高速铁路行车调度系统运行风险分析及调整优化方法

高速铁路行车调度系统运行风险分析及调整优化方法

高速铁路行车调度系统的正常运转是保证列车安全、准时、高效运行的重要保障之一,是整个高铁调度指挥系统中不可或缺的子系统。因此,加强对行车调度指挥系统的风险研究,掌握影响该系统运作的“机+环境”两方面危险因素的风险特性及行车调度人员的行为的可靠性,能够进一步提高对维持系统稳定性的认识。其次,运行图的调整、运行冲突的疏解是行车调度系统的主要核心任务之一,由于设备故障、恶劣自然环境等造成线路通过能力的下降或列车的初始晚点时有发生,及时高效地调整列车运行图,减少列车晚点或晚点的二次延误对系统造成的负面影响,可以高效智能地制定可靠的运行图调整方案,也是保证行车调度人员操作

的可靠性,应对不可避免的危险因素的有效手段。因此,加强对行车调度系统的风险分析及对受干扰情况下行车调整优化方法的研究,对保证高铁调度系统安全,

对提高系统抗风险能力具有深远的意义。

本论文综合分析了国内外在安全系统工程理论及行车优化数学模型等方面

的研究现状,结合我国高速铁路行车调度系统的特点,论证了行车调度系统的地

位及其在高速铁路系统中信息传递的机制,明确了行车调度系统在不稳定状态的演化机理,辨识出系统中“人一机一环”三方面的危险因素,并对其进行风险分析,最后建立了在危险因素干扰下的运行图优化调整模型,以降低风险干扰,保证行

调人员决策的可靠性,快速恢复系统稳定性。具体完成以下研究工作:(1)一方面通过大量阅读文献分析了铁路行车调度指挥系统安全管理、应急处理及行车调度优化等方面理论与方法及不足,明确了论文的研究方法和技术路线。另一方面通过现场调研熟悉我国高速铁路行车调度指挥的任务及作业流程,收集影响行车调度的设备故障、恶劣环境、人为失误、事故等方面的历史数据,为论文的研究工作提供了可靠的数据支撑。(2)根据我国高铁调度指挥系统内信息传递流程、传递途径、传递作用对象等相关方面特点,论证了行车调度系统的核心地位。

将系统中各子部件视为节点,将各子部件相互之间直接联系的信息通道(或

媒介)视为边,利用信息熵理论,依据节点间信息传递属性,建立边长的计算理论,并根据熵扩散原理描述了不确定信息在系统中传递的规律,利用复杂网络理论,

建立对系统中要素、要素之间传递通道及要素之间关联程度判定的理论方法,对调度指挥系统进行拓扑结构分析。证明了高速铁路调度系统以行车调度为主核心,

向CTC主机、供电调度、维修调度、计划调度、客服调度以及动车调度等其他工种调度辐射的次核心圈,经次核心圈向边缘设备辐射的三级辐射圈的混合网络结构。系统中最重要的信息通道为:列车—CTC/RBC—行车调度岗位。(3)根据高铁行调系统的开放性、远离平衡性和非线性,引入耗散结构理论,综合考虑系统中的“人”、“机”、“环境”三要素,研究了系统内外要素的异常状态对系统稳定性的影响。

以实绩列车运行图与计划运行图的匹配情况为基础,定义了系统熵值的概念,建立了衡量系统熵值大小的计算方法。通过系统与外界的物质、能量及信息交换的偏差描述系统熵流的大小;另一方面,分析并建立了计算限速类熵源、中途停车类熵源及撞异物类熵源的方法。最后利用硬涨落致因事件、软涨落致因事件及环境涨落致因事件解释了行车调度系统中熵的波动,描述了行车调度系统稳定性及各种不稳定状态的演化规律。(4)从统计学角度,宏观分析了影响行车调度系统的硬件设备故障及外界恶劣环境类危险因素的特点,将其划分为八类,分别为:恶劣环境或天气类、车载设备类故障、牵引供电类故障、线路故障类、车体故障类、通讯信号类故障、调度指挥人机界面类故障和其他类。

基于高铁行车调度系统实际历史统计数据,绘制统计直方图,利用参数估计

方法,拟合估计并比选出八类危险因素所对应的最优的概率密度分布函数的参数。然后采用多参数的零点截尾负二项分布,综合考虑列车晚点数和八类危险因素发生频率,得到各类危险因素对列车晚点数的影响严重程度,将危险因素划分为四

大类。最后,结合各类危险因素的概率密度函数和拟合出的多参数负二项分布函数,仿真模拟计算出各类危险因素在各种情景下造成列车晚点数分布,确定八大

类危险因素的风险等级。(5)在高速铁路调度指挥系统中,行调人员通过调度终端来集中监控、指挥铁路现场的生产活动,调度员的操作行为的可靠性直接影响现场列车运行的安全。

引入核电工业中的THERP理论,结合行调操作特征,将调度员的任务划分为

不同等级的动作单元,建立静态人因失误率计算模型,得到静态条件下行调操作

失误率及其置信区间;并结合马尔科夫链原理,针对随时间变化的影响因子,建立状态转移率方程,通过拉普拉斯变换得出单影响因子作用下行调可靠性的状态概率变化规律。最后,通过对列控限速任务的实例分析得出在压力适中的情况下列

控限速执行失败的概率为0.0104,90%置信区间为(0.0045,0.0237)以及不同压力情况下人因可靠性变化规律。(6)针对我国高铁准移动闭塞的行车方式(列车运行控制系统CTCS—3),分析在导致列车限速的危险因素的干扰下,在工作车间调度模型的基础上,利用替代图理论,建立一个列车实时优化模型。该模型既能最大可能的减少列车的二次晚点时间,又能同步实现列车速度和列车的安全制动距离的实时动态调整,从而达到对运行计划实时调整及列车控制同时优化和监控,大大提高了行车调度员的工作效率,减轻列车司机的压力。

然后,设计了两步求解法,利用商业软件cplex对实际应用中的高铁运行图进行优化,此方法在几分钟内可以成功求解出高质量的无冲突的运行图,并且提供了列车的实时运行速度。输出结果表明,与原运行图中的列车运行顺序相比,该方法能够减少70%的晚点时间,在有限的计算时间范围内,90%的算例能够得到最优解。