一种城市轨道交通列车运行调整方案优化方法和系统

1.本发明涉及铁路交通管理领域，特别是涉及一种城市轨道交通列车运行调整方案优化方法和系统。


背景技术：

2.随着我国城市轨道的发展，线网规模与客流量快速增长的同时，城市轨道交通的运营压力和负荷逐渐增大。此外城市轨道交通系统是一个集成车辆、信号、供电等多系统的复杂整体，任何一个环节出现突发情况都会影响线路甚至网络的运行效率。因此在突发事件扰乱原始运行计划后，需要快速制定相应的运行调整方案以减少列车运行和乘客出行延误，并在突发事件结束后尽快恢复原始运行计划。
3.在现阶段的实际运营过程中，突发事件下的列车运行调整方案主要由行车调度员基于个人工作经验制定，或是参考运营管理部门事先制定的行车调度手册，基于现实情况和相关预案拟定运行调整方案并上报值班主任。待调整方案被确认后，行车调度员向线路中各列车司机发布运行调整命令，组织列车有序通过突发事件所在的区间或车站，保证运营安全的同时尽快恢复正常的运营秩序。
4.但是上述调整方案的实现主要依赖于人工经验，主观性较强，行车调度员参考运营公司制定的相关预案以及《城市轨道交通运营指标体系》做出相关决策。然而实际运营过程中，突发事件种类多样且对于运营秩序的影响各不相同，应急预案并不能涵盖所有场景，因此无法对部分特定情景下的运行调整方案制定起到有效指导作用。
5.此外，人工经验调度并非是对列车运行调整方案的优化过程，缺乏对备选方案效果的定量评价、分析和对比，无法考虑实施列车运行调整策略对后续列车运营的潜在影响，也就无法进一步考虑对线路全局运行的影响，因此调整方案整体存在一定的优化空间，需要一套完整且科学的优化技术辅助行车调度员制定运行调整方案。
6.近年来，国内外学者对突发事件下的列车运行调整问题进行了理论方法研究，建立数学优化模型并使用商业求解器或设计专用算法进行求解，形成列车运行调整优化技术。通常，列车运行调整问题依据突发事件对运行的影响程度被分为“轻度干扰背景下的调整问题”和“严重中断背景下的调整问题”。
[0007]“轻度干扰背景下的调整问题”可描述为列车运行受外界干扰而小范围偏离原始运行计划，例如车站大客流导致列车停站时间增加，使列车运行延误。针对该问题的理论研究通常认为延误发生是单源头的且持续时间较短，对列车运行影响范围有限。考虑利用列车时刻表缓冲时间，压缩列车区间运行时间和停站时间，进一步调整列车在各站的到达和出发时间减少列车延误。此外，一些方案中也考虑额外使用简单的运行调整策略，例如列车在某些车站通过不停车、增加列车越行次数等，以此来提高线路列车的周转速度，减少列车延误。
[0008]“严重中断背景下的调整问题”是指列车运行受到外部或内部的干扰而严重偏离运营计划，需要对列车时刻表进行大范围调整，甚至还需要对乘务计划和列车车底周转计
划进行重新安排。针对于此问题，较多现有的技术方案关注线路区间单向或双向中断场景，即在故障时段内线路某区间单侧或双侧完全无法通行。当轨道单向中断时，“单轨双向运行”是常用的调整策略即双向列车交替通过故障区间，该方案的关键技术是检查并疏解共用轨道区段内的列车运行冲突，避免双向列车相撞。而双向轨道中断则是最严重的突发事件场景，相关研究考虑“车次取消”、“组织小交路折返”、“列车迂回运行”和“在站扣车等待”等运行调整策略，基于时空网络、事件-活动网络等思想构建优化模型。
[0009]
上述技术方案的缺点总结有以下几点：
[0010]
(1)多数列车运行调整优化技术研究以轻微干扰、轨道单向或双向中断为突发事件背景。但实际运营中，由于系统安全措施不断升级，像轨道中断这类严重场景的发生概率较小，更加常见的是如信号系统故障引起的线路区间通行能力下降场景。相比于轻微干扰，此类场景持续时间较长；相比于轨道中断，此类场景下的故障区间仍然有通行能力，因此需要在充分利用线路剩余能力的同时采用合理的调整措施减少列车延误。
[0011]
(2)较多的相关研究以城际铁路为背景，由于线路长度普遍较长、列车周转时间久、列车间隔较大，因此这部分方案通常不考虑双向的列车车底周转问题，而城市轨道交通列车周转快、运行间隔较小，忽略车底周转计划的调整将降低运行调整方案的可行性。
[0012]
(3)相比于城际铁路系统，城市轨道交通线路存在列车、信号系统制式不同的问题，线路间的连接性较差且站内侧线较少，因此现有技术方案中常用的“在站扣车等待”、“迂回运行”等调整策略对城市轨道交通系统的适用性较差，相关理论方法无法直接提供有效指导。
[0013]
(4)突发事件下的列车运行调整问题对方案制定具有较高的时效性要求。部分现有技术方案使用商业求解器进行求解，但多数商业求解器仅能处理线性规划模型，当模型包含复杂的非线性约束时求解效率较低，且商业求解器的效率对于模型输入参数具有较高的敏感性。此外，目前较少的理论方案被有效集成于便于操作的软件系统中，因此技术方案的实用性有待提高。


技术实现要素：

[0014]
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种城市轨道交通列车运行调整方案优化方法和系统，主要用于突发事件下的城市轨道交通列车运行计划调整，在线路运营受突发事件影响偏离原始计划后，能够充分利用线路剩余通行能力维持运营并在突发事件结束后尽快恢复运营计划。
[0015]
本发明主要包括一个应对突发事件的列车运行调整问题数学模型，一种专用算法对模型进行优化求解，和一个集成上述理论方法的软件系统。该发明为列车运行调整工作提供辅助决策作用，便于方案的科学合理制定、展示和输出。针对于现有技术中的不足，本发明主要解决的问题及发明目的为：
[0016]
(1)本发明提出的城市轨道交通列车运行调整优化方法并非基于人工经验或应急预案，而是通过建立科学合理的数学优化模型实现。具体来说，将城市轨道交通系统的物理设施(如车站、轨道、配线等)和运行要素(列车运行、停站、折返等作业环节)抽象为参数和变量，将系统的运行过程抽象为数学公式表达，以便于结合运筹学理论以及计算机技术进行方案优化。
[0017]
(2)本发明包含的数学优化方法主要解决线路区间通行能力下降场景的列车运行调整问题。根据对北京地铁运营历史数据的统计，约38.02％的突发事件场景下会采取降级运行，即线路部分区间的通行能力下降。本发明以该类典型场景为切入点，使得提出的方法具有更大的实际应用价值。
[0018]
(3)本发明包含的方法以城市轨道交通为主体对象，考虑了现实中城市轨道交通运行间隔小、列车周转快的特性，以及系统内多种类配线和设施的影响。运行调整策略包含现实中行车调度员常用的且满足线路实施条件的多种策略，使得本发明提出的方法对城市轨道交通具有更好的适用性。
[0019]
(4)本发明基于运筹学原理，针对城市轨道交通列车运行调整问题设计一个专用求解算法，该算法能在可接受时间范围内输出较高质量的列车运行调整方案，提高模型求解效率以满足城市轨道交通运行调整的高时效性需求。
[0020]
(5)本发明包含一个完整的城市轨道交通列车运行调整方案辅助决策系统，该软件系统除了集成上述数学模型与算法，还提供数据输入、输出接口、可视化展示界面以及方案修改和更新功能，以达到辅助行车调度员制定运行调整方案的目的。
[0021]
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
[0022]
一种城市轨道交通列车运行调整方案优化方法，包括以下步骤：
[0023]
步骤1、梳理现实中城市轨道交通列车运行要素，构建列车运行安全保障约束、列车作业时间约束、车底周转接续约束、终点站折返线占用约束和调整方案制定期内列车运行原则约束；
[0024]
步骤2、梳理现实中行车调度员常用的列车运行调整策略，运行调整策略包括列车小交路折返、列车暂停运行和列车重新上线运行；明确每一种运行调整策略的实施过程并抽象表达为数学公式；
[0025]
步骤3、以最小化列车总延误和各站列车取消惩罚为目标，建立列车运行调整方案优化模型；
[0026]
步骤4、以贪心算法为基础，结合列车时刻表推算方法，对列车运行调整方案优化模型进行求解，得到列车运行调整方案。
[0027]
步骤1中，列车运行安全保障考虑了列车到达间隔、列车发车间隔和列车追踪间隔，列车的最小到达间隔、发车间隔和追踪间隔约束分别如下：
[0028][0029][0030][0031]
式中，k为线路列车集合，i为线路车站集合。为列车k到达i站的时间，为列车k离开i站的时间。和分别为正常运行条件下i站的列车的最小到达间隔、发车间隔和追踪间隔，和则分别为突发事件影响下i站的列车的最小到达间隔、发车间隔和追踪间隔。当列车k在突发事件持续时段内到达i站时θ
ki
为1，否则为0。
[0032]
列车作业时间约束包括列车的区间运行时间范围约束、最小停站时间约束、在终点站的最小折返作业时间约束，列车的区间运行时间范围约束、最小停站时间约束、在终点
站的最小折返作业时间约束分别如下：
[0033][0034][0035][0036]
式中和分别表示正常状态下和突发事件持续时段内列车在线路区间(i,i 1)的最小运行时间，为列车在线路区间(i,i 1)的最大允许运行时间，为列车在车站i的最小停站时间，为列车在终点站s折返的最小作业时间。当列车k'与k在终点站s接续时为1，否则为0。
[0037]
车底周转接续约束如下：
[0038][0039][0040]
终点站折返线占用约束为：
[0041][0042]
式中，当列车k早于列车k'进入终点站s的折返线时为1，否则为0；当列车k'进入折返线的时间早于列车k完成折返时为1，否则为0；cs为终点站s折返线的最大容量。
[0043]
调整方案制订期内列车运行原则的数学约束如下：
[0044][0045]
式中t
dis
为突发事件的发生时间，t
dec
表示运行制定调整方案所需的时长，和分别表示列车k到达和离开车站i的原始计划时间。
[0046]
步骤2中，列车小交路折返策略抽象描述为：
[0047]yki
≤criꢀꢀꢀ
k∈k,i∈i
[0048][0049][0050]
式中，当车站i配置渡线或与双向轨道连通的停车线时cri为1，否则为0；和分别为列车在车站i小交路折返所需最小作业时间和最大允许作业时间；当列车k在车站i小交路折返时y
ki
为1，否则为0；当列车k在车站i小交路折返且列车k'在对向车站s-i 1
与其接续时为1，否则为0；m为一个极大的正数。
[0051]
列车暂停运行策略抽象描述为：
[0052][0053][0054][0055]
式中，当列车k在车站i暂停运行时x
ki
为1，否则为0；当列车可以在车站i暂停运行时sti为1，否则为0；cpi为与车站i连接的停车线、车辆段或停车场的总容量；n
rs
为线上运行的车底总数。
[0056]
与双向轨道连通的停车线既可以发挥停车线作用也可以发挥渡线作用，但停车线作用和渡线作用存在潜在冲突：有列车暂时存放在停车线时，其余列车无法在此处小交路折返，对此类冲突描述为：
[0057][0058][0059][0060]
式中为列车k开始存放在车站i处停车线的时间；为列车k在车站i完成折返作业的时间。和分别表示列车k到达和离开车站2s-i 1的时间；当列车k在车站2s-i 1暂停运行时，x
k(2s-i 1)
等于1，否则等于0。
[0061]
列车重新上线运行策略抽象描述为：
[0062][0063][0064]
式中，当列车k从车站i出发重新上线运行时p
ki
为1，否则为0；当列车k'在车站i暂停运行的时间早于列车k由此重新上线运行的时间时为1，否则为0；当列车k'早于列车k由车站i出发重新上线运行时为1，否则为0；bti为与车站i连接的停车线、车辆段或停车场内的备用车底数量。
[0065]
步骤3中，所述目标描述为：
[0066][0067]
式中，当列车k在调整后到达车站i时z
ki
为1，否则为0；pe为列车在某车站取消后的惩罚值。
[0068]
步骤4中，基于贪心算法的列车运行调整优化算法如下：
[0069]
首先，将突发事件的影响方式与原计划列车时刻表进行对比，评估线路通行能力下降程度，并估算需要采取列车运行调整策略的列车总数g：
[0070][0071]
式中t
dis
为突发事件的预计持续时间，为原计划列车时刻表中车站i的列车到达间隔。
[0072]
其次，贪心算法中每一轮的迭代对象为列车，依据到达能力瓶颈区域的先后依次进入迭代轮次。在每一轮迭代中，依据当前对象列车在突发事件发生时的位置和线路配线及设施设置情况，遍历所有可能采取列车小交路折返和列车暂停运行策略的车站位置并假设采用相应运行调整策略。
[0073]
然后，对于每一种假设采用的运行调整策略，使用列车时刻表推算方法获得对应调整后的列车时刻表，并计算该列车时刻表对应的目标值：列车总延误和各站列车取消惩罚总和。若目标值小于当前最优方案对应的目标值，则将该运行调整策略更新为当前迭代对象列车的运行调整策略，并更新当前运行调整方案为最优方案，否则不更新最优方案。
[0074]
最后，当迭代过程满足结束条件：采取列车运行调整策略的总车数到达g时，依据最优方案中“列车暂停运行”策略的选择情况和目前调整后的列车时刻表，安排备用列车利用通行能力下降产生的较大运行间隔插空上线运行。
[0075]
列车时刻表推算方法如下：
[0076]
首先，列车时刻表推算方法的使用基于线路原始列车时刻表和各列车的运行调整策略选择方案，根据调整后各列车的先后顺序依次推算列车在各站的到达和出发时间。
[0077]
其次，具体到列车在各站的到达和出发时间推算过程中，考虑以下因素保证运行调整方案的安全性和可实施性：a)列车最小安全运行间隔，b)区间最小运行时间，c)站内最小停车时间，d)决策制定期内列车运行原则，e)列车到达和出发时间不早于原计划列车时刻表的时间。
[0078]
然后，在列车时刻表推算过程中，考虑不同运行调整策略的影响；在推算完一列车的各站到达和出发时间后，及时更新当前线路各站最新的资源占用以及车底周转信息，供后续列车推算时参考使用，避免资源占用冲突。
[0079]
一种城市轨道交通列车运行调整方案优化系统，包括：数据读取与管理模块、运行调整方案生成模块、人工修改方案模块、突发事件信息更新模块、衔接当日运行计划模块和调整方案展示与输出模块；
[0080]
数据读取与管理模块用于读取本地数据文件、参数修改以及完整数据保存，完成读取和管理工作后，将数据分类打包传递给其余模块；
[0081]
运行调整方案生成模块用于根据突发事件信息以及计划列车时刻表，后台自动调
用所述列车运行调整方案优化方法，生成列车运行调整方案；
[0082]
人工修改方案模块支持用户依据个人偏好对运行调整方案进行修改，根据用户的策略输入，模块自动修改相应决策变量值并使用列车时刻表推算方法快速输出修改方案对应的列车时刻表和列车运行图。该模块还包括撤销与恢复功能，能够撤销或恢复已有方案。
[0083]
突发事件信息更新模块用于在突发事件信息更新后对列车运行调整方案进行自动修改，在不改变已经实施的调整策略的前提下，优化后续列车运行调整方案。
[0084]
衔接当日运行计划模块用于将列车运行调整方案与当日后续运行计划进行衔接，使线路列车运行由调整时段内的列车时刻表顺利过渡至原始计划列车时刻表，达到完全恢复运行计划的目的。
[0085]
调整方案展示与输出模块用于直观展示列车运行调整方案对应的列车运行图，列车运行图中包括各列车在各站的到达和出发时间；还包括列车运行调整策略选择结果展示，通过文字具体描述列车在车站采取的运行调整措施，方便行车调度员下发列车运行调整命令。
[0086]
本地数据文件包括：线路配置数据、列车作业数据和运营计划数据；线路配置数据包括车站位置及名称、各种类配线的设置情况、车辆段和停车场位置及属性和线路备用车底数；列车作业数据包括安全间隔、区间运行时间、停站时间、折返作业时间和清客作业时间；运营计划数据包括当日的原始列车运行图以及车底周转计划。
[0087]
运行调整方案生成模块的功能实现步骤如下：
[0088]
1)向运行调整方案生成模块输入突发事件所处位置、对线路通行能力的影响程度、事件发生时间以及预计的持续影响时间，结合事先读取的各类数据设置列车运行调整方案优化模型所需参数；
[0089]
2)评估线路通行能力下降程度并估算需要实施运行调整策略的列车总数，根据突发事件的发生时间提取潜在受影响列车集合，并调用贪心算法依次对集合中的列车选择可能采取的运行调整策略作为备选运行调整策略。
[0090]
3)依据贪心算法迭代过程中产生的备选运行调整策略，使用列车时刻表推算方法得到对应完整的列车时刻表，并计算列车总延误和各站列车取消惩罚值，经过对比后选择差异与惩罚值最小的运行调整策略作为当前迭代对象列车的运行调整策略。并返回步骤2)进行下一轮迭代，直至已调整列车总数g达到事先估算的需要采取列车运行调整策略的列车总数g，迭代结束；得到列车运行调整方案。
[0091]
人工修改方案模块功能的实现步骤如下：
[0092]
1)通过鼠标点击列车运行图展示界面的列车运行线，选择需要修改运行调整策略的列车，修改的内容包括：实施列车小交路折返、列车暂停运行和列车重新上线运行调整策略的车站，以及取消当前列车所有已选运行调整策略；
[0093]
2)根据用户选择的运行调整策略修改方式，系统自动将其转化为对应列车的决策变量，使用内置的列车时刻表推算方法得到运行调整方案修改后的列车时刻表，并展示相应的列车运行图。
[0094]
3)人工修改方案模块还包括撤销和恢复功能，方便用户切换多次修改后的方案。
[0095]
突发事件信息更新模块的实现步骤如下：
[0096]
1)突发事件信息更新时，向系统输入信息更新的时间以及目前的突发事件预计结
束时间。
[0097]
2)提取目前运行调整方案中所有采取调整策略的列车集合，并依据调整策略实施时间进行升序排序。对该集合中的列车从后往前依次取消运行调整策略，直到方案中策略实施时间早于突发事件信息更新时间，并保留当前的运行调整方案。
[0098]
3)调用城市轨道交通列车运行调整方案优化方法，以当前的运行调整方案和新的突发事件预计结束时间为基础，使用贪心算法和列车时刻表推算方法更新列车运行调整方案，并展示相应的列车运行图。
[0099]
衔接当日运行计划模块的功能实现步骤如下：
[0100]
1)提取列车运行调整方案中最后一列车在各站的到发时间，并与当日原始列车运行计划进行比较，寻找与运行调整方案中最后一列车在各站的到发时间最接近的原始列车运行计划。
[0101]
2)提取该最接近的原始列车运行计划之前的且在突发事件发生后的原始列车运行计划。
[0102]
3)在不扰乱列车运行调整方案中的列车运行调整策略选择结果的前提下，依据步骤2)提取的原始列车运行计划赋予后续各车次相应的列车运行决策变量，并使用列车时刻表推算方法推算当日后续完整的列车时刻表，并展示相应的列车运行图。
[0103]
本发明的有益效果：
[0104]
(1)首先，该方法将城市轨道交通列车运行过程要素以及常用的运行调整策略抽象为数学模型，相比于目前现实中主要依据人工经验制定方案的方式，通过定量优化的方式求解得出的运行调整方案更加科学合理。该方法重点关注实际运行过程中典型的“线路通行能力下降”场景，详细考虑了的列车运行约束，充分保证调整方案的适用性。
[0105]
(2)其次，该方法还包括一个高效的模型求解算法，该算法以贪心算法为基础并结合列车时刻表推算方法，其最大特点是将不同种类的决策变量分离求解，有效降低了求解难度并提升求解效率，能够满足突发事件下列车运行调整的高时效性需求。此外，该算法求解结果稳定，避免启发式方法的随机性效应。
[0106]
(3)最后，本发明技术方案中的系统是一个集成数据输入处理、模型建立及算法求解、结果输出及修改功能为一体的可操作、可展示的软件系统。同时也是理论方法的实践应用平台，将上述发明技术方案落地实施。
附图说明
[0107]
本发明有如下附图：
[0108]
图1本发明的基于贪心算法的列车运行调整优化算法流程图。
[0109]
图2本发明的列车时刻表推算方法流程图。
[0110]
图3本发明的城市轨道交通列车运行调整方案优化系统的业务流程图。
[0111]
图4本发明人工修改方案模块技术路线图。
[0112]
图5本发明列车策略选择与可能的策略修改方式对应关系图。
[0113]
图6本发明突发事件信息更新模块技术路线图。
[0114]
图7本发明衔接当日运行计划模块技术路线图。
具体实施方式
[0115]
以下结合附图1-7对本发明作进一步详细说明。
[0116]
本发明的技术方案将从列车运行调整优化方法和软件系统构建两部分进行说明，其中列车运行调整优化方法包含数学优化模型和求解算法设计两部分。
[0117]
1、城市轨道交通列车运行调整方案优化方法
[0118]
该方法包括3项关键技术，以下分别对3部分的技术方案进行详细描述。
[0119]
关键技术1：梳理现实中城市轨道交通列车运行要素，主要包括“列车运行安全保障”、“列车作业时间”、“车底周转接续”、“调整方案制定期内列车运行原则”等环节，将上述运行过程以及相应资源占用情况抽象表达为数学公式形式。在刻画正常状态的运行要素之外，本发明包含的方法还从多个角度刻画突发事件下系统的运行状态，以模拟突发事件对运行条件的影响。
[0120]
(1)列车运行安全保障：城市轨道交通列车运行过程中，需要满足特定的运行间隔以保证信号系统正常运转，避免列车间互相干扰。本发明提出的方法中考虑了“列车到达间隔”、“列车发车间隔”和“列车追踪间隔”，并将列车间隔作为描述突发事件影响程度的指标之一。
[0121]
列车的最小到达间隔、发车间隔和追踪间隔约束分别如下：
[0122][0123][0124][0125]
式中，k为线路列车集合，i为线路车站集合。为列车k到达i站的时间，为列车k离开i站的时间。和分别为正常运行条件下i站的列车的最小到达间隔、发车间隔和追踪间隔，和则分别为突发事件影响下i站的列车的最小到达间隔、发车间隔和追踪间隔。当列车k在突发事件持续时段内到达i站时θ
ki
为1，否则为0。
[0126]
(2)列车作业时间：列车作业主要包括“区间运行”、“停站等待”和“终点站折返”等作业环节，各项作业环节需要满足一定的技术参数限制以保证列车运行计划的可行性，其中区间运行时间也作为描述突发事件影响程度的指标之一。
[0127]
列车的区间运行时间范围约束、最小停站时间约束、在终点站的最小折返作业时间约束分别如下：
[0128][0129][0130][0131]
式中和分别表示正常状态下和突发事件持续时段内列车在线路区间(i,i 1)的最小运行时间，为列车在线路区间(i,i 1)的最大允许运行时间，为列车在车站i的最小停站时间，为列车在终点站s折返的最小作业时间。当列车k'与k在终点站s
接续时为1，否则为0。
[0132]
(3)车底周转接续：由于城市轨道交通线路长度短，持续时间较长的突发事件将影响原始的车底周转计划，故本发明的技术方案考虑车底周转接续关系。具体而言，到达终点站列车使用的车底将交由从对向始发站出发的列车使用，且接续关系具有唯一性。
[0133]
车底周转接续约束如下：
[0134][0135][0136]
具体而言，对于任一列车k到达终点站s后，其车底最多交由一列从对向始发站出发的列车k'使用；若列车k由始发站出发，需要与到达对向终点站的一列车k’组成接续关系，以保证k有车底使用。
[0137]
(4)资源占用：通常城市轨道交通资源占用主要包括站内轨道和配线资源，其中站内轨道资源占用已在“列车运行安全保障”中体现，本发明提出的方法将终点站折返线占用抽象描述为：
[0138][0139]
式中，当列车k早于列车k'进入终点站s的折返线时为1，否则为0；当列车k'进入折返线的时间早于列车k完成折返时为1，否则为0；cs为终点站s折返线的最大容量。
[0140]
(5)调整方案制定期内列车运行原则：在实际运行中，发生突发事件后的调整方案制订期内一般会安排列车在各站停车等待，或在区间内降速运行以等待行车调度员下发运行调整方案，便于方案实施。
[0141]
调整方案制订期内列车运行原则的数学约束如下：
[0142][0143]
式中t
dis
为突发事件的发生时间，t
dec
表示运行制定调整方案所需的时长，和分别表示列车k到达和离开车站i的原始计划时间。具体而言，第一行公式用于刻画列车在车站停车等待的行为，第二行公式用于刻画列车在区间内降速运行的行为。
[0144]
关键技术2：梳理现实中行车调度员常用的列车运行调整策略，主要包括“列车小交路折返”、“列车暂停运行”和“列车重新上线运行”等。上述策略的实际实施过程中需要满足相应的作业时间、线路资源占用、列车车底周转等约束，明确每一种运行调整策略的实施过程并抽象表达为数学公式。结合关键技术1和关键技术2，以最小化列车总延误和各站列车取消惩罚为目标，建立列车运行调整方案优化模型。
[0145]
(1)列车小交路折返策略：列车运行至非终点站后清客，并通过配线折返至对向轨道继续运行。小交路折返策略的实施在物理层面需要考虑线路配线设置情况，同时在运营
层面考虑小交路折返作业所需时间，本发明提出的方法将此调整策略抽象描述为：
[0146]yki
≤criꢀꢀꢀ
k∈k,i∈i
[0147][0148][0149]
式中，当车站i配置渡线或与双向轨道连通的停车线时cri为1，否则为0；和分别为列车在车站i小交路折返所需最小作业时间和最大允许作业时间；当列车k在车站i小交路折返时y
ki
为1，否则为0；当列车k在车站i小交路折返且列车k'在对向车站s-i 1与其接续时为1，否则为0；m为一个极大的正数。
[0150]
(2)列车暂停运行策略：在线上运行的列车可以中途暂停运行，其车底可以临时存放在停车线或直接返回车辆段/停车场，以此减少故障区间前的运行压力。此策略的实施在物理层面需要考虑线路停车线和配套设施的设置情况，以及配线和设施的容量限制，本发明提出的方法将此调整策略抽象描述为：
[0151][0152][0153][0154]
式中，当列车k在车站i暂停运行时x
ki
为1，否则为0；当列车可以在车站i暂停运行时sti为1，否则为0；cpi为与车站i连接的停车线、车辆段或停车场的总容量；n
rs
为线上运行的车底总数。
[0155]
此外，与双向轨道连通的停车线既可以发挥停车线作用也可以发挥渡线作用，但上述两种功能存在潜在冲突，即有列车暂时存放在停车线时，其余列车无法在此处小交路折返，本发明提出的方法对此类冲突描述为：
[0156][0157][0158][0159]
式中为列车k开始存放在车站i处停车线的时间；为列车k在车站i完成折返作业的时间。和分别表示列车k到达和离开车站2s-i 1的时间；当列车k在车站2s-i 1暂停运行时，x
k(2s-i 1)
等于1，否则等于0。
[0160]
(3)列车重新上线运行策略：为在突发事件结束后恢复线路的运输能力，需要安排暂停运行的列车在不干扰其余列车的前提下重新上线运行，此策略的实施在物理层面需要考虑线路停车线和配套设施的设置情况和设施内的可用车底数限制，还应在运行层面考虑与列车暂停运行策略的逻辑关系，本发明提出的方法将此调整策略抽象描述为：
[0161][0162][0163]
式中，当列车k从车站i出发重新上线运行时p
ki
为1，否则为0；当列车k'在车站i暂停运行的时间早于列车k由此重新上线运行的时间时为1，否则为0；当列车k'早于列车k由车站i出发重新上线运行时为1，否则为0；bti为与车站i连接的停车线、车辆段或停车场内的备用车底数量。
[0164]
(4)优化目标：本发明方法的优化目标是尽量减少列车总延误，同时减少因列车折返、暂停运营导致列车取消情况的发生，该目标可以描述为：
[0165][0166]
式中，当列车k在调整后到达车站i时z
ki
为1，否则为0；pe为列车在某车站取消后的惩罚值。
[0167]
至此，本发明提出的方法已将突发事件下的城市轨道交通列车运行调整问题抽象化并建立列车运行调整方案优化模型。
[0168]
关键技术3：用于求解突发事件列车运行调整方案优化模型的算法。该算法以“贪心算法”思想为基础，结合“列车时刻表推算方法”，将列车调整策略选择二元变量与列车在各站的到达和出发时间变量分离，可在较短时间内得到优质的列车运行调整方案。除具有高效性的特点外，与传统启发式算法(如遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等)相比较，该算法具有较高的稳定性。
[0169]
(1)基于贪心算法的列车运行调整优化算法：是一种较为高效的算法，该算法的特点是随着迭代寻优过程的进行，原问题被逐步简化为规模更小的子问题，可以大大提高求解效率。具体到突发事件下的列车运行调整方案优化问题，减少列车延误的重点是为在突发事件持续期内通过能力瓶颈区域的列车选择合理的运行调整策略，缓解瓶颈区域的列车拥堵。图1为基于贪心算法的列车运行调整优化算法流程图。
[0170]
首先，将突发事件的影响方式与原计划列车时刻表进行对比，评估线路通行能力下降程度，并估算需要采取列车运行调整策略的列车总数g：
[0171][0172]
式中t
dis
为突发事件的预计持续时间，为原计划列车时刻表中车站i的列车到达间隔。
[0173]
其次，贪心算法中每一轮的迭代对象为列车，依据到达能力瓶颈区域的先后依次进入迭代轮次。在每一轮迭代中，依据当前对象列车在突发事件发生时的位置和线路配线及设施设置情况，遍历其所有可能采取“列车小交路折返”和“列车暂停运行”策略的车站位置并假设采用相应运行调整策略。
[0174]
然后，对于每一种假设采用的运行调整策略，使用“列车时刻表推算方法”获得对应调整后的列车时刻表，并计算该列车时刻表对应的目标值即列车总延误和各站列车取消惩罚总和。若目标值小于当前最优方案对应的目标值，则将该运行调整策略更新为当前迭代对象列车的运行调整策略，并更新当前运行调整方案为最优方案，否则不更新最优方案。
[0175]
最后，当迭代过程满足结束条件：采取列车运行调整策略的总车数到达g时，依据最优方案中“列车暂停运行”策略的选择情况和目前调整后的列车时刻表，安排备用列车利用通行能力下降产生的较大运行间隔插空上线运行。
[0176]
(2)列车时刻表推算方法：由于突发事件下的城市轨道交通列车运行调整问题包含大量决策变量，且变量种类包含二元变量与连续型变量，仅通过贪心算法难以在可接受时间范围内得到高质量解。因此，本发明提出的方法还包含一个列车时刻表推算方法，其方法流程如图2所示。
[0177]
首先，列车时刻表推算方法的使用基于线路原始列车时刻表和各列车的运行调整策略选择方案，根据调整后各列车的先后顺序依次推算其在各车站的到达和出发时间。
[0178]
其次，具体到列车在各站的到达和出发时间推算过程中，该方法考虑了以下因素保证运行调整方案的安全性和可实施性：a)列车最小安全运行间隔，b)区间最小运行时间，c)站内最小停车时间，d)决策制定期内列车运行原则，e)列车到达和出发时间不早于原计划列车时刻表的时间。
[0179]
然后，在列车时刻表推算过程中，需要考虑不同运行调整策略的影响，如“列车暂停运行”和“列车小交路折返”因列车清客造成停站时间延长，后者还将直接影响对向列车的运行需保证列车间的安全间隔，列车进入和离开配线时依据配线形式需要考虑额外的司机换端时间等。
[0180]
最后，在推算完一列车的各站到达和出发时间后，需要及时更新当前线路各站最新的资源占用以及车底周转信息，供后续列车推算时参考使用，避免资源占用冲突。
[0181]
需要说明的是，θ
ki
、cri、sti、为二元变量，这类变量只能取0或者1；y
ki
、x
ki
、p
ki
、z
ki
为二元决策变量，是模型的直接求解对象，这类变量只能取0或者1。
[0182]
2、城市轨道交通列车运行调整方案优化系统
[0183]
基于本发明提出的优化方法，设计一种城市轨道交通列车运行调整方案优化系统，该系统可辅助相关领域人员制定列车运行调整方案，且对方案和评价指标进行可视化展示。具体而言，本系统包含“数据读取与管理”、“运行调整方案生成”、“人工修改方案”、“突发事件信息更新”、“衔接当日运行计划”和“调整方案展示与输出”6个功能模块。该系统的业务流程如图3所示，各模块的功能流程设计方案描述如下。
[0184]
关键模块1：数据读取与管理模块
[0185]
数据读取与管理模块用于读取本地数据文件、参数修改以及完整数据保存等，完
成读取和管理工作后，将数据分类打包传递给其余模块。
[0186]
本地数据文件包括：“线路配置数据”、“列车作业数据”和“运营计划数据”3类数据。其中线路配置数据主要包括车站位置及名称、各种类配线的设置情况、车辆段和停车场位置及属性和线路备用车底数等；列车作业数据主要参考线路的技术作业文件，包括安全间隔、区间运行时间、停站时间、折返作业时间和清客作业时间等；运营计划数据主要包括当日的原始列车运行图以及车底周转计划。
[0187]
结合所需数据种类以及数量，本系统使用excel文件进行数据的读取，不同种类的数据存储于不同的子表格中。除了数据的读取外，本发明设计的系统还支持对数据的编辑及再储存，以保证运行调整结果的适用性。
[0188]
关键模块2：运行调整方案生成模块
[0189]
运行调整方案生成模块用于根据突发事件信息以及计划列车时刻表，系统后台自动调用本发明提出的列车运行调整方案优化方法得到列车运行调整方案。该模块功能实现步骤如下：
[0190]
1)向运行调整方案生成模块输入突发事件所处位置、对线路通行能力的影响程度、事件发生时间以及预计的持续影响时间，结合事先读取的各类数据设置列车运行调整方案优化模型所需参数；
[0191]
2)评估线路通行能力下降程度并估算需要实施调整策略的列车总数，根据突发事件的发生时间提取潜在受影响列车集合，并调用贪心算法依次对集合中的列车选择可能采取的运行调整策略作为备选运行调整策略。
[0192]
3)依据贪心算法迭代过程中产生的备选运行调整策略，使用列车时刻表推算方法得到对应完整的列车时刻表，并计算列车总延误和各站列车取消惩罚值，经过对比后选择差异与惩罚值最小的运行调整策略作为当前迭代对象列车的运行调整策略。并返回步骤(2)进行下一轮迭代，直至已调整列车总数g达到事先估算的需要采取列车运行调整策略的列车总数g，迭代结束。
[0193]
4)得到的列车运行调整方案以列车运行图的方式展示。
[0194]
关键模块3：人工修改方案模块
[0195]
虽然提出的优化方法可在短时间内得到质量较好的运行调整方案，但本发明设计的城市轨道交通列车运行调整方案优化系统仍然保留了在自动生成方案的基础上进行人工修改的功能，以结合行车调度员自身经验更加符合实际场景需求。该模块的技术路线图如图4所示，功能的实现步骤如下：
[0196]
1)通过鼠标点击列车运行图展示界面的列车运行线选择需要修改运行调整策略的列车，可修改的内容包括：实施“列车小交路折返”、“列车暂停运行”和“列车重新上线运行”调整策略的车站，以及取消当前列车所有已选运行调整策略。所选列车的当前策略选择与可能的策略修改方式对应关系如图5所示。
[0197]
2)根据用户选择的运行调整策略修改方式，系统自动将其转化为对应列车的决策变量，使用内置的列车时刻表推算方法得到运行调整方案修改后的列车时刻表，并展示相应的列车运行图。
[0198]
3)系统内还设计了“撤销”和“恢复”功能，方便用户切换多次修改后的方案。
[0199]
关键模块4：突发事件信息更新模块
[0200]
在运行调整方案生成模块中，需要向运行调整方案生成模块输入突发事件相关信息，其中预计的持续影响时间通常由现场人员根据经验预估，随着事件处置进程推进，突发事件信息的更新将影响列车运行调整方案。因此，系统设计包含突发事件信息更新模块，其技术路线如图6所示，该模块功能的实现步骤如下：
[0201]
1)突发事件信息更新时，向系统输入信息更新的时间以及目前的突发事件预计结束时间。
[0202]
2)提取目前运行调整方案中所有采取调整措施的列车集合，并依据策略实施时间进行升序排序。对该集合中的列车从后往前依次取消运行调整策略，直到方案中策略实施时间早于突发事件信息更新时间，并保留当前的运行调整方案。
[0203]
3)调用本发明提出的优化方法，以当前的运行调整方案和新的突发事件预计结束时间为基础，使用贪心算法和列车时刻表推算方法更新列车运行调整方案，并展示相应的列车运行图。
[0204]
关键模块5：衔接当日运行计划模块
[0205]
为保证优化求解效率，本发明提出的列车运行调整方案优化方法并非是对当日完整列车运行图的调整，而是主要关注突发事件持续时段以及后续线路运输能力恢复阶段。为保证后续列车运行可以顺利过渡至原始运行计划，需要将列车运行调整方案与当日后续运行计划进行衔接，该模块技术路线如图7所示，功能实现步骤如下：
[0206]
1)提取运行调整方案中最后一列车在各站的到发时间，并与当日原始列车运行计划进行比较，寻找与运行调整方案中最后一列车在各站的到发时间最接近的原始列车运行计划。
[0207]
2)提取该最接近的原始列车运行计划之前的且在突发事件发生后的原始列车运行计划。
[0208]
3)在不扰乱列车运行调整方案中的列车运行调整策略选择结果的前提下，依据步骤2)提取的原始列车运行计划赋予后续各车次相应的列车运行决策变量，并使用列车时刻表推算方法推算当日后续完整的列车时刻表，并展示相应的列车运行图。
[0209]
关键模块6：调整方案展示与输出模块
[0210]
为向用户直观展示运行调整方案，系统操作界面可以直观展示列车运行调整方案对应的列车运行图，图中包括各列车在各站的到达和出发时间。系统内还包括列车运行调整策略选择结果展示，通过文字具体描述列车在车站采取的运行调整措施，方便行车调度员下发列车运行调整命令。
[0211]
此外，系统根据《城市轨道交通运营指标体系》自动计算列车运行指标，具体包括各运行方向的停运列车数、终到晚点超过5分钟的列车数、最大终到晚点时间和总清客次数。
[0212]
最后，系统可将运行调整方案转化为.xls格式的列车时刻表文件和.png格式的列车运行图文件并在本地保存。
[0213]
一种城市轨道交通列车运行调整方案优化方法，该方法包含以下关键技术：
[0214]
1)该方法以现实运营中常见的“线路通行能力下降”为主要突发事件背景，将列车运行调整问题抽象化表达为数学优化模型。特别考虑到城市轨道交通列车周转时间短、安全间隔小的运营特点，以及线路配置的配线、车辆段、停车场和备用车底资源的利用。模型
中除了构建“列车运行间隔”、“作业时间”等一般约束外，还构建了“车底周转接续”、“线路资源占用”和“调整方案制定期内列车运行”约束，提高了模型的适用性。
[0215]
2)该方法考虑的列车运行调整策略包括：“列车小交路折返”、“列车暂停运行”和“列车重新上线运行”3种行车调度员常用的策略。针对以上策略，该方法分析了不同策略间的影响以及相应资源的潜在占用冲突。最后以最小化列车总延误和各站列车取消惩罚为目标函数，建立完整的列车运行调整方案优化模型。
[0216]
3)该方法包含一种专用的模型求解算法，该算法基于贪心算法设计，并结合列车时刻表推算方法。其特点在于将运行调整策略二元决策变量与列车到达和出发时间连续型变量分离，降低问题求解难度并有效提升了求解效率。
[0217]
一种城市轨道交通列车运行调整方案优化系统，该系统包含以下关键模块：
[0218]
1)数据读取与管理模块：该模块用于对系统运行所需数据的读取和管理，数据类型主要包括“线路配置数据”、“列车作业数据”和“运营计划数据”共3类。完成读取和管理工作后，将数据分类打包传递给其余模块。
[0219]
2)运行调整方案生成模块：该模块内置上述列车运行调整方案优化方法，通过输入突发事件相关信息，系统后台自动建立对应的数学模型并调用算法进行迭代求解，快速得到高质量运行调整方案并进行图像化展示。
[0220]
3)人工修改方案模块：该模块支持用户依据个人偏好对运行调整方案进行修改，根据用户的策略输入，模块自动修改相应决策变量值并使用列车时刻表推算方法快速输出修改方案对应的列车时刻表和列车运行图。该模块还支持“撤销”与“恢复”功能。
[0221]
4)突发事件信息更新模块：该模块用于在突发事件信息更新后对列车运行调整方案进行自动修改，在不改变已经实施的调整策略的前提下，优化后续列车运行调整方案。
[0222]
5)衔接当日运行计划模块：该模块主要用于衔接列车运行调整方案和当日后续运行计划，使线路列车运行由调整时段内的列车时刻表顺利过渡至原始计划列车时刻表，达到完全恢复运行计划的目的。
[0223]
6)调整方案展示与输出模块：该模块用于列车运行调整方案的可视化展示，通过列车运行图和文字来描述具体方案以及对后续列车的影响，还依据《城市轨道交通运营指标体系》对运行调整方案进行了评价指标统计和展示。此外该模块支持对列车运行调整方案的输出，可以将方案保存为列车时刻表和列车运行图文件便于后续查看。
[0224]
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范围。
[0225]
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。