随着城市化进程加快，城市人口不断由中心城区向新城、卫星城扩散，市域（郊）铁路的出行需求持续增长。如何依据客流规律科学灵活配置运力资源，在保障乘客出行效率的前提下控制列车运行能耗，是市域（郊）铁路高质量发展亟待破解的难题。现有研究多针对高速铁路与城市轨道交通场景，难以适配市域（郊）铁路特征，面向乘客出行效率与列车运行能耗的一体化优化方法仍有待完善。

本书以动态客流为输入，围绕列车运行图一体化优化逐层展开研究。书中厘清乘客出行效率与列车运行能耗的构成、影响因素及内在耦合关系；先后开展停站方案与运行图协同优化、融合列车节能速度控制的一体化优化，以及纳入列车编组调整的多要素联合优化，通过改进 ALNS、S-ALNS 算法实现模型高效求解，推动运力供给与动态客流精准匹配。

研究搭建兼顾乘客出行效率与列车运行能耗的完整优化框架，形成系统化的列车运行图优化理论与技术方法。本书可供交通运输规划与管理领域科研人员、工程技术人员及研究生参考，也可为市域（郊）铁路运输组织与运营管理实践提供理论支撑。

第 1 章 引言 ………………………………………………………………… 1

1. 1 研究背景及意义 ………………………………………………… 1

1. 2 国内外研究现状 ………………………………………………… 6

1. 3 研究内容与技术路线 …………………………………………… 17

第 2 章 市域 (郊) 铁路列车运行图优化问题分析 …………………… 21

2. 1 市域 (郊) 铁路乘客出行效率 ………………………………… 21

2. 2 市域 (郊) 铁路列车运行能耗 ………………………………… 27

2. 3 列车运行图要素对乘客出行效率、 列车运行能耗的影响机理

分析 ……………………………………………………………… 32

2. 4 本章小结 ………………………………………………………… 36

第 3 章 针对乘客出行效率的市域 (郊) 铁路列车运行图和停站方案

一体化优化 ……………………………………………………… 37

3. 1 问题描述 ………………………………………………………… 37

3. 2 列车运行图和停站方案一体化优化模型 ……………………… 40

3. 3 ALNS 算法 ……………………………………………………… 47

3. 4 数值实验 ………………………………………………………… 55

3. 5 本章小结 ………………………………………………………… 60

第 4 章 列车节能控制下均衡乘客出行效率与列车运行能耗的列车

运行图优化 ……………………………………………………… 61

4. 1 问题描述 ………………………………………………………… 61

4. 2 列车节能运行图优化模型 ……………………………………… 63

4. 3 S-ALNS 算法 …………………………………………………… 71

4. 4 数值实验 ………………………………………………………… 79

4. 5 本章小结 ………………………………………………………… 84

第 5 章 考虑乘客出行效率与列车运行能耗均衡的列车编组和列车

运行图一体化优化 ……………………………………………… 86

5. 1 问题描述 ………………………………………………………… 86

5. 2 列车编组和列车运行图一体化优化模型 ……………………… 88

5. 3 列车编组和列车运行图一体化优化求解算法 ………………… 96

5. 4 数值实验 ………………………………………………………… 99

5. 5 本章小结………………………………………………………… 105

第 6 章 市域 (郊) 铁路案例分析 ……………………………………… 106

6. 1 案例概述………………………………………………………… 106

6. 2 针对乘客出行效率的列车运行图和停站方案一体化优化

实验……………………………………………………………… 110

6. 3 列车节能控制下均衡乘客出行效率与列车运行能耗的列车

运行图优化实验………………………………………………… 120

6. 4 考虑乘客出行效率与列车运行能耗均衡的列车编组和列车

运行图一体化优化实验………………………………………… 131

6. 5 均衡乘客出行效率与列车运行能耗的市域 (郊) 铁路列车

运行图分析……………………………………………………… 140

第 7 章 结论与展望 ……………………………………………………… 144

7. 1 研究结论………………………………………………………… 144

7. 2 主要创新点……………………………………………………… 147

7. 3 研究展望………………………………………………………… 149

参考文献 …………………………………………………………………… 150

附录 A 论文模型参数集合 ……………………………………………… 165

附录 B 编组与运行图一体化优化方案的列车运行结果 ……………… 168

第1章引言

1.1研究背景及意义

1.1.1研究背景

都市圈是以大城市为中心、以1小时通勤圈为基本范围的城市群内部空间形态，对促进全国经济增长及区域协调发展发挥着重要作用。近年来，都市圈建设呈现较快发展态势，城市中心城区人口逐渐向新城、卫星城扩散，产生了大量的市域（郊）出行需求。市域（郊）铁路因具有显著的通勤化、速度快、运量大等特点，发展迅速，成为城市综合交通运输体系的重要组成部分。数据显示，2021—2024年，为推进建设“轨道上的都市圈”，我国市域（郊）铁路运营里程不断增加，发展规模逐渐扩大(见图1-1)。

在大力发展新线规划建设、优化既有线开通市域（郊）列车服务的同时，为了应对不断攀升的都市圈居民出行需求，国家发展改革委、交通运输部、国家铁路局、中国国家铁路集团有限公司印发的《关于推动都市圈市域（郊）铁路加快发展的意见》明确提出，利用既有铁路开行市域（郊）列车的，要加强运输组织协调、客运组织优化，采取增加既有列车停站、提高重要客流集散地停站频率、增开通勤高峰时段列车等措施，满足快速通达出行需要。

市域（郊）铁路作为卫星城或周边城镇居民进入中心城市城区的主要交通方式，其乘客出行具有同城化、通勤化特征，如上海金山铁路，通勤、通学客流需求占总客流需求的60%以上。平均乘距相对较长、以通勤为主是市域（郊）铁路乘客出行最显著的特征，这一特征对运输组织提出了公交化、快速化的发展需求。

市域（郊）铁路在列车开行模式、运行速度、客流需求结构上与城市地铁和高速铁路有所不同，尽管现有的市域（郊）铁路运输组织模式正朝着公交化的运营方向发展，但由于缺乏适配的科学方法和工具，运营效率不高、能力利用不充分的情况依然较为突出。已有的面向高速铁路的运营生产优化和城市地铁的运输组织优化的研究，难以迁移至市域（郊）铁路场景。一方面，对于直达客流占据主要比重的市域（郊）铁路而言，直达列车、跨站列车的比重偏低，发车时间不合理情况成为乘客反映的较为显著的问题。另一方面，面对显著的潮汐性客流特征，非高峰期列车空载或低上座率[如图1-2(a)所示]与高峰期乘客拥挤甚至乘客上车困难[如图1-2(b)所示]并存。

在承担高密度客运服务量的同时，市域（郊）铁路列车面临着显著的能源消耗挑战。据不完全统计，2024年全国城市轨道交通总用电能耗270.23亿kWh，其中，列车牵引能耗达141.50亿kWh。随着城市轨道交通网络的扩大，总体能耗呈上升趋势。2023—2024年全国主要城市轨道交通牵引能耗如图1-3所示。

在巨量电能消耗的背景下，全面贯彻新发展理念、优化客运组织、实现交通运输节能降耗具有重要的发展意义。如何提高客流需求匹配性和有效降低列车运行能耗是市域（郊）铁路发展面临的现实问题，其背后是需求导向的市域（郊）铁路列车运行图优化的科学问题。科学编制与优化列车运行图，以匹配乘客出行规律和客流需求，同时有效降低列车运行能耗，是当前亟须突破的关键问题。然而，现有针对城市地铁、高速铁路的运输组织研究方法与场景对市域（郊）铁路列车运行图优化问题适应性不足。基于以上背景，市域（郊）铁路运输组织优化有以下两个问题需要解答。

(1)如何科学地优化列车运行图以匹配客流需求、提升出行效率面对潮汐性显著、直达需求占主导的乘客出行规律和特征，目前市域（郊）铁路的停站方案主要为站站停和大站停组合的快慢车组合模式，也有增加直达列车的站站停、大站停、直达的三种组合模式。单一的停站模式会使停站方案与乘客出行结构匹配性欠佳，停站方案和列车运行图的灵活性、合理性需要通过科学的方法来提升。潮汐性需求下的发车频率和列车运行时间也需要系统地结合动态客流特征，在有效提高乘客出行效率的同时，避免运能浪费。

(2)如何在保证乘客出行效率的同时实现列车节能降耗为实现公交化运营，市域（郊）铁路列车以短间隔开行为主，在列车运行图与动态客流需求不能有效匹配的情况下，会导致运能浪费。我国目前开行的市域（郊）铁路采用的机车列车运行能耗比地铁高。为此，科学地优化停站方案和列车编组数量也是匹配客流需求和降低列车运行能耗的有效方式，在均衡列车运力分布的同时，实现节能降耗的可持续发展目标。

提升乘客出行效率与降低列车运行能耗的两大目标在实现方式上存在冲突。例如，增加开行列车密度、缩短发车间隔可减少乘客平均候车时间，但会增加总开行列车运行能耗;列车发车频率的提高会减少乘客在站候车时间，但同时会产生列车附加牵引能耗。为解决以上冲突，需要对市域（郊）铁路列车运行图优化的关键要素和目标进行系统分析和科学建模，与乘客需求紧密衔接，合理配置运力资源。如何设计需求匹配、能耗可控的列车运行图是本书要解决的关键问题。本书以市域（郊）铁路为研究对象，从运输服务供给侧结构性改革出发，以动态客流需求为导向，研究制定合理的列车运行图，在保证乘客出行效率的同时，降低列车运行能耗。本书对列车运行图进行综合优化，构建了一套融合列车开行数量、列车编组、停站方案、列车运行图与节能运行速度曲线为一体的综合优化方法，通过各环节协同，实现乘客出行效率与运行能耗的系统最优。

1.1.2研究意义

本书的研究可以缓解市域（郊）铁路列车运行图与乘客出行规律和客流特征匹配性欠佳的现象，提升运输组织效率、减少运力资源浪费，在提升乘客出行效率的同时有效地降低列车运行能耗，为科学提升我国市域（郊）铁路运营服务水平提供理论与技术支撑。本书的理论意义和现实意义如下。

(1)理论意义

本书从市域（郊）铁路列车运行图优化的目标出发，深入挖掘乘客出行效率、列车运行能耗与列车运行图优化关键要素之间的关系，为研究市域（郊）铁路列车运行图优化问题奠定理论基础。在此基础上，分别针对乘客出行效率和效率与能耗的均衡，对列车开行数量、停站方案、到发时刻、速度曲线、列车编组等运行图关键优化要素进行一体化研究。构建一体化优化模型，并根据模型特性设计优化算法，以实现多要素一体化优化，解决列车运行图与乘客需求的匹配问题和列车运行能耗的控制问题，提出适应我国市域（郊）铁路特点的列车运行图优化的科学方法，对市域（郊）铁路的运输组织研究具有一定的理论意义。

(2)现实意义

本书的研究为运输服务供给侧结构性改革制定更为灵活高效、需求匹配更佳的市域（郊）铁路列车运行图提供了依据。通过对列车开行数量、列车编组、停站方案、列车运行图与节能运行速度曲线等关键要素的一体化优化，以及对动态客流需求下提高乘客出行效率和降低列车运行能耗的优化方案分析，总结匹配需求、灵活高效、能耗可控的列车运行图特征和规律，为市域（郊）铁路列车运行图编制和优化提供参考。本书对补齐市域（郊）铁路运输组织暂存的短板和贯彻都市圈交通新发展理念、推动市域（郊）铁路高质量发展具有一定的现实意义。

随着城市化进程的加快和城市范围的快速扩张，城市人口不断从中心城市向新城、卫星城扩散，因此产生了大量的市域(郊)乘客出行需求。如何科学、灵活地进行运输组织，在运力资源供给上匹配市域（郊）乘客出行特征和客流规律成为市域（郊）铁路高质量发展的首要问题。市域（郊）铁路作为城市用电大户，在匹配需求的同时，合理地控制列车运行能耗对贯彻新发展理念、发展可持续交通发挥重要作用。然而，既有研究方法多针对高铁和地铁场景，对市域(郊)铁路的适应性不足，同时针对乘客出行效率和列车运行能耗的一体化优化方法的集成度尚需提高。

本书旨在解决的核心问题是：如何科学优化匹配客流需求的列车运行图，以提升都市圈乘客出行效率，同时有效地降低列车运行能耗。结合我国市域（郊）铁路的发展背景，以优化匹配客流需求的列车运行图为出发点，输入动态客流需求数据，以提升乘客出行效率、降低列车运行能耗为目标，从供给侧进行列车运行图关键要素的一体化优化，对市域(郊)铁路服务水平的提高具有重要的理论和实践意义。

本书研究的主要内容包括以下4个方面。

一是揭示市域（郊）铁路乘客出行效率与列车运行能耗的构成、影响因素与内在关系。从优化目标出发，首先介绍市域(郊)铁路乘客出行效率和列车运行能耗的构成与影响因素。基于效率与能耗的描述与构成，深入分析二者与列车运行图优化要素之间的关联性。通过相关性分析和关键耦合变量提取，梳理研究脉络，提出考虑效率与能耗均衡的列车运行图一体化优化框架和关键优化要素，确立主要研究对象，为列车运行图优化研究奠定理论基础。

二是针对乘客出行效率，研究可变列车开行数量下的列车运行图与停站方案一体化优化问题。该部分以提高乘客出行效率为目标，改进动态客流需求下高峰期的乘客在站留乘计算方法，以列车开行数量、到发时刻和停站方案为决策变量，建立混合整数规划模型。模型旨在通过最小化乘客在站候车时间和停站造成的乘客额外在车时间来提升出行效率。在可变列车开行数量与停站方案的条件下，以列车与车站的服务频率为约束，满足基本的列车开行服务要求。结合一体化优化模型的优化目标，本书设计以服务频率、运力配置和动态客流需求为导向的运行图插/删线和列车停/跨站算子，并以此改进自适应大邻域搜索算法，显著提升一体化列车运行图与停站方案的求解效率与质量。通过数值实验验证模型和算法的有效性。案例分析结果表明，本书所提出的列车运行图与停站方案一体化优化模型与算法，可以显著提高乘客出行效率，同时减少总列车运行时间，实现乘客出行效率和总列车运行时间的均衡。通过对乘客需求过饱和场景的实验分析，列车运行图与停站方案一体化优化方法可以有效地适应乘客需求过饱和条件，保证乘客的出行效率和供需匹配。

三是针对可变运行时间条件下乘客出行效率与列车运行能耗的均衡，研究基于节能运行控制的列车运行图与停站方案一体化优化问题。在列车运行图和停站方案一体化优化研究的基础上，输入动态客流需求数据，设计可变列车开行数量下列车停站方案、运行图与速度曲线的统一优化框架。以最小化乘客在站候车时间、乘客在车时间和列车运行能耗为目标，以列车开行数量、到发时刻、停站方案和可变区间运行时分下的列车目标速度为决策变量，构建一体化优化模型。进一步设计列车区间运行加/减速算子，同时将基于二分法的列车节能运行仿真优化模块嵌入自适应大邻域搜索算法，得到仿真嵌入式自适应大邻域搜索算法，实现大规模优化模型的中微观一体化求解。数值实验验证了所提出模型算法的有效性。案例实验结果表明，可以通过优化列车开行数量、到发时刻、停站方案和可变区间运行时分及目标速度，有效地减少乘客在站候车时间、乘客在车时间和列车运行能耗，实现乘客出行效率和列车运行能耗的均衡。

四是针对编组数量优化条件下乘客出行效率与列车运行能耗的均衡，开展列车编组和列车运行图一体化优化研究。在节能运行控制的列车运行图与停站方案一体化优化基础上，以提高乘客出行效率和降低列车运行能耗为目标，输入动态客流需求数据，以列车开行数量、列车编组、停站方案、到发时刻和可变区间运行时分下的列车目标速度为决策变量，构建了考虑效率与能耗均衡的列车编组与运行图一体化优化模型。根据研究问题与优化模型特征，进一步设计针对供需匹配的编组调整算子以改进本书所提出的仿真嵌入式自适应大邻域搜索算法，通过数值实验分析与验证模型和算法，构建更为全面的大规模一体化优化模型。案例实验结果表明，均衡效率与能耗的编组和运行图一体化优化方案能够有效地适应不同时段的客流需求，在运力资源利用上具有显著的优化效果，有效地提高了供需匹配程度，在提高乘客出行效率的同时降低了列车运行能耗。

本书通过纵向比较三部分优化模型与算法的优化结果，进一步分析了均衡乘客出行效率与列车运行能耗的运行图特征与规律。本书针对动态客流需求下市域(郊)铁路列车运行图优化问题，以均衡乘客出行效率和列车运行能耗为目标，逐层递进地研究列车开行数量、停站方案、到发时刻、列车编组和可变区间运行时分下列车运行速度的全面一体化优化问题，最大限度地实现了市域(郊)铁路运输组织中，供需匹配程度的提升和乘客出行效率与列车运行能耗的均衡，为市域(郊)铁路制定匹配需求的运输服务方案提供科学的思路与方法。