動車調(diào)度過程自動控制方法

吳禹謀

摘 要：近來自動化概念以深入人心，同時中國的高鐵技術(shù)也蒸蒸日上。本文主要就如何把自動化與動車的調(diào)度過程結(jié)合在一起，實現(xiàn)動車調(diào)度的自動控制，以減少人員與資源的浪費，并提高調(diào)度效率。本文主要假想了六個城市之間的鐵路聯(lián)通情況，并分六種情況討論突發(fā)狀況下，應(yīng)實行怎樣的調(diào)度，最后以程序框圖的形式實現(xiàn)動車調(diào)度的自動化控制。

關(guān)鍵詞：自動控制；節(jié)點；路徑；全局最優(yōu)

一、緒論

自動控制是研究控制方法的科學(xué)，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，及對控制理論的完善，自動控制理論已經(jīng)應(yīng)用到了信息科學(xué)和工程學(xué)等眾多領(lǐng)域。在電路系統(tǒng)中，通過負(fù)溫度系數(shù)材料，實現(xiàn)反向溫度補償，就是自動控制學(xué)應(yīng)用的一個典型應(yīng)用。在連續(xù)時間系統(tǒng)中，基于對輸出的閉環(huán)反饋控制，可以實現(xiàn)對信號的穩(wěn)定持續(xù)跟蹤，在離散時間系統(tǒng)中，通過對序列規(guī)律的提取和訓(xùn)練，得到控制函數(shù)，可以實現(xiàn)序列去噪，數(shù)據(jù)平滑等，自動控制在信息學(xué)的運用越來越廣泛。

從物理角度上來看，自動控制理論研究的是輸入信號在系統(tǒng)輸出端的響應(yīng)變化情況；從數(shù)學(xué)角度上來看，研究的是輸入與輸出之間的函數(shù)關(guān)系；從信息處理的角度來看，研究的是信息的提取、調(diào)制解調(diào)、信號變換、輸出控制等問題。

自動控制的概念隨著學(xué)科交叉也在擴大使用范圍，如通過提前投放貨幣，可以實現(xiàn)t時間后的對抗通縮，貨幣收緊，一致通脹的效果也要過一段時間才能顯現(xiàn)，這都是控制原理的應(yīng)用，在社會學(xué)方面，通過調(diào)研提前制定人口生于政策，也是控制理論的范疇。已發(fā)展出的交叉學(xué)科包括但不限于：工程控制論、生物控制論和經(jīng)濟(jì)控制論。

典型的控制系統(tǒng)形如圖1：

其中Si與So分別為輸入信號和輸出信號，圖1中輸出信號通過反饋函數(shù)轉(zhuǎn)換后與輸入信號相減，其差進(jìn)入控制環(huán)路，輸出從控制換中取出，這樣實現(xiàn)了輸出與輸入之間信號的關(guān)聯(lián)，通過靈活設(shè)計控制環(huán)中的函數(shù)，可以實現(xiàn)多種反饋響應(yīng)。

以下以動車車輛調(diào)度為例，說明控制原理在交通運輸中的實現(xiàn)機制：

二、問題提出

假想有六個城市形成了六凸多邊形，車站位于凸多邊形的頂點，需要考慮正常調(diào)度，以及道路出現(xiàn)異常時的非常規(guī)調(diào)度方式，如圖2中所示方式排列，現(xiàn)在將以鐵路調(diào)度員的身份設(shè)計若干程序，以實現(xiàn)對列車的自動化控制，以減少人員的浪費以及經(jīng)濟(jì)的浪費。地圖如下：

頂點元素集合為（A，B，C，D，E，F(xiàn)），其中無優(yōu)先級差異，各站存在互易性，即AD=DA，etc。設(shè)計的原則，按照優(yōu)先級分別是，全局最優(yōu)，部分最優(yōu)，本地最優(yōu)；

即優(yōu)先滿足受影響的整個系統(tǒng)調(diào)度的時間最短，其次考慮受影響附近元素集合時間最短，最后考慮本地中轉(zhuǎn)時間最短。

三、方案設(shè)計

情況一：全線路暢通，各線路列車運行正常，無突發(fā)事件。

按照路程最短原則，規(guī)劃調(diào)度方案如下：

線路推薦：各路按照最短路線，如A站至D站，可以有兩種方案，其一為A→F→E→D，其二為A→D按照箭頭方向直接從起點城市到達(dá)目的地城市，無需中轉(zhuǎn)，及立即可達(dá)性。

可能出現(xiàn)的問題：同時存在BE之間的交通占用情況，在（AD，BE）線路交叉口可能會發(fā)生兩列車同時到達(dá)的情況。

解決方案：采用程序一，控制兩條路徑的時序，合理地規(guī)避兩車同時到達(dá)交叉口的情況，減少人員的浪費。

情況二：DE線路檢修維護(hù)（一條邊不連通）

DA：客流量增加，應(yīng)增加列車的使用量，以及檢修人員的投入量。

DB：不受影響，按照原線路正常運行，無需增加。

DC：不受影響，按照原線路正常運行。

DE：先由D轉(zhuǎn)到C地區(qū)，再由C地區(qū)轉(zhuǎn)到E地區(qū)。（由于從D到E走DC，CE距離要近些，所以規(guī)劃DCE，不規(guī)劃DAE，以路程經(jīng)濟(jì)型為原則）CE地區(qū)客流量增加，需增加列車使用量和維修人員投入量）

DF：不受影響，按照原線路正常運行，無需增加。

情況三：DF線路檢修維護(hù)（內(nèi)部一條對角線不連通）

DA：不受影響，按照原線路正常運行，無需增加（由于從D到F走DC，CF距離要近些，所以推薦DCF，不推薦DAF，所以DAF不受影響）。

DB：不受影響，按照原線路正常運行，無需增加。

DC：客流量增加，應(yīng)增加列車的使用量，以及檢修人員的投入量。

DE：不受影響，按照原線路正常運行，無需增加。

DF：先由D轉(zhuǎn)到E地區(qū)，再由E地區(qū)轉(zhuǎn)到F地區(qū)。（由于從D到F走DE，EF距離要近些，所以規(guī)劃DEF，不規(guī)劃DAF。DC，CF地區(qū)客流量增加，需增加列車使用量和維修人員投入量）。

情況四：BD由于線路過長且在山區(qū)，需要定期檢查維護(hù)。先由于BD線路檢修，BD 線路停止運行。

DA：按原線路正常運行不受影響。

DC按原線路正常運行不受影響。

DB：（1）先由D轉(zhuǎn)到E地區(qū)，再由E地區(qū)轉(zhuǎn)到B地區(qū)。

（2）先由D 地區(qū)轉(zhuǎn)到F地區(qū)，再由C地區(qū)轉(zhuǎn)到B地區(qū)。（由于人流量較大，為保證安全，列車投入量不能過多，所以推薦兩條線路，各分散客流量）。

發(fā)現(xiàn)的問題：由于DE和AF，DF和AF，DE與DF和AC都有交叉點，DE，DF客流量增加提高的兩線路火車相遇的概率。

解決方案：由于DE，DF客流量的增加，為使檢修BD線路的影響降到最小，DE，DF，線路的列車應(yīng)盡量采用不停車不減速運行，以加快發(fā)車頻率。這里程序一已不適用，啟用程序二（見附錄）。

DE：由于客流量的增多，需要增加列車的投入量，以及檢修人員的使用量。

DF：由于客流量的增多，需要增加列車的投入量，以及檢修人員的使用量。

情況五：如圖3。D地區(qū)處于山區(qū)，現(xiàn)在正是雨季，D地區(qū)由于連日暴雨，爆發(fā)泥石流，將ED，OD，F(xiàn)D沖斷，其他鐵路正常運行未受影響。

線路規(guī)劃：D到A：按照原線路正常運行，由于道路實際存量減少，剩余完好路段的運輸密度增大，道路的占用率提高，以為由于以上三條線路的癱瘓，DA，DC線路客流量增加，需加大列車的使用量。

D到C：按照原線路正常運行，但要增加列車的使用量，以為由于以上三條線路的癱瘓，DA，DC線路客流量增加，需加大列車的使用量。

D到F：（1）先由D轉(zhuǎn)到A地區(qū)，再由A地區(qū)轉(zhuǎn)到F地區(qū)。

（2）先由D 地區(qū)轉(zhuǎn)到C地區(qū)，再由C地區(qū)轉(zhuǎn)到F地區(qū)。（根據(jù)路網(wǎng)實際時段使用強度動態(tài)調(diào)整，在路網(wǎng)承受極限下回退一定安全余量，對當(dāng)前密度超過預(yù)設(shè)門限的支路進(jìn)行分流）

發(fā)現(xiàn)的問題：由于三條線路的癱瘓，導(dǎo)致AF，CE的客流量劇增，而AF，CE本就為交叉線路，原本按照程序一運行，現(xiàn)客流量增多，導(dǎo)致兩線路火車相遇的概率增加。

解決方案：為不影響旅速，可經(jīng)兩地區(qū)相關(guān)部門商量，在特定的時間點，以特定的速率各自發(fā)車，中途不停頓，以保證旅速。并加大檢修人員的投入量。

D到E：（1）先由D轉(zhuǎn)到A地區(qū)，再由A地區(qū)轉(zhuǎn)到E地區(qū)。

（2）先由D 地區(qū)轉(zhuǎn)到C地區(qū)，再由C地區(qū)轉(zhuǎn)到E地區(qū)。（DE通過中間節(jié)點的可達(dá)性又多種方案，考慮原則分別為：全局時間最小，轉(zhuǎn)換支路總距離最小，單節(jié)支路路網(wǎng)強度不超門限，通過以上三原則進(jìn)行規(guī)劃）

發(fā)現(xiàn)的問題：由于三條線路的癱瘓，導(dǎo)致AF，CE的客流量劇增，而AF，CE本就為交叉線路，原本按照線程序一運行，現(xiàn)客流量增多，導(dǎo)致兩線路火車相遇的概率增加。

解決方案：為不影響旅速，可經(jīng)兩地區(qū)相關(guān)部門商量，在特定的時間點，以特定的時間序列發(fā)車，規(guī)劃正常行駛到站點進(jìn)行避讓，以保證路網(wǎng)利用效率。并加大檢修人員的巡檢力度。

D到B：先由D轉(zhuǎn)到A地區(qū)，再由A地區(qū)轉(zhuǎn)到B地區(qū)。

先由D 地區(qū)轉(zhuǎn)到C地區(qū)，再由C地區(qū)轉(zhuǎn)到B地區(qū)。（通過規(guī)劃歷經(jīng)支路最少為原則，同時考慮全局時間最優(yōu)）（AB，CB，間客流量增大，也需增加列車的使用量。

情況六：AC線路癱瘓

AB：不受影響，按照原線路正常運行，無需增加。

AC：（1）先由A轉(zhuǎn)到E地區(qū)，再由E地區(qū)轉(zhuǎn)到C地區(qū)。

（2）先由A 地區(qū)轉(zhuǎn)到F地區(qū)，再由F地區(qū)轉(zhuǎn)到C地區(qū)。（列車流量密度較大，綜合考慮，列車投放量不能增加過多，所以推薦兩條線路，各分散客流量）

發(fā)現(xiàn)問題：AD線路的癱瘓導(dǎo)致AF，EC的客流量劇增，而AF，EC本就為交叉線路，原本按照程序一運行，先客流量增加，兩條線路相遇的幾率增大。

解決方案：為不影響旅速，可經(jīng)兩地區(qū)相關(guān)部門商量，在特定的時間點，以特定的速率各自發(fā)車，中途不停頓，以保證旅速。并加大檢修人員的投入量。

AD：不受影響，按照原線路正常運行，無需增加。

AE：由于客流量的增多，需要增加列車的投入量，以及檢修人員的使用量。

AF：由于客流量的增多，需要增加列車的投入量，以及檢修人員的使用量。

附錄：

假設(shè)列車平均速度為200km/h，列車長為200m。各個站點附有雷達(dá)測速測距裝置，當(dāng)列車靠近站點時，雷達(dá)裝置啟動。

如突發(fā)情況發(fā)生，發(fā)生情況的站點，向總指揮處發(fā)送應(yīng)急信號。

程序一：設(shè)L1為A列車距站點的距離，L2為B列車距站點的距離（單位：km）

x=加速，y=減速

程序二：設(shè)L1為A列車距站點的距離，L2為B流程圖A列車距站點的距離（單位：km）

以M表示各線路的客流量增加量

x=加速，y=減速，S=停車，R=原速前進(jìn)

總程序：（1）無應(yīng)急信號則按照情況一執(zhí)行。

（2）收到DE處的應(yīng)急信號，按情況二執(zhí)行。

（3）收到DF處的應(yīng)急信號，按情況三執(zhí)行。

（4）收到BD處的應(yīng)急信號，按情況四執(zhí)行。

（5）同時受到BD，DF，DE處的應(yīng)急信號，按情況五執(zhí)行。

（6）收到AC處的應(yīng)急信號，按情況六執(zhí)行。

（各應(yīng)急信號可疊加，處理方式可疊加）

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