代控制下不断进行列车段的拼接，生成新列车段，并判断其是否为有效列车以及是否可加入到该列车起讫点的备选集中；
[0081]
进一步地，用于迭代拼接生成短距离区段备选集的列车段集合包括基础列车段集合与拼接列车段集合；列车段表示不完整的列车，即起点和终点中至少有一个不是起讫点的列车片段；基础列车段集合表示起点是起讫点的列车段集合，且该集合所有元素在备选集生成流程初始状态时，除必停站外不设任何中间停站；拼接列车段集合表示起点不是起
讫点的列车段集合，且该集合所有元素除必停站外不设任何中间停站；通过将基础列车段终点和拼接列车段起点连接，即可生成新的基础列车段，如此迭代拼接直至生成的基础列车段终点为起讫点时，即可得到对应列车起讫点下的一趟完整列车；
[0082]
迭代拼接生成短距离区段备选集的过程是逐渐满足列车起讫点所覆盖客流od的最小服务频率与所覆盖区间的最小通过频率的过程，同时，在客流需求较低或者对备选集规模要求较高的情况下，可通过适当调整需求扩大参数来扩大客流需求，从而保证备选集规模。
[0083]
第二阶段，构建中长距离列车备选集生成模型，通过对第一阶段生成的各短距离区段备选集择优组合生成中长距离列车备选集。
[0084]
根据可实际开行列车的中长距离列车起讫点分布情况，梳理所有的短距离区段组合方案，中长距离列车备选集的生成基于短距离区段组合方案进行；对于某一具体的短距离区段组合方案，对其所包含的各区段备选集所有可能的组合连接情况进行枚举，得到该短距离区段组合方案下所有可能开行的中长距离列车；将该短距离区段组合方案所覆盖的所有跨区段客流od的客流量需求和服务频率需求作为模型参数，该需求均为分解前的原始需求。
[0085]
中长距离列车虽然在运输中长距离客流方面发挥着重要作用，但从调度角度来看，由于中长距离列车运行里程长、途经区段多，一旦线路发生运营晚点，中长距离列车会对较大范围的运营区段上的列车产生影响，不利于行车组织和调度工作，因此中长距离列车的运营里程不宜过长；为了便于后续开行方案编制工作的高效开展，中长距离列车备选集的规模不宜过大。
[0086]
此外，由于中长距离列车途经车站较多，而列车的停站过程会增加列车的旅行时间，考虑到高铁列车的快速性特征，不宜对中长距离列车设置过多停站；中长距离列车备选集生成模型的目标函数即围绕上述几个方面构建。
[0087]
基于短距离区段备选集的中长距离列车备选集生成模型构建方法如下：
[0088]
首先，以生成的中长距离列车总里程长度最短和总停站数量最少为目标，构建模型目标函数为：
[0089][0090]
式中，gn为第n个短距离区段组合方案下可组合生成的所有中长距离列车集合，n∈[1，n]，n为短距离区段组合方案总数；zn为第n个短距离区段组合方案下的长距离列车备选集生成模型目标；λ1、λ2为两个子目标加权系数；train表示短距离区段组合方案中对应中长距离列车集合中的具体列车，train∈gn；x
train
表示gn集合中的具体列车train是否被选择加入备选集；l
train
表示gn集合中列车train的里程长度；h
train
表示gn集合中列车train的停站数量。
[0091]
然后，对生成的中长距离列车备选集应当满足的跨区段客流od服务频率进行约束：
[0092][0093]
式中，dn为第n个短距离区段组合方案所覆盖的跨区段客流od集合，d是集合dn中的元素；为0-1参数，表示gn集合中的列车train是否能够服务跨区段客流odd∈dn；fd为跨区段客流odd的服务频率需求；为跨区段客流od服务频率需求扩大参数。
[0094]
再后，对生成的中长距离列车备选集应当满足的各区间坐席数量进行约束：
[0095][0096]
式中，en为第n个短距离区段组合方案所覆盖的线路区间集合，e是集合en中的元素；为0-1参数，表示gn集合中的列车train是否覆盖区间e∈en；c
train
为gn集合中列车train的定员；pd为跨区段客流odd的客流量需求；为0-1参数，表示客流od d是否覆盖区间e；为跨区段客流od客流量需求扩大参数；
[0097]
再后，对生成的中长距离列车停站数量进行约束：
[0098][0099]
式中，h
train
表示gn集合中列车train的停站次数；h
train
为gn集合中列车train的最大停站次数；
[0100]
最后，决策变量约束：
[0101][0102]
又一实施例
[0103]
对本实施例中使用的一些名词进行说明：中长距离列车通常指我国高速铁路网中运行里程500km以上的高速列车；备选集是指包含列车起讫点、停站方案、车型编组、运行径路等要素的候选列车集合，是列车开行方案编制的基础；列车起讫点是指一趟列车的始发车站和终到车站，形式上表现为一对具有始发终到功能的车站组合；列车起讫点车站是指具备始发终到功能的车站，即列车的始发车站或终到车站；短距离区段是指线路中相邻或间隔一个起讫点的两列车起讫点车站之间的区段，结合实际线路中列车起讫点车站的分布、中间车站分布、线路里程和站间距等进行设置；跨区段客流od是指起点站和终点站在不同区段的客流od，包括中长距离客流od和跨区段的短距离客流od；列车段是指不完整的列车片段，即起点和终点中至少有一个不是起讫点的列车片段，包含起点是列车始发站且终点不是列车终到站、终点是列车终到站且起点不是列车始发站、起点和终点均不是列车始发终到站三种情况。
[0104]
具体地，如图1所示，中长距离列车备选集两阶段生成方法包含的主要步骤包含v步，其中步骤i-iv为第一阶段，步骤v为第二阶段。
[0105]
第一阶段：将线路划分为若干短距离区段，将中长距离列车分解至各短距离区段，
对各区段分别在考虑客流需求特点的前提下生成备选集：
[0106]
i.线路区段划分
[0107]
根据线路车站数量和列车起讫点车站分布情况，选取合适的列车起讫点车站作为分割点，将线路合理划分为若干短距离区段。短距离区段的数量不宜过多；各短距离区段包含的车站数量也不宜过多。
[0108]
一般情况下，一条高铁线路中会有多个列车起讫点车站，这些列车起讫点车站的设置会综合考虑车站旅客发送量和线路车站分布等因素。因此，通常选取线路中的起讫点车站作为区段分割点；若线路的中间站中无列车起讫点车站，或列车起讫点车站之间覆盖的中间站数量过多，则结合车站旅客发送量和实际开行方案的车站服务频率等，选择合适的中间站作为区段端点；若线路的列车起讫点车站数量多，则最多间隔一个列车起讫点车站确定区段断点。
[0109]
如图4所示，图中的高铁线路ae包含a、b、c、d、e五个列车起讫点车站，综合考虑起讫点车站分布、车站数量、站间距、各站旅客发送量等因素，将整条线路划分为ac、cd、de三个短距离区段，其中ac区段的中间站还包含一个列车起讫点车站b。
[0110]ⅱ.跨区段客流od需求分解
[0111]
本实施例中，中长距离列车备选集的生成分解至各短距离区段进行，因此对应的跨区段客流od需求也应当分解至各短距离区段，以便在短距离区段备选集的生成过程中将跨区段客流od需求分段考虑在内。跨区段客流od包括中长距离客流od以及跨区段的短距离客流od。中长距离列车除了为长距离客流od提供服务外，同时也能够为短距离od提供旅行服务。因此在对跨区段客流od需求进行分解时，应当将跨区段的短距离客流od需求考虑在内，一方面使备选集生成过程符合实际中的车流匹配现状，另一方面使生成的短距离区段备选集能够同时兼顾中长距离客流od与短距离客流od的需求，产生多样化的停站方案，为第二阶段生成中长距离列车提供更多选择。
[0112]
跨区段客流od需求的分解以区段端点为节点进行，如图4中的需求分解部分所示，跨区段客流od需求
①
、
②
、
③
、
④
以车站c、d为分割点分解至短距离区段ac、cd和de上，成为短距离区段ac、cd和de覆盖的短距离od客流需求。需要注意的是，本发明实施例中的需求分解是在od长度上将跨区段od需求按照区段断点分割为若干短区段od需求，分割后的各段需求数值保持不变，与原跨区段od需求数值相同。
[0113]ⅲ.客流od需求合并
[0114]
在对跨区段客流od需求按照区段端点分解后，需要将各区段得到的分解客流od需求与区段覆盖的短距离客流od需求合并，共同构成第一阶段该区段备选集生成所需要的客流od需求。
[0115]
客流od需求合并如图4所中的需求重组部分所示，跨区段客流od需求
①
、
②
、
③
、
④
分解至ac区段的需求与短距离客流od需求
⑤
、
⑥
、
⑦
合并，分解至cd区段的需求与短距离客流od需求
⑧
合并，分解至de区段的需求与短距离客流od需求
⑨
合并。
[0116]ⅳ.各短距离区段备选集生成
[0117]
对各短距离区段分别运用基于迭代拼接思想的双循环方法生成备选集。由于区段内的列车起讫点均为短距离列车起讫点，因此区段内所有列车起讫点均参与循环迭代。需要注意的是，此阶段的备选集生成是用于第二阶段组合生成中长距离列车备选集，因此各
列车起讫点的最大停站数量须基于中长距离列车在各区段的最大停站数量确定，并且将中长距离客流od需求分解得到的短距离客流od需求作为重点需求优先考虑服务。
[0118]
第二阶段：构建中长距离列车备选集生成模型，通过对第一阶段生成的各短距离区段备选集择优组合生成中长距离列车备选集。
[0119]
ⅴ
.中长距离列车备选集生成
[0120]
在得到各短距离区段的列车备选集之后，即可通过构建中长距离备选集生成模型，考虑对跨区段客流od需求的满足，生成中长距离列车备选集。中长距离列车备选集的生成基于短距离区段组合方案进行，首先根据中长距离列车起讫点梳理出所有短距离区段的组合方案，然后枚举出各组合方案下所有可能的中长距离列车，作为中长距离备选集生成模型的解空间。如图5所示，线路ae的a、c、d、e车站为具备列车始发终到功能的车站，对应的中长距离列车起讫点有a-e、c-e和a-d三种。因此将线路ae划分为ac、cd、de三个短距离区段，存在ac-cd-de、cd-de和ac-cd三种区段组合方案，分别对应a-e、c-e和a-d三种中长距离列车起讫点；根据每种组合方案中区段的首尾连接情况，选择各区段备选集中起点、终点或起终点为区段分割点的列车，枚举出区段之间所有可能的列车组合，如图5中的三组中长距离列车组合分别对应ac-cd-de、cd-de和ac-cd三种组合方案下的中长距离列车备选集解空间。
[0121]
对某一短距离区段组合方案，选取其覆盖的所有跨区段客流od的客流量需求和服务频率需求作为模型参数输入。由于在上一阶段短距离区段备选集生成过程中，已将跨区段客流od需求分割至各个短距离区段，因此生成的各短距离区段备选集已经把所有跨区段客流od需求分段考虑在内。此时对该短距离区段组合方案所覆盖的各区段备选集按上述方法枚举组合，将结果作为中长距离备选集生成模型的解空间，通过求解模型即可获得该短距离区段组合方案下的中长距离列车备选集，即该中长距离列车起讫点对应的列车备选集。
[0122]
具体地，第一阶段中的线路区段划分、跨区段客流od需求分解和客流od需求合并可按如上步骤中所述方法进行，对于各短距离区段备选集的生成，设计双循环生成流程如下：
[0123]
定义本发明实施例中第一阶段短距离区段备选集生成双循环流程涉及的集合、参数符号：
[0124]
1)集合
[0125]
[0126][0127]
2)参数
[0128]
[0129][0130]
在本实施例中，短距离区段备选集的生成针对区段覆盖的列车起讫点逐个进行。在对某一具体的短距离列车起讫点生成备选集时，采用迭代拼接的思想，通过基础列车段集合和拼接列车段集合这两个列车段集合进行。
[0131]
需要说明的是，基础列车段集合和拼接列车段集合均基于某一具体的列车起讫点提出，在对不同的列车起讫点采用迭代拼接思想生成备选集时，需要在迭代开始前根据该列车起讫点的始发车站、终到车站和沿途覆盖的车站，生成该列车起讫点对应的基础列车段集合和拼接列车段集合。基础列车段集合与拼接列车段的定义如下。
[0132]
对短距离列车起讫点todm，其基础列车段集合u
todm
是指以todm始发车站o
todm
为起点，以todm所覆盖的车站集合s
todm
中除o
todm
和d
todm
以外任意中间站为终点的列车段集合。即
[0133]utodm
＝{u|ou＝o
todm
，du∈s
todm
且du≠d
todm
，lu＞0}
[0134]
此外，对于初始状态的基础列车段集合u
todmi
，其中的元素除必停站外不设任何中间停站。即
[0135]utodmi
[0136]
＝{u|ou＝o
todm
，du∈s
todm
且du≠d
todm
，lu＞0，stopu＝stop
um
}
[0137]
在图2中，列车段u1至u5即为短距离列车起讫点“a-b”的初始基础列车段集合。
[0138]
对短距离列车起讫点todm，其拼接列车段集合c
todm
是指以todm所覆盖的车站集合s
todm
中除o
todm
和d
todm
以外任意中间车站为起点，以todm所覆盖的车站集合s
todm
中除o
todm
以外任意车站为终点的列车段集合，并且集合中的元素除必停站外不设任何中间停站。即
[0139]ctodm
[0140]
＝{c|oc∈s
todm
且oc≠o
todm
，dc∈s
todm
，lc＞0，stopc＝stop
cm
}
[0141]
图2中，列车段c1至c15为短距离列车起讫点“a-b”的拼接列车段集合。
[0142]
在此基础上，每一次的迭代拼接过程即是对基础列车段集合中的某一元素，从拼接列车段集合中挑选所有可与其首尾连接的列车段，逐个完成一次拼接。待拼接过程结束后，对于终点不是终到车站b的列车段，将其加入基础列车段集合参与下一次的迭代拼接；而终点是终到车站b的列车段即为有效列车，通过相应的判定规则决定其是否可加入备选集。图2中，通过上述过程的4次拼接u1 c1 c6 c11 c15，即可生成一条图示的有效列车。
[0143]
本实施例中，短距离区段备选集生成过程是逐渐满足列车起讫点所覆盖客流od的最小服务频率与所覆盖区间的最小通过频率的过程。具体地，以列车起讫点为单位生成短距离区段备选集，过程包含外层循环和内层循环：外层循环的主要步骤包括初始化流程、对所区段覆盖的列车起讫点循环、对每个列车起讫点的备选集生成过程迭代循环和判断当前备选集是否满足要求；内层循环的作用则是基于列车段迭代拼接的思想，在外层循环对备选集生成过程的迭代控制下不断进行列车段的拼接，生成新列车段，并判断其是否为有效列车以及是否可加入到该列车起讫点的备选集中。
[0144]
具体地，在本实施例中，结合图3分别说明外层循环和内层循环的详细流程：
[0145]
外层循环流程
[0146]
外层循环流程图如图3中左半部分所示，结合图3对具体流程说明如下：
[0147]
步骤i：
[0148]
线路车站集合s，必停车站集合s
must
，重点车站集合s
imp
；线路区间集合e，重点区间集合e
imp
；客流od集合od。
[0149]
步骤ii：
[0150]
对集合od中的每个元素od，设定客流od最小服务频率参数f
odmin
；对集合e中的每个元素e，设定区间最小通过频率参数f
emin
；当客流od服务频率需求较小或者需要生成较大规模的备选集时，可对集合od中的每个元素od设定od服务频率需求扩大参数θ
od
，对原始od服务频率需求扩大θ
od
倍。
[0151]
步骤iii：
[0152]
根据线路基础设施设置和车站属性，结合实际列车开行规则，选取实际可开行列车的列车起讫点车站，构成线路列车起讫点集合tod。令列车起讫点循环参数m＝1。
[0153]
步骤iv：
[0154]
判断m≤|tod|是否成立。若成立，则继续步骤v；若不成立，则跳转至步骤xiii。
[0155]
步骤v：
[0156]
对todm，生成对应的初始基础列车段集合u
todmi
和拼接列车段集合c
todm
；
[0157]
选取todm所覆盖的区间和客流od，生成todm对应的客流od集合od
todm
、区间集合e
todm
和重点区间集合e
todmimp
；
[0158]
对集合od
todm
中的客流od按照客流周转量需求z
od
降序排序，从中选取一定比例的客流od构成todm的重点客流od集合od
todmimp
；
[0159]
参考实际列车开行规则与列车开行方案，设定todm的最大停站数量参数stop
todm
；
[0160]
令迭代拼接次数p＝1，开始对todm的备选集生成进行迭代拼接。
[0161]
步骤vi：
[0162]
判断p≤stop
todm
是否成立。若成立，则继续步骤vii；若不成立，则跳转至步骤xii。
[0163]
步骤vii：
[0164]
设置此次迭代所生成的有效列车l应满足的重点客流od数量下界值od
pmintodm
；对集合u
todmi
中(p＞1时更新为u
todm
)的元素，按照其停站中所包含重点车站的数量降序排序。
[0165]
步骤viii：
[0166]
进入内层循环。通过集合u
todmi
(p＞1时更新为u
todm
)和集合c
todm
中元素的拼接迭代，不断生成新方案线段l，并判断其是否为有效方案线、是否可加入备选集pool
todm
。
[0167]
步骤ix：
[0168]
内层循环结束，得到更新后的备选集pool
todm
。计算pool
todm
对每个区间的通过频率fe和对每个客流od的服务频率f
od
。
[0169]
步骤x：
[0170]
对任意区间e∈e
todm
，判断fe≥f
emin
是否成立。若成立，则继续步骤xi；若不成立，则令p＝p 1，然后跳转至步骤vi。
[0171]
步骤xi：
[0172]
对任意客流od od∈od
todm
，判断f
od
≥f
odmin
是否成立。若成立，则继续step 11；若不成立，则令p＝p 1，然后跳转至步骤vi。
[0173]
步骤xii：
[0174]
得到todm的最终备选集pool
todm
；令m＝m 1，跳转至步骤iv。
[0175]
步骤xiii：
[0176]
此时已得到该短距离区段的备选集pool，输出pool，流程结束。
[0177]
外层循环中，需要随迭代不断更新的参数主要有todm的列车最大停站数量参数stop
todm
和迭代生成的有效列车l可服务的重点客流0d数量下界值od
pmintodm
。
[0178]
前者随列车起讫点todm的遍历而更新，其取值参考线路基础设施、车站属性和实际列车开行规则。该参数主要目的是确保选入备选集的候选列车停站数量在合理范围内。如果候选列车的中间停站数量过多，则会因停站时间和启停附加时分的作用，大大增加列车的实际旅行时间，影响高速列车的快速性。因此，每趟候选列车的停站数量需要控制在一个合理范围。
[0179]
后者主要随迭代拼接次数p的改变而更新参数值。迭代拼接次数p决定了当前迭代拼接所生成列车段的停站数量，进而决定了当前所生成列车段可服务的客流od数量。因此该参数需要在每次迭代拼接时进行更新，其在不同迭代次数下的取值通过一系列测试实验不断计算、对比确定。该参数的作用是让生成的备选集对重点客流od侧重，优先解决这部分客流od的服务需求，为其提供尽可能多的列车种类。
[0180]
内层循环流程。
[0181]
内层循环流程图如图3中右半部分所示，结合图3对具体流程描述如下：
[0182]
步骤a：
[0183]
初始化集合u
todmi
(p＞1时更新为u
todm
)的循环遍历参数r＝1，初始化集合c
todm
的循环遍历参数g＝1。
[0184]
步骤b：
[0185]
判断当p＝1时r≤|u
todmi
|是否成立，当p＞1时r≤|u
todm
|是否成立。若成立，则继续
步骤c；若不成立，则跳转至步骤g。
[0186]
步骤c：
[0187]
判断g≤|c
todm
|是否成立。若成立，则继续步骤d；若不成立，则令r＝r 1，跳转至步骤b。
[0188]
步骤d：
[0189]
判断c
todm
[g]的起点车站与u
todm
[r]的终点车站是否相同。若相同，则将c
todm
[g]连接至u
todm
[r]，生成新的方案线段l，继续步骤e；若不同，则令g＝g 1，跳转至步骤c。
[0190]
步骤e：
[0191]
判断d
l
＝d
todm
是否成立。若成立，则得到新的有效方案线l，继续步骤f；若不成立，则将拼接生成的新方案线段l加入u
todm
集合，参与下次迭代拼接，同时令g＝g 1，跳转至步骤c。
[0192]
步骤f：
[0193]
获取新方案线l的停站数量stop
l
；
[0194]
计算新方案线l所能服务的重点客流od数量od
l
。继续步骤j。
[0195]
步骤j：
[0196]
判断stop
l
≤stop
todm
是否成立。若成立，继续步骤h；若不成立，令g＝g 1，跳转至步骤c。
[0197]
步骤h：
[0198]
判断od
l
≤od
pmintodm
是否成立。若成立，继续步骤i；若不成立，令g＝g 1，跳转至步骤c。
[0199]
步骤i：
[0200]
将新方案线l加入备选集pool
todm
。
[0201]
步骤g：
[0202]
输出备选集pool
todm
至外层循环。
[0203]
将内层循环流程与外层循环流程嵌套，即可得到短距离列车备选集生成完整的双循环流程，如图3所示。
[0204]
在得到各短距离区段备选集之后，即可基于各区段备选集构建模型生成完整的中长距离列车备选集。
[0205]
具体地，第二阶段中长距离备选集生成模型构建如下：
[0206]
定义本发明实施例中第二阶段中长距离列车备选集生成模型涉及的集合、参数与决策变量：
[0207]
1)集合
[0208][0209]
2)参数
[0210][0211][0212]
3)决策变量
[0213]
x
train
：gn集合中的列车train是否被选择加入中长距离列车备选集，train∈gn。
[0214]
具体地，在本实施例中，所述中长距离列车备选集生成模型构建方法如下：
[0215]
以生成的中长距离列车总里程长度最短和总停站数量最少为目标，构建模型目标函数为：
[0216][0217]
本目标函数包含列车总里程最短和列车总停站数量最少两部分。总里程最短目标最优化了中长距离列车运营里程和备选集规模：由于中长距离列车运行里程长、途经区段多，一旦线路发生运营晚点，会对较大范围的运营区段上的列车产生影响，不利于行车组织和调度工作，因此中长距离列车的运营里程不宜过长；为了便于后续开行方案编制工作的高效开展，中长距离列车备选集的规模不宜过大。通过令中长距离列车备选集总里程最短可实现上述两方面的优化。总停站数量最少目标最优化了中长距离列车旅行时间：由于中长距离列车途经车站较多，而列车的停站过程会增加列车的旅行时间，考虑到高铁列车的快速性特征，不宜对中长距离列车设置过多停站。通过令中长距离列车备选集总停站数量最少可最大化减少停站设置对旅行时间的影响。
[0218]
此外，为了使两部分目标函数值便于加权，将列车实际运营里程转化为标准化列车运营里程，即令其中l
train
是列车train的实际运营里程(单位：公里)，是所有l
train
中的最大值，因此l
train
∈(0，1]。
[0219]
在本实施例中，对生成的中长距离列车备选集应当满足的跨区段客流od服务频率进行约束：
[0220][0221]
该约束规定了中长距离列车备选集应当满足的跨区段客流od服务频率，与短距离列车备选集生成流程中的最小服务频率参数f
odmin
作用相似，目的是以满足需求为导向生成备选集。可结合具体的服务频率要求值fd和备选集生成规模要求，视具体情况设置系数的值来对服务频率需求fd进行增大，以扩大生成的备选集规模。
[0222]
在本实施例中，对生成的中长距离列车备选集应当满足的各区间坐席数量进行约束：
[0223][0224]
该约束规定了中长距离列车备选集在各区间提供的坐席数量应不小于区间需求量。该约束与短距离列车备选集生成流程中的区间最小通过频率参数f
emin
作用相似，目的是保证生成的备选集能够满足各区间客流需求。同样，可结合具体的od客流量需求pd值和备选集生成规模要求，视具体情况对od客流量需求pd按照系数进行扩大，以增加备选集中元素的数量。
[0225]
在本实施例中，对生成的中长距离列车停站数量进行约束：
[0226]
[0227]
该约束规定了每趟中长距离列车的停站数量不能超过其最大停站数量，最大停站数量参数可参考实际列车开行方案的停站情况，综合线路车站数量、车站属性等因素设置。该约束能够减小停站设置对高铁列车快速性的影响。
[0228]
决策变量约束：
[0229][0230]
备选集生成不同于开行方案编制，其目标在于为开行方案编制提供候选列车种类，因此只需要决策该列车是否加入备选集即可，列车的开行频率为下一阶段开行方案编制的任务，故决策变量为0-1变量。
[0231]
本发明所述方法以客流量需求和服务频率需求为导向，考虑实际业务规则和列车开行规则，设计了中长距离列车备选集两阶段生成方法。通过将中长距离列车备选集生成分解至各短距离区段，将大规模复杂问题分解为若干子问题，有效提高了中长距离列车备选集生成的可操作性和高效性。
[0232]
本发明在生成各短距离区段备选集的过程中，充分考虑了对不同需求所提供列车服务的侧重和差异化，相比枚举法优化了备选集结构和规模，并提高了备选集质量和针对性；在对各短距离区段备选集组合生成中长距离列车备选集的过程中，由于短距离区段备选集的规模已实现优化，因此中长距离列车备选集生成的效率得到提高，规模得到控制，也提升了下一阶段列车开行方案的编制效率；在中长距离列车备选集生成模型目标函数的引导下，被选入备选集的中长距离列车在方便运营调度、保证旅行速度两方面均实现了优化，能够为列车开行方案编制提供符合实际业务需要的高质量候选列车。
[0233]
本发明所述方法克服了国外备选集生成方法不适用于我国高速铁路停站模式，以及国内现有基于业务规则的全枚举方法生成中长距离列车备选集时因停站组合爆炸导致的生成效率低、生成规模过大的问题，并且弥补了国内现有生成方法无法根据不同背景下的需求特点针对性生成备选集的缺陷，进一步充实了列车备选集生成的理论研究体系，具备实际应用推广价值。