一種結(jié)合CTC數(shù)據(jù)的高鐵樞紐站智能股道運(yùn)用系統(tǒng)

費(fèi)振豪

（卡斯柯信號(hào)有限公司，上海 200071)

1 概述

截止2018 年底，國(guó)內(nèi)高鐵運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)2.9 萬(wàn)km以上，約占全世界高鐵運(yùn)營(yíng)里程的60%以上，到2020 年，中國(guó)高鐵路網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到3.0 萬(wàn)km，覆蓋80%以上的大城市[1]。隨著高鐵線路的不斷建成和并網(wǎng)運(yùn)行，大量的高鐵列車跨局、跨線運(yùn)行，在全國(guó)范圍內(nèi)形成多個(gè)大型的高鐵樞紐站，如北京南、上海虹橋、廣州南等。近年來(lái)全國(guó)列車運(yùn)行圖調(diào)圖相對(duì)頻繁，既有每年既定的春運(yùn)、暑運(yùn)調(diào)圖，又有新線開(kāi)通并網(wǎng)運(yùn)行的調(diào)圖，而調(diào)圖中運(yùn)輸部門重點(diǎn)關(guān)注樞紐站的接發(fā)列車能力。

目前運(yùn)輸部門已經(jīng)配備了計(jì)算機(jī)化的列車運(yùn)行圖編制軟件，但這些軟件主要是完成運(yùn)行圖時(shí)刻編排以及跨局協(xié)同編圖，關(guān)注點(diǎn)相對(duì)宏觀；而對(duì)于樞紐站的股道運(yùn)用、咽喉沖突檢查等，仍舊依靠經(jīng)驗(yàn)豐富的運(yùn)輸人員人工編排錄入，智能化程度較低[2]。另外，當(dāng)遇到風(fēng)雨雪以及設(shè)備故障等應(yīng)急情況下，需要對(duì)接發(fā)車秩序以及股道運(yùn)用進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整時(shí)，目前這方面的研究和手段相對(duì)較少[3]，在實(shí)際生產(chǎn)中主要依靠經(jīng)驗(yàn)豐富的行車指揮人員進(jìn)行人工股道調(diào)整運(yùn)用。因此，股道運(yùn)用成為樞紐站編圖和應(yīng)急指揮工作的重中之重，分析樞紐站股道運(yùn)用的影響因素，借助計(jì)算機(jī)手段研究自動(dòng)化、智能化的股道運(yùn)用系統(tǒng)可降低人為錯(cuò)誤、提高勞動(dòng)效率。

2 股道運(yùn)用影響因素分析

在樞紐站接發(fā)動(dòng)車組的股道運(yùn)用中，須考慮多種因素，這些因素都是影響和制約股道運(yùn)用的重要因素，如果不能合理的考慮這些因素，會(huì)在一定程度產(chǎn)生作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)[4]。這些因素主要包括以下幾點(diǎn)。

1）咽喉運(yùn)用能力限制

一般樞紐站都會(huì)存在同咽喉轉(zhuǎn)線或者立折車次以及多方向咽喉交叉限制，這樣同一咽喉區(qū)的接發(fā)車進(jìn)路就會(huì)存在交叉，使得在股道運(yùn)用時(shí)必須充分考慮相鄰時(shí)間段列車之間的影響。咽喉運(yùn)用的合理優(yōu)化，可以保證不間斷正點(diǎn)接發(fā)列車，是控制運(yùn)輸組織優(yōu)化的重要內(nèi)容。

2）技術(shù)作業(yè)限制

上水、吸污和行包快運(yùn)是目前高鐵主要技術(shù)作業(yè)項(xiàng)目，在股道運(yùn)用過(guò)程中要求在特定的股道上進(jìn)行作業(yè)，因故需要臨時(shí)變更時(shí)必須在同等設(shè)備條件股道間變換。

3）客運(yùn)組織限制

同檢票口的相鄰股道列車存在檢票交叉時(shí)間時(shí)，容易產(chǎn)生誤乘風(fēng)險(xiǎn)及停檢后仍有旅客上站臺(tái)沖車隱患。同站臺(tái)面的相鄰股道，一側(cè)辦理旅客候車、乘降作業(yè)，另一側(cè)有動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)（動(dòng)車組出入庫(kù)或到達(dá)列車），存在較大的旅客人身安全防護(hù)風(fēng)險(xiǎn)。因特殊客運(yùn)組織限制（如專運(yùn)或特殊時(shí)期安保加強(qiáng)需求等），特定的列車需指定在特定的股道且同站臺(tái)面禁止安排非同檔次列車到發(fā)等。

4）站臺(tái)有效長(zhǎng)限制

有些站臺(tái)由于站型原因不滿足接發(fā)16/17 輛長(zhǎng)編動(dòng)車組條件，因此安排股道時(shí)只能安排8 節(jié)短編動(dòng)車組。

3 當(dāng)前問(wèn)題和解決思路

由于影響股道編排的因素較多，目前仍然依靠經(jīng)驗(yàn)豐富的人員編排，存在許多弊端和隱患。首先，影響股道編排的因素多，僅靠人工編排，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全壓力大的風(fēng)險(xiǎn)；其次，股道編排的咽喉區(qū)使用、列車追蹤間隔等參數(shù)都是人工經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，由于每個(gè)車站的站型各不相同，并非所有參數(shù)都完全適用，同時(shí)這些參數(shù)在一些車站是否還有優(yōu)化的空間，也缺少一些有力的數(shù)據(jù)支撐；最后，股道編排的經(jīng)驗(yàn)往往只適用于一個(gè)車站，無(wú)法將這些經(jīng)驗(yàn)推廣到其他車站，編圖人員的變動(dòng)也會(huì)是影響編圖效果的因素。

目前高鐵區(qū)段已經(jīng)全部覆蓋調(diào)度集中系統(tǒng)（CTC），CTC 系統(tǒng)具備線路圖、站細(xì)以及聯(lián)鎖進(jìn)路表等基礎(chǔ)信息[5]，同時(shí)通過(guò)大量的日常應(yīng)用，在該系統(tǒng)內(nèi)部已經(jīng)積累了大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)。因此，可以利用CTC 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，包括對(duì)樞紐站咽喉接車行為分析、列車進(jìn)出站行為分析、列車區(qū)間緩行分析、進(jìn)路排列行為分析等，獲取樞紐站接發(fā)列車的行為模型，并結(jié)合CTC 已有站場(chǎng)拓?fù)鋱D形和聯(lián)鎖表，實(shí)現(xiàn)到發(fā)線股道運(yùn)用與咽喉沖突檢查；另外，CTC 系統(tǒng)中還具備基本的站細(xì)數(shù)據(jù)，如股道是否具備上水吸污設(shè)備、站臺(tái)有效長(zhǎng)等。因而，充分利用CTC 系統(tǒng)已有的數(shù)據(jù)，可為開(kāi)發(fā)智能股道運(yùn)用系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 高鐵樞紐站智能股道運(yùn)用系統(tǒng)

高鐵樞紐站智能股道運(yùn)用系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱智能股道運(yùn)用系統(tǒng)）與CTC 系統(tǒng)、編圖系統(tǒng)的邏輯關(guān)系如圖1 所示。

圖1 高鐵樞紐站智能股道運(yùn)用系統(tǒng)邏輯圖Fig.1 Logical diagram for intelligent track operation system of high-speed railway station

智能股道運(yùn)用系統(tǒng)可以從其他編圖系統(tǒng)中（如西南交大開(kāi)發(fā)的編圖4.0 系統(tǒng)）獲取相應(yīng)的列車車次和基本圖時(shí)刻，根據(jù)路局的車次交路信息維護(hù)到發(fā)車次間的關(guān)系。根據(jù)從CTC 系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析獲取列車進(jìn)出站運(yùn)行信息、站場(chǎng)拓?fù)鋱D以及聯(lián)鎖進(jìn)路表信息檢查列車運(yùn)行的沖突。

智能股道運(yùn)用系統(tǒng)主要功能如下。

1）股道推算

智能股道運(yùn)用系統(tǒng)通過(guò)對(duì)車站列車實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的歷史分析，學(xué)習(xí)實(shí)際接發(fā)列車過(guò)程的數(shù)據(jù)參數(shù)，并依據(jù)這些參數(shù)，結(jié)合車站基本圖、車站接車發(fā)車作業(yè)時(shí)間、站細(xì)規(guī)章、車站股道運(yùn)用條件、車站拓?fù)鋱D形、車站進(jìn)路表等信息建立智能模型，計(jì)算列車接發(fā)車股道的優(yōu)選方案。

2）仿真驗(yàn)證

利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)高速鐵路客運(yùn)站通過(guò)能力仿真時(shí)，接發(fā)車進(jìn)路的排列和股道運(yùn)用是其核心研究?jī)?nèi)容[6]。智能股道運(yùn)用系統(tǒng)可提供仿真驗(yàn)證功能，其原理為基于列車實(shí)際運(yùn)行參數(shù)和站場(chǎng)圖，對(duì)已編制的列車計(jì)劃進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真驗(yàn)證過(guò)程提供可視化的圖形界面展示。同時(shí)，仿真驗(yàn)證可提供熱修改功能，即對(duì)驗(yàn)證過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題可以即時(shí)調(diào)整即時(shí)運(yùn)行。通過(guò)仿真驗(yàn)證的列車計(jì)劃可以很大程度上避免實(shí)際運(yùn)行可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題。

3）應(yīng)急調(diào)整

智能股道運(yùn)用系統(tǒng)通過(guò)信息安全隔離方式接入CTC 查詢系統(tǒng)，根據(jù)列車運(yùn)行實(shí)際數(shù)據(jù)、列車計(jì)劃和人為設(shè)置條件，對(duì)未來(lái)一段時(shí)間的列車運(yùn)行情況進(jìn)行預(yù)判推演，對(duì)可能產(chǎn)生的影響進(jìn)行提示，并提供優(yōu)選方案，為應(yīng)急指揮提供股道運(yùn)用的決策參考。

5 高鐵樞紐站智能股道運(yùn)用系統(tǒng)的初步實(shí)現(xiàn)

智能股道運(yùn)用系統(tǒng)其核心為股道推算和運(yùn)用，因此系統(tǒng)圍繞這一核心問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算機(jī)化的編程實(shí)現(xiàn)。由于高鐵樞紐車站車次密度大、股道多的特點(diǎn)，系統(tǒng)求整體最優(yōu)解的復(fù)雜度較高，以廣州南京廣場(chǎng)為例，每天接發(fā)列車約350 組，車站共有19 個(gè)股道，可能性有19 350 種。本系統(tǒng)整體采用貪心算法[7]，局部求解采用深度優(yōu)先遍歷算法（DFS）[8]，根據(jù)列車運(yùn)行沖突的檢查算法進(jìn)行快速剪枝提高效率。系統(tǒng)對(duì)完全滿足股道運(yùn)用規(guī)則的車次股道安排采用綠色橫線標(biāo)記，對(duì)存在股道運(yùn)用沖突的且程序無(wú)法自動(dòng)安排的則采用紅色橫線標(biāo)記，展示界面如圖2 所示。

以廣州南京廣場(chǎng)19 股道為例，在同一臺(tái)電腦上測(cè)試不同組列車的執(zhí)行效率和精準(zhǔn)度。如表1 所示，在車次較少的情況下精準(zhǔn)度非常高，而當(dāng)車次數(shù)量增長(zhǎng)時(shí)，股道編排的精準(zhǔn)度會(huì)下降，這是與行車密度增大后，股道安排的難度增加有關(guān)。隨著車次的增加時(shí)間基本上會(huì)線性增加，這主要是本算法沒(méi)有追求全局最優(yōu)，而關(guān)注局部最優(yōu)有關(guān)。目前智能股道運(yùn)用系統(tǒng)還是主要以調(diào)整股道為目的，不會(huì)調(diào)整時(shí)間點(diǎn)，因此從結(jié)果上看精度不是很高，但從使用效果上看已經(jīng)較大程度上降低勞動(dòng)強(qiáng)度，輔以人工微調(diào)，即可達(dá)到使用的效果。

表1 高鐵樞紐站智能股道運(yùn)用系統(tǒng)執(zhí)行效率和精準(zhǔn)度Tab.1 The efficiency and accuracy for intelligent track operation system of high-speed railway junction station

編排所需時(shí)間包括界面顯示的時(shí)間。

精準(zhǔn)度=（選排列車總數(shù)-存在沖突的列車數(shù)）/選排列車總數(shù)。

6 結(jié)束語(yǔ)

圖2 高鐵樞紐站智能股道運(yùn)用系統(tǒng)界面Fig.2 The interface of intelligent track operation system of high-speed railway station

目前高鐵樞紐站智能股道運(yùn)用系統(tǒng)未對(duì)車次到發(fā)時(shí)刻進(jìn)行智能調(diào)整，后期可進(jìn)一步推算合理的調(diào)整時(shí)刻， 提升系統(tǒng)的智能化水平；另外還需要進(jìn)一步優(yōu)化算法，提高計(jì)算結(jié)果的實(shí)時(shí)性。通過(guò)高鐵樞紐站智能股道運(yùn)用系統(tǒng)進(jìn)行股道編排，可以顯著降低編圖人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且基于實(shí)際數(shù)據(jù)的編排結(jié)果比依據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加可靠，同時(shí)樞紐站智能股道運(yùn)用系統(tǒng)與CTC 系統(tǒng)結(jié)合后，為樞紐站應(yīng)急指揮提供股道運(yùn)用的判斷依據(jù)，提高應(yīng)急指揮效率和行車安全。高鐵樞紐站智能股道運(yùn)用系統(tǒng)將多種技術(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，為鐵路運(yùn)輸提供更加智能的技術(shù)裝備，助力智能高鐵建設(shè)。