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博士學位論文選題報告,基于遺傳算法的列車運行圖編制優(yōu)化研究,2,2020年5月19日,內容提要,課題的研究意義、國內外現狀分析課題研究目標、研究內容、擬解決的關鍵問題擬采取的研究方法、技術路線、及可行性研究課題的創(chuàng)新性計劃安排、預期進展和預期成果完成論文所具備的條件,3,2020年5月19日,內容提要,列車運行圖是用來表示列車在鐵路區(qū)間運行及在車站到發(fā)或通過時刻的技術文件，它規(guī)定各次列車占用區(qū)間的程序，列車在每個車站的到達和出發(fā)（或通過）時刻，列車在區(qū)間的運行時間，列車在車站的停站時間以及機車交路、列車重量和長度等，它是鐵路運輸工作中受多種因素制約、技術性強的綜合性計劃，是全路組織列車運行的基礎。,4,2020年5月19日,課題的研究意義,計算機編制列車運行圖是鐵路信息化的重要組成部分，國內外在該方面已進行大量的研究，取得了很大的成果，為本課題的研究提供了理論和實踐基礎。目前，計算機編制列車運行圖在國內已取得一定進展，并得到大規(guī)模應用，但其智能化程度急需進一步提高，以提高編圖效率和質量，為鐵路適應市場提供強有力的技術支撐手段。這使得本課題的研究具有了實用意義。,5,2020年5月19日,國外研究現狀,國外研究利用計算機編制列車運行圖，一般始于上個世紀五十年代后期。前蘇聯(lián)從上世紀五十年代后期開始，對計算機編制列車運行圖進行了大量的研究工作。前蘇聯(lián)采用的基礎算法是模擬人工方法，以實用為原則，不追求運行圖最優(yōu)，應用計算機代替人工繁瑣的運算工作，在計算機給定方案的基礎上進行人工調整直至滿意。日本從1960年開始研究，日本主要采用人機對話的方式。近年來日本采用人工智能與專家系統(tǒng)相結合的方式。美國從上世紀五十年代后期對計算機編圖進行研究，主要的技術路線是計算機模擬和邏輯判斷。,6,2020年5月19日,國外研究現狀,與此同時，國外也開展了建立數學模型開發(fā)相應算法，實現運行圖局部甚至全局優(yōu)化的研究。目前比較典型的就是數學規(guī)劃模型和人工智能。,7,2020年5月19日,國內研究現狀,我國研究計算機編圖始于上世紀六十年代初期，主要是在研究所和大學中展開。鐵路科學院運輸所首先在1962年開始進行列車運行圖的研究，此階段主要是按照人工編圖的過程和特點制定機器編圖的規(guī)則和步驟，鋪畫單線非平行運行圖。七十年代以后進行了全路直通客車方案的研究。哈爾濱鐵路局、蘭州鐵道學院、北方交大等科研院所從上世紀七十年代初開始對計算機編圖進行研究，取得了很大的成績。西南交通大學從上世紀八十年代開始了計算機編圖的研究。1993年投入實際運用的“復線列車運行圖計算機系統(tǒng)”，在我國第一次實現了計算機編制樞紐列車運行圖和復線干線上的方向列車運行圖。,8,2020年5月19日,國內外研究現狀,國內外計算機編圖方法數學規(guī)劃沿用數學邏輯推斷，對于結構明確、能定量描述的系統(tǒng)，可以求得最優(yōu)解。而列車運行圖編制由于定量、定性因素錯綜復雜，不能完全由數學模型描述清楚。并且由于所建的數學模型過于龐大，鑒于目前計算機速度、容量以及算法的局限，用純數學模型解出滿意實用的列車運行圖還難以做到。人工智能（專家系統(tǒng)）總結了編圖人員的實踐工作經驗，是人類邏輯思維的直接描述。這種方法接近實際，其結果明確了當，但由于專家系統(tǒng)過于局限于規(guī)則，對于列車運行圖編制這樣的大規(guī)模組合問題在建立知識庫和搜索知識方面存在較大困難。模擬方法對人類邏輯思維與數學方法進行結合，可以同時考慮定量與定性因素。其質量與效果在很大程度上取決于判別規(guī)則和執(zhí)行過程設計的合理性與全面性。,9,2020年5月19日,第二部分,課題的研究意義、國內外現狀分析課題研究目標、研究內容、擬解決的關鍵問題擬采取的研究方法、技術路線、及可行性研究課題的創(chuàng)新性計劃安排、預期進展和預期成果完成論文所具備的條件,10,2020年5月19日,課題研究目標,從列車運行的需求出發(fā)，系統(tǒng)化描述保證列車安全、快捷運行的各種必要條件，提出相應的數學模型，并在此基礎上采用遺傳算法對此模型展開優(yōu)化研究，以達到實用目標。,11,2020年5月19日,課題研究內容⑴,列車運行圖的數學模型列車運行圖是全路與運輸有關各單位的綜合工作計劃。因此，在編制運行圖過程中，要從全局出發(fā)，統(tǒng)籌兼顧，正確處理列車運行與技術站作業(yè)之間的關系、列車運行與機車交路之間的關系、運輸與施工之間的關系等等。根據對以上關系的研究制定列車運行圖的編制原則。根據列車的運行規(guī)律和運行圖的編制原則，對列車運行圖進行數學建模。在本課題中，結合遺傳算法的特點，構造利于遺傳算法優(yōu)化的數學模型。約束區(qū)間列車運行時間約束、列車停站時分約束、列車間隔時間約束、同向列車越行條件約束、車站間隔時間約束、列車單獨占用聯(lián)弧約束、列車禁停約束、敵對徑路約束、機車乘務組工作時間約束、天窗時間約束、列車到發(fā)時刻特殊要求約束、車站到發(fā)線約束目標函數總旅行時間最小技術站列車接續(xù)時間最小機車總消耗時間最小,12,2020年5月19日,課題研究內容⑵,遺傳算法構造染色體以及遺傳算子（選擇、雜交、變異）。針對編圖中不同的優(yōu)化問題，例如列車始發(fā)點分配、推線計算、運行圖標準控制檢查、越行會車點處理、列車接續(xù)、到發(fā)線安排、摘掛小運轉方案等問題，要針對具體的問題設計染色體及遺傳算子，以使優(yōu)化結果、優(yōu)化速度達到最佳。,13,2020年5月19日,課題研究內容(3),列車運行圖計算機自動編制將運行圖問題分解為若干個子問題，分步驟、分階段求解。列車運行圖初始布點列車初始布點就是計算線路交會點（基點）的列車始鋪到發(fā)點方案，均衡合理的確定列車在基點站的到發(fā)點方案，是計算機編制列車運行圖的重要的一環(huán)，直接影響著列車運行圖的編制質量與實際使用價值，而且與機車交路、車站設備能力、車站作業(yè)進度和車流來源有關。確定列車初始布點處理直通列車接續(xù)始發(fā)列車車次分配,14,2020年5月19日,課題研究內容(4),列車運行圖計算機自動編制路網分解為子線路列車運行圖的編制在通常情況下簡化為旅行時間最小的單目標規(guī)劃問題。由于目前尚未有較好的求解大規(guī)模時刻表規(guī)劃的優(yōu)化算法，因此本課題采取通過局部的多次優(yōu)化來實現全局優(yōu)化。而在鐵路的不同線路上運行的列車，在線路交會點有間隔約束、進路約束、到發(fā)線約束以及接續(xù)時間約束等，在線路的其他地方則幾乎不發(fā)生任何約束。因此，路網存在分解為子線路的可能性。選擇基點(主要干線交會點、有大量列車產生或消失的編組站以及局間分界口等)將路網分解為相對獨立的子線路。,15,2020年5月19日,課題研究內容(5),列車運行圖計算機自動編制對子線路求解在生成列車始鋪到發(fā)點方案以及路網分解的基礎上，對相對獨立的子線路分別建模，采用優(yōu)化算法求解各個子線路。機車周轉圖編制由于機車應用質量的優(yōu)劣直接影響到列車運行圖的編制質量，需要同步編制機車周轉圖。最有代表性的是把機車周轉圖歸結為二維分配問題，把到達機車看作資源，把出發(fā)機車看成活動。機車周轉圖的鋪畫，實質上是把資源分配給活動。目前的算法有采用解分配模型的特殊匈牙利算法，通過網絡變換把二維分配問題模型轉化為網絡流模型，用求網絡最小費用最大流方法求解。實際上，牽引機車的機車分配與應用方式，與列車的性質、種類和運行方向等因素有關。因此在建立機車周轉圖優(yōu)化模型時，必須按牽引機車類型及運用方式等特點進行分類。尋求最優(yōu)機車周轉圖，就是使機車不牽引列車時在站停留時間最短。,16,2020年5月19日,擬解決的關鍵問題,提出滿足列車運行圖編制規(guī)則的數學模型。列車運行圖編制的自動化。,17,2020年5月19日,第三部分,課題的研究意義、國內外現狀分析課題研究目標、研究內容、擬解決的關鍵問題擬采取的研究方法、技術路線、及可行性研究課題的創(chuàng)新性計劃安排、預期進展和預期成果完成論文所具備的條件,18,2020年5月19日,擬采取的研究方法,以列車行駛規(guī)律和運行圖編制原則為基礎，構造利于遺傳算法優(yōu)化的運行圖模型，將運行圖問題分解為若干個子問題分步驟、分階段求解，實現列車運行圖編制的自動化。,19,2020年5月19日,技術路線,研究過程可以借鑒國內外在列車運行圖計算機自動編制發(fā)展中的研究成果，同時對比其它方法，如數學規(guī)劃；人工智能；吸取上述方法中的有益思想并結合遺傳算法特點提出自己的見解。具體的技術路線為是對現有的編圖技術加以改進或者擴展，改造數學模型，使之適合采用遺傳算法進行優(yōu)化,20,2020年5月19日,可行性研究,可行性分析本課題從提高列車運行圖自動編制的智能化出發(fā)，著眼于實用原則，得到了西南交通大學博士創(chuàng)新基金的支持；本課題工作將在西南交通大學交通信息技術研究所展開，該所具有多位計算機自動編圖領域的專家，工作結果將在國家高性能計算中心(成都)驗證，因此本項目研究有較強的核心技術支撐和實現手段。,21,2020年5月19日,課題的創(chuàng)新性,在全面分析列車運行需求的基礎上提出一種與優(yōu)化方法相結合的數學模型；在列車運行圖計算機自動編圖中的關鍵問題中引入遺傳算法，提出新的優(yōu)化方案，提高列車運行圖計算機編制的智能化。,22,2020年5月19日,第五部分,課題的研究意義、國內外現狀分析課題研究目標、研究內容、擬解決的關鍵問題擬采取的研究方法、技術路線、及可行性研究課題的創(chuàng)新性計劃安排、預期進展和預期成果完成論文所具備的條件,23,2020年5月19日,計劃進度與預期進展,2003年12月－2004年3月國內外資料的收集，了解最新動態(tài)2004年4月－2004年6月分析列車運行規(guī)律及運行圖編制原則，建立運行圖的數學模型2004年7月－2004年11月將遺傳算法應用于計算機編制列車運行圖，編寫相應算法，并由軟件模擬2004年12月對采用遺傳算法的編圖進行性能分析2005年1月－2005年3月撰寫畢業(yè)論文并答辯,24,2020年5月19日,預期成果,在國內外高水平期刊雜志、會議上發(fā)表論文的目標是達到或爭取超過學校要求的論文數量和質量。,25,2020年5月19日,謝謝各位專家蒞臨指導！,