调度集中系统进路自动排列仿真模型的研究

王 康

高速铁路是我国现阶段基础设施建设的一项重大战略工程，其中调度指挥系统的主要功能是在保障安全的前提下，以高铁列车“按图行车”为目标［1］，实现对高铁运营列车运行的实时监督，有序指挥车站作业。车站进路的自动触发控制是调度指挥系统在控制方面的核心功能［2］，精准而可靠的进路自动控制方法和策略，是调度集中系统保障高铁列车安全、正点、高效、有序运行的关键基础［3］，不但能够极大程度地提升进路选择的可靠性、开放时机的合理性，也能有效降低调度人员的工作强度［4］。本文针对调度集中系统的进路自动控制问题，结合调度指挥系统的业务特征，以提升进路决策的可行性、可靠性和时效性为目标，构建了调度集中系统进路控制模型，并对模型进行了仿真验证。

1 进路控制问题分析

在调度指挥系统中，指挥列车运行的阶段计划和响应的调度命令由调度中心的指挥人员拟定，并由车站工作人员或是调度集中系统执行，实现列车的按计划安全运行［5］。调度集中系统通过对列车阶段计划进行解析，获取列车的时空路径信息，并根据该信息确定其管辖范围内列车在每个车站的接发车作业进路［6-7］和进路的触发开放时机。为保障列车进路能够及时精确地触发开放，需要确定准确无误的列车进路和科学合理的触发时机［8-10］，这也使得进路控制功能成为调度集中系统正常运转的核心功能之一。在实际运营过程中，自动进路控制面临以下问题：

1）列车阶段计划的不确定性导致进路冲突的不确定性。由于运输环境的变化，列车和信号系统内外界因素的随机扰动，以及调度指挥人员的自身经验局限，其所预先制定的阶段计划并不能精确规定列车途经的每个车站的具体作业时间，导致实际阶段计划的可执行性在一定范围内存在较强的不确定性。在这种情况下，传统的依赖于计划顺序结合时间条件或是预先设定的列车运行的绝对位置来自动触发排列列车进路的方法，将会引发列车间对车站进路资源的竞争，在不同程度上干扰车站和列车的正常运营，并大幅降低列车的运行效率。

2）计划和行车环境变化影响自动进路选择的正确性。在突发事件的情况下，由于调度人员工作负荷突然增大，极端条件下会导致部分列车计划变更存在一定的滞后性，若计划涉及到发线的变更，则会导致自动进路系统选取并触发错误的接发车进路，进而会导致列车接入错误的到发线，严重干扰破坏列车运行秩序，并影响旅客的正常乘降，极端情况下会引发人员伤亡的重大安全事故。

3）进路触发时间的不确定性影响正常的行车秩序。进路的触发开放时机也会对列车的正常走行秩序和车站资源的有效利用产生较大影响。较早的进路开放，会过早的占用车站资源，目标作业和车站其他作业会争抢车站内有限的进路资源，严重影响车站作业的能力和效率。而较晚的进路开放则会影响线路中运行的列车，导致列车速度曲线的改变，严重情况下会导致列车的紧急制动，影响行车效率。在高铁列车高速度、高密度的运行情况下，一旦某列车受各种干扰影响出现运行延误，在高铁线路阻塞式的行车特征下，延误的传播会呈现多米诺的传导效应，列车的延误会被放大并辐射传播至相邻的列车和线路，进而进一步加重了列车间对车站和线路运输资源争抢的激烈程度，严重影响正常的列车运行秩序。

因此，在调度中心提前拟定的调度策略和阶段计划的指导下，调度集中系统如果能够综合考虑当前的列车时空分布，及时准确地为目标列车确定和开放相应的作业进路，实现接发车作业进路及时精确的自动触发办理，对提升复杂环境条件下高速铁路行车指挥的安全和效率均具有十分重要的意义。

综合考虑高速铁路自动进路在现场应用中可能出现的问题，结合信号基础理论和方法，构建出了高速铁路进路自动排列仿真模型，并在试验室中进行了仿真验证。该模型先根据高速铁路进路办理的业务流程，结合调度集中系统的采集数据特征，采用关联数据高内聚的方法，实现自动进路系统数据结构和相应关联关系的规范化；再通过对在线列车运营特征的分析，采用计划关联列车、列车位置驱动进路的方式，实现对进路触发位置和时机的动态确定；最后结合列车阶段计划，采用分组命令的方式，实现对列车进路命令组的构造，以及对进路命令执行状态的监测。

2 进路控制模型

2.1 信息采集及数据规范模块

基于调度集中系统的自动进路设置过程，涉及到系统采集到的动态数据和系统本身提供的静态数据。结合列车进路设置的业务流程，从进路设置所涉及数据的内部关系出发，将动态数据和静态数据构造成规范化的数据结构，并建立相应的内部关联关系，使之成为自动进路系统数据和业务逻辑的实现基础。

1）计划序列。采用＜列车、车站、时间＞三元对的方式，对原始计划进行分解重构，并将分解后的计划按车站、线路方向、列车的层次结构依据时间重组计划序列，并结合列车序列中的列车，构建单个计划与在线列车之间的关联关系。

2）列车序列。依据各线别在线列车在区间内和车站内的运行顺序构造的序列，并根据站界的划分以及列车具体的位置，实现列车序列内的列车与计划序列内相关计划的双向关联，实现在线列车与实时阶段计划的映射。

3）拓扑元素。依据车站的拓扑特征，将车站整体按联锁系统的信号分割方式，分解为信号单元拓扑元素（信号机、道岔、股道等）的结合，拓扑元素之间根据物理上的连接关系构造元素之间的关联关系，便于确定计划规定的行车路径上拓扑元素的先后占用关系。

4）进路序列。依据列车和该列车在目标车站对应的阶段计划，构造对应的进路序列。采用进路组的方式进行构造，是因为部分车站拓扑的特殊性以及站细规章的要求（列车进路的排列需要按照一定的顺序，如先排发车进路，再排接车进路），以及整体性要求，如部分进路需要一次性排列完成（存在多个短进路拼接的情况）。采用进路组的方式还便于组内进路的逻辑处理，构造进路与列车以及计划之间的关联关系，便于根据在线列车和计划的动态变化，及时更新进路组。

5）命令序列。将进路组转化为进路命令，仍采用组的方式实现，便于实现进路组与命令组之间的映射关系，并根据进路的状态来更新命令的状态。

2.2 进路触发检测模块

为维护列车的正常运行秩序，提高列车的运行效率，当列车运行到一定位置或是距离列车进站或发车还存在一定时间时，需要适时开通相应的列车进路，保证列车平稳运行，且不会因为进路开放过晚导致列车过早制动，或是晚启动，以及不会因为进路的过早开放导致站内与该进路相关的资源被过早占用，造成站内运输资源及能力的浪费。

由于列车运营过程中，阶段计划会随列车的运营情况不断变动，故采用事件驱动结合周期轮询的方式，来检测列车进路的触发开放时机。首先根据运营状态实现对计划序列和信号元素序列的更新，作为触发检测的环境条件：①根据接收到的阶段计划或信号状态，规范化后更新计划序列；②根据新的计划，更新在线列车序列与计划序列的关联关系；③根据接收到的信号状态，确定信号元素所处位置，若处于区间，则更新拓扑元素的区间信号单元；若处于站内，则更新拓扑元素的站内信号单元。

在获取到调度指挥系统提供的列车状态信息后（主要为当前列车的位置、车次和速度），采用如下步骤实现进路的触发检测。

1）获取全部的在线列车状态。

2）根据列车的位置对列车进行分组。

3）区间列车以下一接入车站为分组单位并按照接发车线别进行分组，即确定每个车站即将接入的列车序列。

4）站内列车依据股道进行分组，且该列车应满足在股道上具备停车作业的需求。这是由于列车在股道停车时存在长时间作业的可能，不应立即开放发车进路，应该依据站细要求并结合计划发车时间，确定发车进路的触发开放时机。

5）当区间列车序列更新后，确定目标车站即将接入的首列列车，动态计算出列车的触发区域。

2.3 进路命令构造模块

进路命令构造模块采用周期性轮询的方式，检查监视列车序列，并根据列车和关联的计划信息构造相应的进路组命令，具体实现步骤如下。

1）从监视列车序列中，获取轮询到的列车状态。

2）获取与目标列车的关联计划信息。

3）若目标列车未生成命令组，则根据计划，按规定的车站作业方式，以及相应的站细，构造进路命令组（如通过列车，则构造包含接车进路指令和发车进路指令的命令组；多个基本进路构成的长进路则构造多个基本进路指令的命令组）。命令组中命令执行的先后顺序和机制以站细和运输细则为准。若目标列车已生成命令组，但存在未执行指令，则根据计划更新命令组中未执行的指令。

4）进路命令监控采用周期性轮询的方式，检查监视列车序列，并根据运营环境中的信号状态和时间实现对进路指令变化状态的设定和处理。

3 仿真验证

为验证自动进路模型的有效性，采用津秦高速铁路唐山站调度集中系统的信号数据和历史运行图数据，构建仿真模拟环境，仿真结果见图1。

图1 G1221次列车阶段计划及自动触发排列的接车进路

采用本模型，能够及时有效地开放自动进路，在很大程度上提高了调度集中系统进路触发的合理性和有效性。

采用该模型构建的调度集中系统自动进路决策仿真系统，能有效降低列车进路误办的几率，提高运营线路的通过能力，保障运输指挥的运营秩序，减少实际运输中进路办理故障对调度员的干扰，优化运营计划和可用资源调度，提升高铁行车指挥系统自动化、智能化程度。

4 结论

本文针对调度集中系统进路控制问题，分析行车阶段计划、列车车次信息、车站区间信息、可用进路和列车位置等进路决策的必要条件，基于进路决策全过程和列车自动进路控制系统功能建立起进路控制模型，提出了模型输入、模型输出和静态配置等阶段信息的配置方法。模型在仿真系统中得到验证，并有效提升了进路控制系统的可靠性。