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智慧高速铁路运行控制系统发展趋势综述

铁道学报 2024年第1期46卷 1-12页

作者：余祖俊唐涛李开成宿帅朱力强北京交通大学先进轨道交通自主运行全国重点实验室北京100044 北京交通大学轨道交通运行控制系统国家工程研究中心北京100044 北京交通大学智慧高铁系统前沿科学中心北京100044 北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044

在保障安全的前提下,高速铁路运行控制系统进一步结合现代感知、控制、通信以及人工智能技术实现智慧化,是未来高速铁路发展的前沿方向。分析目前高速铁路运营中仍存在异物侵限造成安全事故、突发事件导致列车延误、运力与运量不匹配等... 详细信息

在保障安全的前提下,高速铁路运行控制系统进一步结合现代感知、控制、通信以及人工智能技术实现智慧化,是未来高速铁路发展的前沿方向。分析目前高速铁路运营中仍存在异物侵限造成安全事故、突发事件导致列车延误、运力与运量不匹配等问题,提出高速铁路运行控制系统的智能化、智慧化是解决上述问题的重要手段,是保持和提升我国高速铁路技术整体竞争力的核心组成部分。新时期的智慧高速铁路运行控制系统以实现列车(群)全天候全无人自主追踪运行控制为目标,主要包括移动闭塞、列车运行净空感知、列车状态智能监测、列车自主追踪、智能调度指挥、车-地动态自组网通信等关键技术。结合新一代使能技术,研究高速铁路运行控制智能技术的应用及其发展趋势,对我国智慧高速铁路的发展具有参考价值。

关键词：智慧高速铁路运行控制平稳追踪控制智能感知车-地自组网

高速铁路动卧开行日列车运行图与维修天窗协调优化

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铁道科学与工程学报 2024年第4期21卷 1309-1319页

作者：袁博李海鹰廖正文北京交通大学交通运输学院北京100044 北京交通大学先进轨道交通自主运行全国重点实验室北京100044

高速铁路夜间开行的动卧列车会与综合维修天窗在时间和空间上产生冲突。协调行车和天窗对线路通过能力的占用,能够优化铁路运力资源配置,提升列车服务质量和天窗作业效率。对动卧列车等线开行模式与分段矩形天窗的配合进行研究。考虑到... 详细信息

高速铁路夜间开行的动卧列车会与综合维修天窗在时间和空间上产生冲突。协调行车和天窗对线路通过能力的占用,能够优化铁路运力资源配置,提升列车服务质量和天窗作业效率。对动卧列车等线开行模式与分段矩形天窗的配合进行研究。考虑到车站夜间例行安排的维修施工,将天窗单元分类为“车站天窗”与“区间天窗”,二者组合构成维修调度命令中的天窗分段。采用整数规划方法构建动卧开行日列车运行图和维修天窗协调优化模型,最小化相邻天窗错位时间和列车总旅行时间,以减少天窗分段数量,更利于调度命令传达,作业灵活且安全地实施,同时保证动卧列车开行质量。运用图着色问题推论添加车站到发线能力约束以满足列车可用到发线数量的限制。代入京广高铁动卧列车案例,使用Gurobi实现求解。综合优化的运行图上,车站天窗和区间天窗构成11个天窗分段,比实际少13个,各维修工区管辖区段内的天窗计划更加简化;7对动卧列车的车站到发、区间运行均不与车站天窗、区间天窗冲突;列车的总旅行时间减少了173 min,列车停站次数由82次减少到66次。多组案例讨论了车站天窗、天窗错位、到发线数量等因素对列车等线位置和时间的影响。研究结果为进一步优化高铁动卧列车运输组织和维修天窗开设提供参考建议。

关键词：铁路运输高铁动卧列车运行图维修天窗整数规划

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动态照明对疲劳调度员神经行为反应的影响

哈尔滨工业大学学报 2024年第4期56卷 130-136页

作者：李彦洁方卫宁王健新鲍海峰先进轨道交通自主运行全国重点实验室(北京交通大学) 北京100044 北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044

为探讨利用地铁调度中心照明环境辅助性支持设计来缓解调度员脑力疲劳以实现人机增效的可行性,研究了动态照明对疲劳调度员的影响效应及神经机制。基于实验室环境搭建了可见光谱人工照明实验平台并在此基础上调制了两种环境光照参数(常... 详细信息

为探讨利用地铁调度中心照明环境辅助性支持设计来缓解调度员脑力疲劳以实现人机增效的可行性,研究了动态照明对疲劳调度员的影响效应及神经机制。基于实验室环境搭建了可见光谱人工照明实验平台并在此基础上调制了两种环境光照参数(常规照明:500 lx,4 000 K;动态照明:500 lx,4 000~12 000 K),采用单因素两水平被试内设计开展人因照明工效学实验。基于地铁调度任务分析设计了分别表征持续注意、工作记忆和执行控制认知功能的PVT、N-back和MABT-Ⅱ范式,对比分析了16名被试在不同光暴露期间的主观评估、行为绩效和脑电(electroencephalogram,EEG)指标等神经行为反应差异。结果表明,相较于常规照明,疲劳被试在动态照明下的主观感觉更警觉,情绪更积极,其持续注意、工作记忆和执行控制等认知功能得到显著改善。EEG数据揭示这种疲劳干预机制可能来源于动态光线对大脑额叶区α、θ和α-θ等低频频段活动的有效抑制。当前研究初步验证了动态照明对脑力疲劳的影响效应,为城市轨道交通照明设计和疲劳管理提供依据。

关键词：地铁调度员动态照明脑力疲劳非视觉生物效应脑电信号

基于LSTM-KF模型的高速列车群组追踪运行轨迹预测方法

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交通运输工程学报 2024年第3期24卷 296-310页

作者：张淼何仪娟杨博宇罗正伟卢万里唐涛李开成吕继东中国铁道科学研究院集团有限公司国家铁路智能运输系统工程技术中心北京100081 北京交通大学轨道交通运行控制系统国家工程研究中心北京100044 柏林洪堡大学计算机科学研究所柏林BE 104894 北京交通大学先进轨道交通自主运行全国重点实验室北京100044

为进一步缩小列车追踪距离以提高运力,研究了高速列车群组追踪运行轨迹预测问题;考虑长短期记忆网络(LSTM)模型处理序列数据的优势和卡尔曼滤波(KF)模型噪声处理的能力,提出了一种新型列车轨迹预测LSTM-KF模型;使用列车运行的历史数据进... 详细信息

为进一步缩小列车追踪距离以提高运力,研究了高速列车群组追踪运行轨迹预测问题;考虑长短期记忆网络(LSTM)模型处理序列数据的优势和卡尔曼滤波(KF)模型噪声处理的能力,提出了一种新型列车轨迹预测LSTM-KF模型;使用列车运行的历史数据进行LSTM模型训练,生成了列车轨迹预测曲线;KF模型结合预测结果和动力学机理,更正了计算结果,使LSTM模型预测的列车轨迹变得平滑;依托于高铁列控系统仿真测试平台的标准线路数据进行了仿真验证。仿真结果表明:在巡航工况下,30个预测步长后,LSTM-KF、LSTM和循环神经网络(RNN)模型的位置预测误差分别为78、798和911 m,速度相对真实值的预测误差分别为1、22和1 m·s^(-1),LSTM-KF模型的位置均方根误差(RMSE)分别为LSTM和RNN的7%和15%,LSTM-KF模型的速度RMSE分别为LSTM和RNN的14%和30%;在加速工况下,3个模型的位置预测误差均值分别为94、294和2691 m,速度预测误差均值分别为0.09、10.05和2.74 m·s^(-1);在减速工况下,3个模型的位置预测误差均值分别为1181、4135和4079 m,速度预测误差均值分别为1.14、6.01和13.52 m·s^(-1)。可见,LSTM-KF模型在不同运行工况下均能显著提升预测精度,能够有效生成长时域数据序列,为高速列车群组追踪运行提供决策。

关键词：高速列车群组追踪运行车-车通信轨迹预测长短期记忆网络卡尔曼滤波

基于改进Faster R-CNN的隧道衬砌中离散实体目标自动检测研究

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铁道学报 2024年第2期46卷 171-180页

作者：崔广炎王艳辉徐杰丁冠军秦湘怡任秋阳北京交通大学先进轨道交通自主运行全国重点实验室北京100044 北京交通大学交通运输学院北京100044 北京交通大学北京市城市交通信息智能感知与服务工程技术研究中心北京100044 北京交通大学城市轨道交通运营安全管理技术及装备交通运输行业研发中心北京100044

隧道衬砌中离散实体目标的检测精度和时效性直接关乎隧道的运营安全,采用图像视觉技术进行图像自动解译可极大提升检测效率和结果的准确性,因此基于离散实体目标的雷达图像数据构建自定义雷达数据集合,并提出一套改进的Faster R-CNN算... 详细信息

隧道衬砌中离散实体目标的检测精度和时效性直接关乎隧道的运营安全,采用图像视觉技术进行图像自动解译可极大提升检测效率和结果的准确性,因此基于离散实体目标的雷达图像数据构建自定义雷达数据集合,并提出一套改进的Faster R-CNN算法对隧道衬砌中的离散实体目标进行自动检测。该算法首先对现有Faster R-CNN网络的特征提取模块进行改进,提出一套全新的轻量化特征提取网络ResNet_FMBConv对雷达图像特征进行深度挖掘;基于ResNet_FMBConv网络改进现有特征金字塔(FPN)结构,实现对多尺寸下目标的精准辨识。其次,基于实测和仿真的雷达图像数据构建离散实体目标的自定义雷达数据集合,通过几何变换方法对雷达图像进行数据增强后用于算法验证。结果表明,改进算法在IOU=0.50∶0.95情况下的检测精确率、召回率、F 1分数和FPS分别为45.1%、54.0%、49.1%和21.65 fps。在保证召回率基本持平的情况下,同比YOLOv3_spp、SSD、Retinanet和Faster R-CNN等目标检测算法的精确率和F 1分数分别提升2%~9%和1%~6%。同时,试验结果表明改进后的特征提取网络ResNet_FMBConv也优于现有Resnet-50、VGG16、Efficientnet_b0和Mobilenetv3等目标分类网络。

关键词：离散实体目标检测 Faster R-CNN ResNet_FMBConv模块 GPR 特征金字塔

基于改进MPC的重载铁路移动闭塞系统下列车编队控制方法研究

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铁道学报 2024年第2期46卷 74-81页

作者：林正南俞花珍邰国璇郭玮石竹余立伟黄友能北京交通大学电子信息工程学院北京100044 国能朔黄铁路发展有限责任公司河北肃宁062350 交控科技股份有限公司北京100070 北京交通大学轨道交通运行控制系统国家工程研究中心北京100044

列车编队控制是城市轨道交通移动闭塞系统下一种提升输送能力的重要手段。针对重载列车载重大、编组长、操控难度大的特点,提出一种重载移动闭塞系统下基于改进MPC的重载列车编队运行控制方法。首先建立基于多质点模型分布式控制结构的... 详细信息

列车编队控制是城市轨道交通移动闭塞系统下一种提升输送能力的重要手段。针对重载列车载重大、编组长、操控难度大的特点,提出一种重载移动闭塞系统下基于改进MPC的重载列车编队运行控制方法。首先建立基于多质点模型分布式控制结构的重载列车编队模型,然后通过增加自适应反馈环节改进MPC方法,并引入0-1指标变量处理非线性函数,进一步求解混合整数的二次型优化问题,最后采用朔黄重载移动闭塞系统下的实际线路数据和列车数据进行仿真,可得到最大速度误差为0.465 km/h,最大间隔误差为1.899 m,且误差分布聚集在零点附近。仿真结果表明:提出的基于改进MPC控制方法能够满足重载移动闭塞系统下编队控制精度要求,该控制方法是有效的。

关键词：重载列车编队运行模型预测控制协同控制

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基于情景推演的铁路降雨灾害预测性防控方法

铁道科学与工程学报 2024年第8期21卷 3382-3393页

作者：马小平李松张瀚青王旭严晗北京交通大学先进轨道交通自主运行全国重点实验室北京100044 北京交通大学交通运输学院北京100044

铁路降雨灾害类型众多且十分容易引发铁路事故,现有的降雨量等单一指标监测、阈值式报警方式,导致铁路降雨灾害误报率、虚报率居高不下。为了有效应对铁路降雨灾害监测预警难、风险预测不准确以及防控措施选择难等关键问题,提出一种创... 详细信息

铁路降雨灾害类型众多且十分容易引发铁路事故,现有的降雨量等单一指标监测、阈值式报警方式,导致铁路降雨灾害误报率、虚报率居高不下。为了有效应对铁路降雨灾害监测预警难、风险预测不准确以及防控措施选择难等关键问题,提出一种创新的基于情景推演的预测性防控方法。首先,依据铁路事故报告和降雨灾害的成因机制,将12种铁路降雨灾害分为五大类情景;接着,基于扎根理论为每种情景类型识别并分类相关的情景要素,运用情景削减方法为每种情景类型构建最优情景集和防控策略集,从而形成一个包含5类情景的情景网络。其次,为了满足铁路防灾决策需求,建立了灾害计划推演预测和实时推演预测2种模型,并提出一种将情景网络转换为灾害贝叶斯网络的方法,通过将实际情景与情景网络进行精确匹配进行推演预测,并根据“情景-应对”方法选择合适的防控策略。最后,以石庙沟车站的滑坡灾害为例进行了实例分析和验证,结果显示,通过本方法进行的推演预测能够准确反映灾害的发展过程,推演得到的情景与实际灾害发展情景高度一致,情景相似度达到93%,灾害发生的概率为88%。采取相应防控措施后,滑坡灾害的发生概率显著降低至12%,列车脱轨的可能性也从70%降至1%,证实了本方法的准确性和实用性。该研究可为铁路降雨灾害的预测与主动防控提供重要的理论与技术支撑。

关键词：铁路降雨灾害情景推演扎根理论贝叶斯网络 “情景-应对”

基于Doc2vec-LightGBM的CBTC车载信号设备故障分类诊断方法

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铁道学报 2024年第4期46卷 108-118页

作者：柴琳果张景会上官伟蔡伯根李小雨北京交通大学电子信息工程学院北京100044 北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室北京100044 北京市轨道交通电磁兼容与卫星导航工程技术研究中心北京100044

车载信号设备是城市轨道交通信号系统的重要组成部分,其运营过程中会产生海量离散化、片段化的日志文本数据。目前,CBTC车载设备故障记录文本仍存在语义不明确、词语冗余的问题,从而造成故障致因溯源难,针对此,提出一种基于Doc2vec-Ligh... 详细信息

车载信号设备是城市轨道交通信号系统的重要组成部分,其运营过程中会产生海量离散化、片段化的日志文本数据。目前,CBTC车载设备故障记录文本仍存在语义不明确、词语冗余的问题,从而造成故障致因溯源难,针对此,提出一种基于Doc2vec-LightGBM的CBTC车载设备故障自动分类诊断方法。首先对故障文本使用Jieba完成文本分词,依据TF-IDF实现分词文本数据的特征提取,并采用Doc2vec训练文本分词向量;其次针对数据不均衡的问题,采用Borderline-SMOTE算法进行少数类文本向量数据的补全泛化;最后,通过训练轻量梯度提升机LightGBM分类器完成故障文本自动分类。采用某信号厂商所记录的1 133条故障文本数据进行分类实验分析,并与支持向量机(SVM)方法对比。实验结果表明,所提方法在分类精确率、召回率上分别为98.2%、97.5%,证明了该故障文本自动分类方法的有效性和优越性。

关键词： CBTC 车载设备 Doc2vec LightGBM 故障分类诊断

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基于AWAHP的调度员疲劳致因研究

中国安全科学学报 2024年第4期34卷 42-49页

作者：陈亮郑伟北京交通大学电子信息工程学院北京100044 北京交通大学国家轨道交通安全评估研究中心北京100044 北京交通大学轨道交通安全协同创新中心北京100044

为进一步保障铁路运营安全,调研分析铁路列车调度员疲劳因素,首先,针对铁路调度员工作内容的特点,在查阅相关文献、咨询调度专家、人因工程专家的基础上,建立列车调度员疲劳致因评价指标体系,该指标体系包括工作内容、轮岗安排、人员素... 详细信息

为进一步保障铁路运营安全,调研分析铁路列车调度员疲劳因素,首先,针对铁路调度员工作内容的特点,在查阅相关文献、咨询调度专家、人因工程专家的基础上,建立列车调度员疲劳致因评价指标体系,该指标体系包括工作内容、轮岗安排、人员素质、外界因素4个一级指标和18个二级指标;其次,采用自适应加权的层次分析法(AWAHP)计算不同专家自身评价的权重,并求得最终指标的加权权重;最后,以某铁路局调度中心为例,运用AWAHP综合评价调度员疲劳致因指标的权重。结果表明:应急突发处置、作业时间段、持续作业时间、线路繁忙程度、工作复杂程度是影响调度员疲劳的显著因素,有效识别铁路列车调度员疲劳的关键因素,并针对关键因素进行分析与对策建议。

关键词：自适应加权层次分析法(AWAHP) 铁路列车调度员疲劳致因评价指标体系综合评价