城市軌道交通運營列車故障影響仿真分析系統

朱琳，吳強，劉志鋼，王華聲，周明

(1.上海工程技術大學城市軌道交通學院，上海201620;2.上海地鐵第二運營有限公司，上海200063; 3.上海軌道交通運營管理中心，上海200070)

城市軌道交通運營列車故障影響仿真分析系統

朱琳1，吳強2，劉志鋼1，王華聲3，周明3

(1.上海工程技術大學城市軌道交通學院，上海201620;2.上海地鐵第二運營有限公司，上海200063; 3.上海軌道交通運營管理中心，上海200070)

研究城市軌道交通列車故障影響的分析方法，采用仿真技術描述故障車、救援車、連掛車、運營車等不同對象運動過程。以上海軌道交通為背景，梳理列車故障處置的一般作業流程，并將線路運營劃分為正常、故障、救援和恢復4種狀態;針對列車自動保護ATP系統切斷后連掛車與運營車之間的追蹤運行過程建立模型與算法;在仿真系統中，開放了對故障事件以及救援方案的信息訪問和管理，支持分析不同條件下(如故障處置流程、連掛車運行組織、線路配線設計等)列車故障對線路運營的影響。建立上海軌道交通8號線列車故障影響仿真分析平臺，實現對某一歷史故障事件的過程模擬，并分析故障地點、連掛車運行速度和退出點對線路“故障”和“救援”階段列車運行的影響，論證了仿真分析系統的有效性。

城市軌道交通;計算機仿真;列車故障;故障狀態;救援狀態;連掛車

1 研究背景

城市軌道交通列車一旦發生故障中斷運行，會對整條線路乃至全線網的列車運行組織產生影響。需要迅速安排另一輛列車或工程車進行救援作業，將故障車撤離正線;同時，采取運營調整措施以恢復列車運行秩序，并疏導本線及相關換乘站積壓的客流。因此，城市軌道交通列車故障救援組織優化及故障后運營調整優化始終是相關學者和運營企業重點關注的領域之一。針對城市軌道交通列車故障救援組織優

化問題，既有文獻研究了故障及救援處置作業流程［13］、救援行車組織［45］、故障車存放模式［34］、車站配線結構［67］、列車運行間隔［8］等因素對列車故障救援效率及線路運營恢復造成的影響，并提出了改進措施，對運營企業的相關工作具有一定的參考價值。但每條城市軌道交通線路的設備設施屬性和運營方案不同，對相同的故障場景要素往往表現出不同的影響結果，需要探索個性化的、有針對性的故障影響分析方法。

筆者引入仿真思想研究故障影響分析方法，首先以上海城市軌道交通為例，對故障救援過程進行梳理，然后建立故障救援過程中的列車運行模型，再以此為基礎設計開發仿真分析系統，最后通過實例驗證系統的有效性。與以往研究不同，系統開放了對線路基礎設施、車輛、運行圖、故障場景的數據管理，實現對故障各影響因素的調整與分析，同時將故障救援過程中對運營車的扣車處置策略加入仿真模型中，支持分析不同條件下(如故障處置流程、連掛車運行組織、線路配線設計等)列車故障對線路運營的影響。

2 列車故障救援過程

對于正線運行的列車發生故障需要救援的情況，一般遵循“順向救援”的原則，即由相鄰后續列車正向推進故障列車至相應的存車線或入庫。針對列車故障救援，盡管軌道交通運營部門對每一項處置作業有具體的操作要求和操作時間規定，但在具體的故障事件發生后，行車調度仍需根據實際故障發生時間、地點、客流等，結合經驗安排救援作業流程。以上海地鐵為例，若列車在某一車站發生故障，救援作業的一般流程如表1所示。與列車在站發生故障情況不同，若列車在線路區間發生故障，在救援作業流程中一般先安排救援連掛，將故障車推進前方車站后再完成故障車清客作業。本文主要研究故障事件發生在車站的情況。

表1 上海地鐵列車在站故障救援作業一般流程Tab.1 the generalprocess of disposing the train failure that happens in station(w ith Shanghaim etro as the exam p le)

根據列車是否按圖定計劃運行，線路運營狀態分為正常狀態和非正常狀態。按照計劃運行圖的正常運營為線路的正常狀態。整個故障救援及運營恢復過程存在3種非正常運營狀態，即:故障狀態、救援狀態、恢復狀態。對照表1，具體說明如下:

1)故障狀態。對應序列1～12，從故障發生時刻起至救援連掛作業完成、調度員發布動車命令止。整個過程按照規定的作業流程執行，且每個序列的作業時間基本為經驗值，故障狀態下的線路處于運營中斷。

2)救援狀態。對應序列13，從救援連掛車動車時刻起，至連掛車運行至指定地點，故障車退出正線。救援狀態持續時間長短是個不確定值，與兩個因素密切相關:一是救援連掛車的運行速度，二是救援連掛車退出正線的位置，即救援連掛車的運行距離。

3)恢復狀態。對應序列14～15，從連掛車退出正線時刻起，至線路運營列車恢復圖定計劃運行間隔止。恢復狀態表明列車故障對線路的直接干擾已經結束，但對運營產生的影響尚未消除，理論上認為直至列車運行恢復圖定間隔，故障影響結束，因此，線路“恢復”時長也不確定。根據故障車停放模式不同，若連掛列車回庫或進入雙列位的存車線，不安排救援車解鉤投入運營，則序列14的過程不存在。

在列車故障發生后，為保證相對均衡的行車間隔、降低最大晚點，行車調度會對救援連掛車前后的運營列車實施扣車，在連掛車動車后，適時啟動并基于合理的追蹤運行規則逐漸恢復線路正常運營。針對該過程，建立基于事件的救援處置模型、列車追蹤運行模型，并設計開發計算機仿真系統。以下重點描述線路“救援狀態”下列車追蹤運行模型，在平臺中呈現直接受故障影響圖1所示的4列車(故障車、救援車、故障車前方第一輛運營列車、救援車后方第一輛運營列車)運動過程。

圖1 仿真4列車位置關系Fig.1 Illustration of location relationship of four simulated trains

3 故障救援過程的列車運行仿真建模

3.1 列車追蹤運行模型

將城市軌道交通列車的運動過程簡化為勻速、加速和減速3種情況，計算位置、速度、加速度3個變量隨時間變化如下所示:

式中，L(ti)、v(ti)、a(ti)分別為ti時刻車輛位置、速度、加速度;Δt為仿真步長。加速度a(ti)與當前速度v (ti)、目標速度v目以及達到目標速度前所允許的行駛距離S有關。因此，基于初始位置和速度，在路徑引導和速度曲線約束下，列車可以完成后續移動過程。

1)對救援連掛車的速度設定。故障處置完成后，救援連掛車接受動車命令并以均勻的速度運行至故障車存車點，退出正線。因此，模型中設定連掛車的運行速度為定值。

2)對故障車前方第一列運營車的速度設定。由于列車發生故障，在故障點處線路運營中斷，為避免前方車站乘客嚴重滯留，行調將安排前方運營列車在站扣車，列車在區間的運行速度按圖定執行。

3)對救援車后方第一列運營車的速度設定。在上海軌道交通系統中，列車故障發生后，將對故障車切除ATP自動保護系統。在列車故障處置完成后，連掛車與后續第一列車之間采用固定閉塞信號控制方式，按照計軸點將線路劃分為多個區間。在列車追蹤運行過程中，每個計軸區間只允許被1列車占用，前后兩列車之間必須至少間隔1個計軸區間。因此，當運營車與連掛車之間只有1個區間間隔時，則運營列車的目標速度如圖2所示。

圖2 后續列車運行目標速度(情況1)Fig.2 The target speed curve of the following train(case 1)

當運營車與連掛車之間間隔多個計軸區間時，且兩列車在同一個站間區間運行，則運營列車的目標速度如圖3所示。圖中設定每個計軸區間的限速不同。

圖3 后續列車運行目標速度(情況2)ig.3 The target speed curve of the following train(case 2)

當運營車與連掛車之間間隔多個計軸區間時，且兩列車在不同站間區間運行，則運營列車的目標速度如圖4所示，同樣設定每個計軸區間的限速不同。

圖4 后續列車運行目標速度(情況3)Fig.4 The target speed curve of the following train(case 3)

3.2 故障后運營車扣車規則

在故障、救援及運營恢復過程中，為盡可能均衡各車站的乘客候車時間，行調會采取措施均衡列車之間的運行間隔，因此，針對連掛車的前、后方運營列車設定相應的扣車規則。

1)連掛車動車后，在列車運行過程中，后方第一輛運營列車與連掛車之間必須保證至少1個計軸區間，否則制動、扣車。

2)在故障及救援狀態下，當實施救援處置或動車后不滿足追蹤間隔，后方第1輛運營列車在連掛車后方第4個車站扣車等待。

3)在故障及救援狀態下，若前方第1輛運營列車與連掛車之間間隔超過2個站間區間，前方運營列車依次扣車等待。

3.3 故障條件下列車運行仿真算法

基于上文所述列車追蹤運行速度約束和扣車規則，設計相應的迭代算法，實現流程如圖5所示。

4 列車故障影響分析仿真系統

4.1 基礎設施管理

基礎設施管理是對線路的相關信息進行管理。線路信息包括線路拓撲結構(特征點、線段)、計軸區間、道岔、配線、路徑、信號機、車站等。系統中的線路采用拓撲結構圖進行描述。節點包括軌道端點、道岔中心點、計軸點。沿線路中心線方向的線段按實際里程等比例縮小，其他線段根據需要確定顯示長度。

4.2 車輛管理

車輛管理是對擔當列車任務的車輛的相關信息進行管理，具體包括車底管理、加減速性能管理等。在仿真的可視化界面中，將固定編組數量的列車作為單一對象對待。

圖5 列車運行迭代算法Fig.5 Iterative algorithm of the train operation

4.3 運行圖管理

運行圖管理是對列車運行圖的相關計劃和實際數據信息進行管理，具體包括運行圖標尺方案管理、停站方案管理、車底交路方案管理、車底分配方案管理、實際運行圖評價管理等。這里的實際列車運行圖是指運營過程中實際產生的數據或列車運行仿真產生的數據。

4.4 故障場景管理

基于事件的車輛故障事件及救援方案管理，是對運營過程中實際發生的及仿真過程中虛擬的車輛故障事件、救援方案進行數字化管理，描述故障事件的關鍵屬性如表2所示。在現階段所設計仿真系統中，主要對在車站發生的故障進行仿真研究。在系統中可對車輛故障事件及救援方案進行增加、刪除、修改、查詢等操作，通過對故障及其各相關因素的管理，實現不同仿真方案的模擬，繼而分析各因素對故障處置、救援及運營恢復的影響。

表2 8號線故障事件的關鍵屬性信息Tab.2 The key attribute values of the failure incident happened on Line 8

4.5 列車運行仿真

列車運行仿真是對列車運行過程進行可視化仿真。仿真界面包括3個部分:仿真基礎數據設定和結果指標顯示部分、列車運行過程可視化、運行圖同步鋪畫。其中，仿真基礎數據設定和結果指標顯示部分，可對基礎設施設備、故障場景信息進行設定，并查看故障對運營的影響評價指標。

5 仿真應用

建立上海軌道交通8號線列車故障影響仿真分析平臺，界面如圖6所示。在平臺中對故障車、救援車、前方第1輛運營列車、后方第1輛運營列車的運行過程進行推演模擬，列車位置關系如圖1所示。同時，以2012年6月上海地鐵8號線黃興路站上行方向發生的一起列車故障事件為背景，進行案例應用及分析。在仿真系統中對該故障事件關鍵要素的描述數據源自“運營事故調查處理報告”匯總整理。除模擬再現了該故障事件處置及運營恢復情況，還通過對故障屬性調整實現故障場景管理，分析了不同因素對線路故障和救援階段列車運行產生的影響。

圖6 8號線列車故障影響仿真分析平臺界面Fig.6 Simulation interface for analyzing impacts of the train fault on Line 8

1)故障發生地點的影響分析:將該事件中的列車故障發生地點調整到大世界上行方向，對應表2中FLoc設定為16(大世界車站ID)。在不改變表中其他故障事件屬性信息的情況下，分析列車故障發生后線路處于“故障狀態”、“救援狀態”時4列車的運行情況，對輸出運行圖及運營指標并同原事件做對比，如圖7所示。結果表明，故障發生地點不同，救援持續的時長不同，最大晚點基本相同。分析指標獲取方法，前者與救援連掛車退出正線前的運行距離和運行時間相關，后者主要與“故障狀態”的持續時長相關。

圖7 仿真輸出4列車運行圖(變更故障發生地點)Fig.7 Diagrams of the four simulated trains (different locations of failures)

2)救援連掛車退出地點的影響分析:將該事件中的救援連掛車退出點變更為東方體育中心處存車線，簡化對應表2中Quit_LocID設定為24(東方體育中心站ID)。在不改變表中其他故障事件屬性信息的情況下，仿真、輸出運行圖及運營指標并同原事件做對比，如圖8所示。結果表明，退出點越遠，連掛車運行距離越長，后續運營列車一方面為了盡快恢復正常運行會加強追蹤過程、縮短追蹤間距，另一方面為了與連掛車保持安全間距，需要多次扣車等待。

3)救援連掛車運行速度的影響分析:將該事件中的救援連掛車運行速度變更為20 km/h，對應表2中的A_LSpeed為20。在不改變表中其他故障事件屬性信息的情況下，仿真、輸出運行圖及運營指標并同原事件做對比，如圖9所示。

圖8 仿真4列車運行圖(變更救援連掛車退出點)Fig.8 Diagrams of the four simulated trains (different exit locations of the articulated train)

圖9 仿真4列車運行圖(變更救援連掛車運行速度)Fig.9 Diagrams of the four simulated trains (different running speeds of the articulated train)

結果表明，連掛車運行速度越小，“救援狀態”持續越長，后續運營列車在車站扣車等待的次數和時長都會增加;連掛車與前方運營列車間距在逐漸拉大，導致前方列車為了減小最大晚點，也需多次實施扣車。

基于上海地鐵8號線的案例應用，表明利用所構建的仿真系統能夠實現對線路故障處置、救援及恢復過程的模擬，輸出不同列車的運行軌跡，實現不同要素對列車故障影響的分析。由此論證了該仿真分析系統的有效性和應用性。

需要說明的是:由于目前各地鐵系統對于故障救援處置采取規范化的標準操作，因此，目前可控的救援處置因素主要是連掛車運行速度、退出方式。在線路條件允許的條件下，適當提高連掛車的運行速度，將救援連掛車退回存車線，對線路的運營影響更小，因此對于既有線路，為盡快恢復運營，可考慮就近將故障車停放于存車線，在適當條件下(如平峰運營間隔大)還可恢復救援車進入正線運營;對于新規劃線路，可通過本仿真系統進行存車線設計的優化分析。而救援連掛車運行速度的合理確定，因涉及線路技術條件及安全問題，需進一步進行多次試驗分析與論證。

6 結論

論文以城市軌道交通列車故障影響分析為研究主題，采用仿真技術呈現了故障車、救援車、連掛車、運營車等不同對象的相互關系及運動過程。

在運行算法方面，重點針對ATP切斷后連掛車與運營車之間的追蹤運行過程建立模型與算法;在仿真系統中，除對線路、車輛、運行圖等信息管理外，系統開放了對故障事件以及救援方案的信息訪問和管理，可實現對故障發生、故障處置、救援、恢復等過程中的關鍵參數設置與修改，支持分析不同條件下(如故障處置流程、連掛車運行組織、線路配線設計等)列車故障對線路運營的影響，并重點對線路“故障狀態”、“救援狀態”下的列車運行過程進行模擬。系統可為城市軌道交通運營企業在列車運行故障場景下的相關工作提供有效決策支持。

在本文研究成果基礎上，為更加全面貼近運營企業需求，后續將拓展到全線所有列車的運行過程模擬，加入故障救援過程中的作業流程優化，分析線路結構、調度方案對運營恢復的影響。

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(編輯:郝京紅)

Simulation and Analysis System for the Impact of Metro Train Faults on Operations

ZHU Lin1，WU Qiang2，LIU Zhigang1，WANG Huasheng3，ZHOU Ming3
(1.College of Urban Railway Transportation，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai201620; 2.Second Branch，Shanghai Metro Operation Co.，Ltd.，Shanghai200063; 3.Shanghai Metro Operation Management Center，Shanghai200070)

Focusing on themethod for analyzing impacts ofmetro train faults on operations，the simulation technology is used to describemoving processes of the disabled train，the rescue train，the articulated train，and the normal operation train.Taking Shanghai metro operation as the background，the paper firstmakes a review of the general process of disposing the train failure，and classifies the line operation conditions into four categories，i.e.，normal operation state，train failure state，rescue state，and recovery state.Then，the paper builds the calculationmodel and algorithm formovements of the articulated train and the normal operation train after cutting off the automatic train protection(ATP).For the developed simulation system，it opens the access and management of the failure event and rescue program information，which helps to analyze the impacts of train failure on the line operation under different factors，such as faults disposal processes，operation of the articulated train，setting of the packing tracks for the disabled train，etc.Finally，using the simulation and analysis system for the Line8 of Shanghai rail transit，the paper simulates the processof a historical train failure and rescue event，and assesses the impactsof the faults location，the running speed of the articulated train，and the packing tracks for the disabled train on train operations.The case study demonstrates the applicability and validity of the impact analysis system.

urban rail transit;computer simulation;metro train fault;failure state;rescue state;articulated train

U231

A

1672- 6073(2017)02- 0113- 07

10.3969/j.issn.1672 6073.2017.02.023

2016- 07 26

2016 11 15

朱琳，女，博士，講師，從事城市軌道交通運營管理理論、方法與應用研究，10140001@sues.edu.cn

“十三五”國家重點研發計劃子課題(2016YFC0802505);上海工程技術大學科研啟動基金項目(2015 72)