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原文传递面向多层域的高速铁路调度控制一体化研究

论文题名：	面向多层域的高速铁路调度控制一体化研究
关键词：	高速铁路;调度控制一体化;列车运行调整;进化算法
摘要：	作为我国新时代的“亮丽名片”，高速铁路在促进区域协调发展、发展低碳经济和推进“一带一路”建设等方面具有重要的推动作用。随着高铁路网日益复杂和运营服务质量需求的持续提升，如何提取挖掘高铁信号系统中复杂多维的列车运行时空信息，实现调度决策和控制策略智能化水平的稳步提升面临着前所未有的重大挑战。由于我国高铁运行环境复杂多变，外部突发事件极易导致路网大面积延误，列车调度员和司机需凭经验及时做出调度决策和控制策略。然而在现有调度决策和控制执行的过程中，高铁信号系统中的列车运行时空信息缺乏有效的整合、解耦、挖掘及预测，多列车在车站和区间的追踪运行过程缺乏精细化刻画，列车运行调整和优化控制的功能缺乏一体化协同决策，导致所制定的列车运行调整方案和列车驾驶策略的科学性和自动化程度不足。　　本文面向列车运行调整和优化控制的功能一体化目标，挖掘“调度层”、“区间层”、“车站层”三个不同层域的列车运行时空信息，提出面向多层域的高铁调度控制一体化方法，即“调度层”宏观一体化、“区间层”介观一体化、“车站层”微观一体化，自动生成的列车运行调整方案和多列车目标速度曲线分别实时辅助列车调度员和司机调整阶段计划和列车驾驶策略。论文主要内容如下：　　首先，针对高铁信号系统“调度层”数据信息利用率差，列车运行决策方案自动化程度较低的问题，以列车调度员调整运行图为高铁调度控制宏观一体化的出发点，分析高铁调度指挥系统与列车之间的信息交互流程，构建宏观一体化最小系统和信息交互模型，提出调度与控制功能互协同的宏观一体化方法。以“控制层”预测到站时刻为输入，结合列车运行调整问题知识和进化算法框架提出列车运行实时调整算法，给出“调度层”内列车在封锁车站的最优发车次序；以“调度层”内该发车次序为输入，研究节时驾驶策略问题知识下的列车目标速度曲线计算方法，预测“控制层”内列车在封锁车站后续车站的到站时刻。仿真结果表明最优改进进化算法能实时给出受影响列车在封锁车站的最优发车次序，10m的距离步长能有效保证预测到站时刻的求解精度和计算效率。与无一体化方法相比，宏观一体化决策器能实时给出列车运行决策方案，有效减少列车调度员手动操作次数，辅助调整阶段计划。　　其次，对于“区间层”多列车运行态势缺乏实时推演的问题，以多列车追踪驾驶策略优化为高铁调度控制介观一体化的出发点，考虑高铁调度指挥系统、无线闭塞中心与列车之间的信息传递过程，建立介观一体化最小系统。基于列车运行工况转换关系和运动学方程，构建多列车运行态势推演模型。提出基于专家系统的单车态势在线推演方法，有效提升求解效率并降低列车牵引能耗。提出面向多车微观态势推演和宏观态势推演的两种介观一体化方法，前者能计算多列车超速防护曲线和列车运行调整方案安全下界，后者通过介观一体化决策器能实时求解辅助列车调度员和司机决策的列车运行调整方案和驾驶策略。仿真结果表明，与无一体化方法相比，面向多车宏观态势推演的介观一体化方法能有效减小列车总晚点时间和降低列车总牵引能耗，提升列车运行决策方案的求解效率。　　最后，考虑“车站层”接发车进路开放时机动态性不足的问题，以车站微观细节和车路协同为高铁调度控制微观一体化的出发点，考虑车站自律机开放进路的过程，提出车路协同的含义及内涵并构建微观一体化最小系统。基于车站微观细节和多列车到站追踪运行过程建立车路协同模型，提出追踪列车间隔时间精细化计算方法和车站进路动态开放方法。提出车路协同下面向多车微观态势推演和宏观态势推演的两种微观一体化方法，用于计算微观一体化列车运行决策方案。仿真结果表明，随着时域范围内列车数量的增多，面向多车宏观态势推演的微观一体化方法通过微观一体化决策器可实时计算任意延误场景下的精细化列车运行决策方案、停车打靶曲线和车站进路动态开放时机，不仅能解决列车运行工况频繁切换的问题，而且能辅助列车调度员面对严重延误场景及时做出应急处置预案。
作者：	王荣笙
专业：	交通信息工程及控制
导师：	张琦
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国铁道科学研究院
学位年度：	2023