高速铁路动车组运用研究

2019-07-29雷银亮张文辉

中国设备工程 2019年14期

雷银亮，张文辉

（国家铁路局装备技术中心，北京 100070；中国铁路北京局集团有限公司北京动车段，北京 102600）

1 高速铁路动车组运用的概念

1 .1 运用模式和运用内容

在运用模式方面，高速铁路动车组涵盖了固定/非固定区段两个维度的含义，相比而言，高速铁路动车组非固定运用模式中，运用区段是随机的，因此更有利于动车组灵活特性的有效发挥，最大限度地提升运用的灵活性，而固定区段运用模式也有其独特的优势，如管理成本低、可靠性高等优势，实际运行中需实际情况进行合理选择。而运用内容中，包括动车组交路段、检修周期、运用交路等内容，结合前述的运用模式，两种模式下均可形成交路段，其应用见下图1所示，充分发挥两种模式的优势，互为补充：A、B、C为三个站点，1、3、4等均为交路段。

1.2 接续时间和运用时间

在高速铁路动车组的运行模式中，计划方案的制定是至关重要的，而接续运用时间的精细化有利于整体运行效率的提升，二者有着不同的含义。简单地讲，接续时间是动车组站内交替的时间间隔，又称折返作业时间，而运用时间包括了接续时间以及在途时间的总和。

图 1 固定和不固定模式运用示意图

1.3 检修有关规则

在铁路动车组运用维修规程中，规定了动车组所采用的预防检修方式，其中运用检修包括了两级检修，利用运用间隔时间对其技术状态采取安全故障诊断，具有较好的灵活性，而定期检修则要求配置备用动车组。

1 .4 城际动车组运用特征

城际铁路动车组需依据其运输距离合理确定运营方式，当运距小于500km时，常用公交化运营方式，运营客流多为短途客流，上午及傍晚会达到出行高峰；在始终站的不同运行区段设置动车组基地或运用所，以便于备用动车组列车的储备。依据检修要求开展动车组列车的检修工作，周期性循环。

2 高速铁路动车组运用的模型构建

以列车运行图、维修时间、接续时间作为约束条件 ,以完成列车运行图所用动车组数量最少为目标函数构建了仿真模型。基于列车运行图，建立TSP动车组运用计划模型，形成以始发站为中心的封闭式循环，并借鉴TSP问题求解思路对模型进行求解。

式中主要包括了运行线的终到时间、始发时间，均可由列车运行图推算得到，在模型计算中，忽略了回送列车的运用模式，接续时间视作∞。需注意，模型中引用表示动车组日常检修的k级检修作业。

在建立数学模型的过程中，设立两个目标函数，即动车组列车使用数量以及动车组运用均衡性两方面。

首先在动车组列车使用数量的目标函数中，数量=消耗分钟数/列车旅行及接续时间之和，其中分母为定值，因此，为优化动车组配置数量需从周转接续时间入手，即确保最小的周转时间。

设立动车组运用均衡性的目标函数，本文中利用高速铁路动车组整体利用率以及接续交替时间等子模型建立整体化的动车组运用模型，模型设立的目标及使得各交路利用率均方差的最小化，建立数学模型如下：

在数学建模的基础上，开展动车组运用计划的优化研究的方向，即在完成列车运行图任务前提下最大限度降低动车组的运用数量，以降低运营风险，提升经济效益。其次，是在完成运行图任务前提下通过运用计划的优化最大限度降低动车组运用时间，减少维修次数。

2.1 模型求解与优化

采用蚁群算法对于上述数学模型进行求解，蚁群算法是一类优化的迭代算法，通过对自然界的蚁群集体行为的研究的基础上演变而来，其基本理念即通过蚂蚁间个体行为的正反馈以及相互协同作用，存在最合理路径，使得蚂蚁到达食物源的时间最短、距离最短，因此派生出解决问题的最优解方案，因此利用该算法可有效地解决诸多TSP问题。

首先，模型的解设置为k只蚂蚁共同构造一个可行解，每只蚂蚁间的信息素值相对独立，引入周游列表记录访问点击路径，每只蚂蚁的路径用于构造独立解，在车站、时间以及检修等三大维度的约束条件下对列车运行图进行局部优化，并及时进行信息素的优化更新，所有k个蚂蚁都构造完全后对全局信息素进行更新。

而信息素的更新过程也是同步进行的，各组蚂蚁周游完成后，依据下式调整路径上的信息素：

式中涵盖了信息素的蒸发系数、信息素的变动量等信息。

通过蚁群算法即可对建立的数学模型进行求解，并可解决实际问题：首先读入列车运行数据并对各参数值进行定义；初始化信息素矩阵；设置第k只蚂蚁的禁忌表；寻找连通图，及时更新蚂蚁的周游列表，更新路径信息素；记录每次蚂蚁周游循环的结构信息；进行全局信息素更新，找到评判依据；计算目标评价值；迭代次数NC=NC+1；最后，输出最优解及目标函数值。针对模型的求解即分析发现，如何在接续良好的基础上安排合理的维修机会，保证动车组状态良好是各种研究的重点所在，也是影响算法优劣的关键所在。

2.2 实际案例应用

基于上述数学模型以及蚁群算法处理武广客运专线的运行方案编制的问题，武广线全程1000千米，全线设置车站6座，动车段折返时间、作业时间分别为50min、120h，包括了三级修程，各级作业时间不同，设立其中4座车站具有日检作业的权限，动车组为动力分散型，在模型处理中结合MATLAB编程处理动车组列车的运行状况，得到动车组列车的交路图如下图2所示，经多次试验验证，取最佳参数值。

结合实验运行对于实验结果进行分析，最优动车组使用数量为20辆，最优解求解时间平均为2min，中运行里程为4778km，始发站动车组列车有12辆，终到站动车组列车有7辆，平均日里程2765km，日检次数13次，通过上述数据建立高速铁路动车组运用的数学模型，并采用算法进行求解，通过迭代运算，在该问题下，模型中各参数存在一个最优取值，即信息素的蒸发及重要程度分别为0.2和1，启发式因子为0.3，根据上述得到的最优解，可进一步推算得到高速铁路动车组列车的最优计划运行方案，经实际实施后发现，该方案能够较好地与动车组运用需求相吻合，有利于优化动车组的故障检修作业流程，提升整体利用率。