李茂蛟

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

聯(lián)鎖表是車站信號設(shè)備聯(lián)鎖關(guān)系的信息說明圖表，以進(jìn)路為單元，表達(dá)了進(jìn)路與進(jìn)路、進(jìn)路與道岔及進(jìn)路與信號機(jī)之間的制約關(guān)系。

鐵路信號設(shè)計(jì)人員完整地編制聯(lián)鎖表不僅是一項(xiàng)重要而繁瑣的設(shè)計(jì)工作，而且編制過程中很容易出現(xiàn)差漏，尤其是敵對信號及其敵對條件的差漏。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是大幅提高聯(lián)鎖表編制效率的唯一途徑。但相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1-3]及文獻(xiàn)[4]中僅從宏觀層面對聯(lián)鎖表編制的格式、內(nèi)容以及敵對進(jìn)路等概念進(jìn)行了規(guī)定與定義，而基本進(jìn)路與變更進(jìn)路的選擇、變更按鈕的選擇等內(nèi)容均具有較強(qiáng)的主觀性，以上因素都不利于計(jì)算機(jī)的自動處理。

本文對信號設(shè)備平面布置圖的結(jié)構(gòu)化表達(dá)、聯(lián)鎖表進(jìn)路的主要處理算法進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖表的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

2 信號設(shè)備平面布置信息化表達(dá)

結(jié)合圖論中“圖”的概念[5]，將信號設(shè)備平面布置圖中信號機(jī)、絕緣節(jié)、道岔、軌道區(qū)段等抽象為含屬性的基本節(jié)點(diǎn)單元，則可將信號設(shè)備平面布置圖視為一張從左至右或從右至左的有向圖[6]。

為便于處理，對上述節(jié)點(diǎn)單元采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，具體的節(jié)點(diǎn)單元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括設(shè)備類型代碼、設(shè)備名稱及相關(guān)屬性等字段。

為精簡接口數(shù)據(jù)，結(jié)合聯(lián)鎖“進(jìn)路”與圖論“路徑”的概念，按從左至右的順序?qū)⒁粭l進(jìn)路中的所有節(jié)點(diǎn)單元按序組成一束路徑數(shù)據(jù)，則全站信號設(shè)備平面布置圖的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可由若干束路徑數(shù)據(jù)進(jìn)行描述。

本文以符號v(x)表示設(shè)備x節(jié)點(diǎn)信息，以節(jié)點(diǎn)集合Rd={v(x1)，v(x2)，…，v(xn)}表示一條進(jìn)路和路徑中順次經(jīng)過的所有節(jié)點(diǎn)，其中，xi為進(jìn)路或路徑中第i個設(shè)備名稱，n表示節(jié)點(diǎn)數(shù)量。在不涉及具體設(shè)備名稱的情況下，將v(xi)簡寫為vi。

圖1 示例車站信號設(shè)備平面布置示意

全站的進(jìn)路搜索空間可表示為

Rd=[Rd1，Rd2，…，Rdn]T

(1)

其中，

Rdi={vi，1，vi，2，…，vi，m}

(2)

其中，m表示第i條路徑Rdi上所有的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

由此，可根據(jù)節(jié)點(diǎn)鄰接關(guān)系及具體屬性，采用圖論中相關(guān)路徑搜索算法進(jìn)行進(jìn)路搜索。對于圖1所示車站，全站若分咽喉表示，僅需8束路徑數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖表設(shè)計(jì)所需的全部信息的結(jié)構(gòu)化存儲。

實(shí)現(xiàn)車站信號設(shè)備平面布置的結(jié)構(gòu)化表達(dá)，可有以下兩種方式。

(1)人工編制結(jié)構(gòu)化接口數(shù)據(jù)

設(shè)計(jì)人員根據(jù)車站實(shí)際的信號設(shè)備平面布置示意圖，按照上述路徑數(shù)據(jù)單元的表達(dá)方式，對車站的所有路徑逐條編制相應(yīng)的路徑數(shù)據(jù)。該方法對平面圖繪制無特殊需求，且適合對既有紙質(zhì)版平面布置圖進(jìn)行結(jié)構(gòu)化表達(dá)。

(2)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

需在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)信號平面布置圖時，根據(jù)需要將相關(guān)信息附加到相應(yīng)的設(shè)備圖元上，這樣，平面圖本身就包含了所需的信息，通過計(jì)算機(jī)程序根據(jù)需求即可提取所需的設(shè)備屬性及設(shè)備連接關(guān)系等信息。該方法一方面需要信號平面布置圖的繪制(本文僅討論AutoCAD制圖形式)遵循嚴(yán)格的規(guī)定，如需采用預(yù)先定義的圖塊單元來表達(dá)信號機(jī)、聯(lián)鎖道岔等信號設(shè)備，還需要為這些圖塊單元分別附加相應(yīng)的屬性；另一方面，需要編制相應(yīng)的AutoCAD插件，以提取相關(guān)屬性，從而根據(jù)上述路徑數(shù)據(jù)定義生成全站的路徑數(shù)據(jù)。

3 進(jìn)路搜索算法與變更進(jìn)路量化選擇策略

圖論中，路徑搜索算法有深度優(yōu)先(DFS)[7]、廣度優(yōu)先(BFS)[8]等多種搜索算法，對于本文采用的進(jìn)路數(shù)據(jù)束結(jié)構(gòu)，僅在道岔節(jié)點(diǎn)處有分支存在，本文采用DFS算法作為進(jìn)路搜索核心算法，內(nèi)存消耗較BFS算法小，且可在搜索過程中對搜索方向進(jìn)行優(yōu)化限制，如可限制直股優(yōu)先或彎股優(yōu)先。

3.1 進(jìn)路基礎(chǔ)搜索算法

以Rt表示進(jìn)路空間，以點(diǎn)v1表示進(jìn)路搜索起始節(jié)點(diǎn)，以式(3) 表示搜索到節(jié)點(diǎn)vi時，已順序訪問的節(jié)點(diǎn)集合。

V(vi)={v1，v2，…，vi}

(3)

對于某節(jié)點(diǎn)vi(i>1)，其父節(jié)點(diǎn)為vi-1，其子節(jié)點(diǎn)集合可表示為Vs(vi)={vi,j,j=0,1,2,…,k}，其中，k表示子節(jié)點(diǎn)數(shù)量(k=0表示無子節(jié)點(diǎn)，即vi，0=?)。

不失一般性，以vc表示(任意)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，則DFS(vc)遞歸過程如下。

a)令R=V(vc)，判定是否構(gòu)成合法的進(jìn)路，若是，則將R存入Rt，并轉(zhuǎn)d)，否則轉(zhuǎn)b);

b)搜索得vc子節(jié)點(diǎn)集合Vs(vc)，若Vs(vc)=?，則轉(zhuǎn)d)，否則轉(zhuǎn)c);

c)對Vs(vc)中每個有效節(jié)點(diǎn)vc,j，分別遞歸調(diào)用DFS(vcj);

d)令R=V(vc-1)，返回上層遞歸狀態(tài)，若無上層遞歸，則結(jié)束；

由上述DFS算法過程可知，要實(shí)現(xiàn)進(jìn)路搜索，需要設(shè)計(jì)合法進(jìn)路的判定函數(shù)F(R)，例如，對于式(3)中節(jié)點(diǎn)列表R=V(vi)，若始端v1為出站信號機(jī)，終端vi為進(jìn)站信號機(jī)，且二者方向相反，則可判定為合法的列車發(fā)車進(jìn)路。

聯(lián)鎖系統(tǒng)中，進(jìn)路需有明確的始端和終端，因此，進(jìn)路搜索首先需提取進(jìn)路始端設(shè)備，然后根據(jù)始端設(shè)備屬性，搜索所有可能的進(jìn)路。對每一個進(jìn)路始端節(jié)點(diǎn)，采用DFS算法，搜索以該節(jié)點(diǎn)為始端的所有合法進(jìn)路，并將每條搜索出的進(jìn)路存放于進(jìn)路空間，最終得到全站所有的進(jìn)路集合。

Rt=[R1，R2，…，Rn]T

(4)

(5)

對于某進(jìn)路R，根據(jù)式(5)所示的節(jié)點(diǎn)集合，可相應(yīng)提取道岔、軌道區(qū)段等信息。以W(R)表示進(jìn)路R內(nèi)道岔及防護(hù)道岔(含道岔狀態(tài))的集合，以T(R)表示進(jìn)路R內(nèi)的軌道區(qū)段集合。

3.2 基本進(jìn)路量化選擇策略

在工程實(shí)際應(yīng)用過程中，工程人員提出了不少基于經(jīng)驗(yàn)的確定基本進(jìn)路與變更進(jìn)路的規(guī)則與見解[9-10]，但通常依賴于聯(lián)鎖表編制人員對于平面圖的直觀觀察與理解，其基本進(jìn)路與變更進(jìn)路的比選沒有量化指標(biāo)，不便于計(jì)算機(jī)處理。

從進(jìn)路之間相互關(guān)系出發(fā)，提出一種量化的進(jìn)路比較算法，為每條進(jìn)路賦予相應(yīng)權(quán)值，從而根據(jù)權(quán)值大小確定基本進(jìn)路與變更進(jìn)路。

根據(jù)兩條進(jìn)路所經(jīng)過道岔的狀態(tài)與軌道區(qū)段的相互關(guān)系，將兩條進(jìn)路Ra與Rb之間關(guān)系定義為以下三類。

(1)相互獨(dú)立。若W(Ra)與W(Rb)無相同道岔(同一道岔的定位與反位狀態(tài)視為相同道岔)，且T(Ra)與T(Rb)無相同軌道區(qū)段，則Ra與Rb相互獨(dú)立。

(2)相互排斥。若W(Ra)與W(Rb)分別包含至少1組相同道岔的兩種狀態(tài)(定位/反位)，則Ra與Rb相互排斥。

(3)相互重疊。若W(Ra)與W(Rb)不包含同一道岔的不同狀態(tài)(定位/反位)，且T(Rb)包含至少1個相同軌道區(qū)段，則Ra與Rb相互重疊。

在不作特殊限制的情況下，相互獨(dú)立的進(jìn)路能夠同時開放，列車經(jīng)獨(dú)立進(jìn)路相互之間不沖突；相互排斥的進(jìn)路因道岔狀態(tài)沖突，是不可能同時開放的；相互重疊的進(jìn)路能夠同時開放，但列車經(jīng)相互重疊的進(jìn)路可能發(fā)生沖撞。

對于進(jìn)路空間Rt中的任意進(jìn)路R，與之相互獨(dú)立的的進(jìn)路數(shù)量Nd(R)越大，則說明受其影響的進(jìn)路越少，因此，采用Nd(R)作為衡量進(jìn)路影響的權(quán)值。

對于始端vs與終端ve均相同的m條進(jìn)路構(gòu)成的進(jìn)路空間如式(6)所示

R(vs，ve)=[R1，R2，…，Rm]T

(6)

對式(6)所示進(jìn)路空間按進(jìn)路權(quán)值由大到小進(jìn)行排序，得到

Rs(vs，ve)=[Rs，1，Rs，2，…，Rs，m]T

(7)

則標(biāo)記Rs,1為基本進(jìn)路，其余為變更進(jìn)路。

如圖2所示為京張高鐵某車站右咽喉的信號設(shè)備平面布置示意，以SN至IG接車進(jìn)路為例，存在兩條進(jìn)路R1、R2，其順次經(jīng)過的道岔狀態(tài)分別如式(8)、式(9)所示

W(R1)={2，8，16，20}

(8)

(9)

依據(jù)上述量化策略，計(jì)算兩條進(jìn)路的權(quán)值分別為Nd(R1)=25，Nd(R2)=13，判定R1為基本進(jìn)路，R2為變更進(jìn)路。

由圖2可知，當(dāng)R2進(jìn)路排出時，由S、SC接車至IIG、4G、6G及由IIG、4G、6G向S、SC口發(fā)車的共12條進(jìn)路無法排出，而當(dāng)R1進(jìn)路排出時，上述12條進(jìn)路不受影響，上述12條進(jìn)路即Nd(R1)與Nd(R2)的差值所在。另一方面，R1為直向進(jìn)路，R2為八字進(jìn)路，以上量化策略判定R1為基本進(jìn)路，也與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相符。

圖2 某站右咽喉信號設(shè)備平面布置示意

3.3 不合理進(jìn)路判定策略

對始端vs與終端ve相同的兩條進(jìn)路Ra與Rb，不失一般性地，假設(shè)Ra為基本進(jìn)路，Rb為變更進(jìn)路。若T(Rb)?T(Ra)，即基本進(jìn)路內(nèi)的軌道區(qū)段均包含于變更進(jìn)路內(nèi)的軌道區(qū)段，則標(biāo)記Rb進(jìn)路不合理。一般來說，對于上述情形，如果變更進(jìn)路Rb能辦理成功，則基本進(jìn)路Ra亦能辦理成功，就沒必要辦理影響范圍大的變更進(jìn)路。當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用時可僅對判定的不合理進(jìn)路進(jìn)行存疑標(biāo)記，由設(shè)計(jì)人員參考相關(guān)部門意見后確定是否刪除以上不合理進(jìn)路。

對于式(7)所示的進(jìn)路集合，對于m>2(即具有兩條及以上的變更進(jìn)路)的情況，需要依次對所有變更進(jìn)路進(jìn)行標(biāo)記。即對于式(7)中已排序完畢的變更進(jìn)路Rs,i(i>1)，對任意j

T(Rs，i)?T(Rs，j)

(10)

4 敵對信號搜索及敵對條件計(jì)算

4.1 敵對進(jìn)路搜索

若兩條(或兩條以上的)進(jìn)路能同時辦理(即進(jìn)路不相互排斥)，但同時辦理以后有可能造成沖突的進(jìn)路稱為敵對進(jìn)路[11-12]。根據(jù)文獻(xiàn)[2]對敵對進(jìn)路的劃分，將敵對進(jìn)路歸納為以下兩種類型。

(1)重疊型敵對進(jìn)路。根據(jù)本文對相互重疊進(jìn)路的定義可知，與進(jìn)路R相互重疊的進(jìn)路可判定為進(jìn)路R的敵對進(jìn)路。

(2)侵限型敵對進(jìn)路。防護(hù)進(jìn)路的信號機(jī)設(shè)置在侵限軌道絕緣節(jié)處，不準(zhǔn)許同時開通的進(jìn)路。關(guān)于該進(jìn)路，以圖3為例，對于D8至ⅡG的調(diào)車進(jìn)路R(D8,XⅡ)，由于D14處絕緣節(jié)侵限，為避免側(cè)面侵限沖突，禁止辦理以D14為終端的調(diào)車進(jìn)路，該類進(jìn)路為敵對進(jìn)路。

圖3 某站信號平面布置圖局部示意

對于式(4)所示的進(jìn)路空間Rt中的進(jìn)路R，若存在某進(jìn)路Rj≠R，使得Rj與相互重疊，則判定Rj為R敵對進(jìn)路，并將添加至R的敵對進(jìn)路空間Rc(R)中；否則繼續(xù)判定是否為R的侵限型敵對信號，判定流程如下：

a)從T(R)提取絕緣節(jié)處為侵限的信號機(jī)集合S；

b)若S為空，則返回，否則轉(zhuǎn)c)；

c)對S中的每一個信號機(jī)vs，從進(jìn)路空間中搜索以vs為終端，且與相互獨(dú)立的進(jìn)路子空間Rs，若Rs≠?，則Rs中各進(jìn)路均為的敵對進(jìn)路，將Rs添加至R的敵對進(jìn)路空間Rc(R)中。

至此，即完成了R的敵對進(jìn)路搜索，得到其敵對進(jìn)路空間表示如式(11)

Rc(R)=[R1，R2，…，Rk]

(11)

4.2 敵對信號搜索

對于進(jìn)路Ra，其敵對進(jìn)路的始端信號即為其敵對信號，其敵對類型與敵對進(jìn)路類型一致。例如，若Rb為Ra的列車敵對進(jìn)路，則Rb始端信號為Ra的敵對列車信號。

對式(11)所示的R的敵對進(jìn)路空間，按照進(jìn)路類型，提取其始端信號，構(gòu)成無重復(fù)的始端信號集合如式(12)

(12)

c)初始化道岔集合Win=?和Wout=?，分別表示進(jìn)路內(nèi)和進(jìn)路外道岔?xiàng)l件；

d)對于每條進(jìn)路Rx∈Rt(sj)且Rx∈Rc(R)，取其道岔集合W(Rx)中第一個包含于W(R)中的道岔狀態(tài)wx,in，若wx,in?Win，則將wx,in添加至Win；

e)對于每條進(jìn)路Rx∈Rt(sj)且Rx∈Rc(R)，取W(Rx)中最后一個不包含在W(R)中的道岔狀態(tài)wx,out，若wx,out?Wout，則將wx,out添加至Wout；

最終，若Win不為空，則Win中的道岔狀態(tài)即為進(jìn)路內(nèi)敵對條件；Wout不應(yīng)為空(否則應(yīng)為無條件敵對)，Wout中的道岔即為進(jìn)路外敵對條件，二者選其一作為敵對條件即可。

圖4 某車站過渡階段平面布置局部示意

5 其他算法與量化策略

本文主要討論關(guān)鍵道岔提取算法和變更按鈕選擇算法。前者具有確定性，不受編制人員主觀影響，但其判定邏輯和算法實(shí)現(xiàn)并不直觀，值得討論；后者往往具有較大的主觀性，在計(jì)算機(jī)處理時，需確定其量化比較策略。

5.1 關(guān)鍵道岔搜索算法

文獻(xiàn)[13]規(guī)定，當(dāng)有兩種以上運(yùn)行方式時，為區(qū)別開通的進(jìn)路，需填寫關(guān)鍵對向道岔的位置(定位/反位)。將從算法層面探討關(guān)鍵道岔的搜索方法。

對于任意兩條始端vs與終端ve相同的進(jìn)路，二者由始端開始，必然分別經(jīng)由某個道岔wf的不同位置產(chǎn)生分支，方能形成不同進(jìn)路；之后必然再分別經(jīng)由某個道岔wh的不同位置重新匯聚，方能到達(dá)同一終端。這里，產(chǎn)生分支的道岔wf，以下稱為二分道岔，其定位與反位即為兩條進(jìn)路的關(guān)鍵道岔位置。例如，假設(shè)基本進(jìn)路R0(vs，ve)和變更進(jìn)路的道岔狀態(tài)集分別如式(13)和式(14)所示

W0={wf，w0，1，w0，2，…，wh，…，w0，k}

(13)

(14)

則顯見，兩條進(jìn)路分別經(jīng)由道岔wf的定位和反位產(chǎn)生分支，經(jīng)由道岔wh的定位和反位最終匯聚。因此，道岔wf的定位與反位即為兩條進(jìn)路的關(guān)鍵道岔位置。

5.2 變更按鈕選擇的量化策略

在排列變更進(jìn)路時，為區(qū)分于基本進(jìn)路及其他變更進(jìn)路，需在始端按鈕、終端按鈕之間設(shè)置變更按鈕[14]。對于進(jìn)路R，以Sg(R)表示進(jìn)路內(nèi)始端按鈕和終端按鈕之間的可用作變更按鈕的調(diào)車信號集。

若變更進(jìn)路Rb對應(yīng)的Sg(Rb)中有可用作變更按鈕的調(diào)車信號，則可選擇合適的調(diào)車信號按鈕作為變更按鈕；否則，需在進(jìn)路中合適的區(qū)段單獨(dú)設(shè)置變更按鈕。本文對以下問題的量化解決方案進(jìn)行討論。

(1)進(jìn)路中有多個調(diào)車信號可設(shè)為變更按鈕時，如何選擇。

(2)需單獨(dú)設(shè)置變更按鈕時，設(shè)置于進(jìn)路中哪個區(qū)段。

變更按鈕的作用在于與始端按鈕、終端按鈕按照順序唯一確定一條進(jìn)路，因此，在保證始端按鈕、變更按鈕、終端按鈕的排列不重復(fù)的前提下，變更按鈕是可復(fù)用的。以變更按鈕最大化復(fù)用(即變更按鈕或用于變更按鈕的調(diào)車按鈕數(shù)量最小化)為目標(biāo)，設(shè)計(jì)變更按鈕的最優(yōu)化選擇策略如下。

首先，為搜索空間Rd的軌道區(qū)段及調(diào)車，信號節(jié)點(diǎn)vx按以下方式賦予權(quán)值。

令初始權(quán)值We(vx)=0，對進(jìn)路空間Rt中的每條變更進(jìn)路R，若vx為調(diào)車信號，且vx∈Sg(R)，則令權(quán)值We(vx)加1；若vx為軌道區(qū)段，且vx∈T(R)，則令權(quán)值We(vx)加1。

然后，對于以上(1)、(2)所述問題，選擇權(quán)值較大的一項(xiàng)即可。

6 結(jié)論與展望

以京張高鐵全線11個車站(不含中繼站、線路所及既有改造站)為例，對上述算法與策略進(jìn)行驗(yàn)證。通過對本文算法生成的各站聯(lián)鎖表采用兩級人工復(fù)查的方式進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1 本文算法及量化策略指標(biāo)算法指標(biāo)檢算

其中，進(jìn)路遺漏率為未搜索出的合法進(jìn)路數(shù)量與總進(jìn)路數(shù)量之比；敵對遺漏率為敵對信號有遺漏的進(jìn)路數(shù)量與總進(jìn)路數(shù)量之比；敵對錯誤率為包含錯誤敵對信號(含敵對條件錯誤)的進(jìn)路數(shù)量與總進(jìn)路數(shù)量之比。

由表1可見，本文提出的算法、策略能夠完整地搜索全站進(jìn)路以及敵對信號，準(zhǔn)確率較高。

以上測試均由設(shè)計(jì)人員根據(jù)信號設(shè)備平面布置示意圖編制結(jié)構(gòu)化的接口數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)效率可通過完善信號平面布置圖的信息化輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)一步提高。