第一章高速铁路行车指挥自动化.docx

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第一章高速铁路行车指挥自动化

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第一节行车指挥自动化概述

传统的铁路行车指挥系统采用的是以人为主、以设备为辅的集中统一调度方式，随着运量的加大，行车速度的提高，人为因素在行车指挥中所产生的不协调和联络中的失误，对行车的调度与调整将产生严重的影响。

尤其是在高速铁路出现后，这种方式已不能很好地适应高速铁路行车指挥的需要。

为改变这种状况，许多国家逐步开发出了行车指挥自动化系统。

行车指挥自动化是指以铁路现代化技术设备为基础，利用信息采集装置收集列车运行的实时信息，由计算机自动进行列车运行追踪和管理，并根据未来运输变化的需要，自动制定列车运行计划，合理配备牵引动力、车辆及乘务员，传达列车运行调整信息，自动完成调度监督，提供列车进路控制手段，自动进行列车运行实迹的统计和分析。

行车指挥自动化系统的采用可以显著提高行车安全和正点率、充分发挥车站和线路的通过能力、提高调度水平、提高计划和统计工作质量，进而可以获得较好的经济效益和社会效益。

完整的行车指挥自动化系统包括列车运行计划的编制、列车运行管理、运能资源的合理配置和利用以及列车运行实迹的统计分析等几个方而，其中列车运行的管理是行车指挥自动化的关键核心。

一、行车指挥自动化系统的主要功能

1．列车运行计划的编制

根据对运输市场情况的把握，制定满足运输市场需求的列车运行计划，并根据市场变化情况不断调整运行计划，以形成最终可以实施的实施计划，主要包括：

（1）根据运输需要制定列车基本计划（包括定期列车、季节列车、预定临时列车），并对未来列车开行需要进行预测。

（2）根据列车计划和未来列车实际，制定与之相适应的乘务员和车辆运用计划。

（3）根据运输的季节性波动和施工作业等需要，对原计划进行追加、修改和调整，制定每日的运行实施计划。

（4）对运行实施计划进行整理、分类，向有关处所传达。

2．列车运行管理

列车运行管理是行车指挥自动化的基本任务，根据系统获得的实时信息，完成对列车运行的监督、控制和运行调整等任务，并将实时信息向有关部门传达，主要包括：

（1）列车运行调整。

包括掌握列车运行状态，检出运行紊乱的列车和进行紧急调整：

进行列车运行模拟，编制预测运行图；制定必要且适度的调整（包括车底运用的变更）方案，为调度员作决策支持，然后向有关处所发布命令。

（2）进路控制。

根据运行实施计划和运行指令，自动设定列车进路。

（3）传达列车信息。

向有关处所（旅客向导系统等）传达列车及其运行状态信息。

3．进行统计分析

对计划及运行实绩数据进行搜集、统计和分析，并完成对基本计划及其他计划的反馈。

二、构造行车指挥自动化系统的基本思路

行车指挥自动化系统以铁路现代化设备为基础，以计算机为辅助工具，系统开发过程中一般采用如下思路：

（1）取消分散安装在线路两侧的信号设备，将列车运行指挥控制集中于地面的调度中心。

（2）在调度中心控制范围内，由车载计算机辅助司机操纵列车运行。

（3）调度中心计算机自动跟踪其控制范围内的列车运行并向列车传递运行计划与调度命令。

调度员监督计算机的工作并给予必要的辅助调整。

（4）利用有线与无线的数据传输网络为调度中心与列车之间进行双向信息传递。

（5）调度中心计算机在调整列车运行过程中，向车站各分机、分区、分时地下达列车运行计划。

（6）各车站的控制分机根据中心计算机的运行计划，直接控制现场的有关联锁设备与进路。

三、行车指挥自动化系统的实例

目前国外已经成功地开发了一些行车指挥自动化系统，如日本新干线的COMTRAC（COM—puteraidedTRAfficControlsystem）行车调度指挥系统，德国法兰克福的计算机辅助列车监督系统等。

这些系统都是根据本国铁路实际情况开发的，实践证明是较为成功的系统。

由于各国的行车组织模式各不相同，其开发的系统一般不能直接引入到我国，但其开发思想、关键技术仍对我国具有重要借鉴意义。

1．COMTRAC的构成

日本新干线的COMTRAC行车调度指挥系统是1972年冈山站营业时开始投入使用的。

之后，随着博多站开始营业（1975年），东北、上越新干线开始营业（1982年），系统的内容不断扩充，功能日益强大，为日本的新干线列车的运行组织作出了重要贡献，是目前为止比较成功的行车指挥自动化系统。

该系统的主要构成如图6—1—1所示。

2．COMTRAC的主要功能

COMTRAC的主要功能分类和基本内容如表6—1—1所示。

3．COMTRAC的最新发展

随着新干线上列车种类的增加、列车运行密度的增大、列车运行速度的提高及原有计算机能力的限制和COMTRAC中一些针对单一线路的各种机能，COMTRAC开始表现出不适应新干线发展的需要的情况，主要体现在以下几方面：

（1）不能适应将要运营的秋田新干线、北陆新干线发展需要。

（2）不能适应速度提高、列车追踪间隔时间缩短等新形式的需要。

（3）不能充分发挥新型车辆的使用、运输设备的改善及新车站开始营业带来的效应。

（4）原有计算机能力有限，限制数据的有效利用。

（5）运输计划、数据的输入、系统之间的数据交换等效率较低。

为了消除这些不利影响，日本对COMTRAC进行重大的更新、改造，开发了新的行车指挥自动化系统——COSMOS（COmputerized，Safety，MaintenanceandOperationSystemsofShinkansen）系统，并于1995年11月10日开始使用。

新系统采用新的技术和设

备，解决了上述问题，在保持COMTRtAC的全部功能的基础上，系统性能有了新的发展。

新的COSMOS系统主要由运输计划子系统、运行管理子系统、安全保障子系统、设备管理子系统、电力控制子系统、信息集中管理子系统、车辆管理子系统和车辆基地作业计划子系统等8个子系构成。

四、行车指挥自动化的关键问题

在实现行车指挥自动化系统的各种功能时，列车跟踪和进路控制、列车运行调整及

列车运行图的计算机编制是行车指挥自动化系统的技术关键和核心所在。

随着通信技术、计算机技术和自动控制的不断发展，不同于传统的列车运行控制理

论的移动自动闭塞理论和实践也得到了发展，移动自动闭塞的实现将为铁路行车指挥自

动化提供更为有利的条件，为此，本章将对此作简要的介绍。

第二节计算机编制列车运行图

一、概述

1．列车运行图的定义与列车运行图的作用

列车运行图是运用坐标原理表示列车运行的一种图解方式，是以表示列车在铁路区间运行及在车站到发或通过时刻的综合性技术文件，它规定了各次列车占用区间的程序，列车在每个车站的到达和出发（或通过）的时刻，列车在区间的运行时间、列车在车站的停站时间以及机车、车底的交路和列车重量和长度等，是铁道部、铁路局和铁路分局组织列车运行的基础。

列车运行图是铁路综合性的技术文件，通过列车运行图可以把整个路网上铁路车、机、工、电、辆各个部门和各个工种的工作紧密地结合成一个统一的整体。

基层的车站和车务段根据运行图和客货列车时刻表所规定的列车到达和出发时间（通过时间）安排本站的站线使用和接发车等行车作业，解体、编组等调车作业和客货运输工作计划，分局调度所的列车调度指挥人员根据运行图指挥调度区段的行车工作；机务部门根据运行图的要求，确定每天需要派出的机车台数、派出的时刻，以及安排机车的整备和乘务员的作息计划；其他如工务、电务等部门，也都根据运行图的规定来安排施工计划和维修计划。

因此，可以说，通过铁路运行图的合理编制，使铁路像一架庞大的联动机环环紧扣，有节奏地运转。

2．计算机编制列车运行图的意义

传统的列车运行图编制一般由人员依靠二分格图纸和铅笔手工来完成的，由于编图工作问题涉及面广，制约因素复杂，技术难度大，人工编制运行图的主要问题如下：

（1）手工编制列车运行图周期长，不能作多方案比选和评价，运行图质量缺乏科学的保证，编图机动性差。

（2）手工编图从资料收集、准备、编图和调图工作的完成以及指标的计算、时刻表的打印和运行图的全过程中，重复劳动量大、牵涉的人员和部门多、组织工作复杂、效率低、出错率高。

（3）手工方式的运行图调整工作只能在小范围内进行，难以从全局出发保证运行图综合效益，也难以适应特殊的运行需要及环境的要求。

现阶段，由于国民经济正处于高速发展阶段，全路范围内铁路设备不断更新改造以适应社会发展的需要，尤其是在公路和航空等其他交通运输方式的激烈竞争下，铁路根据运量和市场营销的需要，可能频繁调整列车运行图，若仍然依靠人工编图，则很难适应运量和市场需求的变化，很难在激烈的市场竞争中取得有利的地位，因此，列车运行图的编制必须摆脱依赖手丁编制的落后状态，采用先进的计算机信息处理技术和网络技术，实现计算机自动编制运行图。

3．国内、外研究计算机编制运行图的发展概况

国外对计算机编制运行图的研究从20世纪50年代后期开始。

日本从20世纪60年代初开始研究计算机编制列车运行图，研究的主要目的是尽量减少编制运行图所需要的人员和编制时间，70年代开始在部分线路上使用计算机编制列车运行图。

日本使用计算机编制列车运行图的办法是编图人员利用光笔，根据每一列车运行线的编制要求，向计算机输入信息，通过人机对话进行作业。

近年来，日本开始采用人工智能的方法，利用“专家系统’，进行运行图编制的研究。

前苏联20世纪50年代后期，尝试用模拟人工算法、试探法、逻辑代数法以及数学规划法编制单线列车运行图的研究，但由于算法的局限性而未达到实用的程度；80年代开始采用工作人员与计算机对话的方式进行研究，更加追求实用性；90年代在部分双线线路上实现了计算机编图。

美国、英国、德国、加拿大等国家也先后进行了计算机编制列车运行图的研究，取得了一些不同程度的成果。

我国铁路研究利用电子计算机编制列车运行图始于20世纪60年代初期。

30多年来，许多铁路高校如北方交通大学、西南交通大学、兰州铁道学院、长沙铁道学院等和铁道部科学研究院、哈尔滨铁路局电子所等科研单位采用不同的方法对不同的问题做了深入细致的研究，无论在理论上还是实用开发方面均取得了许多成果。

其中，比较成熟的、应用效果较好的计算机编制列车运行图系统有以下三个系统：

（1）全路直通客车方案编制系统。

铁道部科学研究院多年研制完成的全路直通客车方案编制系统是一个比较成熟的软件，该系统多次用于编制全路的直通旅客列车方案。

（2）列车运行图计算机系统。

西南交通大学70年代中期开始研究计算机编制列车运行图，1989年与济南局合作完成了计算机编制符离集至徐州北复线区段货物列车运行图，1996年来，该系统开始编制京沪线天津至上海间、京广线安阳至蒲圻间、京九线林清至梁提间区段列车运行图，目前基本上实现了计算机编制复线干线上的列车运行图。

（3）网状列车运行图编制系统。

北方交通大学利用两年多时间研制完成的网状线路列车运行图编制系统是一个基于路网的计算机编制列车运行图系统，该系统不仅可以完成整个铁路局路网的构建，运行图的编制、输出，时刻表、运输能力等指标的输出，还可以完成自动安排局管内各车站的站线使用，机车交路的铺画和铁路局全部客运报表的输出。

在运行图编制完成后，还可以通过列车运行过程仿真，检查运行图编制的质量。

由于系统具有实用性强，用户界面友好及易于操作的特点，使编图人员甩掉了铅笔和二分格图纸，并且使哈尔滨铁路局成为全路第一家应用计算机完成全铁路局运行图编制，列车运行图及其技术文件和各种客、货列车统计分析报表输出的单位。

二、计算机编制列车运行图的原则和方法

1．编制列车运行图的原则

（1）保证列车运行的安全。

列车运行必须符合（技规，的有关规定，严格遵守行车的作业程序和时间标准。

（2）迅速、便利地运输旅客和货物。

在保证基本均衡的前提下，运行图上铺画的旅客列车应最大限度地为旅客提供方便条件。

（3）充分利用铁路通过能力，经济合理地运用机车车辆。

在铺画列车运行线时，应消除各种不必要的停留时间，提高列车的旅行速度：

要合理规定列车重量标准和机车运用方法。

对直通列车要注意良好的衔接，以捉高机车车辆的运用效率。

同时，要妥善安捧工务部门的施工计划，保证线路大修施工和日常运输的要求。

（4）列车运行图要与列车编组计划和车站技术作业过程相协调，使列车运行线与车流很好地结合起来。

（5）保证各站、各区段间工作上的协调和均衡。

对于一个铁路工作日的各个阶段，在铺画列车运行线时，在保证旅客列车铺画的前提下，力求使各种货物列车的铺画大体上均衡，以充分利用车站到发线和咽喉的通过能力、车站改编作业能力，以及区间通过能力。

（6）合理安排乘务人员的作息时间，保证不超过规定的劳动时间标准。

（7）全而、质量良好地计算列车运行图评价指标统计和分析。

2．计算机编制列车运行图的方法

利用计算机编制列车运行图可以采用多种方法，就目前的研究动态来看，主要采用下述几种方法：

（1）模拟方法。

该方法以人工编图的原则和经验为条件，生成计算机编图的判断准则和执行程序，在计算机上实现人工编图过程。

该方法的缺陷是很难设计出全面、合理的判断准则和执行过程。

（2）移动始发点法。

该方法主要用于双线区段，在设定同向列车运行线时，按给定间隔时间确定列车始发点，并对该运行线与其他运行线的列车间隔进行检查，当不满足间隔时间，移动该列车始发点，然后重新检算该运行线，如此反复，直到所有列车运行线被处理完毕。

这一方法的缺陷是计算量太大。

（3）逐区间递推铺画法。

该方法主要用于单线区段，从区段的一端开始，依次对每个区间顺序进行检查铺画，或从限制区间开始向区段两端延伸铺画。

这种方法的缺陷是基于单向思维的编图思路，缺乏双单线运行图的图形轮廓方案的总体把握。

（4）数学模型法。

利用逻辑代数、线性规划、图论、动态规划方法建立描述列车运行图的数学模型，通过编程实现计算机求解。

该方法的局限性在于许多影响编图的因素是半结构化、非结构化的，难以用数学方法准确描述。

（5）人工智能方法。

该方法将编制列车运行图的约束条件及人工编制列车运行图的经验，建立知识库，用程序语言设计推理机，推理机按照启动条件，按知识库的规则推理，演绎求出各列车在各站的合理发车时间而得到列车运行图。

该方法的难点在于知识获取、知识结构和推理机的设计。

（6）人机对话方法。

由计算机提出铺画方案，人工确认、修改、再确认的人机交互方式完成列车运行线设定。

该方法较好地解决了具体区段编制列车运行图时人机之间优势的充分发挥和配合，但在解决有经验的编图工作者难于直接参与动手编图上尚须进一步改正。

而在解决复杂条件的大范围编图问题时则缺乏有效的快速定案算法。

在具体进行计算机编制运行图时，上述几种方法有时也可以交叉使用，比如以数学模型法为主的方法中，部分内容可以用人机对话方式进行。

三、计算机编制列车运行图方法实例

目前，计算机编制列车运行图比较成熟的系统较多，但就路网的实际特点和铁路编制列车运行图的发展趋势来看，利用计算机编制网状线路运行图无疑是今后编制运行图的发展方向。

下而以北方交通大学编制的网状线路列车运行图编制系统为例，介绍一下计算机编制列车运行图的编制方法和编制过程。

1．编图所需要数据的收集和数据结构的设定

由于列车运行图是一个综合、基础的技术文件，涉及到的数据量庞大、复杂，数据收集的完全与否，数据整理的是否适当和数据结构的是否设定合理直接影响到编制运行图的质量，因此，数据的收集、整理和数据结构的设定是计算机编制列车运行图的基础。

计算机编制列车运行图需要的数据主要有以下资料：

（1）铁路局的线路名及其按站顺的车站名。

（2）铁路局各条线上的客货行车量。

（3）车站的上下行客货列车间的各种间隔时间。

（4）各区间的正线数及其使用分工。

（5）区间距离及其延长公里。

（6）技术站的技术作业时间标准。

（7）中间站的技术作业时间标准。

（8）区段客货列车的牵引机型。

（9）车站接发列车咽喉占用时间。

（10）车站禁停限制数据。

（11）区间各种列车的标尺。

（12）车站的衔接方向、线路及用于接发车的站场配置图及线路使用数据。

（13）施工计划及慢行地段和慢行速度。

（14）客车车底的使用情况。

（15）旅客列车的编组内容。

通过以上数据可以设定铁路局的基本数据结构。

例如，由线路和车站及车站衔接方向等数据可以确定路网的基点、基线，站名字典和区伺字典，列车径路基本数据机构；由车站用于接发车的站场配置图及线路使用数据可以确定车站信息和站线数据结构：

由旅客列车的编组内容及客车车底的使用情况和列车运行时刻表可以确定客运报表所需的数据结构等等。

2．网状线路列车运行图编制系统的核心问题

（1）车站平面图、区间平面图和路网结构的描述

网状线路列车运行图的编制是基于路网的，是将单线区段、双线区段和枢纽地区作为一个整体包含于路网，通过描述路网基点和基线结构，系统可以自动生成路网衔接关系和计算列车运行径路，通过描述车站平面图和区间平面图，系统可以自动计算各车站咽喉列车平行、交叉进路和铺画站线使用程序，使计算时刻表的交叉疏解自动化处理和智能化。

因此，用可视化图形描述方法构造车站平面结构、区间平面结构以及整个路网结构是编制网状线路列车运行图的基础。

车站平面图和区间平面图的描述主要是由直线轨道电路、道岔、曲线、交叉渡线等基本图形单元组成，而这些构成平面图的基本单元可以用锚点和直线段表示出来。

锚点是本系统根据描画车站平面图和区间平面图的需要而设计的辅助单元结构，主要目的是对站场图中的各个组成部分进行精确定位。

对于大多数的图形单元来说，每个单元的几个重要控制点都由若干个锚点确定，因此通过确定锚点的坐标就可以确定该单元结构在屏幕中的显示位置。

例如，对于轨道电路单元是由两个锚点确定的直线段，通过始端锚点和终端锚点坐标定位其在屏幕上的显示位置，根据轨道电路单元宽度计算出其四个边界点的屏幕坐标；单开道岔是由三条直线轨道电路组成，共有四个锚点，其中一个是共有锚点，即道岔中心点，由这四个锚点的位置和轨道电路单元的宽度即可计算出道岔的坐标和开通方向，其他基本图形单元可以利用同样的方法确定其位置和坐标。

图6—1—2为一段直线轨道电路，A2和A3分别为其始端和终端锚点，A1为该轨道电路上任一锚点，点1，2，3，4，5为A1的一侧边界点，定位锚点A1坐标实际上就是计算其边界点的坐标，可以通过以下算法实现。

设l为直线轨道的宽度的一半，A’的坐标为：

求出了A，点的坐标之后，可以依次求出点1、2、3、4、5的坐标。

点1、2、3、4的坐标求法基本相同，现只介绍点1的坐标求法。

设

那么：

5点是A1点和A’的几何中点，所以它的坐标求法也就是几何中点的坐标求法。

如果A1点的连接锚点数等于1，即A1点作为直线轨道单元的端点，那么确定了这五个边界点的坐标即可将其显示出来了。

如果A1点的连接锚点数等于2，即A1点作为直线轨道单元中间的绝缘节存在，则取A1点的第二个连接锚点A3，用同样的方法将A1点的另外五个边界点的坐标值计算出来。

①车站平面图描述。

车站平面图的描述涉及以轨道电路、道岔和曲线等单元组成的车站咽喉、站线和站内列车进路以及交叉进路疏解的表示方法，为简便起见，省略了站内与调车作业有关的编组场（调车场）以及调车进路的表述，对于到发车流量较大的技术站（主要是编组站），由于车场配置和各个车场d6作业性质，可以将编组站细分为与接发列车作业相关的到达场、出发场或直通场，系统还将影响列车运行径路或路网结构走向的线路所归并到车站的描述中。

车站平面图的描述涉及车站咽喉、站线和站内接、发列车进路和通过进路。

车站咽喉描述需要枚举车站两端咽喉的衔接方向、平行进路和交叉进路及疏解方法，站线描述需要确定正线、到发线的数量及站线性质（单、双方向接发列车，客、货列车站线，有无站台等），根据车站咽喉、站线的表述方式计算站内接车进路、发车进路和通过进路的数量和彼此间的平行、敌对关系。

②区间平面图描述。

区间平面图主要根据车站平面图、区间字典和线路衔接关系，描述区间正线的数量、使用方式、区间接发列车的性质（单、双方向接发列车）和与车站的衔接方式，并与车站平面图一起构成路网线路图的基本单元。

③路网结构和路网线路图描述。

路网结构和路网线路图的描述是编制网状线路列车运行图的基础，车站和区间按照一定的数学方法可以抽象为组成路网的点和线，而基点作为衔接多方向的车站与基线按照线路衔接关系组成路网结构的基本框架，通过可视化编程可以描述出编图铁路地区（铁路局或铁路分局）的网络逻辑结构。

在路网结构图的基础上，将路网结构描述、车站平面图描述和区间平面图描述结合一起，用两层节点图方法表示，上层节点图通过调用路网结构中车站、区间的坐标备份数据，以中间站、技术站（主要是编组站）到发场（直通场）和线路所为顶点，以区间、技术站车场间连络线为边组成的图，下层节点图是以轨道电路绝缘节，岔心和曲线交点、到发线中心为顶点，以节点间连接的最短轨道线路为边组成的图，可以详细和准确地描述路网线路图的实际性质。

（2）网络分布式编制、调整列车运行图

根据计算机集中控制和网络分布处理原则，系统包含两种编制、调整运行图方式，即网络分布处理方式和单机工作方式。

网络分布式处理方式是以编图铁路局所包含的铁路分局为基本编图客户机，编图铁路局为服务器的C／S模式编制、调整列车运行图。

服务器存储全铁路局完整的基础数据，运行图和时刻表编制生成数据，客户机存放该铁路分局的基础数据以及相应的编制运行图和时刻表生成数据，并通过服务器授予的权限修改基础数据和进行运行图调整。

为保证C／S模式下实施通信中的同步问题、数据传输和合理分布问题，系统采用封装CSocket类，利用TCP／IP网络通信协议，打包传输数据。

建立网络连接流程图如图6—1—3所示。

系统编制列车运行图是采用在跨局旅客列车直通方案既定情况下，利用计算机网络通信功能，在铁路局和铁路分局间完成管内旅客列车运行图、跨局货物列车运行图和管内货物列车运行图的编制和调整。

根据网状线路条件下求解大规模列车时刻表规划的网络分层并行算法，在货物列车行车量已知条件下，对于初始未布点的列车和已经布点但未优化的列车，按列车优先等级和最优化原则轮询各列车事件，并根据系统自动确定的列车运行径路，列车运行标尺，车站咽喉平行、交叉进路的疏解方法以及车站站线使用程序规则，计算、优化时刻表，当所有列车事件都成为优化状态时，就可求解出一个合理的列车时刻表集合。

在C／S模式下，由于服务器和客户机具有不同等级的编图、调图权限，服务器在重点保证、协调分局间分界口列车数量和到发时刻的前提下，可以在宏观上完成整个铁路局管内列车运行图的编制和调整，并利用计算机网络向各客户机传输列车时刻表，而作为铁路分局的客户机，在分界口列车方案既定条件下，可以完成本分局管内范围列车运行调整和优化，并上传到服务器。

3．计算机编制网状线路列车运行图系统设计

（1）系统目的

计算机编制网状线路列车运行图系统是在任意一个铁路局路网范围内，在跨局旅客列车开行方案既定条件下，计算机自动编制旅客列车和货物列车运行图，机车交路图以及计算相应的运行图统计指标，以期达到减轻编图人员劳动强度，缩小编图周期，提高运行图编制质量的目的。

（2）系统结构设计

根据网状线路列车运行图编讳，j系统设计的需求，系统由数据管理，路网结构，车站平面图，区间平面图，路网线路图，计算时刻表，编辑运行图，输出运行图，输出时刻表，指标与能力，机车交路，客运报表，站线程序，运行仿真和数据库15个子系统组成，通过一个主控对话框模块完成各个子系统的切换和调度，如图6—1—4所示。

（3）系统功能设计

根据系统需求分析和结构设计的特点，本系统从完整性、通用性和智能性角度出发，设计如下功能：