一种城市轨道交通列车时刻表应急调整方法与流程

本发明涉及城市轨道交通列车时刻表调整技术。更具体地，本发明涉及在存在渡线的城市轨道交通系统列车运行图应急调整方法。

背景技术：

近年来，随着社会经济的发展，我国许多城市的规模和人口都在急剧扩大，交通拥堵等城市病变得日益突出。由于具有运量大、能耗低、准时性高等优点，城市轨道交通被认为是缓解城市交通压力、建设绿色城市的理想选项。然而，由于城市轨道交通系统极其复杂，加之诸多不确定因素，在实际运营过程中，不可避免地会出现轨道线路变形、信号系统故障等突发问题。因此，城市轨道交通应急管理技术也受到了越来越多的关注。

现阶段，有关列车运行调整的研究理论已有较多积累，且以城际铁路为背景的内容居多，而以城市轨道交通为背景的列车运行图应急调整工作较为少见。事实上，在城市轨道交通系统内，除了供运营使用的主干线轨道，也建设有辅助性功能的渡线和停车线等。具体地，渡线可供双向行驶的列车使用，实现列车跨线行驶的功能。实际中，在城市轨道交通系统部分线路突发故障时，如线路积水等，主干线轨道通行能力下降，由于缺乏有效的实时列车时刻表调整系统，运营管理人员为确保列车运行安全、规避风险，会选择暂停所有列车的运行。考虑到借助渡线可在一定程度上恢复系统通行能力，基于合理利用渡线，设计列车时刻表应急调整方法是一种比较切实可行的方法。

目前，关于列车运行调整的研究主要包括基于数学优化模型设计相应求解算法以及基于离散事件的模拟方法。基于数学模型的方法，模型的建立较为容易，但相应的求解方法设计较难，且由于计算量较大，计算耗时长，不适合实时应用。基于离散事件的模拟方法，能够仔细刻画列车运行状态，减少计算量，在极短时间内获得问题的解，但是不能保证解的精度。

技术实现要素：

本发明是为了克服现有技术存在的不足之处，提供一种城市轨道交通列车时刻表应急调整的方法，以期能解决当城市轨道交通系统部分线路突发故障导致全线列车停止运行，并在短时间内无法更新列车时刻表的问题，从而能在城市轨道交通系统发生紧急状况时，根据现有的信息通过离散事件的模拟方法，重新刻画列车运行状态，生成紧急状况下的列车时刻表，恢复一定程度的系统通行能力。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种城市轨道交通列车时刻表应急调整方法的特点在于，适用于任意由n个车站、相邻两个车站之间的轨道所构成的n-1个区间、至少一条独立的上行轨道和一条独立的下行轨道以及至少两条渡线所组成的城市轨道交通线路中，且所述城市轨道交通线路的上行轨道、下行轨道和渡线在紧急状态下均允许列车双向运行；

令第x个车站为车站a，第x+1个车站为车站b，第y个车站为车站c，第y+1个车站为车站d；且所述车站a和车站b所构成的区间ab以及所述车站c和车站d所构成的区间cd内均存在渡线；假设所述车站b与车站c之间的下行方向上任意区间z上突发线路故障时，令两条渡线及其之间的所有站间轨道为共用线路，并按如下步骤进行时刻表应急调整：

步骤1、获取线路故障信息、原列车时刻表信息和当前时刻t；

步骤2、在当前时刻t下检测所有列车在故障发生时刻的当前位置，并预计故障结束时刻；

步骤3、根据所有列车的当前位置，判定当前时刻t下所有列车对应的线路通行能力：

步骤3.1、对于任意列车i，判断列车i是否处于发生故障区间z的站间线路上，若是，则判定所述列车i的通行能力为无；否则，执行步骤3.2；

步骤3.2、判断列车i是否处于故障区间z的站间线路同向或反向的下游线路上，若是，则判定所述列车i的通行能力为有；否则，表示列车i处于与故障区间z的站间线路同向或反向的上游线路上，则执行步骤3.3；

步骤3.3、若列车i为停靠于车站d内的上行列车，则转到步骤3.3.1；若列车i为停靠于车站d上游的任一车站内的上行列车，则转到步骤3.3.6；

步骤3.3.1、初始化上行列车的计数标记ni＝0，下行列车编号iid＝null；

步骤3.3.2、搜索上行线路中从车站b自身到车站c之间所有车站和区间上的下行列车，若存在n列下行列车，则将ni+n赋值给ni；若车站a上存在一列下行列车，则将下行列车编号iid赋值为车站a上的下行列车编号；

步骤3.3.3、若ni>0，则判定列车i对应的线路通行能力为无；否则，执行步骤3.3.4；

步骤3.3.4、判断iid＝null是否成立；若成立，则判定列车i对应的线路通行能力为有；否则，执行步骤3.3.5；

步骤3.3.5、判断列车i到达车站d的时间是否早于编号iid的下行列车到达车站a的上一相邻车站的时间；若是，则判定列车i对应的线路通行能力为有；否则，判定列车i对应的线路通行能力为无；

步骤3.3.6、定义列车i当前停靠的车站为r，列车i即将访问的车站为r’，r为车站r与车站r’之间的区间；

步骤3.3.7、初始化包括列车i的下行列车的计数标记no＝1，上行列车的计数标记ni＝0，可供上行列车停靠的车站计数ro＝0，下行列车中的首列列车g与上行列车中的首列列车f的占用共用线路的优先权标记prioi＝null，当prioi＝1，表示列车g优先，当prioi＝0，表示列车f优先；

步骤3.3.8、搜索从列车i当前停靠的车站r至车站a自身之间的所有上行车站与区间的上行列车，若存在m列车上行列车，则将no+m赋值给no；

搜索从车站c自身到车站a之间的所有上行车站和区间的下行列车，若存在n列下行列车，则将ni+n赋值给ni；

统计从车站r到车站c之间的所有可供停靠的车站个数，记为ro；

步骤3.3.9、若no>1且ni>0，则转到步骤3.2.10；否则，转到步骤3.2.14；

步骤3.3.10、若从车站c自身到车站a的所有车站和区间上存在下行列车，则将距离车站d最近的下行列车标记为f；并更新prioi＝0；否则，执行步骤3.3.11；

步骤3.3.11、若列车i的上一班上行列车已停靠在列车i的上游线路的某一指定车站，则更新prioi＝0；否则，执行步骤3.3.12；

步骤3.3.12、若列车f到达车站a的时间早于列车g到达车站d的时间，则更新prioi＝0；否则prioi＝1；

步骤3.3.13、若prioi＝1且no-1≤ro成立或者prioi＝0且no≤ro成立，则判定列车i对应的线路通行能力为有；否则，判定列车i对应的线路通行能力为无；

步骤3.3.14、若no＝1，则判定列车i对应的线路通行能力为有；否则，转到步骤3.3.15；

步骤3.3.15、若no-1≤ro且列车i的上一班上行列车对应的线路通行能力为有，或者，在区间r不存在任何上行列车，则判定列车i对应的线路通行能力为有；否则，判定列车i对应的线路通行能力为无；

步骤4、计算各列车到达下一个离散事件的时间间隔，并寻找离散时间dnext；所述离散事件为列车改变其所处状态的事件；所述列车所处状态为划分为三类，包括：

列车状态1表征为：列车当前处于车站内且在当前时刻t时正在执行运行命令；

列车状态2表征为：列车当前处于车站内且在当前时刻t时已完成运行命令；

列车状态3表征为：列车当前处于区间内运行；

步骤4.1、将列车i的最小时间间隔记为dnext(i)，判断列车i在当前时刻t所处的状态，若为列车状态1，则转入步骤4.2；若为列车状态2，转入步骤4.3；若为列车状态3，转入步骤4.4；

步骤4.2、令dnext(i)＝dwr(i)-(t-tar(i))后，转入步骤4.5；其中，dwr(i)为列车i在车站r的原列车时刻表信息中的既定运行时间，tar(i)为列车i到达车站r的时刻；

步骤4.3、判断列车i对应的线路通行能力；若通行能力为有，则令dnext(i)＝0，否则，令dnext(i)设置为正无穷，表示列车i需在当前车站等待直至下一离散事件发生，并转入步骤4.5；

步骤4.4、当列车i不使用渡线时，则令dnext(i)＝trrr’(i)-(t-tidr)；当列车i使用渡线时，则令dnext(i)＝(trrr’(i)+tc)-(t-tidr)，其中，tidr为调整时刻表中列车i在r站的出发时刻,trrr’(i)为列车在区间r上的既定运行时间，tc为列车在渡线上的运行时间，并转入步骤4.5；

步骤4.5、设置离散时间dnext为dnext(i)中的最小值；

步骤5、更新列车行进信息；

步骤5.1若列车i的下一个离散事件的时间间隔与离散时间dnext一致，则转入步骤5.2；否则转入步骤5.3；

步骤5.2更新列车状态，确定列车i到达或者离开车站的时刻：

步骤5.2.1、若列车i为列车状态1时，在时刻t+dnext，更新为列车状态2；

步骤5.2.2、若列车i为列车状态2时，在时刻t+dnext，更新为列车状态3；并确定列车i离开当前车站的时刻为t+dnext；

步骤5.2.3、若为列车状态3时，在时刻t+dnext，更新为列车状态1；并确定列车i到达下一个车站的时刻为t+dnext；

步骤5.3若所述城市轨道交通线路上的所有列车信息均被更新，则进入步骤6；否则，按照步骤5.1更新其他列车；

步骤6、若所有列车在所有车站的到发时间均被确定，则生成列车时刻表调整图，终止算法；否则，更新当前时间t为t+dnext，并转到步骤3。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明通过借用辅助性功能的渡线和建立临时共用路段的方法，避免了现阶段运营管理人员在发生紧急状况或部分线路出现故障时，停止所有列车运行，恢复了一定程度上的通行能力；

2、本发明通过基于离散事件的模拟方法，通过详细刻画列车的运行状态，大幅度减少了计算量，设计应急状态下的列车时刻表，实现了列车运行调度的安全性与均衡性，避免了传统的基于数学模型的方法易建模难求解的弊端，且由于计算量较大，计算耗时长，传统方法不适合实时应用。

3、本发明通过对列车的运行状态建立离散事件进行模拟，实现了实时调整列车时刻表。也可以用来分析不同线路通行能力和渡线布局场景下的列车调度情况，提供详实的科学参数改善轨道交通路网结构。同时，还可以用做调度员调度实验和操作演练的模拟系统。

附图说明

图1为本发明方法中线路通行能力判定算法涉及轨道线路结构示意图；

图2为本发明列车时刻表应急调整系统示意图；

图3为本发明的列车时刻表调整图辅画方法流程图；

图4为本发明的简单例子中所涉轨道线路结构示意图；

图5为本发明的北京地铁亦庄线线路结构示意图；

图6为本发明的亦庄线原计划时刻表；

图7为本发明的事故发生时刻为第1000秒，结束时刻为第2500秒对应的列车时刻表调整图；

图8为本发明的事故发生时刻为第1500秒，结束时刻为第2800秒对应的列车时刻表调整图；

图9为本发明的事故发生时刻为第2000秒，结束时刻为第3000秒对应的列车时刻表调整图。

具体实施方式

本实施例中，一种城市轨道交通列车时刻表应急调整方法，适用于任意由n个车站、相邻两个车站之间的轨道所构成的n-1个区间、至少一条独立的上行轨道和一条独立的下行轨道以及至少两条渡线所组成的城市轨道交通线路中，且城市轨道交通线路的上行轨道、下行轨道和渡线在紧急状态下均允许列车双向运行；

如图1所示，令第x个车站为车站a，第x+1个车站为车站b，第y个车站为车站c，第y+1个车站为车站d；且车站a和车站b所构成的区间ab以及车站c和车站d所构成的区间cd内均存在渡线；假设车站b与车站c之间的下行方向上任意区间z上突发线路故障时，令两条渡线及其之间的所有站间轨道为共用线路，并按如下步骤进行时刻表应急调整：

步骤1、获取线路故障信息、原列车时刻表信息和当前时刻t；

步骤2、在当前时刻t下检测所有列车在故障发生时刻的当前位置，并预计故障结束时刻；

步骤3、根据所有列车的当前位置，判定当前时刻t下所有列车对应的线路通行能力：

步骤3.1、对于任意列车i，判断列车i是否处于发生故障区间z的站间线路上，若是，则判定列车i的通行能力为无；否则，执行步骤3.2；

步骤3.2、判断列车i是否处于故障区间z的站间线路同向或反向的下游线路上，若是，则判定列车i的通行能力为有；否则，表示列车i处于与故障区间z的站间线路同向或反向的上游线路上，则执行步骤3.3；

步骤3.3、若列车i为停靠于车站d内的上行列车，则转到步骤3.3.1；若列车i为停靠于车站d上游的任一车站内的上行列车，则转到步骤3.3.6；

步骤3.3.1、初始化上行列车的计数标记ni＝0，下行列车编号iid＝null；

步骤3.3.2、搜索上行线路中从车站b自身到车站c之间所有车站和区间上的下行列车，若存在n列下行列车，则将ni+n赋值给ni；若车站a上存在一列下行列车，则将下行列车编号iid赋值为车站a上的下行列车编号；

步骤3.3.3、若ni>0，则判定列车i对应的线路通行能力为无；否则，执行步骤3.3.4；

步骤3.3.4、判断iid＝null是否成立；若成立，则判定列车i对应的线路通行能力为有；否则，执行步骤3.3.5；

步骤3.3.5、判断列车i到达车站d的时间是否早于编号iid的下行列车到达车站a的上一相邻车站的时间；若是，则判定列车i对应的线路通行能力为有；否则，判定列车i对应的线路通行能力为无；

步骤3.3.6、定义列车i当前停靠的车站为r，列车i即将访问的车站为r’，r为车站r与车站r’之间的区间；

步骤3.3.7、初始化包括列车i的下行列车的计数标记no＝1，上行列车的计数标记ni＝0，可供上行列车停靠的车站计数ro＝0，下行列车中的首列列车g与上行列车中的首列列车f的占用共用线路的优先权标记prioi＝null，当prioi＝1，表示列车g优先，当prioi＝0，表示列车f优先；

步骤3.3.8、搜索从列车i当前停靠的车站r至车站a自身之间的所有上行车站与区间的上行列车，若存在m列车上行列车，则将no+m赋值给no；

搜索从车站c自身到车站a之间的所有上行车站和区间的下行列车，若存在n列下行列车，则将ni+n赋值给ni；

统计从车站r到车站c之间的所有可供停靠的车站个数，记为ro；

步骤3.3.9、若no>1且ni>0，则转到步骤3.2.10；否则，转到步骤3.2.14；

步骤3.3.10、若从车站c自身到车站a的所有车站和区间上存在下行列车，则将距离车站d最近的下行列车标记为f；并更新prioi＝0；否则，执行步骤3.3.11；

步骤3.3.11、若列车i的上一班上行列车已停靠在列车i的上游线路的某一指定车站，则更新prioi＝0；否则，执行步骤3.3.12；

步骤3.3.12、若列车f到达车站a的时间早于列车g到达车站d的时间，则更新prioi＝0；否则prioi＝1；

步骤3.3.13、若prioi＝1且no-1≤ro成立或者prioi＝0且no≤ro成立，则判定列车i对应的线路通行能力为有；否则，判定列车i对应的线路通行能力为无；

步骤3.3.14、若no＝1，则判定列车i对应的线路通行能力为有；否则，转到步骤3.3.15；

步骤3.3.15、若no-1≤ro且列车i的上一班上行列车对应的线路通行能力为有，或者，在区间r不存在任何上行列车，则判定列车i对应的线路通行能力为有；否则，判定列车i对应的线路通行能力为无；

步骤4、计算各列车到达下一个离散事件的时间间隔，并寻找离散时间dnext；离散事件为列车改变其所处状态的事件；列车所处状态为划分为三类，包括：

列车状态1表征为：列车当前处于车站内且在当前时刻t时正在执行运行命令；

列车状态2表征为：列车当前处于车站内且在当前时刻t时已完成运行命令；

列车状态3表征为：列车当前处于区间内运行；

步骤4.1、将列车i的最小时间间隔记为dnext(i)，判断列车i在当前时刻t所处的状态，若为列车状态1，则转入步骤4.2；若为列车状态2，转入步骤4.3；若为列车状态3，转入步骤4.4；

步骤4.2、令dnext(i)＝dwr(i)-(t-tar(i))后，转入步骤4.5；其中，dwr(i)为列车i在车站r的原列车时刻表信息中的既定运行时间，tar(i)为列车i到达车站r的时刻；

步骤4.3、判断列车i对应的线路通行能力；若通行能力为有，则令dnext(i)＝0，否则，令dnext(i)设置为正无穷，表示列车i需在当前车站等待直至下一离散事件发生，并转入步骤4.5；

步骤4.4、当列车i不使用渡线时，则令dnext(i)＝trrr’(i)-(t-tidr)；当列车i使用渡线时，则令dnext(i)＝(trrr’(i)+tc)-(t-tidr)，其中，tidr为调整时刻表中列车i在r站的出发时刻,trrr’(i)为列车在区间r上的既定运行时间，tc为列车在渡线上的运行时间，并转入步骤4.5；

步骤4.5、设置离散时间dnext为dnext(i)中的最小值；

步骤5、更新列车行进信息；

步骤5.1若列车i的下一个离散事件的时间间隔与离散时间dnext一致，则转入步骤5.2；否则转入步骤5.3；

步骤5.2更新列车状态，确定列车i到达或者离开车站的时刻：

步骤5.2.1、若列车i为列车状态1时，在时刻t+dnext，更新为列车状态2；

步骤5.2.2、若列车i为列车状态2时，在时刻t+dnext，更新为列车状态3；并确定列车i离开当前车站的时刻为t+dnext；

步骤5.2.3、若为列车状态3时，在时刻t+dnext，更新为列车状态1；并确定列车i到达下一个车站的时刻为t+dnext；

步骤5.3若城市轨道交通线路上的所有列车信息均被更新，则进入步骤6；否则，按照步骤5.1更新其他列车；

步骤6、若所有列车在所有车站的到发时间均被确定，则生成列车时刻表调整图，终止算法；否则，更新当前时间t为t+dnext，并转到步骤3。

具体地，图2所示为移动闭塞条件下，列车运行监控与调度模拟系统示意图。本发明的系统具体包括四个部分：车载子系统、轨旁设备、数据通信子系统(datacommunicationsubsystem,dcs)，车站以及调度中心。车载子系统主要由列车主机、车辆分机、复合传感器、转速传感器、报警器以及车载无线单元、查询器和相关通讯设施等组成，用于实施两方面功能：一是在线实时监测诊断列车各部位，如走行部(包括轴承、齿轮以及踏面)，实现列车故障分级预警、报警；二是与轨旁设备进行交互，确定列车所处位置等信息。所述轨旁设备沿着线路分布，它由微机联锁、信标、信号设备以及应答器部件等组成，用以与列车交互以和侦测线路故障。数据通信子系统dcs用于实现车站，调度中心等系统组成部分之间的有线通信如ip以太网和列车与地面之间的无线通信。车站为列车提供场地实现到发作业操作。调度中心包含列车监控与调度系统，用于监视在线所有列车的运行，以及列车应急调度等。

如图3所示的方法流程图，接收到线路故障信息后，该方案所进行的列车运行图调整工作的实现过程为：对所述运行图调整系统输入当前所有列车的位置、速度等信息后，依照专家经验法则评估故障排除所需时长，从故障发生时刻为时间起点，应用列车时刻表调整图辅画算法寻找后续系统离散事件信息，在每个系统离散时间段内，结合线路状况、列车当前位置与速度等信息，根据线路通行能力检测算法决策每个列车行进方案，并更新列车在当前离散事件结束时刻的位置、速度等信息。直到所有列车运行线路调整完毕。输出调整的列车运行时刻表。

以下给出一个简单的例子。如图4所示，所考虑线路上有六个车站，其中车站1、2、3以及6各有一个岛式站台，车站4和5各有两个侧式站台。下行区间3处突发线路故障，导致通行能力降低。借助渡线下行列车1可循路径车站5经渡线2，占用上行线路与车站4和3，再经渡线1返回到下行线路完成计划运行。仿真过程中，当列车1处于车站6时和5时分别应用判定算法1和2(需做适当修改以适应下行列车)判定与列车1的对应线路的通行能力。如果可行，列车1继续循计划路径行驶，否则需停靠在当前车站，直到某次系统离散事件里判定列车1可继续运行。

如图4所示，所考虑线路上有六个车站，其中车站1、2、3以及6各有一个岛式站台，车站4和5各有两个侧式站台。下行区间3处突发线路故障，导致通行能力降低。借助渡线下行列车1可循路径车站5经渡线2，占用上行线路与车站4和3，再经渡线1返回到下行线路完成计划运行。仿真过程中，当列车1处于车站6时和5时分别应用判定算法1和2(需做适当修改以适应下行列车)判定与列车1的对应线路的通行能力。如果可行，列车1继续循计划路径行驶，否则需停靠在当前车站，直到某次系统离散事件里判定列车1可继续运行。

以上算法，可以应用c语言、c++语言、c#语言、以及matlab等常用的计算机语言实现。这里我们采用c#语言实现本发明系统涉及的功能。以北京地铁亦庄线的基础数据为输入，实施算例研究。所用计算机性能参数为因特尔酷睿双核处理器，2.33ghzcpu，1.96gb内存，代码编译环境为microsoftvisualstudio2010c#，windowsxp系统。

具体地，如图5所示，北京地铁亦庄线含有14个车站，13个区间及一系列的渡线。图6为原计划列车时刻表，其中上下行列车各20列，发车间隔为160秒。此时，假设下行方向小红门和旧宫之间的区间突发线路故障导致小红门-亦庄桥通行能力将为0。给定以下三组参数：(1)事故发生时刻为第1000秒，结束时刻预计为第2500秒；(2)事故发生时刻为第1500秒，结束时刻预计为第2800秒；(3)事故发生时刻为第2000秒，结束时刻预计为第3000秒。应用本发明提供的模拟系统，从而得到图7、图8以及图9的调整的列车时刻表。可以看到在图7中，下行列车和上行列车交替使用上行线路“小红门-旧宫”，实现了下行列车2和4的全线贯通。而在图8中，我们发现，由于故障发生时，列车2正处于故障区段内，因此，在整个故障期间列车2都被迫停靠与旧宫站。同样地，图9显示列车6和列车8被迫分别停靠与小红门和旧宫站，而列车10借用上行线路完成了对列车6和8的越行操作，实现了全线贯通。以上算例结果充分证明了本发明方法和系统的有效性。此外，经统计，对于每个算例，计算机仿真用时约为十毫秒左右。这说明，本发明完全适用于轨道交通系统的实时应急管理，实时调整列车运行计划，保障列车运行安全，并且在最大程度上实现部分受影响的列车全线贯通。

本发明的方法适用于双线且有附属渡线结构的城市轨道交通系统出现突发线路故障情形下的列车时刻表应急调整。基于本发明，可进一步探讨如何适当修改所涉算法实现其他类型突发故障情形下的列车时刻表应急调整。

综上可见，该列车时刻表应急调整系统能成功地实现实时调整列车时刻表。也可以用来分析不同线路通行能力和渡线布局场景下的列车调度情况，提供详实的科学参数改善轨道交通路网结构。同时，该系统还可以用做调度员调度实验和操作演练的模拟系统。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。本发明的保护范围仅由随附权利要求书限定。