一种满足成网运行条件的地铁客货协同运输流程设计方法

本发明属于地下物流领域，具体涉及一种满足成网运行条件的地铁客货协同运输流程设计方法。

背景技术：

1、地铁货运系统是一种在城市地区通过借用全部或部分客运轨道交通系统富余运力来运输货物的一种全新运输和供应方式。地铁货运系统是城市地下物流的一种特殊系统形式，它不占用地面道路，能够缓解交通拥堵；采用清洁动力，有效减轻城市污染；不受外界条件干扰，运输更加可靠、高效。地铁货运系统要求对现有客运轨道交通线网进行改造和扩建，利用轨道交通的富余运能和高通达性实现自动化货运，相比于独立建设的地下物流系统，地铁货运系统的投资和建设难度更低，能够快速成网并产生效益。另外，地铁货运系统的优势（如高容量、高效率和技术储备）使其在当前阶段具备可行性，为推行城市配送的智能化、自动化和标准化提供了新思路，是未来城市综合运输体系的重要补充 ，也是城市地下物流系统前期发展的主要形态之一。

2、一个地铁货运系统网络主要包含城市物流园区、同时具备客运服务和物流处理功能的“地铁货运车站”、具备实现货物转运功能的地铁换乘车站以及城市末端物流网点等节点设施。在运输流程上，通过卡车或轨道方式将物流园区的货物送往地铁终点站，在地铁终点站进行打包、装箱，并为货物指派运输计划，货物随地铁网络运往指定的地铁货运车站，经过站内物流处理形成独立可交付的包裹，最后，通过地面人工配送或二级地下管道运输的方式发往末端网点，完成签收。

3、在地铁线路上运输货物主要有两种模式。第一种称为“共线分离”地铁运行模式，“货运专列”与客运列车在隧道中保持共线错班行驶，在站点处，两种列车停靠在不同的站台实现客货装卸（上下车）过程分离；第二种模式定义为“共线拖挂”地铁运行模式，即向原客运列车添加额外的货运专用车厢，货物随列车行驶，当“拖挂式列车”停靠在地铁车站站台时，保持乘客上下车与货物装卸在短时间内同步完成。

4、鉴于网络化运行条件下的地铁货运组织方式复杂，行车调度时效性高，设计一个科学的地铁货运服务指派与列车调度模式以实现地铁客运与货运的高效协同具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种满足成网运行条件的地铁客货协同运输流程设计方法。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种满足成网运行条件的地铁客货协同运输流程设计方法，包括如下步骤：

3、步骤（1）：将地铁货运服务分配过程定义为一个随时间变化的离散事件，基于先到先运原则、打包发车原则、车站负载均衡原则、最小列车利用率原则的地铁货物运输服务指派流程，构建地铁货物运输服务指派策略模型；

4、步骤（2）：考虑最小车头距离限制、靠站装卸时间限制、有限数量列车循环、货运专列“站不经停”因素，设计“共线分离”地铁运行模式下的地铁货运列车调度策略，构建由“邻近客货班次最小车头时距控制策略”、“地铁货运列车车站驻留时间控制策略”、“地铁货运列车速度控制策略”、“地铁线路最大货运能力计算方法”组成的地铁货运行车调度策略模型；

5、步骤（3）：针对地铁货物运输服务指派策略模型、地铁货运行车调度策略模型开展仿真，测试地铁货运网络的运行绩效。

6、进一步的，步骤（1）中的先到先运原则具体为：

7、越早达到“出发就绪状态”的标准箱具有越高的地铁运输优先级，表达式如下：

8、             （1）

9、式中，：0-1决策变量，当需要发往地铁货运车站q和城市末端配送网点j的托盘单元被装入第s批次标准箱，且该标准箱交由地铁线路r上的第i班次货运列车运输时，取值为1；否则为0；和表示标准箱批次集合；表示地铁线路r上的货运列车班次集合；表示地铁货运末端配送网点集合；表示地铁货运车站集合；表示地铁线路集合；

10、任意标准箱在地铁换乘车站被标记为“换乘就绪状态”的时刻等于该箱从原地铁线路货运列车中被卸下的时刻加上标准箱的站内搬运时间，表达式如下：

11、            （2）

12、式中，：0-1决策变量，当承载末端网点j货物的第s批次标准箱在地铁线路r上的换乘车站k处转运至其他地铁线路，则取值为1；否则为0；：承载末端网点j货物的第s批次标准箱沿着地铁线路r运达换乘车站k处的时间；：地铁线路r上第i班次货运列车到达换乘车站k的时间；：换乘车站k站内货物搬运所需时间；表示地铁换乘车站集合。

13、进一步的，步骤（1）中的打包发车原则具体为：

14、地铁列车的货运车厢配备若干标准箱舱位，每个舱位安置一个标准箱，发往同一末端网点的货物在物流园区整合为托盘单元，根据末端网点与地铁货运车站的归属关系对托盘单元整合，形成地铁货运标准箱，随列车运往目的地地铁货运车站；在一定时间内产生的货运需求视为同一装箱批次，并在该批次货物打包完成后加入地铁线路货运服务等候队列，根据“先到先运”原则确定同一批次标准箱的地铁运输优先级；打包发车原则表达式如下：

15、           （3）

16、式中，和均为0-1决策变量，分别表示在t1和t2时刻产生的末端网点j地铁货运需求是否允许被同时打包进入第s批次标准箱，允许则取值为1；否则为0；：第s批次标准箱的装箱完成时刻。

17、进一步的，步骤（1）中的车站负载均衡原则具体为：

18、当某一地铁车站的物流处理负载过高时，要求从货运源头对发往该车站的货物量进行限制，表达式如下：

19、           （4）

20、式中，：当进行第i班次货运列车始发装箱时，观测到的在地铁货运车站q处排队等待处理的标准箱数量；：地铁货运车站的物流处理负载控制系数；：地铁货运车站q的物流堆存能力。

21、进一步的，步骤（1）中的最小列车利用率原则具体为：

22、地铁货运服务分配要求合理控制每辆货运列车分配给不同类型货物的运力，即“随当前线路直达车站的标准箱”和“需要转运至其他线路的标准箱”，规定：低于最小货物装载率的列车不允许发车，表达式如下：

23、       （5）

24、式中，：地铁货运列车利用率系数；：第i班次货运列车提供的货物运力；：0-1变量，当地铁货运车站q位于地铁线路r上时，取值为1；否则为0；：0-1变量，当地铁换乘车站k衔接地铁线路r和线路时；：地铁去程运输阶段，第i班次货运列车分配用于运输“以地铁线路r上地铁货运车站为目的地的标准箱”的舱位数；：地铁返程运输阶段，第i班次货运列车分配用于运输“来自地铁线路r且以线路r’地铁货运车站为目的地的标准箱”的舱位数；：第i班次货运列车回程时在地铁换乘车站k装入的标准箱数量；：返程运输阶段，线路r的第i班次货运列车分配用于装入“在换乘车站k处等候转运的标准箱”的舱位数。

25、进一步的，步骤（1）构建的地铁货物运输服务指派策略模型如下：

26、目标函数：最小化货物在地铁网络中的总等待时间

27、             （6）

28、约束1：规定同一目的地货运流量只能在唯一的地铁货运车站进行处理

29、                     （7）

30、约束2：规定不满足出发就绪状态的货物不得装入地铁列车

31、                     （8）

32、式中，：以末端网点j和线路r上地铁货运车站q为目的地的第s批次标准箱达到出发就绪状态的时间；：线路r上第i班次货运列车的发车时间；

33、约束3：规定只有当列车停靠在地铁换乘车站时才可进行货物转运操作

34、                 （9）

35、式中， ：0-1决策变量，当线路r上第i班次货运列车停靠在换乘车站k，取值为1；否则为0；为上述变量在地铁货运车站情况下的取值；为上述变量在地铁货运车站及地铁线路情况下的取值。

36、约束4：遵循地铁货物运输服务指派“先到先运原则”，即公式（1）和公式（2）；

37、约束5：遵循地铁货物运输服务指派“打包发车原则”，即公式（3）；

38、约束6：遵循地铁货物运输服务指派“车站负载均衡原则”，即公式（4）；

39、约束7：遵循地铁货物运输服务指派“最小列车利用率原则”，即公式（5）。

40、进一步的，步骤（2）中的邻近客货班次最小车头时距控制策略具体为：

41、协调地铁客运列车与货运专列共线错班运行的行车间距，当在相邻两班客运列车之间穿插一班货运专列时，应满足最小车头时距约束关系，如下式：

42、            （10）

43、式中，：货运专列与相邻客运列车的最小允许车头时距；：地铁线路r上的第u班次货运专列与第m班次客运列车之间的实际车头时距； ：地铁线路r上的第u班次货运专列与第m+1班次客运列车之间的实际车头时距；，，分别为线路r上货运专列班次集合、线路r上客运列车班次集合、地铁线路集合；

44、当在相邻两班客运列车之间穿插两班货运专列时需要满足如下式所示的最小车头时距约束关系：

45、            （11）

46、式中，：任意相邻货运专列的最小允许车头时距。

47、进一步的，步骤（2）中的地铁货运列车车站驻留时间控制策略具体为：

48、货运专列在地铁货运车站的驻留时间须满足停靠时间约束，货运专列在任意地铁货运车站站台的停靠时间不超过最大允许停靠时间如下式：

49、 （12）

50、式中，：线路r上的第u班次货运专列在地铁货运车站q的允许停靠时间；：线路r上的第u班次货运专列在地铁货运车站q处与第m班次客运列车的实际车头时距。

51、进一步的，步骤（2）中的地铁货运列车速度控制策略具体为：

52、通过调整列车区间行驶速度使得货运专列“不经停”通过客运车站，同时与临近班次列车之间保持安全车头时距，“站不经停”行车策略下，货运专列经过地铁线路区间的速度迭代关系如下式：

53、 （13）

54、式中，：线路r上的货运专列u从地铁车站g至g+1站的开行速度； ：线路r地铁车站g与g+1站之间的距离；：线路r客运列车m抵达g+1站的时间；：线路r货运专列u的发车时间；：0-1决策变量，当线路r货运专列u停靠在地铁车站g时，取值为1；否则为0。

55、进一步的，步骤（2）中的地铁线路最大货运能力计算方法具体为：

56、有限货运专列数量下的地铁线路最大货运能力计算方法如下式：

57、         （14）

58、式中，：地铁线路r的最大货运能力；：如上所释；：0-1决策变量，当线路r上的货运专列u在第i班次地铁列车发车时刻处于就绪状态； ：每条地铁线上分配的货运专列数量。

59、本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

60、设计了一种基于地铁的地下客货协调运输组织方式，能够协同优化地铁网络中的货运服务分配和地铁与异构列车调度过程。所提出的系统运行原则、优化目标和约束能够有效控制地铁网络中的货物流量，合理安排地铁网络运力资源，在保证地铁运输安全性及操作逻辑正确的同时，实现地铁网络货运效率的整体提升。整体流程设计方法具有较高的适用性，且模型求解过程易于实现。同时，本发明为基于地铁开发城市地下物流系统提供了设计支持，促进城市物流运营向地下轨道交通转移，达到缓解交通拥堵、节约土地资源、促进城市货物运输“碳中和”等有益效果。

61、本发明更全面地考虑了依托地铁组织客货协同运输的关键设计因素，以网络化地铁货运为背景，提出地铁货运的装箱、服务指派与列车调度一体化运行组织策略模型。与以往基于经验的设计思路相比，本发明考虑了地铁货运换乘、标准化装箱、有限数量货运列车循环、货运列车“站不经停”等新设计要求。地铁货运网络运行流程以不改变原地铁客运计划为前提进行设计，可以避免货运活动对地铁客运服务的不利影响。