临时限速场景下基于轨道区段锁闭时间的铁路调度模型研究

当灾害监测系统发出预警、报警信息时，如何精准、快速、有效地执行临时限速并采取应急处置措施，从而保证限速情况下列车安全、平稳、高效运行是亟待解决的关键难题。

北京交通大学交通运输学院、轨道交通安全与控制国家重点实验室（北京交通大学）的研究人员李璇、孟令云、王义惠、龙思慧，在2019年《电气技术》增刊中撰文，基于轨道区段锁闭时间计算理论，再引入限速约束，保证列车在限速场景下的安全平稳运行。研究了临时限速场景下的铁路调度问题，基于轨道区段锁闭时间计算理论和铁路防灾安全监测系统的预警信息，以路网中列车的总延误时间最短为目标构建了运行图优化调整模型。

通过精细化计算列车占用各个闭塞分区的时间并在调度模型基础上引入限速约束，该模型保证列车在限速场景下的安全平稳运行，从而辅助行车调度员的行车调整工作，提升应急处置能力。最后以铁岭西至扶余北段为背景设计算例并验证，表明了该调度模型的准确性。

铁路是重要的基础设施，是我国的交通运输大动脉。目前，我国成为全球高速铁路系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运行速度最高、在建规模最大的国家。铁路各种速度等级列车共线运行的运输组织方式决定了我国列车开行的复杂性。而运输过程中会遇到大量随机突发情况，扰动列车的正常运行，使其偏离原定运行计划，造成列车时间点延误，甚至影响其他列车的正常运行，给旅客的出行和货物的运输带来不便。

随着高速铁路网络规模的日益增大和列车运行间隔的逐渐缩短，因雷电、大风、暴雨等气象灾害影响高速铁路安全运营的事件时有发生。一旦遭遇紧急情况或危险天气，可供减弱和避免事故影响的时间很短，因此造成的灾害损失往往十分惨重，恶劣天气对高速列车的影响也越来越受到人们的重视。

恶劣天气对高铁运输组织带来的最直观影响就是列车晚点，同时也会产生安全隐患及风险。为应对恶劣天气，铁路部门出于安全考虑通常采用临时限速（临时限速是指除线路规定的限速以外，由于施工、维修等原因引起的有计划的限速和由于自然灾害、设备故障等原因引起的突发限速）或者临时中断行车的方式来保证列车安全通过受天气影响的区段。

在这种情况下，列车调度员一方面需要严格按章执标，协调各部门进行应急处置，确保列车运行安全；另一方面需要灵活运用各种运行调整方法，调整站车顺序及时刻，充分利用通过能力和运行图缓冲时间，减少列车晚点及晚点传播，尽快恢复运行秩序。

近年来针对列车运行调整的研究已成为国内外研究的焦点。Acuña-Agost等对灾害天气条件下的铁路调度问题进行了研究，在MAGES项目中提出基于混合整数规划和约束规划相结合的方法来解决调度问题。孟学雷建立突发事件条件下列车运行组织问题双层规划模型，设计了针对我国铁路的突发事件下路径生成的最短路算法，并应用于列车运行调整模型求解中。杨立兴研究了扰动条件下的调度问题以最大限度地减少预期的总延迟时间，通过构建一个两阶段模糊优化模型获得鲁棒调度计划并基于不同场景表示适用于恢复双线铁路的持续时间。

杜渺针对自然灾害事件下的列车运行秩序扰乱的问题，建立了以与图定时刻偏差最小为目标函数的离散事件的运行调整模型。Xu等人研究了干扰条件下的高速铁路运行图实时调整和列车速度选择的一体优化问题，建立了基于准移动闭塞信号系统的混合整数线性模型，考虑列车速度与间隔距离之间的动态相互作用以最小化列车的总延误。Samà等为有效缓解列车运行过程中的意外扰动，对列车路径选择和运行图进行优化，应用蚁群优化算法对问题进行求解，以使得列车延迟传播最小。

雷艳红在其硕士论文中基于大风对高速铁路列车的影响，分别建立大风区域不包含车站、大风区域包含车站两种单点受灾以及多点受灾情况下列车采取停开、降速运行、绕线运行时的模型，并对三种模型进行分析，设计了求解绕线运行径路的遗传算法，得到了大风预警系统下广义费用最小的高速列车运行调整方案。

孟令云基于随机扰动的场景提出累积流量变量的整数规划模型，以从扰动中恢复列车的正常运行，并最小化随机情景下预计的总列车延迟时间，通过对轨道占用等约束进行拉格朗日松弛实现对问题的求解，并通过实例计算证明所提解决方案的有效性。

当前针对临时限速条件下列车运行调整的研究也越来越受关注。Wang L等针对速度限制情况下的调度问题，提出了一个包含速度限制信息、调度需求、列车径路、总延误以及受影响列车的数量四个组成部分的决策支持框架，从而实现了与调度员的互动，做到了强调乘客满意度，并且通过双层建模方法降低了计算复杂性。

Wang Y等基于实时天气预报数据，并根据网络的时空分布及其严重程度来描绘移动的天气，通过构建混合整数规划模型，在天气影响下同时对重新安排径路和列车到发时刻进行建模，实现了在可行的时间内找到优化结果。Quaglietta研究了实时列车调度问题，通过构建基于替代图理论的混合整数线性规划模型，以减少速度限制对列车的影响。

目前，针对临时限速条件下列车运行调整的研究大多在初始延误的基础上进行调整，且轨道区段锁闭时间多采用定值。D'Ariano对列车调度问题采用了详细的替代图模型，并引入锁闭时间以确定是否遵守列车之间的安全距离车头时距，通过这种方法可以获得一个遵循信号和安全限制的无冲突运行图。

图1 受临时限速影响的路网

图2 轨道区段锁闭时间构成示意图

图3 受临时限速影响的列车运行线

北京交通大学交通运输学院、轨道交通安全与控制国家重点实验室（北京交通大学）的研究人员，基于轨道区段锁闭时间计算理论和铁路防灾安全监测系统的预警信息，以路网中列车的总延误时间最短为目标构建了运行图优化调整模型。解决了应对恶劣天气引起的临时限速的调整问题。通过算例验证了该解模型的准确性。

本调度模型为临时限速下的调度问题提供了一种行之有效的方法。在后续研究中，将考虑更复杂的临时限速场景，并采用合适的算法和编程手段以提高解决方案的质量和计算效率。

以上研究成果已发表在2019年《电气技术》增刊，论文标题为“临时限速场景下基于轨道区段锁闭时间的铁路调度模型研究”，作者为李璇、孟令云、王义惠、龙思慧。