高速铁路列车区间故障条件下列车运行调整优化模型

高速铁路列车区间故障条件下列车运行调整优化模型

黄雯博

中国铁路哈尔滨局集团有限公司调度所    黑龙江省哈尔滨市150000

摘要：高速铁路列车运行安全和非正常情况下列车运行调整是铁路调度指挥关注的重点问题。由于高速铁路速度高、密度大，任何干扰因素都有可能扰乱列车正常运行，导致运行秩序紊乱，甚至出现运行事故。对高速铁路列车运行产生干扰的因素有很多，主要包括不良天气、人为失误以及线路、通信信号、动车组故障等。高速铁路对这些干扰具有很强的脆弱性，极易造成列车偏离原定的运行计划。因此，对干扰条件下的调整进行研究具有非常重要的现实意义。

关键词：高速铁路；运行；调整  

高速铁路调度指挥系统是整个铁路行车组织的神经中枢，在确保高速铁路列车安全、正点、高效运行中起着重要的作用。为了保障高速铁路的运营安全和效率，我国高速铁路采用先进的调度系统和列车控制系统，因此，在正常情况下，列车在这些系统的控制下按照计划运行图自动运行。但是，在铁路日常运营组织过程中，难免会受到来自铁路系统内部化及外部的各种干扰因素的影响，从而影响列车正常运行。高速铁路线路因故障导致某区间能力全失效时如何实时调整列车运行问题，建立列车运行实时调整混合整数线性规划模型，该高速铁路为背景构建算例，测试求解能力，现场采用的调整策略相比，可明显减小干扰对列车运行的影响。

一、高速铁路列车运行调整概述

1、高速铁路列车运行干扰及处置方法。高速铁路拥有现代化的技术设备及管理手段，列车运行稳定性强，但在实际运输生产过程中，由于受到高速铁路系统内外部的各种随机因素的干扰，导致列车运行的实际状态偏离预定值、运行秩序紊乱的情况时有发生。

（1）设备故障。高速铁路各类设备的正常运行是高铁系统正常运输生产的基础，由于设备自身因素及运转环境的复杂性，设备故障往往难以避免且具有较强的随机性。在出现铁路设备故障影响正常行车的情况下，调度人员应迅速确定故障发生地点和影响范围，并指挥列车按照相应的应急处置预案运行，高速铁路常见设备故障及应急处置措施，若动车组在车站发生故障并确认故障暂时无法恢复时，应组织旅客换乘其他列车；若动车组在区间发生故障时，由随车机械师进行检查，司机应按车载信息监控装置的提示和随车机械师的要求，选择维持运行或停车等方式，列车调度员根据司机报告情况组织行车。

（2）恶劣气候条件。高速铁路作为一个开放系统，气候条件变化会对其正常运输生产安全造成一定影响，恶劣的气候条件一般是指发生暴雨、台风、大雪等情况。在恶劣气候条件下，列车调度员的应急处置工作主要包括：收到防灾安全监控系统发出的警报时，立即确认报警地点，并根据报警提示对相关地点（区间）设置列控限速或封锁标志；报告异常危及行车安全时，立即通知关系地点内未越过报警地点的列车停车或限速运行，通知后续列车站内停车；及时调整列车运行计划，做好后方车站列车停放安排。此外，在恶劣气候条件下，设备运行环境恶化、故障时有发生，列车调度员应通知工务、电务、供电等部门进行地面巡查或添乘检查，对相关设备进行专门检查养护。

2、高速铁路列车运行图冗余时间。冗余时间是指列车运行图内的列车区间运行、车站停站、追踪运行等作业的图定作业时分与完成该作业所需的标准作业时分之间的差值。在列车运行图铺画过程中，一般会在其中设置一定的冗余时间来供列车晚点时调整。运行图冗余时间是调度员实施运行调整策略的主要资源，冗余时间大小决定了晚点列车最大赶点时间，借助运行图冗余时间，可确保将因列车晚点所造成的列车运行困难限制在一定范围内，进而提高列车运行图的动态性能和抗干扰能力。根据分布方式的不同，列车运行图冗余时间可以分为以下两类：

(1) 本线预留冗余时间。本线预留冗余时间一般指单个列车的某个单项作业的图定时分与标准时分之差，其主要作用是提高单个晚点列车的赶点能力，进而削弱晚点在运行图中的纵向传播。

(2) 运行线间冗余时间。运行线间冗余时间是指相邻列车图定间隔与标准间隔之差。此类冗余时间的主要作用是在前行列车发生晚点时抑制列车间的晚点横向传播效应，冗余时间发挥改善列车运行图动态性能的作用机理十分复杂，且相关联的冗余时间之间存在着复杂关系，因此在冗余时间设置时，一般不会分别确定不同种类的冗余时间，而是从运行图整体优化角度出发确定列车运行线的布局。在进行晚点列车群的运行调整时，列车实际晚点可调整度受到多种相关联冗余时间的影响，如区间晚点恢复时间同时受到列车区间运行冗余时间、前方站的间隔冗余时间以及前车晚点时间等因素的共同影响。因此在列车运行调整时，调度员需要综合考虑不同种类冗余时间的可利用情况，确定合理的晚点恢复时间，实现运行图冗余时间的充分利用，控制晚点传播效应和影响范围，尽快恢复按图行车。

二、高速铁路列车区间运行调整优化模型

以某高速铁路为例，已知上行方向有高速列车运行，为建模方便，从宏观层面上把高速铁路列车运行描述为由事件和活动构成的网络。事件表示列车发出或到达车站；活动连接相邻事件，可进一步分为列车活动和间隔活动。

1、列车活动。既可视为区间运行活动，表示列车在相同区间关联车站的出发事件与到达事件之间的活动；也可视为车站停站活动，表示列车在相同车站到达事件与出发事件之间的活动。

2、间隔活动。既可视为列车在相同区间的运行间隔活动，包括在某区间一端车站的出发间隔活动和在另一端车站的到达间隔活动；也可视为列车在相同车站的发到间隔活动。

3、由高速铁路区间能力全失效条件下的调整为复杂的组合优化问题。为最大程度地减小干扰对列车运行的影响。为确保高速铁路行车安全，列车在高速铁路上运行还需满足多种运营安全和设备能力约束，包括单列列车运行约束、相邻列车间隔约束、车站能力约束、取消列车约束、列车区间最长运行时间约束及列车发车时刻约束等。

（3）干扰发生后列车区间最长运行时间约束。由假设干扰发生后还未进入 中断区间的列车需依次停在合适的车站，而目前创建的约束可能导致调整方案中部分列车在区间过度缓行甚至停车。为避免这种情况，提出列车区间最长运行时间约束。

（4）干扰发生后列车发车时刻约束。持续干扰时间内，为避免后续列车进入中断区间，所有在干扰发生时还未进入中断区间的列车应尽可能在运行前方距中断区间最近的车站停车等待干扰恢 复，干扰结束 恢复行车之前，不允许向中断区间发车。当调度员在实际工作中面临区间能力全失效时，通常的做法为：干扰发生时，已始发的列车根据当时所处的位置依次就近在有能力的车站停车等待，未始发的列车推迟出发；干扰结束时，各站的列车按照图定顺序依次发出。为便于比较，将现场调度员采用的策略称为基于顺序的调整方案，而将提出的调整策略称为基于优先级的调整策略。

通过某高速铁路上行方向列车实际数据为背景，构造产生测试场景下的干扰情景，对提出的整体优化模型和两阶段求解算法进行测试。通过与现场实际采用的顺序调整策略相比，突出基于优先级的调整策略在保证行车安全的基础上，可减小干扰对列车运行的影响。

参考文献：

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［2］占曙光，赵军，彭其渊．高速铁路区间能力全失效条件下列车运行实时调整研究［J］．铁道学报，2018.05．

［3］史峰，魏堂建，周文 梁．考虑动车组周转和到发线运用的高速铁路列 车运行图优化方法 ［J］．中国铁道科学，2019.13．