高速铁路行车组织地震预警 处置策略研究

刘明端，尚麟宇，冯 康

（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.中铁第四勘察设计院集团

有限公司 通信信号研究设计院，湖北 武汉 430063)

0 引言

我国分布着23条地震断裂带，随着我国高速铁路路网的不断扩大，高速铁路线路不可避免地临近或跨越地震断裂带，地震对高速铁路行车安全的威胁日趋严重[1]。为此，2012年原铁道部联合中国地震局共同开展了地震预警攻关，突破了P波预警技术，研发了成套高速铁路地震预警系统，大大提升了防震减灾能力和安全运营水平。高速铁路地震预警系统实现了地震影响范围内的分级控车[2]，其中Ⅰ级处置区域内的列车限速运行，Ⅱ级和Ⅲ级处置区域内的列车紧急制动，而对于地震影响范围外的列车目前只能依据《高速铁路基础设施地震震后应急处置暂行规定》(TG/GW2327-2019)，由调度员人工确定地震影响区段及行车限制条件组织行车。但是，调度员人工处置方式准确性和时效性较低，变相增加了受地震影响的范围，导致原本可正常运营的列车停运[3]；而对于还未进入地震影响范围的列车，该处置方式会错失疏散乘客的机会，增加恢复行车组织的难度[3]。为此，结合高速铁路地震预警系统的技术特点和高速铁路运营的实际需求，宏观考虑地震发生后整条线路和相邻线路列车的运行，提出一种较为全面和高效的地震预警处置策略，并通过编程对策略进行仿真验证。

1 高速铁路地震预警处置策略构建

高速铁路地震预警系统具备P波预警和阈值报警功能，通过车载地震紧急处置装置对列车限速或紧急制动，并可联动触发列控系统和牵引供电系统，实现了对地震影响范围内列车快速、准确的处置。为了完善对地震灾害的应急响应，进一步降低地震对高速铁路的影响，需要在高速铁路地震预警系统的处置模式之上增加对地震影响范围外列车的处置，构建更为全面的一体化处置策略。

1.1 高速铁路震后列车运行规则

铁路运输的本质是列车通过对线路和车站资源的协调占用，在规定时间内完成货物或旅客位移的过程[4]，地震影响范围内的列车降速或停车必然影响地震影响范围外的列车运行。为此，提出以下基于列车运行图的震后列车运行规则[5]，作为构建高速铁路地震预警处置策略的基本约束条件。

规则1：受影响线路上驶离地震影响范围的列车按计划运行。规则1示意图如图1所示，图1中上行列车t2和下行列车t1在震后可按计划运行。

图1 规则1示意图Fig.1 Rule 1

规则2：受影响线路上驶向地震影响范围的列车就近停靠车站。规则2示意图如图2所示，图2中上行列车t2停靠在车站Sd+1，下行列车t1停靠在车站Sd。

图2 规则2示意图Fig.2 Rule 2

规则3：还未进入受影响线路的跨线运行车次，计划不会进入地震影响范围的列车可按计划运行。规则3示意图如图3所示，图3中上行列车t2和下行列车t1可按计划运行。

图3 规则3示意图Fig.3 Rule 3

规则4：还未进入受影响线路的跨线运行车次，计划会进入地震影响范围的列车，可运行至未受影响线路上的最后一个计划车站停靠。规则4示意图如图4所示，图4中上行列车t2可停靠在未受影响线路的车站Si，下行列车t1可停靠在未受影响线路的车站Sj。

规则5：车站到发线数量不能满足上述规则的列车停靠时，可使长期停靠的车次变更停靠车站，或使正常运行的车次甩站通过。当车站有动车段/所的时候认为该车站可停靠的车次不受到发线数量限制。

1.2 高速铁路地震预警处置策略构建

将震后列车运行规则中的列车运行图数据、地震影响范围、车站到发线数量等基础数据转化为数学模型，根据地震和铁路运营的特点将运行规则整合成具备先后顺序的逻辑关系并进行数学表达，最终形成可输出的列车停靠处置策略[6]。地震预警处置流程图如图5所示。

图5 地震预警处置流程图Fig.5 Flow chart of disposal of earthquake early warning

高速铁路地震预警处置策略构建步骤如下。

（1）创建车次集合和对应的到达车站集合。以集合D= {dt1，dt2，…，dtn}表示列车运行图，dti为某次列车的时刻表。当地震发生后会产生发震时刻和地震动数据，将发震时刻代入列车运行图D可以得到地震发生时所有在线路运行的车次集合T= {t1，t2，…，tn}，以及每一个车次ti在地震发生后的计划到达车站集合Sti= {Sti1，Sti2，…，Sti n}。

（2）创建各条线路的地震影响范围集合。根据地震动数据，高速铁路地震预警系统会产生用公里标表示的地震影响范围，该范围可能涉及多条线路，以集合L= {(Kstart，Kend)l1，(Kstart，Kend)l2，…，(Kstart，Kend)ln}表示。

（3）策略1：按原计划运行。依次判断集合Sti与地震影响范围L是否存在交集，若Sti∩L=φ，则表明该车次不经过地震影响区域，可以按原运行图运行。

（4）策略2：运行至受影响线路之前的最后一站。若Sti∩L≠φ，则表明该车次将经过地震影响区域，需继续判断该车次在地震发生时是否在受影响的线路上运行。若地震发生时列车所在的公里标Kt∉L，则该车次ti可运行至受影响线路之前的最后一站Slast。

（5）策略3：就近车站停靠。若Kt∈L，则需继续判断该车次ti的就近车站Sn能否容纳列车停靠。当Sn的到发线数量CSn≥1，ti可在Sn停靠。

（6）策略4：至具备条件的车站停靠。当Sn的到发线数量CSn< 1，则需循环判断下一站(Sn+1，Sn+2，…，Sn+i)是否进入地震影响范围，以及对应车站的到发线数量CSn+i是否大于1。当ti在进入地震影响范围前存在可停靠的车站，则其最终处置命令为停靠在Sn+i车站。

（7）策略5：反向运行至具备条件的车站停靠。若直至进入地震范围前都没有车站可容纳该车次停靠，则令该车次在车站反方向运行，直至CSn-i≥1，则其最终处置命令为停靠在Sn-i车站。

整合上述表达式和逻辑关系为不等式约束集(1)，其中集合D，T，S，L为公式的输入，oi为不同情况下输出的处置策略。

2 实例验证

为验证高速铁路地震预警处置策略的效果，通过编程建立仿真模型，并选取京沪高速铁路(北京南—上海虹桥) 2019年运行图数据进行实例仿真验证。

2.1 仿真模型构建

通过JAVA编程构建高速铁路地震预警处置策略仿真模型如图6所示[7]，实现的主要步骤如下。

（1）将高速铁路地震预警系统处置算法移植至仿真程序，实现输入地震的震源经纬度、震级计算地震影响范围。

（2）通过jxl类库实现基础数据的读取，将文件中的列车运行图、车站到发线和线路信息，转化为模型可识别的数组。

（3）根据地震预警处置流程编写处置策略模型的逻辑处理算法。

（4）将地震影响范围、基础数据等数据源输入到处置策略算法，对仿真的输入进行逻辑运算和动态仿真，并输出最终的处置策略。

图6 高速铁路地震预警处置策略仿真模型Fig.6 Simulation model for the disposal strategy of earthquake early warning for high speed railways

2.2 数据验证

（1）创建车次集合和对应的到达车站集合。本次数据共包括下行249个车次、上行240个车次(含跨线车次)，对上下行车次的运营时间进行统计，可以得到京沪高速铁路不同时刻列车数量如图7所示。为充分验证模型的效果，选取线路上列车最多的13 : 00作为仿真的地震发生时刻。此时京沪高速铁路上有上行列车51列、下行列车56列，共107个车次，以及156个将要进入京沪高速铁路运行的跨线车次，此即为车次集合T。循环对每个车次的计划到站进行选取，可以得到车站集合Sti。

（2）创建各条线路的地震影响范围集合。由运行图数据可知，地震发生时，下行的56个车次中有12个车次在站内停靠，其余车次在线路区间分布，地震发生时刻下行列车分布如图8所示；上行的51个车次中有10个车次在站内停靠，其余车次在线路区间分布，地震发生时刻上行列车分布如图9所示。京沪高速铁路车站存车能力如表1所示。

由上述图表可知，地震发生时列车在北京南—泰安段相对更为密集，综合对存车能力的考虑，当地震影响范围为京沪高速铁路的K280至K340 (沧州西—济南西之间)，可以对处置策略进行最为有效的验证[8]，此即为地震的影响范围集合L。

图7 京沪高速铁路不同时刻列车数量Fig.7 Train number on the Beijing-Shanghai high speed railway at different moments

图8 地震发生时刻下行列车分布Fig.8 Down-train distribution at the onset of an earthquake

图9 地震发生时刻上行列车分布Fig.9 Up-train distribution at the onset of an earthquake

（3）策略1：按原计划运行。循环判断所有线上运行车次的计划到站Sti是否有在K280至K340之间的车站，可以得到151个车次在地震发生后将不会经过地震影响范围，其中有47个车次正在京沪高速铁路上运行，104个车次尚未进入京沪高速铁路，该批车次将按照原运营计划运行。

（4）策略2：运行至受影响线路之前的最后一站。对地震发生时尚未进入京沪高速铁路的156个跨线车次的计划到站Sti与地震影响范围L进行比对，可以得到计划进入受地震影响范围，可运行至进入京沪高速铁路前最后一个计划车站的52个车次。

（5）策略3：就近车站停靠。对于正在京沪高速铁路上运行的计划经过地震影响范围的27个车次，按照列车与地震影响范围之间由近及远的顺序，依次对车站的容纳能力进行判断，可以得到就近停靠车站的24个车次。

表1 京沪高速铁路车站存车能力 条Tab.1 Storage capacity of stations on the Beijing-Shanghai high speed railway

（6）策略4：至具备条件的车站停靠。接上一步，对于无法就近停靠的3个车次，判断其后续停靠车站的容纳能力，可知3个车次均可以向后运行一站进行停靠。

综上所述，假设13 : 00发生地震，地震影响范围在京沪高速铁路沧州西—济南西之间，此时全路网运行的车次中有263个车次的运营计划与本次地震有关。其中，地震影响范围内的11个车次受高速铁路地震预警系统控制，有22个车次在地震发生时正在站内停靠，其余的230个车次若采取本文的处置策略，驶离地震影响范围可保持计划运行的车次151个，计划进入受地震影响范围可运行至进入京沪高速铁路前最后一个计划车站的车次52个，可就近停靠车站的车次24个，需跨越一个车站停至下一车站的车次3个。

3 结束语

研究针对地震影响范围外列车精准处置、优化运行的需求，提出一种补充高速铁路地震预警系统处置方式的处置策略，并通过编程对处置策略进行建模仿真。通过京沪高速铁路实例验证表明，该处置策略可以根据车站容纳能力确定地震影响范围外列车的震后行车方案，兼顾地震灾害发生后列车的安全和运行效率，减少地震对影响范围外列车的运行，具有一定的应用价值。下一步将对该处置策略的响应时间、传输时延、模型有效性等进行深入分析，为其嵌入高速铁路地震预警系统提供数据支撑和理论依据。