CN112026857A - 一种基于ctcs-3列控系统的高速铁路列车运行调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CTCS‑3列控系统的高速铁路列车运行调整方法，涉及列车运行调度与控制技术领域，方法包括：确定目标函数；建立基于CTCS‑3列控系统的运行决策模型；基于目标函数型，求解所述运行决策模型的最优解，得到最优的运行调整方案；将最优的运行调整方案输出为带有速度等级提示的列车运行图。本发明解决了高速度、高密度行车方式下的高速铁路列车在CTCS‑3准移动闭塞行车方式下的故障干扰问题；同时优化了运行图输出显示问题，通过根据列车运行速度等级将运行线按不同的颜色显示，来进一步改善我国高速铁路调度指挥平台列车运行图中列车运行线的显示促进列车运行调整问题的智能化，改善行车调度员的工作压力。

Description

一种基于CTCS-3列控系统的高速铁路列车运行调整方法

技术领域

本发明涉及列车运行调度与控制技术领域，特别是涉及一种基于CTCS-3列控系统的高速铁路列车运行调整方法。

背景技术

随着我国高速铁路的发展，列车运行控制系统和信联设备不断升级，已经由传统的既有铁路的固定闭塞行车方式发展更新为准移动闭塞的行车方式，不仅大大缩短了列车的最小追踪间隔时间，而且采用无限通讯技术实时获取列车的运行速度，并通过车载系统实时给列车提供保证列车运行安全的最佳列车速度控制曲线，从而提高了线路的通过能力。因此，基于计算机辅助的智能决策技术来提高列车运行调整可靠性和高效性是十分必要地，其中关于决策模型及算法地搭建也是实现计算机辅助决策地重要核心环节。

然而，在高速铁路列车控制系统CTCS-3广泛应用的情况下，传统的列车运行调整方式已经不能满足先进设备的技术需求。主要体现在以下几个方面：

1、既有的调度指挥平台列车运行图显示问题。现有的运行图显示模式中，运行图(如图1所示)的横轴方向表示时间轴，纵轴方向表示空间轴，表示线路沿线车站在空间的布置，而运行图中的斜线表示列车的运行线，每一条斜线表示一列车在线路空间上沿着时间轴的运行轨迹。通过既有的列车运行图可以实时获取列车所在的空间位置，但不能获取列车的实时速度。而当列车运营过程中受到故障干扰，列车调度员一般通过调整列车在区间运行时间、停站模式和停站时间、取消或增开列车等方式，尽可能地恢复原来计划时地列车运行图的稳定状态，该行为主要依据行车调度员的人为知识积累的经验，无法直接评估这一系列操作的可靠性和优劣性。

2、固定闭塞行车方式对线路通过能力造成不利影响。目前存在的列车运行调整方法多是基于传统地固定闭塞行车方式建立数学模型，从宏观角度，通过控制相邻两列车的最小追踪间隔来调整列车运行方案。这种理论虽让可以保障列车的运行安全，但是不能充分利用准移动闭塞可以根据列车的实时运行速度调整列车的空间间隔距离的优势，降低了线路的通过能力，并不能很好的解决由于故障干扰导致线路能力受限所造成的通过能力了紧张的局面。

3、列车运行环境的复杂化对列车的运行造成很大影响。在高速列车运营过程中，线路自身状况、沿线自然环境或设备的状态会直接或间接的影响列车的运行，在出现一些故障干扰时，为保证列车的安全，多采取列车降速措施来强制列车低速通过故障区域，或绕行避开故障区域等措施。通常的干扰类型涉及到初始晚点、区间限速及车站到发线不可用(中断)三种干扰情形。

4、列车运行调整是个实时要求问题，对行车调度员的日常工作造成很大压力。与此同时，列车的高速度、小间隔的高密度行车方式加大了在有干扰条件下列车运行调整的难度，一旦决策失误，将会造成严重的人员伤亡和财产损失，给高速铁路行车调度员的日常工作造成很大的压力。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于CTCS-3列控系统的高速铁路列车运行调整方法，可以解决现有技术中存在的问题。

本发明提供了一种基于CTCS-3列控系统的高速铁路列车运行调整方法，该方法包括以下步骤：

确定目标函数；

建立基于CTCS-3列控系统的运行决策模型，该模型包括速度等级模型、运行干扰调整模型和运行路径选择模型；

基于目标函数型，求解所述运行决策模型的最优解，得到最优的运行调整方案；

将最优的运行调整方案输出为带有速度等级提示的列车运行图。

优选地，建立的目标函数如公式(1)-(3)所示：

min:ω_n-ω₀ (1)

s.t. ω_i-ω_j≥f_i((i,j)∈F) (2)

(ω_j-ω_i≥δ_ij)∨(ω_k-ω_h≥δ_hk)((i,j),(h,k)∈A) (3)

式中，ω_i,ω_j分别表示列车开始进入区间i、j的时间，f_i表示列车在区间i的运行时间，δ_ij,δ_hk表示替代弧前后操作的间隔时间，F表示实线弧集合，A表示可选择弧集合，∨表示或关系。

优选地，所述速度等级模型的建立方法为：

当列车的速度等级越高，前后两列车之间的最小安全间隔距离越小，用数学符号表示为：

其中，ω_j,q、ω_i,p分别表示列车i、j占用区间p、q的时间，β_ξ,j,q表示速度等级变量，列车t在区间s的是否采用速度等级ξ，T表示列车集合，θ表示铁路线路区间集合，F＝{(p,q)|p,q∈S}，p,q代表铁路线路中连续两个区间；M表示极大正数；B表示连续两列车之间需要保持的空闲闭塞区间数集合，B＝{ξ|ξ＝1,2,3,4,5}，也表示列车的速度等级集合，μ_i,j,θ表示列车在整个区段的运行顺序；

控制列车在两个连续区间运行速度等级的变化值不能大于1个速度等级差，具体的约束公式为(6)和(7)：

其中，G_θ表示非车站区域的闭塞区间的集合；线路区间长度一定，在不同的速度等级下列车在区间运行的时间也不同，以列车以最大速度等级通过线路区间的时间为基础时间，在此基础上，列车速度每减低一级，对应的添加相应的附加时间；

上面两个约束条件对列车在每一闭塞区间的运行时间进行了约束，其中f_p表示全速运行时列车在区间p的最短的运行时间，R_t表示列车t在固定路径中途经的闭塞区间集合，

Δt_ξ表示相比于全速运行，列车在速度等级ξ下产生的额外附加运行时间，B_m表示全速运行时相邻两列车之间的空闲闭塞区间数，也表示全速等级。

优选地，所述运行干扰调整模型为：

式中，x_t,s和

分别表示是否受限速影响，前者用来判断列车在对应时间ω_t,s是否在第y个限速发生开始时间点T_1,y之前，后者表示列车对应时间ω_t,s是否在第y个限速发生结束时间点T_2y之后，T_1y，T_2y分别表示第y个限速事件的开始时间和结束时间；

表示第y个限速事件影响的闭塞区间集合，nu表示限速事件的数量。

优选地，所述运行路径选择模型为：

其中，z_t,q表示0，1变量，列车t是否占用选择区间s，若选择为1，不选择为0，S_r表示第r车站内到发线区间集合，R_t,station表示表示列车t在所有车站内可选择的路径集合，L_stop表示车站到发线的集合，st_value_t,p表示原计划运行图中列车是否在车站有停站计划，若直接通过其值为1，否者为0。

优选地，所述运行决策模型采用两阶段方法求解：

第一步，考虑车站区域列车进路的排列或冲突的疏解，计算出所有在车站追踪间隔时间法下的运行图调整方案，获得初始解；

第二步，提取初始解中列车进入车站区域各闭塞区间的时间，在车站到发线的调整顺序，进路占用顺序，进出站顺序的相关解值，输入准移动闭塞优化模型中，考虑列车闭塞区间准移动闭塞的间隔法进一步进行调整优化，满足列车追踪运行的条件。

本发明中的一种基于CTCS-3列控系统的高速铁路列车运行调整方法，其有益效果为：

解决高速度、高密度行车方式下的高速铁路列车在CTCS-3准移动闭塞行车方式下的故障干扰问题；

优化运行图输出显示问题，通过根据列车运行速度等级将运行线按不同的颜色显示，来进一步改善我国高速铁路调度指挥平台列车运行图中列车运行线的显示促进列车运行调整问题的智能化，改善行车调度员的工作压力，在故障干扰情况下提供列车开行优化方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中运行图的示意图；

图2为本发明中方法的流程示意图；

图3为车站线网布置及对应的替代图；

图4为相邻区间列车速度等级转换关系图；

图5为对模型的求解流程示意图；

图6为改进前的列车运行图；

图7为改进后的列车运行图；

图8为相邻列车动态追踪过程示意图；

图9为准移动闭塞行车法调整后的运行图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图2，本发明提供了一种基于CTCS-3列控系统的高速铁路列车运行调整方法，该方法主要包括以下步骤：

确定目标函数；

建立基于CTCS-3列控系统的运行决策模型，该模型包括速度等级模型、运行干扰调整模型和运行路径选择模型；

基于目标函数型，求解所述运行决策模型的最优解，得到最优的运行调整方案；

将最优的运行调整方案输出为带有速度等级提示的列车运行图。

具体地，列车在铁路线路上运行，列车对每一闭塞区间的占用类似于工作车间中零件加工对机器设备的占用问题(称为“工作车间调度问题”)，替代图理论可以将此问题转化为有向网络图中寻找关键路径问题。如图3所示，将两个相邻车站之间的铁路线路区间根据实体/虚拟闭塞信号机划分为多个闭塞区间，车站咽喉区及到发线区域的线路则以由道岔信联设备的布置划分为不同的区间，此处将上述划分的线路均称为区间，将列车对每一区间的开始占用活动视为一个节点，而节点之间相连接的实线弧表示列车由一个区间运行至另一个区间的过程。

则建立的目标函数如公式(1)-(3)所示，通过实线弧连接起来的列车在区间上运行时间约束如公式(2)所示，为避免多列列车对一个区间同时占用的冲突，利用可选择弧，建立公式(3)，保证后续列车在进入该区间时前一列车已经完全出清该区间。

min:ω_n-ω₀ (1)

s.t. ω_i-ω_j≥f_i((i,j)∈F) (2)

(ω_j-ω_i≥δ_ij)∨(ω_k-ω_h≥δ_hk)((i,j),(h,k)∈A) (3)

式中，ω_i,ω_j分别表示列车开始进入区间i、j的时间，f_i表示列车在区间i的运行时间，δ_ij,δ_hk表示替代弧前后操作的间隔时间，F表示实线弧集合，A表示可选择弧集合，∨表示或关系。

上述的目标函数模型可用从微观层面求解固定闭塞行车方式下的列车运行调整问题，针对高速铁路CTCS-3控制方式下的准移动闭塞行车，本发明在数学模型设计过程中设计了可选择弧集，用以描述后行列车在不同速度等级控制下的与前行列车的最小行车间隔问题。

所述速度等级模型的建立方法为：当列车的速度等级越高，前后两列车之间的最小安全间隔距离越小，用数学符号表示为：

其中，ω_j,q、ω_i,p分别表示列车i、j占用区间p、q的时间，β_ξ,j,q表示速度等级变量，列车t在区间s的是否采用速度等级ξ，T表示列车集合，θ表示铁路线路区间集合，F＝{(p,q)|p,q∈S}，p,q代表铁路线路中连续两个区间；M表示极大正数；B表示连续两列车之间需要保持的空闲闭塞区间数集合，B＝{ξ|ξ＝1,2,3,4,5}，也表示列车的速度等级集合，公式(4)和(5)表示在准移动闭塞控制下，列车在两车站之间的闭塞区间运行时，以不同速度等级追踪运行，列车速度等级与之相匹配的列车间隔空间距离约束。列车在正线区段不能越行，因此对这些闭塞区间先后占用顺序不变，因此，变量μ_i,j,θ表示列车在整个区段的运行顺序。

此外为了进一步拟合列车在区间线路上运行时列车运行速度曲线的平滑性和真实性，通过控制列车在两个连续区间运行速度等级的变化值不能大于1个速度等级差。如图4所示，假设列车速度等级分别为1，2，3，4，5，数值越大，表示列车速度等级越高。列车通过两相邻的线路区间时，该列车的速度等级变化趋势如图4中的弧线所示，主要存在三种情况：列车速度等级保持不变，列车速度等级降一级，列车速度等级提升一级。具体的约束公式为(6)和(7)：

其中，G_θ表示非车站区域的闭塞区间的集合；线路区间长度一定，在不同的速度等级下列车在区间运行的时间也不同，以列车以最大速度等级5通过线路区间的时间为基础时间，在此基础上，列车速度每减低一级，对应的添加相应的附加时间，如表1所示：

表1列车速度等级及其附加时间

速度	250<v<300	200<v<250	160<v<200	120<v<160	v≤120
						速度等级ξ	ξ＝5	ξ＝4	ξ＝3	ξ＝2	ξ＝1
附加时间Δt<sub>ξ</sub>	[Δt<sub>5</sub>,Δt<sub>4</sub>)	[Δt<sub>4</sub>,Δt<sub>3</sub>)	[Δt<sub>3</sub>,Δt<sub>2</sub>)	[Δt<sub>2</sub>,Δt<sub>1</sub>)	[Δt<sub>1</sub>,M)

约束条件(8)和(9)表示列车以某一速度等级经过闭塞区间时的最小运行时间和最大运行时间约束；对列车在每一闭塞区间的运行时间进行了约束，其中f_p表示全速运行时列车在区间p的最短的运行时间，R_t表示列车t在固定路径中途经的闭塞区间集合，

Δt_ξ表示相比于全速运行，列车在速度等级ξ下产生的额外附加运行时间，B_m表示全速运行时相邻两列车之间的空闲闭塞区间数，也表示全速等级。

运行干扰调整模型建立：

式中，x_t,s和

分别表示是否受限速影响，前者用来判断列车在对应时间ω_t,s是否在第y个限速发生开始时间点T_1,y之前，后者表示列车对应时间ω_t,s是否在第y个限速发生结束时间点T_2y之后，T_1y，T_2y分别表示第y个限速事件的开始时间和结束时间；

表示第y个限速事件影响的闭塞区间集合，nu表示限速事件的数量，公式(10)和(11)表示多个限速事件干扰下，对列车受限速影响的空间和时间范围的精确判断。在此基础上，利用公式(12)实现对受影响列车运行速度的限制。

运行路径选择模型建立：

其中，z_t,q表示0，1变量，列车t是否占用选择区间s，若选择为1，不选择为0，S_r表示第r车站内到发线区间集合，R_t,station表示表示列车t在所有车站内可选择的路径集合，L_stop表示车站到发线的集合，公式(13)将列车在这些实际未被列车占用的到发线或进路的开始时间设置为0；约束(14)要求在车站正线通过的列车不允许变更到发线，st_value_t,p表示原计划运行图中列车是否在车站有停站计划，若直接通过其值为1，否者为0。公式(15)规定每列车在每一个车站只能占用一条到发线或正线。

上述模型为混合整数线性优化模型，是一个复杂的组合优化问题，属于NP-hard问题。模型中列车运行时间点、速度、列车顺序等变量随着线路闭塞区间数和列车数急剧增加，尤其是列车运行速度和列车的车站进路的选择，对列车运行动态调整问题提出了很大的挑战。因此，为实现模型的高效求解，本发明采用两阶段求解方法，通过商业软件Cplex辅助求解，通过缩短初始解的求解时间，提高初始可行解的质量，来加速此复杂模型的求解。模型求解流程图，如图5所示，具体求解思路如下：

第一步，固定部分最不可能受限速干扰的列车运行速度，仅考虑车站区域列车进路的排列或冲突的疏解，计算出所有在车站追踪间隔时间法下的运行图调整方案，获得初始解；

第二步，提取初始解中列车进入车站区域各闭塞区间的时间，在车站到发线的调整顺序，进路占用顺序，进出站顺序的相关解值，输入准移动闭塞优化模型中。考虑列车闭塞区间准移动闭塞的间隔法进一步的调整优化，满足列车追踪运行的条件。

第一步计算时间是全过程中求解时间的关键，在后续案例计算过程中，设第一步的计算时间上限为500s，第二步的计算时间为60s。

图6-9示出了利用本发明的调整方法进行运行调整后的效果。从这些图可以看出：(1)运行图的改进：相比传统的铁路运行图(图6)，本发明所输出的运行图中的列车运行线带有了不同的颜色(图7)，不同的颜色段表示列车经过该区间时的速度等级，不仅包含了传统运行中所有的信息，例如列车到达、出发、通过时间、列车车次号、列车运行顺序、列车在车站的交会方式等信息，而且对列车在各个区间的最佳的运行速度给予了反馈和表示。图7中虽然为灰度图，但是本领域的技术人员可以理解实际应用时可以在运行图的不同速度等级处填充不同的颜色，例如速度等级1-5分别填充红色、橙色、黄色、蓝色和绿色等。

(2)该发明更好的适应准移动闭塞行车方式，可以根据前后两列车的最小空间距离调整后行列车的运行速度，一方面保证了列车的行车安全，另一方面加大了列车的开行密度，提高线路的通过能力。如图8，表示了先后两列车的追踪运行过程，后行列车根据前行列车的距离，动态调整速度等级，呈现出虚线框中后行列车蓝色和绿色两种颜色相交替的线条状态。

(3)针对故障干扰情况下，运行决策模型给出的运行图调整方案效果图(图9)。图中所示两个区间限速干扰事件，该运行决策模型可以有效的控制列车在限速区段的速度降级，由于限速影响导致列车运行顺序变更等问题。此外该方案的求解时间为5分34秒。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

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 (6)

1.一种基于CTCS-3列控系统的高速铁路列车运行调整方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

确定目标函数；

建立基于CTCS-3列控系统的运行决策模型，该模型包括速度等级模型、运行干扰调整模型和运行路径选择模型；

基于目标函数型，求解所述运行决策模型的最优解，得到最优的运行调整方案；

将最优的运行调整方案输出为带有速度等级提示的列车运行图。

2.如权利要求1所述的基于CTCS-3列控系统的高速铁路列车运行调整方法，其特征在于，建立的目标函数如公式(1)-(3)所示：

min:ω_n-ω₀ (1)

s.t. ω_i-ω_j≥f_i((i,j)∈F) (2)

(ω_j-ω_i≥δ_ij)∨(ω_k-ω_h≥δ_hk)((i,j),(h,k)∈A) (3)

式中，ω_i,ω_j分别表示列车开始进入区间i、j的时间，f_i表示列车在区间i的运行时间，δ_ij,δ_hk表示替代弧前后操作的间隔时间，F表示实线弧集合，A表示可选择弧集合，∨表示或关系。

3.如权利要求2所述的基于CTCS-3列控系统的高速铁路列车运行调整方法，其特征在于，所述速度等级模型的建立方法为：

当列车的速度等级越高，前后两列车之间的最小安全间隔距离越小，用数学符号表示为：

其中，ω_j,q、ω_i,p分别表示列车i、j占用区间p、q的时间，β_ξ,j,q表示速度等级变量，列车t在区间s的是否采用速度等级ξ，T表示列车集合，θ表示铁路线路区间集合，F＝{(p,q)|p,q∈S}，p,q代表铁路线路中连续两个区间；M表示极大正数；B表示连续两列车之间需要保持的空闲闭塞区间数集合，B＝{ξ|ξ＝1,2,3,4,5}，也表示列车的速度等级集合，μ_i,j,θ表示列车在整个区段的运行顺序；

控制列车在两个连续区间运行速度等级的变化值不能大于1个速度等级差，具体的约束公式为(6)和(7)：

其中，G_θ表示非车站区域的闭塞区间的集合；线路区间长度一定，在不同的速度等级下列车在区间运行的时间也不同，以列车以最大速度等级通过线路区间的时间为基础时间，在此基础上，列车速度每减低一级，对应的添加相应的附加时间；

上面两个约束条件对列车在每一闭塞区间的运行时间进行了约束，其中f_p表示全速运行时列车在区间p的最短的运行时间，R_t表示列车t在固定路径中途经的闭塞区间集合，

Δt_ξ表示相比于全速运行，列车在速度等级ξ下产生的额外附加运行时间，B_m表示全速运行时相邻两列车之间的空闲闭塞区间数，也表示全速等级。

4.如权利要求3所述的基于CTCS-3列控系统的高速铁路列车运行调整方法，其特征在于，所述运行干扰调整模型为：

式中，x_t,s和

分别表示是否受限速影响，前者用来判断列车在对应时间ω_t,s是否在第y个限速发生开始时间点T_1,y之前，后者表示列车对应时间ω_t,s是否在第y个限速发生结束时间点T_2y之后，T_1y，T_2y分别表示第y个限速事件的开始时间和结束时间；

表示第y个限速事件影响的闭塞区间集合，nu表示限速事件的数量。

5.如权利要求4所述的基于CTCS-3列控系统的高速铁路列车运行调整方法，其特征在于，所述运行路径选择模型为：

其中，z_t,q表示0，1变量，列车t是否占用选择区间s，若选择为1，不选择为0，S_r表示第r车站内到发线区间集合，R_t,station表示表示列车t在所有车站内可选择的路径集合，L_stop表示车站到发线的集合，st_value_t,p表示原计划运行图中列车是否在车站有停站计划，若直接通过其值为1，否者为0。

6.如权利要求1所述的基于CTCS-3列控系统的高速铁路列车运行调整方法，其特征在于，所述运行决策模型采用两阶段方法求解：

第一步，考虑车站区域列车进路的排列或冲突的疏解，计算出所有在车站追踪间隔时间法下的运行图调整方案，获得初始解；

第二步，提取初始解中列车进入车站区域各闭塞区间的时间，在车站到发线的调整顺序，进路占用顺序，进出站顺序的相关解值，输入准移动闭塞优化模型中，考虑列车闭塞区间准移动闭塞的间隔法进一步进行调整优化，满足列车追踪运行的条件。

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