高速铁路行车调度节能运行图编制方法研究

王 涛，陈 峰，张 琦

（中国铁道科学研究院 通信信号研究所，北京 100081 ）

高速铁路行车调度节能运行图编制方法研究

王 涛，陈 峰，张 琦

（中国铁道科学研究院 通信信号研究所，北京 100081 ）

针对高速铁路行车调度节能需求的现状，以列车在区间运行效率最高和总能耗最低为优化目标，提出以区间运行时间和停站时间为输入变量，对能耗成本和运行时间进行优化，建立节能运行图编制模型。通过仿真实验，结果表明在列车运行图编制中，考虑适当地增加列车运行时间和优化停站方案时，可以节省很多列车运行能耗。

高速铁路；行车调度；节能；运行图编制

近年来，随着全球经济的发展，能源短缺成为世界上各大经济体的日益突出的棘手问题，从石油价格不断上涨可见一斑，一定程度上抑制了世界经济快速发展趋势[1]。高速铁路运输效率高、准时性好、舒适度高、受外界干扰小、安全可靠，因此与公路、航空等运输方式相比具有很强吸引力，对于缓解我国铁路运输能力紧张、运输效率不高、服务水平较低的状况具有重要意义[2～3]。高速铁路成网运营后必然会导致国家综合交通体系中各交通方式客流分担率、运输结构的显著变化，对我国综合交通运输体系产生深远影响[4]。截至2013年底，全路已经形成了“四纵两横”的提速网络，主要城市间旅客列车运行速度得到提高，旅行时间大幅度压缩，进一步提高了劳动生产率，降低了运输成本[5]。

高速列车的运行控制系统是确保列车运行安全和提高列车运行效率的核心子系统。列车运行控制系统是指挥调度系统的大脑和中枢系统，是列车运行安全的保障系统，也是对列车运行能耗有重要影响的系统[6]。由于我国能源相对稀缺，节能减排日益受到重视，为降低高速铁路发展进程中出现的负面效应。因此，采用有效的运行图编制方法以提高高速铁路的节能效率，已经成为高速铁路节能的关键。

本文以高速铁路为研究对象, 以列车在区间运行效率最高和总能耗最低为优化目标，考虑区间运行时间和停站时间，对能耗成本和运行时间进行优化，建立节能运行图编制模型，以深化高速铁路行车调度的理论与方法研究。

1 模型约束

由于铁路运输环境是一个复杂的网络，对行车调度指挥中的运行图编制建模的主要因素是车站和线路[7～8]。本文所建模和仿真的路网示意图如图1所示：

图1 路网示意图

本文以上行方向为例对模型的约束条件进行说明：

（1）区间列车运行时间约束

列车在区间的运行时分应等于列车离开该区间的时间减去到达该区间的时间。

（2）车站作业时间约束

列车在车站的作业时间通常表示为列车在车站的停留时间。

（3）区间速度约束

为了保证列车在区间运行的安全与旅客的舒适度，列车的运行速度应满足以下条件：

（4）追踪列车间隔时间约束

在自动闭塞区段，凡一个站间区间内同方向有两列及以上列车，以闭塞分区间隔运行，成为追踪运行，追踪运行列车之间的最小间隔时间成为追踪列车间隔。

（5）车站间隔时间约束

自某方向列车到达车站时起，至由该站发出另一同方向列车时止的最小间隔时间。

2 节能运行图编制方法

考虑客运列车优化调度问题，分别从只考虑列车运行时间、考虑列车运行时间和停站方案2个方面建模，建模分别从列车能耗成本和列车运行时间两个目标进行优化[9]，其中能耗成本用来表示列车运营成本。

2.1 仅考虑列车运行时间的节能运行图编制方法

2.1.1 列车能耗成本

因列车在线路上匀速运行，由运动学原理牵引力等于阻力，所以列车能耗即为克服阻力做功。根据列车运行阻力模型——戴维斯方程，列车阻力可以通过列车速度的二次函数来描述。

列车受到的单位阻力：

其中：α，β，γ是与车辆有关的经验常数， v是速度。

列车i的总能耗为：

其中：mi是列车的质量；ri列车i每单位功率输出的燃料消耗率；lq是区间q的长度。

整个路网上所有列车的能耗值为：

2.1.2 列车的运行时间总和

定义每列列车的运行时间为列车始末站的到发时间之差。即：列车的整个运营时间为di,q–ai,q。从而，整个路网上的所有列车的运行时间总和为：

2.2 考虑列车运行时间和停站方案的节能运行图编制方法

在停站方案中，由于列车的停车、作业和启动过程需要消耗时间和能耗，主要对路网中的列车在进行运行图编制过程中，需要考虑路网内减少列车的停站次数，在减少运行时间和列车能耗。

2.2.1 列车能耗成本

在仅考虑运行时间的基础上，由于每站的停车包括制动、停车作业和启动3部分，考虑制动能耗和启动能耗，引入停站方案，假设列车i在车站s的制动能耗成本为ei制，启动能耗成本为ei启，那么列车在i站需要的能耗成本为：ei制+ei启，考虑到如果列车不停站，通过时也需要能耗成本，在此引入列车不停站通过系数λ，一般取值为0.5–1中的某个经验值，因此，列车在如果不停站能节省的能耗成本函数为：

因此，整个路网上所有列车的能耗值为：

2.2.2 列车的运行时间总和

由于每站的停车多消耗的时间包括停车附加时间、作业时间和启动附加时间3部分，引入停站方案，假设列车i在车站s的停车附加时间为ti停，启动附加时间为ti启，那么列车在i站需要的时间为：ti停+ti启，而列车i在车站s的作业时间为考虑到如果列车不停站，通过时间也包含了在车站的运行时间，在此引入列车不停站通过系数λ，一般取值为0.5～1中的某个经验值，因此，列车在如果不停站能节省的时间函数为：

因此，如果考虑列车停站方案的情况下的列车运行时间总和为：

2.3 模型求解步骤

多目标列车运行图节能调度优化模型是一个多目标混合整数规划问题，在该问题中，各目标函数在约束条件下很难同时达到各自的最优解[10]。因此，通过对各目标值的满意程度来确定某些有效解为理想解。为此，提出的求解多目标规划的模糊算法有效地刻画了多目标规划的满意程度。

（1）求出各目标在约束条件下的最大值和最小值为分量所构成的向量；

（2）计算各个目标值的隶属度函数；

（3）利用最大最小算子法，把多目标问题转化为单目标问题。

通过以上算法，可以求出多目标优化问题的模糊最优解。

3 实证分析

假设有4列列车分别从不同方向开出，其中上行列车用2，4表示，下行列车用1，3表示，列车分别经过5站，4区间。线上列车可分为2种不同的等级，其中列车3，4为特快旅客列车，最高时速为160 km/h；列车1，2为动车组，最高时速250 km/h。假设特快旅客列车的质量与能耗因子比动车组列车大。分别考虑调整列车运行时间和停站方案，根据不同的优化目标，对多目标列车节能运行调度问题进行模拟。

通过仿真验证，得到优化前的列车运行图和优化后的列车运行图，结果如图2、3和4所示。

图2 优化前的原始列车运行图

图3 仅考虑列车运行时间的优化列车运行图

从上面结果看出，列车在初始条件下，只考虑了时间目标，从而各次列车均以最快速度运行，如图2所示。此时列车的运行时间达到最小，而总能耗成本达到了最大。通过多目标列车运行图节能调度优化后，在考虑了总运行时间最优的同时，优化列车能耗。如图3中，能耗较多的动车组列车1，2速度有所放缓，但总运行时间只是略微地增加，而总能耗成本得到较大程度的减少，在如图4中，在考虑列车运行时间的基础上改变了动车组1，2的停站方案，仅在200 km站点停车，与仅考虑列车运行时间相比，总运行时间略微减少，而能耗也略有下降。计算结果如表1所示。

图4 考虑列车运行时间和停站方案的优化列车运行图

表1 初始运行图和优化运行图数据比较

通过以上的计算验证，在目标函数中仅考虑运行时间的能耗成本，则列车运行时间只增加了8.84%，而能耗成本能够减少29.10%，可见，考虑列车运行时间的方案在略微增加列车运行时间的基础上，减少了总的能耗成本；在采用多目标列车运行图节能调度优化时，考虑列车的运行时间和停站方案的基础上，列车运行时间相比初始的运行图时间只增加了6.59%，能耗成本能够减少32.55%，与仅考虑运行时间比较，在同时考虑停站方案时，运行时间减少了2.08%，能耗成本减少了4.77%，可以看出：列车在考虑运行时间和停站方案时，减少了列车的运行时间和总的能耗成本，节能运行优化效果更好。由此可见，通过节能运行图编制方法，不仅能够得到很好的节能减排效果，又能降低列车的运营成本。

4 结束语

本文以高速铁路节能运行为研究的出发点，以列车在区间运行效率最高和总能耗最低为优化目标，目的是设计理论上可行、且在工程实际中可操作的高速铁路列车节能运行图编制方法。因此，本文在对能耗成本和运行时间进行优化的基础上，从高速铁路列车节能运行图编制的角度进行建模和仿真。通过上面的分析在列车运行图编制中，考虑适当地增加列车运行时间和优化停站方案时，可以大大地减少能耗成本，列车节能运行图编制方法节能效果明显。

[1]周新军.高速铁路行车低碳环保效应分析[J].电力与能源，2013，34（3）：212-216.

[2]刘 敏，韩宝明，李得伟.高速铁路车站通过能力计算和评估[J].铁道学报，2012，34（4）：9-15.

[3]张 琦，王建英，王壮锋，等.智能型自律分散调度集中系统研究[J].铁道通信信号，2003，（5）：1-2.

[4] HongTao Z, Tao W, Qi Z. A heuristic algorithm for dispatching policy based on Vague Set's evaluation and optimization[C]. Intelligent Control and Information Processing (ICICIP), 2013 Fourth International Conference on. IEEE, 2013: 19-24.

[5] 王 涛，张 琦，赵宏涛，等.基于替代图的列车运行调整计划编制及优化方法[J].中国铁道科学，2013， 34（5）：126-133.

[6] George A, Rajakumar B R. Fuzzy Aided Ant Colony Optimization Algorithm to Solve Optimization Problem[M]. Intelligent Informatics. Springer Berlin Heidelberg, 2013: 207-215.

[7] 赵宏涛，苗义烽，王 涛，等. 基于改进PSO算法的鲁棒性列车运行图编制方法[J]. 中国铁道科学，2013，34（3）：116-121.

[8] Caimi G, Fuchsberger M, Laumanns M, et al. A model predictive control approach for discrete-time rescheduling in complex central railway station areas[J]. Computers & Operations Research, 2012, 39（11）：2578-2593.

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责任编辑 徐侃春

Method of energy-saving operation diagram compiling for train operation dispatch of high-speed railway

WANG Tao, CHEN Feng, ZHANG Qi
( Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

According to the demand for energy saving of high-speed railway, it was aimed at the maximum operation eff i ciency and minimum energy consumption for the train running on section, put forward the method that the train running time on section and stopping time at station was as input variables, to optimize the energy consumption cost and running time, establish the model of energy-saving operation diagram compiling. Through simulation experiment, the results showed that during the train operation diagram compiling, if it was considered the increasing of train operation time and reduced the train stopping time at station, energy-saving was obvious in train operation.

high-speed railway; train operation dispatching; energy-saving; train operation diagram compiling

U284.59∶TP39

A

1005-8451（2014）12-0005-04

2014-06-11

中国铁路总公司科技与研究开发计划课题（2014X004-A）。

王 涛 ，副研究员；陈 峰，助理研究员。