面向復雜高速鐵路網的列車運行計劃應急調整方案研究

馮小芳,張紅斌,陳亞茹,楊博強

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所,北京 100081；2.北京經緯信息技術有限公司,北京 100081）

隨著我國高速鐵路的快速發展,鐵路網規模日益擴大、結構日益復雜,跨線列車不斷增加,使列車開行密度不斷增大,這對鐵路運輸部門在出現自然災害或者設備故障等非正常情況下的應急處置能力提出了很高的要求。應急方法和手段得當,能夠有效地降低非正常事件對鐵路運輸的影響,減少列車晚點,盡快恢復列車運行；應急處理不當,不僅會擴大非正常事件的影響程度,還可能會引發其他事故,造成更大負面影響。

國內外許多專家學者對列車運行調整領域進行了廣泛而深入的研究。文獻[1]基于替代圖對列車運行調整問題進行建模；文獻[2]針對單線鐵路的列車運行調整問題提出了遺傳算法和人工神經網絡；文獻[3]以所有列車總延誤時間最少為目標,構建線性規劃模型,通過對偶算法求得模型的解；文獻[4]考慮突發事件持續時間的不確定性,以保證所有列車晚點時間之和的平均值最小為目標函數,構建了有路徑選擇約束的整數規劃模型和無路徑選擇約束的整數規劃模型；文獻[5]以列車總晚點時間最小化為目標函數,并考慮了列車區間停站和返回車站停站的問題,構建出混合整數規劃模型；文獻[6]采用離散事件動態系統理論,將列車占用區間或車站作為離散事件,將由各種技術設備、信聯閉設備組成的列車運行調整系統作為離散時間動態系統,建立了離散事件動態系統驅動的狀態空間調整模型,并通過網絡分層并行算法對問題進行求解；文獻[7]通過蟻群算法,利用螞蟻根據啟發函數得到的各點選擇概率,搜索圖定節點的調整時刻；文獻[8]通過遺傳模擬退火算法對列車運行調整問題進行求解。

目前,高速鐵路應急調整方面主要存在以下幾方面問題：調整時間長；應急信息的收集、感知和利用不充分；考慮因素不全面；決策缺乏計算機技術支持等。

雖然關于列車運行調整的理論模型和方法較多,但在應用于實際列車調整過程中時,這些模型和方法仍有許多局限性。在正常調整過程中,調度員仍然發揮著舉足輕重的作用,但鑒于應急調整中應急處理時間短、應急處置壓力大等因素,調度員難以快速對列車運行圖進行科學合理、全面有效的調整。因此,本文基于上述研究,結合高速鐵路運行組織現狀,考慮實際列車運行調整的原則和方法,研究面向復雜高速鐵路網的列車運行計劃應急調整方案。設計高速鐵路列車應急調整流程,以及非正常事件下基于“一事一圖”的高速鐵路列車應急調整系統,以提高鐵路應急處置能力。

1 高速鐵路列車應急調整流程設計

當設備出現故障、發生自然災害、天氣不良等非正常事件造成高速鐵路旅客列車大面積晚點時,鐵路調度部門需要及時啟動應急響應。由相關部門收集整理各類信息,調度員基于相關信息表達調整意圖,借助計算機技術實現快速調整。具體應急調整業務流程如圖1 所示。

圖1 列車應急調整流程

如圖1 所示,調度部門基于相關信息確定調整方案,調用高速鐵路列車應急調整系統（簡稱：應急調整系統）進行調整。應急調整系統根據調度員意圖和相應規則,自動生成新的列車運行圖。當調度員對調整結果不滿意時或有新的意圖表達時,可以重新進行調整。當調度員對調整結果滿意時,調整后的列車運行圖將提供給應急領導小組決策,若決策不通過,則可重新進行調整；若決策通過后,將由調度員按照調整后的列車運行圖,發布調度命令,組織恢復列車運行秩序。在調度執行過程中,如涉及跨鐵路局集團公司旅客列車停運、加開臨客、啟動熱備車底、迂回徑路運行等情況時,調度員需要及時向中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）請求調度命令。

2 系統架構

本文基于高速鐵路列車應急調整流程制定非正常事件下的列車運行圖,即“一事一圖”運行圖,設計應急調整系統架構。

應急調整是保障應急指揮安全、提高應急處置效率的核心,與目前的應急調整相比,應急調整系統可以全面收集信息,包括列車運行數據和運輸組織數據,同時,支持根據調度員意圖生成相應的優化方案,實現不同調整方案的對比分析。由于借助計算機系統,使應急調整系統的處理時間顯著減少,可實現快速調整、快速決策,從而提高鐵路調度應急處置能力和效率。

應急調整系統采用模塊化設計,主要分為4 個模塊,其中,數據管理模塊、列車調度員人機界面模塊和計劃下達模塊可使用現有系統,列車運行調整求解引擎是獨立的模塊,現有各模塊通過開放接口和數據實現快速集成。其架構如圖2 所示。

圖2 應急調整系統架構

（1）數據管理模塊主要實現路網基礎數據、應急設備數據、列車動力學數據、客運數據、動車組交路數據、計劃數據和運行圖數據等的收集和整理；

（2）列車調度員人機界面模塊主要實現調度員意圖表達、調整計劃顯示、優化方案對比分析及計劃下達等功能,在應急情況下,可以快速生成調整方案；

（3）計劃下達模塊主要實現將調整計劃下達至車站和調度集中系統；

（4）列車運行調整求解引擎模塊是應急調整系統的核心,它接受數據輸入和調度員意圖表達,在安全卡控的原則下,基于調整規則實現調度員的意圖,并將調整結果和調整說明返回給列車調度員人機界面模塊。

應急調整系統實現了數據管理與方案生成、計劃執行之間的閉環管理；在安全方面,實現了計算機和人工雙重卡控,提高了應急調整系統的效率和安全性,保證了調整方案的可行性。與現有系統相比,模塊化的設計在系統集成、數據管理等方面均有很大優勢。

3 系統功能

當突發事件導致高速鐵路旅客列車大面積晚點時,鐵路部門需要快速響應,基于應急指揮中心成立列車運行調整應急小組,根據列車晚點、車底接續、乘務安排等編制“一事一圖”行車組織調整方案。本文設計的應急調整系統主要支持以下功能。

3.1 設置封鎖

通過數據管理模塊實現鐵路網基礎數據、應急設備數據（熱備車、熱備乘務組等）、列車運行數據、擾動數據等的收集和整理；調度員根據系統所收集的信息,結合現場處置情況,研判故障處置時間,設置封鎖或限速；隨后調用列車運行調整求解引擎,實現應急調整。

3.2 自動生成“一事一圖”運行圖

列車運行調整求解引擎在安全卡控的原則下,基于調度員意圖和調整規則,實現非正常事件下“一事一圖”的行車組織調整方案。應急調整系統在生成“一事一圖” 行車組織調整方案時,將根據預先定義的調整規則或措施實現,具體調整規則如下：（1）“由近及遠”扣停列車；（2）股道的精細化使用；（3）改變列車運行時間；（4）減少車站組織變化；（5）保證動車組接續關系。

3.3 調整計劃的修改和下達

在生成調整計劃后,調度員可以通過人機界面實現對調整方案的更改、再優化和下達等。當調度員制定了新的調整意圖時,可以通過人機界面基于新的調整意圖重新優化。同時,調度員對多個意圖下的調整方案進行對比分析,選擇合適的方案,通過計劃下達模塊下達給車站和調度集中系統,指導車站客運組織工作和列車運行工作。

4 關鍵技術

4.1 時空網絡模型

近年來,基于時空網絡的建模方法廣泛應用于解決列車運行圖編制問題,而鐵路列車運行調整問題可以看作是列車運行圖的再編制過程,其本質是列車在時間和空間上的資源分配問題,因此可將該問題抽象為時空網絡模型。網絡包含3 個要素,分別是網絡節點、網絡弧和列車時空路徑。網絡節點用于表示列車在該時間點的空間位置,即列車狀態,對應的有虛擬起點、虛擬終點、列車到達節點和列車出發節點。網絡弧由節點的連線組成,表示列車的運行狀態,包括虛擬起始弧、區間運行弧、車站停站（通過）弧、以及虛擬終止弧。節點和弧共同組成了列車時空路徑[9]。其時空網絡示意如圖3 所示。

圖3 時空網絡示意

圖3 刻畫了3 列車的時空路徑,起終點為網絡中的虛擬節點,不同顏色和線型對應不同的弧,由節點和弧共同構成了列車時空路徑。

4.2 拉格朗日松弛算法

基于時空網絡構建整數規劃模型,描述列車運行調整問題。模型求解時采用拉格朗日松弛算法,其核心思想是將模型中復雜的約束松弛,并將其作為懲罰項加入到目標函數中,從而轉化為拉格朗日對偶問題,降低模型求解難度的同時提高求解效率[10]。

5 實例分析

以京滬（北京—上海）高速鐵路北京局管內線路為例,如圖4 所示。北京南站高速場共有11 條股道供京滬高鐵使用,同時作為京滬高鐵的盡頭站,其上下行股道可混用；德州東站為北京局集團有限公司和濟南局集團有限公司的分界口車站,有3 條上行到發線,2 條下行到發線；京津（北京—天津）線路所接入天津西—北京南方向的列車,津滬（天津—上海）線路所接入天津西—上海虹橋方向的列車。本文以某日接觸網掛網引發滄州西—天津南上行區間封鎖為例,封鎖時間為08:00—10:30,如圖4所示。通過應急調整系統得到的調整結果如圖5 所示。

圖4 封鎖場景設置

圖5 調整結果

由圖5 可知,在封鎖結束4 h 后,上行列車晚點時間和數量都顯著減少,到14:20,上行列車晚點基本消除,與實際調整結果相符。

6 結束語

應急調整系統作為應急處置工作的重要工具,輔助調度員安全、快速、科學、合理制定應急列車運行圖,對恢復列車運行秩序、提高鐵路系統的應急處置能力至關重要。本文基于列車應急調整流程,設計了應急場景下的調度調整系統,以京滬高鐵某日接觸網掛網導致線路中斷為例,進行了分析。本系統已部署到中國鐵路北京局集團有限公司應急指揮中心,在應用中效果良好,提高了鐵路應急處置能力,為鐵路調度應急指揮提供了輔助決策支持。