一种实时抗干扰的列车节能—晚点恢复模型

2018-04-26 08:05壹,张琦,陈
交通运输系统工程与信息 2018年2期
关键词:晚点列车运行区段

曾 壹,张 琦,陈 峰

(1.中国铁道科学研究院a.研究生部,b.通信信号研究所,北京100081;2.国家铁路智能运输系统工程技术研究中心,北京100081)

0 引言

列车在线路上受车站、车辆设备故障与天气因素影响后,占用、出清线路设备的时刻会发生晚点,并导致邻近列车时刻表延后,晚点现象在路网内传播.国内外用于缓解晚点现象的方法有宏观、微观两类,宏观方法考虑客流、换乘、咽喉的使用情况,在运行图内预留足够的缓冲、停站时间,调整运行方案[1-2];微观方法分析列车使用区间、道岔和信号机的先后次序,在线路设备提供的时间信息基础上预测行车事件,调整列车运行曲线[3-5].由于国内缺乏专门的数据挖掘系统,通过大量既往信息对晚点进行实时适应性预测[3]存在很大难度,而文献[4-5]提出的行车策略与降速值优化方法以色灯信号和车载通信为基础,在站内咽喉区与自动闭塞区间均能适用.

文献[1]使用宏观方法研究了较长时间晚点条件下的运行线调整问题.文献[6]表明广铁集团路网内各种致因的初始晚点平均长度为30 min,且多为区间发生的短时长晚点.本文使用文献[7]的区间锁闭时间模型分析晚点缓解问题,设计了节能—晚点恢复计算模型,最后通过场景对比分析了能耗、初始晚点与晚点传播现象的处理结果.

1 问题分析

1.1 晚点增加与传播分析

区间锁闭时间模型将闭塞占用信息表示为方格,具体有信号设定时间、反应时间、接近时间、运行时间、清空时间和释放时间[7].线路内发生初始晚点后,列车通过所在区间的时间会变长,在模型内表现为所在方格的拉伸.

图1中影响区段为区间0内2列列车闭塞方格的叠加区域.受该区段影响,被干扰列车在进入区间0前1个分区时收到红灯信号停车.文献[4]指出,提前降低列车速度,使列车总是通过绿灯或黄灯信号机,比在红灯信号机前停车等待区间空闲的方式更能缓解晚点、节约能耗.为实现绿灯通过方式,本文提出列车调整策略,使用通知信息计算相关区段的方法见第2节.

图1 初始晚点分析Fig.1 Initial delay analysis

策略1初始晚点列车或设备在区间0发生晚点后,将晚点区间编号、列车或设备id与出清时间通知被干扰列车.收到通知后,被干扰车辆结合自身的区间闭塞信息,计算区间0是否存在影响区段.不存在则不需执行其他策略.

策略2在区间0定义干扰区段,起点为受干扰列车进入区间0的时刻,延续时间与红灯内方区段长度一致.被干扰列车开始减速避让,推迟进入区间0的时间.调整过程在闭塞方格上表现为列车占用区块右移,运行线离开干扰区段.该过程同时起到节能效果.

策略3列车离开干扰区段后开始赶点加速,进入晚点恢复阶段.在区间0定义顺延区段,标示列车最终出清区间0的时间.

以上是列车区间增加晚点的恢复方法.较大的初始晚点往往导致被干扰列车挤占下一列列车的运行时分,引起晚点现象在路网内传播.使用区间锁闭时间模型分析如图2所示.

图2 晚点传播的分析Fig.2 Delay propagation analysis

图2延续图1的分析结果研究晚点传播现象,即被干扰列车的顺延区段在下一列列车的闭塞方格内产生影响区段的情形.由于被干扰列车存在多个顺延区段,受晚点传播影响的列车可能相应出现多个影响区段,应对方法如下:

策略4受干扰列车将顺延区段所在的区段编号、列车id与出清时间通知下一列列车计算影响区段.如不存在,则不执行其他策略;如果存在多个影响区段,就采用策略2依次通过所有干扰区段后,采用策略3增速,以避免列车受红灯停车干扰.策略4为列车区间晚点传播的恢复方法.

文献[8]指出城际路网内25 min初始晚点造成的影响范围和各站增晚远大于10 min的情形.为避免由时长增加导致计算复杂化,本文认为时长大于15 min的晚点应使用宏观方法解决,15 min以下的晚点由微观方法处理.综上所述,路网内不同初始晚点时长的应对方法可归纳为表1.

表1 初始晚点的分类处理方式Table 1 Classification of initial delay and its processing methods

1.2 牵引计算分析

列车通过运动方程计算区间降速与赶点的轨迹.运动方程的参数受所在区间坡度、曲线半径、附加阻力与限速的制约,随列车位置变化.列车的牵引/制动方式与工况取值也会改变牵引、制动力输出.文献[9]考虑上述条件,指出刚性多质点模型比单质点更能真实反应列车力学特性.运行曲线在通过试凑、反向试凑及插值法求解速度—时间曲线后,再由运动方程求出.

干扰区段使列车减速避让、加速赶点,即通过改变牵引、制动工况调整运行曲线避开红灯影响.在不同线路参数下,列车降速节能效果会有差异,应选取效果显著的参数组合进行计算.

2 问题建模

晚点缓解模型分为晚点预测模型、列车节能—晚点恢复模型与晚点传播模型,如图3所示.晚点预测模型首先收到初始晚点并评估增晚影响,确立干扰区段;列车节能—晚点恢复模型之后依据干扰区段完成降速—赶点牵引计算,改变列车运行曲线;晚点传播模型在运行曲线变化后,检查顺延区段,再将延迟出清信息通知晚点预测模型;晚点预测模型通过策略4,确立新的干扰区段继续推算,或判定增晚现象消除.

图3 晚点缓解问题的处理流程Fig.3 Processing chart of delay recovery problem

2.1 晚点预测模型

根据策略1和策略4,初始晚点列车、被干扰列车和设备将初始晚点或顺延区段占用区间的编号i、列车l或设备id与出清时间发送到后方列车l+1,通知发送时间记作,通知包含的区间编号属于集合K.后方列车l+1位于区间i闭塞方格的最小时刻记作,k为区间闭塞制式要求的间隔区间数,即列车l+1进入区间i-k的时刻.定义列车l+1位于区间i的影响区段为bl+1,i,其时间范围满足若为空集则表示影响区段不存在.

根据策略2,干扰区段时长为红灯内方区段长度,起点为列车l+1进入区间i的时刻为定义列车l+1位于区间i的干扰区段为dl+1,i,其时间范围满足将列车l+1进入、离开区间i的公里标记为,则干扰区段dl+1,i的计算方法可表述为

2.2 列车节能—晚点恢复模型

节能—晚点恢复模型通过运动方程模拟列车运行曲线,采用文献[9]提出的刚性多质点模型进行各类车型、车长和车重条件下的牵引计算,运动方程为

式中:c工况为列车牵引、制动工况下的单位合力,由牵引、动力制动特性曲线求出,列车使用空气制动时,通过总重力、闸瓦压力与列车管减压量计算空气制动力;ξ为考虑转动惯量的加速度系数;wi(s)为考虑车长的加算坡道千分数;Im、Irm、Ism分别为列车覆盖的第m个坡道、曲线、隧道的长度;I、im、Rm、wsm分别为列车长度、坡道千分数、曲线半径与隧道附加阻力;M为列车总重;n为机车辆数;m0、mk分别为机车、车辆k的总重.式(4)处理空、重车导致的质量分布不均问题.

运动方程中存在随距离变化的参量,故进行牵引计算时必须确定列车所在位置的等效坡度和限速参数.根据参数取值情况将线路分段为

式(5)为使用线路等效坡度r、限速参数q生成的组合子区间集合C.子区间ci∈C内列车的运动方程唯一确定.式(2)可求解列车的速度—时间曲线v=v(t),列车运行曲线由微分方程求出.

通过速度—距离曲线可求出子区间ci的牵引能量与做功距离,定义子区间ci的牵引力功率

列车通过黄灯信号机时,要将子区间c′划分为cInterfered与c″,关系式为

列车在子区间cInterfered内依据黄灯限速运行,并由牵引计算预测于sInterfered处离开干扰区段.列车不通过黄灯时,为空集,c″=c′.牵引计算完成后子区间、c″还原为ck.

列车受干扰区段dl+1,i影响,进行降速避让的子区间集合CAvoid满足

避让过程选择集合CAvoid中牵引力做功Pk最大的子区间减少牵引工况,降低列车速度与能量输出,达到节能效果.改变工况取值后更新集合CAvoid下的列车运行曲线和能耗,该过程持续到确认列车可驶出干扰区段i(i∈K)为止.

设子区间公里标终点为send,进行加速赶点的子区间集合CAccel可表述为式(13),iend为集合K顺序标识的最后一个区间编号.

赶点过程选择集合CAccel中牵引力做功Pk最小的子区间增加牵引工况取值,从而增加列车速度,减少到站晚点时长.改变工况取值后更新集合CAccel下的列车运行曲线和能耗,直至确认列车准点进站或无法避免晚点.策略3的干扰区段驶出过程即转化为在集合CAvoid、CAccel中选择子区间,通过调整列车牵引工况改变列车运行曲线,避开红灯干扰并满足节能与晚点恢复要求的模型.

及时落实农业科技人才政策性补贴的落实和监督工作,提高他们的待遇,保障农业科技人员的切身利益,尤其是基层,要确保人才留得住、工作安心干。加大农业科技人员的技能培训力度,提高科技服务水平和能力,确保青稞生产中技术有支持、人才有配备。同时配备必要的交通工具,完善试验、示范基础设施,为青稞生产提供良好的条件。

列车如果在大坡道前闯坡,对应子区间的牵引工况不应变动.通过方程c工况(vuniform)=0求解列车维持牵引工况的临界速度vuniform.如果vuniform>qk,则认为列车在ck内无法保持加速,ck为大坡道.

2.3 晚点传播模型

节能—晚点恢复计算中的工况调整将延后列车在各区间的出清时间.根据策略3定义列车l在区间i的顺延区段el,i为

定义列车l驶过并发生时间延后的区间编号集合为由式(14)可知,如果区间i存在时间延后,则el,i≠ϕ,i∈,反之el,i=ϕ,将所有区间编号、列车id与出清时间信息组合通知晚点预测模型以评估晚点传播的后续影响.

3 模型场景验证

场景采用广铁集团快速旅客列车K4222次、区段货物列车33102次在茂名—广州西方向的CTC实时车次数据与区间参数,依据文献[10]的方法制作从盐步所到广州西的图定线运行曲线.在三眼桥1号道岔处设置30 s设备故障研究初始晚点的缓解.使用无调整方法、节能—晚点恢复模型与文献[4]的绿灯策略方法处理K4222次车的结果如图4和表2所示.

图4 不同方法处理后的列车运行曲线Fig.4 Train paths processed with different methods

表2 不同方法的能耗、晚点结果验证Table 2 Validation of resulting energy consumption and delay with different methods

结果表明,在不使用任何调整策略时晚点将大幅增加.绿灯策略与节能—晚点恢复模型防止了增晚出现.3种方法中节能—晚点恢复模型能耗最小.

设置设备故障为2min考察晚点传播现象.前方列车为K4222,后方列车为33102,2列列车在广州西站的到站追踪间隔时间由公式计算约为4 min.模拟计算表明无调整策略时列车将驶过红灯,故不做进一步讨论.使用节能—晚点恢复模型与绿灯策略方法得到结果如图5、图6和表3所示.

图5 节能—晚点恢复方法处理后的列车运行曲线Fig.5 Train paths processed with energy-delay recovery method

图6 绿灯策略方法处理后的列车运行曲线Fig.6 Train paths processed with green-wave policy method

结果显示晚点时长从前车到后车逐渐减小,体现了晚点的传播与缓解过程;节能—晚点恢复方法处理后的运行线对后方车辆的干扰较小,且能耗与晚点时长表现均优于绿灯策略.

当初始晚点增大时,由于可降速的子区间较少,绿灯策略无法有效回避干扰区段,是导致算法表现差于节能—晚点模型的原因.上述对比验证结果说明,节能—晚点恢复模型能在干扰条件下降低列车牵引能耗并缓解增晚现象.

表3 2种方法的能耗、晚点现象分析结果Table 2 Energy consumption and delay analysis with two methods

由于缺少实时数据与部分区间参数,本文不进一步讨论晚点小于15 min的其他情况.

4 结论

本文提出了列车能耗与晚点缓解问题的微观模型,并使用CTC系统的实时车次数据与区间参数制作的场景验证了模型能很好处理晚点现象.模拟计算结果显示,可降速的子区间越多,避让的效果越好.因此,晚点时长大时应扩大实时数据与区间参数的采集范围,建立更多子区间,或换用宏观模型解决.从工程角度上看,调度中心虽然采集了晚点缓解计算需要的原始数据,但数据分散于各子系统,如要实现实时计算,必须首先围绕数据集成问题,进行软件模块开发工作.

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