CN110728069A - 一种铁路特长隧道应急救援站的选址方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铁路施工设计技术领域，具体涉及一种铁路特长隧道应急救援站的选址方法及系统。包括以下步骤：S11.读取选址约束参数；S12.构建救援站的最大设置距离计算模型，并计算出救援站的最大设置距离；S13.读取选址决定参数；S14.构建选址模型，通过选址模型计算出最优选址方案。本发明分析得到了基于不同线路类型、列车类型的隧道相邻应急救援站最大设置距离，使得计算出的相邻应急救援站最大设置距离更加贴合实际线路。本发明综合考虑了线路条件、运营车型、救援站备选点位置、备选点间隔距离、应急救援站建设成本等，建模过程方便简单、建模标准统一，方法计算效率高，方法真实可靠，方法考虑因素全面，具有很好的操作性、通用性和可重用性。

Description

一种铁路特长隧道应急救援站的选址方法及系统

技术领域

本发明涉及铁路施工设计技术领域，具体涉及一种铁路特长隧道应急救援站的选址方法及系统。

背景技术

隧道群是相邻隧道洞口间距小于一列旅客列车长度的一组隧道。隧道内事故分3种。热事故:火灾、由于火灾引发的爆炸、有毒烟雾或气体的释放；冷事故:撞车,脱轨；持续停车。

研究认为，与脱轨等冷事故相比，铁路特长隧道为管道状，空间狭小，火灾蔓延速度快，排烟困难，洞内可视性差、方向感混乱，着火列车停在隧道内时，乘客疏散避难和救援困难。《国际铁路联盟规程》也认为隧道内主要危险是火灾、撞车及出轨。由于可能引起灾难性的后果，旅客列车火灾被认为是非常严重的危险，建议的安全措施集中在这类事故。

因此，针对旅客列车火灾，即热事故，需要建立铁路特长隧道防灾疏散救援工程，如应急救援站。

目前，针对隧道防灾应急疏散工程设计的研究较多，这些文章通过定性分析提出了应急救援站选址方案，但是对于应急救援站的选址模型的研究较少，且相邻应急救援站最大设置距离均按照20km来检验，而没有根据不同线路条件和运营车辆来设定相邻应急救援站最大设置距离。

发明内容

本发明目提供了一种铁路特长隧道应急救援站的选址方法及系统，解决了现有技术中没有科学合理设置应急救援站的问题。

本发明所采用的技术方案为：

一种铁路特长隧道应急救援站的选址方法，所述方法包括以下步骤：

S11.读取选址约束参数，所述选址影响参数包括：火灾从开始至发展到危险状态的时间、下车疏散时间、列车从发生火灾地点运行到救援站的平均速度和列车的制动距离；

S12.用读取的选址影响参数构建救援站的最大设置距离计算模型，并计算出救援站的最大设置距离；

S13.读取选址决定参数，所述选址决定参数包括：最大设置距离、拟设置的救援站数量、可供选择的备选救援站数量、每个备选救援站的建设成本和备选救援站之间的间隔距离；

S14.用读取的选址决定参数构建选址模型，通过选址模型计算出最优选址方案。

进一步地，所述救援站的最大设置距离计算模型中，包括以下公式：

X＝(t-t_下车)×v₁-L_制动 (1)

公式(1)中，t为火灾从开始至发展到危险状态的时间，t_下车为下车疏散时间，v₁为列车从发生火灾地点运行到救援站的平均速度，L_制动列车的制动距离，X为救援站的最大设置距离。

进一步地，所述选址模型中，包括以下公式：

公式(2)、(3)、(4)、(5)中，Z为目标函数，表示在满足救援站设置距离标准的前提下，救援站建设成本最小，k为选址方案中救援站的数量，m为可供选择的备选救援站数量，x_i为第i个救援站(i＝1，2，...m)，y_i为第i个救援站的建设成本(i＝1，2，...m)，d_i，j为救援站x_i和x_j之间的距离，X为救援站的最大设置距离。

进一步地，所述通过选址模型得到最优选址的方法包括以下步骤：

S141.将各备选救援站通过直线进行连接，得到备选救援站网络图；

S142.计算两个相邻备选救援站之间线段的长度，得到各相邻备选救援站之间的距离；

S143.获取所述各相邻备选救援站之间的距离；

S144.通过获取到的各相邻备选救援站之间的距离，通过公式(2)至公式(5)，计算出两车站及其中间各备选救援站中，任意两者之间的距离；以两车站为端点向中间寻找与车站相邻的救援站，如果与两端点相邻的两个救援站之间的距离大于救援站的最大设置距离，则将这两个救援站作为端点，继续向中间寻找与两端点相邻的应急救援站，直至与两端点相邻的两个应急救援站之间的距离不超过救援站的最大设置距离，此时得到的救援站备选点方案就是一个可行方案；若可行方案数大于一个，则根据救援站设置原则与目前将所有可行方案进行比较，最终选出最优选址方案。

进一步地，所述步骤S144包括以下步骤：

S1441.令备用地点的数量k＝0，求解两车站及其中间各备选点构成的顶点中任意2个点之间的距离，并构造距离矩阵E1＝[e_ij]；

S1442.令两车站分别为x₁和x_n，若d_1，n≤X，则这两个车站之间无需设置应急救援站，进入步骤S1446，若d_1，n＞X，进入步骤S1443；

S1443.去除任意2个点之间的距离超过X的值，得到新的矩阵；

S1444.从x₁和x_n两端分别分析其相邻救援站x_i和x_j(i≠1，j≠n)的位置；

S1445.若存在d_i，j小于或等于X，则得到可行方案，若d_i，j＝0，则令k＝k+1，若d_i，j＞0，则令k＝k+2，进入步骤S1446，否则令x_i＝x₁，x_j＝x_n，重复步骤S1443；

S1446.若得到一个可行方案，则记录该方案；若可行方案数大于一个，则根据各方案得到的相邻救援站的距离方差大小进行比较，方差越小，则所得方案中救援站设置距离越均匀，方案越合理。

一种铁路特长隧道应急救援站的选址系统，所述系统包括：

第一输入模块，用于读取选址约束参数，所述选址影响参数包括：火灾从开始至发展到危险状态的时间、下车疏散时间、列车从发生火灾地点运行到救援站的平均速度和列车的制动距离；

第一计算模块，用于用读取的选址影响参数构建救援站的最大设置距离计算模型，并计算出救援站的最大设置距离；

第二输入模块，用于读取选址决定参数，所述选址决定参数包括：最大设置距离、拟设置的救援站数量、可供选择的备选救援站数量、每个备选救援站的建设成本和备选救援站之间的间隔距离；

第二计算模块，用读取的选址决定参数构建选址模型，通过选址模型计算出最优选址方案。

进一步地，所述系统还包括：

第三计算模块，用于将各备选救援站通过直线进行连接，得到备选救援站网络图；

第四计算模块，用于计算两个相邻备选救援站之间线段的长度，得到各相邻备选救援站之间的距离；

第三输入模块，获取所述各相邻备选救援站之间的距离；

第五计算模块，用于通过获取到的各相邻备选救援站之间的距离，通过公式(2)至公式(5)，计算出两车站及其中间各备选救援站中，任意两者之间的距离；以两车站为端点向中间寻找与车站相邻的救援站，如果与两端点相邻的两个救援站之间的距离大于救援站的最大设置距离，则将这两个救援站作为端点，继续向中间寻找与两端点相邻的应急救援站，直至与两端点相邻的两个应急救援站之间的距离不超过救援站的最大设置距离，此时得到的救援站备选点方案就是一个可行方案；若可行方案数大于一个，则根据救援站设置原则与目前将所有可行方案进行比较，最终选出最优选址方案。

本发明的有益效果为：

本发明分析得到了基于不同线路类型、列车类型的隧道相邻应急救援站最大设置距离，使得计算出的相邻应急救援站最大设置距离更加贴合实际线路。本发明综合考虑了线路条件、运营车型、救援站备选点位置、备选点间隔距离、应急救援站建设成本等，建模过程方便简单、建模标准统一，方法计算效率高，方法真实可靠，方法考虑因素全面，具有很好的操作性、通用性和可重用性。

附图说明

图1是本发明实施例2中所述的铁路特长隧道应急救援站的选址系统结构示意图；

图2是本发明实施例1中所述的动车组发生火灾时距离前方救援站的距离小于制动距离示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

实施例1

1、一种铁路特长隧道应急救援站的选址方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S11.读取选址约束参数，所述选址影响参数包括：火灾从开始至发展到危险状态的时间、下车疏散时间、列车从发生火灾地点运行到救援站的平均速度和列车的制动距离；

S12.用读取的选址影响参数构建救援站的最大设置距离计算模型，并计算出救援站的最大设置距离；

S13.读取选址决定参数，所述选址决定参数包括：最大设置距离、拟设置的救援站数量、可供选择的备选救援站数量、每个备选救援站的建设成本和备选救援站之间的间隔距离；

S14.用读取的选址决定参数构建选址模型，通过选址模型计算出最优选址方案。

为了保证动车组发生火灾后车上所有人员能够疏散到安全地点，首先要保证事故列车能够运行至救援站，其次还要保证火灾蔓延至危险状态之前，动车上所有人员已经疏散到安全地点。因此影响救援站的设置距离的主要因素有：事故列车的残余运行能力和救援疏散时间，其中事故列车的残余运行能力受列车残余运行速度和运行时间影响，救援疏散时间则依据下式得到：

必须的安全疏散时间＝动车组运行时间+下车疏散时间(其中火灾探测时间和预动作时间包含在运行时间之内)。

两相邻救援站设置距离主要考虑以下两种情况：

当动车组发生火灾地点距离前方救援站的距离小于制动距离时，动车组即使立即制动也不能在前方最近救援站停下，因此需运行至前方次近的救援站进行救援。当动车组距离前方救援站的距离大于等于制动距离时，动车组可以运行至前方最近救援站。这两种情况中，第一种情况所求的最大设置距离可以满足第二种情况，因此考虑第一种情况即可。

当动车组发生火灾地点距离前方救援站的距离小于制动距离时，动车组可以根据发生火灾地点距离前方次近救援站的距离运行一段时间后再制动停车，如图2所示，此时两相邻救援站的设置距离有如下限制：

0≤X≤L_1-L (6)

t₁+t_下车≤t (7)

L₁＝v₁×t (9)

公式(6)是两相邻救援站设置距离约束，该式保证了在动车组发生火灾后能够继续运行的情况下，动车组具有运行至救援站的能力。

公式(7)是安全时间约束，该式保证动车组在运行时火灾不会蔓延至危险状态。

公式(8)是动车组运行时间计算公式。

公式(9)是动车组发生火灾后最多能运行的距离计算公式。

将以上三个约束条件化简可得：

0＜X≤(t-t_下车)×v₁-L (10)

当动车组发生火灾地点距离前方最近救援站的距离L小于制动距离L_制动但无限接近制动距离L_制动时，动车组无法停在前方最近救援站，需要运行至前方次近救援站进行人员疏散，是动车组发生火灾能继续行走时很不利的情况，此时可以近似认为L＝L_制动，因此两相邻救援站的设置距离约束为：

0＜X≤(t-t_下车)×v₁-L_制动 (11)

因此，可得两相邻救援站最大距离公式：

X＝(t-t_下车)×v₁-L_制动 (1)

上述公式中，t为火灾从开始至发展到危险状态的时间，日本在发生北陆隧道列车火灾事件后，于1974年10月在宫古线猿山卡山隧道进行了带火列车运行试验，该实验的资料表明：一定条件下，在保证1节车厢内的火灾不向其他车厢蔓延继续运行可能的时间约15min；瑞土中南部格劳宾登州的圣哥达隧道,对着火列车的残余运行时间进行了模拟分析,模拟分析的列车火灾后残余运行时间绝大多数在1000s～1400s之间,保守考虑则在15min～20min之间。即:绝大多数情况下，列车着火后可以运行15min～20min。与国外旅客列车相比，我国的旅客列车车辆的制造材质不同，火灾从开始至发展到危险状态的时间取保守值15min。

t_下车为下车疏散时间，车上所有人员全部疏散到安全地点的时间。下车疏散时间，即车上所有人员全部疏散到安全地点所用的时间。可以采用英国格林威治大学开发buildingEXODUS软件仿真得到下车疏散时间。

v₁为列车从发生火灾地点运行到救援站的平均速度，防灾疏散研究只按照在同一段时间内,同一列列车只有1处动力车发生火灾，也就是列车丧失1/4的动力。根据列车的故障运行能力,发生火灾后丧失动力比例最大的列车为4M+4T,在牵引传动系统采用车控的情况下,当动力损失1/4时，剩余的运行能力相当于3M+5T。针对具体线路具体车型可以得到其在丧失1/4动力情况下的均衡速度，进而推断出其在丧失1/4动力情况下的残余运行速度。若残余运行速度不小于120km/h，v₁可取120km/h，若残余运行速度小于120Km/h，v₁可取参与运行速度。

L_制动列车的制动距离，依据线路坡度、列车型号、运行速度和制动系数可计算可到列车制动距离。

X为救援站的最大设置距离。

L为列车发生火灾地点距离前方救援站的距离。

L₁为列车发生火灾后最多能运行的距离。与列车从发生火灾地点运行到救援站的平均速度和火灾从开始至发展到危险状态的时间密切相关。

t₁为列车从发生火灾地点运行到救援站的时间。为了在火灾蔓延至危险状态之前，保证列车上所有人员全部疏散下车，t₁应当小于火灾从开始至发展到危险状态的时间与车上所有人员全部疏散到安全地点所用时间的差值。

所述选址模型中，包括以下公式：

公式(2)、(3)、(4)、(5)中，Z为目标函数，表示在满足救援站设置距离标准的前提下，救援站建设成本最小，k为选址方案中救援站的数量，m为可供选择的备选救援站数量，x_i为第i个救援站(i＝1，2，...m)，y_i为第i个救援站的建设成本(i＝1，2，...m)，d_i，j为救援站x_i和x_j之间的距离，X为救援站的最大设置距离。

所述通过选址模型得到最优选址的方法包括以下步骤：

S141.将各备选救援站通过直线进行连接，得到备选救援站网络图；

S142.计算两个相邻备选救援站之间线段的长度，得到各相邻备选救援站之间的距离；

S143.获取所述各相邻备选救援站之间的距离；

S144.通过获取到的各相邻备选救援站之间的距离，通过公式(2)至公式(5)，计算出两车站及其中间各备选救援站中，任意两者之间的距离；以两车站为端点向中间寻找与车站相邻的救援站，如果与两端点相邻的两个救援站之间的距离大于救援站的最大设置距离，则将这两个救援站作为端点，继续向中间寻找与两端点相邻的应急救援站，直至与两端点相邻的两个应急救援站之间的距离不超过救援站的最大设置距离，此时得到的救援站备选点方案就是一个可行方案；若可行方案数大于一个，则根据救援站设置原则与目前将所有可行方案进行比较，最终选出最优选址方案。

所述步骤S144包括以下步骤：

S1441.令备用地点的数量k＝0，求解两车站及其中间各备选点构成的顶点中任意2个点之间的距离，并构造距离矩阵E1＝[e_ij]；

S1442.令两车站分别为x₁和x_n，若d_1，n≤X，则这两个车站之间无需设置应急救援站，进入步骤S1446，若d_1，n＞X，进入步骤S1443；

S1443.去除任意2个点之间的距离超过X的值，得到新的矩阵；

S1444.从x₁和x_n两端分别分析其相邻救援站x_i和x_j(i≠1，j≠n)的位置；

S1445.若存在d_i，j小于或等于X，则得到可行方案，若d_i，j＝0，则令k＝k+1，若d_i，j＞0，则令k＝k+2，进入步骤S1446，否则令x_i＝x₁，x_j＝x_n，重复步骤S1443；

S1446.若得到一个可行方案，则记录该方案；若可行方案数大于一个，则根据各方案得到的相邻救援站的距离方差大小进行比较，方差越小，则所得方案中救援站设置距离越均匀，方案越合理。

实施例2

本实施例公开了一种铁路特长隧道应急救援站的选址系统，所述系统包括：

第一输入模块，用于读取选址约束参数，所述选址影响参数包括：火灾从开始至发展到危险状态的时间、下车疏散时间、列车从发生火灾地点运行到救援站的平均速度和列车的制动距离；

第一计算模块，用于用读取的选址影响参数构建救援站的最大设置距离计算模型，并计算出救援站的最大设置距离；

第二输入模块，用于读取选址决定参数，所述选址决定参数包括：最大设置距离、拟设置的救援站数量、可供选择的备选救援站数量、每个备选救援站的建设成本和备选救援站之间的间隔距离；

第二计算模块，用读取的选址决定参数构建选址模型，通过选址模型计算出最优选址方案。

第三计算模块，用于将各备选救援站通过直线进行连接，得到备选救援站网络图；

第四计算模块，用于计算两个相邻备选救援站之间线段的长度，得到各相邻备选救援站之间的距离；

第三输入模块，获取所述各相邻备选救援站之间的距离；

第五计算模块，用于通过获取到的各相邻备选救援站之间的距离，通过公式(2)至公式(5)，计算出两车站及其中间各备选救援站中，任意两者之间的距离；以两车站为端点向中间寻找与车站相邻的救援站，如果与两端点相邻的两个救援站之间的距离大于救援站的最大设置距离，则将这两个救援站作为端点，继续向中间寻找与两端点相邻的应急救援站，直至与两端点相邻的两个应急救援站之间的距离不超过救援站的最大设置距离，此时得到的救援站备选点方案就是一个可行方案；若可行方案数大于一个，则根据救援站设置原则与目前将所有可行方案进行比较，最终选出最优选址方案。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种铁路特长隧道应急救援站的选址方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S11.读取选址约束参数，所述选址影响参数包括：火灾从开始至发展到危险状态的时间、下车疏散时间、列车从发生火灾地点运行到救援站的平均速度和列车的制动距离；

S12.用读取的选址影响参数构建救援站的最大设置距离计算模型，并计算出救援站的最大设置距离；

S13.读取选址决定参数，所述选址决定参数包括：最大设置距离、拟设置的救援站数量、可供选择的备选救援站数量、每个备选救援站的建设成本和备选救援站之间的间隔距离；

S14.用读取的选址决定参数构建选址模型，通过选址模型计算出最优选址方案。

2.根据权利要求1中所述的铁路特长隧道应急救援站的选址方法，其特征在于，所述救援站的最大设置距离计算模型中，包括以下公式：

X＝(t-t_下车)×v₁-L_制动 (1)

公式(1)中，t为火灾从开始至发展到危险状态的时间，t_下车为下车疏散时间，v₁为列车从发生火灾地点运行到救援站的平均速度，L_制动列车的制动距离，X为救援站的最大设置距离。

3.根据权利要求1中所述的铁路特长隧道应急救援站的选址方法，其特征在于，所述选址模型中，包括以下公式：

公式(2)、(3)、(4)、(5)中，Z为目标函数，表示在满足救援站设置距离标准的前提下，救援站建设成本最小，k为选址方案中救援站的数量，m为可供选择的备选救援站数量，x_i为第i个救援站(i＝1，2，...m)，y_i为第i个救援站的建设成本(i＝1，2，...m)，d_ij为救援站x_i和x_j之间的距离，X为救援站的最大设置距离。

4.根据权利要求3中所述的铁路特长隧道应急救援站的选址方法，其特征在于，所述通过选址模型得到最优选址的方法包括以下步骤：

S141.将各备选救援站通过直线进行连接，得到备选救援站网络图；

S142.计算两个相邻备选救援站之间线段的长度，得到各相邻备选救援站之间的距离；

S143.获取所述各相邻备选救援站之间的距离；

S144.通过获取到的各相邻备选救援站之间的距离，通过公式(2)至公式(5)，计算出两车站及其中间各备选救援站中，任意两者之间的距离；以两车站为端点向中间寻找与车站相邻的救援站，如果与两端点相邻的两个救援站之间的距离大于救援站的最大设置距离，则将这两个救援站作为端点，继续向中间寻找与两端点相邻的应急救援站，直至与两端点相邻的两个应急救援站之间的距离不超过救援站的最大设置距离，此时得到的救援站备选点方案就是一个可行方案；若可行方案数大于一个，则根据救援站设置原则与目前将所有可行方案进行比较，最终选出最优选址方案。

5.根据权利要求4中所述的铁路特长隧道应急救援站的选址方法，其特征在于，所述步骤S144包括以下步骤：

S1441.令备用地点的数量k＝0，求解两车站及其中间各备选点构成的顶点中任意2个点之间的距离，并构造距离矩阵E1＝[e_ij]；

S1442.令两车站分别为x₁和x_n，若d_1，n≤X，则这两个车站之间无需设置应急救援站，进入步骤S1446，若d_1，n＞X，进入步骤S1443；

S1443.去除任意2个点之间的距离超过X的值，得到新的矩阵；

S1444.从x₁和x_n两端分别分析其相邻救援站x_i和x_j(i≠1，j≠n)的位置；

S1445.若存在d_i，j小于或等于X，则得到可行方案，若d_i，j＝0，则令k＝k+1，若d_i，j＞0，则令k＝k+2，进入步骤S1446，否则令x_i＝x₁，x_j＝x_n，重复步骤S1443；

S1446.若得到一个可行方案，则记录该方案；若可行方案数大于一个，则根据各方案得到的相邻救援站的距离方差大小进行比较，方差越小，则所得方案中救援站设置距离越均匀，方案越合理。

6.一种铁路特长隧道应急救援站的选址系统，其特征在于，所述系统包括：

第一输入模块，用于读取选址约束参数，所述选址影响参数包括：火灾从开始至发展到危险状态的时间、下车疏散时间、列车从发生火灾地点运行到救援站的平均速度和列车的制动距离；

第一计算模块，用于用读取的选址影响参数构建救援站的最大设置距离计算模型，并计算出救援站的最大设置距离；

第二输入模块，用于读取选址决定参数，所述选址决定参数包括：最大设置距离、拟设置的救援站数量、可供选择的备选救援站数量、每个备选救援站的建设成本和备选救援站之间的间隔距离；

第二计算模块，用读取的选址决定参数构建选址模型，通过选址模型计算出最优选址方案。

7.根据权利要求6所述的铁路特长隧道应急救援站的选址系统，其特征在于，所述系统还包括：

第三计算模块，用于将各备选救援站通过直线进行连接，得到备选救援站网络图；

第四计算模块，用于计算两个相邻备选救援站之间线段的长度，得到各相邻备选救援站之间的距离；

第三输入模块，获取所述各相邻备选救援站之间的距离；

第五计算模块，用于通过获取到的各相邻备选救援站之间的距离，通过公式(2)至公式(5)，计算出两车站及其中间各备选救援站中，任意两者之间的距离；以两车站为端点向中间寻找与车站相邻的救援站，如果与两端点相邻的两个救援站之间的距离大于救援站的最大设置距离，则将这两个救援站作为端点，继续向中间寻找与两端点相邻的应急救援站，直至与两端点相邻的两个应急救援站之间的距离不超过救援站的最大设置距离，此时得到的救援站备选点方案就是一个可行方案；若可行方案数大于一个，则根据救援站设置原则与目前将所有可行方案进行比较，最终选出最优选址方案。

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