本发明涉及调度技术，具体涉及一种基于可用度的铁路车站节点资源调度方法。
背景技术：
铁路编组站作业过程包括到达作业，解体作业，集结作业，编组作业和发车作业，在现场的生产实际中，调度人员一般按照“先到先解体、先发先编组”的原则，并对一定的急需车流进行优先处理，进行解体编组作业，并按照“定而不死、活而不乱”的指导思想，对股道分工灵活掌握，较为灵活的开展编组站内各项作业，包括调机运用计划、到发线运用计划等等，但目前阶段计划编制仍以人工为主，计划编制不及时、计划质量不高、计划调整困难等问题仍比较突出。
在有关编组站的理论研究中，对阶段计划的编制进行了较多的研究，特别是配流问题、调机运用问题、到发线运用问题、阶段计划优化编制问题等，对阶段计划编制的研究已较为深入，理论体系日趋完善，但研究过程中的目标函数集中于总的车流接续代价最小、满轴数最高、列车总的停留时间最少等等，缺乏对阶段计划基础调度信息的研究，没有将编组站资源的可用度纳入到考虑范畴之内，在一定程度上造成了作业不能按计划完成的概率，可能会扩大车站因单项作业未能完成而造成的生产延误传播范围，进一步出现降低了作业计划的兑现率的问题。
技术实现要素：
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于可用度的铁路车站节点资源调度方法解决了现有技术中存在作业可能不能按计划完成的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种基于可用度的铁路车站节点资源调度方法，其包括：
s1、获取资源节点的资源可用度及资源节点包括的所有单一资源的可用度；
s2、采用时间均衡算法估算当前需要资源服务的作业任务的完成时间，并根据作业任务的完成时间，对每个资源节点的所有单一资源的可用度进行排序；
s3、根据每个资源节点单一资源的可用度的排序，判断是否存在实际作业代价值小于或等于历史记录中的预估值，且在设定时间内能被完成的作业任务；若存在进入步骤s4，否则进入步骤s6；
s4、分配作业任务给相应单一资源，并在完成一个作业任务分配后，采用资源节点处的资源监测器更新资源节点的资源可用度及单一资源的可用度；
s5、判断当前时间与上一次分配作业任务的时间的间隔是否大于等于预设时间，若是，返回步骤s1，否则，继续执行步骤s5；
s6、更新资源节点包括的所有单一资源的可用度，并返回步骤s2。
本发明的有益效果为：本方案将编组站资源的可用度纳入到考虑范畴之内，考虑编组站实体资源的空闲度与可信度，将编组站作业交由可用度较高的资源节点执行，能够在很大程度上保障作业按时完成，提高编组站整体资源的可用度，能够在一定程度上增大作业按计划完成的概率，从而提高资源的利用率，获得了更高的作业效率和作业量，提高编组站作业计划的整体作业效率，使得以资源可用度为基础，在更长时间、更大空间范围内实现作业的整体优化，增强作业计划的弹性已成为可能。
附图说明
图1为基于可用度的铁路车站节点资源调度方法的流程图。
图2为编组站的资源节点构成示意图。
图3为仿真过程中股道1和股道3的可用度变化图。
图4为仿真过程中到达场股道的稳态可用度。
图5为仿真过程中列检组可用度变化图。
图6为仿真过程中驼峰可用度变化图。
图7为仿真过程中调机可用度变化图。
图8为仿真过程中推送线可用度变化图。
图9为仿真过程中资源节点可用度变化图。
图10为仿真过程中资源节点利用率变化。
图11为仿真过程中列车的到解作业完成时间对比。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
参考图1，图1示出了基于可用度的铁路车站节点资源调度方法；如图1所示，该方法s包括步骤s1至步骤s6。
在步骤s1中，获取资源节点的资源可用度及资源节点包括的所有单一资源的可用度；实施时，本方案优选所述资源节点包括到达作业资源节点、解体作业资源节点、集结作业资源节点、编组作业资源节点、出发作业资源节点；
所述到达作业资源节点的单一资源包括到达场股道资源和列检资源；解体作业资源节点的单一资源包括驼峰资源、解体调机资源和推送线资源；所述集结作业资源节点的单一资源包括调车场股道资源、辅助调车场资源；
所述编组作业资源节点的单一资源包括牵出线资源、编组调集资源；所述出发作业资源节点的单一资源包括出发场股道资源、列检资源、出发场衔接的线路资源和本务机资源。
为了便于对上述提到的资源节点和单一资源的理解，下面给出相应资源节点对应的单一资源节点的定义：
如图2所示，其以4列到发列车为例表达依次经过的资源节点，虚线框内表示编组站的资源节点(到达作业资源节点、解体作业资源节点、集结作业资源节点、编组作业资源节点、出发作业资源节点)，箭头表示各种线路资源，指向为车辆的流动方向。
到达场股道资源，其是接入列车的主要资源，该类资源由于股道长度及所处位置的不同，并不具备完全相同的作业能力。在车流量一定的情况下，到达场股道数量越多则作业能力越强，股道越长则越能接入更多的列车种类，但如果资源处于饱和状态，将造成列车无法接入，严重时甚至会造成正线拥堵。
列检资源，其具有相同的作业能力，其数量决定了到达作业子系统是单通道或多通道服务系统。列检时间的长短及数量的配备会直接影响到达场作业能力，进而影响驼峰资源的使用效率。
驼峰资源，其是编组站重要的调车设备，具有强大的作业能力，在大型编组站通常有两个独立的调车系统，可以同时进行两个方向的列车解体作业。
解体调机资源，同一类型的调机具有相同的作业能力，资源的使用受调机数量配备的约束。调机台数过少时，会造成驼峰闲置，利用率不高；调机数量合理，工作安排适当，能充分发挥每台调机的能力。
推送线资源，推送线也是影响驼峰解体作业的重要因素，大型编组站的独立作业系统通常配有两条推送线，与调机相配合，便于采用双推单溜作业方案。
调车场股道资源，调车场是车辆集结的主要场所，通常配备较多的股道资源，也有相对固定的使用方案。股道资源的可用性与其数量、长度有关。
辅助调车场资源，一些编组站设置有辅助调车场，主要辅助解编作业或办理一些地区车流，重点是摘挂列车和小运转列车的编组作业。辅助调车场的设置在一定程度上会增强车辆的集结能力。
牵出线资源，牵出线是供调机牵出车列进行编组等调车作业的线路，大型编组站一般设有两条及以上，具有相同的作业能力。
编组调机资源，与解体调机一样，同一类型的调机具有相同的作业能力，调机的可用度与配备的数量有关。
出发场股道资源，出发场股道的数量及长度会影响编组作业的进行，与编组作业之间存在强链接关系。
列检资源，列检组的数量及作业时间影响出发场的作业能力，一般认为出发场的不同列检组具有相同的作业能力。
出发场衔接的线路资源，出发场衔接线路区间的列车运行组织情况，会影响其作业能力，出发场衔接的线路方向越多，理论上发出列车的作业能力就越强，当然这还与车流的构成有关。
本务机资源，列车的出发离不开本务机，如果本务机不能及时的调配到位，也会造成出发场线路资源长时间占用。
在步骤s2中，采用时间均衡算法估算当前需要资源服务的作业任务的完成时间，并根据作业任务的完成时间，对每个资源节点的所有单一资源的可用度进行排序；
在步骤s3中，根据每个资源节点单一资源的可用度的排序，判断是否存在实际作业代价值小于或等于历史记录中的预估值，且在设定时间内能被完成的作业任务；若存在进入步骤s4，否则进入步骤s6；
在步骤s4中，分配作业任务给相应单一资源，并在完成一个作业任务分配后，采用资源节点处的资源监测器更新资源节点的资源可用度及单一资源的可用度。
在本发明的一个实施例中，在步骤s4中单一资源的可用度的计算公式为：
其中，rs为单一资源的可用度；
其中，资源节点的资源可用度rn的计算公式为：
rn＝cnfnhnrbase，
其中，cn为整体作业能力；fn为资源的空闲程度；hn为资源执行作业的历史记录；rbase为组合基准值；n为所有资源节点中单一资源的总个数；ωi为单一资源在资源节点作业链中所占的权重；ai为单一资源的能力属性；uj为资源节点上的单一资源j的使用量；tj为一个资源节点的单一资源j总量；ωj为单一资源j使用量的权重。
实施时，本方案优选所述组合基准值的计算公式为：
当资源节点接收一个作业任务时：
其中，rbase1为可用度初始值，s1是新接收作业任务的工作量，sexist为资源节点已有的待处理作业量；
当资源节点完成一个任务时：
其中，s2为已完成的作业量；stotal为资源节点总共待处理作业的作业量。
在步骤s5中，判断当前时间与上一次分配作业任务的时间的间隔是否大于等于预设时间，若是，返回步骤s1，否则，继续执行步骤s5；
在步骤s6中，更新资源节点包括的所有单一资源的可用度，并并返回步骤s2。
在本发明的一个实施例中，在步骤s6中的更新资源节点包括的所有单一资源的可用度时，单一资源的可用度的计算公式为：
rs＝(1-ε)rold0≤ε≤1
其中，rs为单一资源的可用度；rold为历史资源可用度；ε为有界随机变量。
在本发明的一个实施例中，当作业任务分配完成后，还包括步骤a1至步骤a4。
在步骤a1中，将资源节点的资源可用度及单一资源的可用度发送给与资源节点连接的资源节点，并根据接收的与其连接的资源节点的资源可用度及单一资源的可用度更新其资源可用度索引表；
在步骤a2中，资源节点与其连接的资源节点每隔设定时间交换其存储的资源可用度索引表，并根据接收的资源可用度索引表更新其资源可用度索引表；
在步骤a3中，资源节点处的调度器每隔设定时间查询其对应资源节点的资源可用度和单一资源的可用度，建立或更新资源索引表，并根据资源节点的使用状态进行分类。
本方案根据资源节点的可用度，可以将资源节点划分为如下五种类型：
(1)空闲资源：此处的空闲不是真正意义上的空闲，而是说资源的可用性很高，资源量在一定时间段内可以调用，具有很高的可用性，能够为更多的作业服务。比如，多台调车机车服务于某一调车区域时，如果有空闲的调车机车，则该调机可以被安排调用。
(2)预饱和资源：即将要饱和的资源，在一定时间内会显现出即将被全面占用的状态。在初始时，资源的利用状态可以根据作业计划的安排进行预估，估计资源的饱和时间及饱和原因。当作业计划调整时，预饱和资源的状态会发生变化，但改变幅度不如空闲资源大，通常只是资源的饱和时间发生转移。
(3)饱和资源：已被全面占用，暂时不能再为其他作业服务的资源。比如正在进行解体作业的驼峰，已被完全占用，就不能再为另一列车的解体作业服务。
(4)过饱和资源：将在后续一段时间内一直处于饱和状态的资源。过饱和资源敏感性比较高，当资源处在过饱和状态时，如果资源出现任何问题，都会极大地影响正在进行的作业，且往往难以找到替代资源。
(5)故障资源：出现故障不能进行应用的资源。它与过饱和资源的区别是，过饱和资源可以为作业服务，并且在进行服务的过程中，可以通过调整作业计划改变资源的服务对象，但故障资源在故障排除之前是完全不能为任何作业服务的。
在步骤a4中，资源节点处的调度器将资源索引表发送给编组站的所有资源节点的调度器，与资源节点连接的资源节点根据资源索引表更新其资源索引表。
当资源节点的使用状态表征资源节点出现可用度预警时，资源节点向与其连接的资源节点发布快速作业任务。
本方案通过资源节点间的信息交互，可以使资源节点知道与其连接的资源节点的资源可用度和单一资源可用度，这样方便下一个作业任务的进行，也为部分资源节点出现预警时，相邻的资源节点可以组织快速作业，优先办理。
下面结合仿真对本方案的调度方法进行说明：
基础数据
以贵阳南编组站下行到解系统的部分实际数据为例进行模拟实验。贵阳南站为双向纵列式三级七场编组站，下行到达场有列检组3个，到发线12条，如表1所示，下行驼峰配备两条推送线及一、二调两台调车机车。
表1贵阳南站下行到达场线路
2015年3月下行到达场某个班2个阶段(6小时)的车流数据(均为到达解体列车)见表2，表3。
表2下行到达场19点前到达列车
注：表中“√”、“×”表示19点之前列检作业和解体作业是否完成。
表3下行到达场19点后将要到达列车
参数设置：
19点接班时，下行到达场除有现车占用的股道以外，其他资源(无车占用到发线、调机、驼峰等)全部处于资源归位状态，可用度达到极大值。19:30调机开始推峰解体作业。到达场技术作业时间标准40[32，45](其中40分钟为平均作业时间，[32，45]为根据车站作业的统计规律获取的作业时间变动范围，下同)分钟，解体作业占用驼峰时间标准15[10，22]分钟，占用调机时间20[15，26]分钟，其中推峰时间标准4[3，6]分钟，溜放时间标准10[8，15]分钟。在可用度更新时，上述时间标准作为估计作业时间。
初始时，对α,α′,β,β′采取更倾向于信任当前的状态或新的可用度评价，α,α′取0.6，β,β′取0.4。α″,β″对于到解系统主要考虑作业时间的因素，α″取0.1，β″取0.9。根据编组站资源的可用度值，对资源进行如下界定：当0.5<rs≤1时，为空闲资源；当0.25<rs≤0.5时，为预饱和资源；当0<rs≤0.25时，为饱和资源；当rs＝0时，为过饱和资源或故障资源。当资源可用度随时间更新时，对于过饱和资源和故障资源，ε直接设置为1，对于其它资源，ε会在0-0.3之间变化。最小资源可用度值设定为0.15。
模拟结果
(1)资源可用度的变化分析
为了便于分析，将19:00-1:00之间6个小时每20分钟划分成一个时间段，共18个时间段。采用时间驱动更新机制，对应20分钟更新一次。在每个时间段内，取20分钟内的稳态可用度(编组站的单一和节点资源可用度都是在某一时刻来衡量的，通常为瞬时可用度，但对于长期连续工作的资源，根据其历史记录，可以用稳定浮动区间内的可用度平均值来衡量，称为资源的稳态可用度。)进行衡量。
由表1可知，贵阳南站下行到达场的1-13股道可用于列车到发，其中ⅱ道为正线，故在进行模拟时，只安排ⅱ道以外的到发线。以1、3道为例，由图3可以看出，1、3道的可用度呈起伏变化，在整个时间段内基本都处于可利用的状态，这点从图4也可以反映出来。1-13(ⅱ道除外)股道在6小时内的稳态可用度一直处于较高水平，12条到发线的能力能随时满足接车的需要。
从图5、图6可以看出，除资源归位的初始阶段外，列检组和驼峰大部分时间的可用度处于较低水平，特别是由于驼峰调车设备的唯一性，从19:30第一列列车推峰解体开始，驼峰基本都在使用，一直处于预饱和资源和饱和资源范围，但并未出现过饱和的状态。列检组有3个，可以交替作业，由于到达作业时间的限制，在中后时段列检组的可用度下降，这必然会出现列车待检的现象，但这并不会影响到解系统的整体作业，即使为此增加列检人员，由于驼峰的限制，也不能从整体上缩短车辆的在站停留时间。
从图7、图8可知，由于模拟时没有设置调机下峰整场的情景，所以调机和推送线的可用度变化基本是一致的。在贵阳南站下行系统，驼峰采用双推单溜的作业方案，2台调机与2条推送线一直进行推峰→解体的同步作业，在作业环节与作业时间上相互配合，因此才会在各时间段上表现出大致相同的可用度。
根据到达场到发线有效长及容车数的不同，为到发线设置不同的权重，而列检组、调机、推送线则认为具有相同的能力，模拟初始时为到达作业和解体作业资源节点设置相同的资源可用组合基准值0.995，模拟结果如图9所示。由图9可见，到达作业资源节点可用度一直高于解体作业资源节点可用度，且到达作业资源节点可用度一直处于起伏不定的作业状态，这说明到达作业资源的使用经常受制于解体作业资源的使用，出现车列待推、待解现象。
(2)资源利用效率分析
在对编组站到解系统的资源利用效率进行分析时，资源的稳态可用度与其利用率近似成反比。
传统调度算法一般不考虑编组站内资源的运用情况，以阶段内解体列车数量最大为目标，或考虑机车资源的优化模型则为多目标函数，其中一个目标是以阶段内解体列车数最大，另一个目标是阶段内两台调机总等待作业时间最小，以作业时间约束、占用股道约束、解体顺序约束、接车时间约束为约束条件，建立驼峰解体作业模型，并运用一定的智能算法进行求解，得到列车解体方案。
由图10可知，随着列车解体数量的增加，传统调度算法安排作业的资源运用效率逐渐降低。这是由于传统调度算法一般是基于固定的作业时间标准模式进行安排，作业虽然平衡有序，但需要消耗较长时间，这会导致对资源的配置能力随作业量的增加而变得更加复杂，使资源节点内整体资源利用率降低，而基于资源的调度算法，能根据资源的可用度、作业的进度及完成情况进行实时调控，合理的安排资源进行相应作业。因此，随着到达及待解车辆的增加，基于资源的调度算法可以提高整体资源的利用率，进而提高作业效率。当然，初始作业时，由于作业量较小，加之传统调度算法的精准性和资源的历史记录欠缺性，传统的调度方法，甚至是经验方法更优于资源可用度方法，但是随着作业量的增加，基于资源可用度的调度方法将更加具有优势。
图11显示了随着解体车辆数的增加，列车的到解作业完成时间的变化情况。从图11可知，传统的调度方法一直处于比较稳定的状态，而资源可用度方法呈现跳跃性，这是由于资源可用度的更新造成的，但资源可用度方法在大部分时间内的列车到解作业完成时间低于传统的调度方法，虽从10795次列车解体开始作业完成时间有所增加，但与传统调度方法比较，总的平均到解作业时间从89.3min/列下降至83min/列，且解体列车的数量提高了14.3％。这说明基于资源可用度的方法在资源的配置方面更加快速、准确，具有可调性、可控性，能在同样的资源约束及时间内完成更多的任务。
综上所述，本方案以资源可用度为基础，在更长时间、更大空间范围内实现作业的整体优化，增强作业计划的弹性已成为可能。
1.基于可用度的铁路车站节点资源调度方法，其特征在于，包括：
s1、获取资源节点的资源可用度及资源节点包括的所有单一资源的可用度；
s2、采用时间均衡算法估算当前需要资源服务的作业任务的完成时间，并根据作业任务的完成时间，对每个资源节点的所有单一资源的可用度进行排序；
s3、根据每个资源节点单一资源的可用度的排序，判断是否存在实际作业代价值小于或等于历史记录中的预估值，且在设定时间内能被完成的作业任务；若存在进入步骤s4，否则进入步骤s6；
s4、分配作业任务给相应单一资源，并在完成一个作业任务分配后，采用资源节点处的资源监测器更新资源节点的资源可用度及单一资源的可用度；
s5、判断当前时间与上一次分配作业任务的时间的间隔是否大于等于预设时间，若是，返回步骤s1，否则，继续执行步骤s5；
s6、更新资源节点包括的所有单一资源的可用度，并返回步骤s2。
2.根据权利要求1所述的基于可用度的铁路车站节点资源调度方法，其特征在于，所述资源节点包括到达作业资源节点、解体作业资源节点、集结作业资源节点、编组作业资源节点、出发作业资源节点；
所述到达作业资源节点的单一资源包括到达场股道资源和列检资源；解体作业资源节点的单一资源包括驼峰资源、解体调机资源和推送线资源；所述集结作业资源节点的单一资源包括调车场股道资源、辅助调车场资源；
所述编组作业资源节点的单一资源包括牵出线资源、编组调集资源；所述出发作业资源节点的单一资源包括出发场股道资源、列检资源、出发场衔接的线路资源和本务机资源。
3.根据权利要求1所述的基于可用度的铁路车站节点资源调度方法，其特征在于，当作业任务分配完成时，所述单一资源的可用度rs的计算公式为：
其中，
4.根据权利要求1所述的基于可用度的铁路车站节点资源调度方法，其特征在于，所述资源节点的资源可用度rn的计算公式为：
rn＝cnfnhnrbase，
其中，cn为整体作业能力；fn为资源的空闲程度；hn为资源执行作业的历史记录；rbase为组合基准值；n为所有资源节点中单一资源的总个数；ωi为单一资源在资源节点作业链中所占的权重；ai为单一资源的能力属性；uj为资源节点上的单一资源j的使用量；tj为一个资源节点的单一资源j总量；ωj为单一资源j使用量的权重。
5.根据权利要求4所述的基于可用度的铁路车站节点资源调度方法，其特征在于，所述组合基准值的计算公式为：
当资源节点接收一个作业任务时：
其中，rbase1为可用度初始值，s1是新接收作业任务的工作量，sexist为资源节点已有的待处理作业量；
当资源节点完成一个任务时：
其中，s2为已完成的作业量；stotal为资源节点总共待处理作业的作业量。
6.根据权利要求1-5任一所述的基于可用度的铁路车站节点资源调度方法，其特征在于，更新资源节点包括的所有单一资源的可用度时，单一资源的可用度的计算公式为：
rs＝(1-ε)rold0≤ε≤1
其中，rs为单一资源的可用度；rold为历史资源可用度；ε为有界随机变量。
7.根据权利要求1-5任一所述的基于可用度的铁路车站节点资源调度方法，其特征在于，当作业任务分配完成后，还包括：
将资源节点的资源可用度及单一资源的可用度发送给与资源节点连接的资源节点，并根据接收的与其连接的资源节点的资源可用度及单一资源的可用度更新其资源可用度索引表；
资源节点与其连接的资源节点每隔设定时间交换其存储的资源可用度索引表，并根据接收的资源可用度索引表更新其资源可用度索引表；
资源节点处的调度器每隔设定时间查询其对应资源节点的资源可用度和单一资源的可用度，建立或更新资源索引表，并根据资源节点的使用状态进行分类；
资源节点处的调度器将资源索引表发送给编组站的所有资源节点的调度器，与资源节点连接的资源节点根据资源索引表更新其资源索引表。
8.根据权利要求7所述的基于可用度的铁路车站节点资源调度方法，其特征在于，当资源节点的使用状态表征资源节点出现可用度预警时，向与其连接的资源节点发布快速作业任务。
技术总结