• ISSN 0258-2724
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求解铁路车流径路优化问题的列生成算法

范丁元 彭其渊 赵军 王家喜

范丁元, 彭其渊, 赵军, 王家喜. 求解铁路车流径路优化问题的列生成算法[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20250322
引用本文: 范丁元, 彭其渊, 赵军, 王家喜. 求解铁路车流径路优化问题的列生成算法[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20250322
FAN Dingyuan, PENG Qiyuan, ZHAO Jun, WANG Jiaxi. A Column Generation Algorithm for Solving Railway Car Flow Routing Optimization Problem[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20250322
Citation: FAN Dingyuan, PENG Qiyuan, ZHAO Jun, WANG Jiaxi. A Column Generation Algorithm for Solving Railway Car Flow Routing Optimization Problem[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20250322

求解铁路车流径路优化问题的列生成算法

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20250322
基金项目: 国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(N2023X025)
详细信息
    作者简介:

    范丁元(1994—),男,工程师,博士研究生,研究方向为交通运输优化,E-mail:fandy@my.swjtu.edu.cn

  • 中图分类号: U292.3

A Column Generation Algorithm for Solving Railway Car Flow Routing Optimization Problem

  • 摘要:

    铁路车流径路是铁路网规划中进行流量分配的主要依据,也是编制列车编组计划和列车运行图的基础. 如何在考虑线路通过能力等复杂约束的基础上,快速编制高质量的车流径路方案,以期降低运输总成本,是铁路运输组织过程中面临的重要难题之一. 针对铁路车流径路的树形径路特征,将相同到站的所有车流视为一个整体同步考虑并提出入树的概念,进而将问题转化为求解每个终到站(树根节点)的入树方案. 在此基础上,对经典的基于弧段的多商品流模型采用入树选择变量进行了重构. 针对重构模型的结构特点,提出了两阶段求解方法. 其中,第一阶段采用列生成算法得到有潜力的入树方案池;第二阶段则在方案池中对每个树根优选出符合条件的入树方案,进而得到每支车流的径路. 最后,利用中国西南地区路网等基础数据,并基于这些数据构造了不同规模路网的算例数据,对算法性能进行了验证. 结果表明,本文的方法能在较短时间内获得近似最优解. 相比于CPLEX,列生成算法的求解效率更高;相比于模拟退火算法,列生成算法的求解质量更佳. 相比于弧段模型,入树模型具有更低的模型复杂度和更高的求解效率.

     

  • 图 1  路网图和车流径路图(入树示意图)

    Figure 1.  Railway network and car flow routing diagram along with their corresponding in-tree representations

    图 2  算法流程

    Figure 2.  Flowchart of algorithm

    图 3  算例路网

    Figure 3.  Example of railway network

    图 4  车路径路优化结果

    Figure 4.  Optimized results for car flow routing

    图 5  列生成算法迭代过程

    Figure 5.  Iteration process of column generation algorithm

    表  2  按最短路配流与按优化方法配流的车流径路变化情况

    Table  2.   Changes in car flow routes resulting from using shortest-path assignment method and optimized assignment method

    始发站 终到站 需求量/
    (车·日–1
    按最短路配流 按优化方法配流
    车流路径 径路长度/km 车流径路 径路长度/km 绕道率*
    成都北 柳州南 208 成都北→遂宁→重庆西→贵阳南→柳州南 1400 成都北→遂宁→重庆西→怀化西→柳州南 1442 1.03
    重庆西 柳州南 105 重庆西→贵阳南→柳州南 1053 重庆西→怀化西→柳州南 1095 1.04
    达州 柳州南 151 达州→重庆西→贵阳南→柳州南 1304 达州→重庆西→怀化西→柳州南 1346 1.03
    内江 柳州南 89 内江→重庆西→贵阳南→柳州南 1317 内江→重庆西→怀化西→柳州南 1359 1.03
    遂宁 柳州南 55 遂宁→重庆西→贵阳南→柳州南 1229 遂宁→重庆西→怀化西→柳州南 1271 1.03
    遂宁 昆明东 125 遂宁→重庆西→贵阳南→六盘水→昆明东 1253 遂宁→成都北→西昌南→昆明东 1287 1.03
    遂宁 六盘水 163 遂宁→重庆西→贵阳南→六盘水 872 遂宁→成都北→内江→六盘水 915 1.05
    内江 达州 132 内江→重庆西→达州 515 内江→成都北→遂宁→达州 616 1.20
    怀化西 西昌南 211 怀化西→重庆西→遂宁→成都北→西昌南 1571 怀化西→贵阳南→六盘水→昆明东→西昌南 1611 1.03
    昆明东 遂宁 171 昆明东→六盘水→贵阳南→重庆西→遂宁 1253 昆明东→西昌南→成都北→遂宁 1287 1.03
    注:本文的绕道率计算方法采用路径长度与最短路径长度之比.
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    表  1  区段参数

    Table  1.   Section parameters

    编号 起始站 终到站 通过能力/(车·日−1 区段长度/km
    1 重庆西 怀化西 1 250 653
    2 怀化西 柳州南 1 563 442
    3 鸦鹊岭 怀化西 1 250 493
    4 贵阳南 怀化西 1 250 439
    5 成都北 内江 1 250 219
    6 成都北 遂宁 1 875 171
    7 成都北 西昌南 1 875 571
    8 贵阳南 六盘水 2 813 246
    9 重庆西 贵阳南 3 125 450
    10 贵阳南 柳州南 1 875 603
    11 内江 重庆西 1 250 264
    12 遂宁 重庆西 1 563 176
    13 重庆西 达州 1 563 251
    14 柳州南 南宁南 2 813 260
    15 昆明东 威舍 1 875 301
    16 西昌南 昆明东 1 875 545
    17 六盘水 昆明东 1 563 381
    18 内江 六盘水 1 250 525
    19 六盘水 威舍 1 875 247
    20 南宁南 威舍 2 500 510
    21 达州 鸦鹊岭 938 573
    22 遂宁 达州 1 250 226
    23 南宁南 钦州 2 500 119
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    表  3  算法对比

    Table  3.   Comparison of algorithms

    求解算法 运输成本/元 最优间隙/% 求解时间/s
    CPLEX 62130354 0 19.58
    模拟退火算法 63102249 1.56 2.00
    列生成算法 62151900 0.03 0.43
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    表  4  路网规模及计算结果

    Table  4.   Network sizes and computational results

    编号 节点数 弧段数 CPLEX 模拟退火算法 列生成算法
    运输成本/元 求解时间/s 运输成本/元 求解时间/s 最优间隙/% 运输成本/元 求解时间/s 最优间隙/%
    下界 上界 最优间隙
    1 20 64 24 929 287 24 929 287 0 125.71 27 283 618 3.45 9.44 24 934 092 0.71 0.02
    2 25 86 54 187 353 54 187 353 0 440.77 56 671 610 15.48 4.58 55 019 784 4.04 1.54
    3 30 106 82 609 183 82 609 183 0 13 574.36 88 611 484 18.56 7.27 82 883 666 6.81 0.33
    4 35 128 103 352 738 146 760 885 41.9 > 86 400.00 116249661 26.59 12.48 105 016 000 15.32 1.61
    5 40 150 84 146 987 > 86 400.00 93 620 844 54.55 11.26 84 207 167 11.03 0.00
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    表  5  弧段模型与入树模型计算结果对比

    Table  5.   Comparison of computational results between arc-based model and in-tree model

    节点数/个弧段数/条弧段模型入树模型
    变量数/个约束数/个运输成本/元求解时间/s变量数/个约束数/个运输成本/元求解时间/s
    154610 35013 48662 130 35419.58586162 130 3543.42
    206425 53633 03824 929 287125.715648424 928 86248.44
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  • 收稿日期:  2025-06-15
  • 修回日期:  2025-11-20
  • 网络出版日期:  2026-01-14

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