铁路运输

中国轨道交通列车运行控制技术及应用

宁滨，刘朝英

摘要：目的：中国的轨道交通在近10年中获得了飞速发展，轨道交通的安全运营是轨道交通发展的重中之重。列车运行控制系统是确保轨道交通安全的关键技术之一，在我国得到了快速的自主创新发展。本文详细介绍了中国铁路列车运行控制系统（CTCS）技术和城市轨道交通基于通信的列车运行控制系统（CBTC）技术。方法：信号系统是确保轨道交通安全的关键技术之一，作为信号系统的核心——列车运行控制系统的相关技术在我国得到了快速的自主创新发展。CTCS-2 级和CTCS-3 级列车控制系统适用于速度为200 km/h 以上的高速线路，其技术方案适应中国铁路运输特点和技术特点，系统层面进行了多方面技术优化和补强，增加了区间轨道电路的占用逻辑顺序检查功能，降低了列车的追尾风险；CTCS-3 级列车控制系统行车许可与C2 系统通过轨道电路提供的行车许可进行安全比较，实现了双速度曲线比较，取得了重大技术突破。基于通信的列车运行控制系统（CBTC）实现了90 s 追踪运行，快速提升了我国城市轨道交通的运营能力。结果：我国高速铁路列车控制系统主要技术特点为：（1）CTCS 各等级均为信息连续式控制系统。CTCS-2 级系统采用连续式轨道电路提供行车凭证；CTCS-3 级系统采用GSM-R 无线传输实现车地双向连续信息传输。（2）主要的CTCS 等级均设计了后备系统。CTCS-2 级列车控制系统采用CTCS-0 级系统作为后备，CTCS-3 级系统采用CTCS-2 级系统作为后备。遇到主用系统不可用的情况，主用系统均自动降级为后备系统，确保高速铁路动车组安全和可靠运用。CTCS-3 系统与CTCS-2 系统的级间切换均在列车运行中自动完成，无需停车转换。（3）轨道电路信息在列车控制系统的各等级均发挥了重要作用。CTCS-2 级列车控制系统中通过轨道电路提供行车许可信息，CTCS-3级系统也成功引入轨道电路信息进行安全比较。实现了CTCS-2 和CTCS-3 级系统的系统集成，完善CTCS-3级列车控制系统，提高了CTCS-3 级系统整体的安全性。（4）区间轨道电路占用逻辑检查功能的增加进一步提高了高速铁路及普速铁路自动闭塞区段的安全性。我国高速铁路及普速铁路自动闭塞区段均在实施区间轨道电路占用顺序逻辑检查功能，实现列车占用丢失后，防护该区段的信号机自动显示红灯，防止追尾。此外，中国高速铁路的列车控制系统已经实现了CTCS-2 级线路和普速铁路的互联互通、CTCS-3 线路与CTCS-2 线路的互联互通，不同CTCS-3 平台之间的互联互通。目前，CBTC 技术已经成为我国城市轨道交通信号技术应用的主流，占有率超过90%。技术的提高及追踪方式的创新使得90 s 追踪运行成为可能，这足以使城市轨道交通的运营能力得到快速提升。结论：通过本文详细分析我国目前的列车运行控制技术，对未来的技术发展方向进行了展望。轨道交通列车运行控制技术将着眼于高速铁路下一代列车控制系统技术研究，系统仿真测试技术、故障监测和诊断技术提升，城市轨道交通全自动运行技术研究，基于车-车通信的列车控制技术研究以及基于全运行区间的列车预警技术研究，以进一步保证轨道交通的安全性和可靠性，最终实现安全、高效、绿色出行，满足国家经济发展需求。

来源出版物：铁道学报， 2017， 39(2)： 1-9

入选年份：2017

基于改进熵权聚类SVD 的铁路应急救援辅助决策方法

左静，帅斌，何凯妮，等

摘要：目的：国家铁路总公司在《十三五科技发展规划》中将我国铁路技术从“先进”到“引领”作为未来五年的发展目标。安全及运营维护技术是铁路发展的重要方向。突发状况下快速、有序的恢复运营是运输技术能力、标准管理软实力的综合体现。一旦在铁路突发事件在救援过程中发生其他衍生事件使目前采取的应急预案不能适应现场情况时，面对错综复杂的事件状态救援人员难以准确、快速的确定出合理的决策支持方案，可能会导致应急任务延迟执行或受阻。本文通过构建应急辅助决策模型，研究快速、科学的应急救援辅助决策系统，从而达到更好的辅助铁路运营安全管理机构进行应急预案选取，更快速、合理的确定救援行动具体实施方案的目的。方法：本文通过借鉴历史案例的经验数据，将符合铁路突发事件的改进距离熵权重用于修正属性信息。通过SVD 算法以及聚类分析进行数据双重处理，解决了系统计算缓慢等问题。以上方法既能通过改进距离熵权算法的使用充分地借鉴以往救援经验，又使用SVD 及聚类分析解决了系统计算缓慢等问题。为铁路应急提供一种实时、快速的科学辅助方案决策方法。结果：从计算结果可得，采用本文所提方法求得结果与以往其它计算方法计算结果得到的最优案例一致。结合计算结果及待决策突发事件的救援特点可以看出本文所提模型推理在救援方式、救援设备、救援环境均具有合理性。结合对比分析计算结果可以看出：首先，同传统的SVD分解和案例推理决策方法相比，本文所提基于聚类与改进距离熵SVD 算法在处理铁路突发事件应急方案找寻时能得到相同的决策结果，说明了该方法的可行性；其次，将改进距离熵引入决策算法确定属性权重能更加适应铁路突发事件自身特点。改进熵权重及聚类的数据预处理会随着案例的增加不断完成自学习使其更加准确。同时，通过聚类方法将案例库提前进行处理，当突发事件发生时，可缩减计算次数、降低搜索时间、提高搜索效率，在大量数据背景下更好地满足突发事件决策时效性需求。结论：本文以铁路突发事件应急救援处置为研究背景，以真实案例数据为依据，构建了基于聚类分析与改进距离熵权SVD 的铁路应急救援方法模型。提出改进距离熵的属性权重确定方法，改善了以往传统赋权的主观性。并将此权重赋与传统SVD 模型中，使改进后的决策模型具有属性重要性特点。通过SVD 数据降维处理可将高维向量映射到低维空间，提高了检索效率。改进后的SVD 模型能在大量、高维案例信息中准确地检索出与事故案例特点最为相似的结果，通过对不同阈值下案例的微调与修正得到更符合当前突发事件的决策方案。铁路运营管理部门可以根据方案组织救援活动。当推理完成后，本算法还能将成功救援典型事件的态势信息加入案例库中保存。模型在案例数据不断丰富、完善的过程中决策的准确性也将不断增强。通过实例分析验证了本方法处理铁路突发事件救援处置问题的可行性与可操作性。随着现代电子计算机技术的广泛应用，该算法能够能更快速、更方便地为铁路决策管理部门在不断变化的突发事件状况下提供具有较好可用性和合理性的辅助决策方法。

来源出版物：铁道学报， 2017， 39(8)： 18-26

入选年份：2017

基于灰色关联分析的LS-SVM 铁路货运量预测

耿立艳，张天伟，赵鹏

摘要：目的：铁路货运量的影响因素广泛而复杂，若全面考虑所有影响因素，将导致预测模型输入变量过多、结构复杂，且不重要的影响因素会降低铁路货运量的预测精度，影响预测模型的推广应用。本文提出基于灰色关联分析（GCA）法的最小二乘支持向量机（LS-SVM）铁路货运量预测方法。方法：将GCA 法、定性分析与LS-SVM 相结合，提出铁路货运量的GCA-LS-SVM 预测方法。首先，在分析铁路货运量影响因素基础上，将铁路货运量影响因素分为社会需求与铁路供给两方面因素，初步选取12 项社会需求因素指标和8 项铁路供给因素指标。其次，利用GCA 法分别计算社会需求因素指标、铁路供给因素指标与铁路货运量的灰色关联度和灰色关联序。根据灰色关联度和灰色关联序，结合定性分析筛选铁路货运量的主要影响因素指标。第三，以筛选出的主要影响因素指标作为输入变量、铁路货运量作为输出变量，构建LS-SVM 模型，再通过随机权重粒子群（SIWPSO）算法优化选择LS-SVM 模型参数。最后，选取我国1980—2009年铁路货运量及影响因素指标数据验证GCA-LS-SVM 的有效性，其中，1980—2003年的数据样本用于构建GCA-LS-SVM，2004—2009年的数据样本用于检验GCA-LS-SVM 的预测性能。基于相同数据样本，分别构建 LS-SVM、LS-SVM2 和LS-SVM4 模型预测铁路货运量，将这3 个模型的预测结果与GCA-LS-SVM 进行比较。其中，LS-SVM 将全部20 项铁路货运量影响因素指标作为输入变量，LS-SVM2和LS-SVM4 以现有文献选取的不同影响因素指标作为输入变量。结果：从GCA 法结合定性分析结果可以看出，社会需求因素指标中，第二产业生产总值、全国煤炭产量、全国钢铁产量、公路货运量4 项指标是影响铁路货运量的主要社会需求因素；铁路供给因素指标中，货车平均静载重、列车平均编成辆数、货物列车开行对数3 项指标是影响铁路货运量的主要铁路供给因素。因此，GCA-LS-SVM 的输入变量为7 项主要影响因素指标组成的向量。从GCA-LS-SVM 与LS-SVM 的预测结果可以看出，GCA-LS-SVM 的预测值较LS-SVM 更接近于实际铁路货运量；GCA-LS-SVM 的最大、最小相对误差为-3.14%和0.42%，分别小于LS-SVM 的最大、最小相对误差；GCA-LS-SVM 的预测性能评价指标RMSE、THEIL 值分别为 5707.7、0.0096，分别小于LS-SVM 的RMSE 值和THEIL 值；GCA-LS-SVM 的建模及训练时间约为23 s，比LS-SVM 减少了7 s。从GCA-LS-SVM 与LS-SVM2、LS-SVM4 的预测结果可以看出，GCA-LS- SVM 的预测值较LS-SVM2 和LS-SVM更接近于实际铁路货运量；GCA-LS-SVM 的最大、最小相对误差分别小于LS-SVM2 的对应值；GCA-LS-SVM的最小相对误差虽稍大于LS-SVM4 的最小相对误差，但其最大相对误差明显小于LS-SVM4 的最大相对误差。GCA-LS-SVM 的RMSE 值和THEIL 值均小于LS-SVM2和LS-SVM4 的对应值。结论：GCA 法结合定性分析可以指导LS-SVM 输入变量的选择，能够减少LS-SVM 输入变量数目，简化模型结构，加快模型建模速度，在一定程度上提高LS- SVM 的铁路货运量预测精度。

来源出版物：铁道学报， 2012， 34(3)： 1-6

入选年份：2017

高速行车条件下轨道几何不平顺敏感波长研究

高建敏，翟婉明，王开云

摘要：目的：轨道高平顺性是高速铁路运营成败的核心问题之一。为保证轨道在高速行车条件下保持良好的技术状态和质量均衡，高速铁路运营必须加强对轨道几何状态的管理。实际轨道不平顺是随里程变化的随机过程，包含从几毫米到几百米的波长成份。在众多波长成份中，有些波长的不平顺对车辆运行品质影响大，有些则影响不大。因此，对于我国高速铁路，有必要探清轨道几何状态管理值对应的波长以及轨道不平顺的敏感波长范围。为此，本文以我国某高速客车为例，利用现代先进的仿真技术平台，对高速车辆在弹性轨道上运行时的轨道几何不平顺波长效应进行分析，从理论上分析和探讨轨道几何不平顺波长与高速行车动力性能之间的关联关系，进而分析高速铁路轨道几何不平顺敏感波长范围。方法：采用车辆-轨道耦合动力学理论方法，建立车辆-轨道耦合动力学模型，分析轨道几何不平顺激扰作用下，高速车辆系统的振动响应情况；借助车辆动力学性能评价指标，进行综合评判分析，进而分析高速行车条件下，轨道几何不平顺的敏感波长范围。其中，车辆-轨道耦合动力学模型包括车辆子模型、轨道子模型、轮轨接触关系模型。车辆子模型为由车体、构架、轮对、悬挂弹簧和阻尼等元件构成的多刚体系统，各部分通过悬挂元件连接，形成一个多自由度质量-弹簧-阻尼系统；轨道子模型中，钢轨被视为连续弹性离散点支承基础上的无限长Euler 梁，轨枕被视为刚性体，与钢轨以及枕下基础间通过线性弹簧和粘性阻尼元件连接，道床被离散为刚性质量块，相邻道床块间由剪切刚度和剪切阻尼元件相连，道床与路基之间用线性弹簧和阻尼元件连接。轮轨空间接触几何关系通过迹线法求解，轮轨法向力由赫兹非线性弹性接触理论确定，轮轨切向蠕滑力则通过Kalker 线性理论和非线性修正理论相结合的方法求解。轨道几何不平顺模型选取高低、水平、方向、轨距和轨道扭曲5 类，用位移函数作为系统激扰输入，通过对一股或两股钢轨施加同向或反向、同相位或异相位的单波余弦不平顺，来描述各类轨道几何不平顺的输入。车辆系统动力学性能评价指标主要包括轮轨垂向力、轮轨横向力、轮重减载率、脱轨系数、车体垂向和横向振动加速度。结果：不同行车速度条件下不同类型谐波不平顺波长变化对高速行车动力性能指标有不同程度的影响。不同行车速度条件下，高速车辆系统动力学性能指标随谐波不平顺波长的变化呈非线性关系变化，且不同行车速度条件下各指标随谐波不平顺波长变化而变化的曲线较为相近；在某一波长值，车辆系统动力学性能指标达到最大，此波长即为该行车速度条件下，影响高速车辆运行安全性、稳定性的谐波不平顺的最不利波长，而该最不利波长附近区段则为敏感波长范围。分析发现，在250～400 km/h 行车速度域，高速车辆系统动力响应指标随着轨道不平顺波长的变化，存在一个幅值相对较大的区间，轨道不平顺类型和行车速度不同，该敏感区间对应的不平顺波长范围亦不相同。综合对比可见，在250～400 km/h 行车速度域，轨道高低、方向和水平不平顺在长波段的敏感波长范围分别约为80～160 m、40～120 m 和50～160 m；在相同行车速度条件下，轨道扭曲不平顺在长波段的敏感波长范围约为40～100 m。结论：应用车辆-轨道耦合动力学理论，可从理论上研究和分析轨道几何不平顺波长对高速车辆动力学性能指标的影响规律，进而探明高速行车条件下不同类型谐波不平顺的最不利波长及其敏感波长范围，为高速铁路轨道不平顺的管理和线路的养护维修提供理论参考。但是，本文仅针对一种车型，从最基本的谐波不平顺角度出发，分析了不同行车速度条件下轨道几何不平顺的波长影响问题，要确切提出适合中国高速铁路状况的轨道几何不平顺敏感波长管理范围，尚需根据中国高速铁路运营车辆及线路状况等条件，开展更为广泛的研究。

来源出版物：铁道学报， 2012， 34(7)： 83-88

入选年份：2017

弓网电弧模型及其电气特性的研究进展

王英，刘志刚，范福强，等

摘要：目的：目前在电气化铁路及城市轨道交通系统的供电系统中，电力机车电能主要供给方式是弓网受流，但随着我国电力机车运行速度日益提高，弓网离线电弧造成的接触网以及受电弓电气烧伤事故频繁发生，严重影响高速列车受流。为防止弓网电弧侵蚀受电弓和接触网，避免其对机车设备和环境的电气干扰，保证机车可靠受流，针对弓网电弧侵蚀问题，从电气特性角度进行研究进展综述。方法：（1）对电弧产生机理进行讨论。弓网电弧起因极其复杂，一般弓网在列车运行、弓网滑动接触过程、受电弓升降操作、受电弓经过电分段、滑板或接触物有异物、接触线表面不平顺或硬点等情况下产生电弧。（2）通过对电弧产生机理的讨论，归纳弓网电弧的各种数学模型以及特点。由于电弧可能受到高速动车运动引起的空气流动的影响、接触网和受电弓机械振动的影响和复杂大气环境的影响等，因而针对弓网电弧模型的建立还需考虑更多的因素。（3）从弓网电弧的电气特性入手介绍当前国内外弓网电弧的电气侵蚀、电弧能量、电气干扰和电弧检测的最新研究进展。对弓网电弧的电气侵蚀研究主要集中于定性研究方面，但对于电弧侵蚀的定量分析研究很少，因此，接触网系统电弧电气侵蚀应加强对电弧能量的深入研究，电弧能量大小直接关系到电弧侵蚀的程度，而针对弓网电弧的电气干扰，目前国内外的研究比较集中在过电压和电磁干扰的影响，同时随着列车逐渐趋于高速化和重载化，弓网离线电弧检测将是未来评价高速铁路弓网受流质量的重要检测方式，研究弓网离线电弧检测的主要目标是通过对电量或非电量检测特征量的统计分析和对接触线每公里受流质量的量化来确定受流质量指数，以帮助检测和维修工作顺利进行。（4）从电气特性角度，分析弓网电弧研究存在的问题和未来发展趋势。电弧问题的研究主要集中在开关电弧模型的建立与分析、能量分布、对触头材料的侵蚀和载流摩擦磨损等方面；针对弓网的研究也都集中在机械接触等非电气特性上，对弓网电弧模型和电气特性的分析和检测并不多。弓网电弧现象越来越引起关注，针对弓网电弧的研究，可以通过实验室弓网电弧实验对电弧数学模型进行优化，建立适合弓网电弧的阻抗模型，也可以结合整个牵引网供电系统，对弓网电弧进行系统性研究，同时也可从弓网电弧的检测以及控制上深入研究。结果：通过对弓网电弧的形成机理和特点的讨论，从电气特性研究角度对弓网电弧模型及其电气特性和检测的研究现状与存在问题进行了综述。主要介绍弓网电弧模型及其电气特性与检测的国内外最新研究进展，并对未来研究趋势进行了展望。随着电气化铁路的快速发展，特别是高速铁路的建设与运行，作为衡量列车高速运行状态的重要指标，对弓网电弧的研究越来越具有理论和实际工程意义。结论：电气化铁路在高速受流下，受电弓滑板与接触网组成了一对机械与电气耦合的特殊摩擦副。弓网电弧是一个电场、磁场、气流场及热场等多物理场之间相互耦合变化的复杂过程，影响因素多，随机性强，理论研究十分困难。

来源出版物：铁道学报， 2013， 35(8)： 35-43

入选年份：2017

地铁列车追踪运行的节能控制与分析

唐海川，王青元，冯晓云

摘要：目的：传统的列车运行控制算法主要针对单列车运行曲线进行优化，以最小化列车全程的机械能能耗。但是，在列车实际运用过程中，运行能耗的计算并不是对每列车进行单独测算，而是在牵引变电所处完成。因此，在有多列车同时运行的供电区间中，列车节能优化不仅需要考虑减少列车机械能损失，合理使用制动产生的再生能量同样重要。基于给定前行列车的运行状态，研究追踪列车的最优控制算法，以实现在牵引变电所处总能耗最小。方法：首先根据列车制动原理，建立牵引网再生制动等效电路，将列车等效为功率源，前车反馈的能量如果不能被后车吸收将在车载电阻中消耗。其次，基于等效电路图，考虑列车运动学模型、等效电路关系以及列车准点运行线路限速、准确停站等约束条件，以牵引变电所处的总能耗最小为目标，构建两车追踪运行优化问题的数学模型。最后，将初始列车运行曲线对应的状态向量作为参考点，基于参考点利用泰勒展式对模型约束进行线性化处理，使其能够采用二次规划算法求解，再将获得的最优解代替初始参考点重新进行优化计算，反复迭代，直到最优解收敛，所得状态向量对应的运行曲线即为追踪列车最优运行曲线。结果：以某地铁线路为例，验证本文介绍的二次规划算法对再生能耗优化利用的有效性。为了比较算法优化效果，保持前行列车运行曲线不变，追踪列车考虑2 种运行方案。方案一：追踪列车保持与前行列车同样运行策略；方案二：追踪列车采用本文算法，根据前行列车运行情况，调整运行状态，在保证安全准点的前提下，尽可能地吸收前行列车的再生制动能量；在方案二中，当前行列车开始制动时，追踪列车根据网上电压变化调整列车操纵指令，实现再生能量利用。在前车制动结束后，后车通过延长牵引时间，推迟恒速运行状态补偿之前对列车状态进行调整所损失的时分，最终实现准点进站。在本仿真案例中，方案二可使牵引变电所处的总能耗降低3.8%，且明显改善网压波动情况；当追踪间隔较短时，追踪列车以增大单车机械能损失的代价才能实现再生能耗的优化利用，系统总能耗的节约情况并不明显；当追踪列车发车时间接近前车制动时间时，节能效果显著；另一方面，即使不考虑算法优化，合理安排追踪间隔也可节约7.2%的总能耗。结论：（1）基于二次规划算法求解追踪列车最优控制问题，可以在保证准点运行、准确停站的前提下，降低系统总能耗，改善网压波动。（2）不同追踪间隔的运行图对应的节能潜力并不相同。仿真结果显示，追踪列车发车时间距离前行列车的制动时间过远或过于接近，采用算法优化进行节能的效果都不明显。（3）即使不考虑算法优化，合理设置追踪间隔时间对再生能量的利用也有较大影响。根据实际运营需要，同时调整追踪间隔和优化追踪列车运行曲线可获得更好地节能效果。

来源出版物：铁道学报， 2015， 37(1)： 37-43

入选年份：2017