調度集中系統進路自動排列仿真模型的研究

王 康

高速鐵路是我國現階段基礎設施建設的一項重大戰略工程，其中調度指揮系統的主要功能是在保障安全的前提下，以高鐵列車“按圖行車”為目標［1］，實現對高鐵運營列車運行的實時監督，有序指揮車站作業。車站進路的自動觸發控制是調度指揮系統在控制方面的核心功能［2］，精準而可靠的進路自動控制方法和策略，是調度集中系統保障高鐵列車安全、正點、高效、有序運行的關鍵基礎［3］，不但能夠極大程度地提升進路選擇的可靠性、開放時機的合理性，也能有效降低調度人員的工作強度［4］。本文針對調度集中系統的進路自動控制問題，結合調度指揮系統的業務特征，以提升進路決策的可行性、可靠性和時效性為目標，構建了調度集中系統進路控制模型，并對模型進行了仿真驗證。

1 進路控制問題分析

在調度指揮系統中，指揮列車運行的階段計劃和響應的調度命令由調度中心的指揮人員擬定，并由車站工作人員或是調度集中系統執行，實現列車的按計劃安全運行［5］。調度集中系統通過對列車階段計劃進行解析，獲取列車的時空路徑信息，并根據該信息確定其管轄范圍內列車在每個車站的接發車作業進路［6-7］和進路的觸發開放時機。為保障列車進路能夠及時精確地觸發開放，需要確定準確無誤的列車進路和科學合理的觸發時機［8-10］，這也使得進路控制功能成為調度集中系統正常運轉的核心功能之一。在實際運營過程中，自動進路控制面臨以下問題：

1）列車階段計劃的不確定性導致進路沖突的不確定性。由于運輸環境的變化，列車和信號系統內外界因素的隨機擾動，以及調度指揮人員的自身經驗局限，其所預先制定的階段計劃并不能精確規定列車途經的每個車站的具體作業時間，導致實際階段計劃的可執行性在一定范圍內存在較強的不確定性。在這種情況下，傳統的依賴于計劃順序結合時間條件或是預先設定的列車運行的絕對位置來自動觸發排列列車進路的方法，將會引發列車間對車站進路資源的競爭，在不同程度上干擾車站和列車的正常運營，并大幅降低列車的運行效率。

2）計劃和行車環境變化影響自動進路選擇的正確性。在突發事件的情況下，由于調度人員工作負荷突然增大，極端條件下會導致部分列車計劃變更存在一定的滯后性，若計劃涉及到發線的變更，則會導致自動進路系統選取并觸發錯誤的接發車進路，進而會導致列車接入錯誤的到發線，嚴重干擾破壞列車運行秩序，并影響旅客的正常乘降，極端情況下會引發人員傷亡的重大安全事故。

3）進路觸發時間的不確定性影響正常的行車秩序。進路的觸發開放時機也會對列車的正常走行秩序和車站資源的有效利用產生較大影響。較早的進路開放，會過早的占用車站資源，目標作業和車站其他作業會爭搶車站內有限的進路資源，嚴重影響車站作業的能力和效率。而較晚的進路開放則會影響線路中運行的列車，導致列車速度曲線的改變，嚴重情況下會導致列車的緊急制動，影響行車效率。在高鐵列車高速度、高密度的運行情況下，一旦某列車受各種干擾影響出現運行延誤，在高鐵線路阻塞式的行車特征下，延誤的傳播會呈現多米諾的傳導效應，列車的延誤會被放大并輻射傳播至相鄰的列車和線路，進而進一步加重了列車間對車站和線路運輸資源爭搶的激烈程度，嚴重影響正常的列車運行秩序。

因此，在調度中心提前擬定的調度策略和階段計劃的指導下，調度集中系統如果能夠綜合考慮當前的列車時空分布，及時準確地為目標列車確定和開放相應的作業進路，實現接發車作業進路及時精確的自動觸發辦理，對提升復雜環境條件下高速鐵路行車指揮的安全和效率均具有十分重要的意義。

綜合考慮高速鐵路自動進路在現場應用中可能出現的問題，結合信號基礎理論和方法，構建出了高速鐵路進路自動排列仿真模型，并在試驗室中進行了仿真驗證。該模型先根據高速鐵路進路辦理的業務流程，結合調度集中系統的采集數據特征，采用關聯數據高內聚的方法，實現自動進路系統數據結構和相應關聯關系的規范化；再通過對在線列車運營特征的分析，采用計劃關聯列車、列車位置驅動進路的方式，實現對進路觸發位置和時機的動態確定；最后結合列車階段計劃，采用分組命令的方式，實現對列車進路命令組的構造，以及對進路命令執行狀態的監測。

2 進路控制模型

2.1 信息采集及數據規范模塊

基于調度集中系統的自動進路設置過程，涉及到系統采集到的動態數據和系統本身提供的靜態數據。結合列車進路設置的業務流程，從進路設置所涉及數據的內部關系出發，將動態數據和靜態數據構造成規范化的數據結構，并建立相應的內部關聯關系，使之成為自動進路系統數據和業務邏輯的實現基礎。

1）計劃序列。采用＜列車、車站、時間＞三元對的方式，對原始計劃進行分解重構，并將分解后的計劃按車站、線路方向、列車的層次結構依據時間重組計劃序列，并結合列車序列中的列車，構建單個計劃與在線列車之間的關聯關系。

2）列車序列。依據各線別在線列車在區間內和車站內的運行順序構造的序列，并根據站界的劃分以及列車具體的位置，實現列車序列內的列車與計劃序列內相關計劃的雙向關聯，實現在線列車與實時階段計劃的映射。

3）拓撲元素。依據車站的拓撲特征，將車站整體按聯鎖系統的信號分割方式，分解為信號單元拓撲元素（信號機、道岔、股道等）的結合，拓撲元素之間根據物理上的連接關系構造元素之間的關聯關系，便于確定計劃規定的行車路徑上拓撲元素的先后占用關系。

4）進路序列。依據列車和該列車在目標車站對應的階段計劃，構造對應的進路序列。采用進路組的方式進行構造，是因為部分車站拓撲的特殊性以及站細規章的要求（列車進路的排列需要按照一定的順序，如先排發車進路，再排接車進路），以及整體性要求，如部分進路需要一次性排列完成（存在多個短進路拼接的情況）。采用進路組的方式還便于組內進路的邏輯處理，構造進路與列車以及計劃之間的關聯關系，便于根據在線列車和計劃的動態變化，及時更新進路組。

5）命令序列。將進路組轉化為進路命令，仍采用組的方式實現，便于實現進路組與命令組之間的映射關系，并根據進路的狀態來更新命令的狀態。

2.2 進路觸發檢測模塊

為維護列車的正常運行秩序，提高列車的運行效率，當列車運行到一定位置或是距離列車進站或發車還存在一定時間時，需要適時開通相應的列車進路，保證列車平穩運行，且不會因為進路開放過晚導致列車過早制動，或是晚啟動，以及不會因為進路的過早開放導致站內與該進路相關的資源被過早占用，造成站內運輸資源及能力的浪費。

由于列車運營過程中，階段計劃會隨列車的運營情況不斷變動，故采用事件驅動結合周期輪詢的方式，來檢測列車進路的觸發開放時機。首先根據運營狀態實現對計劃序列和信號元素序列的更新，作為觸發檢測的環境條件：①根據接收到的階段計劃或信號狀態，規范化后更新計劃序列；②根據新的計劃，更新在線列車序列與計劃序列的關聯關系；③根據接收到的信號狀態，確定信號元素所處位置，若處于區間，則更新拓撲元素的區間信號單元；若處于站內，則更新拓撲元素的站內信號單元。

在獲取到調度指揮系統提供的列車狀態信息后（主要為當前列車的位置、車次和速度），采用如下步驟實現進路的觸發檢測。

1）獲取全部的在線列車狀態。

2）根據列車的位置對列車進行分組。

3）區間列車以下一接入車站為分組單位并按照接發車線別進行分組，即確定每個車站即將接入的列車序列。

4）站內列車依據股道進行分組，且該列車應滿足在股道上具備停車作業的需求。這是由于列車在股道停車時存在長時間作業的可能，不應立即開放發車進路，應該依據站細要求并結合計劃發車時間，確定發車進路的觸發開放時機。

5）當區間列車序列更新后，確定目標車站即將接入的首列列車，動態計算出列車的觸發區域。

2.3 進路命令構造模塊

進路命令構造模塊采用周期性輪詢的方式，檢查監視列車序列，并根據列車和關聯的計劃信息構造相應的進路組命令，具體實現步驟如下。

1）從監視列車序列中，獲取輪詢到的列車狀態。

2）獲取與目標列車的關聯計劃信息。

3）若目標列車未生成命令組，則根據計劃，按規定的車站作業方式，以及相應的站細，構造進路命令組（如通過列車，則構造包含接車進路指令和發車進路指令的命令組；多個基本進路構成的長進路則構造多個基本進路指令的命令組）。命令組中命令執行的先后順序和機制以站細和運輸細則為準。若目標列車已生成命令組，但存在未執行指令，則根據計劃更新命令組中未執行的指令。

4）進路命令監控采用周期性輪詢的方式，檢查監視列車序列，并根據運營環境中的信號狀態和時間實現對進路指令變化狀態的設定和處理。

3 仿真驗證

為驗證自動進路模型的有效性，采用津秦高速鐵路唐山站調度集中系統的信號數據和歷史運行圖數據，構建仿真模擬環境，仿真結果見圖1。

圖1 G1221次列車階段計劃及自動觸發排列的接車進路

采用本模型，能夠及時有效地開放自動進路，在很大程度上提高了調度集中系統進路觸發的合理性和有效性。

采用該模型構建的調度集中系統自動進路決策仿真系統，能有效降低列車進路誤辦的幾率，提高運營線路的通過能力，保障運輸指揮的運營秩序，減少實際運輸中進路辦理故障對調度員的干擾，優化運營計劃和可用資源調度，提升高鐵行車指揮系統自動化、智能化程度。

4 結論

本文針對調度集中系統進路控制問題，分析行車階段計劃、列車車次信息、車站區間信息、可用進路和列車位置等進路決策的必要條件，基于進路決策全過程和列車自動進路控制系統功能建立起進路控制模型，提出了模型輸入、模型輸出和靜態配置等階段信息的配置方法。模型在仿真系統中得到驗證，并有效提升了進路控制系統的可靠性。