CN111915221A - 一种适用于高速铁路的能力分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于高速铁路运行能力分析方法，具体包括：A.针对线路基础设施、列车模型、信号系统及运营组织参数四方面进行数据准备；B.根据进路类型的不同，进行分区的划分，具体划分为接车分区、发车分区、车站股道分区、区间分区及线路所分区5种；C.基于信号系统工作流程并结合不同作业场景，建立CTCS‑2等级及CTCS‑3等级下不同类型分区闭塞时间模型；D.高速铁路运行中瓶颈环节的能力分析：对可能出现瓶颈的汇聚线路所、车站从最不利列车间隔和最不利平均最小列车间隔两个指标来进行能力分析；E.区间‑车站一体化进行能力分析，得到最不利区间‑车站一体化运行计划。

Description

一种适用于高速铁路的能力分析方法

技术领域

本发明涉及轨道交通控制技术领域，具体涉及一种适用于高速铁路CTCS-2及CTCS-3等级下的能力分析方法，尤其涉及一种CTCS-2及CTCS-3等级下高速铁路瓶颈环节能力和区间-车站一体化能力的分析方法。

背景技术

中国列车运行控制系统(Chinese Train Control system，CTCS)是保障高速铁路行车安全、提高运能的关键技术和核心装备，CTCS-2级、CTCS-3级列车运行控制系统技术规范，在高速铁路的建设和运营中发挥了重要的作用，二者均以前方占用的闭塞分区入口处作为行车许可终点，采用准移动闭塞方式，列车占用检查由轨道电路来实现。CTCS-2级列车运行控制系统的信息传输特点为通过轨道电路传输列车占用信息，无源应答器传输预先按位置生成的固定线路信息，有源应答器传输可变信息，但仅将其布置在车站及中继站，车载设备利用这些信息计算移动授权终点，信息交互单向仅为地面到车载，行车许可由轨道电路信息发码信息提供，精确到闭塞分区为一个单位，防护距离随闭塞分区长度变化。CTCS-3级列车运行控制系统的信息传输特点为全部行车许可信息均由地面RBC设备计算并通过GSM-R发送给车载，地面应答器仅用作车载设备定位，信息双向实时交互，行车许可可以延伸到线路上的任意一点，不受闭塞分区长度限制，由于车地间通信信息量的加大，地面可以实时地向车载信号设备传递列车运行前方线路障碍物和限速情况，指导列车按线路限制条件运行，提高了列车运行安全性。

本申请的高速铁路瓶颈环节接/发车能力和区间-车站一体化能力为设计能力，衡量标准分别为瓶颈环节接/发车设计间隔(以下简称间隔)和区间-车站一体化平均设计间隔，即不考虑运营裕量的最小运行间隔。其中，对瓶颈环节接/发车间隔是在专利申请CN200910389303.X的基础上进一步改进，使其适用高速铁路CTCS-2级、CTCS-3等级下的能力分析。

车站区域站场结构比较复杂，具有大量到发线和复杂的咽喉，咽喉区的进路交叉较多，联锁关系复杂，汇聚线路所存在经由分歧道岔插入列车的汇聚作业，这些区域往往形成可能的瓶颈环节。此外，在以往的能力分析方法中，只是对区间、车站分别进行分析，而未基于一定的进路占用计划下进行一体化分析，进路的使用没有得到有效反映。目前国内设计部门依旧沿用干线铁路基于牵引计算软件的方法，而面对高速铁路能力分析的复杂性，主要存在如下问题：

(1)车站接/发车股道数量多且同一接/发车股道的进路不止一条，大型站接发车进路经常多达20余条，且线路上运行的车型种类多，如直接计算各种车型在各种可能的进路组合下的设计间隔，计算工作量将极其繁重；

(2)车站接/发车股道进路的排列随机性较强，不能指定股道进入顺序，故运行图方案不能固定股道进入顺序，只有各种可能的车型组合下各种可能的运行图方案下平均最小接发车间隔都满足设计间隔，才能保证设计间隔满足。公式计算法无法实现所有运行图接/发车方案下的能力分析；

(3)未考虑列车超速防护系统控车模型以及信号系统工作流程对能力的影响，造成实际能力与理论能力偏差过大；

(4)运输部门编制计划运行图时，依据设计部门提供的各车站瓶颈值，可参考的信息较少。

发明内容

本发明的目的在于克服现有方法的不足，针对目前高速铁路能力计算方法不够科学准确、区间和车站能力分别分析以及编图参考信息不全面的现状，提供一种不同CTCS等级下高速铁路瓶颈环节与区间车站一体化相结合的方法，不仅可以更加精确的定位全线的瓶颈环节，继而有针对地性对瓶颈环节的限制点进行能力改进；而且基于瓶颈环节最不利进路占用计划所形成的基于闭塞时间窗的区间-车站一体化运行计划，可以更加科学准确地评估线路的设计能力，直观地看到瓶颈环节及各个分区的能力裕量，为后续计划运行图编制提供有力的数据基础；同时利用该方法，在各分区闭塞时间模型中增加运营时间裕量模型，根据不同的计划需求即可形成更为科学准确的计划运行图。

本发明提供了一种适用于高速铁路CTCS-2及CTCS-3等级下的能力分析方法，该方法包括如下步骤：

A.针对线路基础设施、列车模型、信号系统及运营组织参数四方面进行数据准备；

B.基于连锁、自动闭塞设计,分析车站和区间内列车所经由的所有进路，根据进路类型的不同，进行分区的划分，具体划分为接车分区、发车分区、车站股道分区、区间分区及线路所分区5种；

C.基于信号系统工作流程并结合不同作业场景，分别建立CTCS-2等级及CTCS-3等级下不同类型分区闭塞时间模型；

D.高速铁路运行中瓶颈环节的能力分析：对可能出现瓶颈的汇聚线路所、车站从最不利列车间隔和最不利平均最小列车间隔两个指标来进行能力分析；

E.基于各可能瓶颈环节的最不利进路组合的进路占用计划，进行区间-车站一体化能力分析，得到最不利区间-车站一体化运行计划。

进一步，步骤A具体包括：

A1.基于双点线路拓扑模型对线路基础设施数据建立数据库：

线路基础设施数据主要包括线路、道岔、车站区域、坡度、曲率、线路限速点，其中线路限速点包括线路、道岔、车站、坡度及曲率限速。

A2.基于列车动力学模型建立列车静态和动态参数数据库：

静态参数主要包括最高速度、编组、列车长度及回转质量系数；动态参数主要包括牵引性能、制动性能、粘着系数。

A3.建立信号系统相关时间参数数据库及基于ATP的控车模型：

根据信号系统工作流程中处理、反应和延迟时间上的限制，建立信号系统相关时间参数数据库，主要包括车门开关时间、司机反应时间、车载和地面信号系统反应时间、联锁设备反应时间、道岔动作时间；在考虑CTCS-2级与CTCS-3级列控系统地面信号设计的基础上，建立信号机、应答器、计轴的能力分析相关信号设备数据库；并基于ATP模型建立列车控车模型。

A4.运营组织相关参数：

主要包括与时刻表规律相关的仿真发车间隔、停站时间、车站进路以及人的相关因素，人的相关因素主要包括驾驶列车时的司机反应时间、与调度相关的人工操作流程。

进一步，步骤B中的分区划分方法具体为：

B1.接车分区：①确定接车分区关键点；②根据该关键点以及进路类型、联锁条件进行接车分区的划分及合并；

B2.发车分区：①确定发车分区关键点；②根据该关键点以及进路类型、联锁条件进行发车分区的划分及合并；

B3.车站股道分区：每条股道互相平行，互不干扰，各为一个独立分区；

B4.区间分区：区间分区为区间标志牌或通过信号机划分的物理分区，起始节点、结束节点为分割该物理分区的起点和终点；

B5.线路所分区：该分区仅由线路所所在的一组道岔形成，按照B1进行该分区的划分及合并；

进一步，上述接车分区关键点包括进站信号机、反向出站信号机及轨道绝缘节或计轴；

上述发车分区关键点包括停车点、一离去标志牌及轨道绝缘节或计轴；

上述各分区的划分及合并具体原则为：若两个相邻关键点之间的区域为非道岔区域，则每两个相邻关键点形成一个分区，沿进路方向，确定该分区的起始节点和结束节点，每个分区须有且只包含一个起始节点和一个结束节点，分区内列车运行区段没有其他分区节点；

若两个相邻关键点之间的区域为道岔区域，则需考虑进路中道岔区段解锁的时机，当列车占用一个道岔区段时，组成该道岔的几个轨道区段同时为锁闭状态，除此之外，仍需考虑车站咽喉区道岔与咽喉区其他道岔间在作业上存在着互相干扰和相互妨碍的限制条件时的情况。则由同一道岔所形成的两个分区或联动道岔形成的多个分区，如具备独占性原则，需合并为一个分区。

进一步，步骤C具体包括：建立CTCS-2、CTCS-3级下不同分区类型的闭塞时间模型的时间参数主要考虑：信号系统车模型、各子系统间工作流程、信号设备反应时间以及实际作业中人机交互时间的相关时间参数，在此基础上建立各个分区的闭塞时间模型：

C1.分别建立CTCS-2级、CTCS-3级下接车分区的闭塞时间模型；

C2.分别建立CTCS-2级、CTCS-3级下发车分区的闭塞时间模型；

C3.由于车站股道分区为并行的站停作业，闭塞时间模型仅包括列车在分区的物理占用时间，因此不对其建立闭塞时间模型；

C4.分别建立CTCS-2级、CTCS-3级下区间分区的闭塞时间模型；

C5.分别建立CTCS-2级、CTCS-3级下线路所分区的闭塞时间模型。

进一步，步骤D具体包括：

D1.确定瓶颈环节最不利列车间隔；

首先，通过寻找瓶颈SRN算法，确定最不利接/发车进路组合；

然后，结合步骤A中建立的各种数据模型并利用单车仿真平台，计算各种车型在最不利进路组合下的单车仿真曲线，并调用步骤C的各种闭塞时间模型，计算列车路径在个分区的闭塞时间，得到各种车型的闭塞时间窗；

最后，基于Max-Plus Automata计算模型进行瓶颈环节能力计算，得到能力计算模型，并通过该能力计算模型分别计算各种车型在最不利进路组合下接/发车间隔，取最大值即为瓶颈环节接/发车能力的瓶颈值，并基于该最大值进行判断：如果该值小于等于线路期望的设计间隔，则任何一种基于最不利进占组合的进路占用计划都满足设计间隔，无须进行下一步计算；如果大于线路期望的设计间隔，则进一步分析上述进路占用计划的平均设计间隔。

D2.确定瓶颈环节最不利平均最小列车间隔；

首先，确定进路占用计划所涉及的进路集合R，对进路集合R采用遍历算法，得到进路集合内的所有可能的进路占用计划；

然后，结合步骤A中建立的各种数据模型以及根据步骤D1所计算出的接/发车间隔的最大值所对应的车型，即最不利车型；并利用单车仿真平台，计算最不利车型在进路占用计划下的单车仿真曲线，并调用步骤C的各种闭塞时间模型，计算列车路径在个分区的闭塞时间，得到各种车型的闭塞时间窗；

最后，基于上述能力计算模型，计算每种进路占用计划下平均接/发车间隔，输出进路集合R内最大平均接/发车间隔值，作为最不利平均最小列车间隔，并基于该间隔值进行判断：若该值小于等于设计间隔，则在对应进路集合内，任何一种进路占用计划均满足设计间隔；否则，需要对瓶颈串行进路节点SRN行分析，提出针对性改进能力的措施，继续重复本步骤进行计算。

上述能力计算模型具体算法为：

1)Max-plus Automata模型的基本运算规则

①“堆模型”的域

e＝0。

②域

上的基础运算规则：

③矩阵运算规则：对于矩阵A，B：

④特殊的运算规则：

对于一个标量a：

为简化计算，通常省略

符号：

对于集合

定义

为一个

维的列向量，其中每一个元素的值都为e。

2)Max-plus Automata模型在铁路网络中的应用

①分区

是一个五元组

其中，ρ即一个进路占用计划内的列车路径集合，B(ρ_t ^*)即ρ_t ^*的分区集合，M为表示

的态射，M(ρ_t ^*)代表|B|×|B|维的矩阵，ρ_t ^*∈ρ，

表示一个分析的进路占用计划J^*内的列车路径，s为

表示所有分区中的开始时刻，f为

表示所有分区中的结束时刻。

②分区的态射M(ρ_t ^*)_ij矩阵

M(ρ_t ^*)_ij矩阵中的元素表示路径ρ_t ^*中从i分区开始占用，至j分区结束占用时的时间间隔，若i＝j，表示列车路径ρ_t ^*的i分区的占用时间。

③列车路径的分区占用向量

其中，b为表示分区，T为表示列车t在分区b中的运行时刻，λ为表示已堆积的时间，若ρ_t ^*为进路占用计划J^*中的第一条列车路径，则表示还未产生堆积时间，λ＝0，s(ρ_t ^*)表示列车路径各分区开始占用时刻，是1×同维的向量，f(ρ_t ^*)表示列车路径各分区结束占用时刻，是1×|B|维的向量。

④进路占用计划J是在一定分析条件下形成的所有列车路径ρ_t ^r：

⑤基于一个进路占用计划J^*＝(ρ_t1 ^*，ρ_t2 ^*，ρ_t3 ^*...ρ_tG ^*)的能力占用矩阵：

⑥

是b分区的结束界限，

作为一个空计划，则进路占用J^*的结束界限为

3)能力计算

列车间隔

为最不利进路组合

下，自前车开始占用时刻至后车结束占用时刻的时间间隔：

其中，H_a表示最不利接车间隔，H_d表示最不利发车间隔。

进一步，步骤E具体包括：

F1.确定仿真设定间隔和停站时间；

E2.基于步骤D2中瓶颈环节最不利的进路占用计划形成初始区间-车站一体化运行计划；

E3.基于步骤A的数据建模，并利用单车仿真平台进行仿真，得到最不利车型在最不利的上述运行计划下的单车仿真曲线；

E4.基于步骤C的闭塞时间模型，计算各分区的闭塞时间，得到上述运行计划的闭塞时间窗；

E5.压缩两站一区间区域Q(S_j，S_j+1)：针对列车i与列车i+1，利用上述能力计算模型将上述运行计划闭塞时间窗在S_j站至S_j+1站的区间内进行压缩，并将整条列车运行曲线在全线范围内向上平移，然后进行到E6；i＝1表示自运行计划中的第一列列车开始顺次压缩，j＝1表示自始发站开始顺次压缩，从i＝1开始直至i为运行计划中最后一列车，则意味着整个运行计划压缩完成，直接转入E9；

E6.检测与调整Q(S_j+1，S_j+2)内冲突：

首先，通过计算列车i与列车i+1的闭塞重叠时间进行S_j+1站至S_j+2站区域内冲突检测；

其次，建立冲突调整算法：通过调整S_j站或S_j+1站的站停时间，以解决列车i与列车i+1冲突；

最后，在列车i与列车i+1发生越行作业时，进一步对列车i-1与列车i+1进行冲突检测与调整。

E7.j＝j+1，重复上述步骤E5-E6，完成列车i在所有车站的压缩与冲突检测；

E8.i＝i+1，重复步骤E5-E7，继续进行完成运行计划中所有列车的冲突检测与调整；

E9.整个运行计划压缩完成，形成最不利区间-车站一体化运行计划。

本发明的优点如下：

1.从信号设计角度提出一套适用于高速铁路CTCS-2、CTCS-3级下区间-车站一体化的设计能力分析方法，给出该方法计算不同区域能力的具体实现步骤和计算公式，丰富了关于铁路能力计算的理论；采用该方法形成的区间-车站一体化运行计划，能够直观地看到瓶颈环节及各个分区的能力裕量，根据不同的实际需求，可形成计划运行图编制的蓝本。

2.提出多侧线车站作业分区划分原则以解决UIC406方法的局限性；建立CTCS-2、CTCS-3级下不同分区类型和不同作业场景的闭塞时间模型，全面考虑了信号系统控车模型、子系统内部及相互之间的工作流程、相关设备的反应时间，实际工作中人机交互时间，人与人之间交互时间等；针对分区划分产生的列车多分区占用问题，引入Max-plusAutomata模型进行能力计算。通过本方法计算得到的能力精细、准确，更能符合实际要求。

3.提出高速铁路瓶颈环节和区间-车站一体化能力分析模型。针对全线可能的瓶颈环节(车站和线路所)，从最不利列车间隔和最不利平均最小列车间隔两个指标来分析；进一步将区间、车站进行一体化分析，基于闭塞时间窗采用压缩及冲突检测算法，得到最不利的区间-车站一体化运行计划，充分考虑到到发线和咽喉的合理使用，并为运营编制计划运行图提供完备的信息参考。

附图说明

图1是本发明所述能力分析方法步骤流程示意图

图2是本发明所述能力分析方法双点线路拓扑模型示意图；

图3是本发明所述能力分析方法中线路所线路拓扑模型示意图；

图4是本发明所述能力分析方法中S_j站是始发站时冲突调整策略

图5是本发明所述能力分析方法中S_j站非始发站时冲突调整策略

具体实施方式

本发明提供了一种适用于高速铁路CTCS-2及CTCS-3等级下的能力分析方法，接下来具体进行说明：

1.针对线路基础设施、列车模型、信号系统及运营组织四方面进行数据准备

1.1基于双点线路拓扑模型对线路数据建立数据库：

线路数据主要包括线路、道岔、车站区域、坡度、曲率、线路限速点(包括线路、道岔、车站、坡度及曲率限速)等。

1.2基于列车动力学模型建立列车静态和动态参数数据库：

静态参数主要包括最高速度、编组、列车长度及回转质量系数等；动态参数主要包括牵引性能、制动性能、粘着系数等。

1.3建立信号系统相关模型及数据库：

在考虑CTCS-2级与CTCS-3级列控系统地面信号设计的基础上，建立信号机、应答器、计轴等能力分析相关信号设备数据库；基于ATP模型建立列车控车模型；考虑信号系统工作流程中处理、反应和延迟时间上的限制，建立信号系统相关时间限制参数数据库，包括车门开关时间、司机反应时间、车载和地面信号系统反应时间、联锁设备反应时间、道岔动作时间等与能力相关的信号系统工作参数。

1.4运营组织相关参数：

与运营相关的其他参数，主要考虑了与时刻表规律相关的仿真发车间隔、停站时间；车站进路；人的因素，如驾驶列车时的司机反应时间、与调度相关的人工操作流程等。

2.划分分区

从排队论角度，铁路网络可以看作复杂的串行服务系统，为了实现区间-车站一体化能力分析，必须要将其分成若干单通道组成部分，即“分区”，分区是指列车运行时，同一时刻仅允许一列列车占用，具有独占性的区段，如区间的一个闭塞分区、车站的一个道岔区段或一个停车股道。

本发明基于联锁及自动闭塞设计，分析车站和区间内列车所经由的所有进路，如图2所示的双点拓扑模型示意图，根据进路类型，分区可划分为接车分区、发车分区、车站股道分区、区间分区及线路所分区，各类型分区划分方法如下。

2.1接车分区

(1)确定关键点：接车分区的关键点包括进站信号机、反向出站信号机及轨道绝缘节或计轴，如图2中，进站信号机X，反向出站信号机SI、S3、S5，计轴JZ3、JZ5。

(2)分区的划分及合并：若两个相邻关键点之间的区域为非道岔区域，则每两个相邻关键点形成一个分区，沿进路方向，确定该分区的起始节点和结束节点，每个分区须有且只包含一个起始节点和一个结束节点，分区内列车运行区段没有其他分区节点。如图2，关键点X、JZ3形成起始节点为X，结束节点为JZ3的非道岔区域接车分区。

若两个相邻关键点之间的区域为道岔区域，则需考虑进路中道岔区段解锁的时机，当列车占用一个道岔区段时，组成该道岔的几个轨道区段同时为锁闭状态，除此之外，仍需考虑车站咽喉区道岔与咽喉区其他道岔间在作业上存在着互相干扰和相互妨碍的限制条件时的情况。则由同一道岔所形成的两个分区或联动道岔形成的多个分区，如具备独占性原则，需合并为一个分区。如图2，起始节点为JZ9，结束节点为JZ11的道岔分区和起始节点为JZ9，结束节点为JZ13的道岔分区需合并为一个分区，该分区根据进路不同，具有相同起始节点，不同结束节点。

2.2发车分区划分方法

(1)确定关键点：发车分区的关键点包括停车点、一离去标志牌及轨道绝缘节或计轴，如图2中，停车点TCP1、TCP3及TCP5，一离去标志牌YLQ，计轴JZ19。

(2)分区划分及合并：分区划分及合并需考虑非道岔区域及道岔区域，具体原则同接车分区一致。

2.3车站股道分区划分方法

每条股道互相平行，互不干扰，各为一个独立分区。如图2，起始节点为反向出站信号机，S1、S3、S5，结束节点为发车点TCP1、TCP3及TCP5。

2.4区间分区划分方法

区间分区为区间标志牌或通过信号机划分的物理分区，起始节点、结束节点为分割该物理分区的起点和终点。如图2，一离去标志牌至区间标志牌1为区间自动闭塞区域的区间分区，起点为YLQ，终点为JZ1。

2.5线路所分区划分方法

线路所分区仅由一组道岔形成，按照上述步骤2.1中道岔区域分区划分及合并原则来划分。如图3线路所线路拓扑示意图所示，进路6，7为线路所区域分析的线路所道岔反位和定位所在进路，其中，6起点为信号机XT，终点为信号机SN，7起点为信号机X，终点为信号机SN，形成起始节点为XT/X，结束节点为SN的一个线路所分区。

3.建立CTCS-2、CTCS-3级下不同类型分区闭塞时间模型

闭塞时间是列车占用闭塞分区的总时间，从建立当前列车在该分区的进路开始，当前列车完全出清该闭塞分区，解锁进路为止。本发明考虑信号系统控车模型、各子系统间工作流程、信号设备反应时间及实际作业中人机交互时间等相关参数，建立了CTCS-2、CTCS-3级下不同分区类型的闭塞时间模型。

(1)CTCS-2级、CTCS-3级下接车分区闭塞时间模型：接车分区即为进站信号机至反向出站信号机之间的区域内的分区。

(2)CTCS-2级下、CTCS-3级下发车分区闭塞时间模型：发车分区所处区域的不同，其闭塞时间模型也有所不同，发车点至反向进站信号机之间为发车咽喉区域的分区，反向进站信号机至一离去标志牌之间为一离去区段的分区，该分区为自动解锁，无需考虑调度轮询时间。

(3)CTCS-2级、CTCS-3级下区间分区闭塞时间模型。

(4)CTCS-2级、CTCS-3级下线路所分区闭塞时间模型。

4.高速铁路瓶颈环节能力分析

4.1确定瓶颈环节最不利列车间隔

(1)采用寻找瓶颈SRN算法以确定最不利接/发车进路组合

首先基于双点线路拓扑模型，建立车站线路网络拓扑图；其次，分别对其采用广度优先遍历方式，搜索记录所有可能的进路；最后，利用进路长度及线路静态限速，得到所有进路上的运行时间，取最大值对应的进路即为瓶颈SRN，瓶颈SRN与以该进路倒数第二个节点所在道岔为关键道岔的另一进路，所形成的进路组合即为最不利进路组合

1)线路静态参数定义

基于双点线路拓扑模型，建立车站线路拓扑图模型：

G＝(V，E，t)

-V：节点集合，节点类型为进站信号机，道岔元素(岔尖、岔心、定位防护点、反位防护点)，出站信号机，线路各节点V_i，V_i＝0，V₁，V₂…，V_i，D_(n)，分析起点为0，D_(n)代表第n条接/发车股道的分析终点，n∈[1，N]，N代表车站接/发车股道编号；

-E：连接节点的链路集合，线路各链路e(V_i，V_j)∈E，

V_j∈V；

-t：e(V_i，V_j)链路上根据线路静态参数计算得到的运行时间集合，

基于以上定义，线路静态参数如下：

-分析的起点0：接车能力为进站信号机，发车能力为咽喉区最后一组道岔的防护信号机；

-分析的终点D_(n)：第n条接/发车股道的出站信号机；

-线路各节点V_i公里标K_(Vi)；

-线路两节点间线路限速值V_(Vi，Vj)；

-车长L

-所有进路的集合R(r_a1，r_a2，...r_b1，r_b2...r_c1，r_c2...)

r_a1代表第a股道第1条进路，以此类推；

-所有进路的时间集合T(t_a1,t_a2,...t_b1,t_b2...t_c1,t_c2...)

t_a1代表第a股道第1条进路的时间,计算公式为(3)，以此类推。

其中进路r_a1最后一个节点D(a)与倒数第二个节点形成的链路长度取一个车长L。

2)算法描述

基于双点线路拓扑模型，从分析的起点O开始，采用广度优先遍历方式，遍历搜索各节点，若当前节点类型为道岔元素且下一节点的寻径方向有两个，即下一节点可为道岔定位防护点和反位防护点，则依次遍历道岔定位防护点和反位防护点；若当前节点类型为出站信号机，即搜索到一个终点，则将到达该终点的进路r加至进路集合R，进而根据线路静态参数计算进路r的时间tr并将其添加至时间集合T，否则，继续搜索。如此循环，直至所有节点都被遍历过。算法如下：

Recordingr为进路记录函数；BFS为广度优先遍历函数

(2)计算最不利进路组合的列车间隔

首先，基于第1.1-1.3节的数据准备模块利用单车仿真平台仿真，得到各种车型在最不利进路组合上的V-S、T-S曲线；

其次，基于第2节分区划分方法及第3节CTCS-2、CTCS-3下的闭塞时间模型，计算列车路径在各分区的闭塞时间，得到各种车型的闭塞时间窗；

最后，在此基础上利用基于Max-Plus Automata的能力计算模型，分别计算各种车型在最不利进路组合

下接/发车间隔，取最大值即为该车站接发车能力的瓶颈，最大值所对应的车型即为最不利车型。

其中，基于Max-plus Automata的能力计算模型具体说明如下：针对压缩时由于对线路进行分区划分后产生的同一列车占用分区不连续的特点，在闭塞分区模型的基础上，能力计算时引入该模型。

1)Max-plus Automata模型的基本运算规则

①“堆模型”的域

e＝0。

②域

上的基础运算规则：

③矩阵运算规则：对于矩阵A，B：

④特殊的运算规则：

对于一个标量a：

为简化计算，通常省略

符号：

对于集合

定义

为一个

维的列向量，其中每一个元素的值都为e。

2)Max-plus Automata模型在铁路网络中的应用

①分区

是一个五元组

其中，ρ即一个进路占用计划内的列车路径集合，B(ρ_t ^*)即ρ_t ^*的分区集合，M为表示

的态射，M(ρ_t ^*)代表|B|×|B|维的矩阵，ρ_t ^*∈ρ，

表示一个分析的进路占用J^*内的列车路径，s为

表示所有分区中的开始时刻，f为

表示所有分区中的结束时刻。

②分区的态射M(ρ_t ^*)_ij矩阵

M(ρ_t ^*)_ij矩阵中的元素表示路径ρ_t ^*中从i分区开始占用，至j分区结束占用时的时间间隔，若i＝j，表示列车路径ρ_t ^*的i分区的占用时间。

③列车路径的分区占用向量

为进路占用计划J*中的第一条列车路径，则表示还未产生堆积时间，λ＝0，s(ρ_t ^*)表示列车路径各分区开始占用时刻，是1×|B|维的向量，f(ρ_t ^*)表示列车路径各分区结束占用时刻，是1×|B|维的向量。

④进路占用计划J是在一定分析条件下形成的所有列车路径ρ_t ^r：

⑤基于一个进路占用计划J^*＝(ρ_t1 ^*，ρ_t2 ^*，ρ_t3 ^*...ρ_tG ^*)的能力占用矩阵：

⑥

是b分区的结束界限，

作为一个空计划，则进路占用J^*的结束界限为

3)能力计算

列车间隔

为最不利进路组合

下，自前车开始占用时刻至后车结束占用时刻的时间间隔：

其中，H_a表示最不利接车间隔，H_d表示最不利发车间隔。

该瓶颈值如小于等于线路期望的设计间隔，则任何一种进路占用计划都将满足设计间隔；如果大于线路期望的设计间隔，则需要进一步分析基于进路占用计划的平均最小列车间隔。依次类推，将全线各车站进行分析，其中各车站最不利列车间隔最大值为全线的瓶颈值。

4.2确定瓶颈环节最不利平均最小列车间隔

(1)前提条件

1)确定最不利车型：根据4.1所计算的各种车型在最不利进路组合下接/发车间隔，取最大值即为该车站接发车能力的瓶颈，最大值所对应的车型即为最不利车型。如果最不利车型下基于进路占用计划的平均接/发车平均间隔满足设计间隔，则意味着所有车型下基于进路占用计划的平均接/发车能力都可满足。

2)每种可能的进路占用计划确保每条接/发车股道均被利用且仅进行一次接/发车作业。

3)相关定义

①瓶颈车站共K条接/发车股道

②所有可能的进路形成进路集合R(ri1,ri2,...rj1,rj2...rk1,rk2...)

ri1代表第i股道第1条进路,以此类推；

③ri1,j1

代表第i股道第1条进路与第j股道第1条进路组合,以此类推；

④K条股道按照前提条件所形成的进路组合的可能的进路占用计划J*(ri1,rj1,rs1...)

表示含义：第一列车先由第i股道第一条进路发车/接车进i股道停车，然后第二列车由第j股道第一条进路发车/接车进第j股道，依次，第三列车由第S股道第一条进路发车/接车进第S股道...

(2)确定所定义的进路集合下的进路占用计划

1)确定运行图所涉及的进路集合R，例如可以定义：

①进路集合RA：定义为所有接发车股道的所有接发车进路集合。

②进路集合RB：定义为根据4.1计算的进入各接发车股道时间最短的进路集合RB。

2)使用递归方式对进入各条到发线的进路进行排列组合，遍历进路集合R内所有可能的进路占用计划。算法如下：

MyRecursive(Used_i)为使用递归方式对进入各条到发线的进路进行排列组合的函数，得到进路占用计划J。

(3)计算基于进路占用计划的平均列车间隔最大值

首先，根据(2)的进路占用计划J，基于第1.1-1.3节的数据准备模块利用单车仿真平台仿真，得到最不利车型在进路占用计划中的单车仿真V-S、T-S曲线；其次，基于第2节分区划分方法及第3节CTCS-2、CTCS-3下的闭塞时间模型，计算各分区的闭塞时间，得到最不利车型在进路占用计划内各进路的闭塞时间窗；最后，利用4.1节所述能力计算模型，对最不利车型在进路占用计划下的平均列车间隔

进行计算，输出各车站平均接/发车间隔最大值

及最不利接/发车进路占用计划。

其中，平均列车间隔

为自进路占用计划J^*的第一条列车路径ρ_t1 ^*开始占用的时刻，至循环的下一个进路占用计划的第一条列车路径开始占用的时刻止的时间间隔：

若进路集合RA或RB下最大平均接/发车间隔小于等于设计间隔，则在对应进路集合内，任何一种进路占用计划均满足设计间隔；若不满足，则需要对瓶颈环节进行分析，提出针对性改进能力的措施，重新从瓶颈环节和基于进路占用计划的能力评估两个层面进行计算。

5.进行区间-车站一体化能力分析

(1)确定仿真设定间隔和停站时间：仿真设定间隔一般设置为比预期的设计间隔稍大的值，保证进行下一步压缩前，区间-车站一体化运行计划的闭塞时间窗不产生冲突；停站时间是由运输部门考虑客流确定所需的站停时间，原则上要大于车站信号系统工作流程所需的时间。

(2)始发站S₁采用最不利发车计划，中间站采用最不利接车计划或最不利发车计划，终到站采用最不利接车计划，从而形成初始区间车站一体化运行计划；

(3)基于第1.1-1.4节的数据准备模块利用单车仿真平台仿真，得到最不利车型在最不利的上述运行计划下的仿真曲线：V-S、T-S曲线；

(4)基于第2.3节分区划分方法及第3节CTCS-2、CTCS-3下的闭塞时间模型，计算各分区的闭塞时间，得到最不利的运行计划的闭塞时间窗。

(5)压缩两站一区间区域Q(S_j，S_j+1)

由于列车次序可能因车站越行作业而发生改变，此时，列车在全线范围内的可压缩时间将无法确定，因此，需要采用两站一区间顺次进行压缩的方式，依次完成全线各Q(S_j，S_j+1)范围内的压缩：针对列车i与列车i+1，利用第4.1节的能力计算模型，在两站一区间区域Q(S_j，S_j+1)内进行压缩，并将整条列车运行曲线在全线范围内的向上平移，压缩后进行下面步骤(6)。i＝1表示自运行计划中的第一列列车开始顺次压缩，j＝1表示自始发站开始顺次压缩，依次对运行计划中每相邻两列列车进行压缩，从i＝1开始直至i为运行计划中最后一列车，则意味着整个运行计划压缩完成，直接转入(9)。

(6)检测与调整Q(S_j+1，S_j+2)内冲突

首先需判断：若S_j+1车站为终端站，则意味着列车i全线压缩与冲突检测结束，直接转入(8)；若S_j+1车站不为终端站，则转入1)进行冲突检测与调整。

1)列车i与列车i+1的冲突检测

闭塞分区的闭塞重叠时间

等于为减小该分区闭塞时间冲突，第i+1列车不得不被延迟的时间，其最大值即为了避免闭塞分区内闭塞重叠引起的所有冲突，第i+1列车不得不被延迟的时间，由下式计算：

在Q(S_j，S_j+1)内的压缩完成后，闭塞重叠时间取值在Q(S_j+1，S_j+2)内将有以下两种可能的情况：

①

此时，在Q(S_j+1，S_j+2)内列车i与列车i+1未发生冲突，则无需调整，直接转入(7)。

②存在冲突：此时，

需进行冲突调整。

2)列车i与列车i+1的冲突调整

①j＝1，S_j站是始发站，需进一步判断列车i与列车i+1在S_j+1站的作业，冲突调整策略如图4所示；

若列车i在S_j+1站通过作业，列车i+1在S_j+1站通过作业，则调整S_j站发车间隔，以解决列车i与列车i+1的冲突。

若列车i在S_j+1站通过/站停作业，列车i+1在S_j+1站站停作业，为非越行作业，则可根据设计人员实际需求选择“调整S_j站发车间隔”或“调整S_j+1站停站时间”中的任意一种，对列车i+1的站停时间进行调整，以解决列车i与列车i+1的冲突。

若列车i在S_j+1站站停作业，列车i+1在S_j+1站通过作业，则可根据设计人员实际需求选择是否发生越行作业，若允许越行(本越行算法默认同一车站一列车不能越行两列及以上的列车数)，则列车次序交换，进行“调整S_j+1站停站时间”的策略，以解决列车i与列车i+1的冲突，继续进行列车i-1与列车i+1的冲突检测，转入3)；若不允许越行，则进行“调整S_j站发车间隔”的策略，以解决列车i与列车i+1的冲突。

②j≠1，S_j站不是始发站，进一步判断列车i与列车i+1在S_j+1站的作业，冲突调整策略如图5所示。

若列车i在S_j+1站通过作业，列车i+1在S_j+1站通过作业，则采用“调整S_j+1站停站时间”策略来调整S_j站列车i+1的站停时间，若S_j列车i+1仍为通过，则继续向S_j-1追溯，直至始发站，以解决列车i与列车i+1的冲突。

若列车i在S_j+1站通过/站停作业，列车i+1在S_j+1站站停作业，为非越行作业，则仅能选择“调整S_j+1站停站时间”的策略，对列车i+1进行调整，以解决列车i与列车i+1的冲突。

若列车i在S_j+1站站停作业，列车i+1在S_j+1站通过作业，二者需要进行越行，则交换列车次序选择“调整S_j+1站停站时间”的策略，对通过列车i+1的站停时间进行调整，以解决列车i与列车i+1的冲突，继续进行列车i-1与列车i+1的冲突检测，转入3)。

3)列车i-1与列车i+1的冲突检测与调整

使用1)，对列车i-1与列车i+1的闭塞时间窗进行冲突检测。

若二者不存在冲突，如图4、图5所示，转入(7)继续进行后续列车的压缩及冲突检测。

若二者存在冲突，则如图4、图5所示，根据“本越行算法默认同一车站一列车不能越行两列及以上的列车数”的前提条件，调用“调整S_j站停站时间”的策略，调整列车i+1在S_j站的站停时间，若列车i+1在S_j为通过，则继续向S_j-1追溯，直至始发站，以解决列车i-1与列车i+1的冲突。在此基础上需要返回2)，再次循环重新检测列车i与列车i+1的冲突，直至列车i与i+1的冲突完全解决。转入(8)继续进行后续列车的压缩及冲突检测。

以上2)、3)冲突调整过程中涉及的调整策略具体实现方法如下：

①调整S_j+1站停站时间Tw_g

由于停站时间由运输组织部门根据客流确定，不能缩小，因而只能增加计划等待时间来延长站停时间，因此，站停时间的增加值为：

若未产生越行，则1)中发生冲突时计算得到的闭塞重叠时间最大值

作为S_j+1站列车i+1的停站时间

的增加值。

若产生越行，将闭塞重叠时间最大值

作为列车i的站停时间的增加值。

②调整S_j站发车间隔

将1)中发生冲突时计算得到的闭塞重叠时间最大值

作为S_j站列车i+1发车间隔的增加值。

③调整S_j站停站时间Tw_g

将3)中列车i-1与列车i+1的冲突检测得到的闭塞重叠时间最大值

作为S_j站列车i+1停站时间的增加值。

(7)j＝j+1，重复(3)-(4)，完成列车i在所有车站的压缩与冲突检测。

(8)i＝i+1，重复(3)-(5)，继续进行完成运行计划中所有列车的冲突检测与调整。

(9)形成最不利区间车站一体化运行计划：最不利的区间车站一体化运行计划可以选择“基于区间站最不利接车计划形成的最不利运行计划J_A”或“基于区间站最不利发车计划形成的最不利运行计划J_D”，根据实际需求进行选择。

实施例1

以京沪高速铁路北京南站至济南西站区段下行能力分析为例，采用本发明的分析方法对CTCS-2/CTCS-3级下各瓶颈环节及区间车站一体化的能力进行量化分析，验证该分析方法的有效性。具体实施过程如下：

1.针对线路基础设施、列车模型、信号系统及运营组织四方面进行数据准备

(1)北京南-济南西区段沿线共有6个车站和2个线路所：北京南、廊坊、京津线路所、津沪线路所、天津南、沧州西、德州东、济南西。

(2)以CRH380B(BL)与CR400BF两种车型为例进行分析。

(3)结合不同CTCS等级特性及CTCS-2级、CTCS-3级列车运行控制系统不同作业场景下的工作流程，对各子系统之间及子系统内部进行交互的时间参数进行详细梳理。

(4)运营组织相关参数：参考京沪高铁2019年2月份时刻表以确定时刻表规律；参考各车站实际运营的联锁表确定分析的车站进路；通过现场调研，得到区间追踪和接车作业场景下的司机反应时间、发车作业场景下的发车准备流程及时间参数。

2.划分分区

将北京南-济南西区段内的车站区域、区间区域及线路所区域的分区分别进行划分，北京南-济南西区段共划分319个分区，划分统计结果如下表所示。

3.建立CTCS-2、CTCS-3级下不同类型分区闭塞时间模型闭塞时间模型

(1)CTCS-2级、CTCS-3级下接车分区闭塞时间模型各时间参数含义如下：

1)信号系统反应的时间T1_a：根据各等级信号系统接车作业工作流程进行细化，CTCS-2下，包括CBI排列接车进路、CBI向TCC发送接车进路信息、TCC向轨道电路发送编码信息、轨道电路向车载设备发送编码及车载设备接收编码信息并处理的时间参数；CTCS-3下，包括CBI排列接车进路、CBI向RBC发送接车进路信息、RBC计算MA发送给列车及车载设备接收MA并处理的时间参数；

2)反应时间TR_a：CTCS-2、CTCS-3级下，均为人工驾驶，指司机看到信号，并做出对应操作的时间。

3)接近时间TA_a：CTCS-2、CTCS-3级下，接车分区的干扰点均为以进站信号机为MA终点的列车进站前的降速点，指即车头从该分区入口的干扰点以无障碍运行速度行驶到该分区的入口点的时间。

4)本车车头分区内运行时间TO_a：CTCS-2、CTCS-3级下，指列车车头在闭塞分区的物理占用时间。

5)出清时间TC_a：CTCS-2、CTCS-3级下，指列车车尾出清闭塞分区出口点的时间。

6)进路解锁时间T2_a：联锁采集轨道电路出清状态并解锁进路，其中根据目前运营实际，需考虑CTC轮询周期。

(2)CTCS-2级下、CTCS-3级下发车分区闭塞时间模型各时间参数含义如下：

1)进路建立的时间T1_d：根据各等级信号系统发车作业工作流程进行细化，CTCS-2下，包括CBI排列发车进路、CBI向TCC发送发车进路信息、TCC向轨道电路发送编码信息、轨道电路向车载设备发送编码及车载设备接收编码信息并处理的时间参数；CTCS-3下，包括CBI排列发车进路、CBI向RBC发送发车进路信息、RBC计算MA发送给列车及车载设备接收MA并处理的时间参数。

2)发车准备时间TR_d：CTCS-2、CTCS-3级下，指完成发车准备操作的时间，发车准备的操作过程分解为司机通过电话与调度确认发车、司机进行缓解列车操作、关门操作完成、司机提手柄、列车起动。

3)接近时间TA_d：CTCS-2、CTCS-3级下，发车进路的接近区段为发车线，因此，发车分区的接近时间指列车从发车点运行至发车咽喉区域的分区入口的时间。

4)本车车头分区内的运行时间TO_d：同(1)。

5)出清的时间TC_d：同(1)。

6)进路解锁时间T2_d：发车分区的站内咽喉区域解锁时间为联锁采集轨道电路出清状态并解锁进路，并结合实际运营需考虑CTC轮询周期；发车分区的一离去区域则为区间自动闭塞区域，仅考虑联锁采集轨道电路出清状态的时间。

(3)CTCS-2级、CTCS-3级下区间分区闭塞时间模型各时间参数含义如下：

1)进路建立时间T1₁：CTCS-2级下，包括区间进路锁闭、CBI向TCC发送区间进路信息、TCC向轨道电路发送编码信息、轨道电路向车载设备发送编码及车载设备接收编码信息并处理的时间参数；CTCS-3级下，包括区间进路锁闭、CBI向RBC发送区间进路信息、RBC计算MA发送给列车及车载设备接收MA并处理的时间参数。

2)反应时间TR₁：同(1)。

3)接近时间TA₁：CTCS-2、CTCS-3级下，分区的干扰点为以前车所在分区入口点为MA终点的降速点，指即车头从该分区入口的干扰点以无障碍运行速度行驶到该分区的入口点的时间。

4)本车车头分区内运行时间TO₁：同(1)。

5)出清时间TC₁：同(1)。

6)进路解锁的时间T2₁：区间自动闭塞区域仅为联锁采集轨道电路出清状态时间。

(4)CTCS-2级、CTCS-3级下线路所分区闭塞时间模型各时间参数含义如下：

1)进路建立时间T1_p：线路所区域的分区由附近的车站或中继站联锁控制，排列完进路，信号灯开放，列车才可接近。CTCS-2级下，包括CBI排列线路所进路、CBI向TCC发送线路所进路信息、TCC向轨道电路发送编码信息、轨道电路向车载设备发送编码及车载设备接收编码信息并处理的时间参数；CTCS-3级下，包括CBI排列线路所进路、CBI向RBC发送线路所进路信息、RBC计算MA发送给列车及车载设备接收MA并处理的时间参数。

2)反应时间TR_p：同(1)。

3)接近时间TA_p：同(1)。

4)本车车头分区内运行时间TO_p：同(1)。

5)出清时间TC_p：同(1)。

6)进路解锁的时间T2_p：线路所区域，需解锁道岔，即联锁采集轨道电路出清状态并解锁进路时间。

4.瓶颈环节能力分析

4.1确定瓶颈环节最不利列车间隔

(1)利用定位瓶颈SRN算法以确定最不利接/发车进路组合

利用“定位瓶颈SRN”算法，基于静态参数时间确定各车站最不利接/发车进路组合，进一步得到两种车型在最不利进路组合下的最不利列车间隔即为该车站的最不利列车间隔，各车站CTCS-2级下最不利列车间隔如下表所示。

4.2确定瓶颈环节最不利平均最小列车间隔

利用“进路占用计划遍历”算法建立所定义进路集合下的进路占用计划，进一步得到车站进路集合R_A下，基于进路占用计划的平均接车/发车最小列车间隔，取最大值则为该车站在进路集合R_A的最不利平均列车间隔，如下表所示，北京南站发车能力依旧为全线瓶颈

5区间-车站一体化能力分析

目前京沪高铁运营中采用区间CTCS-3级-车站CTCS-2级的列控系统配置，现将北京南-济南西区段中各车站与区间统一起来进行整个区段的一体化分析，并对分析过程中的各个步骤进行详细检算，最终得到全区段最不利的区间-车站一体化运行计划。

(1)确定仿真设定间隔和停站时间：仿真设定间隔，设置北京南站预设仿真间隔为15min；停站时间，基本停站时间2min。

(2)始发站北京南站进路集合R_A下最不利发车进路占用计划、其他中间站和终到站济南西站进路集合R_A下的最不利接车进路占用计划，建立北京南-济南西区段的最不利列车运行计划。

(3)利用单车仿真平台仿真，得到最不利车型CRH380BL在最不利运行计划下的仿真曲线：V-S、T-S曲线；

(4)基于第2.3节分区划分方法及第3节CTCS-2、CTCS-3下的闭塞时间模型，计算各分区的闭塞时间，从而得到全线基于闭塞时间窗的初始列车运行计划。

(5)压缩两站一区间区域Q(S_j，S_j+1)：以车次1和车次2为例，压缩北京南站发车咽喉至廊坊站接车咽喉的两站一区间区域。

北京南站发车咽喉至廊坊站接车咽喉共57个分区，基于Max-plus Automata的能力计算模型计算得到车次2所占各个分区可压缩的时间最小值

产生在“北京南下行分区4”，该分区则为瓶颈分区。将车次2各个分区的占用时刻向上平移

发车间隔由900s缩短至270.81s。

(6)检测与调整Q(S_j+1，S_j+2)内冲突：以车次1和车次2为例，检测与解决廊坊站发车咽喉-天津南站接车咽喉区域内闭塞时间窗冲突。

该区域共37个分区，基于北京南-廊坊两站一区间压缩后，在廊坊下行分区B-天津南下行分区B出现闭塞时间窗冲突，需要通过调整发车间隔或站停时间来解决冲突。压缩后在廊坊下行分区B，车次1开始占用时刻为1204.94s，结束占用时刻为1370.41s，车次2开始占用时刻为1246.29s，结束占用时刻为1406.26s，廊坊站发车间隔由587.85s变为-41.34s；在天津南下行分区B，车次1开始占用时刻为2036.30s，结束占用时刻为2253.67s，车次2开始占用时刻为1978.55s，结束占用时刻为2195.91s，天津南站的接车间隔由571.45s变为-57.75s。经过冲突检测计算，车次2闭塞时间窗的结束时刻与车次1的闭塞时间窗的开始时刻在瓶颈分区天津南下行分区B产生最大重叠时间

天津南下行分区B为该区域内的瓶颈分区。

由于北京南站是始发站，在廊坊站内，车次1停站作业，车次2通过作业，因此可选择“调整廊坊站停站时间”的策略：即车次1的停站时间由120s延长为279.62s。调整后在廊坊下行分区B，车次2开始占用时刻为1204.94s，结束占用时刻为1370.41s；车次1开始占用时刻为1405.9s，结束占用时刻为1565.9s,廊坊站的发车间隔为200.96s；天津南下行分区B，车次2开始占用时刻为1978.55，结束占用时刻为2195.91s，车次1开始占用时刻为2195.91s，结束占用时刻为2413.27s，天津南下行分区B接车间隔为217.36s。由于车次1前无其他列车，因此，无需进一步判断；若车次1前存在另一列车车次0，则需进一步判断车次2与其在本区域内是否产生冲突，若产生冲突，则根据“同一车站不越行两列车”的原则，调整车次0与车次2的冲突：调整车次2在北京南站的发车间隔，重新检测与调整车次1和车次2的冲突，具体调整方法见具体实施方式5，在此不做详述。

(5)j＝j+1，重复(3)-(4)，继续对天津南发车咽喉-沧州西接车咽喉进行压缩及冲突检测，直至德州东发车咽喉-济南西站接车咽喉压缩及冲突检测完成。

(6)i＝i+1，重复(3)-(5)，依次类推，将运行计划中所有列车进行压缩及冲突检测。

(7)形成最不利区间车站一体化运行计划。

通过选取京沪高速铁路北京南—济南西区段作为案例，首先，依据步骤A的数据准备模块，完成了实例验证前的数据准备工作；其次，利用步骤B3分区划分算法，将该区段区间、车站、线路所的不同区域进行了详细划分；进一步与仿真平台结合，依据步骤E1和步骤E2计算了CTCS-2级、CTCS-3级下各瓶颈环节最不利进路组合下的列车间隔与基于进路占用计划的平均列车间隔，验证北京南站为全线瓶颈，与运营结果相吻合，且其发车能力与实际基本一致；最后利用步骤E3中区间-车站一体化能力分析模型分析了区间CTCS-3-车站CTCS-2级整个区段的能力，将前者与实际时刻表规律比较，验证了本方法的有效性。

尽管为了说明的目的，已描述了本发明的示例性实施方式，但是本领域的技术人员将理解，不脱离所附权利要求中公开的发明的范围和精神的情况下，可以在形式和细节上进行各种修改、添加和替换等的改变，而所有这些改变都应属于本发明所附权利要求的保护范围，并且本发明要求保护的产品各个部门和方法中的各个步骤，可以以任意组合的形式组合在一起。因此，对本发明中所公开的实施方式的描述并非为了限制本发明的范围，而是用于描述本发明。相应地，本发明的范围不受以上实施方式的限制，而是由权利要求或其等同物进行限定。

Claims (10)

1.一种适用于高速铁路CTCS-2及CTCS-3等级下的能力分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

A.针对线路基础设施、列车模型、信号系统及运营组织参数四方面进行数据准备；

B.基于连锁、自动闭塞设计,分析车站和区间内列车所经由的所有进路，根据进路类型的不同，进行分区的划分，具体划分为接车分区、发车分区、车站股道分区、区间分区及线路所分区5种；

C.基于信号系统工作流程并结合不同作业场景，分别建立CTCS-2等级及CTCS-3等级下不同类型分区闭塞时间模型；

D.高速铁路运行中瓶颈环节的能力分析：对可能出现瓶颈的汇聚线路所、车站从最不利列车间隔和最不利平均最小列车间隔两个指标来进行能力分析；

E.基于瓶颈环节的最不利进路组合得到进路占用计划，进行区间-车站一体化能力分析，得到最不利区间-车站一体化运行计划。

2.根据权利要求1所述的适用于高速铁路CTCS-2及CTCS-3等级下的能力分析方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：

A1.基于双点线路拓扑模型对线路基础设施数据建立数据库,

A2.基于列车动力学模型建立列车静态和动态参数数据库，

A3.建立信号系统相关时间参数数据库及基于ATP的控车模型,

A4.获得运营组织相关参数。

3.根据权利要求2所述的适用于高速铁路CTCS-2及CTCS-3等级下的能力分析方法，其特征在于，

所述线路基础设施数据主要包括线路、道岔、车站区域、坡度、曲率、线路限速点，其中线路限速点包括线路、道岔、车站、坡度及曲率限速；

所述静态参数主要包括最高速度、编组、列车长度及回转质量系数；动态参数主要包括牵引性能、制动性能、粘着系数；

所述信号系统相关时间参数数据库，基于信号系统工作流程中处理、反应和延迟时间上的限制，主要包括车门开关时间、司机反应时间、车载和地面信号系统反应时间、联锁设备反应时间、道岔动作时间；在考虑CTCS-2级与CTCS-3级列控系统地面信号设计的基础上，建立信号机、应答器、计轴的能力分析相关信号设备数据库；并基于ATP模型建立列车控车模型；

所述运营组织相关参数主要包括与时刻表规律相关的仿真发车间隔、停站时间、车站进路以及人的相关因素，人的相关因素主要包括驾驶列车时的司机反应时间、与调度相关的人工操作流程。

4.根据权利要求1-3之一所述的适用于高速铁路CTCS-2及CTCS-3等级下的能力分析方法，其特征在于，所述步骤B中的分区划分方法具体为：

B1.接车分区：①确定接车分区关键点；②根据该关键点以及进路类型、联锁条件进行接车分区的划分及合并；

B2.发车分区：①确定发车分布分区关键点；②根据该关键点以及进路类型、联锁条件进行发车分区的划分及合并；

B3.车站股道分区：每条股道互相平行，互不干扰，各为一个独立分区；

B4.区间分区：区间分区为区间标志牌或通过信号机划分的物理分区，起始节点、结束节点为分割该物理分区的起点和终点；

B5.线路所分区：该分区仅由一组道岔形成，按照B1进行该分区的划分及合并。

5.根据权利要求4所述的适用于高速铁路CTCS-2及CTCS-3等级下的能力分析方法，其特征在于，所述接车分区关键点包括进站信号机、反向出站信号机及轨道绝缘节或计轴；

所述发车分区关键点包括停车点、一离去标志牌及轨道绝缘节或计轴。

6.根据权利要求4或5所述的适用于高速铁路CTCS-2及CTCS-3等级下的能力分析方法，其特征在于，各分区的划分及合并具体原则为：若两个相邻关键点之间的区域为非道岔区域，则每两个相邻关键点形成一个分区，沿进路方向，确定该分区的起始节点和结束节点，每个分区须有且只包含一个起始节点和一个结束节点，分区内列车运行区段没有其他分区节点；

若两个相邻关键点之间的区域为道岔区域，则需考虑进路中道岔区段解锁的时机，当列车占用一个道岔区段时，组成该道岔的几个轨道区段同时为锁闭状态，除此之外，仍需考虑车站咽喉区道岔与咽喉区其他道岔间在作业上存在着互相干扰和相互妨碍的限制条件时的情况，则由同一道岔所形成的两个分区或联动道岔形成的多个分区，如具备独占性原则，需合并为一个分区。

7.根据权利要求1-6之一所述的适用于高速铁路CTCS-2及CTCS-3等级下的能力分析方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：建立CTCS-2、CTCS-3级下不同分区类型的闭塞时间模型的时间参数主要考虑：信号系统车模型、各子系统间工作流程、信号设备反应时间以及实际作业中人机交互时间的相关时间参数，在此基础上建立各个分区的闭塞时间模型：

C1.分别建立CTCS-2级、CTCS-3级下接车分区的闭塞时间模型；

C2.分别建立CTCS-2级、CTCS-3级下发车分区的闭塞时间模型；

C3.由于车站股道分区为并行的站停作业，闭塞时间模型仅包括列车在分区的物理占用时间，因此不对其建立闭塞时间模型；

C4.分别建立CTCS-2级、CTCS-3级下区间分区的闭塞时间模型；

C5.分别建立CTCS-2级、CTCS-3级下线路所分区的闭塞时间模型。

8.根据权利要求1-7之一所述的适用于高速铁路CTCS-2及CTCS-3等级下的能力分析方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：

D1.确定瓶颈环节最不利列车间隔；

首先，通过寻找瓶颈SRN算法，确定最不利接/发车进路组合；

然后，结合步骤A中建立的各种数据模型并利用单车仿真平台，计算各种车型在最不利进路组合下的单车仿真曲线，并调用步骤C的各种闭塞时间模型，计算列车路径在个分区的闭塞时间，得到各种车型的闭塞时间窗；

最后，基于Max-Plus Automata计算模型进行瓶颈环节能力计算，得到能力计算模型，并通过该模型分别计算各种车型在最不利进路组合下接/发车间隔，取最大值即为瓶颈环节接/发车能力的瓶颈值，并基于该最大值进行判断：如果该值小于等于线路期望的设计间隔，则任何一种基于最不利进占组合的进路占用计划都满足设计间隔，无须进行下一步计算；如果大于线路期望的设计间隔，则进一步分析上述进路占用计划的平均最小列车间隔；

D2.确定瓶颈环节最不利平均最小列车间隔；

首先，确定进路占用计划所涉及的进路集合R，对进路集合R采用遍历算法，得到给基于不同进路组合的所有可能的进路占用计划；

然后，结合步骤A中建立的各种数据模型并利用单车仿真平台，计算各种车型在最不利进路组合下的单车仿真曲线，并调用步骤C的各种闭塞时间模型，计算列车路径在个分区的闭塞时间，得到各种车型的闭塞时间窗；

最后，基于上述能力计算模型，计算每种进路占用计划下平均接/发车间隔，输出进路集合R内最大平均接/发车间隔值，作为最不利平均最小列车间隔，并基于该值进行判断：若该值小于等于设计间隔，则在对应进路集合内，任何一种进路占用计划均满足设计间隔；否则，需要对瓶颈SRN行分析，提出针对性改进能力的措施，继续重复本步骤进行计算。

9.根据权利要求8所述的适用于高速铁路CTCS-2及CTCS-3等级下的能力分析方法，其特征在于，所述能力计算模型具体算法为：

1)Max-plus Automata模型的基本运算规则

①“堆模型”的域

e＝0；

②域

上的基础运算规则：

③矩阵运算规则：对于矩阵A，B：

④特殊的运算规则：

对于一个标量a：

为简化计算，通常省略

符号：

对于集合

定义

为一个

维的列向量，其中每一个元素的值都为e；

2)Max-plus Automata模型在铁路网络中的应用

①分区

是一个五元组

其中，ρ即一个进路占用计划内的列车路径集合，B(ρ_t ^*)即ρ_t ^*的分区集合，M为表示

的态射，M(ρ_t ^*)代表|B|×|B|维的矩阵，ρ_t ^*∈ρ，

表示分析的其中一个进路占用计划J^*内的列车路径，s为

表示所有分区中的开始时刻，f为

(f≥s)表示所有分区中的结束时刻；

②分区的态射M(ρ_t ^*)_ij矩阵

M(ρ_t ^*)_ij矩阵中的元素表示路径ρ_t ^*中从i分区开始占用，至j分区结束占用时的时间间隔，若i＝j，表示列车路径ρ_t ^*的i分区的占用时间；

③列车路径的分区占用向量

其中，b为表示分区，T为表示列车t在分区b中的运行时刻，λ为表示已堆积的时间，若ρ_t ^*为发车计划J^*中的第一条列车路径，则表示还未产生堆积时间，λ＝0，s(ρ_t ^*)表示列车路径各分区开始占用时刻，是1×|B|维的向量，f(ρ_t ^*)表示列车路径各分区结束占用时刻，是1×|B|维的向量；

④进路占用J是在一定分析条件下形成的所有列车路径ρ_t ^r：

⑤基于其中一个进路占用J^*＝(ρ_t1 ^*,ρ_t2 ^*,ρ_t3 ^*…ρ_tG ^*)的能力占用矩阵：

⑥

是b分区的结束界限，

作为一个空计划，则该个进路占用J^*的结束界限为

3)能力计算

列车间隔

为最不利进路组合

下，自前车开始占用时刻至后车结束占用时刻的时间间隔：

其中，H_a表示最不利接车间隔，H_d表示最不利发车间隔。

10.根据权利要求1-9之一所述的适用于高速铁路CTCS-2及CTCS-3等级下的能力分析方法，其特征在于，所述步骤E具体包括：

E1.确定仿真设定间隔和停站时间；

E2.基于步骤D2中瓶颈环节最不利的进路占用计划形成初始区间-车站一体化运行计划；

E3.基于步骤A的数据建模，并利用单车仿真平台进行仿真，得到最不利车型在最不利的所述运行计划下的单车仿真曲线；

E4.基于步骤C的闭塞时间模型，计算各分区的闭塞时间，得到最不利的所述运行计划的闭塞时间窗；

E5.压缩两站一区间区域Q(S_j,S_j+1)：针对列车i与列车i+1，利用所述能力计算模型将所述运行计划闭塞时间窗在S_j站至S_j+1站的区间内进行压缩，并将整条列车运行曲线在全线范围内向上平移，然后进行到E6；i＝1表示自运行计划中的第一列列车开始顺次压缩，j＝1表示自始发站开始顺次压缩，从i＝1开始直至i为运行计划中最后一列车，则意味着整个运行计划压缩完成，直接转入E9；

E6.检测与调整Q(S_j+1,S_j+2)内冲突：

首先，通过计算列车i与列车i+1的闭塞重叠时间进行S_j+1站至S_j+2站区域内冲突检测；

其次，建立冲突调整算法：通过调整S_j站或S_j+1站的站停时间，以解决列车i与列车i+1冲突；

最后，在列车i与列车i+1发生越行作业时，进一步对列车i-1与列车i+1进行冲突检测与调整；

E7.j＝j+1,重复上述步骤E5-E6，完成列车i在所有车站的压缩与冲突检测；

E8.i＝i+1,重复步骤E5-E7，继续进行完成运行计划中所有列车的冲突检测与调整；

E9.整个运行计划压缩完成，形成最不利区间-车站一体化运行计划。

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