基于虚拟编组技术的大小交路运营开行优化方法与流程

1.本发明涉及城市轨道交通运营领域，特别涉及一种基于虚拟编组技术的大小交路运营开行优化方法。


背景技术：

2.近年来，随着城市轨道交通的快速发展，线路条数增加、网络日益复杂、客流时空分布不均衡性日益凸显。若采用常规单一交路运营，往往会导致同一条线路上高断面区间和低断面区间满载率差异过大，运能浪费。大小交路结合多编组运营组织，是指在不同区段，通过运营不同发车频次以及不同编组的列车来适应客流分布的不均衡性，从而实现减少运用车数量，提高车体利用率，减少运营成本以及乘客等待时间的目标。
3.然而，改变编组所需的拆改作业，不仅对场地、设备设施条件有较高要求，其作业时间对车站和线路都有一定的能力损失。使用无线通信代替机械联挂的虚拟编组技术(virtual coupling)突破了这一限制，这一技术为依据客流时空分布状态开行分时段、分区段灵活编组列车提供了保障。虚拟编组技术最早是由欧洲铁路部门提出，多个列车单元间基于车-车无线通信交互位置、速度、加速度等信息，实现相同或不同型号列车在运营过程中虚拟联挂，并能完成在线、实时、快速编组或解体。虚拟编组技术突破了改变编组对特定场地和作业时间的限制，带来了城轨运营组织模式的创新。图1和图2为虚拟联挂和虚拟解编示意图，通过在折返站对列车进行解编或重联，可同时满足不同交路区段的运力匹配要求以及发车时间间隔要求。可见，虚拟编组技术下的实时动态编组，极大丰富了大小交路等运营模式的实现方式。
4.目前，国内已有部分学者对虚拟编组技术进行了研究，如荀径等人[荀径,陈明亮,宁滨,唐涛,董海荣.虚拟重联条件下地铁列车追踪运行性能衡量[j].北京交通大学学报,2019,43(01):96-103]探讨了虚拟重联技术需要的安全制动模型,针对车站瓶颈区域提出了虚拟重联模型和车站追踪改进模型。宋志丹等人[宋志丹,徐效宁,李辉,万林.面向虚拟编组的列控技术研究[j].铁道标准计,2019,63(06):155-159]提出面向虚拟编组的列控技术实现方案。曹源等人[曹源,温佳坤,马连川.重大疫情下基于虚拟编组的列车动态编组与调度[j/ol].交通运输工程学]提出了重大疫情下应用虚拟编组技术对城轨列车进行重新编组，以提高列车编组与调度的灵活性。张琦等人[张琦,白佳薇,韩宝明,鲁放,李得伟,周玮腾.一种采用虚拟编组技术的快慢车实时编解运行组织方法[p].中国专利：zl202110370879.9]提出了采用虚拟编组技术的快慢车实时解编运行组织方法。
[0005]
在大小交路与多编组相结合方面，雷晓瑜等人[雷晓瑜,杨国飞,易晨阳等.轨道交通灵活编组及其组合运输组织特点的探讨[j].铁道运输与经济,2015,37(9):64-69]依据国内外城市轨道交通灵活编组的运用情况，总结了多编组模式的适用范围。许得杰等人[许得杰,毛保华,雷莲桂.城市轨道交通大小交路列车开行方案优化研究[j].交通运输系统工程与信息,2017(1)]将小交路折返站方案、列车编组方案均作为决策变量，构建了大小交路列车开行方案优化模型，得出了大小交路列车编组数相差不宜过大的结论。毛保华等人[毛
保华，刘明君，黄荣等.城市交通网络化运营组织理论与关键技术[m].北京：科学出版社，2011]从客流需求、经济成本、拆改方式、车站条件等方面分析了多编组技术的适用性。王永岗等人[王永岗，张俊，武艳，等.基于断面客流特征的城市轨道交通行车组织优化方法[j].城市轨道交通研究，2017，20(4)：11-16]运用railsys仿真软件为优化模型标定了不同交路区段中列车的运行时分、速度等相关参数，并利用隶属度函数求得模糊最优解，求解出大小交路的列车编组数量及行车间隔。刘意等[刘意，陈东.城市轨道交通列车大小交路开行方案优化[j].铁道运输与经济,2019,41(02):121-126]基于“运行图周期分析法”理论确定不同交路区段中列车运行图周期，以乘客在站候车时间成本、车辆固定运营成本以及虚糜运能成本最小化为目标函数，优化求解列车开行数量、行车间隔以及编组数。禹丹丹[禹丹丹,韩宝明,张琦等.基于灵活编组的轨道交通列车开行方案优化方法[j].北京交通大学学报,2015,39(6)]考虑列车满载率对牵引能耗成本的影响，利用数学规划方法构建基于灵活编组模式下的多目标列车开行方案优化模型，并提出四阶段求解算法。lianbo d等[lianbo d,qiang z,wei g,etal.optimization method for train plan of urban rail transit[j].science-paper online,2010,5(10):767-772]针对线路多交路的情况，建立了地铁列车开行方案的多目标优化模型，设计了依次确定列车编组、发车频率、时段合并的三阶段求解方法。
[0006]
现有的上述研究多是通过优化交路方案、列车编组等进行运力运量匹配。针对如何实现灵活编组、以及虚拟编组技术下大小交路列车开行方案优化的研究很少。


技术实现要素：

[0007]
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于虚拟编组技术的大小交路运营开行优化方法，在分析虚拟编组技术下大小交路列车运行的基础上，基于城市轨道交通客流分布不均衡特点，构建了以列车运营里程最小为目标的城市轨道交通运力配置优化模型，通过将虚拟编组技术与大小交路运营相结合，有利于均衡区间发车间隔、提高乘客出行效率、实现不同区段运力运量匹配，并有效降低企业运营成本。
[0008]
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：
[0009]
一种基于虚拟编组技术的大小交路运营开行优化方法，包括以下步骤：
[0010]
s1、分析虚拟编组技术下大小交路列车运行过程；
[0011]
s2、基于城市轨道交通客流分布不均衡特点，构建以列车运营里程最小为目标的城市轨道交通运力配置优化模型；
[0012]
s3、根据所述城市轨道交通运力配置优化模型，计算出列车运营里程最小时的大小交路运营开行方案。
[0013]
优选地，步骤s1中，虚拟编组技术下大小交路列车运行过程包括：
[0014]
设城市轨道交通线路有车站g座，车站编号依次为1，
…
，a，
…
，b，
…
，g；其中，在线路起终点间，即车站1至车站g之间开行n1编组的大交路列车，在客流较大区段，即车站a至车站b之间开行n2编组的小交路列车，a站和b站为小交路折返站，且a《b；令m1表示大小交路列车共线运行区段，剩余区段记为m2；
[0015]
虚拟编组技术下，等比例、不同编组的大小交路列车通过在小交路折返点a站和b站进行联挂或解编，实现在m1区段运行n1 n2编组列车，在m2区段运行n1编组的列车；大小交
路列车运行过程如下：
[0016]
联挂：t1时刻，大交路上行列车n1编组与小交路上行列车n2编组在a站进行联挂，形成上行n1 n2编组列车；
[0017]
解编并折返：t2时刻，上行n1 n2编组列车行至b站进行解编，其中n1编组继续运行至线路终点站折返，另外n2编组在b站折返；
[0018]
联挂：t3时刻，折返的n2编组列车和下行方向到达b站的n1编组列车进行联挂，形成下行n1 n2编组列车；
[0019]
解编并折返：t4时刻，下行n1 n2编组列车运行至a站后进行解编，其中n1编组继续运行至线路起点站折返，另外n2编组在a站折返；
[0020]
联挂：t5时刻，在a站折返的n2编组列车与大交路上行n1编组列车进行联挂；
[0021]
以此类推。
[0022]
优选地，步骤s2中，基于城市轨道交通客流分布不均衡特点，构建以列车运营里程最小为目标的城市轨道交通运力配置优化模型具体包括：
[0023]
根据城市轨道交通沿线断面客流分布及相关运营参数，确定小交路列车折返站a和b，大小交路列车开行频率f，大交路列车编组数n1以及小交路列车编组数n2，在满足约束条件的情况下，使列车运营里程最小；
[0024]
所述约束条件包括：满载率约束、可用列车数约束、可用车辆数约束、线路通过能力约束、乘客可接受的最大发车间隔约束、考虑到站台长度的最大编组数约束、整数约束。
[0025]
优选地，以z表示车公里，模型的最小车公里计算公式如式(1)所示：
[0026][0027]
其中：
[0028]
大交路长度d1为：
[0029]
小交路长度d2为：
[0030]
约束条件如下：
[0031][0032][0033][0034][0035]
[0036][0037][0038]
式中，nh是交路h编组数，h＝1,2分别表示大交路和小交路；c是列车单节编组定员，单位：人；n是线路可用列车数，单位：列；m是线路可用车辆数，单位：辆；di是i站与i 1站的距离，i≤g-1,单位：km；dh是交路h的交路长度，单位km；i
max
,i
min
分别是列车的最大和最小发车间隔，单位：min；th是交路h列车全周转时间，单位：min；uk是区段k的上下行方向的最大断面客流量，单位：人次/h；n
max
是列车最大编组，单位：辆；
[0039]
其中，式(2)和式(3)是满载率约束，η
min
和η
max
分别表示区段内最大断面区间的满载率上下限；式(4)为可用列车数约束，式(5)为可用车辆数约束，其中t1和t2分别为大交路和小交路列车的全周转时间，由折返时间、区间运行时间、以及站停时间组成；式(6)为乘客可接受的最大发车间隔约束；式(7)为考虑到站台长度的最大编组数约束；式(8)为整数约束。
[0040]
优选地，步骤s3中，利用lingo软件对所述城市轨道交通运力配置优化模型进行求解，得到列车运营里程最小时的大小交路运营开行方案，包括小交路列车折返站a和b，大小交路列车开行频率f，大交路列车编组数n1以及小交路列车编组数n2。
[0041]
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
[0042]
本发明实施例中，从虚拟编组技术下大小交路列车如何运行展开分析，以车公里最小为优化目标，构建城市轨道交通运力配置优化模型，得出基于虚拟编组技术下的大小交路列车开行方案优化方法。最后通过具体的算例，验证了在虚拟编组技术结合大小交路运营模式下，有利于均衡区间发车间隔、提高乘客出行效率、实现不同区段运力运量匹配，并有效降低企业运营成本，对城市轨道交通的列车运行图研究与编制具有重要意义。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0044]
图1是虚拟联挂示意图；
[0045]
图2是虚拟解编示意图；
[0046]
图3是本发明实施例提供的基于虚拟编组技术的大小交路运营开行优化方法的流程图；
[0047]
图4是虚拟编组下大小交路列车运行过程示意图；
[0048]
图5是大小交路运营示意图；
[0049]
图6是4-大兴线上下行断面客流分布图；
[0050]
图7是10号线上下行断面客流分布图；
[0051]
图8是4-大兴线交路和编组方案示意图；
[0052]
图9是4-大兴线列车运行示意图；
[0053]
图10是10号线交路和编组方案示意图；
[0054]
图11是10号线列车运行示意图。
具体实施方式
[0055]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0056]
本发明的实施例提供了一种基于虚拟编组技术的大小交路运营开行优化方法，如图3所示，所述方法包括以下步骤：
[0057]
s1、分析虚拟编组技术下大小交路列车运行过程；
[0058]
s2、基于城市轨道交通客流分布不均衡特点，构建以列车运营里程最小为目标的城市轨道交通运力配置优化模型；
[0059]
s3、根据所述城市轨道交通运力配置优化模型，计算出列车运营里程最小时的大小交路运营开行方案。
[0060]
进一步地，参考图4和图5，步骤s1中，虚拟编组技术下大小交路列车运行过程包括：
[0061]
设城市轨道交通线路有车站g座，车站编号依次为1，
…
，a，
…
，b，
…
，g；其中，在线路起终点间，即车站1至车站g之间开行n1编组的大交路列车，在客流较大区段，即车站a至车站b之间开行n2编组的小交路列车，a站和b站为小交路折返站，且a《b；令m1表示大小交路列车共线运行区段，剩余区段记为m2；
[0062]
虚拟编组技术下，等比例、不同编组的大小交路列车通过在小交路折返点a站和b站进行联挂或解编，实现在m1区段运行n1 n2编组列车，在m2区段运行n1编组的列车，可同时满足不同交路区段运力匹配需求与发车间隔的要求。
[0063]
具体地，大小交路列车运行过程如下：
[0064]
(1)联挂：t1时刻，大交路上行列车n1编组与小交路上行列车n2编组在a站进行联挂，形成上行n1 n2编组列车；
[0065]
(2)解编并折返：t2时刻，上行n1 n2编组列车行至b站进行解编，其中n1编组继续运行至线路终点站折返，另外n2编组在b站折返；
[0066]
(3)联挂：t3时刻，折返的n2编组列车和下行方向到达b站的n1编组列车进行联挂，形成下行n1 n2编组列车；
[0067]
(4)解编并折返：t4时刻，下行n1 n2编组列车运行至a站后进行解编，其中n1编组继续运行至线路起点站折返，另外n2编组在a站折返；
[0068]
(5)联挂：t5时刻，在a站折返的n2编组列车与大交路上行n1编组列车进行联挂；
[0069]
以此类推。
[0070]
虚拟编组技术能够完成列车在线、实时、快速编组或解体，突破了改变编组对特定场地和作业时间的限制，带来了城轨运营组织模式的创新。
[0071]
进一步地，步骤s2中，基于城市轨道交通客流分布不均衡特点，构建以列车运营里程最小为目标的城市轨道交通运力配置优化模型具体包括：
[0072]
根据城市轨道交通沿线断面客流分布及相关运营参数，确定小交路列车折返站a
和b，大小交路列车开行频率f，大交路列车编组数n1以及小交路列车编组数n2，在满足约束条件的情况下，使列车运营里程最小，进而使企业运营成本最小。
[0073]
其中，所述约束条件包括：满载率约束、可用列车数约束、可用车辆数约束、线路通过能力约束、乘客可接受的最大发车间隔约束、考虑到站台长度的最大编组数约束、整数约束等。
[0074]
具体地，以z表示车公里，模型的最小车公里计算公式如式(1)所示：
[0075][0076]
其中：
[0077]
大交路长度d1为：
[0078]
小交路长度d2为：
[0079]
约束条件如下：
[0080][0081][0082][0083][0084][0085][0086][0087]
式中，nh是交路h编组数，h＝1,2分别表示大交路和小交路；c是列车单节编组定员，单位：人；n是线路可用列车数，单位：列；m是线路可用车辆数，单位：辆；di是i站与i 1站的距离，i≤g-1,单位：km；dh是交路h的交路长度，单位km；i
max
,i
min
分别是列车的最大和最小发车间隔，单位：min；th是交路h列车全周转时间，单位：min；uk是区段k的上下行方向的最大断面客流量，单位：人次/h；n
max
是列车最大编组，单位：辆；
[0088]
其中，式(2)和式(3)是满载率约束，η
min
和η
max
分别表示区段内最大断面区间的满载率上下限；式(4)为可用列车数约束，式(5)为可用车辆数约束，其中t1和t2分别为大交路和小交路列车的全周转时间，由折返时间、区间运行时间、以及站停时间组成；式(6)为乘客可接受的最大发车间隔约束；式(7)为考虑到站台长度的最大编组数约束；式(8)为整数约束。
[0089]
进一步地，步骤s3中，利用lingo软件对所述城市轨道交通运力配置优化模型进行求解，得到列车运营里程最小时的大小交路运营开行方案，包括小交路列车折返站a和b，大小交路列车开行频率f，大交路列车编组数n1以及小交路列车编组数n2等。
[0090]
下面通过具体的算例对本发明方法进行更详细的阐述。
[0091]
截至2018年年底，北京地铁共有22条运营线路，391座车站。其中，地铁4-大兴线和10号线是北京地铁网络中最长、列车开行对数也是最多的两条线路。以下以2018年10月某工作日在平峰运营时段(10:00-12:00)的客流数据为基础，运用本发明构建的模型进行算例分析。
[0092]
图6和图7分别为北京地铁4-大兴线和10号线上下行断面客流分布示意图。从图中可以看出，这两条线路客流都具有客流分布不均衡程度较高、高断面区段分布较为集中的特征。在这种长大线路上开行单一大交路列车势必会造成多数区间的运能浪费。结合两条线路客流分布情况以及折返站布置，将“安河桥北-公益新桥”和“巴沟-宋家庄”分别设定为4-大兴线和10号线小交路列车运行区段。
[0093]
平峰时期，列车满载率约束中的最小和最大满载率分别设为20％和80％，最大发车间隔10分钟，最小发车间隔为4分钟。其它参数如下表1所示：
[0094]
表1 4-大兴线和10号线运营参数
[0095][0096]
利用lingo软件对模型求解，得到两条线路的运力优化配置方案，结果如下表2所示：
[0097]
表2 4-大兴线和10号线运力优化方案
[0098][0099]
其中，4-大兴线的优化方案以及列车运行示意图如图8和9所示，10号线的优化方案以及列车运行示意图如图10和11所示。
[0100]
以下分别列出了4-大兴线和10号线这两条线路在单一交路运营，大小交路运营，
虚拟编组结合大小交路三种运营模式下的优化方案、服务质量、运力运量匹配、以及运营成本四个方面指标，见表3和表4所示：
[0101]
表3 4-大兴线不同运营方式下方案对比
[0102][0103]
注：若单元格中为x,y两个指标，其中x表示大交路区段指标，y表示小交路区段指标。
[0104]
表4 10号线不同运营方式下方案对比
[0105][0106]
注：若单元格中为x,y两个指标形式，则x表示大交路区段指标，y表示小交路区段指标。
[0107]
从上表可以看出，与单一交路相比，大小交路运营有利于均衡区间满载率，同时减少运用列车数、车辆数以及列车运营里程。缺点在于增加了大交路区段发车间隔，难以保障此区段乘客的服务质量。
[0108]
而将虚拟编组技术与大小交路运营相结合，在保障大小交路区段以同样间隔发车的前提下(4-大兴线全线发车间隔为7.5min，10号线全线发车间隔是6min)，各区间运力运量匹配度更高，并且在节约车辆数以及列车运营里程方面效果更加显著(与大小交路运营相比，4-大兴线车辆运营里程节省了31％，10号线车辆运营里程节省了18.4％)。
[0109]
综上所述，本发明从虚拟编组技术下大小交路列车如何运行展开分析，以车公里最小为优化目标，提出基于虚拟编组技术下的大小交路列车开行方案优化方法。最后以北京地铁4-大兴线，以及10号线为算例，结果显示虚拟编组技术结合大小交路运营模式下，有利于均衡区间发车间隔、提高乘客出行效率、实现不同区段运力运量匹配，并有效降低企业运营成本，对城市轨道交通的列车运行图研究与编制具有重要意义。
[0110]
需要说明的是，在说明书中提到“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等指示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该
特定特征、结构或特性。另外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合其它实施例(无论是否明确描述)实现这种特征、结构或特性应在相关领域技术人员的知识范围内。
[0111]
通常，可以至少部分从上下文中的使用来理解术语。例如，至少部分取决于上下文，本文中使用的术语“一个或多个”可以用于描述单数意义的任何特征、结构或特性，或者可以用于描述复数意义的特征、结构或特性的组合。另外，术语“基于”可以被理解为不一定旨在传达一组排他性的因素，而是可以替代地，至少部分地取决于上下文，允许存在不一定明确描述的其他因素。
[0112]
如本文使用的，术语“标称/标称地”是指在生产或制造过程的设计阶段期间设置的针对部件或过程操作的特性或参数的期望或目标值，以及高于和/或低于期望值的值的范围。值的范围可能是由于制造过程或容限中的轻微变化导致的。如本文使用的，术语“大约”指示可以基于与主题半导体器件相关联的特定技术节点而变化的给定量的值。基于特定技术节点，术语“大约”可以指示给定量的值，其例如在值的5％-15％(例如，值的
±
5％、
±
10％或
±
15％)内变化。
[0113]
可以理解的是，本公开中的“在
……
上”、“在
……
之上”和“在
……
上方”的含义应当以最宽方式被解读，以使得“在
……
上”不仅表示“直接在”某物“上”而且还包括在某物“上”且其间有居间特征或层的含义，并且“在
……
之上”或“在
……
上方”不仅表示“在”某物“之上”或“上方”的含义，而且还可以包括其“在”某物“之上”或“上方”且其间没有居间特征或层的含义。
[0114]
此外，诸如“在
…
之下”、“在
…
下方”、“下部”、“在
…
之上”、“上部”等空间相关术语在本文中为了描述方便可以用于描述一个元件或特征与另一个或多个元件或特征的关系，如在附图中示出的。空间相关术语旨在涵盖除了在附图所描绘的取向之外的在设备使用或操作中的不同取向。设备可以以另外的方式被定向，并且本文中使用的空间相关描述词可以类似地被相应解释。
[0115]
本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件和电路等。
[0116]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读取存储介质中，如：rom/ram、磁碟、光盘等。
[0117]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。