大风预警下的高速铁路列车运行调整研究

摘要

随着我国高速铁路的迅速发展，经过大风易发区域的高速铁路线路逐渐增多。在大风易发区域，大风会对列车的运行产生不同程度的影响，轻者使运行中的列车限速运行或者停运，影响后续列车的运行，重者会引起列车脱轨甚至倾覆。为了减少大风灾害的影响，大风预警系统应运而生。大风预警系统是防灾安全监控系统的一个子系统，其主要根据获得的不间断的风速测量数据，预测强风天气中列车通过某特定区段时的最大可能风速—最大预测风速，调度员将根据大风预警系统给出的风速预警值做出相应的运行调整措施。因此，大风预警系统下高速铁路列车运行调整研究具有重要的实用意义和理论研究价值。

本文首先分析了大风对高速铁路列车的影响，阐述大风预警系统下的运行调整方法，包括停开、降速运行、绕线运行三种方案。并根据列车在线路上的具体位置、风速预警提前时间、风速预警值、大风持续时间，结合列车的运行速度、运行径路以及在各站的停站时间，得到受影响的列车的集合。

然后详细分析了不同的风速预警提前时间和不同的风速预警值下，停开、降速运行、绕线运行三种方案下列车的具体情况。列车停开和降速运行时，会产生旅客晚点时间损失；列车绕线运行时，会产生旅客晚点时间损失和绕线里程费用损失。以广义损失费用最小分别建立大风区域不包含车站、大风区域包含车站两种单点受灾以及多点受灾情况下列车采取停开、降速运行、绕线运行时的模型。并对三种模型进行分析，设计了求解绕线运行径路的遗传算法。

最后，设计算例分别计算不同风速预警提前时间—相同风速预警值，相同风速预警提前时间—不同风速预警值以及不同风速预警提前时间—不同风速预警值三种情况下，大风区域不包含车站、大风区域包含车站两种单点受灾以及多点受灾情况下列车采取停开、降速运行、绕线运行三种方案的广义费用,并以matlab进行求解。以广义费用最小作为其最佳的运行调整方案。算例表明，论文构造的模型和算法是有效的，能够得到不同大风预警提前时间和不同的风速预警值下，广义费用最小的高速列车运行调整方案，为大风干扰下高速铁路列车的运行调整，提供了思路和帮助。

关键词：大风预警；运行调整；遗传算法

Abstract

With the rapid development of China's high-speed railway,more and more high-speed railway lines have been routed through the wind prone area.In the wind prone area,the wind will produce different effects on the operation of the train,The lighter influence will make the train running at a limited speed or stop running,and affect the running of the following train.The heavier influence will cause the train derailment and even overturn.In order to reduce the influence of wind disaster,the gale warning system have been invented,gale warning system is a subsystem of disaster prevention safety monitoring system,based on the continuous wind speed measurement data,the system predicts the maximum possible wind speed or the maximum forecast wind speed when a train passes through a specific section in strong wind.The dispatcher makes corresponding operational adjustment measure according to the wind speed warning value given by the gale warning system.Therefore,it is of great practical significance and theoretical research value to study the operational adjustment measure of high speed railway under strong wind warning system.

This paper first analyzes the influence of the trains running on high-speed railway under strong wind.and describes the operational adjustment measure under strong wind disaster in detail,It includes three schemes:stopping running,running with lower speed and running with circuitous route.According to the specific location of train,the early warning time,the wind speed and the duration of the wind,combing with the train running speed,running path and stopping time at each station,we get the set of trains which are effected by wind.

Then,it analyzes the specific situation of the train under the three schemes of stopping running,running with lower speed and running with circuitous route in detail,under different wind speed early warning time and different wind speed warning values.When the train stops running or running with lower speed,it will cause the loss of passengers'delay time. When the train runs with circuitous route,it will cause the loss of passengers'delay time and the cost of the line mileage.Based on the minimum cost of the generalized loss,build the objective function of the single point of disaster-hit which strong wind covered area include a station or don’t include a station and the multi-point disaster-hit under stopping running, running with lower speed and running with circuitous route.Finally,analyze the objective function,and use genetic algorithm to solve the path of the train runs with circuitous route.

Finally,design example to calculate the generalized cost loss in the case of multi-point disaster and single point disaster which strong wind covered area include station or don’t include station and under three cases about the different wind warning speed early warning

time-the same wind speed warning values,the same wind speed early warning time-the different wind speed warning value,and the different wind speed early warning time-the different wind speed value when train stopp running,run with lower speed and run with circuitous route.solve it with MATLAB and take the minimum of generalized cost as its operational adjustment measure.The examples show that the model and algorithm constructed in this paper are effective and can obtain the generalized minimum cost adjustment scheme for high-speed trains under different gale warning speed early time and different wind speed warning values.It provides the train of thought and help for the operation adjustment of high speed railway train under the disturbance of strong wind.

Key words:strong wind warning system;operation adjustment;genetic algorithm

目录

摘要.........................................................................................................................................I 第1章绪论.. (1)

1.1研究的意义以及背景 (1)

1.2国内外研究现状 (1)

1.3研究内容 (5)

第2章大风对高速铁路列车运行的影响 (8)

2.1大风的概述 (8)

2.1.1我国大风概况 (8)

2.1.2大风环境下列车空气动力特性规律 (9)

2.1.3影响高速铁路安全运行的大风类型 (10)

2.2我国高速铁路概述 (11)

2.3大风对路网结构的影响 (12)

2.3.1铁路大风灾害的特点 (12)

2.3.2大风灾害对路网结构的影响 (14)

2.4大风环境下安全行车措施 (15)

2.5本章小结 (16)

第3章大风预警下列车的运行调整方法 (17)

3.1大风预警概述 (17)

3.1.1大风预警研究现状 (17)

3.1.2目前我国建立的大风预警系统 (18)

3.1.3大风预警系统功能的实现 (18)

3.2接到大风预警信息的处理 (19)

3.3大风预警下的运行调整方法 (20)

3.4本章小结 (21)

第4章大风预警下高速铁路列车运行调整模型的建立与求解 (23)

4.1列车位置的预测 (23)

4.1.1参数假设 (23)

4.1.2列车位置的预测 (25)

4.2受灾情况的分类 (26)

4.3运行调整方法 (27)

4.3.1停开 (27)

4.3.2降速运行 (30)

4.3.3绕线运行 (32)

4.4本章小结 (41)

第5章大风预警下高速铁路运行调整的算例分析 (43)

5.1大风灾害场景假设 (43)

5.1.1受大风影响的路网描述 (43)

5.1.2相关参数 (44)

5.2相同风速值、不同风速值提前量列车运行调整 (47)

5.2.1单点受灾情形1 (47)

5.2.2单点受灾情形2 (49)

5.2.3多点受灾 (51)

5.3不同风速值、相同风速值提前量列车运行调整 (54)

5.3.1单点受灾情形1 (54)

5.3.2单点受灾情形2 (55)

5.3.3多点受灾 (55)

5.4不同风速值、不同风速值提前量列车运行调整 (56)

5.4.1单点受灾情形1 (56)

5.4.2单点受灾情形2 (57)

5.4.3多点受灾 (58)

5.5本章小结 (60)

结论与展望 (61)

致谢 (62)

参考文献 (63)

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果 (66)

第1章绪论

1.1研究的意义以及背景

随着我国国民经济的快速发展，为了满足广大人民群众高速度、高密度、高安全性以及大运量的运输需求，近年来我国大量修建高速铁路，在“四纵四横”修建完成的基础上，预计2020年修建完成“八纵八横”。在高速铁路建设事业蓬勃发展的同时，经过大风易发区域的高速铁路线路也越来越多，大风易发区域对高速列车的影响也越来越受到人们的重视。在大风易发区域，列车受到的强侧风会使列车产生浮力和仰卧力矩，并随着列车运行速度的增加，该浮力和仰卧力矩会逐渐加大，当列车的运行速度达到一定值时，列车将会处于漂浮状态。高速铁路列车为了获得较高的速度，车身采用材质较轻的材料，因此高速列车在大风区域运行时，更容易受浮力和仰卧力矩的影响而处于漂浮状态。列车在此状态下运行时，轻者造成运行中的列车限速运行或者停运，影响后续列车的运行，重者会导致列车脱轨甚至倾覆，每年由大风引起的运输事故时有发生。如1986年12月，由于强风的影响，在日本山阴线桥高41m处，一辆客运列车被吹翻，造成了重大的人员伤亡，并且客运车辆、路轨以及桥梁等都受到了严重的损伤[1]。新疆地区大风十分频繁发生，兰新线、南疆线自从通车以来，因大风造成的列车重大事故超过30起，有近百辆的列车被吹翻。为了降低大风对列车运行的影响，大风预警系统应运而生。大风预警系统主要是通过在大风频发的区域设置间隔观测点，根据各观测点观测到的风速值预测未来一段时间内的风速情况并发送给列车调度子系统，列车调度员根据获取的风速信息进行运行调整，减少大风对列车运行带来的影响，预防事故发生。大风预警系统有不同的风速预警提前时间，并根据实际情况给出不同的风速预警值，本文主要研究设计算例分别计算不同风速预警提前时间—相同风速预警值，相同风速预警提前时间—不同风速预警值以及不同风速预警提前时间—不同风速预警值三种情况下，大风区域不包含车站、大风区域包含车站两种单点受灾情况以及多点受灾情况下列车运行调整的方法，减少大风灾害对列车运行的影响，具有重要的实用意义和理论研究价值。

1.2国内外研究现状

目前国内外关于大风预警下高速铁路的运行调整研究主要分为两个部分，一是关于大风预警的研究，即运用各种科学的研究方法预测风速，再根据风速值确定列车限