- 頭條臨時限速場景下，基于軌道區段鎖閉時間的鐵路調度模型研究2021-03-19 作者：李璇 孟令云 等 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語當災害監測系統發出預警、報警信息時，如何精準、快速、有效地執行臨時限速并采取應急處置措施，從而保證限速情況下列車安全、平穩、高效運行是亟待解決的關鍵難題。 北京交通大學交通運輸學院、軌道交通安全與控制國家重點實驗室（北京交通大學）的研究人員李璇、孟令云、王義惠、龍思慧，在2019年《電氣技術》增刊中撰文，基于軌道區段鎖閉時間計算理論，再引入限速約束，保證列車在限速場景下的安全平穩運行。研究了臨時限速場景下的鐵路調度問題，基于軌道區段鎖閉時間計算理論和鐵路防災安全監測系統的預警信息，以路網中列車的總延誤時間最短為目標構建了運行圖優化調整模型。 通過精細化計算列車占用各個閉塞分區的時間并在調度模型基礎上引入限速約束，該模型保證列車在限速場景下的安全平穩運行，從而輔助行車調度員的行車調整工作，提升應急處置能力。最后以鐵嶺西至扶余北段為背景設計算例并驗證，表明了該調度模型的準確性。
鐵路是重要的基礎設施，是我國的交通運輸大動脈。目前，我國成為全球高速鐵路系統技術最全、集成能力最強、運營里程最長、運行速度最高、在建規模最大的國家。鐵路各種速度等級列車共線運行的運輸組織方式決定了我國列車開行的復雜性。而運輸過程中會遇到大量隨機突發情況，擾動列車的正常運行，使其偏離原定運行計劃，造成列車時間點延誤，甚至影響其他列車的正常運行，給旅客的出行和貨物的運輸帶來不便。
隨著高速鐵路網絡規模的日益增大和列車運行間隔的逐漸縮短，因雷電、大風、暴雨等氣象災害影響高速鐵路安全運營的事件時有發生。一旦遭遇緊急情況或危險天氣，可供減弱和避免事故影響的時間很短，因此造成的災害損失往往十分慘重，惡劣天氣對高速列車的影響也越來越受到人們的重視。
惡劣天氣對高鐵運輸組織帶來的最直觀影響就是列車晚點，同時也會產生安全隱患及風險。為應對惡劣天氣，鐵路部門出于安全考慮通常采用臨時限速（臨時限速是指除線路規定的限速以外，由于施工、維修等原因引起的有計劃的限速和由于自然災害、設備故障等原因引起的突發限速）或者臨時中斷行車的方式來保證列車安全通過受天氣影響的區段。
在這種情況下，列車調度員一方面需要嚴格按章執標，協調各部門進行應急處置，確保列車運行安全；另一方面需要靈活運用各種運行調整方法，調整站車順序及時刻，充分利用通過能力和運行圖緩沖時間，減少列車晚點及晚點傳播，盡快恢復運行秩序。
近年來針對列車運行調整的研究已成為國內外研究的焦點。Acu?a-Agost等對災害天氣條件下的鐵路調度問題進行了研究，在MAGES項目中提出基于混合整數規劃和約束規劃相結合的方法來解決調度問題。孟學雷建立突發事件條件下列車運行組織問題雙層規劃模型，設計了針對我國鐵路的突發事件下路徑生成的最短路算法，并應用于列車運行調整模型求解中。楊立興研究了擾動條件下的調度問題以最大限度地減少預期的總延遲時間，通過構建一個兩階段模糊優化模型獲得魯棒調度計劃并基于不同場景表示適用于恢復雙線鐵路的持續時間。
杜渺針對自然災害事件下的列車運行秩序擾亂的問題，建立了以與圖定時刻偏差最小為目標函數的離散事件的運行調整模型。Xu等人研究了干擾條件下的高速鐵路運行圖實時調整和列車速度選擇的一體優化問題，建立了基于準移動閉塞信號系統的混合整數線性模型，考慮列車速度與間隔距離之間的動態相互作用以最小化列車的總延誤。Samà等為有效緩解列車運行過程中的意外擾動，對列車路徑選擇和運行圖進行優化，應用蟻群優化算法對問題進行求解，以使得列車延遲傳播最小。
雷艷紅在其碩士論文中基于大風對高速鐵路列車的影響，分別建立大風區域不包含車站、大風區域包含車站兩種單點受災以及多點受災情況下列車采取停開、降速運行、繞線運行時的模型，并對三種模型進行分析，設計了求解繞線運行徑路的遺傳算法，得到了大風預警系統下廣義費用最小的高速列車運行調整方案。
孟令云基于隨機擾動的場景提出累積流量變量的整數規劃模型，以從擾動中恢復列車的正常運行，并最小化隨機情景下預計的總列車延遲時間，通過對軌道占用等約束進行拉格朗日松弛實現對問題的求解，并通過實例計算證明所提解決方案的有效性。
當前針對臨時限速條件下列車運行調整的研究也越來越受關注。Wang L等針對速度限制情況下的調度問題，提出了一個包含速度限制信息、調度需求、列車徑路、總延誤以及受影響列車的數量四個組成部分的決策支持框架，從而實現了與調度員的互動，做到了強調乘客滿意度，并且通過雙層建模方法降低了計算復雜性。
Wang Y等基于實時天氣預報數據，并根據網絡的時空分布及其嚴重程度來描繪移動的天氣，通過構建混合整數規劃模型，在天氣影響下同時對重新安排徑路和列車到發時刻進行建模，實現了在可行的時間內找到優化結果。Quaglietta研究了實時列車調度問題，通過構建基于替代圖理論的混合整數線性規劃模型，以減少速度限制對列車的影響。
目前，針對臨時限速條件下列車運行調整的研究大多在初始延誤的基礎上進行調整，且軌道區段鎖閉時間多采用定值。D'Ariano對列車調度問題采用了詳細的替代圖模型，并引入鎖閉時間以確定是否遵守列車之間的安全距離車頭時距，通過這種方法可以獲得一個遵循信號和安全限制的無沖突運行圖。
圖1 受臨時限速影響的路網
圖2 軌道區段鎖閉時間構成示意圖
圖3 受臨時限速影響的列車運行線
北京交通大學交通運輸學院、軌道交通安全與控制國家重點實驗室（北京交通大學）的研究人員，基于軌道區段鎖閉時間計算理論和鐵路防災安全監測系統的預警信息，以路網中列車的總延誤時間最短為目標構建了運行圖優化調整模型。解決了應對惡劣天氣引起的臨時限速的調整問題。通過算例驗證了該解模型的準確性。
本調度模型為臨時限速下的調度問題提供了一種行之有效的方法。在后續研究中，將考慮更復雜的臨時限速場景，并采用合適的算法和編程手段以提高解決方案的質量和計算效率。
以上研究成果已發表在2019年《電氣技術》增刊，論文標題為“臨時限速場景下基于軌道區段鎖閉時間的鐵路調度模型研究”，作者為李璇、孟令云、王義惠、龍思慧。
