基于離散事件的高速磁浮鐵路車站作業(yè)仿真研究

晏仁先

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 線路站場設(shè)計研究院，武漢 430063）

車站作業(yè)仿真是通過設(shè)計車站作業(yè)仿真算法，分析車站作業(yè)過程、到發(fā)線及道岔等設(shè)施使用情況等，為車站設(shè)計、作業(yè)組織等提供可靠的決策依據(jù)。目前，我國對磁浮鐵路的相關(guān)研究主要集中在磁浮列車設(shè)計、運行控制等方面[1-4]，由于高速磁浮鐵路與高速輪軌鐵路有很大的區(qū)別，高速磁浮鐵路車站作業(yè)仿真顯得尤為重要，為高速磁浮鐵路安全、高效、可靠運行提供依據(jù)。

文獻[5]采用新型元胞自動機對高速鐵路列車區(qū)間運行與車站運行進行動態(tài)仿真；文獻[6]通過分析高速鐵路車站作業(yè)過程，提出其仿真的TCPN通用模型。文獻[7]研究基于.NET Framework的軌道交通車站作業(yè)仿真系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)；文獻[8]針對高速鐵路車站作業(yè)仿真進行建模，并提出了車站作業(yè)仿真實現(xiàn)思路。上述文獻所提出的車站作業(yè)仿真方法沒有考慮高速磁浮鐵路車站差異性對列車作業(yè)的影響，而有關(guān)車站作業(yè)仿真文獻中，很少有針對高速磁浮鐵路車站作業(yè)進行仿真的研究，為此，需要針對高速磁浮鐵路車站特性與作業(yè)特點，研究相應(yīng)的仿真方法。

本文針對高速磁浮鐵路始發(fā) / 終到車站，在分析車站各類作業(yè)過程與要求的基礎(chǔ)上，定義車站作業(yè)仿真相關(guān)實體、屬性、事件及狀態(tài)，設(shè)計基于離散事件的高速磁浮鐵路車站作業(yè)仿真算法。

1 高速磁浮鐵路車站仿真作業(yè)事件及狀態(tài)

1.1 高速磁浮列車作業(yè)特點

高速磁浮鐵路利用磁力代替輪軌作為支撐，利用地面直線電機代替車上旋轉(zhuǎn)電機作為牽引，其車站的道岔構(gòu)成、運行控制等與高速輪軌鐵路有很大的區(qū)別，與始發(fā) / 終到站需辦理的車站作業(yè)種類沒有明顯差異，仍然包括列車停站作業(yè)、不停站通過作業(yè)、始發(fā)作業(yè)、終到作業(yè)及車站折返作業(yè)，同時，還要辦理列車進出車輛段或綜合維修基地作業(yè)[9]。由于高速磁浮鐵路列車運行機理與高速輪軌鐵路的差別，使得高速磁浮鐵路車站作業(yè)的列車具有運行速度快、加減速時間短等特點。此外，由于不涉及到道岔轉(zhuǎn)換，故列車進路占用轉(zhuǎn)換時間短。

1.2 仿真實體及其屬性

將車站仿真中涉及到的實體分為永久實體和臨時實體。永久實體指車站作業(yè)涉及到的相關(guān)固定設(shè)備，如到發(fā)線、進出段線等。由于咽喉區(qū)車站道岔數(shù)量多，且往往以徑路形式批量占用，故將咽喉區(qū)預(yù)處理為多條平行進站與出站進路，以進路作為咽喉區(qū)的永久實體。臨時實體指進、出站列車，包括始發(fā) / 終到列車、通過列車等。由于列車運行分為進站、出站多個階段，需要描述各臨時實體種類與運行狀態(tài)、各永久實體占用情況等，故定義如圖1所示的各類實體屬性。

1.3 車站作業(yè)事件

基于離散事件的仿真將車站各項作業(yè)定義為離散事件，同時，描述車站進路占用、到發(fā)線、道岔使用狀態(tài)，通過事件的發(fā)生引發(fā)狀態(tài)的變化，而狀態(tài)變化與事件發(fā)生又一一對應(yīng)。在高速磁浮鐵路車站離散事件仿真中，仿真變量是反映各部分相互作用的事件，如列車到達事件、出發(fā)事件等，這些事件的變化具有離散性，且具有先后關(guān)聯(lián)性。

圖1 實體屬性

為了實現(xiàn)高速磁浮鐵路車站作業(yè)仿真，將高速磁浮鐵路車站每項作業(yè)環(huán)節(jié)描述為一個或多個離散事件。任意事件的發(fā)生將導致車站某些狀態(tài)的改變，如車站到發(fā)線占用、咽喉區(qū)進路占用等。根據(jù)事件促發(fā)原因的不同將事件分為內(nèi)部事件與外部事件，其中，外部事件由外界原因觸發(fā)，如列車時刻表規(guī)定的列車到達、列車始發(fā)等；內(nèi)部事件則由狀態(tài)的改變或者相關(guān)事件的發(fā)生而觸發(fā)。通常一個內(nèi)部事件發(fā)生需要一個或多個狀態(tài)條件的成立或者事件的發(fā)生。因此，只要車站任意狀態(tài)發(fā)生改變或者事件發(fā)生，則需進一步判斷該狀態(tài)的改變或事件發(fā)生會觸發(fā)哪些后續(xù)內(nèi)部事件的發(fā)生。

1.4 車站作業(yè)狀態(tài)

因車站作業(yè)主要影響車站咽喉區(qū)進路占用、到發(fā)線或正線占用、排隊的列車，為此，在作業(yè)仿真過程中需考慮車站3類設(shè)備狀態(tài)變化：

（1）各方向進站排隊列車序列；

（2）各咽喉區(qū)各條可用進、出站進路占用狀態(tài)，出、入段進路占用狀態(tài)；

（3）到發(fā)線使用狀態(tài)。

由于進路存在沖突，故一條進路的占用與釋放將直接影響到其沖突進路的狀態(tài)變化。

對于高速磁浮鐵路車站而言，由于其涉及到的車站作業(yè)主要有列車的到達、出發(fā)、通過、折返、出段、入段等，故定義17類車站作業(yè)驅(qū)動事件，各事件的觸發(fā)條件、引起變化狀態(tài)與可引發(fā)的后續(xù)事件，如表1所示。

整個高速磁浮鐵路車站作業(yè)是一個作業(yè)量多、關(guān)系復(fù)雜的離散過程，車站各類作業(yè)事件之間的變化關(guān)系與狀態(tài)之間的變化關(guān)系，如圖2所示。

表1 車站作業(yè)事件定義

圖2 車站各類作業(yè)事件及狀態(tài)變化關(guān)系

2 高速磁浮鐵路車站作業(yè)仿真算法

2.1 車站作業(yè)仿真流程

基于各類仿真作業(yè)事件、仿真作業(yè)對車站設(shè)施狀態(tài)的影響、事件間的相互聯(lián)系，設(shè)計車站作業(yè)仿真流程，如圖3所示。

2.2 列車進路排列與到發(fā)線運用策略

圖3 基于離散事件的作業(yè)仿真流程

以上模型是從可用進路集中選擇進路，而不是在車站咽喉區(qū)拓撲網(wǎng)絡(luò)上進行路徑搜索，提高了模型路徑搜索效率。

2.3 仿真算法步驟

為了描述車站作業(yè)仿真過程，定義事件集合E，記錄當前模擬時刻已觸發(fā)、等待執(zhí)行的事件集合，其中，事件e∈E的觸發(fā)時刻記為te，同時，定義Dp、Dr和Dz3個字典，分別記錄車站各條候選進路、到發(fā)線、正線的狀態(tài)。

（1）從最早仿真時刻tstart開始，將時刻表規(guī)定的所有始發(fā)列車作業(yè)對應(yīng)的外部事件添加到事件集合E中，各初始事件的觸發(fā)時刻te均為相應(yīng)列車始發(fā)時刻。

（2）按事件集合E中事件觸發(fā)時刻先后順序找到滿足執(zhí)行條件、觸發(fā)時刻最早的事件e∈E，其滿足：

式中，e′表示事件集E中任一事件。執(zhí)行當前選中事件后，更新相應(yīng)車站狀態(tài)變化，即Dp、Dr和Dz的取值，將觸發(fā)的后續(xù)新事件添加到事件集合E中，并從中刪除當前執(zhí)行事件。

重復(fù)以上過程，直至仿真時刻已達到截止時刻tend或者事件集合E中無任何事件而結(jié)束仿真，基于此，便可分析車站各類作業(yè)的過程、使用車站相關(guān)設(shè)施的狀況等。

根據(jù)以上仿真思路，以及事件與狀態(tài)之間的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，設(shè)計高速磁浮鐵路車站作業(yè)仿真算法，步驟如下：

（1）生成車站各永久實體，并初始化其屬性值，同時初始化事件集合E；

（2）按事件排隊時刻先后順序，找到滿足觸發(fā)條件的最早觸發(fā)事件e；

（3）若觸發(fā)事件e為列車進站或者始發(fā)出段事件，生成列車進站、出站徑路方案與到發(fā)線運用方案；

（4）由事件e更新相關(guān)永久實體，如進路、到發(fā)線、正線狀態(tài)值；

（5）添加事件e觸發(fā)的相關(guān)事件到事件集合E中，并從事件集合E中刪除事件e；

（6）若集合E不存在事件時，結(jié)束仿真，否則返回步驟（2）。

3 算例分析

以含有4個站臺6條到發(fā)線（含2條正線）的盡端式車站為例，采用C#語言、Visual Studio.NET開發(fā)平臺，對該車站作業(yè)進行仿真。

3.1 仿真數(shù)據(jù)

仿真的盡端式車站如圖4所示，其中，上下行各含1股正線、2股到發(fā)線，Ⅰ、3、5股道為下行股道，Ⅱ、4、6股道為上行股道，Ⅰ、3股道使用同一站臺，Ⅱ、4股道使用同一站臺，5、6股道各使用1個站臺。此外，車站共含有16個道岔，對稱分布在車站兩端咽喉區(qū)。

圖4 盡端式車站布局

考慮列車始發(fā)、終到和立折3類車站作業(yè)，站前立折列車上下乘客作業(yè)時間標準為120 s，而始發(fā)列車、終到列車、站后立折列車上下乘客作業(yè)時間標準為72 s，其它仿真參數(shù)如表2所示。

表2 車站作業(yè)仿真參數(shù)設(shè)置

以列車總數(shù)24對為例，通過改變始發(fā)、終到、立折列車數(shù)量比例、空線系數(shù)、空岔系數(shù)，仿真分析到發(fā)線及咽喉區(qū)通過能力。此次模擬到發(fā)線和道岔組通過能力利用率計算公式為：

式中， γ空線、 γ空岔分別代表到發(fā)線空線系數(shù)、道岔空岔系數(shù)。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 不同空線系數(shù)及作業(yè)列車比下股道能力利用率分析

在空岔系數(shù)為0.2條件下，不同空線系數(shù)及作業(yè)列車比例時股道能力利用率如表3所示。結(jié)果表明，在高峰時段7：00 — 9：00內(nèi)，最繁忙到發(fā)線為Ⅰ、2股道，隨著空線系數(shù)增大，股道能力利用率普遍增大。由于該站只能辦理上行方向立折作業(yè)，當立折列車占比增大時，Ⅱ、4股道能力利用率也明顯增大。同時，由于只辦理下行始發(fā)、上行終到作業(yè)，故當始發(fā)終到作業(yè)列車占比增大時，下行Ⅰ、3股道利用率較均衡。

表3 不同空線系數(shù)及作業(yè)列車比下各股道能力利用率

3.2.2 不同空岔系數(shù)下道岔能力利用率分析

在始發(fā)終到列車、立折列車比為1∶1、空線系數(shù)為0.2條件下，不同空岔系數(shù)時最繁忙道岔的能力利用率如表4所示。結(jié)果顯示，咽喉區(qū)道岔組空岔系數(shù)取上限0.3時，最繁忙道岔為N035/N036，其能力利用率達到100%。當最繁忙到發(fā)線能力飽和時，可分流部分作業(yè)量至空閑股道辦理，實現(xiàn)股道均衡利用。

3.2.3 最繁忙到發(fā)線和道岔能力利用率分析

在始發(fā)終到列車、立折列車比為1∶1、空線系數(shù)為0.25、空岔系數(shù)為0.2條件下，最繁忙到發(fā)線集中在Ⅰ、Ⅱ股道，其能力利用情況如圖5所示；而各道岔利用率如圖6所示，其中，N035、N036道岔為最繁忙道岔，其能力利用率最高為88%。

表4 不同空岔系數(shù)時最繁忙道岔能力利用率

圖5 到發(fā)線占用

圖6 道岔利用率

經(jīng)以上仿真分析可知，車站始發(fā)終到列車與立折列車數(shù)量之比，對車站各條到發(fā)線和道岔利用率影響很大，隨著空岔系數(shù)與空線系數(shù)的增加，到發(fā)線和道岔能力的利用率也隨之增加。

4 結(jié)束語

在分析高速磁浮鐵路車站各類作業(yè)的基礎(chǔ)上，定義17類車站作業(yè)事件及其車站狀態(tài)屬性，設(shè)計高速磁浮鐵路車站作業(yè)仿真算法。對高速磁浮鐵路盡端式車站的車站作業(yè)進行仿真，仿真結(jié)果表明，所提出的基于離散事件的仿真算法能夠?qū)ζ溥M行有效仿真。通過仿真得出的到發(fā)線、道岔使用情況等詳細數(shù)據(jù)，可以為高速磁浮鐵路車站設(shè)計、方案選擇等提供參考。