城市軌道交通運營列車故障影響仿真分析系統(tǒng)

朱琳，吳強，劉志鋼，王華聲，周明

(1.上海工程技術(shù)大學城市軌道交通學院，上海201620;2.上海地鐵第二運營有限公司，上海200063; 3.上海軌道交通運營管理中心，上海200070)

城市軌道交通運營列車故障影響仿真分析系統(tǒng)

朱琳1，吳強2，劉志鋼1，王華聲3，周明3

(1.上海工程技術(shù)大學城市軌道交通學院，上海201620;2.上海地鐵第二運營有限公司，上海200063; 3.上海軌道交通運營管理中心，上海200070)

研究城市軌道交通列車故障影響的分析方法，采用仿真技術(shù)描述故障車、救援車、連掛車、運營車等不同對象運動過程。以上海軌道交通為背景，梳理列車故障處置的一般作業(yè)流程，并將線路運營劃分為正常、故障、救援和恢復(fù)4種狀態(tài);針對列車自動保護ATP系統(tǒng)切斷后連掛車與運營車之間的追蹤運行過程建立模型與算法;在仿真系統(tǒng)中，開放了對故障事件以及救援方案的信息訪問和管理，支持分析不同條件下(如故障處置流程、連掛車運行組織、線路配線設(shè)計等)列車故障對線路運營的影響。建立上海軌道交通8號線列車故障影響仿真分析平臺，實現(xiàn)對某一歷史故障事件的過程模擬，并分析故障地點、連掛車運行速度和退出點對線路“故障”和“救援”階段列車運行的影響，論證了仿真分析系統(tǒng)的有效性。

城市軌道交通;計算機仿真;列車故障;故障狀態(tài);救援狀態(tài);連掛車

1 研究背景

城市軌道交通列車一旦發(fā)生故障中斷運行，會對整條線路乃至全線網(wǎng)的列車運行組織產(chǎn)生影響。需要迅速安排另一輛列車或工程車進行救援作業(yè)，將故障車撤離正線;同時，采取運營調(diào)整措施以恢復(fù)列車運行秩序，并疏導(dǎo)本線及相關(guān)換乘站積壓的客流。因此，城市軌道交通列車故障救援組織優(yōu)化及故障后運營調(diào)整優(yōu)化始終是相關(guān)學者和運營企業(yè)重點關(guān)注的領(lǐng)域之一。針對城市軌道交通列車故障救援組織優(yōu)

化問題，既有文獻研究了故障及救援處置作業(yè)流程［13］、救援行車組織［45］、故障車存放模式［34］、車站配線結(jié)構(gòu)［67］、列車運行間隔［8］等因素對列車故障救援效率及線路運營恢復(fù)造成的影響，并提出了改進措施，對運營企業(yè)的相關(guān)工作具有一定的參考價值。但每條城市軌道交通線路的設(shè)備設(shè)施屬性和運營方案不同，對相同的故障場景要素往往表現(xiàn)出不同的影響結(jié)果，需要探索個性化的、有針對性的故障影響分析方法。

筆者引入仿真思想研究故障影響分析方法，首先以上海城市軌道交通為例，對故障救援過程進行梳理，然后建立故障救援過程中的列車運行模型，再以此為基礎(chǔ)設(shè)計開發(fā)仿真分析系統(tǒng)，最后通過實例驗證系統(tǒng)的有效性。與以往研究不同，系統(tǒng)開放了對線路基礎(chǔ)設(shè)施、車輛、運行圖、故障場景的數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)對故障各影響因素的調(diào)整與分析，同時將故障救援過程中對運營車的扣車處置策略加入仿真模型中，支持分析不同條件下(如故障處置流程、連掛車運行組織、線路配線設(shè)計等)列車故障對線路運營的影響。

2 列車故障救援過程

對于正線運行的列車發(fā)生故障需要救援的情況，一般遵循“順向救援”的原則，即由相鄰后續(xù)列車正向推進故障列車至相應(yīng)的存車線或入庫。針對列車故障救援，盡管軌道交通運營部門對每一項處置作業(yè)有具體的操作要求和操作時間規(guī)定，但在具體的故障事件發(fā)生后，行車調(diào)度仍需根據(jù)實際故障發(fā)生時間、地點、客流等，結(jié)合經(jīng)驗安排救援作業(yè)流程。以上海地鐵為例，若列車在某一車站發(fā)生故障，救援作業(yè)的一般流程如表1所示。與列車在站發(fā)生故障情況不同，若列車在線路區(qū)間發(fā)生故障，在救援作業(yè)流程中一般先安排救援連掛，將故障車推進前方車站后再完成故障車清客作業(yè)。本文主要研究故障事件發(fā)生在車站的情況。

表1 上海地鐵列車在站故障救援作業(yè)一般流程Tab.1 the generalprocess of disposing the train failure that happens in station(w ith Shanghaim etro as the exam p le)

根據(jù)列車是否按圖定計劃運行，線路運營狀態(tài)分為正常狀態(tài)和非正常狀態(tài)。按照計劃運行圖的正常運營為線路的正常狀態(tài)。整個故障救援及運營恢復(fù)過程存在3種非正常運營狀態(tài)，即:故障狀態(tài)、救援狀態(tài)、恢復(fù)狀態(tài)。對照表1，具體說明如下:

1)故障狀態(tài)。對應(yīng)序列1～12，從故障發(fā)生時刻起至救援連掛作業(yè)完成、調(diào)度員發(fā)布動車命令止。整個過程按照規(guī)定的作業(yè)流程執(zhí)行，且每個序列的作業(yè)時間基本為經(jīng)驗值，故障狀態(tài)下的線路處于運營中斷。

2)救援狀態(tài)。對應(yīng)序列13，從救援連掛車動車時刻起，至連掛車運行至指定地點，故障車退出正線。救援狀態(tài)持續(xù)時間長短是個不確定值，與兩個因素密切相關(guān):一是救援連掛車的運行速度，二是救援連掛車退出正線的位置，即救援連掛車的運行距離。

3)恢復(fù)狀態(tài)。對應(yīng)序列14～15，從連掛車退出正線時刻起，至線路運營列車恢復(fù)圖定計劃運行間隔止?；謴?fù)狀態(tài)表明列車故障對線路的直接干擾已經(jīng)結(jié)束，但對運營產(chǎn)生的影響尚未消除，理論上認為直至列車運行恢復(fù)圖定間隔，故障影響結(jié)束，因此，線路“恢復(fù)”時長也不確定。根據(jù)故障車停放模式不同，若連掛列車回庫或進入雙列位的存車線，不安排救援車解鉤投入運營，則序列14的過程不存在。

在列車故障發(fā)生后，為保證相對均衡的行車間隔、降低最大晚點，行車調(diào)度會對救援連掛車前后的運營列車實施扣車，在連掛車動車后，適時啟動并基于合理的追蹤運行規(guī)則逐漸恢復(fù)線路正常運營。針對該過程，建立基于事件的救援處置模型、列車追蹤運行模型，并設(shè)計開發(fā)計算機仿真系統(tǒng)。以下重點描述線路“救援狀態(tài)”下列車追蹤運行模型，在平臺中呈現(xiàn)直接受故障影響圖1所示的4列車(故障車、救援車、故障車前方第一輛運營列車、救援車后方第一輛運營列車)運動過程。

圖1 仿真4列車位置關(guān)系Fig.1 Illustration of location relationship of four simulated trains

3 故障救援過程的列車運行仿真建模

3.1 列車追蹤運行模型

將城市軌道交通列車的運動過程簡化為勻速、加速和減速3種情況，計算位置、速度、加速度3個變量隨時間變化如下所示:

式中，L(ti)、v(ti)、a(ti)分別為ti時刻車輛位置、速度、加速度;Δt為仿真步長。加速度a(ti)與當前速度v (ti)、目標速度v目以及達到目標速度前所允許的行駛距離S有關(guān)。因此，基于初始位置和速度，在路徑引導(dǎo)和速度曲線約束下，列車可以完成后續(xù)移動過程。

1)對救援連掛車的速度設(shè)定。故障處置完成后，救援連掛車接受動車命令并以均勻的速度運行至故障車存車點，退出正線。因此，模型中設(shè)定連掛車的運行速度為定值。

2)對故障車前方第一列運營車的速度設(shè)定。由于列車發(fā)生故障，在故障點處線路運營中斷，為避免前方車站乘客嚴重滯留，行調(diào)將安排前方運營列車在站扣車，列車在區(qū)間的運行速度按圖定執(zhí)行。

3)對救援車后方第一列運營車的速度設(shè)定。在上海軌道交通系統(tǒng)中，列車故障發(fā)生后，將對故障車切除ATP自動保護系統(tǒng)。在列車故障處置完成后，連掛車與后續(xù)第一列車之間采用固定閉塞信號控制方式，按照計軸點將線路劃分為多個區(qū)間。在列車追蹤運行過程中，每個計軸區(qū)間只允許被1列車占用，前后兩列車之間必須至少間隔1個計軸區(qū)間。因此，當運營車與連掛車之間只有1個區(qū)間間隔時，則運營列車的目標速度如圖2所示。

圖2 后續(xù)列車運行目標速度(情況1)Fig.2 The target speed curve of the following train(case 1)

當運營車與連掛車之間間隔多個計軸區(qū)間時，且兩列車在同一個站間區(qū)間運行，則運營列車的目標速度如圖3所示。圖中設(shè)定每個計軸區(qū)間的限速不同。

圖3 后續(xù)列車運行目標速度(情況2)ig.3 The target speed curve of the following train(case 2)

當運營車與連掛車之間間隔多個計軸區(qū)間時，且兩列車在不同站間區(qū)間運行，則運營列車的目標速度如圖4所示，同樣設(shè)定每個計軸區(qū)間的限速不同。

圖4 后續(xù)列車運行目標速度(情況3)Fig.4 The target speed curve of the following train(case 3)

3.2 故障后運營車扣車規(guī)則

在故障、救援及運營恢復(fù)過程中，為盡可能均衡各車站的乘客候車時間，行調(diào)會采取措施均衡列車之間的運行間隔，因此，針對連掛車的前、后方運營列車設(shè)定相應(yīng)的扣車規(guī)則。

1)連掛車動車后，在列車運行過程中，后方第一輛運營列車與連掛車之間必須保證至少1個計軸區(qū)間，否則制動、扣車。

2)在故障及救援狀態(tài)下，當實施救援處置或動車后不滿足追蹤間隔，后方第1輛運營列車在連掛車后方第4個車站扣車等待。

3)在故障及救援狀態(tài)下，若前方第1輛運營列車與連掛車之間間隔超過2個站間區(qū)間，前方運營列車依次扣車等待。

3.3 故障條件下列車運行仿真算法

基于上文所述列車追蹤運行速度約束和扣車規(guī)則，設(shè)計相應(yīng)的迭代算法，實現(xiàn)流程如圖5所示。

4 列車故障影響分析仿真系統(tǒng)

4.1 基礎(chǔ)設(shè)施管理

基礎(chǔ)設(shè)施管理是對線路的相關(guān)信息進行管理。線路信息包括線路拓撲結(jié)構(gòu)(特征點、線段)、計軸區(qū)間、道岔、配線、路徑、信號機、車站等。系統(tǒng)中的線路采用拓撲結(jié)構(gòu)圖進行描述。節(jié)點包括軌道端點、道岔中心點、計軸點。沿線路中心線方向的線段按實際里程等比例縮小，其他線段根據(jù)需要確定顯示長度。

4.2 車輛管理

車輛管理是對擔當列車任務(wù)的車輛的相關(guān)信息進行管理，具體包括車底管理、加減速性能管理等。在仿真的可視化界面中，將固定編組數(shù)量的列車作為單一對象對待。

圖5 列車運行迭代算法Fig.5 Iterative algorithm of the train operation

4.3 運行圖管理

運行圖管理是對列車運行圖的相關(guān)計劃和實際數(shù)據(jù)信息進行管理，具體包括運行圖標尺方案管理、停站方案管理、車底交路方案管理、車底分配方案管理、實際運行圖評價管理等。這里的實際列車運行圖是指運營過程中實際產(chǎn)生的數(shù)據(jù)或列車運行仿真產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

4.4 故障場景管理

基于事件的車輛故障事件及救援方案管理，是對運營過程中實際發(fā)生的及仿真過程中虛擬的車輛故障事件、救援方案進行數(shù)字化管理，描述故障事件的關(guān)鍵屬性如表2所示。在現(xiàn)階段所設(shè)計仿真系統(tǒng)中，主要對在車站發(fā)生的故障進行仿真研究。在系統(tǒng)中可對車輛故障事件及救援方案進行增加、刪除、修改、查詢等操作，通過對故障及其各相關(guān)因素的管理，實現(xiàn)不同仿真方案的模擬，繼而分析各因素對故障處置、救援及運營恢復(fù)的影響。

表2 8號線故障事件的關(guān)鍵屬性信息Tab.2 The key attribute values of the failure incident happened on Line 8

4.5 列車運行仿真

列車運行仿真是對列車運行過程進行可視化仿真。仿真界面包括3個部分:仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)定和結(jié)果指標顯示部分、列車運行過程可視化、運行圖同步鋪畫。其中，仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)定和結(jié)果指標顯示部分，可對基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備、故障場景信息進行設(shè)定，并查看故障對運營的影響評價指標。

5 仿真應(yīng)用

建立上海軌道交通8號線列車故障影響仿真分析平臺，界面如圖6所示。在平臺中對故障車、救援車、前方第1輛運營列車、后方第1輛運營列車的運行過程進行推演模擬，列車位置關(guān)系如圖1所示。同時，以2012年6月上海地鐵8號線黃興路站上行方向發(fā)生的一起列車故障事件為背景，進行案例應(yīng)用及分析。在仿真系統(tǒng)中對該故障事件關(guān)鍵要素的描述數(shù)據(jù)源自“運營事故調(diào)查處理報告”匯總整理。除模擬再現(xiàn)了該故障事件處置及運營恢復(fù)情況，還通過對故障屬性調(diào)整實現(xiàn)故障場景管理，分析了不同因素對線路故障和救援階段列車運行產(chǎn)生的影響。

圖6 8號線列車故障影響仿真分析平臺界面Fig.6 Simulation interface for analyzing impacts of the train fault on Line 8

1)故障發(fā)生地點的影響分析:將該事件中的列車故障發(fā)生地點調(diào)整到大世界上行方向，對應(yīng)表2中FLoc設(shè)定為16(大世界車站ID)。在不改變表中其他故障事件屬性信息的情況下，分析列車故障發(fā)生后線路處于“故障狀態(tài)”、“救援狀態(tài)”時4列車的運行情況，對輸出運行圖及運營指標并同原事件做對比，如圖7所示。結(jié)果表明，故障發(fā)生地點不同，救援持續(xù)的時長不同，最大晚點基本相同。分析指標獲取方法，前者與救援連掛車退出正線前的運行距離和運行時間相關(guān)，后者主要與“故障狀態(tài)”的持續(xù)時長相關(guān)。

圖7 仿真輸出4列車運行圖(變更故障發(fā)生地點)Fig.7 Diagrams of the four simulated trains (different locations of failures)

2)救援連掛車退出地點的影響分析:將該事件中的救援連掛車退出點變更為東方體育中心處存車線，簡化對應(yīng)表2中Quit_LocID設(shè)定為24(東方體育中心站ID)。在不改變表中其他故障事件屬性信息的情況下，仿真、輸出運行圖及運營指標并同原事件做對比，如圖8所示。結(jié)果表明，退出點越遠，連掛車運行距離越長，后續(xù)運營列車一方面為了盡快恢復(fù)正常運行會加強追蹤過程、縮短追蹤間距，另一方面為了與連掛車保持安全間距，需要多次扣車等待。

3)救援連掛車運行速度的影響分析:將該事件中的救援連掛車運行速度變更為20 km/h，對應(yīng)表2中的A_LSpeed為20。在不改變表中其他故障事件屬性信息的情況下，仿真、輸出運行圖及運營指標并同原事件做對比，如圖9所示。

圖8 仿真4列車運行圖(變更救援連掛車退出點)Fig.8 Diagrams of the four simulated trains (different exit locations of the articulated train)

圖9 仿真4列車運行圖(變更救援連掛車運行速度)Fig.9 Diagrams of the four simulated trains (different running speeds of the articulated train)

結(jié)果表明，連掛車運行速度越小，“救援狀態(tài)”持續(xù)越長，后續(xù)運營列車在車站扣車等待的次數(shù)和時長都會增加;連掛車與前方運營列車間距在逐漸拉大，導(dǎo)致前方列車為了減小最大晚點，也需多次實施扣車。

基于上海地鐵8號線的案例應(yīng)用，表明利用所構(gòu)建的仿真系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對線路故障處置、救援及恢復(fù)過程的模擬，輸出不同列車的運行軌跡，實現(xiàn)不同要素對列車故障影響的分析。由此論證了該仿真分析系統(tǒng)的有效性和應(yīng)用性。

需要說明的是:由于目前各地鐵系統(tǒng)對于故障救援處置采取規(guī)范化的標準操作，因此，目前可控的救援處置因素主要是連掛車運行速度、退出方式。在線路條件允許的條件下，適當提高連掛車的運行速度，將救援連掛車退回存車線，對線路的運營影響更小，因此對于既有線路，為盡快恢復(fù)運營，可考慮就近將故障車停放于存車線，在適當條件下(如平峰運營間隔大)還可恢復(fù)救援車進入正線運營;對于新規(guī)劃線路，可通過本仿真系統(tǒng)進行存車線設(shè)計的優(yōu)化分析。而救援連掛車運行速度的合理確定，因涉及線路技術(shù)條件及安全問題，需進一步進行多次試驗分析與論證。

6 結(jié)論

論文以城市軌道交通列車故障影響分析為研究主題，采用仿真技術(shù)呈現(xiàn)了故障車、救援車、連掛車、運營車等不同對象的相互關(guān)系及運動過程。

在運行算法方面，重點針對ATP切斷后連掛車與運營車之間的追蹤運行過程建立模型與算法;在仿真系統(tǒng)中，除對線路、車輛、運行圖等信息管理外，系統(tǒng)開放了對故障事件以及救援方案的信息訪問和管理，可實現(xiàn)對故障發(fā)生、故障處置、救援、恢復(fù)等過程中的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置與修改，支持分析不同條件下(如故障處置流程、連掛車運行組織、線路配線設(shè)計等)列車故障對線路運營的影響，并重點對線路“故障狀態(tài)”、“救援狀態(tài)”下的列車運行過程進行模擬。系統(tǒng)可為城市軌道交通運營企業(yè)在列車運行故障場景下的相關(guān)工作提供有效決策支持。

在本文研究成果基礎(chǔ)上，為更加全面貼近運營企業(yè)需求，后續(xù)將拓展到全線所有列車的運行過程模擬，加入故障救援過程中的作業(yè)流程優(yōu)化，分析線路結(jié)構(gòu)、調(diào)度方案對運營恢復(fù)的影響。

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(編輯:郝京紅)

Simulation and Analysis System for the Impact of Metro Train Faults on Operations

ZHU Lin1，WU Qiang2，LIU Zhigang1，WANG Huasheng3，ZHOU Ming3
(1.College of Urban Railway Transportation，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai201620; 2.Second Branch，Shanghai Metro Operation Co.，Ltd.，Shanghai200063; 3.Shanghai Metro Operation Management Center，Shanghai200070)

Focusing on themethod for analyzing impacts ofmetro train faults on operations，the simulation technology is used to describemoving processes of the disabled train，the rescue train，the articulated train，and the normal operation train.Taking Shanghai metro operation as the background，the paper firstmakes a review of the general process of disposing the train failure，and classifies the line operation conditions into four categories，i.e.，normal operation state，train failure state，rescue state，and recovery state.Then，the paper builds the calculationmodel and algorithm formovements of the articulated train and the normal operation train after cutting off the automatic train protection(ATP).For the developed simulation system，it opens the access and management of the failure event and rescue program information，which helps to analyze the impacts of train failure on the line operation under different factors，such as faults disposal processes，operation of the articulated train，setting of the packing tracks for the disabled train，etc.Finally，using the simulation and analysis system for the Line8 of Shanghai rail transit，the paper simulates the processof a historical train failure and rescue event，and assesses the impactsof the faults location，the running speed of the articulated train，and the packing tracks for the disabled train on train operations.The case study demonstrates the applicability and validity of the impact analysis system.

urban rail transit;computer simulation;metro train fault;failure state;rescue state;articulated train

U231

A

1672- 6073(2017)02- 0113- 07

10.3969/j.issn.1672 6073.2017.02.023

2016- 07 26

2016 11 15

朱琳，女，博士，講師，從事城市軌道交通運營管理理論、方法與應(yīng)用研究，10140001@sues.edu.cn

“十三五”國家重點研發(fā)計劃子課題(2016YFC0802505);上海工程技術(shù)大學科研啟動基金項目(2015 72)