一种面向客货列车共线运行的运行图与速度曲线一体化生成方法

1.一种面向客货列车共线运行的运行图与速度曲线一体化生成方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：建立面向客货列车共线运行的运行图与速度曲线一体化生合成模型，设置所述模型中使用的决策变量，包括Q i,s 表示列车i在车站s的停站时间；二进制变量 表示速度曲线备选集中的某条曲线是否被选择，若列车i在区间[s,s+1]内选择了第k条曲线，则 否则 二进制变量 表示上行方向列车i、j进入区间[s,s+1]的顺序，若列车i先进入区间[s,s+1]，则 否则 二进制变量τ i,j,s 表示下行方向列车i、j进入区间[s,s+1]的顺序，若列车i先进入区间[s,s+1]，则τ i,j,s ＝1，否则τ i,j,s ＝0；在上式中，i,j为列车的索引，s为车站以及区间[s,s+1]的索引，O为上行方向列车的集合，I为下行方向列车的集合；S2：根据步骤S1中的假设条件和步骤S2中的决策变量设置列车运行过程中的约束条件；包括列车安全间隔约束：在上式中， 为两列连续列车i、j从同一车站发车的最小时间间隔， 为两列连续列车i、j到达同一车站的最小时间间隔，J为正常数，N为车站数量；公式(1)-(4)为上行方向列车应满足的安全间隔公式，公式(5)-(8)为下行方向列车应满足的安全间隔约束，此约束条件保证了同一方向的相邻两列列车的安全间隔；包括列车停站时间约束：在上式中，Q i,s 为列车i在车站s的停站时间， 为列车i在车站s的最小停站时间；包括车站到发线数量约束：在上式中，λ i,s,t 为0-1的变量，表示列车i在时间t是否停靠在车站s，若列车i在时间t停靠在车站s，则有λ i,s,t ＝1，反之则有λ i,s,t ＝0，U s 为车站s的到发线数量；包括速度曲线选择约束：在上式中， 为0-1的变量，表示速度曲线备选集中的某条曲线是否被选择，若列车i在区间[s,s+1]内选择了第k条曲线，则 否则 包括混合闭塞制式约束：根据前后车类型的不同，将列车追踪运行分为四种情况，即客车追踪客车运行、客车追踪货车运行、货车追踪货车运行和货车追踪客车运行；处于客车追踪客车运行时，遵循移动闭塞下的运行约束；处于客车追踪货车运行时，此时客车的制动终点为货车所在闭塞分区的起点，客车遵循移动闭塞下的运行约束；处于货车追踪前方车辆运行时，遵循固定闭塞下的运行约束；S3：设置所述模型的目标函数；S4：将步骤S2、步骤S2、步骤S3所构建的模型定义为原问题；S4.1：根据原问题构造主问题；S4.2：生成主问题的一个初始可行解；S4.3：求解主问题得到构造子问题的对偶变量；S4.4：根据步骤S4.2得到的对偶变量构造子问题，求解子问题得到行的“列”，将其加入到主问题中；S4.5：重复步骤S4.3和步骤S4.4，即继续求解主问题得到新的对偶变量，并构造新的子问题继续求解，直到无法找到更优的新列为止，输出最优解。 2.根据权利要求1所述的面向客货列车共线运行的运行图与速度曲线一体化生成方法，其特征在于，在步骤S2中，所述混合闭塞制式约束条件的构建过程为：首先，对于追踪运行的两列列车i、j，后车速度可表示为：同理，后车的位置可表示为：客车追踪客车运行时，前后两列列车间隔可表示为：后车从当前速度减速为0的制动距离为：前车车长可表示为：因此追踪运行的两列客车的间隔应满足约束条件：约束(20)保证了后方客车追踪前方客车运行时的安全间隔，通过已知的列车速度曲线可计算列车在某一时刻的位置及速度，当时刻确定时，(20)中的所有项数均为常数，由此判断列车所选择的速度曲线在该时刻是否能够满足安全追踪间隔约束；客车追踪货车运行时，由于只能得知前方货车所在的闭塞分区而无法得知其具体位置，那么后方的客车需要以前行货车所在闭塞分区的起点并附加一定的安全防护距离作为制动终点，列车所处闭塞分区编号计算方式为：在上式中， 为向上取整符号；则该追踪运行场景下的列车间隔应满足约束条件：货车追踪货车运行时，后方的货车应遵循固定闭塞约束，由于线路被分成了若干个闭塞分区，需要根据前后车所处的闭塞分区来进行速度控制，后车前方的空闲闭塞分区数量由下式计算：当后车前方有至少两个空闲闭塞分区，即 时，后方货车需要满足的速度约束为：V H (t)≤V lmax (25)当后车前方有一个空闲闭塞分区，即 时，后方货车需要满足的速度约束为：当后车前方无空闲闭塞分区时，即 时，后方货车需要满足的速度约束为：当后车与前车位于同一闭塞分区，即 时，后方货车需要满足的速度约束为：V H (t)＝0(28)货车追踪客车运行时，情况类似于货车追踪货车运行，后车前方的空闲闭塞分区数量计算方式为：当后车前方有至少两个空闲闭塞分区，即 时，后方货车需要满足的速度约束为：V h (t)≤V lmax (31)当后车前方有一个空闲闭塞分区，即 时，后方货车需要满足的速度约束为：当后车前方无空闲闭塞分区，即 时，后方货车需要满足的速度约束为：当后车与前车位于同一闭塞分区，即 时，后方货车需要满足的速度约束为：V h (t)＝V R ＝0(34)在上式中，L b 为闭塞分区的长度， 为后车前方空闲闭塞分区个数，V lmax 为线路限速值， 为前车长度， 为列车i的长度， 为前后车间隔， 为后车制动距离， 为后车制动加速度，b i,t 为列车i在时间t所处的闭塞分区编号，x SG 为安全防护距离，n为每列列车在每个区间内速度曲线备选集中的速度曲线数量， 为列车i在区间[s,s+1]内速度曲线备选集中第k条速度曲线时在t时刻的速度， 为列车i在区间[s,s+1]内速度曲线备选集中第k条速度曲线时在t时刻的位置，V H (t)为后车在时间t时的速度，x H (t)为后车在时间t时的位置， 为0-1的列车类型指示变量，当列车i为货车时， 当列车i为客车时， 3.根据权利要求2所述的面向客货列车共线运行的运行图与速度曲线一体化生成方法，其特征在于，步骤S3所设置的目标函数为：在上式中，ζ i,j,s 的取值规则为：在上式中， 为列车i在车站s的发车时刻，r i,s 为列车i在区间[s,s+1]的运行时间，N m 为客货列车交会次数，ω i,j 为0-1的变量，表示相向而行的两列列车是否为同类型列车：若相向而行的列车i、j为不同类型列车，则有ω i,j ＝1，反之则有ω i,j ＝0，客货列车区间交会次数可由式(35)计算，为所述模型中第一个目标函数的表达式；在上式中， 为列车i在车站s的发车时刻，r i,s 为列车i在区间[s,s+1]的运行时间，式(37)表示上行方向列车的旅行时间，式(38)表示下行方向列车的旅行时间，式(39)表示列车的总旅行时间，为所述模型中第二个目标函数的表达式；在上式中， 为列车i在区间[s,s+1]内速度曲线备选集中第k条速度曲线对应的单位质量平均能量消耗，M i 为列车i的质量；式(40)表示列车在区间[s,s+1]内单位质量的能量消耗，式(41)表示列车在区间[s,s+1]的能量消耗，式(42)表示所有列车的总能量消耗，为所述模型中第三个目标函数的表达式；通过引入权重系数α 1 、α 2 、α 3 来将上述三个目标函数转化为传统的单目标函数形式，得到所述模型的目标函数为：根据步骤S1-S4，所述模型表示为：在所述模型中，对列车旅行时间与能量消耗进行权衡，提升客货共线列车的运行效率并减少能量消耗。 4.根据权利要求3所述的面向客货列车共线运行的运行图与速度曲线一体化生成方法，其特征在于，步骤S4.1包括，将式(40)所描述的模型定义为原问题，根据列生成的原则，将原问题构造为基于集合划分的模型，即主问题；定义R为所有可能的线路运行方案集合，R′为所有可行线路运行方案的集合， r为一种可行线路运行方案，成本c r 的计算公式为：在上式中， 为线路运行方案r中列车i在区段s的停站时间， 为二元变量，表示线路运行方案r中列车i在区段s的第k条备选速度曲线是否被选择， 为线路运行方案r中列车i在区段s的第k条速度曲线对应的区间运行时间， 为线路运行方案r中区段s的第k条速度曲线对应的单位质量能量消耗，M i 为列车i的质量，c t 、c e 分别为单位时间和单位能量消耗所花费的等价成本；定义ξ r 为二元变量，当线路运行方案r被选中时，ξ r ＝1，将ξ r 松弛为连续变量，定义 为二元变量，当线路运行方案r中关于列车i的运行方案为o时， 则主问题可被线性松弛：ξ r ≥0,r∈R′(49)目标函数(46)最小化了所选择的线路运行方案的总成本，约束(47)表示每列列车必须且只能选择一种列车运行方案，由于不同列车可以选择相同的运行方案，约束(48)确保了只能由一个可行线路方案被选择，约束(49)确定了上述变量的取值范围，将求解主问题得到的二元变量添加到子问题中产生新的可运行方案，分别为约束(47)、约束(48)定义对偶变量β i 、χ；S4.2：初始解具体生成方案，在主问题模型中，将r定义为一种可行的线路运行方案，为算法生成一个可行的解；S4.3：求解步骤S4.1中构建的主问题，得到对偶变量β i 、χ；S4.4：根据步骤S4.3得到的对偶变量构造子问题，将线路视为多个区段的组合，求解最佳线路运行方案即可转化为分别求解每个区段内的最佳线路运行方案，将子问题由符号PP s 表示，模型PP s 对应于求解区段s的最佳线路运行方案：目标函数(50)最小化新线路运行方案所增加的成本，若minF s pp ＞0，则表示通过求解子问题得到的新线路运行方案的成本增加了，即没有新的线路运行方案能够继续减少成本；若存在minF s pp ＜0，则表示通过求解子问题得到的新线路运行方案成本减少了，即有新线路运行方案能够继续减少成本；将子问题PP s 求解后获取的新的解重新作为新的一列加入到主问题中求解，经过反复迭代，直到子问题PP s 中求解出来的方案成本的减少量都是负数，则表明当前主问题的解已是最优解，停止计算并输出结果；S4.5：重复步骤S4.2和S4.3，直到求解子问题时无法找到更优的新列，输出当前最优解。 5.根据权利要求4所述的面向客货列车共线运行的运行图与速度曲线一体化生成方法，其特征在于，所述步骤S4.2包括：S4.2.1：所有列车均按其计划发车时间从始发站发车，旅客列车在所有中间站均停站，货运列车在中间站不停站；旅客列车选择运行时间最大的速度曲线，货运列车选择运行时间最小的速度曲线，按照上述原则生成停站时间 速度曲线选择 S4.2.2：根据步骤S4.2.1生成的 检查是否违反约束(1)～(8)，若违反约束，则调整列车的停站时间来调整列车的每一站的到发间隔，直至 满足约束(1)～(8)，定义新生成的停站时间及速度曲线选择变量为 S4.2.3：根据步骤S4.2.2生成的 检查是否违反混合闭塞制式约束，若违反，则调整列车的停站时间及速度曲线选择来调整列车的追踪间隔，若某两列列车的速度曲线选择不满足混合闭塞制式约束，则将后车的速度曲线选择变为对应区间运行时间更小的速度曲线，若仍不符合，重复该步骤，若所有速度曲线均不满足约束，则延迟后车的发车时间，直至 满足混合闭塞制式约束，定义新生成的停站时间及速度曲线选择变量为 S4.2.4：检查 是否满足约束(9)～(11)，若不满足，则调整停站时间与速度曲线选择，直至满足所有约束条件，令 将Q 0 、σ 0 作为算法的初始解。