图源：摄图网
摘要：针对高铁快运网络货物运输配装优化问题,本文提出既有旅客列车捎带模式下的货物运输两阶段配装方案编制方法.第一阶段基于高铁快运网络采用K短路径算法计算货运需求可行路径集;第二阶段结合需求运输路径类型、 列车装载状态以及列车跨线运行情况,构建运输配装方案优化模型.此外,由于组合优化问题的复杂性以及模型非线性和多变量特点,传统粒子群算法求解不同货运规模下的运输配装方案模型效率较低.因此,本文通过循环迭代优化运输路径和货物配装方案,提出改进的嵌套粒子群算法以提高求解效率和精度.最后,本文以哈大客专、 京沈客专、 长白乌等10条高速铁路及动车组运行线路构成的路网为例,验证运输配装方案模型和算法的有效性.案例结果表明,考虑开行跨线列车的运输配装方案优化模型减少了约5%的需求滞留量.此外,嵌套粒子群算法能够有效求解大规模高铁网络货物运输配装问题,在求解效率上较经典算法提升约20%.
关键词：高铁快运；运输路径；配装模型；两阶段算法；嵌套粒子群
一、研究背景与意义
现阶段，我国货运需求持续增长、铁路内部压力过大、经济发展和产业结构升级引起的市场需求变化等对铁路运输行业提出了更高的发展要求。但高铁网络建设和规模的不断扩大给铁路运输带来了新的发展契机。为充分发挥高铁运力资源优势和快递公司两端服务网络优势，加快推动“高铁网+快递网”双网深度融合，全面深化铁路运输供给侧结构性改革，铁路部门依托现有高速铁路网络，推出了定位于高端快递市场的高铁快运业务。高铁快运侧重高附加值与高时效性货物运输，主要利用高铁确认车、载客动车组、预留车厢以及快运专列等运力资源对快件包裹提供站到站服务，现已发展成为快捷货物运输市场的重要运输方式。 截止2022年底，依托高速铁路成网优势，国铁集团已开设高铁快运办理站293个，覆盖我国31个省区市，每日可用于运输快运需求的动车组列车达3500列，已建成的高铁快运服务网络基本满足我国主要快递业务需求。
货物配装作为铁路货物运输过程的重要环节，不同配装方案对货物运输效率、运到期限有着重要影响。与经典的货物配装问题不同，高铁快运货物配装问题是将线路或路网的货运需求匹配在货物运输路径内的高铁客运列车上，具体决策货物配装时间、装运车次和货运量等，包含货物运输路径选择和货物配装方案优化两个子问题。目前，大多文献主要从快运模式、运输组织、单条铁路线路配装方案设计优化等方面进行探讨，鲜有文献从网络货物运输配装角度对高铁快运进行研究。随着高铁网络规模不断扩大，其轨道网络和列车服务网络的规模和复杂性都在不断增加，优化高铁快运网络货物运输配装方案，不仅能够提高运输效率、产生经济效益、合理配置运输资源，还有助于完善高铁快运服务体系、促进“高铁网+快递网”的双网深度融合。
二、主要内容
对于高铁快运网络运输配装问题来说，采用单条铁路线路配装方案的编制方法难以完成高铁快运网络运输配装方案的设计。因此，本文通过设计两阶段配装方案编制方法，构建高铁快运网络运输配装方案优化模型解决此问题。针对高铁快运网络运输配装问题特点，设计改进的嵌套PSO算法对大规模货运需求下的优化模型进行求解。本文以高铁线路为边、高铁站为节点构建高铁快运网络，并以哈大客专、京沈客专等多条高速铁路及动车组运行线路构成的路网为例，测试模型正确性以及算法效率。
（1）两阶段配装方案编制框架
第一阶段基于构建的高铁快运网络搜索需求在路网中的可行运输路径。本文采用K短路径算法求解得到需求的所有可行运输路径，同时结合其它路径筛选规则（例如：每条需求运输路径最多只能有一次中转）生成符合高铁快运OD需求的可行运输路径集。在第一阶段基础上，第二阶段基于货运需求运达总时间最短优化需求运输路径和配装方案，即：决策需求运输路径、配装车次及列车货运量等。
（2）运输配装方案优化模型
为了减少货运需求的运达时间，提高运到效率，本文以需求自起始站至目的站总运输时间最短为目标，考虑需求运输路径选择、列车出发时刻与需求配装变量的关系、列车停站与需求配装变量的关系、列车装载状态、列车装载能力等约束条件，构建高铁快运网络运输配装方案优化模型。另外，结合我国高速铁路网列车运行的客观实际，本文进一步区别高铁快运网络中开行非跨线列车与跨线列车的情况，构建扩展模型。
（3）嵌套PSO算法
考虑到模型包含网络中需求运输路径选择、配装方案生成以及优化目标等，求解过程计算量较大，而CPLEX等求解器的求解能力有限，因此设计嵌套PSO算法求解。利用外层PSO选择/更新运输路径组合作为输入，利用内层PSO求解配装方案然后反馈给外层PSO，不断迭代以求得最优目标。同时，针对内外层PSO的求解目标，分别设计适用于问题特性的初始解生成规则、粒子速度与位置的更新规则等，并进行大量数值实验确定更优的参数取值，尽可能确保和提高算法效率。
三、主要结论及政策建议
本文基于高速铁路列车跨线运行的客观实际，以需求运达时间最短为目标，构建了旅客列车捎带模式下的高铁快运网络运输配装方案优化模型。结合问题特性，设计了改进的嵌套PSO算法对大规模货运需求下的优化模型进行了高效求解。基于多次不同规模下的算例分析结果，得到以下结论：（1）相较于PSO算法，本文改进的嵌套PSO算法具有更高的求解效率，在求解网络大规模货运配装问题上具有显著优势。（2）考虑开行跨线列车的运输配装方案优化模型较传统模型（不考虑跨线列车运行）产生的需求滞留量更少，并且需求运输时间更短。（3）针对大规模的高铁快运网络运输配装优化问题，设计更加高效且精确的求解算法是十分必要的。综上，说明考虑跨线列车捎带的快运组织模式，能够为高铁快运网络需求提供更加良好快捷的运输服务。
四、边际贡献与未来拓展
后续研究主要围绕以下三个方面：（1）本文在需求分布确定情况下展开研究，具有一定的局限性。在实际生产生活中，需求分布往往是不确定的，因此需求分布不确定条件下的高铁快运网络运输配装方案优化是必要的。（2）本文设计嵌套PSO算法求解大规模货运配装问题，虽然在求解效率上较经典算法有所提升，但随着货运规模的不断扩大，启发式算法的求解速度和效率显著降低。因此后续工作将面向大规模高铁快运网络及货物配装需求设计更加精确的求解算法，如Benders分解、分支定价等。（3）随着高铁快运的发展和快运需求的增长，针对新增快运专列条件下的高铁快运网络运输配装方案和列车时刻表联合优化也是一个有趣的扩展方向。
五、写作、投稿过程的心得体会
本文从问题剖析到解决框架的搭建、从模型构建到实际算例的验证、从结果分析再到写作成稿的过程中，我们对研究方法以及所有细节进行了反复的推敲与修改，对问题的认识与理解愈加深刻，同时也不断迸发出新的想法与灵感，为我们今后的拓展及深入研究奠定了良好的基础。在论文投稿及修改的过程中，各位审稿专家及《系统工程理论与实践》的编辑老师提出了许多中肯并且富有建设性的意见和建议，对提高文章质量起到了重要作用，我们也从中学到了许多知识与方法。在这里向各位审稿专家和编辑老师的专业精神表示敬佩，并对专家老师们的辛苦付出致以诚挚的感谢。
本文摘编自《系统工程理论与实践》2024年,第44卷,第5期论文《旅客列车捎带模式下的高铁快运网络配装方案优化》（点击题目链接全文）；
作者：杨喜梅1, 硕士研究生,研究方向:铁路运输组织；康柳江1, 教授,博士,研究方向:铁路运输组织,城市交通管理等；孙会君2, 教授,博士,研究方向:城市轨道交通衔接优化,交通大数据分析与决策等；吴建军2，教授,博士,研究方向:城市(综合)交通系统复杂性,城轨系统管理与优化等
1. 北京交通大学 综合交通运输理论交通运输行业重点实验室, 北京 100044;
2. 北京交通大学 系统科学学院, 北京 100044