高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試單列綜合檢測列車逐級提速計(jì)劃制訂方法研究

白 鑫

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081)

0 引言

綜合檢測列車逐級提速過程作為高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試項(xiàng)目中重要環(huán)節(jié),其計(jì)劃制訂在很大程度上影響聯(lián)調(diào)聯(lián)試項(xiàng)目總用時(shí)。因此,研究聯(lián)調(diào)聯(lián)試逐級提速計(jì)劃制訂,縮短聯(lián)調(diào)聯(lián)試工期,確保按時(shí)、高效地完成聯(lián)調(diào)聯(lián)試項(xiàng)目。

在高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試?yán)碚撗芯糠矫?王瀾[1]將整體論與還原論的辯證統(tǒng)一方法、從定性到定量的綜合集成法、基于WSR方法論的系統(tǒng)綜合評價(jià)方法等應(yīng)用到高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試工程實(shí)踐之中；康熊等[2-3]分析高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試及運(yùn)行試驗(yàn)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系,研究部分評價(jià)指標(biāo)的選取規(guī)則,對聯(lián)調(diào)聯(lián)試和試驗(yàn)研究取得的主要成果進(jìn)行了系統(tǒng)性提煉和歸納；魏亞輝等[4]提出高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試組織管理標(biāo)準(zhǔn)化對策；王峰[5]在分析聯(lián)調(diào)聯(lián)試在國內(nèi)外理論研究和實(shí)踐現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,結(jié)合中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司(原上海鐵路局)的工作實(shí)踐,探討我國高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試存在問題和研究方向；白鑫[6]結(jié)合滬寧城際高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試及運(yùn)行試驗(yàn)的主要內(nèi)容及實(shí)施過程,分析我國高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試及運(yùn)行試驗(yàn)理論和技術(shù)體系；趙磊[7]結(jié)合鄭西高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試的特點(diǎn)及作用,為高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試提供啟示；喬燦立[8]探討鄭開城際鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試與動(dòng)態(tài)檢測,以及由此引起的京廣高速鐵路、鄭西高速鐵路互聯(lián)互通、信號系統(tǒng)升級等工作。由此可見,既有研究主要為運(yùn)營階段運(yùn)輸組織方案的研究[9],較少對聯(lián)調(diào)聯(lián)試逐級提速計(jì)劃制訂進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究。

高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試逐級提速一般包括單列綜合檢測列車測試、重聯(lián)動(dòng)車組測試、道岔側(cè)向通過測試等階段,涉及運(yùn)輸組織、車輛維修、測試安排等多項(xiàng)內(nèi)容。由于運(yùn)輸組織、車輛維修等受測試單位人員配置、移動(dòng)裝備檢修能力等多方面外部條件制約,研究僅對單列綜合檢測列車逐級提速計(jì)劃制訂方法進(jìn)行探討。目前在制訂逐級提速測試總體計(jì)劃中,主要采用確保項(xiàng)目總進(jìn)度前提下的宏觀計(jì)劃制訂方法。該方法主要靠人工完成,效率較低,并且易受限于具體制訂人的經(jīng)驗(yàn),存在一定的隨機(jī)性和時(shí)間冗余。為此,結(jié)合高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試逐級提速特點(diǎn),建立基于離散事件的逐級提速計(jì)劃制訂模型,提出相應(yīng)的動(dòng)態(tài)演化算法,通過實(shí)例對模型和算法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證,同時(shí)分析不同參數(shù)變化對提速計(jì)劃制訂的影響,以期提供相對更加科學(xué)有效的計(jì)劃制訂方法。

1 高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試單列綜合檢測列車逐級提速計(jì)劃制訂方法

1.1 基于離散事件的逐級提速計(jì)劃制訂模型構(gòu)建

動(dòng)車組正線逐級提速是通過測試使動(dòng)車組運(yùn)行速度從最低等級逐步提升到最高等級的過程,測試過程中不能跨級提速,并且每個(gè)速度級需要進(jìn)行多個(gè)往返試驗(yàn),確保安全無誤后按要求進(jìn)行提速。

單列綜合檢測列車正線逐級提速聯(lián)調(diào)聯(lián)試由測試和調(diào)整2個(gè)部分組成,當(dāng)測試過程中發(fā)現(xiàn)高速鐵路的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況與設(shè)計(jì)功能存在差異,即發(fā)現(xiàn)一定數(shù)量的疑似缺陷,就需要開展調(diào)整并消除缺陷工作。如果將每個(gè)單程運(yùn)行檢測看成一項(xiàng)獨(dú)立的離散事件,并且每個(gè)單程測試有開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間及持續(xù)時(shí)間,則單列綜合檢測列車正線逐級提速測試過程可視為由一系列離散事件組成的進(jìn)程。記K為測試單程總數(shù)；分別為第k個(gè)事件開始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻；Tk為第k個(gè)事件中正常檢測持續(xù)時(shí)間；Rk為第k個(gè)事件由于當(dāng)前累計(jì)缺陷點(diǎn)引起的晚點(diǎn)時(shí)間；α為檢測動(dòng)車組中轉(zhuǎn)時(shí)間。逐級提速進(jìn)程示意圖如圖1所示。

圖1 逐級提速進(jìn)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of gradual speed increase process

圖1對單程測試及他們之間的邏輯關(guān)系進(jìn)行了描述[10-11]。由于逐級提速中工程缺陷點(diǎn)的整修一般在天窗時(shí)間進(jìn)行,可不考慮維修時(shí)間對進(jìn)程的影響,只有當(dāng)工程缺陷點(diǎn)累計(jì)到一定程度時(shí),才進(jìn)行停輪集中整治。因此,每個(gè)單程運(yùn)行測試的結(jié)束時(shí)間由該單程測試的開始時(shí)間、列車在區(qū)間的正常檢測運(yùn)行時(shí)間及由缺陷點(diǎn)造成的限速晚點(diǎn)時(shí)間決定,而2個(gè)相鄰單程測試之間的銜接通過動(dòng)車組中轉(zhuǎn)時(shí)間銜接?？紤]線路相關(guān)管理部門缺陷點(diǎn)整修能力及次日起始檢測速度不應(yīng)高于前日最高檢測速度的準(zhǔn)則,計(jì)算從第一個(gè)單程測試開始到最后一個(gè)單程測試結(jié)束的用時(shí)天數(shù),最終得到逐級提速用時(shí)總天數(shù)及每日詳細(xì)工作計(jì)劃,其中,每日詳細(xì)工作計(jì)劃包括檢測單程次數(shù)、每趟單程開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間及相應(yīng)運(yùn)行速度級。

第k個(gè)事件結(jié)束時(shí)間等于該事件的開始時(shí)刻與該事件正常檢測時(shí)間和當(dāng)前累計(jì)缺陷點(diǎn)引起的晚點(diǎn)時(shí)間之和,可以表示為

式中：δ為單個(gè)缺陷點(diǎn)引起列車限速導(dǎo)致的晚點(diǎn)時(shí)間；為當(dāng)前缺陷點(diǎn)的累計(jì)個(gè)數(shù)；L為檢測線路總長度；Vi為第i個(gè)測試速度級的測試速度；t起停附加時(shí)分為列車起停附加時(shí)間；I為逐級提速測試中的速度級數(shù)。

第k+ 1個(gè)事件開始時(shí)刻的取值可表示為

式中：τmax為每天最大工作時(shí)長。

動(dòng)車組逐級提速測試用時(shí)天數(shù)D取決于第k個(gè)事件結(jié)束時(shí)刻加上中轉(zhuǎn)時(shí)間、下一個(gè)事件的正常運(yùn)行和晚點(diǎn)時(shí)間之和是否大于當(dāng)日最大工作時(shí)長,若達(dá)到閾值時(shí),停輪一天檢修。動(dòng)車組逐級提速測試用時(shí)天數(shù)可表示為

式中：D為動(dòng)車組逐級提速測試用時(shí)天數(shù)；No為停輪整治閾值,即當(dāng)線路缺陷點(diǎn)個(gè)數(shù)累計(jì)到一定數(shù)目時(shí),需停輪整治,不同線路長度,停輪整治閾值不同。

公式⑶中,缺陷點(diǎn)數(shù)隨著事件進(jìn)程的更新而動(dòng)態(tài)變化。當(dāng)前缺陷點(diǎn)的個(gè)數(shù)取決于第k個(gè)事件結(jié)束時(shí)刻加上中轉(zhuǎn)時(shí)間、下一個(gè)事件的正常運(yùn)行和晚點(diǎn)時(shí)間之和是否大于當(dāng)日最大工作時(shí)長,以及是否達(dá)到閾值。如果當(dāng)前缺陷點(diǎn)數(shù)達(dá)到閾值時(shí),停輪一天檢修,通過2個(gè)天窗時(shí)間和白天的檢修,缺陷點(diǎn)減少到缺陷點(diǎn)數(shù)可以表示為

式中：N為單趟行程檢測到的缺陷點(diǎn)數(shù)；Co為線路管理者每個(gè)天窗維修能力,用可處理缺陷點(diǎn)的個(gè)數(shù)表示；C1為線路管理者單個(gè)白天維修能力,用可處理缺陷點(diǎn)的個(gè)數(shù)表示；N vi為第i個(gè)測試速度級線路缺陷點(diǎn)可能個(gè)數(shù)；為第i個(gè)測試速度級下,第n趟單程中可測出的檢測能力,即累計(jì)缺陷點(diǎn)數(shù)占該速度級下總?cè)毕輸?shù)的百分比,由于在每個(gè)速度級下,一般通過2個(gè)往返便可檢測出該速度級下的所有可能缺陷點(diǎn)數(shù),經(jīng)測算,取

1.2 動(dòng)態(tài)演化算法設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種動(dòng)態(tài)演化算法對基于離散事件的逐級提速計(jì)劃制訂模型進(jìn)行求解,過程如下。

（1）初始化。輸入已知參數(shù),包括測試單程總數(shù)K(離散事件總數(shù))、逐級提速測試中速度級數(shù)I、每個(gè)事件正常檢測運(yùn)行時(shí)間Tk、單個(gè)缺陷點(diǎn)引起的列車晚點(diǎn)時(shí)間δ、不同速度級線路缺陷個(gè)數(shù)線路管理者每個(gè)天窗點(diǎn)修復(fù)個(gè)數(shù)Co、停輪檢修閾值No、檢測動(dòng)車組中轉(zhuǎn)時(shí)間α和每日最大工作時(shí)長τmax等。

（2）重置變量。設(shè)D= 1,k= 1,

（3）根據(jù)公式⑷,計(jì)算當(dāng)前缺陷點(diǎn)數(shù)N~；根據(jù)公式⑴,計(jì)算第k個(gè)事件結(jié)束時(shí)刻判定當(dāng)前事件結(jié)束時(shí)刻加上后一個(gè)事件用時(shí)是否大于每日最大工作時(shí)長。

（5）由公式⑶計(jì)算用時(shí)天數(shù)D,如果那么否則D=D+ 1。

（6）根據(jù)公式⑵判定第k和k+12個(gè)事件對應(yīng)的速度級是否相同,如果k,k+1∈Vi,那么第k+1個(gè)事件開始時(shí)刻為次日時(shí)刻0,即否則

（7）令k=k+1,如果k＞K,跳出循環(huán),程序終止,輸出運(yùn)算結(jié)果D；否則轉(zhuǎn)入步驟(2)繼續(xù)運(yùn)算。

根據(jù)上述動(dòng)態(tài)演化算法的運(yùn)算過程,制訂相應(yīng)的動(dòng)態(tài)演化算法流程圖如圖2所示。聯(lián)試逐級提速實(shí)際所用天數(shù)為17 d,其中停輪檢修天數(shù)為6 d (包含全線工程整治及遺留問題整改3 d)。排除全線工程整治及遺留問題整改的天數(shù)影響,實(shí)際逐級提速時(shí)間應(yīng)為14 d,其中因缺陷點(diǎn)數(shù)達(dá)到閾值停輪檢修天數(shù)為3 d。綜上所述,采用所述方法的逐級提速計(jì)劃制訂結(jié)果較貼近實(shí)際用時(shí)天數(shù),驗(yàn)證了該方法的有效性。

以線路管理者每個(gè)天窗維修能力Co和第i個(gè)測試速度級線路缺陷點(diǎn)可能個(gè)數(shù)N vi作為研究重點(diǎn),分析不同參數(shù)變化對逐級提速計(jì)劃的影響。

（1）只考慮線路管理者每個(gè)天窗維修能力Co的情況下(其他參數(shù)不變),Co對逐級提速計(jì)劃的影響示意圖如圖4所示。

2 實(shí)例分析

圖2 動(dòng)態(tài)演化算法流程圖Fig.2 Flow chart of dynamic evolutionary algorithm

從圖4中可以看出,隨著參數(shù)Co的增大,總

以長昆客運(yùn)專線(長沙—昆明)富源北至昆明南段聯(lián)調(diào)聯(lián)試逐級提速為研究實(shí)例,線路全長為180 km,設(shè)計(jì)速度為300 km/h。為了驗(yàn)證基于離散事件的逐級提速計(jì)劃制訂模型及動(dòng)態(tài)演化算法的有效性,首先根據(jù)單列綜合檢測列車逐級提速準(zhǔn)則及線路實(shí)際條件確定模型中的相關(guān)參數(shù),并根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)對第i個(gè)測試速度級線路缺陷點(diǎn)個(gè)數(shù)N vi進(jìn)行預(yù)估,在此基礎(chǔ)上,運(yùn)用Matlab編程基于離散事件的逐級提速計(jì)劃制訂模型及動(dòng)態(tài)演化算法進(jìn)行求解,得到長昆客運(yùn)專線富源北至昆明南段逐級提速總天數(shù)及每日計(jì)劃如圖3所示。

圖3中不同顏色線條代表不同速度級測試,基于離散事件的逐級提速計(jì)劃制訂模型及動(dòng)態(tài)演化算法求得的逐級提速用時(shí)總天數(shù)為11 d,其中因缺陷點(diǎn)數(shù)達(dá)到閾值停輪檢修天數(shù)為3 d。長昆客運(yùn)專線富源北至昆明南段聯(lián)調(diào)天數(shù)和停輪天數(shù)呈同步減小趨勢。當(dāng)Co從5個(gè)增長到7個(gè),總天數(shù)和停輪天數(shù)減小幅度最為明顯；當(dāng)Co增大到和線路管理者每個(gè)白天維修能力C1接近或相同時(shí),將不再出現(xiàn)停輪檢修現(xiàn)象。

圖3 長昆客運(yùn)專線富源北至昆明南段逐級提速總天數(shù)及每日計(jì)劃Fig.3 Total days and daily plan of gradual speed increase from Fuyuan North to Kunming South section of Changsha-Kunming passenger dedicated line

圖4 Co對逐級提速計(jì)劃的影響示意圖Fig.4 Schematic diagram of impact of co on gradual speed increase plan

（2）只考慮不同速度級線路缺陷N vi的情況下(其他參數(shù)不變),N vi對逐級提速計(jì)劃的影響示意圖如圖5所示。

圖5 N vi對逐級提速計(jì)劃的影響示意圖Fig.5 Schematic diagram of impact of N vi on gradual speed increase plan

從圖5中可以看出,當(dāng)參數(shù)N vi的預(yù)估值與線路管理者每個(gè)天窗維修能力Co相同時(shí),停輪檢修天數(shù)為零；隨著參數(shù)N vi的增大,總天數(shù)和停輪天數(shù)呈同步增長趨勢,且當(dāng)N vi大于9時(shí),總天數(shù)和停輪天數(shù)增長幅度越來越大,這表明多缺陷點(diǎn)線路由于停輪檢修天數(shù)的增加,導(dǎo)致逐級提速測試用時(shí)總天數(shù)更長。

3 結(jié)束語

高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試逐級提速測試是一個(gè)復(fù)雜動(dòng)態(tài)過程,且影響計(jì)劃用時(shí)的因素眾多,包括工程質(zhì)量、天氣影響、設(shè)備故障、突發(fā)事件、行車組織、缺陷整治能力等。利用基于離散事件的逐級提速計(jì)劃制訂模型及動(dòng)態(tài)演化算法,可綜合考慮缺陷點(diǎn)整修能力等因素,確定計(jì)算高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試單列綜合檢測列車逐級提速總天數(shù),為科學(xué)有效地制訂計(jì)劃奠定基礎(chǔ)。另外,動(dòng)態(tài)演化模型還應(yīng)充分考慮突發(fā)事件及動(dòng)車組自身檢修等因素,同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場逐級提速的進(jìn)度,尋求可以臨時(shí)調(diào)整計(jì)劃制訂的模型和算法,使研究成果更加符合實(shí)際。