基于高速铁路车站分类的到发线运用冲突识别方法研究

Conflict Identification Method for Arrival-Departure Tracks Based on High Speed Railway Station Classification

摘要

为了提高高速铁路运输组织管理水平和信息化水平，保障列车运用计划的准确无误和冲突快速识别检测，对高速铁路车站到发线运用冲突识别检测方法展开研究。首先根据车站站场结构，明确车站内到发线的有效到达、出发进路，列车作业类别以及相关进路之间的冲突关系，再运用到发线冲突识别方法，按照“进路关系判别—冲突列车初步筛选—明确检测列车是否冲突及冲突类别”的步骤对车站内接、发车进路进行时、空双维度的冲突识别判定，实现了车站到发线运用冲突识别的逻辑判断。应用实例表明，通过区分车站类别和站场结构，分别对不同列车作业类型进行到发线运用冲突识别，可提高到发线运用冲突识别方法的计算速度和精确性，满足现场工作对效率和准确性的高标准要求。

Abstract

A conflict identification method for arrival and departure tracks of high speed railway stations was studied to enhance the management and informatization level of high speed railway transportation organizations, further ensuring the accuracy of operation plans and efficiency in identifying conflicts. Firstly, based on the structure of the station yard, effective arrival and departure tracks, train operation categories, and conflicts between related routes within the station were defined. Then, following the steps of "track relationship determination-preliminary screening of conflicting trains-further clarification of trains conflict and conflict categories", the conflict identification method for arrival and departure tracks was applied to detect the conflicts of the station's receiving and departure tracks in both temporal and spatial dimensions. Finally, the logic judgment of conflict identification for the operation of the station's arrival and departure tracks was realized. Application examples show that by distinguishing station categories and station yard structures, applying conflict identification for the operation of arrival and departure tracks according to different train operation categories can improve the calculation speed and accuracy of this identification method, meeting the standards of high efficiency and accuracy in on-site work.

Graphical abstract

关键词

高速铁路 / 车站 / 到发线运行冲突识别 / 列车追踪间隔时间 / 进路冲突

Key words

High Speed Railway / Station / Conflict Identification for Arrival-Departure Tracks / Train Tracking Interval Time / Route Conflict

0　引言

随着高速铁路向信息化、智能化方向发展，目前铁路采用的运行图编制程序不具备股道自动配置和股道运用自动检测功能。编图人员先铺画列车在区间的运行线，再根据列车停站情况，编制列车在车站的到发线运用计划。在车站内，尤其是大的枢纽站，每天需要办理大量的列车接发作业，由于人工编制到发线运用计划可能存在误差，为保证到发线运用计划的准确无误，需要对其进行冲突识别检测。

既有列车运行冲突识别研究已取得一定的成果^[1-3]。到发线冲突属于列车运行冲突的场景之一，文超等^[2]将高速铁路列车运行冲突分为7类，运用时间拓扑矩阵算法表示列车在时间上的冲突关系，对于到发线等冲突的检测有一定的局限性。陈慧^[3]对跨线列车运行图的衔接进行了研究，以减少跨线列车对运行资源的冲突。王智慧^[4]运用预测控制理论，构建列车运行冲突检测与优化模型。彭其渊等^[5]对到发线的占用情况运用离散化时空描述方法进行准确的描述。文超等^[6]分析了应用数据驱动模型研究列车运行冲突与检测的前景。彭其渊等^[7]设计了到发线运用冲突预警的流程，并提出预警级别的划分方法。文超等^[8]对到发线运用冲突的严重程度进行了度量。冯丽萍等^[9]提出了基于模糊时间知识推理算法的到发线冲突预测算法。车站列车运行冲突不仅影响列车作业效率，也会对车站能力有一定影响。一部分文献主要采用对车站设施设备进行调整来提升车站通过能力^[10]，而在车站行车组织研究^[11-12]和运行图编制研究方面^[13-14]主要提出科学高效的到发线运用方法，避免了到发线运行冲突，实现了车站能力的有效提升。国内外专家学者对到发线运用冲突检测开展了大量研究，但仍存在一些局限性，尤其是对到发线冲突检测方面未根据车站类型进行区分检测，由于车站结构类型的不同，办理的列车作业类型以及冲突种类也不相同，从而降低了检测方法的运行速度；冲突检测时未覆盖车站内所有可能存在冲突的列车间隔时间种类，无法保证检测识别的全面性。根据车站结构类别设计相应的到发线冲突识别方法不仅能够保证检测的准确性，而且更能提高方法的运算速度，更好更快地得到所需要的结果。

通过划分不同高速铁路车站的类型和列车作业种类，研究不同类型车站的到发线冲突识别逻辑关系，建立冲突识别检测算法，提高到发线冲突识别检测速度和精确性，为现场编图工作提供理论和应用基础。冲突识别检测方法针对仅办理高速列车作业的车站，不考虑高普混合的车站。

1　问题描述

高速铁路车站按照线路配置的不同分为通过式、尽头式和混合式3种^[13]，根据站场图的不同，首先明确车站类型和办理列车作业的种类，以及车站内所有到发线的有效进路。每一条到发线的有效进路包括一条接车进路和一条发车进路。当列车进入车站后，首先满足在某一时间段内每一列车只能占用一条到发线，其次当两列车占用不同的到发线时，还需要判定两车在车站内的有效进路(即接车、发车进路)不冲突，有效进路是否冲突主要从时间和空间2方面进行判别，时间冲突是指任意相邻两车间隔时间小于车站间隔时间，车站间隔时间是指车站办理两列车到达、出发或通过作业所需要的最小间隔时间，包括同方向列车到到、发发、通通^[14]、通到、发通、到通、通发间隔时间，敌对进路相对方向列车不同时发到、到发间隔时间；空间冲突是指有效进路(接车或发车进路)之间存在相同道岔。

通过区分车站类别进行到发线运用冲突识别，以提高识别方法的计算速度和精确性，满足现场工作对效率和准确性的高标准要求。研究针对通过式和尽头式2种车站类型，进行了列车进路冲突识别的深入分析。

2　到发线运用冲突识别方法

2.1　识别步骤设计

步骤1：根据列车的进路道岔信息，建立进路冲突表。有相同道岔的进路即为冲突进路，用1表示；无冲突关系的进路之间用0表示。

步骤2：检测列车排序。将所有列车按照到达时间排序。

步骤3：冲突列车初步筛选(不包括列车自身发到进路冲突判断)，缩小冲突检测列车范围。选择发到追踪间隔时间为初步筛选条件，是因为发到追踪间隔时间为最长的追踪间隔时长，超过发到追踪间隔的列车之间肯定不存在冲突，以此条件初步筛选出所有可能存在冲突的列车集合，之后转入步骤4，根据不同车站类型进行冲突种类的识别。

步骤4：利用发到追踪间隔时间初步筛选冲突进路。首先判断每列车与其他列车之间是否满足发到时间\leT_发到(最小发到追踪间隔时间，一般中间站比其他车站小2 min)，若满足则转入步骤5，否则输出无冲突。对于中间站只需要判断同一车场内的列车是否冲突，若两车不在同一车场则直接输出无冲突。

步骤5：利用是否存在共用道岔进一步筛选冲突进路。根据步骤4中筛选出的列车，按照到达时间先后顺序排序，分别检测每列车的进路与其他车进路是否存在共用道岔，若有则转入步骤6进行进一步的冲突检测，其中同一股道上的到、发进路不存在冲突判断。

步骤6：明确冲突列车及冲突类别。根据步骤5中筛查出可能存在冲突的列车集合进行进一步的冲突检测和冲突种类识别。下文对尽头式车站、通过式车站的检测步骤具体展开分析，对于通过列车看成到、发时间相同的列车。所有输入列车按照到达车站时间的先后顺序排序。

2.2　尽头式车站冲突检测

前后两车均停站，前车的到达和出发时间分别为t_{\mathrm{11}}，t_{\mathrm{12}}；后车的到达和出发时间分别为t_{\mathrm{21}}，t_{\mathrm{22}}，且满足，，。T_{\mathrm{发到}}为敌对进路列车发到追踪间隔时间，min；T_{\mathrm{到发}}为列车到发追踪间隔时间，min；T_{\mathrm{发发}}为列车发发追踪间隔时间，min；T_{\mathrm{到到}}为列车到到追踪间隔时间，min；T_{\mathrm{发发}}^{\mathrm{特殊}}为特殊股道之间的列车发发追踪间隔时间，min；t_{\mathrm{停附}}为停车附加时分，min；T_{\mathrm{通通}}为两车通过追踪间隔时间，min；t_{\mathrm{停附}}为起车附加时分，min。停站列车分两车在同一股道和不在同一股道2种情况。同一股道只检测发到间隔时间冲突，不在同一股道检测到发、发到、发发、到到4种时间间隔冲突。尽头式车站冲突检测具体步骤如下。

步骤1：若两车在同一股道，则存在冲突，否则进行步骤2。

步骤2：若两车不在同一股道则分以下4种情况检测，尽头式车站时间冲突检测如图1所示。

情况1：当，检测前车的发车进路和后车的到达进路是否冲突，若冲突则该进路显示冲突。

情况2：当，检测后车的到达进路和前车的出发进路是否冲突，若冲突则该进路显示冲突。

情况3：当t_{\mathrm{21}}-t_{\mathrm{12}}\le -T_{\mathrm{到发}}∩∩ \left|t_{\mathrm{22}}-t_{\mathrm{12}}\right|\ge T_{\mathrm{发发}}，检测后车的到达进路和前车的到达进路是否冲突，若冲突则该进路显示冲突。

情况4：当时，判断前车和后车中是否在特殊股道上，有则需要判断发发进路是否冲突；若无列车在特殊股道上(特殊股道是指发发追踪间隔时间比其他股道要小的股道)，则当时，需要判断发发进路是否冲突，其中T_{\mathrm{发发}}>T_{\mathrm{发发}}^{\mathrm{特殊}}。

2.3　通过式车站冲突检测

由于通过式车站特点，上、下行列车分场作业，因此到发线冲突检测主要是对同一运行方向列车进行。

（1）当两车均为停站列车。前车的到达和出发时间分别为t_{\mathrm{11}}，t_{\mathrm{12}}；后车的到达和出发时间分别为t_{\mathrm{21}}，t_{\mathrm{22}}，且满足，，。检测步骤具体如下。

步骤1：若两车在同一股道，则存在冲突，否则进行步骤2。

步骤2：若两车不在同一股道则分以下2种情况检测，通过式车站时间冲突检测(检测列车为停站列车)如图2所示。

情况1：当且\left|t_{\mathrm{22}}-t_{\mathrm{12}}\right|\ge T_{\mathrm{发发}}，检测后车的到达进路和前车的到达进路是否冲突，若冲突则该进路显示冲突。

情况2：当时，检测后车和前车的发车进路是否冲突，若冲突则该进路显示冲突。

（2）当两车一列为停站列车，一列为通过列车。停站列车到达时间早于通过列车通过时间。前车的到达和出发时间分别为t_{\mathrm{11}}，t_{\mathrm{12}}；后车的通过时间为t_{\mathrm{21}}，满足，。检测步骤具体如下。

步骤1：若两车在同一股道，则存在冲突，否则进行步骤2。

步骤2：若两车不在同一股道则分以下6种情况检测，通过式车站时间冲突检测(停站列车到达时间早于通过列车通过时间)如图3所示。

情况1：当t_{\mathrm{21}}-t_{\mathrm{12}}\ge t_{\mathrm{起附}}+T_{\mathrm{通通}}，则输出无冲突。

情况2：当，若后车速度级不是350 km/h，则转到情况3；若后车速度级是350 km/h，则输出冲突。

情况3：当，检测前车的出发进路和后车的出发进路是否冲突，若冲突则输出冲突。

情况4：当且t_{\mathrm{21}}-t_{\mathrm{11}}\ge T_{\mathrm{到通}}，检测前车和后车出发进路是否冲突，若冲突则输出冲突。

情况5：当且，同时检测前车和后车的到达进路、出发进路是否冲突，若冲突则输出冲突。

情况6：当t_{\mathrm{21}}-t_{\mathrm{12}}\le -T_{\mathrm{通发}}且，检测前车和后车的到达进路是否冲突，若冲突则输出冲突。

（3）当两车一列为停站列车，一列为通过列车。通过列车的通过时间早于停站列车，前车的通过时间为t_{\mathrm{11}}；后车的到达和出发时间为t_{\mathrm{21}}，t_{\mathrm{22}}，满足，。检测步骤具体如下。

步骤1：若两车在同一股道，则存在冲突，否则进行步骤2。

步骤2：若两车不在同一股道则分以下2种情况检测，通过式车站时间冲突检测(通过列车通过时间早于停站列车到达时间)如图4所示。

情况1：当t_{\mathrm{21}}-t_{\mathrm{11}}\ge t_{\mathrm{停附}}+T_{\mathrm{通通}}，不用检测冲突。

情况2：当，则存在冲突。

（4）当两列车均为通过列车时。前车的通过时间为t_{\mathrm{11}}，后车的通过时间为t_{\mathrm{21}}，且。不分是否同一股道，当t_{\mathrm{21}}-t_{\mathrm{11}}\ge T_{\mathrm{通通}}时，输出不冲突；若则为冲突进路。通过式车站时间冲突检测(前后两车均为通过列车)如图5所示。

3　案例分析

选取某尽头式高速铁路车站X为应用场景，搭建图定列车日常开行冲突检测的实验环境，进行到发线运用冲突检测，验证上述冲突检测方法的有效性。目前高速铁路运行图和车站到发线运用计划为人工编制，在检查运行线铺画情况时，判断运行线是否重叠或是在区间交叉，逐个车站和区间检查是否产生冲突，如产生冲突，手动拖拽运行线。通过到发线运行冲突识别方法和系统，可以有效地检测到发线运行计划是否冲突，提高冲突检测的准确性，同时减轻编图人员的工作强度。

首先采集高速铁路车站X内列车运行数据，包括列车在车站内的计划到达、出发方向、计划车次、计划出发和到达时间和计划占用到发线等信息，列车到发信息如表1所示。其中列车在尽头式车站X内的走行方向有2种，一是从L方向进入车站并进入检修库I，另一种是从检修库I出库去往方向L，I为动车所检修库，L为车站名。针对图定列车日常开行的场景，对车站的列车间隔时间标准、车站作业时间等进行采集。T_{\mathrm{发到}}为8 min，T_{\mathrm{到发}}为2 min，T_{\mathrm{发发}}为5 min，T_{\mathrm{到到}}为5 min。

尽头式高速铁路车站X的站场拓扑结构确定后，根据到发线衔接方向的不同，有效进路只有一条，因此根据车站拓扑结构可以得出车站内所有有效到达、出发进路的道岔信息，从而确定各进路之间的冲突关系。然后根据表1中列车到发信息和列车作业类型，明确各列车之间在追踪间隔时间和进路两方面是否同时存在冲突，若同时存在则输出两列车为冲突关系，否则不存在冲突。其中车站内所有有效出发进路道岔信息如表2所示，所有有效到达进路道岔信息如表3所示。

通过运用到发线冲突识别方法和系统可以根据车站的不同拓扑结构，能够在30 s内有针对性且全面地判定有冲突关系的列车以及冲突类别，冲突识别结果如表4所示。通过对列车进行冲突判断，识别出2组列车存在冲突：①G18和G20两车出发进路有相同道岔组(226，218，212，248，252，254，258)，且两车的出发间隔时间为2 min，小于最小出发追踪间隔时间5 min，因此G18和G20为冲突列车，冲突类型为出发追踪间隔时间冲突；②0G25和0G27两车到达进路有相同道岔组(206，202，242，273，274，264，266)，且两车的到达间隔时间为4 min，小于最小到达追踪间隔时间5 min，因此0G25和0G27为冲突列车，冲突类型为到达追踪间隔时间冲突。通过开发系统求解冲突列车信息后，冲突列车以红色线条标注，并以箭头提示冲突时间，冲突列车展示如图6所示。

4　结束语

随着我国高速铁路运输组织水平的不断提升，对运输计划的编制质量和准确性提出了更高的要求，尤其是向信息化方向转变从而提高运输计划编制和核对速度，对于优化高速铁路车站运输组织、提高运输管理效率和水平十分重要。采用高速铁路车站到发线冲突识别方法后，不仅能区分车站类型来识别列车进路冲突关系，而且能够提高识别的速度和精确性，能够快速有效地得出结论。由于目前只针对通过式和尽头式两种车站类型开展了列车进路冲突识别方法研究，后续将对混合式车站的列车进路冲突识别进行进一步研究。

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基金资助

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(N2022X022)

中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目(2022YJ012)