劉明端，尚麟宇，馮 康

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081；2.中鐵第四勘察設計院集團

有限公司 通信信號研究設計院，湖北 武漢 430063)

0 引言

我國分布著23條地震斷裂帶，隨著我國高速鐵路路網(wǎng)的不斷擴大，高速鐵路線路不可避免地臨近或跨越地震斷裂帶，地震對高速鐵路行車安全的威脅日趨嚴重[1]。為此，2012年原鐵道部聯(lián)合中國地震局共同開展了地震預警攻關(guān)，突破了P波預警技術(shù)，研發(fā)了成套高速鐵路地震預警系統(tǒng)，大大提升了防震減災能力和安全運營水平。高速鐵路地震預警系統(tǒng)實現(xiàn)了地震影響范圍內(nèi)的分級控車[2]，其中Ⅰ級處置區(qū)域內(nèi)的列車限速運行，Ⅱ級和Ⅲ級處置區(qū)域內(nèi)的列車緊急制動，而對于地震影響范圍外的列車目前只能依據(jù)《高速鐵路基礎設施地震震后應急處置暫行規(guī)定》(TG/GW2327-2019)，由調(diào)度員人工確定地震影響區(qū)段及行車限制條件組織行車。但是，調(diào)度員人工處置方式準確性和時效性較低，變相增加了受地震影響的范圍，導致原本可正常運營的列車停運[3]；而對于還未進入地震影響范圍的列車，該處置方式會錯失疏散乘客的機會，增加恢復行車組織的難度[3]。為此，結(jié)合高速鐵路地震預警系統(tǒng)的技術(shù)特點和高速鐵路運營的實際需求，宏觀考慮地震發(fā)生后整條線路和相鄰線路列車的運行，提出一種較為全面和高效的地震預警處置策略，并通過編程對策略進行仿真驗證。

1 高速鐵路地震預警處置策略構(gòu)建

高速鐵路地震預警系統(tǒng)具備P波預警和閾值報警功能，通過車載地震緊急處置裝置對列車限速或緊急制動，并可聯(lián)動觸發(fā)列控系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)，實現(xiàn)了對地震影響范圍內(nèi)列車快速、準確的處置。為了完善對地震災害的應急響應，進一步降低地震對高速鐵路的影響，需要在高速鐵路地震預警系統(tǒng)的處置模式之上增加對地震影響范圍外列車的處置，構(gòu)建更為全面的一體化處置策略。

1.1 高速鐵路震后列車運行規(guī)則

鐵路運輸?shù)谋举|(zhì)是列車通過對線路和車站資源的協(xié)調(diào)占用，在規(guī)定時間內(nèi)完成貨物或旅客位移的過程[4]，地震影響范圍內(nèi)的列車降速或停車必然影響地震影響范圍外的列車運行。為此，提出以下基于列車運行圖的震后列車運行規(guī)則[5]，作為構(gòu)建高速鐵路地震預警處置策略的基本約束條件。

規(guī)則1：受影響線路上駛離地震影響范圍的列車按計劃運行。規(guī)則1示意圖如圖1所示，圖1中上行列車t2和下行列車t1在震后可按計劃運行。

圖1 規(guī)則1示意圖Fig.1 Rule 1

規(guī)則2：受影響線路上駛向地震影響范圍的列車就近?？寇囌尽Ｒ?guī)則2示意圖如圖2所示，圖2中上行列車t2停靠在車站Sd+1，下行列車t1停靠在車站Sd。

圖2 規(guī)則2示意圖Fig.2 Rule 2

規(guī)則3：還未進入受影響線路的跨線運行車次，計劃不會進入地震影響范圍的列車可按計劃運行。規(guī)則3示意圖如圖3所示，圖3中上行列車t2和下行列車t1可按計劃運行。

圖3 規(guī)則3示意圖Fig.3 Rule 3

規(guī)則4：還未進入受影響線路的跨線運行車次，計劃會進入地震影響范圍的列車，可運行至未受影響線路上的最后一個計劃車站停靠。規(guī)則4示意圖如圖4所示，圖4中上行列車t2可?？吭谖词苡绊懢€路的車站Si，下行列車t1可?？吭谖词苡绊懢€路的車站Sj。

規(guī)則5：車站到發(fā)線數(shù)量不能滿足上述規(guī)則的列車?？繒r，可使長期?？康能嚧巫兏？寇囌?，或使正常運行的車次甩站通過。當車站有動車段/所的時候認為該車站可?？康能嚧尾皇艿桨l(fā)線數(shù)量限制。

1.2 高速鐵路地震預警處置策略構(gòu)建

將震后列車運行規(guī)則中的列車運行圖數(shù)據(jù)、地震影響范圍、車站到發(fā)線數(shù)量等基礎數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)學模型，根據(jù)地震和鐵路運營的特點將運行規(guī)則整合成具備先后順序的邏輯關(guān)系并進行數(shù)學表達，最終形成可輸出的列車?？刻幹貌呗訹6]。地震預警處置流程圖如圖5所示。

圖5 地震預警處置流程圖Fig.5 Flow chart of disposal of earthquake early warning

高速鐵路地震預警處置策略構(gòu)建步驟如下。

（1）創(chuàng)建車次集合和對應的到達車站集合。以集合D= {dt1，dt2，…，dtn}表示列車運行圖，dti為某次列車的時刻表。當?shù)卣鸢l(fā)生后會產(chǎn)生發(fā)震時刻和地震動數(shù)據(jù)，將發(fā)震時刻代入列車運行圖D可以得到地震發(fā)生時所有在線路運行的車次集合T= {t1，t2，…，tn}，以及每一個車次ti在地震發(fā)生后的計劃到達車站集合Sti= {Sti1，Sti2，…，Sti n}。

（2）創(chuàng)建各條線路的地震影響范圍集合。根據(jù)地震動數(shù)據(jù)，高速鐵路地震預警系統(tǒng)會產(chǎn)生用公里標表示的地震影響范圍，該范圍可能涉及多條線路，以集合L= {(Kstart，Kend)l1，(Kstart，Kend)l2，…，(Kstart，Kend)ln}表示。

（3）策略1：按原計劃運行。依次判斷集合Sti與地震影響范圍L是否存在交集，若Sti∩L=φ，則表明該車次不經(jīng)過地震影響區(qū)域，可以按原運行圖運行。

（4）策略2：運行至受影響線路之前的最后一站。若Sti∩L≠φ，則表明該車次將經(jīng)過地震影響區(qū)域，需繼續(xù)判斷該車次在地震發(fā)生時是否在受影響的線路上運行。若地震發(fā)生時列車所在的公里標Kt?L，則該車次ti可運行至受影響線路之前的最后一站Slast。

（5）策略3：就近車站停靠。若Kt∈L，則需繼續(xù)判斷該車次ti的就近車站Sn能否容納列車?？俊．擲n的到發(fā)線數(shù)量CSn≥1，ti可在Sn?？俊?/p>

（6）策略4：至具備條件的車站?？俊．擲n的到發(fā)線數(shù)量CSn< 1，則需循環(huán)判斷下一站(Sn+1，Sn+2，…，Sn+i)是否進入地震影響范圍，以及對應車站的到發(fā)線數(shù)量CSn+i是否大于1。當ti在進入地震影響范圍前存在可?？康能囌?，則其最終處置命令為?？吭赟n+i車站。

（7）策略5：反向運行至具備條件的車站?？?。若直至進入地震范圍前都沒有車站可容納該車次?？?，則令該車次在車站反方向運行，直至CSn-i≥1，則其最終處置命令為?？吭赟n-i車站。

整合上述表達式和邏輯關(guān)系為不等式約束集(1)，其中集合D，T，S，L為公式的輸入，oi為不同情況下輸出的處置策略。

2 實例驗證

為驗證高速鐵路地震預警處置策略的效果，通過編程建立仿真模型，并選取京滬高速鐵路(北京南—上海虹橋) 2019年運行圖數(shù)據(jù)進行實例仿真驗證。

2.1 仿真模型構(gòu)建

通過JAVA編程構(gòu)建高速鐵路地震預警處置策略仿真模型如圖6所示[7]，實現(xiàn)的主要步驟如下。

（1）將高速鐵路地震預警系統(tǒng)處置算法移植至仿真程序，實現(xiàn)輸入地震的震源經(jīng)緯度、震級計算地震影響范圍。

（2）通過jxl類庫實現(xiàn)基礎數(shù)據(jù)的讀取，將文件中的列車運行圖、車站到發(fā)線和線路信息，轉(zhuǎn)化為模型可識別的數(shù)組。

（3）根據(jù)地震預警處置流程編寫處置策略模型的邏輯處理算法。

（4）將地震影響范圍、基礎數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)源輸入到處置策略算法，對仿真的輸入進行邏輯運算和動態(tài)仿真，并輸出最終的處置策略。

圖6 高速鐵路地震預警處置策略仿真模型Fig.6 Simulation model for the disposal strategy of earthquake early warning for high speed railways

2.2 數(shù)據(jù)驗證

（1）創(chuàng)建車次集合和對應的到達車站集合。本次數(shù)據(jù)共包括下行249個車次、上行240個車次(含跨線車次)，對上下行車次的運營時間進行統(tǒng)計，可以得到京滬高速鐵路不同時刻列車數(shù)量如圖7所示。為充分驗證模型的效果，選取線路上列車最多的13 : 00作為仿真的地震發(fā)生時刻。此時京滬高速鐵路上有上行列車51列、下行列車56列，共107個車次，以及156個將要進入京滬高速鐵路運行的跨線車次，此即為車次集合T。循環(huán)對每個車次的計劃到站進行選取，可以得到車站集合Sti。

（2）創(chuàng)建各條線路的地震影響范圍集合。由運行圖數(shù)據(jù)可知，地震發(fā)生時，下行的56個車次中有12個車次在站內(nèi)?？?，其余車次在線路區(qū)間分布，地震發(fā)生時刻下行列車分布如圖8所示；上行的51個車次中有10個車次在站內(nèi)停靠，其余車次在線路區(qū)間分布，地震發(fā)生時刻上行列車分布如圖9所示。京滬高速鐵路車站存車能力如表1所示。

由上述圖表可知，地震發(fā)生時列車在北京南—泰安段相對更為密集，綜合對存車能力的考慮，當?shù)卣鹩绊懛秶鸀榫咚勹F路的K280至K340 (滄州西—濟南西之間)，可以對處置策略進行最為有效的驗證[8]，此即為地震的影響范圍集合L。

圖7 京滬高速鐵路不同時刻列車數(shù)量Fig.7 Train number on the Beijing-Shanghai high speed railway at different moments

圖8 地震發(fā)生時刻下行列車分布Fig.8 Down-train distribution at the onset of an earthquake

圖9 地震發(fā)生時刻上行列車分布Fig.9 Up-train distribution at the onset of an earthquake

（3）策略1：按原計劃運行。循環(huán)判斷所有線上運行車次的計劃到站Sti是否有在K280至K340之間的車站，可以得到151個車次在地震發(fā)生后將不會經(jīng)過地震影響范圍，其中有47個車次正在京滬高速鐵路上運行，104個車次尚未進入京滬高速鐵路，該批車次將按照原運營計劃運行。

（4）策略2：運行至受影響線路之前的最后一站。對地震發(fā)生時尚未進入京滬高速鐵路的156個跨線車次的計劃到站Sti與地震影響范圍L進行比對，可以得到計劃進入受地震影響范圍，可運行至進入京滬高速鐵路前最后一個計劃車站的52個車次。

（5）策略3：就近車站?？?。對于正在京滬高速鐵路上運行的計劃經(jīng)過地震影響范圍的27個車次，按照列車與地震影響范圍之間由近及遠的順序，依次對車站的容納能力進行判斷，可以得到就近?？寇囌镜?4個車次。

表1 京滬高速鐵路車站存車能力 條Tab.1 Storage capacity of stations on the Beijing-Shanghai high speed railway

（6）策略4：至具備條件的車站?？?。接上一步，對于無法就近?？康?個車次，判斷其后續(xù)?？寇囌镜娜菁{能力，可知3個車次均可以向后運行一站進行停靠。

綜上所述，假設13 : 00發(fā)生地震，地震影響范圍在京滬高速鐵路滄州西—濟南西之間，此時全路網(wǎng)運行的車次中有263個車次的運營計劃與本次地震有關(guān)。其中，地震影響范圍內(nèi)的11個車次受高速鐵路地震預警系統(tǒng)控制，有22個車次在地震發(fā)生時正在站內(nèi)?？?，其余的230個車次若采取本文的處置策略，駛離地震影響范圍可保持計劃運行的車次151個，計劃進入受地震影響范圍可運行至進入京滬高速鐵路前最后一個計劃車站的車次52個，可就近停靠車站的車次24個，需跨越一個車站停至下一車站的車次3個。

3 結(jié)束語

研究針對地震影響范圍外列車精準處置、優(yōu)化運行的需求，提出一種補充高速鐵路地震預警系統(tǒng)處置方式的處置策略，并通過編程對處置策略進行建模仿真。通過京滬高速鐵路實例驗證表明，該處置策略可以根據(jù)車站容納能力確定地震影響范圍外列車的震后行車方案，兼顧地震災害發(fā)生后列車的安全和運行效率，減少地震對影響范圍外列車的運行，具有一定的應用價值。下一步將對該處置策略的響應時間、傳輸時延、模型有效性等進行深入分析，為其嵌入高速鐵路地震預警系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。