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面向负载均衡的高铁路网列车开行方案优化方法

吴兴堂 杨明坤 王洪伟 周敏 吕金虎 董海荣

吴兴堂, 杨明坤, 王洪伟, 周敏, 吕金虎, 董海荣. 面向负载均衡的高铁路网列车开行方案优化方法. 自动化学报, 2022, 48(2): 492−503 doi: 10.16383/j.aas.c210612
引用本文: 吴兴堂, 杨明坤, 王洪伟, 周敏, 吕金虎, 董海荣. 面向负载均衡的高铁路网列车开行方案优化方法. 自动化学报, 2022, 48(2): 492−503 doi: 10.16383/j.aas.c210612
Wu Xing-Tang, Yang Ming-Kun, Wang Hong-Wei, Zhou Min, Lv Jin-Hu, Dong Hai-Rong. Load-balancing oriented line plan optimization for a high-speed railway network. Acta Automatica Sinica, 2022, 48(2): 492−503 doi: 10.16383/j.aas.c210612
Citation: Wu Xing-Tang, Yang Ming-Kun, Wang Hong-Wei, Zhou Min, Lv Jin-Hu, Dong Hai-Rong. Load-balancing oriented line plan optimization for a high-speed railway network. Acta Automatica Sinica, 2022, 48(2): 492−503 doi: 10.16383/j.aas.c210612

面向负载均衡的高铁路网列车开行方案优化方法

doi: 10.16383/j.aas.c210612
基金项目: 国家自然科学基金(61925302, U1834211)资助
详细信息
    作者简介:

    吴兴堂:北京航空航天大学博士后. 主要研究方向为轨道交通网络建模, 延误预测和延误传播. E-mail: wuxingtang@bjtu.edu.cn

    杨明坤:北京交通大学硕士研究生. 主要研究方向为高铁网络建模, 延误传播建模. E-mail: 19120261@bjtu.edu.cn

    王洪伟:北京交通大学副教授. 主要研究方向为基于通信的列车运行控制系统的车–地通信技术和地铁系统中的协作调度方法. E-mail: hwwang@bjtu.edu.cn

    周敏:北京交通大学副教授. 主要研究方向为高铁智能调度, 行人与疏散动力学和平行系统理论. E-mail: minzhou@bjtu.edu.cn

    吕金虎:北京航空航天大学教授. 主要研究方向为智能系统, 协同控制理论与技术, 复杂网络与大数据. E-mail: jhlu@iss.ac.cn

    董海荣:北京交通大学教授. 主要研究方向为列车运行智能控制与优化, 调度控制一体化. 本文通信作者E-mail: hrdong@bjtu.edu.cn

Load-balancing Oriented Line Plan Optimization for a High-speed Railway Network

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China (61925302, U1834211)
More Information
    Author Bio:

    WU Xing-Tang Postdoctor at Beihang University. His research interest covers modeling of rail transit network, delay prediction, and delay propagation

    YANG Ming-Kun Master student at Beijing Jiaotong University. His research interest covers modeling of high-speed railway network and delay propagation

    WANG Hong-Wei Associate professor at Beijing Jiaotong University. His research interest covers train-ground communication technology in communication base train-ground communication systems and cooperative scheduling approaches in subway systems

    ZHOU Min Associate professor at Beijing Jiaotong University. His research interest covers high-speed railway intelligent dispatching, pedestrian and evacuation dynamics and parallel system theory

    LV Jin-Hu Professor at Beihang University. His research interest covers intelligent systems, cooperative control theory and technology, complex networks, and big data

    DONG Hai-Rong Professor at Beijing Jiaotong University. Her research interest covers intelligent control and optimization of train operation, integration of scheduling and control. Corresponding author of this paper

  • 摘要: 针对当前高速铁路运营过程中存在的运输需求与运力资源不匹配现象, 面向负载均衡原理研究了路网条件下运能可适配的高速铁路旅客列车开行方案优化与评估方法. 首先, 针对路网条件下列车开行方案优化, 构建以提升经济效益、社会效益和网络负载均衡为目标的非线性混合整数规划模型, 并设计基于遗传算法和粒子群算法的两阶段混合搜索求解算法. 在此基础上, 考虑开行列车在高速铁路网中的抗干扰能力, 建立了面向网络化运营场景的开行方案综合评估指标体系, 揭示了故障场景下高速铁路网络性能的演化规律. 最后, 以实际高速铁路线路数据和运营数据为场景进行仿真实验, 本文提出方法在保证运输需求和路局收益的同时能够有效地提升8.66%网络整体负载均衡性, 增强发生故障时网络的抗干扰能力.
  • 图  1  两阶段混合搜索算法流程图

    Fig.  1  Flow chart of the two-stage hybrid algorithm

    图  2  列车服务网络建模示意图

    Fig.  2  Schematic of train service network modelling

    图  3  北京−天津−保定高速铁路线路示意图

    Fig.  3  High-speed railway line of BTBN

    图  4  北京−天津−保定高速铁路路网结构示意图

    Fig.  4  Network model of the BTBN high-speed railway

    图  5  初始方案

    Fig.  5  Original line plan

    图  6  算法收敛过程

    Fig.  6  Algorithm convergence process

    图  7  优化方案

    Fig.  7  Optimized plan

    图  8  基于随机移除策略的网络可达率变化图

    Fig.  8  NRR changes under random attack

    图  9  基于随机移除策略的服务损失率变化图

    Fig.  9  SLR changes under random attack

    图  10  基于负载压力移除策略的网络可达率变化图

    Fig.  10  NRR changes under LP-based attack

    图  11  基于负载压力移除策略的服务损失率变化图

    Fig.  11  SLR changes under LP-based attack

    表  1  GA参数列表

    Table  1  Parameter list of GA

    参数定义
    $ genLength $基因长度
    $ popSize $种群数量
    $ gaMaxGen $最大迭代次数
    $ p $变异概率
    下载: 导出CSV

    表  2  PSO参数列表

    Table  2  Parameter list of PSO

    参数定义
    $ parSize $粒子群数量
    $ psoMaxGen $最大迭代次数
    $ \alpha $, $ \beta $学习因子
    下载: 导出CSV

    表  3  北京−天津−保定高速铁路车站信息

    Table  3  Station information of BTBN

    车站名称车站编号车站股道数
    北京022
    涿州东14
    高碑店东24
    保定38
    廊坊44
    天津516
    胜芳64
    霸州西74
    白沟86
    白洋淀94
    武清102
    下载: 导出CSV

    表  4  参数取值

    Table  4  Parameters value

    参数取值
    $ popSize $50
    $ gaMaxGen $300
    $ p $0.005
    $ psoMaxGen $500
    $ \alpha $2
    $ \beta $2
    $ parSize $50
    下载: 导出CSV

    表  5  初始方案和优化方案计算结果

    Table  5  Results of original plan and oprimized plan

    指标初始方案优化方案
    路局收益 (元)4 345 102.84005 943 671.7200
    旅客总乘车时间 (小时)49 886.080064 888.9533
    网络负载均衡度0.68010.7390
    下载: 导出CSV

    表  6  开行方案运输特性评价方法对比结果

    Table  6  Comparison results of transportation evaluation method of line plan

    指标属性具体指标初始方案优化方案
    能力指标旅客周转量 (人·公里)1215603516474979
    客座周转量 (人·公里)2003320023391500
    空座位走行距离 (人·公里)78771656916521
    客座利用率 (%)60.6870.43
    技术指标列车需求数量 (对)104125
    列车平均走行距离 (公里)175.115170.248
    列车总开行时间 (小时)60.7170.94
    旅客满意度指标列车总停站次数300287
    停站方式数量1321
    直达列车数量02
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    表  7  节点负载压力排序结果

    Table  7  Sort results of node load-pressure

    序号节点介数节点负载压力
    初始方案优化方案
    1北京涿州东武清
    2霸州西武清涿州东
    3涿州东高碑店东霸州西
    4白沟霸州西高碑店东
    5高碑店东白洋淀白洋淀
    6白洋淀白沟白沟
    7胜芳胜芳保定
    8保定东保定胜芳
    9天津北京廊坊
    10廊坊廊坊天津
    11武清天津北京
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-07-03
  • 录用日期:  2021-10-18
  • 网络出版日期:  2021-11-14
  • 刊出日期:  2022-02-18

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