铁路车站取送车系统优化理论与方法研究

第３　３卷，第２期 中国铁道科学Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．２　

２　０　１　２年３月 ＣＨＩＮＡ　ＲＡＩＬＷＡＹ　

ＳＣＩＥＮＣＥ　Ｍａｒｃｈ，２０１２　

文章编号：１００１－４６３２（２０１２）０２－０１３５－０３·博士学位论文摘要·

铁路车站取送车系统优化理论与方法研究

牟　峰１，２

，王慈光２（博导）

（１．西华大学交通与汽车工程学院，四川成都　６１００３９；２．西南交通大学交通运输与物流学院，四川成都　６１００３１

） 关键词：铁路车站；取送车系统；取送车方案；装卸区；布置型式；二维组合优化；蚁群遗传算法 中图分类号：Ｕ

２９２．２９ 文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ

．ｉｓｓｎ．１００１－４６３２．２０１２．０２．２３　收稿日期：２０１１－０８－１５；修订日期：２０１１－１０－

０９　基金项目：国家自然科学基金资助项目（

６０７７６８２４）：四川省教育厅资助科研项目（１１ＺＢ００３）；２０１１年西华大学重点科研基金项目　作者简介：牟　峰（

１９８０—）男，四川成都人，讲师，博士。 取送车系统是车站作业系统的子系统，其效率

的高低直接关系到出发列车正点率、车辆周转时间等运输生产指标。基于系统优化理论与方法、组合数学、集合论以及生产实践经验，分析取送车系统的要素、结构、环境和特征，研究取送车问题的建模方法、模型解的构造方法、寻优算法和提高问题寻优效率的启发式方法，并通过算例对研究成果的适用性进行验证。主要研究内容和结论如下。（１

）详细分析取送车作业对象、货物作业地点及其分布类型、取送车作业单项要素和取送车作业组织方式，综合分析取送车系统的功能要素、环境和特征，并对有关概念进行清晰地界定。

（２

）对装卸区呈放射形布置的取送车问题进行研究。假设调机牵引能力和各装卸区车辆容纳能力足够充分，将寻求合理的取送顺序、取送时机和取送批次数问题作为一个整体系统，对非直达车流和混合车流的取送车问题分别建立数学模型。根据模型的特点设计解的表达方法，提出模型解的模块化构造方法。通过对模型求解可得到具有适应性的取送车作业方式，克服了固定作业方式的缺陷。（３

）对装卸区呈树枝形布置的取送车问题进行研究。对多趟列车相继到达车站时非直达车流和混合车流的取送车问题分别建立数学模型，根据模型的特点设计解的表示方法，提出模型解的模块化构造方法。模型及其解的构造方法可根据问题的具体情况自适应地选择各种合理的取送车作业组织方式，通过对模型求解可得到合理的取送顺序、取送时机和取送批次数。

（４

）基于装卸区呈放射形布置和树枝形布置的取送车问题的研究成果，对适用于各种装卸区布置形式、各种形式的到发车流，将寻求合理的取送顺序、取送时机和取送批次数作为一个整体系统，建立取送车问题的一般模型。并将取送车问题明确为具有２个优化维度的组合优化问题。针对求解取送车问题时计算成本过高的问题，通过对问题的客观约束条件和生产实践中所总结出的一些经验原则进行提炼、规范，提出一套完整的取送车方案生成方法。利用该方法可将问题解的搜索空间规模从

２ｎ－１　

ｎ

！压缩至ｎ！，从而有效提高问题的求解效率。从集合论的角度出发，论述取送车批次划分方法的

理论依据。对装卸区呈放射形布置、树枝形布置和混合形布置的取送车问题分别设计１个基准算例，并给出它们到目前为止已知的最优仿真结果。（５

）为了提高寻优算法对各种具体问题的适应能力，提出一种具有参数自适应能力的混合算法。该算法将蚁群算法和遗传算法作为它的２个平行策略，利用云关联规则、灰色预测以及算法迭代过程中所反馈的信息，自适应地控制有关算法参数，有效减少算法对参数初始设置的依赖。同时，根据取送车系统自身特征，提出时间期望启发式信息和一种新型变异算子。前者作为可视化因子用于节点选择的状态转移概率公式，改善算法的收敛效率；后者则是针对不满足交货时间窗约束的解而设计的变换，它可使该类非可行解向有利方向变换，显著减少算法系统的冗余计算，提高算法的寻优效率。

Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｗａｇｏｎ’ｓＴａｋｅｏｕｔ　ａｎｄ　Ｄｅｌｉｖｅｒｙ　Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｔａｔｉｏｎ

（Ａｂｓｔｒａｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐｈ．Ｄ．Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ）

ＭＵ　Ｆｅｎｇ１，２，ＷＡＮＧ　Ｃｉｇｕａｎｇ２（Ｄｏｃｔｏｒ　Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ）

（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　Ｓｉｃｈｕａｎ　６１００３９，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　Ｓｉｃｈｕａｎ　６１００３１，Ｃｈｉｎａ）

Ｔｈｅ　ｗａｇｏｎ’ｓ　ｔａｋｅｏｕｔ　ａｎｄ　ｄｅｌｉｖｅｒｙ　ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ　ｓｙｓ－ｔｅｍ　ｉｎ　ｒａｉｌｗａｙ　ｆｒｅｉｇｈｔ　ｓｔａｔｉｏｎ（ＷＴＤＳＳ）ｉｓ　ａ　ｓｕｂ－ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｒａｉｌｗａｙ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｉｔｓ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｈａｓ　ａ　ｃｌｏｓｅ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅｏｎ－ｓｃｈｅｄｕｌｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｄｅｐａｒｔｕｒｅ　ｔｒａｉｎｓ，ｗａｇｏｎ　ｔｕｒｎ－ａｒｏｕｎｄ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｍａｎｙ　ｏｔｈｅｒ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　ｐｒｏｄｕｃ－ｔｉｏｎ　ｉｎｄｅｘｅｓ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ　ｃｏｍｂｉｎａｔｏｒｉａｌ　ｍａｔｈｅ－ｍａｔｉｃｓ　ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅ　ｓｅｔ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｓｏｍｅｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓ，ｔｈｉｓ　ｄｉｓｓｅｒ－ｔａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｅｎｖｉｒｏｎ－ｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａｇｏｎ’ｓ　ｔａｋｅｏｕｔａｎｄ　ｄｅｌｉｖｅｒｙ　ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｍｏｄｅｌ－ｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｍｏｄｅｌ　ｓｏ－ｌｕｔｉｏｎ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ａｎｄ　ｈｅｕｒｉｓｔｉｃ　ｍｅｔｈ－ｏｄｓ　ｆｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅｗａｇｏｎ’ｓ　ｄｅｌｉｖｅｒｙ　ａｎｄ　ｔａｋｅｏｕｔ　ｐｒｏｂｌｅｍ．Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉ－ｃａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｖａｌｉｄａｔｅｄｂｙ　ｅｘａｍｐｌｅ．Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｃｏｎ－ｃｌｕｓｉｏｎｓ　ａｒｅ　ａｓ　ｆｏｌｌｏｗｓ．

（１）Ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｂｊｅｃｔｓ，ｔｈｅ　ｌｏａｄｉｎｇ－ｕｎｌｏａｄｉｎｇｌｏｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｌａｙｏｕｔ　ｆｏｒｍｓ，ａｌｌ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｔａｋｅ－ｏｕｔ　ａｎｄ　ｄｅｌｉｖｅｒｙ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｅｌ－ｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｓ　ａｒｅ　ｓｙｓ－ｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌｓ．Ｔｈｅ　ＷＴＤＳＳ　ｆｕｎｃ－ｔｉｏｎａｌ　ｆａｃｔｏｒｓ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｒｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｃｏｎｃｅｐｔｓａｒｅ　ｃｌｅａｒｌｙ　ｄｅｆｉｎｅｄ．

（２）Ｔｈｅ　ｗａｇｏｎ’ｓ　ｄｅｌｉｖｅｒｙ　ａｎｄ　ｔａｋｅｏｕｔ　ｐｒｏｂｌｅｍ（ＷＴＤＰ）ｗｈｏｓｅ　ｌｏａｄｉｎｇ－ｕｎｌｏａｄｉｎｇ　ｌｏｃａｔｉｏｎｓ　ｓｈｏｗｒａｄｉａｌ　ｌａｙｏｕｔ（Ｒ－ＷＴＤＰ）ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ａｓ－ｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ　ｈａｕｌａｇｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎｄｔｈｅ　ｗａｇｏｎ　ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｌｏａｄｉｎｇ－ｕｎ－ｌｏａｄｉｎｇ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｂｏｔｈ　ｕｎｌｉｍｉｔｅｄ，ｔｈｅ　ｉｄｅａｌｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｎｏｎ－ｔｈｒｏｕｇｈ　ａｎｄ　ｔｈｅｕｎｆｉｘｅｄ　ｆｏｒｍ　ｗａｇｏｎ　ｆｌｏｗ　ａｒｅ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｅｓｔａｂ－ｌｉｓｈｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆａｃｔ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ，ｍｏｍｅｎｔａｎｄ　ｂａｔｃｈ　ｎｕｍｂｅｒ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｔａｋｅｏｕｔ　ａｎｄ　ｄｅｌｉｖｅｒｙｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ａｐｅｒｉｏｄ　ｏｆ　ｔｉｍｅ　ａｒｅ　ａ　ｗｈｏｌｅ　ｓｙｓ－ｔｅｍ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌｓ，ｅｘｐｒｅｓ－ｓｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ　ｍｏｄｕ－ｌａｒ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌｓ　ｉｓ　ｐｒｏ－ｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｏ　ｃａｌｃｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｖａｌ－ｕｅ　ｏｆ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ　ｓｃｈｅｍｅｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄｂｙ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｈａｖｅ　ｖａｒｉｏｕｓ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｓ，ａｎｄ　ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ　ｏｖｅｒｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｉｘｅｄ　ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｓ．（３）Ｔｈｅ　ＷＴＤＰ　ｗｈｏｓｅ　ｌｏａｄｉｎｇ－ｕｎｌｏａｄｉｎｇ　ｌｏｃａｔｉｏｎｓｓｈｏｗ　ｔｒｅｅ－ｓｈａｐｅ　ｌａｙｏｕｔ（Ｔ－ＷＴＤＰ）ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｗｏ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌｓ　ａｒｅ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｂｕｉｌｔ　ｆｏｒｔｈｅ　ｎｏｎ－ｔｈｒｏｕｇｈ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｕｎｆｉｘｅｄ　ｆｏｒｍ　ｗａｇｏｎ　ｆｌｏｗｉｎ　ｔｈｅ　ｃａｓｅ　ｏｆ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｔｒａｉｎｓ　ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅｌｙ　ａｒｒｉｖｅｄ　ｉｎｔｈｅ　ｒａｉｌｗａｙ　ｓｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ　ａｎｄｔｈｅ　ｍｏｄｕｌａｒ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｍｏｄｅｌｓ　ａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅｍｏｄｅｌｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｉｍｐｌｅｍｅｎ－ｔａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅｓｃａｎ　ｂｅ　ｆｏｕｎｄ　ｗｈｉｃｈ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｉｎｃｌｕｄｅ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅｓｅｑｕｅｎｃｅｓ，ｍｏｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｂａｔｃｈ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｔａｋｅｏｕｔａｎｄ　ｄｅｌｉｖｅｒｙ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　ｓｔａｇｅ　ｂｕｔ　ａｌｓｏｈａｖｅ　ｔｈｅ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｓ．（４）Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　Ｒ－ＷＴ－ＤＰ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｔ－ＷＴＤＰ，ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒｉｃ　ｍｏｄｅｌ（Ｇ－ＷＴ－ＤＰ）ｉｓ　ｂｕｉｌｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ，ｍｏｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｂａｔｃｈｎｕｍｂｅｒ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｔａｋｅｏｕｔ　ａｎｄ　ｄｅｌｉｖｅｒｙ　ｏｐｅｒａ－ｔｉｏｎｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ａｐｅｒｉｏｄ　ｏｆ　ｔｉｍｅ，ｗｈｉｃｈ　ａｐｐｌｉｅｓ　ｔｏ　ｄｉｆ－ｆｅｒｅｎｔ　ｌｏａｄｉｎｇ－ｕｎｌｏａｄｉｎｇ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｌａｙｏｕｔｓ，ａｌｌ　ｋｉｎｄｓｏｆ　ａｒｒｉｖａｌ　ｏｒ　ｄｅｐａｒｔｕｒｅ　ｗａｇｏｎ　ｆｌｏｗｓ．Ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｔｈｅＷＴＤＰ　ｉｓ　ｃｌｅａｒｌｙ　ｄｅｆｉｎｅｄ　ａｓ　ａ　ｃｏｍｂｉｎａｔｏｒｉａｌ　ｐｒｏｂ－

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１中　国　铁　道　科　学 第３３卷