高速铁路列车停站方案与运行图协同优化理论与方法

摘要

通过长期的铁路建设和发展，中国铁路基础设施已经赶上甚至超过一些发达国家，铁路运输能力紧张得到了极大的缓解，已经能较好地满足旅客的铁路出行需求。截至2015年底中国高速铁路的营业里程已经达到1.9万公里，根据国务院于2016年修编的《中长期铁路网规划》，到2020年，中国铁路网规模将达到15万公里，其中高速铁路3万公里。到2025年，铁路网规模将达到17.5万公里左右，其中高速铁路3.8万公里左右，保障如此大规模的高速铁路有条不紊地高质量运行将面临前所未有的挑战。
　　高速铁路运输组织的理论和方法是高速铁路安全平稳运行、满足旅客需求、确保铁路经济和社会效益的重要保障，而高速铁路停站方案和列车运行图正是高速铁路运输组织的重要内容。停站方案的设置在很大程度上反映旅客服务水平和铁路资源的配置，而且影响列车运行图结构的设计，从而影响运行图的通过能力。因此，研究高速铁路列车停站方案和列车运行图协同优化问题，具有重要的理论价值和现实意义，期望为高速铁路运输组织理论和方法提供新的内容和视角。
　　本文以高速铁路列车停站方案和运行图为研究对象，试图建立停站方案和运行图协同优化理论。一方面，从停站方案的均衡性和可达性着手，旨在提高铁路运输的服务水平，期望制定科学合理、方便旅客的停站方案;另一方面，以列车停站方案为基础，优化列车运行图的结构，期望编制出高质量的列车运行图，提高铁路通过能力的利用。在参考国内外专家学者研究成果的基础上，建立了相关问题的优化数学模型，设计了模型的有效求解算法，并用2015年京沪高速铁路数据进行了验证。
　　论文的主要研究工作如下:
　　(1)从理论研究和客观现实两个方面分析了选题背景，阐述了高速铁路列车停站方案和列车运行图协同优化的必要性及进行深入研究的意义。对高速铁路列车停站方案和列车运行图编制的研究成果进行了综述，从而把握了高速铁路列车停站方案和列车运行图编制的研究现状和前沿动态，了解了研究对象的发展历程、研究视角、所建模型和求解算法，为本文的研究内容的展开奠定了一定的基础。
　　(2)研究基于均衡性和可达性的高速铁路列车停站方案的优化模型及算法。通过对高速铁路停站方案的概述，主要介绍停站方案与开行方案的关系，分析了停站方案的种类和主要影响因素。建立了基于均衡性和可达性的高速铁路列车停站方案的优化数学模型，并采用了遗传模拟退火算法对其进行求解，最后用京沪高速铁路进行了实例测算。将原方案与优化方案进行对比，由遗传退火算法求解得到的优化停站方案的均衡性有显著提高，可达性指数提高约2.32％，总体效果良好。
　　(3)研究基于停站方案的高速铁路列车运行图结构的优化模型及算法。在分析列车停站方案对运行图通过能力影响的基础上，对列车运行图结构优化问题进行了分析并将其转化为TSP问题。构造了与问题相适应的遗传算法，用2015年京沪高速铁路数据进行了实例验证，并对比分析了原方案和优化方案，优化方案的总用时比现行方案减少133min，约21.2％。

目录

声明

摘要

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 列车停站方案的研究现状

1．2．2 高速铁路运行图的研究现状

1．3 亟待解决的问题

1．4 论文研究目标、研究内容、拟解决的问题

1．4．1 研究目标

1．4．2 研究内容

1．4．3 拟解决的问题

1．5 论文研究方法、研究方案和论文结构

1．5．1 研究方法

1．5．2 研究方案

1．5．3 论文结构

第2章 算法理论基础

2．1 遗传算法

2．1．1 遗传算法的基本原理和流程

2．1．2 遗传算法的基本要素

2．1．3 遗传算法的特点

2．2 遗传算法在TSP中的应用

2．3 模拟退火算法

2．3．1 模拟退火算法的基本原理和流程

2．3．2 模拟退火算法的基本要素

2．3．3 模拟退火算法的特点

2．4 遗传模拟退火算法

2．5 本章小结

第3章 高速铁路列车停站方案与运行图协同优化策略

3．1 高速铁路列车运行图的特点

3．2 停站方案对运行图通过能力的影响

3．3 高速铁路列车运行图结构的影响因素

3．4 高速铁路列车停站方案与运行图协同优化的必要性

3．5 高速铁路列车停站方案与运行图协同优化的原则

3．6 高速铁路列车停站方案与运行图协同优化的策略设计

3．6．1 停站方案的均衡性

3．6．2 停站方案的可达性

3．6．3 高速铁路列车停站方案与运行图编制的两阶段优化策略

3．6．4 高速铁路列车停站方案与运行图协同优化的调整策略

3．7 本章小结

第4章 基于均衡性和可达性的高速铁路列车停站方案优化模型及算法

4．1 高速铁路列车停站方案概述

4．1．1 停站方案的定义

4．1．2 停站方案与开行方案的关系

4．1．3 停站方式的种类

4．1．4 停站方案的影响因素

4．2 问题分析

4．3 基于均衡性和可达性的高速铁路列车停站方案优化模型

4．3．1 基本概念和符号说明

4．3．2 高速铁路列车停站方案优化模型的建立

4．4 基于均衡性和可达性的高速铁路列车停站方案优化算法

4．5 实例验证

4．5．1 案例背景

4．5．2 案例求解

4．5．3 结果分析

4．6 本章小结

第5章 基于停站方案的高速铁路列车运行图结构优化模型及算法

5．1 问题分析

5．2 高速铁路列车运行图结构的优化模型

5．2．1 符号说明和两个定义

5．2．2 高速铁路列车运行图结构优化模型的建立

5．3 高速铁路列车运行图结构优化模型的求解算法

5．4 实例验证

5．4．1 案例背景

5．4．2 参数设定

5．4．3 模型求解与结果分析

5．5 本章小结

结论

1 论文的主要工作与成果

2 主要创新点

3 研究展望

致谢

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果