大规模铁路网络的扰动管理：一种基于时间分阶段架构的渐进式方法

《TRANSPORTATION RESEARCH PART C-EMERGING TECHNOLOGIES》：Disruption management for large-scale railway networks: A progressive approach with time-phased architecture

　　**摘要**- 我们提出了一种针对列车与动车组调整计划的整数规划模型。- 我们引入了一种基于时间分阶段调整架构的渐进式方法。- 我们开发了一种滚动时域框架，并结合拉格朗日松弛与启发式策略。- 所提出的框架能够在较短的计算时间内处理各种中断情景。- 所提出的多粒度方法优于纯中观和宏观建模方法。---**引言**铁路日常运营不可避免地受到各种内外扰动的影响，如恶劣天气、铁路基础设施故障、动车组故障以及人为失误等，这些都可能引发扰动和中止。根据Cacchiani等人（2014）的研究，扰动是指对运行计划的轻微偏离，通常通过调整运行图来处理，这一过程通常称为**扰动管理（列车调整计划）**。相比之下，中断是指需要全面重新调整列车运行、动车组交路和乘务员排班的重大扰动，统称为**中断管理**。虽然与扰动相比，中断的发生频率较低，但一旦发生，其影响可能极为深远。例如，Jespersen-Groth等人（2009）报告称，荷兰铁路网每天约有17起与基础设施相关的中断事件，平均持续时间为1.8小时。2021年5月1日，铁路供电线路故障导致在京广高铁线上行驶的多列列车延误超过3小时，造成北京西火车站大量旅客滞留。同样，2023年8月6日，山东省发生地震，导致京沪高铁线上超过92列列车被取消。最近，2024年2月，冻雨导致供电中断，京沪线上约100列列车延误超过60分钟。在真实的中断管理场景中，中断往往是突发性的，可用信息也会随时间演变。最初，可能仅有有限或预测性信息，随后由铁路管理者或维护人员逐步更新。此外，涉及的列车服务数量和动车组资源庞大，加上相应的计算需求，使得在中断发生后有限的时间内难以得出可行的调整方案。各国铁路系统在中断管理方式上存在显著差异：一些系统严重依赖预先制定的应急预案，而另一些系统则将预案主要作为操作模板，更加强调现场决策和临场应对（Schipper和Gerrits，2018）。在本研究关注的中国铁路背景下，调度员通常依据涵盖有限未来时域的阶段计划工作，而非一步到位地修订整个运行图。例如，一个阶段计划仅覆盖未来3至4小时的列车运行。在每个阶段的开始时，调度员首先向直接受影响的列车发出停车令。基于当前可用的中断信息，他们随后对已在运行或即将出发的列车实施详细的调整措施，如重新排点和重新排序。对于计划在未来较远处出发的列车，调度员主要关注更高层次的决策，如列车取消、折返、改道和动车组交路调整，而不确定轨道层面的精确到发时刻。随着时间推移和中断信息日趋准确，之前调整的未来计划被逐步重新优化，以逐渐恢复运行图并降低中断的总体影响。这种做法自然地催生了一种渐进式调整范式，其中每个滚动阶段内部被划分为一个需要细粒度运营决策的近期阶段和一个侧重结构性恢复的远期阶段。然而，这一过程仍然在很大程度上依赖调度员的经验，这可能降低调整决策的一致性和稳定性。为应对这些挑战，本研究提出了一种基于优化的框架，明确捕捉铁路中断管理中的渐进式结构和内在时间分阶段特性。在每个滚动阶段中，调整时域被划分为两个阶段：反应阶段（近期）和恢复阶段（远期），每个阶段具有不同的目标、调整措施和重点。在反应阶段，框架优先考虑即时运营可行性和安全性，对已在运行或即将出发的列车采用重新排点和重新排序等细粒度措施。相比之下，恢复阶段聚焦于结构性调整，其中较粗粒度的建模支持列车取消和动车组交路调整等操作，从而在降低问题复杂度的同时促进运营恢复。为实现这一概念，我们基于多粒度时空网络提出了一个整数线性规划模型（ILP），该模型自适应地调整建模粒度以满足每个阶段的需求。为应对动态更新的中断持续时间并确保实时适用性，我们开发了一种滚动时域求解框架。在每个阶段内，采用基于拉格朗日松弛的启发式算法（LR-H）求解综合调整问题，该算法利用问题结构、分解模型并应用针对性启发式策略以提高解的质量。在小型和大型铁路网络上进行的计算实验证实了该方法能够在有限的计算时间内提供高质量调整方案的能力。本文其余部分组织如下。第2节综述相关文献，包括不确定条件下和条件下的中断管理，提供对比分析，并概述研究空白及本研究的贡献。第3节详细描述问题，并介绍物理铁路网络和多粒度时空网络表示。第4节提出整数线性规划模型。第5节提出滚动时域求解框架和LR-H方法以解决该组合优化问题。第6节报告在两个铁路网络上进行的计算实验结果，以验证方法的有效性。最后，第7节总结结论并展望未来研究方向。---**章节摘要****文献综述**中断管理问题近年来受到了广泛关注，多篇综合性综述对此进行了回顾（Cacchiani等人，2014；Corman和Meng，2014；Fang等人，2015；Zhan等人，2024）。在第2.1节中，我们回顾了处理确定性条件下中断管理的相关文献。第2.2节关注明确纳入不确定性的方法。第2.3节将本研究与文献中最相关的工作进行比较……**问题描述**给定一个包含车站和区间的铁路网络、一组列车服务和一列动车组车队，本研究考虑的是在双向区间封锁中断条件下的列车与动车组综合调整问题。封锁会使受影响区间在中断期间无法通行列车，可能导致原运行图和动车组交路计划不可行。该问题旨在确定一个可行的调整方案……**数学建模**在本节中，我们建立列车与动车组综合调整模型。所提模型使用的符号汇总于表3。**求解方法**求解方法中使用的主要符号汇总于附录A。**案例研究**我们在两个铁路网络上通过一系列数值实验来测试所提模型和求解算法的性能。第一个是设计用于将我们的求解算法与商业求解器Gurobi 10.0.2的性能进行基准比较的小型人工网络。第二个是INFORMS RAS 2016求解竞赛中使用的大型铁路网络，旨在……**结论与未来研究**在本文中，我们研究了大型铁路网络中的中断管理问题，采用了一种具有时间分阶段调整架构的渐进式方法。基于自定义设计的时空网络，我们建立了一个整数线性规划模型（ILP），联合解决列车与动车组调整问题，目标是最小化列车总延误、动车组调整成本和取消惩罚。为处理动态更新的中断持续时间并确保……**CRediT作者贡献声明****Zhu Yuehao（朱越昊）：** 撰写初稿、软件、方法论、概念化。**Meng Lingyun（孟令云）：** 撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念化。**Luan Xiaojie（栾小杰）：** 撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法论、概念化。**Miao Jianrui（缪建锐）：** 概念化。**Liao Zhengwen（廖正文）：** 撰写——审阅与编辑、监督、方法论。**Zheng Ranfei（郑染飞）：** 软件。**Andrea D'Ariano：** 撰写——审阅与编辑、监督、方法论。---作者列表：Zhu Yuehao（朱越昊）| Meng Lingyun（孟令云）| Luan Xiaojie（栾小杰）| Miao Jianrui（缪建锐）| Liao Zhengwen（廖正文）| Zheng Ranfei（郑染飞）| Andrea D'Ariano