面向铁路行车组织的仿真建模方法研究

摘要

近年来，我国铁路实现了跨越式发展。从“组织型”向“规划型”转变，既有铁路行车组织模式开始了新的变革，同时，多条客运专线、高速铁路自明年起将先后开通运行，相应的行车组织模式设计也在紧锣密鼓的进行。铁路行车组织计划的制定与优化是铁路行车组织工作的核心内容，行车组织模式的改革与发展在优化目标、制约因素、精细程度、安全可靠及时效性要求等方面为行车组织计划赋予了新的内涵。基于行车组织模式及相应行车组织计划编制方法、技术及应用的研究对铁路行车组织仿真提出了一系列更高、更新的要求。 在这一新的背景下，我们认为，面向行车组织模式研究的仿真已提到了议事日程上，特别是对行车组织计划决策过程和方法进行建模与仿真，将为行车组织计划的优化和可靠性研究，分析和实验新的行车组织模式，提供有力的支撑。面向铁路行车组织方式的仿真，在系统性、复杂性、智能性、运算规模等方面将发生巨大变化，同时在环境适应性要求方面也有很大提高。因此，开展这一研究将面临两个方面的困难，一是针对铁路行车组织智能决策活动的协作性和可演化性的仿真建模方法，二是具有高度可重用性和适应性的仿真系统构建方法。以往的铁路行车组织仿真一般将相应计划作为外部输入条件，属于对行车组织某些最终决策结果的仿真评估和检验，相应的研究方法难以解决这两个方面的难题，有必要探索新的途径。 本文以复杂适应系统理论作为研究行车组织系统发展与演变基本规律的理论基础，并将建模和系统构建两大关键活动统一在这一理论基础下。对于行车组织计划制定这样一个复杂问题，利用基于协作任务求解方式和多主体建模方法，将行车组织计划系统的决策问题分解为多个子任务，分布到若干决策主体上，通过自主决策和交互作用实现整体决策过程。利用个体间的交互所产生的复杂多变的协作行为，能自然表现不同行车组织方式下的决策过程以支持系统演化。对于在发展演变背景下仿真系统的构建，本文围绕仿真集成，利用SOI以粗粒度松散耦合方式便于支持系统流程重组和优化的优势，在先进仿真技术的代表HLA的研究成果基础上，结合SOA架构的思想实现仿真集成单元间不同层次的互操作与重用，以探索保障系统适应性和开发效率的途径。在此研究思路下，本文主要进行了如下研究工作： 1)根据铁路行车组织系统的复杂性和可演化性特征，提出以结构模型构建、单元模型构建和仿真集成三项基础活动构造铁路行车组织仿真应用的方式，建立了基于系统演化的铁路行车组织面向领域建模与仿真框架，从不同层次上实现仿真系统的可演化性，以适应行车组织仿真在发展背景下的研究需求。 2)面向铁路行车组织计划制定与优化，提出以分布的运输流主体和资源管理主体通过自主决策方式实现行车组织优化的建模思想，研究了基于协作任务求解的铁路行车组织计划建模方法，建立了基于多主体的铁路行车组织系统模型框架。以“运输流”和“运输资源与资源管理”建模为重点，利用多主体间的协作来实现行车组织计划制定的决策目标。即，以车流联盟的形式实现车流间通过协作来获得合理编组方案的车流组织问题建模；用车流联盟接续网描述了列车任务规划求解中的协作关系，并建立了车流联盟主体与车流主体间的协作求解模型；针对不同类别运行资源协作实现列车任务的要求，提出了以列车任务作为协作框架的基于“惩罚金”的列车运行资源分配协同优化方法。 3)在铁路行车组织多层次仿真集成需求下，引入基于服务的思想实现仿真集成单元间粗粒度的松散耦合集成，并结合HLA规范提出了铁路行车组织仿真集成机制，构建了基于MAS的仿真集成框架结构。在仿真集成框架的基础上，结合铁路行车组织仿真的领域共性，构建基于三个支撑功能层次的仿真支撑环境。 4)在上述研究基础上，结合路网货车集结仿真评估应用，对定编集结和定点集结两种货车集结策略，建立多层次仿真评估模型，给出了宏观仿真算例，并设计相应的仿真系统，对本文研究方法进行实例分析。 本文以探索面向铁路行车组织的仿真建模方法为目标进行研究，提出的建模与仿真框架、仿真建模方法和系统集成方法有助于解决新的发展背景下铁路行车组织仿真建模中的智能协作性、可演化性以及仿真系统构建中的适应性两个方面的难题，探索了一条能适应环境变化的铁路行车组织方式仿真研究的新途径。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1绪论

1.1问题的提出

1.2研究现状与文献综述

1.2.1国内外铁路行车组织及相关领域仿真研究及应用状况

1.2.2铁路行车组织建模方法研究

1.2.3现代仿真技术的发展与应用

1.3论文研究思路

1.4研究内容与论文结构

1.4.1论文主要研究内容

1.4.2论文篇章结构

2铁路行车组织建模与仿真框架

2.1铁路行车组织系统分析

2.1.1铁路行车组织系统的层次结构

2.1.2铁路行车组织系统特性分析

2.1.3铁路行车组织系统的复杂性

2.2铁路行车组织系统建模框架

2.2.1传统的铁路行车组织建模与仿真方式

2.2.2基于系统演化的铁路行车组织面向领域建模与仿真框架

2.2.3基于CAS的铁路行车组织建模基础

2.2.4铁路行车组织结构模型的构建

2.2.5铁路行车组织单元模型的构造

2.2.6铁路行车组织仿真集成

2.3铁路行车组织智能建模与仿真机制

3铁路行车组织多主体建模分析与模型框架

3.1基于多主体的铁路行车组织计划制定过程建模分析

3.1.1运输资源分配中的竞争与协调

3.1.2计划系统内不同计划环节的协同优化

3.2基于多主体的列车运行过程建模分析

3.2.1列车运行过程及其影响因素分析

3.2.2列车运行动态描述及其结构

3.2.3列车运行的仿真行为模式

3.3基于多主体的列车运行环境建模分析

3.3.1铁路路网建模

3.3.2铁路信号系统建模

3.4铁路行车组织系统的实体构成

3.5基于协作任务求解的铁路行车组织计划建模方式

3.5.1铁路行车组织计划制定中的协作关系

3.5.2铁路行车组织计划制定问题的任务分解

3.6铁路行车组织多主体模型框架

3.6.1铁路行车组织仿真的多主体模型结构

3.6.2车流主体的内涵与意义

3.6.3车流联盟主体的内涵与意义

3.6.4列车主体的内涵与意义

3.6.5资源主体及资源管理主体的内涵与意义

4基于多主体的运输流与运输资源建模

4.1车流主体建模

4.1.1车流主体的目标

4.1.2车流主体的动态行为与模型框架

4.1.3车流主体间的协作

4.2车流联盟主体建模

4.2.1车流联盟主体的目标

4.2.2车流联盟链多主体协作关系

4.2.3列车任务规划求解方法与车流联盟的行为框架

4.3列车主体建模

4.3.1列车主体的目标

4.3.2列车主体的动态行为与模型框架

4.3.3列车主体协作方式

4.4客运系统的行车组织建模

4.4.1旅客运输流主体的抽象

4.4.2旅客运输流主体的行为

4.5铁路运输“资源”及“资源”管理主体建模

4.5.1铁路运输资源分配与管理中决策功能的分担

4.5.2铁路运输资源管理与分配的决策过程

4.5.3基于“惩罚金”的微观运行资源分配协同方法

5铁路行车组织仿真集成方法

5.1铁路行车组织仿真的多层次模型

5.1.1铁路行车组织仿真的层次性

5.1.2基于多层次的铁路行车组织仿真

5.2仿真应用集成方法

5.3铁路行车组织仿真集成模式

5.3.1铁路行车组织多层次仿真集成面临的关键问题

5.3.2铁路行车组织仿真集成的基本原则

5.3.3铁路行车组织集成策略

5.4铁路行车组织仿真集成机制

5.4.1铁路行车组织仿真集成机制构成要素

5.4.2铁路行车组织仿真集成机制参考模型

5.5仿真集成框架及其实现方法

5.5.1铁路行车组织仿真集成框架建模分析

5.5.2基于主体的铁路行车组织仿真集成框架建模

5.6面向集成的铁路行车组织仿真支撑环境

5.6.1铁路行车组织仿真系统的一般构成

5.6.2铁路行车组织仿真支撑环境的功能

6路网货车集结计算机仿真研究实例

6.1货车集结策略仿真评估方法

6.1.1货车集结策略多层仿真评估体系

6.1.2货车集结策略仿真实验方法

6.2货车集结策略评估仿真模型的建立

6.2.1仿真评估体系的建模层次结构

6.2.2宏观评估层仿真模型的建立

6.2.3中观评估层仿真模型的建立

6.2.4微观评估层仿真模型的建立

6.3路网货车集结策略仿真评估系统

7结束语

7.1论文主要工作与创新点

7.2有待进一步研究的问题

参考文献

作者简历