朔黄重载铁路列车运行调整的模型与方法研究
1引言
1.1研究背景
随着社会的进步，科学技术不断发展，铁路的科学技术发展也日新月异，特别是在重载运输领域，一些重载技术的突破和发展，使得重载运输近年来得到了迅猛的发展，铁路运输能力得到了较大的提高，与此同时，运输成本随之降低，经济效益也随之增加。另外，由于重载货运专线列车种类比较简易，基本上不存在客运列车，中间站摘挂作业很少，越行、交会也较少发生，十分有利于釆用先进的软硬件技术以实现列车运行自动化。目前国内外的重载货运专线，都普遍安装了分散自律式调度集中系统、列车运行自动控制系统、先进的通信系统等。如我国的朔黄线已采用了分散自律式CTC，GSM-R无线通信系统等一些先进的技术设备，调度指挥水平在国内属于十分靠前的水平。
在这些先进系统的应用下，列车一般都是按照计划运行图运行，但是由于重载铁路通过流量大，列车重量大，行驶密度较高，对铁路设备的损毁也较一般铁路严重，因此施工维修、机车故障、线路故障等情况难免发生。当发生这些情况时，不可避免地会导致列车偏离计划运行图，甚至某些情况下还会导致行车中断。由于重载列车运行速度较慢，对时效性的要求并不高，故往往不受大家的重视，但是在运输任务紧迫的状况下，如果不釆取有效的调整措施，势必会影响整个线路的作业计划，导致全线的行车秩序混乱，严重影响重载铁路的运输效率，因此，如何有效地处理这些突发状况并消除造成的影响就显得十分重要。通过以上分析，可以看出，重载铁路的列车运行调整对铁路的运输组织具有十分重要的意义。
1.2国内外研究综述
众所周知，列车运行调整一直以来都是铁路行车组织领域的重点工作。在列车运行调整过程中，涉及的影响因素较多，模型的建立较为困难，尤其是近年来，随着路网规模的扩大，列车数量円益增多，求解的效率和优化程度越来越受影响。因此，国内外许多专家、学者对列车运行调整问题花费了大量的精力，进行了各种各样的研究，获得了十分丰硕的研究成果。从目前的研究文献来说，列车运行调整的研究内容主要在研究对象、研究目标、研究方法等方面有所区别。
（1）研究对象
通过研究历年文献，可以看出，列车运行调整的对象主要是普通铁路、高速铁路和城市轨道交通。
早期的研究主要集中于普通铁路，包括单线铁路和双线铁路。普通铁路的运输组织一般是采用客货混行的模式，由于旅客列车的等级比货物列车的等级高，所以在进行列车运行调整时，通常的做法是先调整旅客列车，然后在此基础上调整货物列车，即以货物列车的运行效率为代价来率先恢复旅客列车运行。由于单线铁路要求在同一闭塞区间内，某一时间段内只能有一列车参与运行，并且列车的交会、越行必须在车站进行，因此单线铁路的列车运行调整相对就比较复杂。现在随着双线铁路的迅速建设，研究的重点倾向于双线铁路。
20世纪中期，科学技术发展迅猛，而人们对于效率的重视，使得高速铁路迅速发展起来。高速铁路不同于己有的普通铁路，它在闭塞类型、动车组运用、和调整措施等方面都有自身的特点，所以相继有许多学者都幵始以高速铁路的运行调整问题为作为研究的对象】。
近年来，城市交通的拥堵问题愈演愈烈，而城市轨道交通作为缓解交通拥堵的一种重要方式而得到了长足的发展。随着各地轨道交通的建设运营，众多学者开始关注城市轨道交通的列车运行调整问题。由于城市轨道交通不同于其他铁路，其列车等级相同，速度相等，行车密集，追踪间隔时间短，上下行都是单线运行，列车间不存在会让、越行，一旦发生列车延误，会对列车运行产生很大的影响，所以众所学者进行了大量的城市轨道交通列车运行调整的研究。
2列车运行调整问题系统分析
列车运行调整是指铁路列车在行车过程中，难免会遇到各种各样的影响因素，导致列车不能按图行车，因此就需要采取调整措施，尽快使列车恢复正常行车。所以本章就对影响列车运行的因素和采取的调整策略进行详细系统的分析。
2.1列车运行调整场景分析
研究列车运行调整问题，首先要明白在什么样的情况下才需要进行列车运行调整，即找出影响列车运行的因素，然后才能在此基础上，釆取相应的措施进行调整。所以，研究列车运行调整问题的首要工作就是分析影响列车运行的因素。
2.1.1列车运行调整影响因素分析
根据国内外众多的研究文献，一般情况下，会把影响列车运行的因素分为以下三类：设备因素、人为因素和外部环境因素。
（1）设备因素
由于铁路设备长年累月地暴露于自然条件下，因此铁路设备受恶劣的自然因素影响严重；除此之外，还有设备自身的使用寿命或可靠性等方面的原因，极易出现各种各样的故障。
另一方面，设备因素也是由重载铁路运输的特殊性引发的，比如重载铁路运行的都是轴重大，运载量大的重载列车，运行密度高，轨道承受的重荷载远远高于普通铁路，因此，重载铁路线路故障的发生率较为频繁，并且在重载铁路的大轴重，高运量的影响下，列车间的受力也变得十分复杂。在重载铁路行车过程中，经常会发生断钩、脱钩、脱轨等状况。因此在重载铁路上，相关设备的损坏要比普通铁路严重的多，一旦发生这些情况，难免会影响到列车的正常运行。
除此之外，还有信号设备故障、机车故障等等，同样也会影响列车的正常行驶。
（2）人为因素
人为因素包括工作人员操作失误、调度员调度指挥水平不高、各部门协调配合程度不够等。比如调度指挥人员的能力低下、管理不力；在组织施工时，由于人为原因，施工时间延长等。
众所周知，铁路运输调度工作是铁路运输生产的核心工作，在组织铁路运输过程中，调度员肩负着组织和指挥行车的工作，并统筹协调与行车相关的部门，通力合作，从而保证运输生产能够正常持续地进行。但是当列车调度员不能够很好地完成这些工作，就会对列车的正常运行产生影响。如其在指挥列车运行时，发布错误的调度命令；在列车运行调整时没有按照列车的等级来进行列车调整，造成某些高等级列车出现延误；在出现突发状况时，不能采取正确合理的调度措施，从而加重突发状况对列车正常运营的影响。诸如此类均会对列车的正常运行产生影响。
2.2列车运行调整策略分析
2.1节总结了常见的列车运行调整场景，当这些场景发生时，列车将偏离计划运行图，为了使列车尽快恢复有序行车，正点运行，列车调度员就需要及时采取合理的列车运行调整手段，最大程度地恢复到按计划运行图行车。列车运行调整策略一般由列车运行调整原则和列车运行调整措施构成，下面将对列车运行调整策略进行分析说明。
2.2.1列车运行调整原则
重载铁路列车运行调整过程中涉及的基本原则有
（1）列车按照线路的规定时速运行。按照不同的路段、不同的车辆类型所规定的列车运行速度行车，列车不允许超过线路的允许速度行驶。
（2）严格遵循列车编组的车辆类型，比如普通货物列车可由C64或C70编组，而万吨货物列车则须采用C70或C80系列车型编组，一般情况下不同的车辆类型不得混编。
（3）C80车辆旨在黄弊港进行卸车作业，管内有装卸作业的中间站，均为C64小列车，编组为66辆。
（4）列车的合并和分解有着特殊的条件，比如列车的合并和分解一般在车站通过腰贫进行；如果列车因为特殊情况需要在区间进行分解或合并时，当线路坡道超过3%或者有效长度不足时，就不允许进行分解或合并作业；当到发线有效长度不足时，列车需要出站信号机前停车进行分解；当组合列车发生机车通讯故障，或维修运行到前方车站进行处理，或者应当立即分为两列列车分部运行。
2.2.2列车运行调整措施
参照国内外双线铁路和大秦线的调度经验，总结出以下的列车运行调整措施
（1）加开或停运列车；
在铁路列车运营过程中，当某辆列车出现了故障而难以修复时，一般采取停运或下线的调整措施。另外一种情况就是由于区间封锁，为提供封锁所需的时间，一般会在列车运行图上抽停部分运行线，停止这些列车的运行。
如若出现故障列车下线或货流增加的情况，此时一般会使用备用列车代替故障列车参与运行，或者为满足货流的需求，加幵一些列车。
（2）组织列车赶点或早点出发
为使晚点列车恢复正点运行，在保证行车安全的前提下，允许列车以不超过线路允许速度的速度快速行驶，这种通过压缩区间运行时分的方式，就称为列车赶点。为实现这一目标，列车调度员需要综合考虑线路最高允许速度、列车状况、列车等级等条件提高列车的运行速度，降低列车的区间运行时分。另外，作为货物列车，由于不像客运列车一样必须遵循正点发车的规定，货物列车在早点到达时，可以提前发车，从而降低延误对列车的影响。在实际调度指挥工作中，还可以灵活地将两者结合起来，在组织列车早点出发的同时组织列车赶点。
3列车运行调整优化模型研究..........22
3.1列车运行调整模型分类............22
3.2普通调整模型.............23
4列车运行调整粒子群算法研究...........35
4.1粒子群算法概述.............35
5朔黄铁路列车运行调整优化实例分析...........46
5.1朔黄铁路介绍..........46
5朔黄铁路列车运行调整优化实例分析
5.1朔黄铁路介绍
朔黄铁路隶属于神华集团，是除大秦线之外的另一条西煤东运的重要通道，是神华集团煤炭运输一体化的重要组成部分。朔黄铁路在1997年开始施建，2000年部分线段开始运营，至2002年底全部建成通车，是神华铁路的重要组成部分。朔黄铁路西接神朔铁路，起于神池南站，终到河北黄弊港，运营公里近600公里，共有33个车站，全线双线敷设，重载路基，采用自动闭塞方式，主要运行普通货物列车和万吨货物列车，对保证山西煤炭外运具有重大的战略意义。
本文以朔黄铁路段为背景，对列车运行调整优化模型分别设计算例，利用matlab编程求解。
6结论
6.1研究工作及创新
本文基于神华数字铁路规划研究项目，归纳了目前列车运行调整领域的研究现状，提出了研究的不足之处，并以重载铁路的列车运行调整为核心，做了以下工作：
（1）本文首先分析总结了影响铁路行车的因素，并根据重载铁路的实际运营情况，总结出常见的行车影响因素所构成的列车运行调整场景；其次，依据国内外双线铁路的调度措施，分析了重载铁路列车运行调整的基本原则，总结了常用的列车运行调整措施，形成了列车运行调整策略；最后，在分析列车运行调整场景和列车运行调整策略的基础上，将不同的列车运行调整场景和列车运行调整策略对应起来，形成一套能够解决不同列车运行调整场景的调整方法。
（2）本文根据列车运行调整场景和列车运行调整策略的特性，建立了三种具有较强针对性的列车运行调整优化模型，即普通调整模型，列车合并调整模型和加开列车调整模型，这三种优化模型在调整变量、调整目标函数、约束条件上各有侧重，可以很好地应对相应的调整场景和调整策略。
（3）在列车运行调整优化模型的算法问题上，本文选择了一种简便快捷的智能算法一粒子群算法，并根据三种列车运行调整优化模型的特点，分别设计了相应的编码、参数，并对约束条件进行处理。最后应用朔黄铁路的实际数据，对三种模型分别设计了算例，结果表明，在不同的调整场景下，使用三种列车运行调整优化模型，能够得到相应场景下的调整方案。
本文的创新点在于：
（1）本文根据重载铁路的运营实际，在列车运行调整中，考虑建立了列车合并调整模型和加开列车调整模型，为重载铁路的列车合并策略和加开列车运行提供支持。
（2）针对不同的列车运行调整优化模型，在具体的列车运行调整场景下，分别考虑了不同的调整目标和约束条件，使每个模型具有更好的针对性。
参考文献（略）