高速鐵路行車組織地震預(yù)警 處置策略研究

劉明端，尚麟宇，馮 康

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號(hào)研究所，北京 100081；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)

有限公司 通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430063)

0 引言

我國(guó)分布著23條地震斷裂帶，隨著我國(guó)高速鐵路路網(wǎng)的不斷擴(kuò)大，高速鐵路線路不可避免地臨近或跨越地震斷裂帶，地震對(duì)高速鐵路行車安全的威脅日趨嚴(yán)重[1]。為此，2012年原鐵道部聯(lián)合中國(guó)地震局共同開(kāi)展了地震預(yù)警攻關(guān)，突破了P波預(yù)警技術(shù)，研發(fā)了成套高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)，大大提升了防震減災(zāi)能力和安全運(yùn)營(yíng)水平。高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了地震影響范圍內(nèi)的分級(jí)控車[2]，其中Ⅰ級(jí)處置區(qū)域內(nèi)的列車限速運(yùn)行，Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)處置區(qū)域內(nèi)的列車緊急制動(dòng)，而對(duì)于地震影響范圍外的列車目前只能依據(jù)《高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施地震震后應(yīng)急處置暫行規(guī)定》(TG/GW2327-2019)，由調(diào)度員人工確定地震影響區(qū)段及行車限制條件組織行車。但是，調(diào)度員人工處置方式準(zhǔn)確性和時(shí)效性較低，變相增加了受地震影響的范圍，導(dǎo)致原本可正常運(yùn)營(yíng)的列車停運(yùn)[3]；而對(duì)于還未進(jìn)入地震影響范圍的列車，該處置方式會(huì)錯(cuò)失疏散乘客的機(jī)會(huì)，增加恢復(fù)行車組織的難度[3]。為此，結(jié)合高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和高速鐵路運(yùn)營(yíng)的實(shí)際需求，宏觀考慮地震發(fā)生后整條線路和相鄰線路列車的運(yùn)行，提出一種較為全面和高效的地震預(yù)警處置策略，并通過(guò)編程對(duì)策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 高速鐵路地震預(yù)警處置策略構(gòu)建

高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)具備P波預(yù)警和閾值報(bào)警功能，通過(guò)車載地震緊急處置裝置對(duì)列車限速或緊急制動(dòng)，并可聯(lián)動(dòng)觸發(fā)列控系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地震影響范圍內(nèi)列車快速、準(zhǔn)確的處置。為了完善對(duì)地震災(zāi)害的應(yīng)急響應(yīng)，進(jìn)一步降低地震對(duì)高速鐵路的影響，需要在高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的處置模式之上增加對(duì)地震影響范圍外列車的處置，構(gòu)建更為全面的一體化處置策略。

1.1 高速鐵路震后列車運(yùn)行規(guī)則

鐵路運(yùn)輸?shù)谋举|(zhì)是列車通過(guò)對(duì)線路和車站資源的協(xié)調(diào)占用，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成貨物或旅客位移的過(guò)程[4]，地震影響范圍內(nèi)的列車降速或停車必然影響地震影響范圍外的列車運(yùn)行。為此，提出以下基于列車運(yùn)行圖的震后列車運(yùn)行規(guī)則[5]，作為構(gòu)建高速鐵路地震預(yù)警處置策略的基本約束條件。

規(guī)則1：受影響線路上駛離地震影響范圍的列車按計(jì)劃運(yùn)行。規(guī)則1示意圖如圖1所示，圖1中上行列車t2和下行列車t1在震后可按計(jì)劃運(yùn)行。

圖1 規(guī)則1示意圖Fig.1 Rule 1

規(guī)則2：受影響線路上駛向地震影響范圍的列車就近?？寇囌?。規(guī)則2示意圖如圖2所示，圖2中上行列車t2停靠在車站Sd+1，下行列車t1?？吭谲囌維d。

圖2 規(guī)則2示意圖Fig.2 Rule 2

規(guī)則3：還未進(jìn)入受影響線路的跨線運(yùn)行車次，計(jì)劃不會(huì)進(jìn)入地震影響范圍的列車可按計(jì)劃運(yùn)行。規(guī)則3示意圖如圖3所示，圖3中上行列車t2和下行列車t1可按計(jì)劃運(yùn)行。

圖3 規(guī)則3示意圖Fig.3 Rule 3

規(guī)則4：還未進(jìn)入受影響線路的跨線運(yùn)行車次，計(jì)劃會(huì)進(jìn)入地震影響范圍的列車，可運(yùn)行至未受影響線路上的最后一個(gè)計(jì)劃車站?？?。規(guī)則4示意圖如圖4所示，圖4中上行列車t2可?？吭谖词苡绊懢€路的車站Si，下行列車t1可停靠在未受影響線路的車站Sj。

規(guī)則5：車站到發(fā)線數(shù)量不能滿足上述規(guī)則的列車?？繒r(shí)，可使長(zhǎng)期?？康能嚧巫兏？寇囌?，或使正常運(yùn)行的車次甩站通過(guò)。當(dāng)車站有動(dòng)車段/所的時(shí)候認(rèn)為該車站可?？康能嚧尾皇艿桨l(fā)線數(shù)量限制。

1.2 高速鐵路地震預(yù)警處置策略構(gòu)建

將震后列車運(yùn)行規(guī)則中的列車運(yùn)行圖數(shù)據(jù)、地震影響范圍、車站到發(fā)線數(shù)量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，根據(jù)地震和鐵路運(yùn)營(yíng)的特點(diǎn)將運(yùn)行規(guī)則整合成具備先后順序的邏輯關(guān)系并進(jìn)行數(shù)學(xué)表達(dá)，最終形成可輸出的列車?？刻幹貌呗訹6]。地震預(yù)警處置流程圖如圖5所示。

圖5 地震預(yù)警處置流程圖Fig.5 Flow chart of disposal of earthquake early warning

高速鐵路地震預(yù)警處置策略構(gòu)建步驟如下。

（1）創(chuàng)建車次集合和對(duì)應(yīng)的到達(dá)車站集合。以集合D= {dt1，dt2，…，dtn}表示列車運(yùn)行圖，dti為某次列車的時(shí)刻表。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生后會(huì)產(chǎn)生發(fā)震時(shí)刻和地震動(dòng)數(shù)據(jù)，將發(fā)震時(shí)刻代入列車運(yùn)行圖D可以得到地震發(fā)生時(shí)所有在線路運(yùn)行的車次集合T= {t1，t2，…，tn}，以及每一個(gè)車次ti在地震發(fā)生后的計(jì)劃到達(dá)車站集合Sti= {Sti1，Sti2，…，Sti n}。

（2）創(chuàng)建各條線路的地震影響范圍集合。根據(jù)地震動(dòng)數(shù)據(jù)，高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生用公里標(biāo)表示的地震影響范圍，該范圍可能涉及多條線路，以集合L= {(Kstart，Kend)l1，(Kstart，Kend)l2，…，(Kstart，Kend)ln}表示。

（3）策略1：按原計(jì)劃運(yùn)行。依次判斷集合Sti與地震影響范圍L是否存在交集，若Sti∩L=φ，則表明該車次不經(jīng)過(guò)地震影響區(qū)域，可以按原運(yùn)行圖運(yùn)行。

（4）策略2：運(yùn)行至受影響線路之前的最后一站。若Sti∩L≠φ，則表明該車次將經(jīng)過(guò)地震影響區(qū)域，需繼續(xù)判斷該車次在地震發(fā)生時(shí)是否在受影響的線路上運(yùn)行。若地震發(fā)生時(shí)列車所在的公里標(biāo)Kt?L，則該車次ti可運(yùn)行至受影響線路之前的最后一站Slast。

（5）策略3：就近車站?？俊Ｈ鬕t∈L，則需繼續(xù)判斷該車次ti的就近車站Sn能否容納列車?？?。當(dāng)Sn的到發(fā)線數(shù)量CSn≥1，ti可在Sn?？?。

（6）策略4：至具備條件的車站停靠。當(dāng)Sn的到發(fā)線數(shù)量CSn< 1，則需循環(huán)判斷下一站(Sn+1，Sn+2，…，Sn+i)是否進(jìn)入地震影響范圍，以及對(duì)應(yīng)車站的到發(fā)線數(shù)量CSn+i是否大于1。當(dāng)ti在進(jìn)入地震影響范圍前存在可?？康能囌荆瑒t其最終處置命令為?？吭赟n+i車站。

（7）策略5：反向運(yùn)行至具備條件的車站停靠。若直至進(jìn)入地震范圍前都沒(méi)有車站可容納該車次?？浚瑒t令該車次在車站反方向運(yùn)行，直至CSn-i≥1，則其最終處置命令為停靠在Sn-i車站。

整合上述表達(dá)式和邏輯關(guān)系為不等式約束集(1)，其中集合D，T，S，L為公式的輸入，oi為不同情況下輸出的處置策略。

2 實(shí)例驗(yàn)證

為驗(yàn)證高速鐵路地震預(yù)警處置策略的效果，通過(guò)編程建立仿真模型，并選取京滬高速鐵路(北京南—上海虹橋) 2019年運(yùn)行圖數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)例仿真驗(yàn)證。

2.1 仿真模型構(gòu)建

通過(guò)JAVA編程構(gòu)建高速鐵路地震預(yù)警處置策略仿真模型如圖6所示[7]，實(shí)現(xiàn)的主要步驟如下。

（1）將高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)處置算法移植至仿真程序，實(shí)現(xiàn)輸入地震的震源經(jīng)緯度、震級(jí)計(jì)算地震影響范圍。

（2）通過(guò)jxl類庫(kù)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的讀取，將文件中的列車運(yùn)行圖、車站到發(fā)線和線路信息，轉(zhuǎn)化為模型可識(shí)別的數(shù)組。

（3）根據(jù)地震預(yù)警處置流程編寫(xiě)處置策略模型的邏輯處理算法。

（4）將地震影響范圍、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)源輸入到處置策略算法，對(duì)仿真的輸入進(jìn)行邏輯運(yùn)算和動(dòng)態(tài)仿真，并輸出最終的處置策略。

圖6 高速鐵路地震預(yù)警處置策略仿真模型Fig.6 Simulation model for the disposal strategy of earthquake early warning for high speed railways

2.2 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

（1）創(chuàng)建車次集合和對(duì)應(yīng)的到達(dá)車站集合。本次數(shù)據(jù)共包括下行249個(gè)車次、上行240個(gè)車次(含跨線車次)，對(duì)上下行車次的運(yùn)營(yíng)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以得到京滬高速鐵路不同時(shí)刻列車數(shù)量如圖7所示。為充分驗(yàn)證模型的效果，選取線路上列車最多的13 : 00作為仿真的地震發(fā)生時(shí)刻。此時(shí)京滬高速鐵路上有上行列車51列、下行列車56列，共107個(gè)車次，以及156個(gè)將要進(jìn)入京滬高速鐵路運(yùn)行的跨線車次，此即為車次集合T。循環(huán)對(duì)每個(gè)車次的計(jì)劃到站進(jìn)行選取，可以得到車站集合Sti。

（2）創(chuàng)建各條線路的地震影響范圍集合。由運(yùn)行圖數(shù)據(jù)可知，地震發(fā)生時(shí)，下行的56個(gè)車次中有12個(gè)車次在站內(nèi)?？浚溆嘬嚧卧诰€路區(qū)間分布，地震發(fā)生時(shí)刻下行列車分布如圖8所示；上行的51個(gè)車次中有10個(gè)車次在站內(nèi)?？浚溆嘬嚧卧诰€路區(qū)間分布，地震發(fā)生時(shí)刻上行列車分布如圖9所示。京滬高速鐵路車站存車能力如表1所示。

由上述圖表可知，地震發(fā)生時(shí)列車在北京南—泰安段相對(duì)更為密集，綜合對(duì)存車能力的考慮，當(dāng)?shù)卣鹩绊懛秶鸀榫咚勹F路的K280至K340 (滄州西—濟(jì)南西之間)，可以對(duì)處置策略進(jìn)行最為有效的驗(yàn)證[8]，此即為地震的影響范圍集合L。

圖7 京滬高速鐵路不同時(shí)刻列車數(shù)量Fig.7 Train number on the Beijing-Shanghai high speed railway at different moments

圖8 地震發(fā)生時(shí)刻下行列車分布Fig.8 Down-train distribution at the onset of an earthquake

圖9 地震發(fā)生時(shí)刻上行列車分布Fig.9 Up-train distribution at the onset of an earthquake

（3）策略1：按原計(jì)劃運(yùn)行。循環(huán)判斷所有線上運(yùn)行車次的計(jì)劃到站Sti是否有在K280至K340之間的車站，可以得到151個(gè)車次在地震發(fā)生后將不會(huì)經(jīng)過(guò)地震影響范圍，其中有47個(gè)車次正在京滬高速鐵路上運(yùn)行，104個(gè)車次尚未進(jìn)入京滬高速鐵路，該批車次將按照原運(yùn)營(yíng)計(jì)劃運(yùn)行。

（4）策略2：運(yùn)行至受影響線路之前的最后一站。對(duì)地震發(fā)生時(shí)尚未進(jìn)入京滬高速鐵路的156個(gè)跨線車次的計(jì)劃到站Sti與地震影響范圍L進(jìn)行比對(duì)，可以得到計(jì)劃進(jìn)入受地震影響范圍，可運(yùn)行至進(jìn)入京滬高速鐵路前最后一個(gè)計(jì)劃車站的52個(gè)車次。

（5）策略3：就近車站?？俊?duì)于正在京滬高速鐵路上運(yùn)行的計(jì)劃經(jīng)過(guò)地震影響范圍的27個(gè)車次，按照列車與地震影響范圍之間由近及遠(yuǎn)的順序，依次對(duì)車站的容納能力進(jìn)行判斷，可以得到就近?？寇囌镜?4個(gè)車次。

表1 京滬高速鐵路車站存車能力 條Tab.1 Storage capacity of stations on the Beijing-Shanghai high speed railway

（6）策略4：至具備條件的車站?？俊＝由弦徊?，對(duì)于無(wú)法就近停靠的3個(gè)車次，判斷其后續(xù)停靠車站的容納能力，可知3個(gè)車次均可以向后運(yùn)行一站進(jìn)行?？俊?/p>

綜上所述，假設(shè)13 : 00發(fā)生地震，地震影響范圍在京滬高速鐵路滄州西—濟(jì)南西之間，此時(shí)全路網(wǎng)運(yùn)行的車次中有263個(gè)車次的運(yùn)營(yíng)計(jì)劃與本次地震有關(guān)。其中，地震影響范圍內(nèi)的11個(gè)車次受高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)控制，有22個(gè)車次在地震發(fā)生時(shí)正在站內(nèi)?？?，其余的230個(gè)車次若采取本文的處置策略，駛離地震影響范圍可保持計(jì)劃運(yùn)行的車次151個(gè)，計(jì)劃進(jìn)入受地震影響范圍可運(yùn)行至進(jìn)入京滬高速鐵路前最后一個(gè)計(jì)劃車站的車次52個(gè)，可就近?？寇囌镜能嚧?4個(gè)，需跨越一個(gè)車站停至下一車站的車次3個(gè)。

3 結(jié)束語(yǔ)

研究針對(duì)地震影響范圍外列車精準(zhǔn)處置、優(yōu)化運(yùn)行的需求，提出一種補(bǔ)充高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)處置方式的處置策略，并通過(guò)編程對(duì)處置策略進(jìn)行建模仿真。通過(guò)京滬高速鐵路實(shí)例驗(yàn)證表明，該處置策略可以根據(jù)車站容納能力確定地震影響范圍外列車的震后行車方案，兼顧地震災(zāi)害發(fā)生后列車的安全和運(yùn)行效率，減少地震對(duì)影響范圍外列車的運(yùn)行，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。下一步將對(duì)該處置策略的響應(yīng)時(shí)間、傳輸時(shí)延、模型有效性等進(jìn)行深入分析，為其嵌入高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。