基于时空网络的市郊铁路列车运行图编制模型研究

作     者：石书铭 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：程琳

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 082303[工学-交通运输规划与管理] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：时空网络 列车运行图 市郊铁路 车辆路径问题 拉格朗日分解 

摘      要：随着经济迅速发展和城市规模的迅速扩张,原有的中心组团和外围组团的城市结构在原有的结构基础上进一步发展形成若干卫星城,从而在郊区与城市中心之间形成了较大的通勤客流需求。发展市郊铁路是快速串联中心城区和郊区客流的必要途径,其对引导城市空间战略重构、构建多层次综合交通体系、解决职住分离的通勤需求起着至关重要的作用。列车运行图编制是市郊铁路运行组织的关键环节,合理编制优化市郊铁路列车运行图,从而更加符合市域出行者的出行需求,能够增大市郊铁路的吸引力,减少郊区与市区间的通勤交通压力。本研究基于时空网络的建模方法,通过旅客出行时间窗引入可达旅客的概念,将复杂的列车运行图编制问题转化为车辆路径问题,进而进行列车运行图编制模型的构建。本文主要的研究内容如下:将市郊铁路列车运行图编制问题引入时空网络进行分析研究。通过分析市郊铁路相比于其他轨道交通特有的客流特征,总结出市郊铁路客流具有时间和空间的不均衡性。为了调节空间的客流不均衡性,应充分利用市郊铁路运营方式灵活的优势;而时间不均衡性则需要合理编制列车时刻表或运行图,从而能够满足更多的出行者个性化需求,提高市郊铁路的吸引力和竞争性。从这一点出发定义了可达旅客的概念,即市郊铁路列车运行图能够满足出行者出行时间窗约束的旅客需求。基于出行时间窗的引入,将列车运行图编制问题引入到时空网络转换为车辆路径问题,并研究了在时空网络中进行列车运行构建的方法。通过与一般列车运行图编制模型方法对比,基于时空网络的列车运行图编制方法可以通过在二维网络上减少决策变量,从而更加清晰地表示出列车的运行状态。构建基于时空网络的市郊铁路列车运行图编制模型。从出行者的角度,出行者从其起始站点出发和到达目的地均有其期望的时间范围,即出行时间窗;从运营者的角度,运营者期望在有限资源下尽可能多的满足带有各种不同的出行时间窗需求的出行者。因此本文建立了以列车运行弧费用及不可达旅客最小化为目标函数,以车辆路径问题为建模基础,在时空网络中建立了列车运行图编制模型,将原问题的复杂问题分为列车和旅客两个研究对象。针对两个研究对象,模型包含两个决策变量,分别是列车时空路径选择变量及旅客分配变量,考虑三组约束分别是列车运行约束、旅客需求约束及时间窗匹配约束。通过引入虚拟列车,将不可达旅客分配到虚拟列车中,并被纳入到目标函数中给予惩罚值,完成模型的构建。利用拉格朗日分解算法求解列车运行图优化模型并进行实例分析。利用拉格朗日松弛将带有两个决策变量的耦合约束松弛到目标函数中,从而将原问题分解为两个仅包含列车时空路径选择变量的最短路子问题和仅包含旅客分配变量的广义分配问题,通过次梯度法更新拉格朗日乘子,获得接近原问题最优解的下界,对松弛问题的解进行可行化获得原问题的可行解并更新上界。通过不考虑需求的四列列车的虚拟案例展示如何利用时空网络编制简单的列车运行图;并通过成灌铁路实例测试模型及算法的可行性,并分析旅客需求时间窗、列车停站方案及列车数量三种因素分别对模型结果所造成的影响。分析结果表明,更短的旅客需求时间窗输入会使列车运行图更难以服务更多的可达旅客,而列车开行方案的合理优化可以同时提高可达旅客的数量并减少旅客总出行时间;列车数量的输入可以根据最小盈利约束和列车安全间隔时间参数设置影响模型的输出,因此合理输入参数可以指导运营者获得合理的列车数量,从而获得资源供给和需求的平衡。