logo

重载列车群组运行模式下股道分配方法研究

智慧交通与物流

重载列车群组运行模式下股道分配方法研究

付军
鸿飞
晓泉
铁道科学与工程学报第22卷, 第10期pp.4398-4411纸质出版 2025-10-28
8800

为解决重载列车群组运行模式下站场内股道调度与分配难度大的问题,构建以解编组时间最少为优化目标的重载列车股道分配整数规划模型,该模型综合考虑股道分配过程中时空冲突、行车连续性以及车辆与股道工程性质匹配性等约束条件。该问题为NP难问题中的典型组合优化问题,因此无法在多项式时间内直接求解。为提高所提方法在工程应用领域的实用性及推广速度,本文创新性地提出了并行自适应遗传算法,该方法在选择和变异过程中优先保证适应度值较好染色体的完整性和选择概率。考虑到本文模型以及编码方式的独特性,设计了并行求解算法。利用我国北方某地区9站8区间的实际线路数据设计仿真实验,研究结果表明:群组运行模式下股道统一分配能够显著缓解由于单元列车所在股道位置不同导致的解编组作业时间过长问题,相较于人工贪心分配模式,所提方法将解编组时间平均优化2倍左右;引入并行计算策略以及高效的解空间探索机制,提高了复杂场景下股道分配模型求解速度,从而解决GUROBI无法直接求解的超大规模测试用例;与当前组合优化领域内广泛采用的禁忌搜索算法相比,并行自适应遗传算法将精度提高了将近24%并加快了求解速度;通过灵敏度分析验证了本文方法在多场景和异常参数下的运行稳定性,可为重载群组列车运行模式的进一步推广及运行调度过程中的及时响应提供理论和方法支撑。

重载列车重载群组群组运行股道分配自适应遗传算法并行运算

群组列车作为一种新兴的铁路运输模式,在全球范围内受到越来越多的关注[1]。随着国民经济的持续增长和大宗货物运输需求的不断攀升,传统的重载铁路运输模式面临运能紧张的挑战。为了突破这一瓶颈,国家层面出台了一系列政策,支持重载铁路技术创新和运输组织模式的优化。例如,中国神华能源股份有限公司等单位实施的“重载列车群组运行控制系统技术研究与应用”项目,旨在通过智能单元列车间的自协同安全控制,实现高密度、大运能的灵活机动运行,这不仅能够提升运输效率,还能增强运输组织的灵活性和时效性,满足快捷货运的需求。发展列车群组对于提升重载铁路运输效能具有重要意义。通过加大行车密度,列车群组运行模式能够有效解决运能紧张问题,实现运输资源的最大化利用。这种模式的实施,能够突破车站接发车、集解编运输组织模式、快捷货运等瓶颈,提高运输效率和安全性[2],对于推动铁路运输行业的可持续发展具有深远影响。围绕重载列车群组运行模式,行业内外正开展大量研究。宋宗莹等[3]研究了重载机车异质群组的操纵特性建模与协同控制,提出一种基于分布式动态矩阵控制的节能运行方案,并通过仿真验证了其有效性。丁欢等[4]提出重载群组列控系统安全计算机平台国产芯片替代的关键技术,实现了软硬件完全自主可控,保障了铁路安全运营。倪少权等[5]研究基于列车群组运行的双线重载铁路群组计划优化方法,通过改进粒子群优化算法,提升了线路输送能力,满足了终到站需求。卓芩羽等[6]构建重载铁路混编群组列车开行方案编制模型,采用SANSA算法求解,优化了货物总在途运输时间和运输成本。阳晋[7]利用模态分析法探讨了重载铁路群组列车牵引供电系统的并联谐振频率,并为谐波治理提供了理论支持。程育等[8]提出基于高维网络的城轨列车群组运行图与车底接续协同优化模型,有效降低运营成本,提升服务水平。吕军等[9]研究群组列车前后车间距对重载列车气动特性的影响,发现车间距小于700 m时能优化气动特性,特别是当间距缩减至200 m时减阻效果最佳。宋宗莹等[10-11]研究了基于群组运行模式的列车运行图智能编制系统,提出基于群组运行的重载铁路列车运行图优化方法,建立了以总旅行时间最小为目标的优化模型,研究结果表明,群组运行模式能够显著提高线路的运输能力,降低单元列车的总运行时间,提高重载铁路的运输效率。综上所述,目前的大部分研究集中在控制方式、通信方式等技术和设备方面的研究,对于群组运行模式与运输组织方式结合的研究还较少[5]。当前关于重载群组运行计划优化、运行图优化以及重载群组智能编图等内容的研究已经表明,随着场站数量、线路数量、单元列车数量的增加,重载列车运行时空决策与优化的研究属于NP难问题,无法在多项式内求解[12]。在群组列车众多运行环节中,接发车效率被认为影响列车运行时间的主要因素,短进路的发车方式虽然从控制模式上对接发车效率不足问题进行了一定程度的缓解,但是缺乏在运输组织层面的进一步优化[13]。因此,本研究聚焦重载群组列车接发车过程的股道占用问题,构建列车群组运行模式下股道分配的快速、优质算法,达到以最小化运行组织干预手段,最大化提升重载列车运输效能的目的,从而为其他业务环节的进一步优化提供理论和方法支撑。

1 问题描述

1.1 术语定义

群组列车:由1列或多列实体单元列车组成的一个列车群,地面设备按照一列车对列车群进行控制,列车群内各列车协同控制。

紧后(前)股道:与列车行进方向相同且与当前占用股道在拓扑结构上相连的下一个(上一个)股道。

1.2 群组运行模式概述

群组运行控制系统的提出及完善与虚拟连挂技术的发展息息相关。LRICH等[15]在1999年首次提出单元列车之间不通过传统车钩进行物理连接,而是通过通讯与控制技术相互保持一定距离的列车运行模式。近年来,学术领域关于列车虚拟连挂运行方式开展了大量研究和讨论[16-18]。重载铁路群组运行的核心在于将多列单元列车借助机车无线通信/车地无线通信技术实现虚拟编组连接。群组内的各单元列车以前车为基准点,确保后续列车维持既定安全距离。此外,通过集成信息技术与管理系统,实现对群组列车运行状态的实时追踪、监控与灵活调整,以确保重载铁路群组计划的高效执行与安全[2]

图1图4是群组列车A从甲站经乙站前往丙站的示意图:停靠在甲站不同股道上的实体列车picpicpic通过通信技术编组为群组列车A;群组列车A中的各个实体车之间以虚拟连挂方式通过甲乙站间区间;随后,群组列车A在乙站解体并进入不同空闲股道,同时对实体车pic进行了甩挂操作;群组列车A中的picpic与已经在此等候的群组C(包含picpic)重新编组并执行后续运输任务。

图1
群组A在甲站编组示意图
pic
图2
群组A在甲乙站间编组运行示意图
pic
图3
群组A在乙站甩挂及再次编组示意图
pic
图4
群组A重新编组后在乙丙站间编组运行示意图
pic
1.3 重载列车股道分配问题定义

通过1.2小节的描述可以看出,多群组协同运行过程中,群组列车对车站股道的选择具有多元特性。受限于机车牵引特性差异、股道参数差异及车站联锁设备固有设计逻辑,不同实体车在不同股道的停靠组合将产生海量解编组方式。解编组排列方式的不同将直接影响群组运行效率,因此,本文重点研究重载群组列车解体后停靠过程中车站股道的分配问题,从而达到提高群组列车运行效率及现有线路运能的目的。

2 模型构建

2.1 模型假设

1) 假设车站股道建模前都进行了拓扑化处理,且不考虑自然条件不同对股道技术参数的影响。

2) 假设建模前群组列车运行时刻表能够提前获取。

3) 假设所有单元列车在各个站点都需要占用股道,不考虑到达解体列车不占用股道的情况,且不考虑站间行驶过程中单元列车在群组内位置对编组时间的影响。

4) 对股道进行了虚拟化操作,即在较长股道中间设置虚拟信号机,使得该股道在保证安全的情况下能够前后同时停靠2列以上单元列车。这也是交通领域进行路径分配与优化过程中常用技术手段[14]

2.2 符号说明

重载列车群组运行模式下股道分配模型构建过程涉及的集合、参数与决策变量分别如表1表2表3所示。为了区分集合和其他符号,所有集合采用花体并加粗表示。根据运行图及线路条件确定各集合内的元素组成及表2中的picpic等参数。结合列车及站场技术条件确定单元列车甩挂与编组时间。

表1
集合列表
集合符号说明
pic车站集合
pic股道集合
pic所有单元列车集合
pic车站pic内的股道集合,(pic)
pic所有群组集合构成的集合族
pic由若干列单元列车pic构成的某个群组集合pic,(pic)
pic群组pic在车站pic包含的单元列车形成的集合
pic根据运行图确定与单元列车pic在车站pic停靠时间上有重合的单元列车集合,(pic)
pic根据线路技术条件,在车站pic内,单元列车pic不能停靠的股道集合
pic与股道pic 相连,且与单元列车pic行进方向相同的紧后股道集合
pic与股道pic 相连,且与单元列车pic行进方向相同的紧前股道集合
展开更多
表2
参数列表
参数说明
pic每个群组内单元列车最大上限
pic群组pic在车站pic包含的单元列车数量
pic群组列车数量
pic单元列车pic的始发车站
pic单元列车pic的到达车站
pic单元列车pic停靠在车站picpic股道上需要的进站甩挂时间
pic单元列车pic停靠在车站picpic股道上需要的出站编组时间
pic单元列车pic停靠在车站picpic股道上需要的解编组总时间(pic+pic)
展开更多
表3
决策变量列表
决策变量说明
pic0-1变量,表示列车pic是否停靠在了pic车站的pic股道上
展开更多
2.3 模型构建
2.3.1 目标函数

运行时间是运输组织过程中的重要指标。群组运行需要频繁根据线路需求动态调整编组形态,若站内解编组耗时过长,敏捷性将大打折扣,导致本应节省的时间被站内操作消耗殆尽,直接影响到虚拟编组列车多群组运行的总时间。为提高重载列车整体运输效率与效益,根据本文符号定义方式,总解编组时间最少可以表述为:

pic
2.3.2 约束条件

1) 唯一性约束。每列单元列车在每个车站最多占用一个股道。当公式(1)取小于号时表示该群组列车已经被解体,不会再次出现在后续车站。

pic (1)

2) 独占性约束。每个车站的每个股道,在同一时间内只能由1列单元列车占用。若运行图确定的单元列车pic到达车站pic和离开车站pic的时间记作picpic,则集合

pic,因此该约束条件可以表述为

pic (2)

3) 群组完整性约束。每列单元列车在各车站要满足行车计划表中设定的解体和编组要求,即行车计划表中某个群组在任一个车站包含单元列车的数量要与行车计划表中设定的数量一致。所有在运行的群组构成群组集合族pic,而每个群组由若干列单元列车组成,由于存在连续的甩挂和编组操作,且单元列车和群组为一对多的关系,因此该约束可以用公式(3)表示。

pic (3)

4) 列车运行连续性约束。每列单元列车在出发车站和到达车站之间要连续运行。

pic (4)picpic (5)pic (6)

5) 匹配性约束。除了公式(1)的唯一性约束,单元列车与股道的长度、承重和技术等级需要保持一致。

pic (7)

6) 群组内单元列车数量上限约束。

pic (8)

7) 0-1变量约束。

pic (9)

3 算法设计

从2.3节中的模型可以看出,重载列车群组运行模式下股道分配问题为0-1整数规划问题,该问题中变量和约束的规模随着单元列车数量、车站数量、股道数量呈指数式增长。为了使本文所提方法在各种运行环境下给出快速且优质的股道分配方案,需要进一步提高模型求解速度。为此,本文提出一种并行自适应遗传算法来满足以上需求。

3.1 自适应并行遗传算法设计
3.1.1 编码方法

编码方法直接影响到遗传算法的交叉、选择和变异操作,因此很大程度上决定了算法效率。在优化时间窗内,可能存在多个执行不同任务的群组列车同时使用同一个车站的不同股道资源,因此,本文的染色体设计如图5所示。其中,每个基因位表示某股道在优化时间窗内的占用情况,每个基因位由pic个子基因位组成,对应优化时间窗内的pic个群组。

图5
染色体编码示意图
pic
3.1.2 种群初始化

本文采用贪心加随机的方式进行种群的初始化操作,操作步骤如下。

算法1:初始染色体生成方法

步骤1,pic将集合pic内包含的群组根据组内单元列车的数量从高到低排序。

步骤2,对于pic内的每个群组pic循环执行步骤3和步骤6。

步骤3,picpic内的每个单元列车根据发车时间进行排序。

步骤4,对pic内的单元列车pic循环执行步骤5至步骤6。

步骤5,pic将单元列车pic所在车站的股道pic根据长度升序排列。

步骤6,单元列车pic根据长度逐一尝试分配到pic中未被占用,长度匹配的股道。

步骤7,流程结束。输出初始染色体pic

经过步骤1到步骤6获得初始染色体,该染色体通过贪心方式获得。为了保证初始种群的多样性,随机调节子基因位之间的位置,调整过程如下所示。

算法2:初始种群扩充过程

步骤1,输入初始染色体pic;输入初始种群规模pic;种群随机取样阈值pic

步骤2,当循环次数没有达到pic时,循环执行步骤3和步骤6。

步骤3,当循环次数没有达到pic时,循环执行步骤4。

步骤4,随机选择pic中属于同一车站,同一群组列车的不同子基因位进行交换操作。

步骤5,输出经随机置换操作后的pic

步骤6,输出初始种群。

3.1.3 自适应选择

假设染色体pic对应的可行解为pic,染色体pic的适应度函数计算如式(10)所示。由于算法1和算法2在生成初始种群的过程中并没有对染色体所代表解的可行性进行过滤和校验,因此存在不可行方案被生成的情况(不可行染色体)。式(10)通过给不可行染色体赋予0适应度的方式,达到对不可行染色体筛选的目的。

pic (10)

为充分保证优质染色体在后续寻优过程中能够尽可能保存下来,使得算法更快收敛,本文利用自适应概率进行染色体选取。概率计算方法如式(11)所示:

pic (11)

式中:pic表示染色体pic被选择进入后续迭代的概率;pic表示染色体pic对应的可行解经式(10)计算出的适应度;picpic分别表示所有染色体中适应度的最大值和平均值;picpic是自适应选择过程的控制参数,分别称为选择操作的保守因子和激进因子。

3.1.4 交叉操作

本文染色体上的基因位有明确物理意义,因为同车站的不同股道一般处于相邻基因位,因此本文选择随机2点交叉的方式选择染色体基因片段,选择过程如图6所示。

图6
基因片段选择示意图
pic

交叉操作是模拟自然选择和生物遗传的关键步骤,其必要性在于通过组合较好父代个体的特征生成新后代,从而提高全局搜索能力,并保持种群多样性。通过自适应选择确定被选染色体后(父代1),利用图6所示的方法确定被交叉片段,随后利用相同的规则确定父代2染色体。2个染色体通过图7所示的方式交换各自的染色体片段产出子代1和子代2染色体。新生成的个体加入种群中,替换适应度较低的个体,使得种群总量不变。

图7
基因片段交叉操作示意图
pic
3.1.5 变异操作

变异操作与交叉操作的染色体选择过程类似。首先,利用如式(12)所示的方法确定被选择的染色体,式(12)picpicpic的含义与式(11)中的含义类似,picpic为控制变异随机概率的参数,分别称为变异操作保守因子和激进因子。

pic (12)

式(10)式(11)极大概率规避了不可行染色体的存在,但是在交叉后依然可能造成子代染色体不可行,从而造成种群进化缓慢,影响优化结果。为加快寻优进度,避免解池内染色体同质化现象的出现,提出了镜像变异策略:每个染色体在交叉过程中同步维护哈希表,该表判定染色体内是否有基因位存在冲突(违背约束条件);若哈希表为空,则采取随机选择并替换基因位的变异方式(如图8所示);若该哈希表不为空,则从中随机选择2个存在冲突的点位,同步进行图8中的变异操作(如图9所示),从而提高了不可行解转化为可行解的概率。

图8
变异1策略(随机基因位变异)示意图
pic
图9
变异策略2(镜像自适应变异)示意图
pic

本文采用解修复机制进一步保证染色体的可行性,对于非可行染色体的修复过程如下:从左到右逐一判定各个基因点位是否违背模型的约束(1)至约束(8),当出现约束违背时,利用算法1中的优先顺序调整2单元列车对股道的占用情况;逐一调整后染色体仍然不可行时,则将该染色体抛弃。

3.2 并行运算架构设计

通过并行化,可以更有效地利用计算资源,特别是在需要处理大规模数据或复杂模型时,合理分配任务采取并行运算的方式可以提高决策效率。基于本文问题特点及所选编码方法、交叉方法和变异方法,提出重载列车群组运行模式下股道分配的并行遗传算法,算法架构如图10所示。在各个节点服务器上计算染色体片段的适应度,并根据计算结果进行同站股道染色体的选择、交叉与变异操作。由于各个服务器节点上存有站场的股道拓扑数据、运行计划数据以及联锁设计数据,因此可以将式(10)中的参数替换为pic计算出各个染色体片段适应度。各个服务器节点经过选择、交叉、变异等操作后筛选出适应度最优的若干染色体,随后,染色体片段被传递到服务器主节点进行拼接。主节点考虑群组在前站出站顺序的基础上将解体参数pic式(10)结合判断整条染色体的优劣,并输出最终结果。

图10
股道分配并行遗传算法运行框架示意图
pic

4 实验分析

本部分算例求解过程中的所有代码使用Python编写,对比实验中的理论最优解使用Python调用商业求解器GUROBI实现。遗传算法中的选择、交叉、变异操作通过遗传算法开源项目PyGAD实现(https://github.com/ahmedfgad/GeneticAlgorithmPython)。本文共设置3台机器进行并行运算架构设计的有效性验证,主节点为个人笔记本电脑(Intel(R) Core(TM) Ultra 7 155H 1.40 GHz;32.0 GB RAM),子节点为2台阿里云Linux服务器(Intel(R) Xeon(R) Platinum 8163 CPU @2.5 GHz; 32 GB RAM)。利用MPI4Python实现多服务器之间的通信以及并行处理。

4.1 数据分析

为充分验证方法有效性,实验选取我国北方某地区9站8区间的实际线路数据,该线为半自动闭塞制式,全线为计算机联锁,线路上各个站点的技术指标以及限速情况如表4所示。股道数量影响群组内单元列车数量,线路运行速度、道岔以及道岔限速是picpic随机参数设置的基础。群组列车甩挂后停稳时间pic以及编组后出清到发线时间pic通过股道限速和行驶距离得出,并随机添加高斯白噪声,站场内各个道岔的限速详情如表5所示。

表4
案例线路参数
站场车站性质

股道数量

(包括正线)

道岔限速/

(km∙h-1)

线路允许速度/

(km∙h-1)

列车运行限速/(km∙h-1)
重车空车公务车、轨道车
车站1编组站1130~4570707070
车站2会让站345
车站3中间站930~4580808080
车站4中间站830~45
车站5会让站330~45
车站6会让站345
车站7中间站545
车站8中间站730~45
车站9区段站1230~45
展开更多
表 5
道岔限速参数
站场道岔限速/(km∙h-1)
车站1110、113、119、125、112、128、142、144、146、108、148、150、127、129、152、154、156、158、136、115、114、124、126、130、136、121、12330
132、109、138、140、111、102、104、117、116、118、120、122、101、103、105、10745
车站23、5、4、645
车站312、15、22、25、27、36、37、39、41、61、5、7、9、11、45、47、49、51、3、16、19、20、43、65、27、29、31、33、1730
1、4、7、11、24、21、58、2、3、9、27、56、5、18、6045
车站45、15、17、21、23、25、2730
7、6、8、10、12、13、19、18、9、1145
车站51030
6、7、8、945
车站67、8、9、1045
车站78、11、12、9、11、13、1545
车站821、23、25、27、16、18、20、22、2630
19、24、9、11、13、15、10、12、14、17、29、31、33、3545
车站910、12、18、20、34-38、40-44、46、48、56、58、60、62、64、66、68、70、76、23、26、28、30、32、50、52、54、56、60、62、64、6630
5、7、13、15、17、19、21、23、41、43、45、63、65、69、2、4、6、8、10、12、18、20、22、24、34、36、38、40、42、44、46、48、5845
展开更多
注:所有道岔号已经进行了加密处理。
4.2 案例设计

在利用实际线路数据的基础上,仿真设计14个主要场景测试案例,各个测试案例包含的群组列车数量、每个群组列车内单元列车数量(最多7辆)以及每个单元列车的最大载重量如表6所示。所有群组列车均从车站1向车站9行驶,群组列车数量及单元列车最大载重量利用高斯分布随机生成。为了验证本文方法在各种场景下的运行稳定性,每个测试用例下设置3组不同高斯分布参数(保守型、平稳型和激进型),因此,在考虑不同随机生成方式全排列的情况下,本文共设置了126个子测试用例(pic)。群组单元列车初始位置为随机产生,并且在实验过程中随机对群组内单元列车设置甩挂和编组作业。

表 6
案例简介
ID

群组列车

个数

每个群组列车内

最大单元列车个数

每个单元列车

最大载重量/千吨

群组内单元列车数量

随机生成方式

单元列车最大载重量

随机生成方式

1133picpicpicpic
2175picpic
3233picpicpicpic
4275picpic
5333picpicpicpic
6375picpic
7433picpicpicpic
8475picpic
9533picpicpicpic
10575picpic
11633picpicpicpic
12675picpic
13733picpicpic
14775picpic
展开更多
注:表中的小括号表示高斯分布参数,例如pic表示均值为1.5,标准差为1的高斯分布。在同一个测试用例ID下,从左到右的参数分别对应数据随机生成策略中的保守型、平稳型和激进型策略。

为验证本文自适应并行遗传算法(APC, adaptive parallel genetic algorithm)的有效性以及求解算法的先进性,设计对比实验如下。

1) 理论最优方案(TO, theoretical optimal method)。使用商业求解器GUROBI对2.3小节中的模型进行直接求解作为理论最优值。TO-3和TO-10分别表示求解过程中MinGap参数为3%和10%;考虑到线路长度和运行场景,最大求解时间为3 h,超过该时间默认GUROBI无法对该测试用例进行求解。

2) 人工分配方案(MA, manual allocation method)。前文提到,目前还没有群组列车实际运行案例,因此采用先到先服务的股道贪心分配方式模拟人工分配结果。在先到先服务的分配模式下,遵循算法1中提到的单元列车长度与股道尽可能匹配原则。

3) 禁忌搜索算法(tabu search algorithm, TS)。禁忌搜索算法是组合优化求解算法中的常用方法,也是交通领域进行资源配置优化的常用手段[19]。仿照wogen本文编码方式构造禁忌搜索初始解,并参照文献[20]进行禁忌搜索算法实现工作。

4.3 优化结果分析

为了验证本文方法在提高群组解编组时间上的有效性,对9站8区间实验区段内各测试用例在3种随机扰动策略下的平均求解时间和平均优化结果进行分析和比较。受限于文章篇幅,重点罗列与本研究最为相关的统计性指标,实验结果如表7所示。

表 7
实验结果对比
IDTO-3TO-10MATSAPC
RTRTRTGapRTGapRTGap
11.326.01.323.62.14.30.371.65.40.181.435.800.08
24.444.54.439.914.45.70.695.734.90.234.6632.100.05
31.568.01.562.94.29.10.652.416.10.391.5415.630.05
42.7125.82.82113.55.98.20.543.122.70.132.8420.200.04
51.572.01.567.52.410.40.352.130.60.271.5726.270.02
62.9109.42.9102.011.310.40.753.412.10.172.9110.410.02
72.82 754.03.042 447.18.612.60.683.420.20.203.1615.740.13
88.36 471.99.135 985.129.711.50.7212.618.60.349.2914.710.11
93.64 968.04.024 544.08.29.80.569.773.40.634.1454.240.12
108.26 058.89.195 664.828.110.60.7110.492.40.219.2282.440.11
117.45 724.07.45 239.021.110.10.6512.7112.10.418.4881.850.13
1220.68 065.623.464 382.181.223.00.7530.6141.30.3324.6682.140.16
1340.244 938.6124.525.351.9193.442.6092.2
14147.824.665.0245.453.4095.5
平均5.42 874.08.52 585.435.012.50.6215.372.80.2912.1345.000.08
展开更多
注:R指平均编组时间,min;T指寻优过程中算法的CPU运算时间,s;Gap指各个方法与TO的差异百分比。

表7可以看出,本文构建的重载群组列车股道分配整数规划模型可以极大地降低群组列车的解编组时间。通过对比MA和TO可以发现,简单模仿人工贪心分配的模式会造成股道资源的极大浪费,相对于最优停靠方案,在中小规模测试用例上(ID1-8)解编组时间平均增加了2倍左右(3.2;9.8),在大规模测试用例(ID 10-12)上,解编组时间增加了将近2.5倍(10.0;34.7)。TS算法相对于MA具有更好的全局搜索能力,因此平均编组时间只有MA的一半左右(15.3;35)。APC算法在小测试用例上(少于3个群组)与最优结果的Gap都在8%以内,且所有测试用例下的平均Gap也控制在10%以内。MA算法是线性贪心算法,因此运行速度最快,且不会随着求解规模的增大明显增加,但是求解效果最差。相对于TO和TS算法,本文的APC算法使用了并行化求解框架(6个子节点,1个主节点),能够求解GUROBI无法求解的超大规模测试用例(ID 13-14),即使将MinGap值设置到10%也无法在可接受时间内给出ID14的求解结果,且在其他大规模测试用例上的求解速度是To-3的60倍到100倍,To-10的20~30倍,比TS算法平均快了40%。因此,本文方法能够更好地处理优化效果与计算时间之间的平衡。

4.4 算法并行化优势分析

本文从重载群组列车问题特点和所构建的模型特点出发进行遗传算法的并行化设计,极大提高了重载群组列车计划制定过程中股道分配的速度。为充分展示并行化设计对模型运算速度的影响,对ID12用例在各种仿真环境下的优化结果进行分析,结果如图11所示。从图中可以看出,不管是在保守型、平稳型还是稳健性的编组策略下,并行化设计都能将总求解时间降低3倍左右。本文的并行化设计在主节点染色体组合过程中会一定程度上破坏染色体多样性,因此随着子服务器节点个数的增加,解编组总时间存在一定程度增加的现象,但是增加的幅度都在10%以内,相对于求解时间的缩短,该优化结果的损失是能够接受的。从实验结果还可以看出,APC运行时间不会随着子节点服务器数量的增加而无限降低,当子服务器节点达到6到8个时已经能够得到最优提速效果。所以,本文的并行化设计能够利用有限计算资源,最大化地提高运算效率,为所提方法的规模化、工程化应用奠定条件,为运输组织相关业务环节的进一步优化提升提供理论基础。

图11
APC算法并行化设计性能分析
pic
4.5 灵敏度分析

picpicpicpic是4个重要参数,直接影响模型寻优的质量和稳定性。ID12用例上展开灵敏度分析实验,结果如图12所示。图中算法迭代次数标准差是指在各个参数设置下,算法达到最优解所用搜索次数的标准差。从图中可以看出,不管是选择操作保守因子还是变异操作保守因子的增大,都会使得寻优过程的随机性增加,即搜索到最优解的次数波动性增加。但是,相应地,搜寻到的最优解质量也会下降,算法易陷入局部最优,从图中来看,保守因子和激进因子取相同权重时能够更好地平衡寻优效果和算法鲁棒性。

图12
算法灵敏度分析结果
pic

5 结论

1) 本文构建的股道分配模型能够显著降低群组列车甩挂和编组时间。相对于人工贪心分配方法,在实验区段内能够将甩挂和编组总时间节省50%左右。

2) 本文提出的自适应并行遗传算法能够有效提高模型求解速度。能够解决商业求解器无法求解的超大规模重载群组列车股道分配问题,且在较大规模的测试用例上求解速度比商业求解器快60倍以上。

3) 在较大规模的测试用例上,本文提出的APC算法比目前组合优化领域常用的禁忌搜算算法具有更好的寻优效果和寻优速度。

参考文献
1宋宗莹, 丁辉, 王兴中, .

基于列车群组运行的重载铁路运输组织研究综述

[J]. 铁道运输与经济, 2024, 46(10): 73-81.
百度学术谷歌学术
2张辰东, 王文斌.

重载列车群组运行控制系统研究

[J]. 铁路通信信号工程技术, 2024, 21(7): 1-6.
百度学术谷歌学术
3宋宗莹, 胡灿, 白志军, .

重载机车异质群组操纵特性建模与协同控制

[J]. 铁道科学与工程学报, 2025, 22(5): 2066-2075.
百度学术谷歌学术
4丁欢, 戴鹏飞, 黄彬彬.

重载群组列控系统安全计算机国产芯片替代关键技术研究

[J]. 铁道科学与工程学报, 2025, 22(5): 2257-2267.
百度学术谷歌学术
5倪少权, 龚梓烨, 宋宗莹.

基于列车群组运行的双线重载铁路群组计划优化研究

[J]. 铁道科学与工程学报, 2025, 22(6): 2479-2492.
百度学术谷歌学术
6卓芩羽, 陈维亚, 宋宗莹, .

重载铁路混编群组列车开行方案编制模型与算法

[J]. 铁道科学与工程学报, 2025, 22(2): 569-578.
百度学术谷歌学术
7阳晋.

基于模态分析法的群组列车牵引供电系统并联谐振频率研究

[J]. 铁路通信信号工程技术, 2024, 21(5): 1-7.
百度学术谷歌学术
8程育, 阴佳腾, 杨立兴, .

考虑灵活编组变换的城轨列车群组运行图和车底接续协同优化

[J]. 铁道科学与工程学报, 2025, 22(4): 1506-1518.
百度学术谷歌学术
9吕军, 项涛, 宋宗莹, .

群组列车前后车间距对重载列车气动特性影响

[J]. 机车电传动, 2024(5): 75-81.
百度学术谷歌学术
10宋宗莹, 龚梓烨, 王鹏, .

基于群组运行模式的列车运行图智能编制系统设计

[J]. 铁路计算机应用, 2024, 33(11): 85-89.
百度学术谷歌学术
11宋宗莹, 梁芮嘉, 王鹏, .

基于群组运行的重载铁路列车运行图优化研究

[J]. 铁道经济研究, 2024(5): 28-37.
百度学术谷歌学术
12PITTMAN R.

Risk-averse restructuring of freight railways in China

[J]. Utilities Policy, 2011, 19(3): 152-160.
百度学术谷歌学术
13杨韬, 黄佳.

站内长短进路的列控系统处理方案研究

[J]. 铁路通信信号工程技术, 2023, 20(11): 34-38.
百度学术谷歌学术
14WANG Fujun, BI Jun, XIE Dongfan, et al.

Quick taxi route assignment via real-time intersection state prediction with a spatial-temporal graph neural network

[J]. Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 2024, 158: 104414.
百度学术谷歌学术
15LRICH B, UWE V.

Enhancement of the occupancy of railroads using virtually coupled train formations

[C]// World Congress on Railway Research (WCRR). Tokoyo. 1999: 1-7.
百度学术谷歌学术
16ZHANG Lijun, ZHUAN Xiangtao.

Optimal operation of heavy-haul trains equipped with electronically controlled pneumatic brake systems using model predictive control methodology

[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2014, 22(1): 13-22.
百度学术谷歌学术
17LI Jiawei, TIAN Daxin, ZHOU Jianshan, et al.

Distributed robust model predictive control for virtual coupling under structural and external uncertainty

[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2024, 25(8): 8751-8769.
百度学术谷歌学术
18LIN Peng, TIAN Yu, GUI Gui, et al.

Cooperative control for multiple train systems: Self-adjusting zones, collision avoidance and constraints

[J]. Automatica, 2022, 144: 110470.
百度学术谷歌学术
19DREZNER Z.

Extensive experiments with hybrid genetic algorithms for the solution of the quadratic assignment problem

[J]. Computers & Operations Research, 2008, 35(3): 717-736.
百度学术谷歌学术
20CHEN Mingming, NIU Huimin.

Optimizing schedules of rail train circulations by tabu search algorithm

[J]. Mathematical Problems in Engineering, 2013, 2013(1): 102346. (编辑 阳丽霞)
百度学术谷歌学术
注释

王付军,刘鸿飞,崔莉等.重载列车群组运行模式下股道分配方法研究[J].铁道科学与工程学报,2025,22(10):4398-4411.

WANG Fujun,LIU Hongfei,CUI Li,et al.Research on track allocation method under heavy haul train group[J].Journal of Railway Science and Engineering,2025,22(10):4398-4411.