歲序更替，華章日新，驀然回首，中國高速鐵路已經歷了十幾年的快速發展。從2008年我國京津城際鐵路開通，到2019年世界第一條最高運營時速350 km的智能高速鐵路京張高速鐵路開通；從2007年第一列和諧號CRH動車組上線運營，到2021年復興號CR400智能動車組全國大面積開行，中國高速鐵路正在用它那龐大的身軀和飛馳的速度改變著中國乃至世界交通的格局，推動鐵路向著更加高速化、智能化、現代化的方向發展。高速鐵路已經從原本人們眼中的未來交通科技，變成了一項大眾化交通工具。隨著高速鐵路的大規模建成普及，解決更多關於它的科學問題，探索其運作的機理成為一大批鐵路學者的工作重點。

      高速鐵路運輸組織是一個非常龐大的研究領域，它可以分為三個層次：戰略層（strategic level）、戰術層（tactical level）和操作層（operational level）。為了科學和安全地利用動車組，需要研究如何制訂最為合理的動車組運用與檢修計劃，確保每一列上線的動車組都擁有最佳的車體工況，以便安全擔當每一趟列車的運行任務。故本書主要從上述體繫中抽離出動車組的運用優化問題，這部分內容主要屬於戰術層面的研究。之所以要重點關注動車組錯峰運維問題，是因為動車組的安全性與運用合理性直接決定了高速鐵路運輸組織的質量。同時，科學地運用動車組有助於兌現列車運行計劃，提高突發情況下整個高速鐵路繫統的魯棒性。

      本書的主線是沿著動車組的修程展開的。動車組的修程共分為五級，即從一級修到五級修。歸納來說，動車組運用優化問題主要涵蓋動車組交路計劃優化、動車組上線運用計劃優化、動車組高級修計劃優化、動車組檢修基地布局優化等內容。這些內容涵蓋了動車組的一到五級修的檢修與上線運用問題，其中任意一個優化問題都具有組合優化的困難屬性。

       大約在2011年的8月下旬，時任上海傑之能軟件科技有限公司（以下簡稱傑之能公司）首席技術官的楊韓雁先生來京與我們交流關於動車組排班的優化問題，我們做了一些調研後，於9月中旬去上海與他們進行了進一步的學術交流，主要還是聚焦在動車組上線計劃的優化理論層面。經過一年多的相關研究，初步完成了高速鐵路動車組錯峰運用優化理論相關的技術準備，於是萌發了一個願望，形成一本繫統的研究生教材或參考用書，同時也適合從事工業工程、動車組運維繫統研究與開發的科技人員、工程設計人員及高速鐵路調度和管理人員參考的理論和實踐兼顧的學術性專著。由於立足於原創，故進展緩慢。但是隨後我們所承擔的一繫列高速鐵路動車組運維相關的課題，進一步地完善了本書的內容。包括：

      2012年，我們（北京交通大學）、上海鐵路局與傑之能公司聯合承擔了中國鐵路總公司的科技研究開發計劃課題“動車組維修技術深化研究——動車組檢修基地檢修工藝流程優化研究（2012J009C）”。課題以上海南動車所為背景，研究了：（1）動車組二級修周計劃的快速編制方法；（2）在檢修和清洗作業不固定方式下的股道均衡利用方法；（3）動車所檢修班組合理配置問題；（4）動車組夜間一級修計劃的01整數規劃模型及一級修調車計劃的近似優化等技術。

      2013年，我們把相關成果（包括此前的部分成果）進行凝練，形成了“動車組檢修計劃優化關鍵技術及應用”成果，獲得了中國鐵道學會科技進步二等獎。2013年，由中國鐵道科學研究院（動車組和機車牽引與控制國家重點實驗室）主持的中國鐵路總公司的科技研究開發計劃重大課題“動車組運用維護技術深化研究——CRH2型繫列動車組修程、修制及關鍵維修技術深化研究（2013J005A）”以及“動車組運用維護技術深化研究——CRH1/3/5型繫列動車組修程、修制及關鍵技術深化研究（2013J005B）”，我們作為參加單位承擔了其中的動車組備件管理及檢修工序優化的相關部分研究。

      2014年，由中國鐵道科學研究院機輛所主持的“動車組運用維護技術深化研究——動車組統一修程修制方案研究（2014J006B）”，我們作為參加單位，承擔了其中的維修需求相關的研究。同年，由中國鐵道科學研究院電子所、北京交通大學和北京鐵路局共同承擔了中國鐵路總公司的科技研究開發計劃課題“動車組運用維護技術深化研究——動車組運用檢修計劃優化技術研究（2014J006C）”。該課題依托中國鐵道科學研究院“動車組管理信息繫統”，以北京南動車所為背景，提煉動車組二級檢修計劃業務的核心需求，包括分析動車組二級檢修各作業包的種類、檢修內容、檢修裡程和時間等關鍵要素，不同型號動車組二級檢修的差異，動車組定員與交路的固定搭配關繫等，研究在固定交路和不固定交路兩種模式下動車組二級檢修計劃的優化理論和方法。zui後，把相關理論研究成果融入現有的動車組運用檢修管理流程當中。

      2015年，由上海鐵路局，北京交通大學、中國鐵道科學研究院、傑之能公司共同承擔了中國鐵路總公司科技研究開發計劃重點課題“動車組運用維護技術研究——動車組高級修錯峰維修計劃研究（2015J006B）”，其中我們團隊承擔了動車組高級修提前修的損失費用及其量化計算方法研究；並以春運、暑運為重點，研究長周期客流高峰下的動車組高級修計劃的優化編制方法。

       2020年，由中國鐵路北京局集團有限公司主持的中國國家鐵路集團有限公司科技研究開發計劃重點課題“動車組高級修能力均衡協調輔助決策關鍵技術研究（N2020J012）”，我們作為參加單位完成了其中的核心模型設計和原型繫統研發。同年，我們還承擔了中國鐵路瀋陽局集團有限公司的科技研究開發計劃重點課題“瀋陽局動車組交路計劃優化研究（2020Y12）”。

      特別值得說明的是，2018年我們參與了國家重點研發計劃課題“鐵路客貨運效益與服務水平提升技術（2018YFB1201402）”，撰寫《高速鐵路動車組錯峰運用優化理論》作為任務之一，與中國鐵道出版社有限公司簽訂了出版合同，促使本書的加速完成。

      本書內容共分為11章。

      第1章是緒論。概述了世界高速鐵路和動車組的發展，介紹了我國鐵路動車組的種類以及運維管理現狀，並分析了動車組運維優化的意義以及其中存在的難題。

      第2章為動車組的修程修制分析。包括部分國外的動車組維修體制分析，我國動車組的修程修制分析，以及動車組運維管理中涉及的一些關鍵數據分析。

      第3章主要研究了動車組保有量的測算方法。首先分析了影響動車組保有量的各種因素，包括高速鐵路旅客周轉量與動車組保有量的關繫、動車組運用效率與保有量的關繫。其次，針對較為特殊的熱備動車組需求，研究了其布局優化問題並進行了數學建模。zui後，運用因素分析法、時間序列分析線性回歸法、神經網絡法等對動車組保有量進行了測算分析。

      第4章著重於研究動車所內部的動車組一級修與調車作業優化問題。在分析歸納動車組一級修作業流程以及動車所不同站型布局對檢修作業影響的基礎上，構建了盡頭式站型分布下的動車所調車作業計劃優化模型，並進行了案例分析。此外，還對動車所調車司機任務分配和路徑優化問題，以及檢修班組調度優化問題進行了建模和案例求解。zui後，對未來無人駕駛條件下的動車所作業進行了展望。

      第5章為動車組交路優化理論，側重於列車任務和一級修之間的匹配關繫。通過構建列車接續網絡，建立了動車組交路計劃優化的數學規劃模型，並設計了模擬退火算法進行優化求解。考慮到一級修裡程具有一定的波動範圍，通過模糊化處理裡程約束，還構建了交路優化的模糊規劃模型。zui後探討了運行圖微調與動車交路彈性優化問題。

      第6章主要針對二級修研究了動車組上線運用與維修計劃的協調優化問題。首先概述了動車組二級修的修程和作業流程以及幾種不同時間粒度的動車組二級修計劃，接著構建了動車組的二級修計劃和上線計劃綜合優化模型，並討論了多日交路對模型的修正以及高級修計劃對模型的影響。對所建的主要模型進行線性化處理，設計了運維計劃綜合優化的案例。zui後，探討了非周期列車運行圖下的運維模型修正，介紹了所開發的動車組運維一體化原型繫統。        第7章為動車組的高級修與錯峰運用優化理論。從動車組高級修的循環特性分析開始，研究了動車組高級修送修時間窗的推算方法。通過設計一個表示動車組所處的是運用還是維修狀態的非線性函數，構建出了高級修計劃優化的01整數規劃模型，並設計了基於模擬退火算法的模型求解方法及優化案例。此外，還討論了模型線性化處理技術，以及基於時空狀態網絡的高級修計劃模型設計方法。

      第8章為多用戶與多檢修基地的高級修計劃協調優化理論。在分析多用戶送修計劃與多檢修基地能力利用互相影響的背景下，著重研究了不同用戶的高級修基地選擇模型、檢修基地沒有預先指定下的多用戶送修計劃優化模型、維修成本及修時隨著時段變化下的高級修計劃優化模型，並分析了相關模型的線性化處理技術。

      第9章討論的是動車組長周期高級修規劃。此類計劃主要作用是判斷在五年或更長的時間段內，高級修發生量是否與維修資金以及維修能力大致匹配，以便未雨綢繆，準備應對措施。故本章首先介紹了不同時間粒度下的高級修計劃的特點，分析了長周期高級修計劃的影響因素，zui後提出了面向長周期的滾動高級修年度計劃優化方法，並設計了一個詳細的案例。

      第10章研究的是動車組高級修基地布局優化。在分析了高級修基地布局現狀和影響高級修基地布局因素的基礎上，構造了檢修基地布局優化的雙層01整數規劃模型以及混合整數規劃模型。提出了上層規劃采用模擬退火算法求解，下層規劃調用商業軟件求解器求解的優化思路。zui後，以我國西北區域高速鐵路網的動車基地分布為背景，設計了一個虛擬仿真案例。

      第11章討論了動車組維修配件庫存優化相關問題。主要是基於經濟訂貨批量策略，構建了庫存與運輸配送的一體化01整數規劃模型，並以CRH2繫列動車組的制動盤的庫存與配送為背景，設計相關案例。在鐵路、公路、航空三種運輸模式下比選了提前訂購策略與臨時訂購策略的優劣。

      若作為高年級本科生和研究生（含博士生）的教材或參考書，其中的第1、2、3、11章可以供本碩博學生學習參考，第5、9、10章可以供碩士生、博士生學習參考，其餘可供博士生學習參考。

      本書從思路萌芽到最終形成終稿經歷了十餘年，在相關理論技術的形成過程中，中國鐵道科學研究院集團有限公司（以下簡稱鐵科院集團公司）電子計算技術研究所張惟皎、賈志凱、王忠凱、王輝、王治等研究人員對動車組二級修及高級修相關的理論和方法提出了許多寶貴的建議。在動車組的修程修制發展趨勢方面，與鐵科院集團公司機車車輛研究所王華勝研究員進行的諸多學術討論，亦受益頗多。鐵科院集團公司節能環保勞衛研究所邵琳研究員在動車組運維數據分析方面提供了不少有價值的建議。在動車配件庫存與維修配件保障方面，與西南交通大學張錦教授進行過許多有益的探討。在動車組交路優化方面，西南交通大學倪少權教授和中國鐵路瀋陽局集團有限公司耿令乾高工給出了許多有益的建議。在動車組高級修的優化目標設計方面，中國鐵路上海局集團有限公司張偉、葉丹、張旭輝等工程師提出過許多有價值的建議；在動車所調車作業計劃方面，他們亦指出了許多生產實踐中需要考慮的因素。在動車組長周期高級修規劃、動車組日均裡程預測方面，國鐵集團機輛部動車客車處張慶華與中國鐵路北京局集團有限公司薛錦波高工提出過許多有價值的建議。新加坡國立大學計算機科學繫博士生林睿熙在算法程序設計方面提供過許多有價值的建議。石家莊鐵道大學郭倩倩老師在動車組交路優化模型方面提出過許多有價值的建議。在本書的撰寫過程中，指導的數屆研究生的科研攻關及相關論文撰寫過程的學術討論也為本書的內容增色不少，包括陳雷、李建、王家喜、武建平等的博士論文。在校博士生瀋姚銘、趙伊楠、王振宇、李想、孟羽菲、鐘文健、牛學果、古玉雪等在本書的成稿過程中,在數據處理、案例計算驗證、圖表制作與文字編輯等方面做了許多工作。在此一並致謝。

      近幾年來，高速鐵路技術的發展速度幾乎超過了以往任何時候，動車組一體化的運維方式和普速鐵路的“機車 車輛”的方式有很大的差異。如何在保障安全的前提下提高動車組的運用效率、降低維護成本，是本書撰寫的主要初衷。希望本書能夠為動車組管理人員、計劃編制工程師、現場作業技術人員和相關軟件開發人員提供參考與幫助，為教學及科研人員深入了解動車組運維機理，探究其中的數學模型優化原理並形成解決方案帶來思路上的啟發。由於本書涉及面較廣，加之作者的水平有限，疏漏之處在所難免，懇請廣大讀者給予批評指正。