高速铁路智能CTC 系统列车运行自动调整研究*

2020-03-14李智张涛▲许伟王涛

交通信息与安全 2020年6期

李智张涛 ▲ 许伟王涛

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所北京 100081；2.国家铁路智能运输系统工程技术研究中心北京 100081）

0 引言

高速铁路可靠性高，具有很高的正点率，但当受到设备故障、恶劣天气、突发事件等因素影响时，也会出现列车到达车站时刻偏离计划运行图的情况，因此在行车调度工作中需要进行列车运行调整工作[1]，使列车尽快恢复运行秩序，控制晚点传播。多年来国内外学者针对列车运行调整方法进行了深入的理论研究[2]，通过数学规划方法[3-5]、专家系统[6-7]、智能体方法[8-9]等取得了不错的成果。近年来数学规划方法由于其表达清晰、模型成熟，被研究者们广泛使用，研究者们通过建立直观的数学模型并选择合适算法求解。

然而现有研究仅仅局限于理论，实际上列车运行调整工作主要由调度员凭经验进行人工操作。目前，分散自律调度集中系统（CTC系统）广泛应用于我国高速铁路行车调度指挥工作。CTC 系统中按调度区段设置运行图终端，每台运行图终端负责安排该调度区段内的列车运行阶段计划。当出现列车偏离图定运行线的情况时，调度员在运行图终端上通过人工操作的方式消解线间冲突，形成新的列车运行阶段计划[10]。随着高速铁路路网规模持续扩大，运行线间冲突日益严重，线间制约关系越发错综复杂。通过人机对话方式移线消解线间冲突，不仅效率低，而且准确率难以保证。现有CTC系统中通过人工操作实现列车运行调整的方式已难以适应铁路智能化发展趋势[11-12]。

智能铁路是现代新技术在铁路领域的综合应用，是铁路运输必然的发展方向。发展智能铁路已成为中国铁路顺应世界技术发展大趋势的必然选择[13]。在中国智能铁路的发展规划中，CTC 系统将升级为智能CTC系统。在高铁智能CTC系统的技术条件中，明确提出以现有CTC 系统为基础，结合智能铁路的发展需求，在列车运行自动调整等5 个方面进一步优化完善[14]。因此，对列车运行调整的研究不应仅限于理论研究，还应考虑高速铁路现场行车调度中遇到的实际问题，结合现有理论研究成果并基于相关技术标准[14]，为智能CTC系统开发列车运行自动调整系统，建立列车运行自动调整模型，用于智能CTC系统列车运行调整工作。

在此背景下，笔者针对目前高速铁路列车运行调整工作的现状，结合智能CTC 的技术标准，提出智能CTC 系统中列车运行自动调整系统的设计原则，软硬件结构设计及相关逻辑功能。针对现有理论研究的局限，结合现场实际需求、系统设计原则，以及相关技术标准提出模型各约束条件及目标函数，为列车运行自动调整系统建立列车运行自动调整模型。通过案例分析及应用验证包含该模型的列车运行自动调整系统的可行性和有效性。

1 列车运行自动调整系统结构

1.1 列车自动调整系统设计原则

基于相关技术标准[14]及多年CTC 系统开发实施经验，提出高铁智能CTC系统中列车运行调整系统的设计原则如下。

1）列车运行调整自动系统是对既有CTC系统的补充和发展，不应影响既有CTC 功能，当该系统故障无法正常运行时，不得影响CTC系统中其他设备的正常工作。

2）提供的列车运行阶段计划调整策略应符合各项铁路技术规范，并保留人工定制功能，列车运行阶段计划的最终决定权依然归调度员。

3）建立包含动车组交路信息、股道运用信息、各限速等级下区间运行时分信息等关键信息的数据库，为列车运行调整逻辑提供基础数据。

4）建立列车运行自动调整模型，在恶劣天气或设备故障等突发状况导致列车偏离运行线运行时，根据预先设定的调整策略，实时生成可用的列车运行阶段计划，实现列车运行阶段计划的快速智能化调整。

5）系统应为不同的场景预先设置不同的列车运行调整策略，以及为不同的客户需求设定不同的列车运行调整目标。

1.2 列车自动调整系统硬件结构

列车运行自动调整系统硬件结构见图1。在既有的CTC 系统基础上针对全局新增全局智能调整终端、全局智能调整服务器，以及全局调整数据库服务器，针对各调度台新增运行图智能调整终端与运行图调整服务器。

其中智能调整终端负责生成调整后的列车运行阶段计划，智能调整服务器用于与CTC其他设备及外部接口的通信，全局调整数据库服务器用于储存列车运行调整相关的基础运营数据。

1.3 列车运行自动调整系统软件结构

列车运行自动调整系统软件框架结构见图2，分为通信模块、显示模块、调整模块、约束条件模块等，箭头方向表示各模块之间数据流和控制命令的走向。

图1 列车自动调整系统硬件结构Fig.1 Hardware structure of automatic train rescheduling system

图2 列车运行自动调整系统软件结构Fig.2 Software structure of automatic train rescheduling system

其中，显示模块用于用户图形界面的显示，调整模块完成列车运行阶段计划的调整，约束条件模块对调整模块生成的列车运行阶段计划进行约束检测，这3 个模块均以运行图对象为数据基础。通信模块负责列车运行自动调整系统与其他子系统间的接口。

1.4 列车运行自动调整系统功能逻辑

列车自动调整系统数据流程图见图3。新增的运行图智能调整终端、智能调整服务器和CTC系统既有的运行图终端、通信服务器、应用服务器等协同完成列车运行自动调整工作。

图3 列车运行自动调整系统数据流Fig.3 Data flow of automatic train rescheduling system

运行图智能调整终端向后台运行图服务器申请最新列车运行阶段计划、施工符号、限速符号、列车报点，并以运行图的方式进行显示，调整终端每次收到变化消息时，对所有冲突计划进行检查，并对冲突计划按照事先建立的模型进行自动调整。另外，在遇到线路突发情况需要对区间封锁、限速或某趟列车故障时，调度员可在自动调整终端设置故障条件并输入调整意图，系统自动对所有后续列车运行阶段计划进行调整；自动调整后的阶段计划返回至后台运行图服务器，运行图服务器将最新调整的阶段计划发送至运行图终端，从而达到列车运行自动调整的目的。

2 列车运行自动调整模型

2.1 模型假设

在本文建模过程中，结合相关技术标准及高速铁路行车调度工作中的实际情况，提出如下假设。

1）默认列车的走行径路及车站技术作业（上水、吸污、送餐等）均已在开行方案中确定，列车运行调整过程中不可改变。

2）默认各动车组交路已在开行方案中确定。动车组担当某一车次终到后，有时需继续担当另一特定车次始发继续运行，动车组接续关系在列车运行调整过程中不可改变。

3）介于目前阶段智能CTC 系统仅在部分线路，调度区段计划逐步部署实施，模型仅考虑单个调度区段（调度台）的列车运行调整，暂不考虑跨多个调度区段及多个铁路局的列车运行调整。

4）默认列车运行调整不涉及到车站调车作业，调车作业由车站人工办理，智能CTC系统中的列车运行自动调整只针对车站列车作业。

5）默认高速铁路线路均为双线，只考虑列车间的越行，不考虑列车间的会让。

2.2 参数定义

在列车运行调整建模的过程中常使用事件-活动网络图（event-activity network，EAN）来表示列车的各项车站作业及之间的关系[15-16]。事件-活动网络图由节点和有向弧组成，其中节点表示列车事件，包括到达、出发、通过3类。节点之间的有向弧表示列车活动，包括列车在区间运行、列车停站、车站作业间隔，以及同交路动车组接续4类，见图4。

图4 列车运行图及对应的事件-活动网络图Fig.4 Train timetable and its corresponding event-activity network

事件-活动网络图用N=(E,A)表示。其中，E为列车事件集合，列车事件包含列车的到达、出发、通过作业；A为列车活动集合，列车活动由2个列车事件组成，包括列车在区间运行、列车停站、同方向相邻列车车站作业间隔，以及同交路列车接续4类。令Earr，Edep和Ethru分别为列车到达、出发及通过作业的集合，Arun，Adwell，Ahead和Aconn分别为列车在区间运行、列车停站、车站作业间隔及同交路列车接续的列车活动集合。令ai,j表示事件-活动网络N中任一列车活动，ai,j∈A。ai,j由2 个列车事件i，j构成，i,j∈E，令ti，tj为列车事件i，j的图定时刻，Ti，Tj为列车事件i，j经列车运行自动调整得出列车运行阶段计划中的计划时刻，一般精确到分钟。令S为列车运行阶段计划中所有车站的集合，si为列车事件i所在车站，si∈S。令Eterm为列车事件中列车终到事件的集合，令Ehdor为列车事件中列车从本调度台所辖区段交出事件的集合。令G为列车运行调整系统调度区段内所有可用车站股道的集合；gi为调整后的列车运行阶段计划中列车事件i对应股道，hi为列车运行调整之前列车事件i对应图定股道，gi,hi∈G。令T0为列车运行调整系统生成列车运行阶段计划时的当前时间，一般精确到分钟。

2.3 模型约束条件

针对目前理论研究中的局限，基于现场行车调度工作所遇到的具体问题并结合相关技术标准[14]，提出模型约束条件。约束条件中的各参数为静态数值且均已事先确定，应用该模型时可作为模型参数存入相应智能CTC 系统数据库中。模型各约束条件如下。

1）区间运行时间约束。对于区间运行时间约束，目前的现有理论研究中存在2个问题：①有的研究中将区间运行时间做刚性处理，认为模型生成的列车运行阶段计划中列车区间运行时间为定值，应与图定运行时间一致；②另有一些研究中认为列车区间运行时间可在图定区间运行时间的基础上延长，大于等于图定运行时间即可。然而在实际的高速铁路行车调度工作中，为鲁棒性考虑，一些图定区间运行时间中包含缓冲时间，列车通过区间所需的最小区间运行时间即为图定区间运行时间减去其包含的缓冲时间后所得数值。实际的调度工作中，也不可能无休止的增加列车在某个区间的区间运行时间。因此，提出模型的区间运行时间约束见式（1）。

式中：ri,j为图定列车区间运行时间；为图定列车区间运行时间ri,j中所预留的缓冲时间；ri,j与一般以分钟为单位，若该图定区间运行时间中无缓冲时间则取值为0 min；δ为区间运行时间的上浮率，设置该参数的目的在于将列车区间运行时间设置一个上限，即将列车在2 站间的运行时间控制在一定的合理范围内，使之更符合实际，有助于提高模型求解的效率。

2）停站时间约束。对于停站时间约束，目前研究中的共识为列车停站时间应不小于最小停站时间。但对于“最小停站时间”，一些理论研究中认为其为车站的1个参数，和车站的等级有关，其模型中该变量下标为车站。然而，如模型假设所述，列车的车站技术作业（上水、吸污、送餐等）均已确定不可改变，而经停同一车站的不同列车所需车站作业可能不同，因此最小停站时间应为某次车在某站的最小停站时间，而不仅仅和车站相关，应对每一列列车在每站的停站设置最小停站时间。因此，提出模型的停站时间约束见式（2）。

3）车站间隔时间约束。车站办理同方向相邻列车接发车作业的时间间隔不可少于对应的车站安全间隔时间。车站安全间隔时间是指车站办理相邻列车的到达、出发或通过作业时所需的最小安全间隔时间[17]。该时间的取值与车型，线路条件等因素相关，而对于我国高速铁路列车运行图，车站安全间隔时间共分为8 类[18]，取值均有详细规定，本模型中依照相关技术标准取值。车站间隔时间约束见式（3）。

式中：Ii,j为列车作业间隔ai,j对应的车站安全间隔时间，min。

4）发车时刻约束。在实际的高速铁路行车调度中，列车绝对不应早于其图定发车时刻发车，否则可能造成旅客错过列车等严重问题。式（4）为列车发车时间约束，表示在经列车运行调整后的列车运行阶段计划中，列车不可早于其图定时刻发车。

5）越行约束。在列车运行图中，列车之间的越行只能发生在车站，不能发生在区间，否则将会造成列车运行图中的交叉冲突。式（5）为列车间的越行约束，表示对于经过某相同区间的2列车，前站发车的顺序和后站接车的顺序应一致。

6）同交路动车组接续约束。如模型假设所述，动车组接续关系在列车运行调整过程中不可改变，因此提出同交路动车组接续约束见式（6）。

7）股道冲突约束。目前，部分现有理论研究在模型假设中将车站简化为1个点，忽略车站站型，股道等因素。然而，列车运行调整若不考虑股道，则会导致股道冲突等问题，无法得出实际可用的列车运行阶段计划。一方面，同一时刻，车站的某股道只允许被1 列列车占用，有车停靠时另1 列车不得接入；另一方面，列车进站接车的股道应与出站发车的股道相同。

因此，提出模型的股道冲突约束见式（7）～（8）。式（7）表示某1 股道在某一时刻只能有1 列列车占用。式（8）表示列车的接发车股道应相同。

8）发车股道变更约束。列车运行调整有可能造成列车运行阶段计划中部分列车变更发车股道，调整列车至有接发车条件的股道进行接发车作业。目前旅客购买车票时，检票口都已事先确定。若更改发车股道，则可能使车站临时变更检票口。若旅客已经从检票口进入站台准备上车，此时变更检票口则会使旅客错过列车无法上车。因此，在列车运行调整中对于变更发车股道应慎重，生成列车运行调整计划时，当前时刻开始的某段时间内，应禁止变更发车股道。

因此，提出发车股道变更约束见式（9），表示从当前时刻开始的τ时间内，列车运行阶段计划中列车发车股道应与图定股道相同。

式中：τ为发车股道变更保护时间，即从当前时刻开始不可变更股道的时间，一般以分钟为单位，可根据现场需要灵活取值。

2.4 模型目标函数

对于列车运行阶段计划质量的高低有着多种评价指标。这些评价指标是针对铁路运输服务质量而言，主要用于表征铁路运输企业为旅客提供位移服务的服务质量。基于之前提出的设计原则及相关技术标准，系统可预先设定调整策略，为不同的客户需求设定不同的列车运行调整目标。因此，本模型综合考虑各项指标，基于多目标优化的思想，对各类评价指标对应的目标函数进行加权求和，得到总目标函数，模型考虑的评价指标及对应目标函数如下。

1）终到晚点列车总数。终到晚点列车总数和本调度区域的列车正点率息息相关，体现了本调度区域列车运行图定计划的兑现率，其目标函数见式（10）。

式中：N(i)为满足条件的列车事件i的数量。

2）交出晚点列车总数。交出晚点列车总数可反映本调度台所辖区段的列车运行调整对其他调度台或相邻铁路局的影响，其目标函数见式（11）。

式中：N(i)为满足条件的列车事件i的数量。

3）到站晚点总时间。到站晚点总时间是评价列车运行阶段计划的重要指标。列车晚点总时间越少，意味着宏观上列车旅行速度越快，运输的效率越高，旅客的在途时间越少，其目标函数见式（12）。

综合以上3个方面，总目标函数见式（13），为如上所述3方面目标函数加权之和最小化。

式中：w1，w2与w3分别为目标函数z1，z2与z3的权重。

各项权重可由用户根据自身需要灵活配置，以实现根据不同的客户需求进行列车运行调整。

2.5 模型求解算法

本文建立的列车运行调整模型实际上是1种有约束非线性优化模型，对于该类模型对应相关求解算法的研究已较为成熟。在课题组之前的研究中，基于粒子群的智能优化算法得到了深入研究，该类算法具有一定的并行性且具有较快的收敛速度，适合通过计算机编程实现实时应用。关于该类算法的具体研究可参考课题组既有研究文献[19-21]。

3 案例分析及现场应用

3.1 模型案例分析

使用开发中的智能CTC 系统自动调整原型系统，选取部署智能CTC系统的北京铁路局集团公司所属京张高铁（京包客运专线京张段）调度台中的实际场景作为算例分析。京张高铁连接北京市与河北省张家口市，正线全长174 km，设10 个车站，设计最高车速350 km/h。

模拟常见的因区间封锁需进行列车运行调整的场景，某日在昌平—沙河区间上行线因区间故障导致上行区间封锁，封锁时间为10：20—10：45，10：45 封锁结束后方可自昌平站向上行线发车。该区间封锁直接导致列车G2406，G2482次列车无法按时发车，需进行合理的列车运行调整。对模型设定合适参数后引入该场景，得到模型输出自动调整后的列车运行阶段计划见图5，圆圈内数字代表该节点的晚点时间。

由图5 可知：设置的施工上行封锁导致G2406，G2482次列车无法按时通过昌平站，需通过变到开，于昌平站待避等待10：45封锁结束后方可向上行线发车。因此，G2406 次在昌平站晚点1 min 到达，晚点14 min 发车，沙河站到站晚点16 min，由于二拨子线路所—清河区间运行时分的冗余，在该区间追回2 min的晚点时间，于清河站终到晚点14 min；同样地，G2482次在昌平站晚点1 min到达，晚点16 min发车，沙河站到站晚点18 min。上述2 列车的晚点造成G8812 次列车的连带晚点，该列车于昌平站晚点发车3 min，但由于二拨子线路所—清河区间运行时分的冗余，在该区间追回1 min 的晚点时间于清河站晚点2 min 到达，并于终点站北京北站晚点2 min终到。由于模型设定动车组最小接续时间为20 min，导致与G8812 次接续的下行G8813 次列车始发晚点1 min，并通过压缩在清河站的停站时间恢复正点。上述列车接发车股道均未变化。除上述列车之外，其他列车的运行未受影响。

从算例输出结果可看出，模型能够正确处理列车运行偏离运行图时的列车运行调整场景，利用区间运行时间中的缓冲时间与图定停站时间的冗余时间尽可能追回列车晚点，缩小列车晚点范围；同时模型能够正确处理接发车股道、动车组接续等问题，生成无冲突的列车运行阶段计划供调度员下达。经模型调整后的列车运行阶段计划在保证行车安全的前提下，缩小晚点波及的影响范围，有效控制晚点传播，达到预期效果。

图5 模拟场景自动调整结果Fig.5 Automatic train rescheduling simulation result

3.2 现场应用及未来发展

2018年10月，具有列车运行计划自动调整功能的智能CTC 系统部署于京沈高铁综合试验线路。经现场联调联试实验，系统通过中国铁路总公司组织的专家技术评审。截止到目前，基于本文提出系统结构开发的智能CTC系统已在京张高铁（京包客运专线京张段）、京雄城际、京沈高铁（京哈客运专线京沈段）等高铁线路成功上线运行。

目前，部署该系统的几条线路大多为新开线路，而且一些线路尚未全线贯通，因此这些线路行车密度较低，目前遇到的列车运行调整场景较为简单。未来，在持续验证系统可靠性与稳定性的基础上，将根据实践中出现的新问题、新需求进一步对模型进行优化，更新模型的约束条件及目标函数，并优化模型中的各参数取值，以处理未来高密度行车场景下、跨调度区段场景下的列车运行调整，持续提升高速铁路行车调度指挥的智能化水平。