基于離散事件的高速磁浮鐵路車站作業仿真研究

晏仁先

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 線路站場設計研究院，武漢 430063）

車站作業仿真是通過設計車站作業仿真算法，分析車站作業過程、到發線及道岔等設施使用情況等，為車站設計、作業組織等提供可靠的決策依據。目前，我國對磁浮鐵路的相關研究主要集中在磁浮列車設計、運行控制等方面[1-4]，由于高速磁浮鐵路與高速輪軌鐵路有很大的區別，高速磁浮鐵路車站作業仿真顯得尤為重要，為高速磁浮鐵路安全、高效、可靠運行提供依據。

文獻[5]采用新型元胞自動機對高速鐵路列車區間運行與車站運行進行動態仿真；文獻[6]通過分析高速鐵路車站作業過程，提出其仿真的TCPN通用模型。文獻[7]研究基于.NET Framework的軌道交通車站作業仿真系統設計開發；文獻[8]針對高速鐵路車站作業仿真進行建模，并提出了車站作業仿真實現思路。上述文獻所提出的車站作業仿真方法沒有考慮高速磁浮鐵路車站差異性對列車作業的影響，而有關車站作業仿真文獻中，很少有針對高速磁浮鐵路車站作業進行仿真的研究，為此，需要針對高速磁浮鐵路車站特性與作業特點，研究相應的仿真方法。

本文針對高速磁浮鐵路始發 / 終到車站，在分析車站各類作業過程與要求的基礎上，定義車站作業仿真相關實體、屬性、事件及狀態，設計基于離散事件的高速磁浮鐵路車站作業仿真算法。

1 高速磁浮鐵路車站仿真作業事件及狀態

1.1 高速磁浮列車作業特點

高速磁浮鐵路利用磁力代替輪軌作為支撐，利用地面直線電機代替車上旋轉電機作為牽引，其車站的道岔構成、運行控制等與高速輪軌鐵路有很大的區別，與始發 / 終到站需辦理的車站作業種類沒有明顯差異，仍然包括列車停站作業、不停站通過作業、始發作業、終到作業及車站折返作業，同時，還要辦理列車進出車輛段或綜合維修基地作業[9]。由于高速磁浮鐵路列車運行機理與高速輪軌鐵路的差別，使得高速磁浮鐵路車站作業的列車具有運行速度快、加減速時間短等特點。此外，由于不涉及到道岔轉換，故列車進路占用轉換時間短。

1.2 仿真實體及其屬性

將車站仿真中涉及到的實體分為永久實體和臨時實體。永久實體指車站作業涉及到的相關固定設備，如到發線、進出段線等。由于咽喉區車站道岔數量多，且往往以徑路形式批量占用，故將咽喉區預處理為多條平行進站與出站進路，以進路作為咽喉區的永久實體。臨時實體指進、出站列車，包括始發 / 終到列車、通過列車等。由于列車運行分為進站、出站多個階段，需要描述各臨時實體種類與運行狀態、各永久實體占用情況等，故定義如圖1所示的各類實體屬性。

1.3 車站作業事件

基于離散事件的仿真將車站各項作業定義為離散事件，同時，描述車站進路占用、到發線、道岔使用狀態，通過事件的發生引發狀態的變化，而狀態變化與事件發生又一一對應。在高速磁浮鐵路車站離散事件仿真中，仿真變量是反映各部分相互作用的事件，如列車到達事件、出發事件等，這些事件的變化具有離散性，且具有先后關聯性。

圖1 實體屬性

為了實現高速磁浮鐵路車站作業仿真，將高速磁浮鐵路車站每項作業環節描述為一個或多個離散事件。任意事件的發生將導致車站某些狀態的改變，如車站到發線占用、咽喉區進路占用等。根據事件促發原因的不同將事件分為內部事件與外部事件，其中，外部事件由外界原因觸發，如列車時刻表規定的列車到達、列車始發等；內部事件則由狀態的改變或者相關事件的發生而觸發。通常一個內部事件發生需要一個或多個狀態條件的成立或者事件的發生。因此，只要車站任意狀態發生改變或者事件發生，則需進一步判斷該狀態的改變或事件發生會觸發哪些后續內部事件的發生。

1.4 車站作業狀態

因車站作業主要影響車站咽喉區進路占用、到發線或正線占用、排隊的列車，為此，在作業仿真過程中需考慮車站3類設備狀態變化：

（1）各方向進站排隊列車序列；

（2）各咽喉區各條可用進、出站進路占用狀態，出、入段進路占用狀態；

（3）到發線使用狀態。

由于進路存在沖突，故一條進路的占用與釋放將直接影響到其沖突進路的狀態變化。

對于高速磁浮鐵路車站而言，由于其涉及到的車站作業主要有列車的到達、出發、通過、折返、出段、入段等，故定義17類車站作業驅動事件，各事件的觸發條件、引起變化狀態與可引發的后續事件，如表1所示。

整個高速磁浮鐵路車站作業是一個作業量多、關系復雜的離散過程，車站各類作業事件之間的變化關系與狀態之間的變化關系，如圖2所示。

表1 車站作業事件定義

圖2 車站各類作業事件及狀態變化關系

2 高速磁浮鐵路車站作業仿真算法

2.1 車站作業仿真流程

基于各類仿真作業事件、仿真作業對車站設施狀態的影響、事件間的相互聯系，設計車站作業仿真流程，如圖3所示。

2.2 列車進路排列與到發線運用策略

圖3 基于離散事件的作業仿真流程

以上模型是從可用進路集中選擇進路，而不是在車站咽喉區拓撲網絡上進行路徑搜索，提高了模型路徑搜索效率。

2.3 仿真算法步驟

為了描述車站作業仿真過程，定義事件集合E，記錄當前模擬時刻已觸發、等待執行的事件集合，其中，事件e∈E的觸發時刻記為te，同時，定義Dp、Dr和Dz3個字典，分別記錄車站各條候選進路、到發線、正線的狀態。

（1）從最早仿真時刻tstart開始，將時刻表規定的所有始發列車作業對應的外部事件添加到事件集合E中，各初始事件的觸發時刻te均為相應列車始發時刻。

（2）按事件集合E中事件觸發時刻先后順序找到滿足執行條件、觸發時刻最早的事件e∈E，其滿足：

式中，e′表示事件集E中任一事件。執行當前選中事件后，更新相應車站狀態變化，即Dp、Dr和Dz的取值，將觸發的后續新事件添加到事件集合E中，并從中刪除當前執行事件。

重復以上過程，直至仿真時刻已達到截止時刻tend或者事件集合E中無任何事件而結束仿真，基于此，便可分析車站各類作業的過程、使用車站相關設施的狀況等。

根據以上仿真思路，以及事件與狀態之間的相互關聯關系，設計高速磁浮鐵路車站作業仿真算法，步驟如下：

（1）生成車站各永久實體，并初始化其屬性值，同時初始化事件集合E；

（2）按事件排隊時刻先后順序，找到滿足觸發條件的最早觸發事件e；

（3）若觸發事件e為列車進站或者始發出段事件，生成列車進站、出站徑路方案與到發線運用方案；

（4）由事件e更新相關永久實體，如進路、到發線、正線狀態值；

（5）添加事件e觸發的相關事件到事件集合E中，并從事件集合E中刪除事件e；

（6）若集合E不存在事件時，結束仿真，否則返回步驟（2）。

3 算例分析

以含有4個站臺6條到發線（含2條正線）的盡端式車站為例，采用C#語言、Visual Studio.NET開發平臺，對該車站作業進行仿真。

3.1 仿真數據

仿真的盡端式車站如圖4所示，其中，上下行各含1股正線、2股到發線，Ⅰ、3、5股道為下行股道，Ⅱ、4、6股道為上行股道，Ⅰ、3股道使用同一站臺，Ⅱ、4股道使用同一站臺，5、6股道各使用1個站臺。此外，車站共含有16個道岔，對稱分布在車站兩端咽喉區。

圖4 盡端式車站布局

考慮列車始發、終到和立折3類車站作業，站前立折列車上下乘客作業時間標準為120 s，而始發列車、終到列車、站后立折列車上下乘客作業時間標準為72 s，其它仿真參數如表2所示。

表2 車站作業仿真參數設置

以列車總數24對為例，通過改變始發、終到、立折列車數量比例、空線系數、空岔系數，仿真分析到發線及咽喉區通過能力。此次模擬到發線和道岔組通過能力利用率計算公式為：

式中， γ空線、 γ空岔分別代表到發線空線系數、道岔空岔系數。

3.2 仿真結果分析

3.2.1 不同空線系數及作業列車比下股道能力利用率分析

在空岔系數為0.2條件下，不同空線系數及作業列車比例時股道能力利用率如表3所示。結果表明，在高峰時段7：00 — 9：00內，最繁忙到發線為Ⅰ、2股道，隨著空線系數增大，股道能力利用率普遍增大。由于該站只能辦理上行方向立折作業，當立折列車占比增大時，Ⅱ、4股道能力利用率也明顯增大。同時，由于只辦理下行始發、上行終到作業，故當始發終到作業列車占比增大時，下行Ⅰ、3股道利用率較均衡。

表3 不同空線系數及作業列車比下各股道能力利用率

3.2.2 不同空岔系數下道岔能力利用率分析

在始發終到列車、立折列車比為1∶1、空線系數為0.2條件下，不同空岔系數時最繁忙道岔的能力利用率如表4所示。結果顯示，咽喉區道岔組空岔系數取上限0.3時，最繁忙道岔為N035/N036，其能力利用率達到100%。當最繁忙到發線能力飽和時，可分流部分作業量至空閑股道辦理，實現股道均衡利用。

3.2.3 最繁忙到發線和道岔能力利用率分析

在始發終到列車、立折列車比為1∶1、空線系數為0.25、空岔系數為0.2條件下，最繁忙到發線集中在Ⅰ、Ⅱ股道，其能力利用情況如圖5所示；而各道岔利用率如圖6所示，其中，N035、N036道岔為最繁忙道岔，其能力利用率最高為88%。

表4 不同空岔系數時最繁忙道岔能力利用率

圖5 到發線占用

圖6 道岔利用率

經以上仿真分析可知，車站始發終到列車與立折列車數量之比，對車站各條到發線和道岔利用率影響很大，隨著空岔系數與空線系數的增加，到發線和道岔能力的利用率也隨之增加。

4 結束語

在分析高速磁浮鐵路車站各類作業的基礎上，定義17類車站作業事件及其車站狀態屬性，設計高速磁浮鐵路車站作業仿真算法。對高速磁浮鐵路盡端式車站的車站作業進行仿真，仿真結果表明，所提出的基于離散事件的仿真算法能夠對其進行有效仿真。通過仿真得出的到發線、道岔使用情況等詳細數據，可以為高速磁浮鐵路車站設計、方案選擇等提供參考。