铁通公司 陈琦(编译)
欧洲铁路受到车站频繁延时之困。在调度业务上传统估计时间的方法是忽略小于三分钟的延时。运行列车受到来自延时列车占用通路而在车站或交互处受到的干扰,这可以通过使用高速处理器自动判断所需要的速度和运行时间,直到出现保护车辆冲撞的信号。列车确切的位置、速度和到达会冲撞点的距离由车载处理器连续做记录,并借助GSM-R通知给同一区域其它的列车。交通控制鉴别的判决支持系统自动发送运行列车间冲突分析,估计剩余的运行时间并指示列车适应的运行速度,避免同线和交叉撞车。车载处理器自动为每个列车指示加速度、刹车以及速度。列车的自动领航使在保证最小列车时延,最大利用线路容量成为可能。
下面本文将从以下几个方面讨论如下话题:列车晚点如何用科学的一致的方式测量?列车驾驶上晚点的统计分布和参数特征是什么?不同列车路线的冲突如何避免?列车自动领航对准点有和影响?另外本文还描述列车晚点测量的原理模型,之后给出了荷兰Eindhoven火车站晚点统计分析,介绍在铁路交互点的列车自动领航的概念,最后评估自动领航对准时的影响。
一、列车晚点的测量
列车准点一般是用列车在铁路网络某位置,以分钟为单位,比规定时间晚而通过、到达、离开的百分数衡量的。在欧洲铁路公司,由于测量模式所限制的精确度,时间表的容忍性和实际操作控制的不充分方式,对晚点小于5分钟通常不认为是晚点。因为没有晚点的标准定义,并且晚点的测量方式还在变化,列车的准点率也就差别较大。
当列车不同于运行表的时间只能以报时来判定,报时的精度决定了准时估计的精确性。计算机处理的时间设计能以小于1分钟的精度判决到达和离开,比如5秒和10秒。日本铁路和欧洲的一些公司内部使用了更为精确的报时。但是目前,大多数铁路公司发布的准点级别不包括晚点较小的列车,这样准点情况也就好于实际值。
列车根据轮轴计数器、车辙电路和感应圈数来自动检测速度。通常信号block或通过列车的track section的起始为了安全考虑要记录一段时间。但是设备的位置会由于车辙样式和信令系统的设计有所变化。在多数情况下,在站前离车站有几百米甚至多于一公里位置测量是比较合适的。而站后第一个位置是离站信号机。如果列车长度每天或每周变化,而且乘客到站台位置不固定,致使列车在车站站台的停车位也会变化。因此为了估计停车前剩余的减速时间,需要判断最后一个车站设备和不同车站站台停车位间的距离。荷兰铁路操作的精确数据通过TNV系统构成的互琐和信令系统得到实现。TNV系统在日志文件中连续实时地记录某个控制区域所有有关信号的确切状态以及监视信息,包括轨道、信号、路线等。每个TNV一天的日志文件大约有ASCII格式的25M大小。
最近开发的TNV-prepare工具可以将TNV日志为每辆列车和合适的线路转换成表格形式。TNV-prepare将路轨设施和信号实现成一套紧密结合的对象,TNV-prepare为相关的对象过滤文件,用这些数据自动跟踪列车,为列车通过的线路恢复信号和互琐事件,并检查处理结果的一致性。TNV-prepare运行在MS Windows95 和NT平台上,荷兰铁路已经取得了多个时间和交通控制区域的TNV-logfile。可以通过TNV-prepare将它们离线的单个列车和线路转换成独立的文件。它给出了在列车路线上的可靠和见解的连续事件的报表,包括连续地域入口和清除点,行驶和停车信号以及切换点。
事件时间的精确和可靠性通过检查同步事件是否同时出现来测试,例如线路段的占用开始和相连的TNV-step以及上一个信号的关闭是同步的。计算时间以及从信令系统发送消息的时间可以忽略。另一个逻辑测试是关于顺序事件序列,如列车在一个方向路线上连续线路段占用,通过这些测试删除不一致的数据。
每辆列车确切的长度和在进站前最后一个block signal处速度可以根据进出时间不同和时间表上列车特征得出。在这期间产生的估计错误可以通过最小方差以及同期望设计速度进行比较的方法滤除。在站台线路段内的列车检测要持续到列车离站信号清除之前。停车和加速启动离站的精确时刻通常都会自动记录,除非列车自己有车载处理系统,并且可以传送给线路边的控制系统。列车离开信号机的加速时间和靠近信号机的减速时间可以根据每种类型列车的标准加减速率进行估算。在站台线路每个列车的到站和离站时间可以精确到一秒,这样就足够进行列车晚点的经验分析了。
二、 晚点统计分布
荷兰列车站Eindhoven把1997年9月某周的列车检测数据用于了TNV-Prepare测试,并对列车晚点进行了分析。统计分析工作通过软件S-Plus完成。对于该车站的每条线都分析了多个事件和处理时间,包括到站延迟、离站延迟、驻留时间以及入站和出站区段占用时间。总共记录了1846辆列车,包括30%的IC列车、30%的IR列车和40%的本地列车(AR),其中的分析不包括货车。
对于每个列车线路,根据时间段(早晨、白天、傍晚、夜间)区分的每个事件和处理时间的均值和偏差都确定下来,类似地分析按天分开的均值和标准偏差(周日、周五、周六和其余时间)。并且事件和处理时间合理的理论分布也可以估测并得到印证。同时也对各种列车不同的数据按照列车类型(本地、区间、特快列车)和来源地做了两两比较。大体上一条线路上大约40%到80%的列车到站时间有早到或晚到的现象。一旦使用了晚点的普通定义(>3分钟),则本地列车正点的百分率就会从94%变成100%,其它列车则会从66%上升到96%。
可以证明,在一周内到站的列车晚点当中,有两个IC线和所有的IR线是正态分布。而其余三个IC线路和本地线路(AR)不是正态分布。由Schwanhausser最先引入的列车晚点的负指数分布对于Eindhoven的列车到达却不能确定遵从,这里早到和迟到1分钟都考虑了进去。在Eindhoven东和南50公里到100公里范围有许多车流,如果对早到和准时的列车都不做进一步分析,则迟到的列车在大多数情况下符合以上指数分布。因此,Schwanhausser的发现从迟到的列车得到了验证。
除IR3500Eindhoven-Utrecht外,所有列车的出站平均延迟估计在51到154秒之间。总体上,每个线路的平均延迟在停车阶段增大了。列车低于3分钟离站延迟的百分率在69%到98%。
三、列车在交会处的自动领航
通常,列车运行到交会处或车站时,没有任何其它正在占用或将要使用同一路线的列车的有关确切位置、速度和刹车以及加速度的信息。一旦其中一个或两个同时要到达一点或交会处的列车出现不同的超过了可缓冲时间的延迟,就会有一个会遇到黄灯甚至是指示停车的红灯。
实际上客车刹车停在开放轨道上,由于刹车和加速过程的时间根据具体速度可能会产生2到5分钟的延迟,如果第一辆进入了线路的列车以低于设计速度运行,则对线路的占用时间就会变大。在高密度频繁的车站区域,如果时钟有足够的缓冲时间,列车延迟就会蔓延。
其中,自动交通控制的列车自动领航和判决支持系统按照以下步骤工作:
(1)某列车在最后一个上行车站确切到达时间注册;(2)每个列车在最后一个上行车站离站延迟的判决;(3)计算列车在随后冲突点保护区段信号前,余留的运行时间;(4)在历史数据、相应型号和线路延迟分布基础上,预报每个列车在冲突点信号机的到达时间;(5)估计在区段信号机指挥下运行列车的区段时间的保护重叠时间,并计算列车间最小间隔;(6)判决顺序并保护包括在列车间缓冲时间的安全间隔;(7)计算列车在达到区段信号机前以及延续到冲突点整个过程的运行速度,这里要考虑列车自身的实际位置;(8)借助GSM-R验证列车实际位置和预报位置是否匹配,如有必要则重新进行计算;(9)向列车发送确切速度限制和刹车曲线;(10)监视列车在区段信号处的实际间隔和预报值。
列车自动领航并不意味着不需要司机操作。因为司机可以通过准备确认离站信号负责旅客旅行和下车的安全。这对应了自动列车驾驶ATO的第一级模式。ATO已经在多个现代化城市和高速铁路应用了。
标准的自动列车保护(ATP)系统包括路线设置和为每个列车的运行授权,而自动领航则限制在对速度、加速度、刹车的监视。站台线路的自动保护和行驶、停车的监视CCTV实现。
在实验室测试中,已经成功证明了速度于两倍列车单位的距离的自动控制可行。判决支持系统的原理描述和理由同Fuzzy Petri Nets相似。可用于领航、连续位置检测以及列车与控制中心通信用的GSM-R的智能车载处理器的安装,在实践上允许测试列车无缝驾驶。
四、对准点的影响
列车每天存在的小延迟,如果有足够的车站线路容量和定好的列车运行表上有足够的缓冲时间,就可以减少近乎为零。尽管40%到80%的列车有超过一分钟的延迟,如果自动领航技术失败时造成的延迟能保持在一个很小的常数以下,则可以改善到10%到20%。
通过创新的时间设计,自动领航系统能使列车在预定线路知道预定的准点级别。列车运行在车站的行驶和驻留的预定计划时间应该遵从适应的经验测量分布。区段线路的时间相关分布和剩余缓冲时间可以根据无逢占用确定。更深地认识网络时间表,具体分析造成列车延迟的原因,可以更充分地利用铁路设施。未来通过自动领航系统,列车间变化无常的间隙,大量的列车延迟都可能避免。
列车高准点要求是旅客对服务高要求所致,还有来自其它运输模式竞争的结果。铁路晚点的经验分析目前主要限制在大于3分钟的情况。但是,现代铁路检测系统和计算机可以在未来得到更精确的数据和分析。因此,列车晚点应按照秒来测量和分析。这样就可以对晚点原因更有效研究,以便提高准点率。
荷兰铁路车站Eindhoven的到达时间的统计分析表明,大约20%到70%的不同线路的火车会有超过1分钟的晚点。IC和IR列车在3分钟下的百分率大多数情况下比官方追求的90%要低。这些事实说明大多数晚点少的列车会对服务质量造成重大影响。为了提高荷兰铁路的准点率,做更详细的调查分析是很有价值的。大多数晚点时间是符合正态和负指数分布的,这样可以进一步改进时刻表的设计和更可靠的预测。
通过安装车载计算机,连续监视确切实验,并通过GSM-R将列车实际位置传给区域控制中心,可以显著改进准点性。对于自动领航,判决支持系统的发展和引入可以增强列车驾驶的性能。它可以估计预期的晚点,并为准点到达某位置决定合适的运行速度、加速度、减速等参数。这样就可以减少列车晚点的可能性,并减少为准点而采取操作的等级。当前研究集中在对车站和网络中列车晚点扩散传播的适应模式。