動車調度過程自動控制方法

吳禹謀

摘 要：近來自動化概念以深入人心，同時中國的高鐵技術也蒸蒸日上。本文主要就如何把自動化與動車的調度過程結合在一起，實現動車調度的自動控制，以減少人員與資源的浪費，并提高調度效率。本文主要假想了六個城市之間的鐵路聯通情況，并分六種情況討論突發狀況下，應實行怎樣的調度，最后以程序框圖的形式實現動車調度的自動化控制。

關鍵詞：自動控制；節點；路徑；全局最優

一、緒論

自動控制是研究控制方法的科學，隨著信息技術的發展，及對控制理論的完善，自動控制理論已經應用到了信息科學和工程學等眾多領域。在電路系統中，通過負溫度系數材料，實現反向溫度補償，就是自動控制學應用的一個典型應用。在連續時間系統中，基于對輸出的閉環反饋控制，可以實現對信號的穩定持續跟蹤，在離散時間系統中，通過對序列規律的提取和訓練，得到控制函數，可以實現序列去噪，數據平滑等，自動控制在信息學的運用越來越廣泛。

從物理角度上來看，自動控制理論研究的是輸入信號在系統輸出端的響應變化情況；從數學角度上來看，研究的是輸入與輸出之間的函數關系；從信息處理的角度來看，研究的是信息的提取、調制解調、信號變換、輸出控制等問題。

自動控制的概念隨著學科交叉也在擴大使用范圍，如通過提前投放貨幣，可以實現t時間后的對抗通縮，貨幣收緊，一致通脹的效果也要過一段時間才能顯現，這都是控制原理的應用，在社會學方面，通過調研提前制定人口生于政策，也是控制理論的范疇。已發展出的交叉學科包括但不限于：工程控制論、生物控制論和經濟控制論。

典型的控制系統形如圖1：

其中Si與So分別為輸入信號和輸出信號，圖1中輸出信號通過反饋函數轉換后與輸入信號相減，其差進入控制環路，輸出從控制換中取出，這樣實現了輸出與輸入之間信號的關聯，通過靈活設計控制環中的函數，可以實現多種反饋響應。

以下以動車車輛調度為例，說明控制原理在交通運輸中的實現機制：

二、問題提出

假想有六個城市形成了六凸多邊形，車站位于凸多邊形的頂點，需要考慮正常調度，以及道路出現異常時的非常規調度方式，如圖2中所示方式排列，現在將以鐵路調度員的身份設計若干程序，以實現對列車的自動化控制，以減少人員的浪費以及經濟的浪費。地圖如下：

頂點元素集合為（A，B，C，D，E，F），其中無優先級差異，各站存在互易性，即AD=DA，etc。設計的原則，按照優先級分別是，全局最優，部分最優，本地最優；

即優先滿足受影響的整個系統調度的時間最短，其次考慮受影響附近元素集合時間最短，最后考慮本地中轉時間最短。

三、方案設計

情況一：全線路暢通，各線路列車運行正常，無突發事件。

按照路程最短原則，規劃調度方案如下：

線路推薦：各路按照最短路線，如A站至D站，可以有兩種方案，其一為A→F→E→D，其二為A→D按照箭頭方向直接從起點城市到達目的地城市，無需中轉，及立即可達性。

可能出現的問題：同時存在BE之間的交通占用情況，在（AD，BE）線路交叉口可能會發生兩列車同時到達的情況。

解決方案：采用程序一，控制兩條路徑的時序，合理地規避兩車同時到達交叉口的情況，減少人員的浪費。

情況二：DE線路檢修維護（一條邊不連通）

DA：客流量增加，應增加列車的使用量，以及檢修人員的投入量。

DB：不受影響，按照原線路正常運行，無需增加。

DC：不受影響，按照原線路正常運行。

DE：先由D轉到C地區，再由C地區轉到E地區。（由于從D到E走DC，CE距離要近些，所以規劃DCE，不規劃DAE，以路程經濟型為原則）CE地區客流量增加，需增加列車使用量和維修人員投入量）

DF：不受影響，按照原線路正常運行，無需增加。

情況三：DF線路檢修維護（內部一條對角線不連通）

DA：不受影響，按照原線路正常運行，無需增加（由于從D到F走DC，CF距離要近些，所以推薦DCF，不推薦DAF，所以DAF不受影響）。

DB：不受影響，按照原線路正常運行，無需增加。

DC：客流量增加，應增加列車的使用量，以及檢修人員的投入量。

DE：不受影響，按照原線路正常運行，無需增加。

DF：先由D轉到E地區，再由E地區轉到F地區。（由于從D到F走DE，EF距離要近些，所以規劃DEF，不規劃DAF。DC，CF地區客流量增加，需增加列車使用量和維修人員投入量）。

情況四：BD由于線路過長且在山區，需要定期檢查維護。先由于BD線路檢修，BD 線路停止運行。

DA：按原線路正常運行不受影響。

DC按原線路正常運行不受影響。

DB：（1）先由D轉到E地區，再由E地區轉到B地區。

（2）先由D 地區轉到F地區，再由C地區轉到B地區。（由于人流量較大，為保證安全，列車投入量不能過多，所以推薦兩條線路，各分散客流量）。

發現的問題：由于DE和AF，DF和AF，DE與DF和AC都有交叉點，DE，DF客流量增加提高的兩線路火車相遇的概率。

解決方案：由于DE，DF客流量的增加，為使檢修BD線路的影響降到最小，DE，DF，線路的列車應盡量采用不停車不減速運行，以加快發車頻率。這里程序一已不適用，啟用程序二（見附錄）。

DE：由于客流量的增多，需要增加列車的投入量，以及檢修人員的使用量。

DF：由于客流量的增多，需要增加列車的投入量，以及檢修人員的使用量。

情況五：如圖3。D地區處于山區，現在正是雨季，D地區由于連日暴雨，爆發泥石流，將ED，OD，FD沖斷，其他鐵路正常運行未受影響。

線路規劃：D到A：按照原線路正常運行，由于道路實際存量減少，剩余完好路段的運輸密度增大，道路的占用率提高，以為由于以上三條線路的癱瘓，DA，DC線路客流量增加，需加大列車的使用量。

D到C：按照原線路正常運行，但要增加列車的使用量，以為由于以上三條線路的癱瘓，DA，DC線路客流量增加，需加大列車的使用量。

D到F：（1）先由D轉到A地區，再由A地區轉到F地區。

（2）先由D 地區轉到C地區，再由C地區轉到F地區。（根據路網實際時段使用強度動態調整，在路網承受極限下回退一定安全余量，對當前密度超過預設門限的支路進行分流）

發現的問題：由于三條線路的癱瘓，導致AF，CE的客流量劇增，而AF，CE本就為交叉線路，原本按照程序一運行，現客流量增多，導致兩線路火車相遇的概率增加。

解決方案：為不影響旅速，可經兩地區相關部門商量，在特定的時間點，以特定的速率各自發車，中途不停頓，以保證旅速。并加大檢修人員的投入量。

D到E：（1）先由D轉到A地區，再由A地區轉到E地區。

（2）先由D 地區轉到C地區，再由C地區轉到E地區。（DE通過中間節點的可達性又多種方案，考慮原則分別為：全局時間最小，轉換支路總距離最小，單節支路路網強度不超門限，通過以上三原則進行規劃）

發現的問題：由于三條線路的癱瘓，導致AF，CE的客流量劇增，而AF，CE本就為交叉線路，原本按照線程序一運行，現客流量增多，導致兩線路火車相遇的概率增加。

解決方案：為不影響旅速，可經兩地區相關部門商量，在特定的時間點，以特定的時間序列發車，規劃正常行駛到站點進行避讓，以保證路網利用效率。并加大檢修人員的巡檢力度。

D到B：先由D轉到A地區，再由A地區轉到B地區。

先由D 地區轉到C地區，再由C地區轉到B地區。（通過規劃歷經支路最少為原則，同時考慮全局時間最優）（AB，CB，間客流量增大，也需增加列車的使用量。

情況六：AC線路癱瘓

AB：不受影響，按照原線路正常運行，無需增加。

AC：（1）先由A轉到E地區，再由E地區轉到C地區。

（2）先由A 地區轉到F地區，再由F地區轉到C地區。（列車流量密度較大，綜合考慮，列車投放量不能增加過多，所以推薦兩條線路，各分散客流量）

發現問題：AD線路的癱瘓導致AF，EC的客流量劇增，而AF，EC本就為交叉線路，原本按照程序一運行，先客流量增加，兩條線路相遇的幾率增大。

解決方案：為不影響旅速，可經兩地區相關部門商量，在特定的時間點，以特定的速率各自發車，中途不停頓，以保證旅速。并加大檢修人員的投入量。

AD：不受影響，按照原線路正常運行，無需增加。

AE：由于客流量的增多，需要增加列車的投入量，以及檢修人員的使用量。

AF：由于客流量的增多，需要增加列車的投入量，以及檢修人員的使用量。

附錄：

假設列車平均速度為200km/h，列車長為200m。各個站點附有雷達測速測距裝置，當列車靠近站點時，雷達裝置啟動。

如突發情況發生，發生情況的站點，向總指揮處發送應急信號。

程序一：設L1為A列車距站點的距離，L2為B列車距站點的距離（單位：km）

x=加速，y=減速

程序二：設L1為A列車距站點的距離，L2為B流程圖A列車距站點的距離（單位：km）

以M表示各線路的客流量增加量

x=加速，y=減速，S=停車，R=原速前進

總程序：（1）無應急信號則按照情況一執行。

（2）收到DE處的應急信號，按情況二執行。

（3）收到DF處的應急信號，按情況三執行。

（4）收到BD處的應急信號，按情況四執行。

（5）同時受到BD，DF，DE處的應急信號，按情況五執行。

（6）收到AC處的應急信號，按情況六執行。

（各應急信號可疊加，處理方式可疊加）

參考文獻：

[1]姜軍紅，李一凡，黃莎白.輕軌交通調度監控系統的仿真[J].計算機仿真，2001，18（6）：49-52.

[2]郭尚輝.上海軌道交通運營關鍵崗位聯動培訓仿真系統的研發與實踐[J].地下工程與隧道，2015（3）：6-9.

[3]李為為.城市軌道交通調度指揮智能集成系統研究[D].北京交通大學，2006.

[4]周鳴岐，徐軍.控制系統故障診斷[J].計算機測量與控制，2000，8（3）：5-8.

[5]王國軍，陳松喬.自動控制理論發展綜述[J].微型機與應用，2000，19（6）：4-7.