轨道交通CBTC列车运行自动调整方法研究
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轨道交通CBTC列车运行自动调整方法研究
[摘要]城市轨道交通在缓解城市交通压力中起到巨大的作用，但是由于存在许多突发情况的干扰，列车运行难免会偏离计划运行图。采用智能的自动调整方法可克服传统人工调整随意性大、对调度员要求高的缺点，能及时、全面的制定优化的调整方案。本文介绍目前轨道交通列车调整的发展情况，并建模分析了城市轨道交通移动闭塞条件下列车运行调整的方法策略。
【关键词】轨道交通；CBTC；列车自动运行调整；移动闭塞
1、城市轨道交通列车运行调整发展概况
J．E．Cury等人首先针对巴西圣保罗地铁公司的南北运营线，提出了一种产生“最优调度计划”的方法。他们采用动态规划的方法求解问题，为保证大范围求解的有效性，采用了分解/协调技术，将原问题化为一些不相关的小规模优化问题，进而使问题得到解决。
日本学者f1．Susam与Y．Ohkama，S．Araya与S．Sone在此后较全面地论述了行车动态特性在城市轨道交通行车控制过程中的重要性。他们在建立了车流模型和客流模型的基础上，完成了两个行车动态特性的模型描述：SSM(StationSequential Model)和TSM(Train Sequential Model)，并给出了相应的全局状态反馈控制解。但该模型同样也有控制量的得出，需要简化才能适用于现有调度集中系统的缺点。
目前，轨道交通行车调整的研究基本是围绕智能处理方法这一主线展开，包括专家系统、模糊决策等。1990年，意大利的G．Vernazza等人运用分布式人工智能的思想，以车站为单元构成了一种分布式的行车指挥方法，以期实现实时性的调度。他将调整问题简化为资源分配的问题，并通过“合同网”冲突消解机制进行问题求解，取得了一定的实用效果。
2、列车运行调整的目标
列车运行调整的目的是尽快使列车从无序变为有序。评价一个运行调整方案的好坏，无论是人工调整还是自动调整，都可以从以下几个方面来衡量。
2.1 减少列车实际运行图与计划运行图的偏差
当某一列车出现晚点或早点时，应使该列车恢复到计划运行图上。运行调整的目标是使实际运行图和计划运行图之间的偏差尽量小。
2.2 使所有列车的总延迟最短
当多列车出现晚点，应使所有晚点列车的延迟时问总和尽量小。运行调整的目标为最小化所有列车的总延迟时间。
2.3 减少旅客平均等待时间
从乘客满意度的角度出发，在列车间隔的期望不变的前提下，列车间隔的方差越小则乘客平均等待时间的期望越小。因此，使列车到站时间间隔尽量均匀也应作为列车运行调整的目标。
2.4 列车运行调整的时间尽量短
当列车运行偏离计划运行图时，总是希望用最少的时间完成调整。有两种因素会影响整个运行调整的时间：一是希望自动调整算法能尽快的找到最优的算法，这是对算法实时性和收敛性的要求，但它不是调整算法的优化目标；另一个是希望自动调整算法搜索得到的调整策略能尽量少的时间完成整个调整，这可以作为调整算法的优化目标。
2.5 实施运行调整的范围尽量小
在实施调整时，希望不要涉及太多的列车，这也是调整算法搜索最优算法的一个目标。
2.6 使整个交通系统尽快恢复正常运营
当整个系统因列车故障或意外事故而陷于瘫痪时，这时的目标应是尽快使整个系统恢复正常运营，此时恢复到计划运行图己不是主要矛盾。
由此可见，列车自动调整问题是一个多目标优化问题，其中有些目标之间甚至相互矛盾，无法同时达到最优，因此，设计列车自动调整算法时需具体选择优化目标。
3、列车运行调整建模
列车运行调整主要是在列车运行受到干扰的情况下，列车运行偏离了原来的计划运行图，通过列车运行调整，使得列车尽可能恢复按图行车，在移动闭塞条件下和固定闭塞条件下的列车运行调整的总体模型和优化目标大致相同，区别主要在于约束条件的不同。列车运行调整问题的抽象形式采用具有广泛意义的形式表示如下所示。
状态方程：
G(j+1)=G(j)+T*G(j)……(1)
其中，G(t)——t时刻列车运行状态，T——由列车运行调整决策所决定的状态转移算子；
优化目标集：Object (1) and Object (2)……and Object （N），N为整数；
约束条件集：Restrain (1) and Restrain (2)……and Restrain（I），I为整数。
根据移动闭塞条件，可以通过表达式构建该模型。
3.1 优化目标
Object1下列列车总偏离时间最小
其中，——下行列车总偏离时间，
——下行列车总数，
——下行列车i在t时刻的实际到站时间(如果列车t时刻为停站状态，则为到达该站的实际到站时间；如果列车t时刻为运行状态，则为前方到站的预计到站时间)，
——下行列车i在t时刻的计划到站时间(如果列车t时刻为停站状态，则为到达该站的计划到站时间；如果列车t时刻为运行状态，则为前方到站的计划到站时间)。
Object2上列列车总偏离时间最小
其中，DAU——上行列车总偏离时间，
n2——上行列车总数，
Ai(t)——上行列车i在t时刻的实际到站时间(如果列车t时刻为停站状态，则为到达该站的实际到站时间；如果列车t时刻为运行状态，则为前方到站的预计到站时间)，
Ai’(t)——上行列车i在t时刻的计划到站时间(如果列车t时刻为停站状态，
则为到达该站的计划到站时间；如果列车t时刻为运行状态，则为前方到站的计划到站时间)。
Object3下列列车总偏离数最小
……（4）
……（5）
其中，DND——下行列车总偏离时间，
n1——下行列车总数，
Ai(t)——下行列车i在t时刻的实际到站时间(如果列车t时刻为停站状态，则为到达该站的实际到站时间；如果列车t时刻为运行状态，则为前方到站的预计到站时间)，
Ai’(t)——下行列车i在t时刻的计划到站时间(如果列车t时刻为停站状态，则为到达该站的计划到站时间；如果列车t时刻为运行状态，则为前方到站的计划到站时间)。
Object4上列列车总偏离数最小
……（6）
……（7）
其中，DNU——下行列车总偏离时间，
n2——上行列车总数，
Ai(t)——上行列车i在t时刻的实际到站时间(如果列车t时刻为停站状态，则为到达该站的实际到站时间；如果列车t时刻为运行状态，则为前方到站的预计到站时间)，
Ai’(t)——上行列车i在t时刻的计划到站时间(如果列车t时刻为停站状态，
则为到达该站的计划到站时间；如果列车t时刻为运行状态，则为前方到站的计划到站时间)。
3.2 约束条件
Restraint1列车的停站时间在最大/最小停站时间之间
……（8）
其中，Di,k——列车i从k站的实际发车时间，
Ai,k——列车i实际到达k站的时间，
Sk(max)——列车在k站的最大停站时间，
Sk(min)——列车在k站的最小停站时间。
Restraint2列车的站间运行时间在最大/最小站间运行时间之间
……（9）
其中，Ra,b——列车从a站到b站的站间运行时间(a站和b站为相邻的两个车站），
Ra,b(max)——列车从a站到b站的最大站间运行时间，
Ra,b(min)——列车从a站到b站的最小站间运行时间。
Restraint3列车追踪间隔约束条件
……(10)
其中，L一追踪列车与前行列车的间隔距离，
V1——追踪列车的运行速度，
V2——前行列车的运行速度，
β1——追踪列车的加速度(小于0时，为列车的减速度)，
β2——前行列车的加速度(小于0时，为列车的减速度)，
τ1——追踪列车的空走时间，
τ2——前行列车的空走时间。
4、结束语
轨道交通移动闭塞条件下列车运行密度大、间隔小，在遇到突发情况时，人工调整随意性大、对调度员的综合素质要求很高，调整方案很难尽善尽美。本文建模分析了城市轨道交通列车运行调整的方法策略，可以充分发挥计算机的优越条件，能够比较及时、全面的制定出优化的调整方案。
参考文献
[1]张勇,赵明,汪希时.基于移动自动闭塞条件的列车运行仿真系统[J].系统仿真学报,1999,11
[2]张莉艳,李平,贾利民,杨峰雁.在移动闭塞条件下列车运行调整的仿真研究[J].系统仿真学报,2004,10
