基于可靠性計算的編組站車流預估方法研究

姚宇峰

（北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044)

0 引言

編組站階段計劃作為編組站工作計劃的組成部分，對車站運輸相關工作具有重要指導作用，涵蓋了多方面的車站生產(chǎn)作業(yè)，在編制階段計劃時需要綜合考慮出發(fā)列車的車流來源、調(diào)車機車運用計劃和到發(fā)線運用計劃。編制高效高質(zhì)量的編組站階段計劃既可以用于指導編組站的日班計劃工作，也可以用于指導編組站的車站生產(chǎn)作業(yè)計劃，對車站順利完成日班計劃至關重要。

車流推算作為階段計劃編制中的一個重要環(huán)節(jié)，也是階段計劃自動編制中的一個難點。實際運行中預報獲得的到達車流和到達時間的不確定性直接影響著車流推算的準確程度，造成遠期車流預測準確率低[1]。此外，考慮到我國鐵路網(wǎng)資源存在分布不均衡的現(xiàn)象，會進一步導致鐵路運行的車流不均衡，在一定程度上增加了車流推算工作的復雜性[2]。目前，國內(nèi)針對車流推算模型的準確性進行了多項相關研究，Liu[3]研究車流推算過程的多種干擾因素，構建了多目標隨機機會約束模糊模型；Jing 等[4]結(jié)合改進的蟻群算法提出了一種改進的車流推算模型；王斌等[5]結(jié)合中國鐵路總公司數(shù)據(jù)中心收集匯總的車輛實時狀態(tài)信息提出了一種基于流計算的車流推算模型。

在相關研究基礎上，為有效提高車流推算的準確性，研究提出一種依據(jù)實際列車的到達統(tǒng)計評價預報中車流可靠性和列車到達時刻準確性的方法，根據(jù)評價結(jié)果對車流進行推算，以達到推算得出的出發(fā)車流可以得到有效保障的目的。階段計劃自動編制系統(tǒng)可根據(jù)研究方案推算出一個階段內(nèi)站內(nèi)剩余車流和未來到達車流可以編成的出發(fā)車流方案[6-7]，在車流方案基礎上綜合調(diào)機能力、到發(fā)線能力推算得到出發(fā)計劃，從而提高自動編制的階段計劃的可用性，使其成為可兌現(xiàn)、可信賴的階段計劃。另外，通過研究方案推算出的車流分配計劃也可以展示出未來一個階段內(nèi)系統(tǒng)對站內(nèi)車流的推測[8]，方便管理人員及時對計劃進行跟蹤與調(diào)整。

1 車流可靠性的研究

研究提出一種編組站到達車流評價的模型與算法，將編組站到達車流定義成一種與時間相關的動態(tài)資源[5]，從可靠性參數(shù)及平均運行時間2 個方面來進行統(tǒng)計分析，隨著實際使用中收集到的運行信息和推算進度動態(tài)地調(diào)整資源池，進一步輔助系統(tǒng)綜合運行圖、編組計劃和現(xiàn)階段出發(fā)計劃等信息自動推算出合理的出發(fā)車流分配方案。

（1）車流的定義。已裝配貨物的貨車具有一定的到站，無裝配貨物的空車即使沒有確定的到站，也具有排空方向。因此，貨車只要處于運用狀態(tài)，無論重車或者空車都具有明確的去向。車流都是針對貨車而言，其定義為：鐵路運送的具有一定去向的車輛的集合。通常采用“車流量”這一指標來表示車流的大小，實際運用中通常以一天接、發(fā)或通過的車輛數(shù)來統(tǒng)計。車流本身又可進一步劃分為重車流(車流移動方向為裝車站到卸車站)和空車流(車流移動方向為卸車站到裝車站)。

（2）車流的關注要素。針對貨車而言，重點關注車流量、車流到達時間和車流去向等要素。①車流量。車流量直接體現(xiàn)了車流的大小，作為最重要的統(tǒng)計指標，有量才有流。②車流到達時間。車流具有明確規(guī)定的到發(fā)時間，只有一定時間段內(nèi)車流的到達時間評估準確才能有效保障車流推算的準確性并用于編制運輸計劃。③車流去向。車流具有明確規(guī)定的運行方向，實際運用中各站點可以以發(fā)報站、方向組號為單位進行劃分統(tǒng)計。

（3）車流推算模型的關注目標及約束條件。在保證列車能夠按照列車運行圖規(guī)定時刻正點發(fā)車的基礎上，以實現(xiàn)在站停留車輛的總停留時間最小為求解目標。同時需要符合以下原則：①空車和重車通常需分別按車種、到站相同來進行歸類；②需同時滿足車流的時間接續(xù)和列車滿軸的約束條件；③需兼顧考慮調(diào)車場車輛的集結(jié)過程，優(yōu)先選擇列車開始編組前已經(jīng)解體到調(diào)車場的車輛作為車流來源。

1.1 車流可靠性參數(shù)評估

雖然通過預報得到的到達車輛存在不準確的問題，但作為未到車流的唯一信息來源，中遠期的階段計劃推算中預報信息又是不可或缺的。在眾多的預報中找出準確率更高的預報作為推算車流的信息來源，無疑會為提高階段計劃的準確性提供有利的幫助，因而將預報按照發(fā)報站、方向組號單位進行可靠性統(tǒng)計，通過不斷累積的可靠性統(tǒng)計結(jié)果作為判斷依據(jù)，在推算車流時首先進行預報的可靠性計算，采信可靠性較高的部分預報信息來推算到達車流，使得輸入的到達車流計劃更加準確有效。

1.1.1 工作流程

系統(tǒng)的工作流程為：初始化以發(fā)報站、方向組號為統(tǒng)計單位的車流可靠性參數(shù)，然后依次接收到達列車的預報信息和到達列車的確報信息，對于相同的列車將確報信息和沿途的預報信息循環(huán)進行比較和計算，進一步更新車流可靠性參數(shù)。車流可靠性評價參數(shù)計算過程如圖1 所示。

圖1 車流可靠性評價參數(shù)計算過程Fig.1 Calculation process of traffic flow reliability parameters

1.1.2 模型定義

為了計算得到預報車流的可靠性參數(shù)，將車流的可靠性按照發(fā)報車站、車流組號為單位進行分析統(tǒng)計，得到各站發(fā)出的預報內(nèi)容在到達本站時車流的可靠性參數(shù)以方便后續(xù)計算。定義t時刻的預報車流信息可靠性的計算公式為

式中：Dzf(t)為t時刻發(fā)報站z且方向組號為f的預報車流信息可靠性，取值范圍[0，1]，初始化取值為1；α為收縮系數(shù)，取值范圍[0，1]，默認0.5，可配置；DBzf(t)為t時刻發(fā)報站z且方向組號f的確報車輛數(shù)，輛；YBzf(t)為t時刻發(fā)報站z且方向組號f的預報車輛數(shù)，輛。

1.1.3 模型計算

每次接收到列車到達信息時，通過確報信息和到達計劃取得沿途所有預報信息進行比較和運算，循環(huán)計算各站的預報中各方向車流的可靠性，車流可靠性評價參數(shù)動態(tài)更新如圖2 所示。

圖2 車流可靠性評價參數(shù)動態(tài)更新Fig.2 Dynamic update of traffic flow reliability parameters

1.2 列車平均運行時間評估

影響車流自動推算的另一個因素是時間因素，列車到達時間的準確性會直接影響出發(fā)計劃的兌現(xiàn)率，影響調(diào)機計劃的編制與安排。為了確保出發(fā)列車的準點率，保障調(diào)機計劃的兌現(xiàn)率，減少階段計劃的調(diào)整工作，考慮利用預報的發(fā)報時間對到達列車的到達時間進行預判和約束?；跉v史數(shù)據(jù)，對各站發(fā)報時間和實際到達時間進行比較計算，統(tǒng)計計算出最近一個時間段內(nèi)各站至本站的平均運行時間，利用平均運行時間和預報的發(fā)報時間來預測到達時間，并且由預測的到達時間同計劃到達時間綜合得到對出發(fā)列車影響更小的列車到達時間。

1.2.1 工作流程

系統(tǒng)的工作流程為：初始化以發(fā)報站、方向組號為統(tǒng)計單位的列車平均運行時間，然后依次接收列車預報信息和列車確報信息，之后進行循環(huán)比較和計算，進一步更新列車平均運行時間參數(shù)，列車平均運行時間計算過程 如圖3 所示。

圖3 列車平均運行時間計算過程Fig.3 Calculation of average running time of trains

1.2.2 模型定義

為了預測到達時間，將到達列車的預報、確報數(shù)據(jù)按照發(fā)報車站、方向組號為單位進行分析統(tǒng)計，得到站間平均運行時間以方便后續(xù)計算。

定義t時刻的預報列車平均運行時間計算公式為

式中：VTzf(t)為t時刻發(fā)報站z且方向組號為f的預報列車平均運行時間，s，初始化取值為預報運行時間；β代表收縮系數(shù)，取值范圍[0，1]，默認0.5，可配置；FBTzf(t)代表t時刻發(fā)報站z且方向組號f的列車預報運行時間，s；RTzf(t)代表t時刻發(fā)報站z且方向組號f的列車實際到達運行時間，s。

1.2.3 模型計算

每次接收到列車到達信息時，通過確報信息和到達計劃取得沿途所有預報信息進行運算，循環(huán)計算各站到本站的平均運行時間，列車平均運行時間動態(tài)更新如圖4 所示。

圖4 列車平均運行時間動態(tài)更新Fig.4 Dynamic update of average running time of trains

2 模型與算法的實現(xiàn)

車流推算時，根據(jù)一個階段內(nèi)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到的對于某車站某方向的車流可靠性參數(shù)和平均運行時間，對接收到的預報信息進行計算和處理，得到可以保證準確性的部分車流信息，參與后續(xù)的車流推算過程。

2.1 車流結(jié)存數(shù)據(jù)結(jié)構設計

設計存儲為以(發(fā)報站Zi、方向組號Fj)為主鍵的時間序列數(shù)據(jù)，其中i= 0，1，2，…，m，代表m個發(fā)報站，j= 0，1，2，…，n，代表n個方向組號列車，車流可靠性參數(shù)存儲表如表1 所示，列車平均運行時間存儲表如表2 所示。

表1 車流可靠性參數(shù)存儲表Tab.1 Storage table of traffic flow reliability parameters

表2 列車平均運行時間存儲表Tab.2 Storage table of average running time of trains

2.2 車流可靠性參數(shù)計算

系統(tǒng)初始啟動時設置Dzf為默認值，之后，隨著接收到的最新車流信息計算Dzf的新值，步驟如下。

步驟1：初始化車流可靠性參數(shù)Dzf(0) = 1。

步驟2：接收預報車流數(shù)據(jù)。

步驟3：預報列車到達，更新實到車流數(shù)據(jù)。

步驟4：基于模型定義的Dzf按照公式⑴進行計算，更新車流可靠性參數(shù)Dzf(t+1)。

步驟5：等待預報車流數(shù)據(jù)，循環(huán)執(zhí)行步驟2 至步驟5。

2.3 列車平均運行時間計算

系統(tǒng)初始啟動時設置VTzf為默認值，之后，隨著接收到的最新車流信息計算VTzf的新值，步驟如下。

步驟1：初始化列車平均運行時間VTzf(0) =FBTzf。

步驟2：接收預報車流數(shù)據(jù)。

步驟3：預報列車到達，更新實到車流數(shù)據(jù)。

步驟4：基于模型定義的VTzf按照公式 ⑵ 進行計算，更新平均運行時間VTzf(t+ 1)。

步驟5：等待預報車流數(shù)據(jù)，循環(huán)執(zhí)行步驟2至步驟5。

2.4 預報中可用車流計算

車流推算過程中，到達車數(shù)預估的步驟如下。

步驟1：根據(jù)預報的發(fā)報站和預報中方向號取得車流可靠性參數(shù)Dzf。

步驟2：預報中該車流可用車數(shù)=預報中該方向車數(shù)×Dzf。

步驟3：使用步驟2 得出的該預報中所有方向號對應的可用車數(shù)作為到達車數(shù)進行車流推算。

2.5 列車到達時間計算

車流推算過程中，列車計劃到達時間預估的步驟如下。

步驟1：根據(jù)預報的發(fā)報站和預報中方向號取得列車平均運行時間VTzf。

步驟2：循環(huán)所有預報中的方向號取得最長的列車平均運行時間max (VTzf)。

步驟3：預計到達時間=預報的發(fā)報時間+最長平均運行時間max (VTzf)。

步驟4：列車計劃到達時間和步驟3 中計算得到的預計到達時間取較晚的時間作為計劃到達時間。

步驟5：使用步驟4 得出的計劃到達時間進行車流推算。

3 實例分析

3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集

收集目前站點的車流預報、車流確報數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫存儲關鍵字段說明如表3 所示。車流預報數(shù)據(jù)示例如圖5 所示，車流確報數(shù)據(jù)示例如圖6所示。

圖5 車流預報數(shù)據(jù)示例Fig.5 Sample of traffic flow forecast data

圖6 車流確報數(shù)據(jù)示例Fig.6 Sample of actual traffic flow data

表3 數(shù)據(jù)庫存儲關鍵字段說明Tab.3 Description table for database key fields

3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)計算

以發(fā)報站為X 站，發(fā)站為X 站、到站為C 站的車次為例，說明車流可靠性Dzf、列車平均運行時間VTzf的計算。

通過記錄車次分別為40564，40562，40554，40552，40557，40555 和40559 的7 趟列車，其方向號主要為7，8 和70，車流可靠性參數(shù)計算如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)該發(fā)報站此3 個方向號的可靠性均比較高。因此，說明本站在接收到X 站發(fā)出的預報時，可以直接使用預報中的車流進行車流推算操作，所得到的結(jié)果中車流偏差比較小。

圖7 車流可靠性參數(shù)計算Fig.7 Calculation of traffic flow reliability parameters

通過記錄從2021-01-06 至2021-01-21 合計15 次的40564 車次運行情況，列車平均運行時間計算如圖8 所示，可以發(fā)現(xiàn)平均運行時間對預報時間做了修正，更具有參考性。通過預報的發(fā)報時間+本次列車包含方向的平均運行時間中最長的時間得到預計到達時間，在預計到達時間和計劃到達時間中取最大值作為車流推算中的列車到達時間。

圖8 列車平均運行時間計算Fig.8 Calculation of average running time of trains

3.3 系統(tǒng)使用情況分析

通過對系統(tǒng)在站內(nèi)運行一段時間的數(shù)據(jù)進行分析，車流推算系統(tǒng)相較之前準確度有所提升，主要體現(xiàn)在遠期車流預測方面，特別是針對個別可靠性偏低的站點，改善效果較為明顯。原車流推算系統(tǒng)未考慮沿途站點的車輛可靠性指標，如果遇到車輛預報與車輛確報不一致的情況，只能由調(diào)度員手工調(diào)整階段計劃，相對能準確制定后續(xù)2 ～ 3 h 的作業(yè)計劃，新系統(tǒng)因納入了車輛可靠性指標，相當于提前考慮了異常情況，使得階段計劃的準確率提升，盡量減少了計劃的調(diào)整次數(shù)，相對能準確制定后續(xù)3 ～ 4 h 的作業(yè)計劃。隨著系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的逐步積累，今后還將有進一步的優(yōu)化空間。

4 結(jié)論

車流推算計算復雜，特別是到發(fā)車輛的運行數(shù)據(jù)直接影響到推算結(jié)果的準確性。通過結(jié)合車流可靠性的計算方法，隨著系統(tǒng)運行動態(tài)維護到發(fā)車輛數(shù)據(jù)，可以有效提高車流推算的準確程度，提高自動編制的階段計劃的可用性，使得自動編制的階段計劃成為可兌現(xiàn)、可信賴的階段計劃。系統(tǒng)包括以下典型的技術優(yōu)勢。

（1）提升編組站資源的使用效率。通過自動編制的階段計劃來指導編組站的運輸生產(chǎn)任務，合理調(diào)動站內(nèi)資源及部署生產(chǎn)相關的作業(yè)人員，有效實現(xiàn)站間的車流高效接續(xù)和運力資源的合理配置。

（2）實現(xiàn)編組站車流量的動態(tài)預測。通過對編組站到發(fā)車流量進行動態(tài)跟蹤及預測，進一步有效指導調(diào)度基于當前車流量情況進行方案的調(diào)整。

（3）實現(xiàn)車流徑路的自動規(guī)劃。通過實時優(yōu)化調(diào)整車流的輸送徑路，實現(xiàn)車輛運行軌跡的全自動跟蹤、車輛違規(guī)運行的全自動感知及車輛貨物運送狀態(tài)的實時跟蹤。

（4）實現(xiàn)貨運的提前預警。通過對車輛貨物運送過程的全程自動跟蹤，實時分析進度數(shù)據(jù)，提前判別異常情況并發(fā)布預警信息。