高速铁路枢纽场站能力综合利用研究

doi:10.3976/j.issn.1002-4026.20230098

摘要/Abstract

摘要：

为统筹利用高速铁路枢纽内的旅客运输资源,研究高速铁路枢纽内客运场站的分工问题。以枢纽内列车总作业时间最小和场站能力协调为优化目标构建多目标整数规划模型,通过设计增广ε-约束算法求解模型的近似非支配前沿。以郑州高速铁路枢纽为例展开实例分析,从定性和定量的角度分别对原有方案与优化方案的差异及能力适应性进行比较,验证模型及算法的可行性和有效性。结果表明,增广ε-约束算法可以为所提出模型寻找到高质量的代表性非支配解,所得出的优化方案能够降低枢纽内列车的作业时间,提高场站能力利用协调度,可为高铁枢纽地区扩能改造、能力优化等措施的决策提供可靠参考依据。

关键词: 铁路运输, 能力利用, 多目标优化, 高速铁路枢纽, 车站分工

Abstract:

To make comprehensive use of the passenger transportation resources in a high-speed railway hub, this study explores the division of labor among passenger stations within a high-speed railway hub. Herein, a multiobjective programming model was developed with the objectives of minimizing the total train operation time and coordinating the capacities of the stations in the hub. The augmented ε-constraint algorithm was used to solve the approximate nondominated frontier of the model. Using the Zhengzhou high-speed railway hub as a case study, the differences between the existing plan and the optimized plan and their adaptabilities were qualitatively and quantitatively compared to validate the feasibility and effectiveness of the proposed model and algorithm. The results show that the augmented ε-constraint algorithm can identify high-quality representative nondominated solutions for the proposed model. Moreover, the optimized plan can reduce the train operation time within the hub and enhance the coordination of station capacity utilization. Thus, this study provides reliable references and reasonable suggestions for decision-making regarding capacity expansion, transformation, and optimization of high-speed railway hub areas.

Key words: railway transportation, capacity utilization, multi-objective optimization, high-speed railway hub, division of labor among stations

中图分类号:

U291.7

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ZHANG Jie, HE Shiwei, ZHAO Rixin, CHEN Minyu, LIU Jie. Study on comprehensive utilization of high-speed railway hub stations[J]. Shandong Science, 2024, 37(4): 121-130.

图/表 6

表1

集合、参数及变量定义"

符号		定义
$G = (N, A)$		高铁枢纽及周边路网
$N$		所有车站(节点)集合,以 $i, j, k, p, q, p 0$ 为索引
$I$		枢纽内站点集合, $I ⊆ N$
$I 1$		枢纽内待分工站点集合, $I 1 ⊆ I$
$I 2$		枢纽内其他节点集合, $I 2 ⊆ I$
$P$		枢纽外车站集合, $P ⊆ N$
$A$		路网上相邻两个车站间的路段集合,以 $(i, j)$ 为索引
$A 1$		枢纽内路段集合, $A 1 ⊆ A$
OD		OD列流集合,以 $(p, q)$ 为索引
$R$		每支列流OD的径路方案集合,以 $r$ 为索引
$t 1 i$		列车在 $i$ 站进行停站作业所需的时间,单位:min
$t 2 i$		列车在 $i$ 站停站作业时如进行折返换向作业所需的额外时间,单位:min
$t 3 i$		列车在 $i$ 站进行始发终到作业所需的时间,单位:min
$t i j$		列车通过弧 $(i, j)$ 所需的时间,其中虚拟线路对应的弧 $t i j 或 t j i = t 3 i - t 1 i$ ,其他线路对应的弧 $t i j$ 按列车实际运行时间计算,单位:min
$φ i$		$i$ 站列车通过能力,单位:列/d
$ω i$		$i$ 站动车运用所整备能力,单位:列/d
$c i j$		弧 $(i, j)$ 的最大通过能力,其中虚拟线路对应的弧 $c i j = M$ ,其他线路对应的弧 $c i j$ 按线路实际通过能力计算,单位:列/d
$v φ, i$		$i$ 站通过能力负荷,单位:列/d
$v ω, i$		$i$ 站动车运用所整备能力负荷,单位:列/d
$f p q$	由 $p$ 发往 $q$ 列车数量,单位:列/d
$α p q$	由 $p$ 发往 $q$ 列车需要在枢纽内进行整备作业的比例
$β p q$	由 $p$ 发往 $q$ 列车需要在枢纽内进行停站作业的比例
$W i, j k$	列车在 $i$ 站通过条件的点-弧关联元素,若列车可经弧 $(j, i)$ 接入车站 $i$ ,且不换向直接通过车站后再经弧 $(i, k)$ 发出,则 $W i, j k$ =1;需要停站折返换向通过时为0;不能通过时为-1
$x p q, r$	正整数变量,表示由 $p$ 发往 $q$ 的第 $r$ 组列车中包含的列车数,单位:列
$y i j p q, r$	0-1变量,若由 $p$ 发往 $q$ 的第 $r$ 组列车途经线路 $(i, j)$ 取1,否则为0
$z i p q, r$	0-1变量,若由 $p$ 发往 $q$ 的第 $r$ 组列车在 $i$ 站进行停车作业取1,否则为0
$x ¯ p q, r$	辅助0-1变量,若 $x p q, r 0$ ,则 $x ¯ p q, r = 1$ ,否则为0
$z - i p q, r$	辅助0-1变量,若由 $p$ 发往 $q$ 的第 $r$ 组列车在 $i$ 站进行折返换向作业取1,否则为0

表1

图1

表2

郑州枢纽地区相关线路数据"

线路	弧段 $i, j$	$t i j$ /min	$c i j$ /(列·d^-1)	线路	弧段 $i, j$	$t i j$ /min	$c i j$ /(列·d^-1)
郑州—郑州西	1,4	8	120	郑州东—徐州	2,10	50	215
郑州—圃田西	1,5	3	84	郑州东—济南	2,12	47	263
郑州—虚拟点	1,7	8	M	郑州南—二郎庙	3,6	9	85
郑州—太原	1,15	28	199	郑州南—虚拟点	3,7	10	M
郑州东—郑州南	2,3	9	245	郑州南—重庆	3,13	156	287
郑州东—郑州西	2,4	11	245	郑州南—合肥	3,14	42	273
郑州东—圃田西	2,5	3	32	郑州西—西安	4,11	72	221
郑州东—二郎庙	2,6	2	273	圃田西—二郎庙	5,6	3	85
郑州东—虚拟点	2,7	10	M	二郎庙—武汉	6,9	17	273
郑州东—北京	2,8	36	263

表2

表3

表4

图2

参考文献 17

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站点	郑州	北京	武汉	徐州	西安	济南	重庆	合肥	太原
郑州		23/0.3/1	33/0.35/1	24/0.3/1	30/0.2/1	35/0.25/1	46/0.3/1	36/0.25/1	10/0.2/1
北京	23/0.3/1		61/0/0.4	10/0/1	26/0/0.6		86/0/0.5	12/0/0.6
武汉	33/0.35/1	61/0/0.4		26/0/0.5	5/0/0.6	25/0/0.6			9/0/0.5
徐州	24/0.3/1	10/0/1	26/0/0.5		50/0/0.5		35/0/0.4		16/0/0.7
西安	30/0.2/1	26/0/0.6	5/0/0.6	50/0/0.5		22/0/0.5		22/0/0.6
济南	35/0.25/1		25/0/0.6		22/0/0.5		26/0/0.5
重庆	46/0.3/1	86/0/0.5		35/0/0.4		26/0/0.5
合肥	36/0.25/1	12/0/0.6			22/0/0.6				40/0/0.5
太原	10/0.2/1		9/0/0.5	16/0/0.7				40/0/0.5