專利名稱：：利用運行圖魯棒性提高高速鐵路列車運行正點率的方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于高速列車運行調度控制
技術領域：
，尤其涉及一種利用運行圖魯棒性提高高速鐵路列車運行正點率的方法。'
背景技術：
：-隨著高速鐵路的投入使用，高速列車的運行圖編制越來越受到重視。運行圖的編制對充分利用鐵路通過能力、滿足旅客發(fā)送需求具有決定性的意義。優(yōu)秀的鐵路運行圖能夠根據(jù)鐵路列車實際的行駛能力，最大限度的發(fā)揮鐵路列車的運輸效果，盡可能的保證列車按照運行圖既定的出發(fā)和到達時間運行，即列車實際行駛的正點率盡可能的高。相反，鐵路運行圖編制不當，很難保證鐵路列車按照運行圖既定的出發(fā)和到達時刻運行，即晚點率增高，最終的結果就是不能有效發(fā)揮鐵路列車運輸?shù)膶嶋H效果。鐵路運行圖的優(yōu)劣是通過運行圖的魯棒性來衡量的。對高速鐵路而言，運行圖具有密集性、周期性的特點，以往對既有線運行圖魯棒性的計算分析方法很難適應高速鐵路運行圖的研究，所以，迫切需要對高速鐵路運行圖的魯棒性進行研究，以便通過它規(guī)劃出高效的高速鐵路運行圖。目前，對高速鐵路運行圖的魯棒性的研究尚處在初步階段，本發(fā)明提出了高速鐵路運行圖魯棒性衡量的指標和計算方法，并提供通過高速鐵路運行圖魯棒性提高高速鐵路運行正點率的方法
發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提出了高速鐵路運行圖魯棒性衡量的指標和計算方法，并提供通過高速鐵路運行圖魯棒性提高高速鐵路運行正點率的方法，解決目前高速鐵路運行圖的制定缺乏理論依據(jù)的問題。本發(fā)明的技術方案是，一種利用運行圖魯棒性提高高速鐵路列車運行正點率的方法，所述方法包括下列步驟步驟l:對設定鐵路運行圖進行形式化表示；步驟2:設定運行圖魯棒性的要求數(shù)值；步驟3:給出鐵路運行圖的多項式矩陣表達形式，生成既定運行圖出發(fā)時刻矩陣Gi/;步驟4:利用Petri網(wǎng)對區(qū)段內列車運行狀況進行模擬，使其滿足列車運行中的限制條件；生成列車的運行實績出發(fā)時刻矩陣GD;計算總晚點時間；步驟5:將模擬中產(chǎn)生的實績列車到發(fā)時刻與既定運行圖時刻的偏差反饋到攝動量計算中，計算攝動矩陣？=GD-GZ)Q;步驟6:令A和i分別是實績到達時刻矩陣W和^在極大代數(shù)上的特征值，則由參數(shù)攝動導致的攝動量定義為p(A)=p-;i|，求出特征值戶(A);步驟7:計算運行圖的魯棒性；步驟8:判斷運行圖魯棒性是否小于設定的要求數(shù)值；步驟9:如果大于等于設定的要求數(shù)值，則修改鐵路運行圖，跳到步驟l，重復上述步驟；步驟10:如果小于設定的要求數(shù)值，步驟1的運行圖即為符合要求的高速鐵路運行圖。所述利用Petri網(wǎng)對區(qū)段內列車運行狀況進行模擬，是將區(qū)段內的區(qū)間和車站作為Petri網(wǎng)的庫所，列車發(fā)生移動從一個庫所進入另一個庫所作為Petri網(wǎng)的變遷，列車作為Petri網(wǎng)的托肯。所述總晚點時間是指所有列車到達該區(qū)段的最后一個站的晚點時間的總和。所述計算運行圖的魯棒性，通過除以總晚點時間得到。本發(fā)明提供了一種利用運行圖魯棒性提高高速鐵路列車運行正點率的方法。為編制高效的鐵路運行圖，保證鐵路安全、準時、高速運行提供了依據(jù)。圖1是利用運行圖魯棒性提高高速鐵路列車運行正點率的方法流程圖。圖2是利用Petri網(wǎng)對區(qū)段內列車運行狀況模擬圖。圖2中，庫所201，列車托肯202，空閑托肯203，變遷204。具體實施例方式下面結合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應用。圖l是利用運行圖魯棒性提高高速鐵路列車運行正點率的方法流程圖。圖l中，步驟101:首先對設定鐵路運行圖進行形式化表示。設研究的區(qū)段內共有N列車，M個車站。這里引用車計劃的概念，所謂車計劃就是指某列車在區(qū)段內從始站到終站的各站的到發(fā)時間及作業(yè)性質。則列車i在車站A的計劃為一個三元組?？梢悦枋鰹槭?{，/^，《}，"l,2，...，iV，^:=l,2，...，M，其中^，《分別為列車/的到達時間和發(fā)車時間。那么，實際運行狀況可以由各列車經(jīng)過各站的到發(fā)時間來表征，因而可以由iVxM個點計劃來描述，即<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>在Petri網(wǎng)建立過程中，將區(qū)段內的區(qū)間和車站作為Petri網(wǎng)的庫所，列車發(fā)生移動從一個庫所進入另一個庫所作為Petri網(wǎng)的變遷，列車作為Petri網(wǎng)的托肯。隨著時間的推進，模擬所有列車在該區(qū)段運行的狀況，滿足列車運行中的各種限制條件。這里需要指出的是，區(qū)段指在鐵路線路上兩個較大車站之間的一段線路，包含若干車站，以及車站之間的若干區(qū)間。所以區(qū)間是區(qū)段的一部分，區(qū)段包含區(qū)間，也包含若干車站。圖2是利用Petri網(wǎng)對區(qū)段內列車運行狀況模擬圖。圖2中，庫所201，代表運行圖中的區(qū)間或者列車；列車托肯202，表示占用區(qū)間或者車站的列車；空閑托肯203，代表區(qū)間或者車站沒有列車占用；變遷204，代表列車從一個庫所進入另一個庫發(fā)生的移動。區(qū)間是一種資源，車站也是一種資源。它們都是可以容納列車的資源，因而可以用庫所來表示。列車也是一種資源，它是在區(qū)間內運動的，可以用托肯來表示。列車的模型就是一個托肯，當從一個庫所到另一個庫所時，就表示從一個區(qū)間到另一個區(qū)間，所進入的區(qū)間被占用，所離開的區(qū)間空閑。區(qū)間可以用庫所描述，這個庫所應包含列車托肯或區(qū)間空閑托肯兩種資源，這兩種資源是不能共存于一個庫所中的，即一個區(qū)間不能又被占用又空閑，這也可成為區(qū)間的兩種狀態(tài)，即占用狀態(tài)或空閑狀態(tài)。列車從一個庫所到另一個庫所的移動過程，是用一個變遷來表示的。在計算過程中，利用時鐘推進法，循環(huán)判斷各變遷發(fā)生的條件是否得到滿足，如果滿足，那么變遷發(fā)生，列車托肯在一個庫所消失，在另一個庫所中出現(xiàn)。當一個變遷(列車到達某站、列車在某站出發(fā)、列車由一個區(qū)間移動到另一個區(qū)間)發(fā)生，則某些庫所(到達某站前的最后一個區(qū)間、車站、列車先前所在的區(qū)間)的屬性應當修改為空閑，某些庫所(車站、出發(fā)后列車運行的第一個區(qū)間、列車到達的區(qū)間)的屬性應當修改為占用。如此循環(huán)，直至所有的列車經(jīng)過這個區(qū)段。在模擬過程中，要滿足列車運行的各種限制條件，實際就是變遷發(fā)生的條件。在行車過程中，限制條件即時間約束，如下《-^尸C"1，2，…，7VA=1，U("/=1U-1hl，2，…，M②/=l，2v."iV-1"1，2，…,M(3)(i汰〉fl^/=1，2V..,7VA=1，2V..，M(4)《一/'、0/=1,2，...，tV々=1，2，...，M(5)a汰D0/=1，2，.."W如1，2，…，M(6)4-0(7)&>7發(fā)到/=l，2",,，iV—1A=1，2V."M(8)《+u一^4〉r到發(fā)/=1，2v..,tV—1A^1，:2，…，M(q)式(1)表示列車i在站A的停車時間必須大于等于技術作業(yè)所需的時間；式(2)表示追蹤列車占用區(qū)間的開始時刻晚于前行列車占用同一區(qū)間的結束時刻；式(3)列車運行的區(qū)間順序約束，表明列車必須按時間順序依次通過各個區(qū)間，/為追蹤列車間隔時間；式(4)表示同一列車開始占用到發(fā)線的開始時刻早于結束時刻；式(5)表示所有列車的發(fā)車時刻晚于最早發(fā)車時間；式(6)表示所有列車占用某區(qū)間的開始時間晚于最早接入時間；式(7)為車站到發(fā)線能力約束，即該方向某種列車數(shù)和列車總數(shù)不能超過相應的車站線路數(shù)；式中^(^+^《《)表示已到達車站A但并沒有離開車站A的列車數(shù)；式(8)(9)不能辦理同時接發(fā)同方向列車的車站，兩車間隔應滿足不同時發(fā)到間隔時間T，'」和不同時到發(fā)間隔時間。利用Petri網(wǎng)，通過對區(qū)段內列車運行狀況的模擬，得到所有列車的運行實績出發(fā)時刻矩陣G"。計算總晚點時間，總晚點時間指所有列車到達該區(qū)段的最后一個站的晚點時間的總和。步驟105:將模擬中產(chǎn)生的列車到發(fā)時刻與圖定時刻的偏差反饋到攝動量計算中，計算攝動矩陣f=GD-GD。。由于列車的運行實績出發(fā)時刻矩陣GD根據(jù)模擬的情況發(fā)生變化，那么，攝動矩陣^feLxM:GD-GZ^也會發(fā)生變化。步驟106:求特征值/^)=|2j|。其中，令A和i分別是"和f在極大代數(shù)上的特征值。步驟107:計算運行圖的魯棒性值。求特征值/>("=|2-義|后，計算運行圖的魯棒性，即通過p(義)除以總晚點時間得到的值。由上述可知，攝動量/9(義)越大，說明列車在運行過程中受到的干擾越大，相應地，總晚點時間也會越多。但是，如果總晚點時間較小，說明既定的運行圖的魯棒性越強。所以用攝動量除以總晚點時間來衡量運行圖的魯棒性，攝動量一定，總晚點時間越小，魯棒性值越大，運行圖的魯棒性越強；反之，攝動量一定，總晚點時間越大，魯棒性值越小，運行圖的魯棒性也越弱。運行圖的魯棒性是衡量運行圖質量的關鍵指標，是衡量運輸組織工作優(yōu)劣的重要標準。步驟108:判斷運行圖魯棒性是否小于設定的要求數(shù)值1。步驟109:如果大于等于設定的要求數(shù)值l，則修改鐵路運行圖，跳到步驟IOI，重復上述步驟。在進行鐵路運行圖修改時，采用粒子群算法中的計算規(guī)則，給出列車到發(fā)時刻的調整量，將調整量加入到列車的出發(fā)和到達矩陣中。為了優(yōu)化運行圖的魯棒性，對運行圖的到發(fā)時刻進行調整，調整量是由粒子群算法的計算規(guī)則決定的。見下面兩個公式，第一個是計算調整量，第二個計算調整后的到發(fā)時刻。VW=，+W(P,-《)+。"2(Pg-《)《=A+V,+1以調整列車的出發(fā)時刻為例，式中，l是下一步對出發(fā)時刻的調整量，《是當前運行圖中的出發(fā)時刻，A是目前當前粒子尋找到的最優(yōu)的出發(fā)時刻，&是目前所有粒子尋找到的最優(yōu)出發(fā)時刻。C，。為非負學習因子，77，T^是兩個介于[O，l]之間的隨機數(shù)，"為慣性因子，它保持了粒子運動的慣性，使其具有擴展搜索空間的趨勢，有能力搜索新的區(qū)域，通過調整"，可以維持算法對全局和局部搜索能力的平衡。J^是調整后新的出發(fā)時刻，它是由原來的出發(fā)時刻加上粒子群找出的最優(yōu)調整量得到的。利用這個出發(fā)時刻再去計算新的運行圖的魯棒性。當然，這只是對運行圖出發(fā)矩陣中的一個元素進行調整，實際計算時每一步要對出發(fā)矩陣中的每個元素進行調整。然后再進行魯棒性計算。步驟110:如果達到設定的要求數(shù)值1，步驟101的運行圖即為符合要求的高速鐵路運行圖。這里，步驟101-步驟110用下面的實例來說明。設在一個區(qū)段的6列車在IO個區(qū)間里運行，列車在區(qū)間運行的既定時間如表1所示。Si(i=l,2,...,10)表示第i個區(qū)間。1^^(]=1，2,...，6)表示第j列車。設定運行圖魯棒性值的要求數(shù)值為1。表i設定列車運行圖中各列車圖定運行時間sS2s3S4s5S6s7s8s9SumTraill18.020.016.022.018.010.014.010.018.015.0161.0<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>經(jīng)過計算，既定運行圖的魯棒性初始值為3.3601。運行圖的魯棒性大于等于設定的要求數(shù)值1。此處魯棒性值越大，魯棒性越差，列車的晚點率越高。所以為了提高高速列車的正點率，必須調整列車在區(qū)間運行的時分，從而提高列車的正點率。根據(jù)上述步驟，運用粒子群算法，對運行圖中所給出的各列車在各區(qū)段的運行時間進行調整，以此來重新計算運行圖的魯棒性。設計粒子群的規(guī)模為20，則在疊代56次之后，運行圖中各列車在各區(qū)間的運行時間調整后的值如表2所示。表2重新計算后列車運行圖中各列車圖定運行時間矩陣<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>此時計算所得調整后的運行圖魯棒性值為0.8534，已經(jīng)小于運行圖的魯棒性設定的要求數(shù)值。這說明調整方案使得運行圖有較強的魯棒性，達到了既定的運行圖魯棒性數(shù)值要求，并且，每列車在經(jīng)過該區(qū)段時，運行的總時間都有不同程度的縮減，使得列車運行組織方案更加合理。既節(jié)省了時間，又提高了運行圖的魯棒性。當運行圖的魯棒性得到優(yōu)化以后，列車在運行時正點率也就相應的提高。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術領域：
的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。權利要求1、一種利用運行圖魯棒性提高高速鐵路列車運行正點率的方法，所述方法包括下列步驟步驟1對設定鐵路運行圖進行形式化表示；步驟2設定運行圖魯棒性的要求數(shù)值；步驟3給出鐵路運行圖的多項式矩陣表達形式，生成既定運行圖出發(fā)時刻矩陣GD0；步驟4利用Petri網(wǎng)對區(qū)段內列車運行狀況進行模擬，使其滿足列車運行中的限制條件；生成列車的運行實績出發(fā)時刻矩陣GD；計算總晚點時間；步驟5將模擬中產(chǎn)生的實績列車到發(fā)時刻與既定運行圖時刻的偏差反饋到攝動量計算中，計算攝動矩陣步驟6令λ和分別是實績到達時刻矩陣GA和在極大代數(shù)上的特征值，則由參數(shù)攝動導致的攝動量定義為求出特征值ρ(λ)；步驟7計算運行圖的魯棒性；步驟8判斷運行圖魯棒性是否小于設定的要求數(shù)值；步驟9如果大于等于設定的要求數(shù)值，則修改鐵路運行圖，跳到步驟1，重復上述步驟；步驟10如果小于設定的要求數(shù)值，步驟1的運行圖即為符合要求的高速鐵路運行圖。2、根據(jù)權利要求1所述的一種利用運行圖魯棒性提高高速鐵路列車運行正點率的方法，其特征是所述利用Petri網(wǎng)對區(qū)段內列車運行狀況進行模擬，是將區(qū)段內的區(qū)間和車站作為Petri網(wǎng)的庫所，列車發(fā)生移動從一個庫所進入另一個庫所作為Petri網(wǎng)的變遷，列車作為Petri網(wǎng)的托肯。3、根據(jù)權利要求1所述的一種利用運行圖魯棒性提高高速鐵路列車運行正點率的方法，其特征是所述總晚點時間是指所有列車到達該區(qū)段的最后一個站的晚點時間的總和。4、根據(jù)權利要求1所述的一種利用運行圖魯棒性提高高速鐵路列車運行正點率的方法，其特征是所述計算運行圖的魯棒性，通過M義)除以總晚點時間得到。全文摘要本發(fā)明公開了高速列車運行調度控制
技術領域：
中的一種利用運行圖魯棒性提高高速鐵路列車運行正點率的方法。技術方案是，對設定運行圖進行形式化表示；給出運行圖多項式矩陣表達形式，求出特征值；然后定義運行圖的攝動量，利用攝動量與總晚點時間之比衡量運行圖的魯棒性；利用Petri網(wǎng)對區(qū)間內列車運行模擬，將模擬中產(chǎn)生的列車到發(fā)時刻與圖定時刻的偏差反饋到攝動量計算中；對運行圖的魯棒性進行計算；根據(jù)設定的運行圖魯棒性的要求，對運行圖中列車的發(fā)到時刻調整后再進行列車運行模擬與魯棒性計算；如此循環(huán)，直到運行圖的魯棒性達到設定要求為止。本發(fā)明為編制高效的鐵路運行圖，保證鐵路安全、準時、高速運行提供了依據(jù)。文檔編號G06N3/00GK101441680SQ20081024026公開日2009年5月27日申請日期2008年12月18日優(yōu)先權日2008年12月18日發(fā)明者韜周,孫彩紅,孟學雷,杰徐,莉王,勇秦,程曉卿,胡風山,謝正媛,賈利民,陳彩霞申請人:北京交通大學