編組站作業(yè)計(jì)劃自動(dòng)執(zhí)行功能研究

劉 欣，楊 揚(yáng)，黃金成，羅 薇

（1. 西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610031；2.卡斯柯信號(hào)有限公司，上海 200071 ）

編組站作業(yè)計(jì)劃自動(dòng)執(zhí)行功能研究

劉 欣1，楊 揚(yáng)1，黃金成1，羅 薇2

（1. 西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610031；2.卡斯柯信號(hào)有限公司，上海 200071 ）

實(shí)現(xiàn)編組站作業(yè)計(jì)劃的自動(dòng)執(zhí)行能力，核心在于實(shí)現(xiàn)編組站內(nèi)各作業(yè)所需進(jìn)路的自動(dòng)優(yōu)化選擇，為每一項(xiàng)作業(yè)合理的安排走行進(jìn)路及進(jìn)路排序時(shí)機(jī)。本文以某編組站為背景，通過絕緣節(jié)和道岔節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建了車站網(wǎng)絡(luò)的抽象描述方法。以作業(yè)準(zhǔn)點(diǎn)率最大，作業(yè)總延誤時(shí)間最小及進(jìn)路總路徑長(zhǎng)度最短為優(yōu)化目標(biāo)，以進(jìn)路沖突、作業(yè)時(shí)間沖突、滿足作業(yè)計(jì)劃要求等為約束條件建立了編組站進(jìn)路選擇的多目標(biāo)優(yōu)化模型。利用進(jìn)路選擇的0-1特性，提出了適合求解進(jìn)路選擇模型的遺傳算法。實(shí)際案例證明：該模型可以較好地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)，有效調(diào)整進(jìn)路在時(shí)間和空間上的相互干擾，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)計(jì)劃的自動(dòng)執(zhí)行功能。

編組站；作業(yè)計(jì)劃；進(jìn)路選擇；遺傳算法

編組站作業(yè)計(jì)劃包括班計(jì)劃、階段計(jì)劃和調(diào)車計(jì)劃，在列車到站后對(duì)其進(jìn)行到達(dá)、集結(jié)、解體、編組、出發(fā)等作業(yè)。按照編組站作業(yè)過程的不同，編組站辦理的作業(yè)可分為改編貨物列車作業(yè)（列車到達(dá)、解體、編組、出發(fā)），無改編中轉(zhuǎn)列車作業(yè)（較簡(jiǎn)單只停留在到發(fā)場(chǎng)），貨物作業(yè)車作業(yè)（取送車），機(jī)車整備和檢修作業(yè)（機(jī)車出入段），車輛檢修作業(yè)，其他輔助作業(yè)（摘掛列車作業(yè)等）。在進(jìn)行編組站作業(yè)計(jì)劃自動(dòng)執(zhí)行時(shí)，由于作業(yè)對(duì)象類型復(fù)雜繁多，根據(jù)作業(yè)過程對(duì)作業(yè)進(jìn)行分類不利于作業(yè)進(jìn)路的選定與優(yōu)化。因此將編組站作業(yè)按照技術(shù)作業(yè)類型分為列車作業(yè)和調(diào)車作業(yè)：列車作業(yè)主要辦理接發(fā)列車作業(yè)，到達(dá)作業(yè)、出發(fā)作業(yè)、通過列車作業(yè)；調(diào)車作業(yè)主要辦理列車解體作業(yè)、編組作業(yè)、摘掛列車作業(yè)，取送車作業(yè)。

目前，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)車站作業(yè)計(jì)劃的進(jìn)路安排問題進(jìn)行了深入研究，建立了優(yōu)化模型，在求解模型時(shí)用了各種不同算法。周再玲等人研究技術(shù)站咽喉區(qū)道岔組的占用優(yōu)化問題，分別確定每個(gè)子網(wǎng)的最小費(fèi)用最大流，以此來選擇進(jìn)路[1]。史峰從有利于后續(xù)作業(yè)的進(jìn)路排列出發(fā)，按序列化逐項(xiàng)作業(yè)排列進(jìn)路的規(guī)則，分別提出了鐵路車站咽喉區(qū)最大平行進(jìn)路和最大概率進(jìn)路的緊側(cè)優(yōu)化方法[2]。李瑩慧通過對(duì)銜接點(diǎn)和錨點(diǎn)的定義，建立了車站網(wǎng)絡(luò)的描述方法，從數(shù)學(xué)規(guī)劃的角度建立了進(jìn)路選擇優(yōu)化模型，采用免疫算法進(jìn)行求解[3]。龍建成等人在李瑩慧的基礎(chǔ)上，定義了銜接點(diǎn)和承載點(diǎn)，在模擬退火算法的基礎(chǔ)上采用復(fù)合優(yōu)化算法進(jìn)行模型的求解[4]。崔炳謀以各作業(yè)任務(wù)的延誤時(shí)間加權(quán)值總和最小為最優(yōu)目標(biāo)，以任務(wù)的前后工序路徑為動(dòng)態(tài)約束，建立編組站進(jìn)路調(diào)度數(shù)學(xué)模型，采用遺傳算法進(jìn)行求解[5]。呂紅霞提出了基于道岔組的車站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖的建立方法，并基于此模型運(yùn)用最大最小螞蟻系統(tǒng)設(shè)計(jì)了進(jìn)路優(yōu)化算法[6]。

研究發(fā)現(xiàn)，上述方法在求解列車進(jìn)路安排問題時(shí)，車站現(xiàn)場(chǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜，不能簡(jiǎn)單地完全用數(shù)學(xué)模型描述，對(duì)于多目標(biāo)優(yōu)化模型，某些目標(biāo)之間可能存在相互矛盾，在求解該問題時(shí)，對(duì)現(xiàn)有模型都進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化，這便使得建立模型和實(shí)際要解決的實(shí)際之間存在一定差距。至今仍未形成一套系統(tǒng)的方法和理論體系，對(duì)于此類問題的求解目前仍處于探索階段，因此，本文根據(jù)實(shí)際建立的模型對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)。

1 進(jìn)路選擇模型的建立

1.1 站場(chǎng)結(jié)構(gòu)模型描述

李瑩慧[3]與龍建成[4]等人將車站通過定義銜接點(diǎn)和錨點(diǎn)(承載點(diǎn))，建立了車站網(wǎng)絡(luò)圖。車站設(shè)備道岔、軌道電路、絕緣節(jié)均能在圖上體現(xiàn)，該種方法建立的車站拓?fù)鋱D能夠準(zhǔn)確的反映車站結(jié)構(gòu)，滿足分段解鎖的要求。但該描述方法對(duì)于大型編組站來說，站場(chǎng)結(jié)構(gòu)描述過細(xì)，車站拓?fù)鋱D上節(jié)點(diǎn)過多，導(dǎo)致在進(jìn)路選排時(shí)，問題規(guī)模大，計(jì)算復(fù)雜度高。本文定義節(jié)點(diǎn)集合將信號(hào)機(jī)，軌道電路，道岔，絕緣節(jié)集中表示，結(jié)合站場(chǎng)型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的左右設(shè)備連接關(guān)系表示站場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)圖。定義如下抽象設(shè)備。

1.1.1 節(jié)點(diǎn)

以實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)圖（如圖1）為例，圖1中，X1表示進(jìn)站信號(hào)機(jī)，D1，D2，…，D13表示調(diào)車信號(hào)機(jī)，將信號(hào)機(jī)、絕緣節(jié)、道岔與線路的交叉點(diǎn)、交叉渡線的交點(diǎn)定義為節(jié)點(diǎn)，由于信號(hào)機(jī)所在點(diǎn)均有絕緣節(jié)，故用信號(hào)機(jī)名表示此時(shí)的絕緣節(jié)，該處絕緣節(jié)用信號(hào)機(jī)名命名，抽象后如圖2中的節(jié)點(diǎn)X1，節(jié)點(diǎn)集合抽象為絕緣節(jié)和道岔的節(jié)點(diǎn)集合。道岔與線路的交點(diǎn)用道岔名表示如節(jié)點(diǎn)1、3，道岔絕緣節(jié)節(jié)點(diǎn)用C1、C2、C3表示，交叉渡線的交點(diǎn)用m1表示，非信號(hào)機(jī)絕緣節(jié)用B1表示。

1.1.2 邊

相鄰兩節(jié)點(diǎn)之間的線路定義為邊，邊的集合可以有效地表示進(jìn)路的走行路徑。相鄰兩絕緣節(jié)節(jié)點(diǎn)的邊成為軌道區(qū)段如（X1，D1）。圖1的抽象圖如圖2所示。

圖2 站場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1.2 變量定義符號(hào)說明

Nr，Er，Br分別表示進(jìn)路r上節(jié)點(diǎn)的集合、邊構(gòu)成的集合、絕緣節(jié)構(gòu)成的集合，P為需要安排進(jìn)路的作業(yè)集合，|P|作業(yè)項(xiàng)數(shù)，作業(yè)P的可行進(jìn)路集合為Rp，即進(jìn)路表，進(jìn)路數(shù)量為|Rp|，進(jìn)路r的路徑長(zhǎng)度Dr，作業(yè)P的進(jìn)路計(jì)劃排列時(shí)間t0p，進(jìn)路r起點(diǎn)到軌道絕緣節(jié)b的路徑長(zhǎng)度Drb，作業(yè)P的作業(yè)車長(zhǎng)度Lp，作業(yè)P采用進(jìn)路r占用軌道絕緣節(jié)b的時(shí)間長(zhǎng)度tbp,r，作業(yè)P采用進(jìn)路r從進(jìn)路排列到進(jìn)路占用結(jié)束的總時(shí)間tAp,r，作業(yè)P采用進(jìn)路r進(jìn)路占用的結(jié)束時(shí)刻tOp,r，作業(yè)P的準(zhǔn)備時(shí)間，即實(shí)際占用與進(jìn)路排列的時(shí)間差tcp，作業(yè)P的進(jìn)路排列時(shí)刻tp假設(shè)車站進(jìn)路都采用分段解鎖，且進(jìn)路各分段的解鎖時(shí)間為0，進(jìn)路開始排列時(shí)刻，作業(yè)車的中心處于進(jìn)路起始點(diǎn)，進(jìn)路一旦排列，進(jìn)路上包括信號(hào)機(jī)、軌道電路、道岔等設(shè)備同時(shí)被占用，若為作業(yè)p分配進(jìn)路r，則進(jìn)路r上所有節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)刻被占用，進(jìn)路r上所有節(jié)點(diǎn)開始占用的時(shí)刻tkp為：

給定作業(yè)p∈P，進(jìn)路r∈Rp，作業(yè)車在進(jìn)路排列以后，于tkp時(shí)刻以平均速度vp依次通過進(jìn)路上各節(jié)點(diǎn), 當(dāng)作業(yè)車尾部通過軌道電路絕緣節(jié)點(diǎn)b 時(shí)，進(jìn)路進(jìn)行分段解鎖，得到：

1.3 進(jìn)路選擇模型目標(biāo)函數(shù)

編組站作業(yè)計(jì)劃的自動(dòng)執(zhí)行必須要滿足作業(yè)的準(zhǔn)點(diǎn)完成，因此進(jìn)路計(jì)劃安排時(shí)段內(nèi)，作業(yè)的總晚點(diǎn)時(shí)間最小，準(zhǔn)點(diǎn)率最大為進(jìn)路選擇的總目標(biāo)，該目標(biāo)又直接由所選擇進(jìn)路的走行路徑?jīng)Q定，因此將目標(biāo)函數(shù)歸納如下：

作業(yè)準(zhǔn)點(diǎn)率最大：

作業(yè)總延誤時(shí)間最小：

進(jìn)路總占用時(shí)間最短：

對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行歸一化處理：

其中N為準(zhǔn)點(diǎn)辦理作業(yè)數(shù)，M為總的作業(yè)數(shù)， λp為每項(xiàng)作業(yè)p所對(duì)應(yīng)的作業(yè)權(quán)重系數(shù)，將編組站作業(yè)分為列車作業(yè)和調(diào)車作業(yè)，優(yōu)先保障列車作業(yè)的正點(diǎn)更為重要，其權(quán)重相對(duì)較大，式中α1, α2, α3為兩目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重大小，α1＞α2＞α3，保證作業(yè)的準(zhǔn)點(diǎn)更為重要 。

1.4 約束條件及說明

1.4.1 對(duì)每一項(xiàng)作業(yè)只能安排一條進(jìn)路

xp,r為0-1變量，當(dāng)作業(yè)p采用進(jìn)路r時(shí)xp,r=1，否則xp,r=0

1.4.2 每一項(xiàng)作業(yè)的進(jìn)路安排需要滿足計(jì)劃要求

1.4.3 兩作業(yè)待安排進(jìn)路在空間上存在交叉

需要在作業(yè)安排時(shí)間上進(jìn)行疏解，以交叉渡線存在敵對(duì)進(jìn)路的復(fù)雜情況為例，作業(yè)p1、p2分別采用進(jìn)路r1、r2, Vr1, Vr2分別表示進(jìn)路設(shè)備集合，φr1,r2為0–1變量，當(dāng)進(jìn)路有沖突時(shí)，即Vr1∩ Vr2≠φ，φr1,r2=1； 當(dāng)進(jìn)路無沖突時(shí)，Vr1∩Vr2≠φ，φr1,r2=0。為進(jìn)路r1開始排列至p1的尾部通過絕緣節(jié)br1所需要的時(shí)間，如圖3所示。

圖3 沖突進(jìn)路調(diào)整

進(jìn)路r1的節(jié)點(diǎn)集合Vr1={X1--D1--1--C1--m1--3--D7--D9--9--D13}，進(jìn)路r2的節(jié)點(diǎn)集合Vr2={D11-11--D5--5--C2--m1--7--B1–D3}，Vr1∩ Vr2={m1}，若進(jìn)路r1先排列，則r2需要r1出清節(jié)點(diǎn)m1所在進(jìn)路區(qū)段（C1，D7），即駛離后絕緣節(jié)D7，所用時(shí)間為，若進(jìn)路r2先排列，則需要r2出清節(jié)點(diǎn)m1所在進(jìn)路區(qū)段（C2，B1），即駛離后絕緣節(jié)B1，所用時(shí)間為，即滿足關(guān)系如下：

或

設(shè)ξp1,p2為0-1變量，當(dāng)tp1＜tp2時(shí)，ξp1,p2=1，ξp2,p1=0，否則ξp1,p2=0，ξp2,p1=1，取Q為足夠大的正數(shù)，式（11）、式（12）等價(jià)于：

1.4.4 前后項(xiàng)作業(yè)間的關(guān)聯(lián)

若作業(yè)p2需要在作業(yè)p1完成以后才能排列，則稱作業(yè)p2是作業(yè)p1的后項(xiàng)作業(yè)，進(jìn)路r1的最后兩絕緣節(jié)間的邊（軌道區(qū)段）是進(jìn)路r2的第1個(gè)軌道區(qū)段，例如圖2中的X1–D13（r1）和D13–D3（r3）即為前后項(xiàng)作業(yè)，兩作業(yè)需要滿足最小作業(yè)間隔時(shí)間為tmp1,p2則對(duì)任意p2是p1的后項(xiàng)作業(yè)有：

由式（15）、式（1）得：

1.4.5 作業(yè)p2是作業(yè)p1的后項(xiàng)作業(yè)

此時(shí)，若存在作業(yè)p，需要占用作業(yè)p1的終點(diǎn)，p2的起點(diǎn)時(shí)，則稱作業(yè)p是作業(yè)p1，p2的相關(guān)作業(yè)，如圖中若有作業(yè)p需要占用r1，r3的終端始端區(qū)段（D9，D13）時(shí)，p辦理時(shí)機(jī)需要滿足條件為p要么先于p1排列，要么后于p2出清共用設(shè)備時(shí)排列：

或者

2 模型的求解算法

遺傳算法在組合優(yōu)化，自動(dòng)控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，具有求解簡(jiǎn)單、快速、實(shí)用的特點(diǎn)。本文建立的模型是典型的多目標(biāo)非線性優(yōu)化問題，以上進(jìn)路模型中，在給定進(jìn)路選擇x后，對(duì)應(yīng)的進(jìn)路排列時(shí)機(jī)可以直接由t=g(x)滿足約束條件的線性規(guī)劃模型決定，考慮到進(jìn)路選擇的0-1特性，采用二進(jìn)制編碼規(guī)則產(chǎn)生初始群體，具體流程如圖4所示。

2.1 確定編碼規(guī)則，產(chǎn)生初始種群

針對(duì)每項(xiàng)作業(yè)只安排一條進(jìn)路的原則，將每一項(xiàng)作業(yè)的編碼分成一個(gè)小模塊，模塊大小為|Rp|，共產(chǎn)生|P|個(gè)編碼模塊如下：

圖4 遺傳算法求解流程

|x1,1x1,2…x1,|R1||x2,1x2,2…x2,|R2||…|x|p|,1x|p|,2…x|p|Rp||，每一個(gè)符號(hào)“|”之間表示每項(xiàng)作業(yè)p的進(jìn)路選擇變量編碼，表示一個(gè)編碼模塊，對(duì)于每個(gè)編碼塊用隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生一個(gè)不超過其大小的正整數(shù)，將編碼塊中位數(shù)為此正整數(shù)的基因位定為1，而其他基因位為0，則產(chǎn)生了一個(gè)滿足基本條件的個(gè)體，可以隨機(jī)產(chǎn)生2M個(gè)個(gè)體，然后從中挑選較好的M個(gè)作為初始群體。

2.2 適應(yīng)度函數(shù)的確定

2.3 遺傳操作

計(jì)算產(chǎn)生初始群體的每條染色體檢查的適應(yīng)值fitness，選擇出適應(yīng)值較大的前M個(gè)個(gè)體，然后進(jìn)行交叉、變異操作，形成新一代種群。

2.4 終止規(guī)則

判斷種群的適應(yīng)度函數(shù)是否達(dá)到最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)，或種群是否達(dá)到最大迭代次數(shù)，如果沒有則返回2.3小節(jié)進(jìn)行遺傳操作，若達(dá)到則停止。

3 實(shí)例分析

以編組站到達(dá)場(chǎng)為例，根據(jù)作業(yè)參數(shù)表1，模型及算法參數(shù)設(shè)置如下：

α1=10, α2=5, α3=1種群規(guī)模NP=20，最大迭代次數(shù)NG=40，交叉概率PC=0.9，變異概率PM=0.04。

本例設(shè)計(jì)了4項(xiàng)作業(yè)用于驗(yàn)證模型的正確性，其中D21-3G是IG-D21的后項(xiàng)作業(yè)，作業(yè)時(shí)間間隔為2 min，IG-D21與4G-XQ時(shí)間、空間上有沖突，屬于敵對(duì)進(jìn)路，采用設(shè)計(jì)的算法得到最優(yōu)進(jìn)路選擇方案及進(jìn)路排列時(shí)機(jī)如表2所示，此時(shí)列車的準(zhǔn)點(diǎn)率到達(dá)了100%。

圖5中的進(jìn)路安排結(jié)果表明，由于XN-IIG，4G-XQ屬于列車作業(yè)應(yīng)優(yōu)先安排，考慮作業(yè)時(shí)間相近，通過模型求解安排了兩條平行進(jìn)路，受發(fā)車作業(yè)4G-XQ的影響，調(diào)車作業(yè)IG-D21時(shí)間上進(jìn)行了調(diào)整，安排了進(jìn)路交叉最少的r3，D21-3G是IG-D21的后項(xiàng)作業(yè)，受前項(xiàng)作業(yè)延誤影響，后項(xiàng)作業(yè)也作出相應(yīng)的時(shí)間調(diào)整，本模型可以優(yōu)化調(diào)整進(jìn)路的排列時(shí)機(jī)和排列次序。

表1 作業(yè)參數(shù)表

表2 作業(yè)排列時(shí)機(jī)安排

圖5 進(jìn)路走行方案

4 結(jié)束語

編組站作業(yè)計(jì)劃的自動(dòng)執(zhí)行主要在于為每項(xiàng)作業(yè)計(jì)劃選擇最優(yōu)的走行路徑及排列時(shí)機(jī)。本文以編組站到達(dá)場(chǎng)為例，將作業(yè)計(jì)劃根據(jù)權(quán)重系數(shù)不同簡(jiǎn)化為列車和調(diào)車作業(yè)，通過構(gòu)建車站網(wǎng)絡(luò)的平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將問題抽象為一個(gè)0-1選擇的多目標(biāo)優(yōu)化模型，通過遺傳算法可以有效的求解進(jìn)路優(yōu)化模型，獲得較高的列車準(zhǔn)點(diǎn)率。通過驗(yàn)證，該算法避免了進(jìn)路在空間和時(shí)間上的交叉，正確、有效地實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)作業(yè)計(jì)劃的自動(dòng)執(zhí)行功能。

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責(zé)任編輯 陳 蓉

Automatic execution function of marshalling station operation plan

LIU Xin1, YANG Yang1, HUANG Jincheng1, LUO Wei2
( 1. School of Information Sciences and Technology, Southwest Jiaotong University, Chendu 610031, China; 2. Kasco Signal Company Limited, Shanghai 200071, China )

To implement the function of marshalling station operation plan automatically, the key point was to implement the automatic optimization of needed route of marshalling station, s every operation, arrange the running route of every operation in stations and the route setting time reasonably.This paper was based on a marshalling station. By def i ning the insulated joints and switch points, the abstract description method of station was constructed. Punctuality rate maximum and total delay time reasonably minimum of operation as well as total route traveling length shortest were taken as optimization targets. To establish the marshalling station route choice of the multi-objective optimization model, route conf i lict，operation time conf l ict, operating planning requirements should be considered as constraint conditions. Considering 0-1 characteristics of route choice, the paper proposed Genetic Algorithm which was suitable for solving the route choice model. The actual case proved that the model could implement the two goals, avoiding mutual interference of route in time and inter space effectively, implementing the automatic execution function of marshalling station operation plan.

marshalling station; operation plan; route choice; Genetic Algorithm

U291.4∶TP39

A

1005-8451（2015）10-0014-05

2015-01-25

中國(guó)鐵路總公司科技研究計(jì)劃項(xiàng)目（2013X012-A-1，2013X012-A-2，2014X008-A）

劉 欣，在讀碩士研究生；楊 揚(yáng)，副教授。