铁路行车安全智能辅助决策系统构建研究Word下载.docx
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4智能辅助决策关键技术23
4.1安全信息源分析24
4.2基于事故树的铁路行车安全隐患诊断分析24
结论28
参考文献29
前言
近年来我国的铁路运输系统飞速发展，同时铁路中各种安全事故隐患、意外突发性事故也在逐渐增加。
我国平均每年铁路伤亡事故高达10000多起，造成不少人员重大伤亡和大量财产损失。
如何增强铁路运输系统的安全性，减少此类事故的发生，保证国家财产和人民生命的安全已成为当前急待解决的一个问题。
铁路运输系统是一个包含许多子系统的巨大系统，导致事故和灾害发生的原因错综复杂，管理、操作人、载运设备及其他移动设备、环境等诸多因素都会影响到铁路安全，灾害的准确预防和控制在现实情况下都比较困难。
目前铁路在安全管理上更面临着一些新的问题，例如列车提速、列车密度加大、车辆轴重增加、牵引动力向内燃、电力的过渡加快、信号、连锁、闭塞设备的科技含量提高、新规程、规章、办法的产生和培训工作不够等，这些都为安全管理提出了新的挑战。
随着信息技术的飞速发展，铁路局的各个业务部门相继建立管理信息系统，各个系统功能涵盖本部门的安全管理需求，这些系统为铁路的日常业务管理发挥了重大的作用。
但是随着铁路信息化的逐步深入以及信息技术的高速发展，铁路局各部门原有的独立系统已越来越不适应安全工作的需求，现有安全监控信息不能在整个铁路局范围内实现不同部门之间信息共享，在事故应急处理和救援过程中往往难以统一指挥和调度。
同时各个系统设计主要按照铁路运输企业安全管理单一的反馈控制模式来设计，即主要通过对已发生的事故和事故隐患等进行分析，找出原因，然后制定实施对策的方法，体现的还是事后把关的管理思想，不能满足“事前预警”的要求。
本文通过对铁路运输安全系统分析，全面考虑人、机、环境、管理诸因素对安全管理的综合影响，利用计算机网络技术，整合、开发功能全面的安全信息管理平台，采用先进事故诊断、智能辅助决策支持技术，建立铁路行车安全智能辅助决策系统，实现安全状况的风险评估、安全危害诊断预警以及安全事故的抢险救灾辅助决策，实现铁路行车安全的现代化管理，使安全管理从传统的事后追踪变为事前的预防控制，提高铁路安全管理水平、减少铁路安全事故、降低事故伤亡。
1系统设计思想
1.1系统设计目标
铁路行车安全智能辅助决策系统，坚持“以人为本”的原则，将安全管理科学，安全决策科学与信息技术相结合，建立一套适应铁路安全管理工作要求的集安全数据信息采集、传输、处理、评价、预警为一体的安全信息系统，主要系统设计目标如下：
建立综合安全信息管理平台，对铁路安全监察信息系统的监测信息、日常安全报表和车务、客运、货运、机务、工务、电务、车辆等系统监测信息进行整合分析。
在对铁路行车安全风险和危机的原因、发展规律、控制对策及预警体系系统研究基础上，运用安全科学和事故预警管理的理论和方法，建立铁路行车安全风险评估、隐患诊断、事故预警体系。
建立安全事故案例数据库，提供事故分析的工具方法，根据现有的各类安全数据以及实时监控的各类安全信息，建立诊断模型，分析行车安全影响因素，并自动总结归纳、学习各类专家诊断后的知识，不断扩充专家知识库，为隐患诊断系统提供专家知识，提高诊断效率。
建立自然灾害抢险救援辅助决策系统，对应急预案进行系统管理，采用RS/GPS/GIS对重点地区进行自然灾害监测，为抢险救援提供辅助决策支持。
充分利用现有的硬件、软件、通信资源及人力资源，在系统的设计中，应充分考虑保护原有投资。
建成后的铁路行车安全智能辅助决策系统应是一个技术先进、性能可靠、功能齐全的系统。
1.2系统设计依据原则
铁路行车安全管理的实践表明事故的发生虽然具有随机性和偶然性，但同时也具有一定的因果性和必然性，在事故发生之前存在大量的事故隐患和征兆，大部分的事故隐患是由于违反了维系铁路运输生产系统安全运营的各项规章、制度和标准等因素造成的。
这些安全信息介于铁路运输生产系统的各项规章、制度、标准与安全事故之间的一个中间环节，铁路行车安全智能辅助决策系统必须抓住了安全信息这一关键环节，综合考察安全技术设备以及安全管理下所得到的安全信息，及时对这些信息应用安全系统工程的理论和方法进行深入挖掘、分析预测、安全评价，就能够在很大程度上刻画出当前铁路运输生产系统的安全状况，预先判断可能的事故隐患。
目前铁路安全管理信息系统的设计思想主要依据传统单一反馈控制模式思想，是一种“事后决策支持”，不具有智能分析和预测功能。
铁路行车智能辅助决策系统必须突破这一瓶颈，主要的目标是实现由过去的单一的事故反馈控制管理模式到前馈与反馈耦合的超前的事故控制管理模式的转变，最大可能地做到安全管理决策的科学性、针对性、预见性，力争把铁路意外伤亡事故消灭在萌芽乃至孕育之中，在安全管理决策层次上实现铁路意外伤亡事故的超前预防和超前控制。
同时系统建设必须以现有资源为基础，分析各个部门目前建成的业务管理信息系统，依据整合和集成思想，充分利用现有计算机网络体系和现有系统分析结果，深入挖掘集中隐含的安全预警信息，建立统一安全评价体系，提高各方面安全信息的综合利用率；
提高危害辨识、风险评价和风险控制措施的准确性和有效性。
2系统体系结构
采用计算机网络技术、数据库技术、地理信息系统技术、智能专家系统、安全风险评价等技术，基于铁路局推进信息化建设和强化安全管理的需要，建立快速准确的信息采集、传递和处理安全信息处理平台以及安全状况评价、安全隐患诊断与预警系统、事故智能分析系统以及自然灾害事故抢修辅助决策系统。
系统的建设将有效的改善铁路行车安全管理，加强各级各部门对铁路日常行车安全监测、检查的力度、提高各方面安全信息的综合利用率；
提高危害辨识、风险评价和风险控制措施的准确性和有效性，及时发现安全隐患、预警；
加快事故应急指挥速度，减少事故损失；
确保部门宏观决策指挥效率与科学性。
系统依据软件工程思想，采用分层设计原则，建立的系统主要实现四大功能：
铁路行车安全信息管理综合平台与铁路行车安全评价、安全隐患诊断与预警、自然灾害事故抢修辅助决策系统。
随着经济的发展、城市化进程的加快、人民生活水平的不断提高，运输需求显得越来越旺盛，既有的运输能力已表现出明显的不足，特别是铁路运输已经不能适应国民经济的发展需要，成为制约我国经济发展的“瓶颈”。
为满足国民经济快速发展的要求，我国制定了《中长期铁路网规划》，加快我国铁路网建设，到2020年我国铁路线路营业里程将达到12万公里，复线率和电气化率均达到50%。
形成以新建1.2万公里“四纵四横”客运专线为骨架，既有提速线路为补充的3万公里快速客运网络。
届时，我国高速铁路的线路里程将比目前世界高速铁路总里程的2倍还要多。
可以说我国在高速铁路建设方面，将要用15年的时间走完世界所有发达国家近半个世纪走完的道路。
这3万公里快速客运网的建设，将使我国旅客运输迈上一个新台阶。
铁路旅客列车开行方案的编制经过多年的不断研究和探索，积累了宝贵的经验和方法。
这种经验和方法在过去客货混行的运输条件下发挥了巨大的作用，但面对高密度、小编组、公交化、高速快捷的客运专线网络的大力建设，这些方法和经验显然需要相应的调整。
所以有必要借鉴国外先进的经验及理念，结合我国客运专线的建设情况，建立适合成网条件下列车开行方案的编制方法。
深入研究客流发展变化的特征及趋势，充分考虑旅客的出行需求，了解国民经济发展、区域发展水平、旅客消费观念等因素的变化，将旅客换乘与开行方案一体化设计，使得铁路更好地适应未来旅客运输的发展需求。
基于分级节点系统的周期性列车开行方案是指根据客运专线网中节点等级的不同选择列车的起讫点，将开行方案按照一定的周期设计，使开行方案适合周期性运行图的铺画，在每周期内列车的起讫点、频率、径路基本相同。
基于分级节点系统的周期性列车开行方案起讫点规律、数量较少，主要节点间列车开行频率高，旅客出行时间灵活，方便度高。
对于长途旅客充分利用新型客运专线车站换乘方便的优势，采取灵活多样的方式制定列车的换乘衔接方案。
基于分级节点的周期性开行方案符合旅客出行规律，能最大限度地方便旅客，提高服务频率，减少等待时间，使旅客总体的旅行时间降低，这有利于提升我国铁路的服务水平，提高铁路的竞争力。
旅客列车开行方案是合理利用线路设施和技术设备确定服务水平的服务计划，确定列车种类、对数的组合和各方向列车之间的协调配合的方案，也是旅客运输运营组织的基础环节。
旅客列车开行方案是旅客列车运行图铺画的基础，并和旅客列车运行图一起作为旅客列车运营组织的重要技术文件，对整个旅客运输组织工作有很重要的指导作用。
旅客列车开行方案在旅客列车运行组织工作中，处于承前启后的关键位置，对开行方案的优化研究不仅有助于深化需求与能力适应性分析，更有助于良好开展运行图的编制工作，有助于优化设计动车组使用方案、乘务员运用方案和开展日常的调度指挥工作。
旅客列车开行方案的编制是一个庞大的系统工程，不仅与客流量大小有关，还与客流成分及旅客出行特点密切相关。
面对客运专线建设，国内学者对客运专线的开行方案的编制做了大量的研究。
客流结构及特性是影响开行方案的主要因素之一。
根据客流的起讫点，可以将客流分为本线客流和跨线客流。
跨线客流是客运专线运输组织的重点之一。
文献分析了跨线客流的输送问题，提出全部中速列车输送、高速列车下线加换乘及高速列车下线加中速列车上高速线输送跨线客流的3种模式，并将高速列车下线模式分为以高速站为中心的“朝发夕归”式、以其他线车站为中心的“朝发夕归”式、不对称“夕发朝至”式、“夕发朝至”式四种，并对三种模式从动车组利用、旅客旅行时间节省和旅客需求适应程度等方面对三种模式进行了比较。
文献[2]通过分析跨线客流的特点、性质、出行规律和选择旅行的方式，将跨线客流分为必然换乘客流、自愿换乘客流、直接过线中速客流、直接过线常速客流。
跨线客流的输送方式有以下几种方案：
客运专线只开行高速旅客列车，跨线客流在衔接站换乘高速旅客列车（简称换乘方案）。
高速旅客列车除在客运专线上运行外，还下到相邻线上运行，跨线客流由高速列车运送（简称下客运专线）。
高速列车只在客运专线上运行，相邻线路上的中速列车上客运专线运行，跨线客流由中速列车运送（简称上客运专线）。
.跨线客流在衔接站选择公路等其他交通方式。
在停靠站设计方面，文献[3]主要对客运专线个性化停站方案与平均化停站方案做了详细的分析，并从周期运行图周期的确定、列车停站方式数量的确定、列车开行对数的确定、不同停站方案的列车对数组合比较三个方面提出客运专线客流密集区段周期运行图中列车开行方案的设计原则，并运用以上原理对京沪客运专线沪宁段列车开行方案进行了设计以及方案的比选。
文献[4]分析了合并式列车开行方案对高速铁路运输组织的影响，根据分析结果，探讨了合并式列车开行方案的设计原则与方法。
合并式列车开行方案的服务频率大于当前设计的列车开行方案，可供旅客选择的车次增多，时间自由度增大，对吸引中、长途旅客十分有利；
可以提高动车组运用效率，减少动车组需要数量。
客流预测和客流分配是开行方案研究的重要组成部分，文献[2]分析了客运专线客流特征，并从本线客流、跨线客流、诱增客流三个方面研究了客流预测模型，运用灵敏度分析法分析了列车的速度、密度、票价、舒适度、安全性和开行距离等方面对客流的影响；
从客运专线和既有线的能力协调、尽量减少旅客换乘、到发时间适当三方面考虑了旅客列车开行方案的编制原则。
关于开行方案的模型与算法，国内学者做了不少研究。
运用较多的模型为双层规划模型。
文献提出旅客出行方便度概念，研究了不同时段旅客出行的方便度，并绘制了方便度曲线，分析了不同类型列车的客流平衡条件，建立不同类型列车的广义费用函数，在此基础上，建立制定客运专线列车开行方案的多目标双层规划模型。
文献在分析了最小成本和最大收益的两种传统模型的基础上，综合考虑旅行时间、旅行费用、旅行方便与舒适程度等因素对市场的影响，以及运输能力与需求的关系，构造了两点间旅客列车开行方案决策模型。
文献[7]在既有线旅客列车开行方案研究的基础上，结合客运专线的发展规划，分析了旅客列车开行方案的相关费用和优化目标，均衡考虑企业利益和旅客需求，将列车开行方案与旅客换乘方案相结合，以客流在铁路换乘网络上的分配作为下层规划，建立旅客列车开行方案优化的双层规划模型。
通过抽象归纳制定了开行方案的原则，将开行方案优化与客运径路的确定、旅客换乘网络的设计、旅客换乘的客流分配、旅客列车停站优化、旅客列车开行方案的评价指标分析等相关问题结合起来，设计基于模拟退火算法求解的优化算法；
根据优化模型和求解算法，开发铁路旅客列车开行方案优化系统。
旅客列车开行方案的评价指标体系是一个多指标的评价体系，需要采用一定的量化手段，进行综合评定，主要方法有主成分分析法、模糊评判法、层次分析法、Delphi法等。
开行方案的评价指标是评价开行方案质量的重要参考指标，为优化开行方案提供依据。
国内学者主要考虑了经济效益和旅客出行需求。
文献[8]分析比较了各种跨线列车在客运专线和既有线上运营所产生的经济效益，并运用该方法分析了郑武客运专线跨线列车开行方案。
该方法主要考虑了两方面因素，一方面为铁路运营效益，另一方面为旅客出行需求。
考虑了评价指标的相互替代性和相关性，运用聚类分析法简化了指标体系的规模；
采用主成分分析方法评价分析了开行方案。
基于高速铁路的不断发展和运输市场客运需求不断变化，国外学者一直在探究先进的高速铁路旅客列车运输组织、客运产品（包括列车开行方案、列车运行图和客票）设计及优化理论，以使高速铁路更好地为旅客服务，创造良好的综合效益。
日本、法国、德国等发达国际在旅客列车运输组织、行车组织和列车开行方案方面已经取得较为成熟的经验。
国外高速铁路广泛采用周期性列车开行方案和运行图，其主要优点是便于旅客对列车时刻表的记忆，对不同列车换乘的优化设计增加旅客乘车的便捷性；
从运营者的角度，周期性列车开行方案和运行图易于管理，并能带动售票方式、车站工作组织的变化。
在高速铁路的发展中，各国国情不同，列车开行方案有各自的特点。
日本、法国为高速专用型，德国、意大利为客货混行型，因而编制的开行方案也有所区别。
日本采用适合规格化运行图的列车开行方案，德国则编制适合分时运行图的列车开行方案。
发达国家和地区对客车开行方案的成本、收益和数学描述等方面的研究相对深入一些，研究了网络条件下多种列车组合情形，讨论了具有周期时刻表的开行方案优化问题。
采用模糊数学规划来研究台湾高速铁路列车开行方案，建立了单条铁路线上城际高速铁路旅客列车开行方案的多目标优化模型，目标函数包括经营者的总体运营成本最少和旅客总旅行时间最少两个方面，由于路网规模小、客流密度大，其开行方案具有公交化运营模式的特点。
根据国内外旅客列车开行方案的研究现状及存在问题，本研究将重点研究以下内容：
路网结构，分析我国未来客运专线网（区际客运专线网和城际客运专线网）的结构特点，如路网长度、路网性能、路网分布、平均站间距等，考虑节点城市的轨道交通建设状况，分析节点城市的旅客换乘条件；
根据相关资料确定分级节点系统。
客运专线客车开行方案影响因素分析
在阐述铁路旅客列车开行方案的定义及作用的基础上，结合我国客运专线的实际情况，对客运专线客车开行方案的主要要素进行了系统的分析，对影响客运专线客车开行方案的主要因素进行了详细论述。
周期性开行方案框架方案的编制
根据分级节点系统、各客流区段的客流密度及旅行时间，初步确定以周期性开行方案为基础的区段，进一步细分客流，分别划分出以周期性开行和非周期开行的客流，并初步确定开行频率，根据分析结果及旅行时间，推算列车开行方案的框架方案。
评价指标体系，设计评价指标，并对周期性开行方案进行评价指标的计算。
列车脱轨是危害铁路运输安全的严重事故。
据统计，1988年10年间，我国全路重大、大事故中，列车脱轨约占总事故的70％，其比例之高，在国际上罕见，国内前所末有。
为此，中国铁道学会安全委员会与铁道部安全监察司共同邀请路内从事安全方面研究的专家、学者和铁路第一线的安全管理工作者召开了“防止脱轨事故及确保客车安全学术研讨会”。
会上，与会专家、学者分析了造成列车脱轨的原因，认为大多与列车／轨道系统的相互作用有关。
国外早在60年代就在这方面开始进行了大量的研究工作。
北美铁道协会（AAR）、国际铁路联盟（UIC）和原日本国铁都取得了重要成果，在保障行车安全的实践中发挥了重要作用。
而我们在这方面还处于起步阶段。
我国铁路安全研究方面的基础较薄弱，缺乏必要的试验条件，列车轨道系统安全性评定和管理方面的规程、规范不够完善和健全，存在不少漏洞和缺陷。
对货车与脱轨有关的部分参数影响安全性能的关系研究不够，甚至有些失控。
与会专家认为，为了减少脱轨事故，确保铁路行车安全，建议加强对列车／轨道相互作用系统安全性能、安全监测和保障技术设备的研究，并加大建设的投入。
为此，应积极开展下列研究工作：
建设机车车辆／轨道系统安全性能试验线
为了科学、准确、公正地评价各种机车车辆的安全性能，建议在铁道部科学研究院东郊环行试验基地建设机车车辆／轨道系统安全性能试验线。
所有新研制的机车车辆动力学性能鉴定试验都要在这条试验线上进行。
在轨道平顺性良好，曲线类型较少，半径较大,线路条件不固定的情况下，不可能正确、全面、客观地评定机车车辆的安全性能。
因此，有必要参考北美铁道协会“AARMl00l货车性能试验分析评定标准”、美国“FRA轨道安全标准”、国际铁道联盟“UICOREB55车辆扭曲刚度检验标准”以及“德国机车车辆批准上道验收试验标准”的要求，建设我国用于试验评定机车车辆通过不平顺轨道和各种典型曲线的安全性能，以及检验车辆扭曲刚度等的永久性专用安全性评定试验线，使我国机车车辆安全性能评定试验工作得以规范进行。
尽快建立、健全和修改完善我国机车车辆轨道安全管理和试验评定方面的规程、规范
我国至今无自己的轨道、车辆状态的安全监控管理标准。
现有的机车车辆动力学性能试验评定等标准中没有评定与脱轨关系密切的车辆扭曲刚度和通过各种轨道不平顺时的安全指标、侧向力允许标准等安全性能规定，对曲线通过安全性评定的标准也只是参照国外的标准，是否符合我国轨道实际的横向承载能力，没有通过试验验证；
脱轨系数、轮重减载率、转向架、车体振动加速度等的取值和评定方法，也未进行过系统深入的试验研究，与AAR的5ft距离窗移动平均和欧洲铁路2m距离窗移动平均（也有用时间窗的）等方法存在很大差异，这对于正确评定机车车辆的性能关系极大。
这些问题都必须认真研究。
重视对已有货车运行状态的安全监测管理工作
我国货车在曲线圆缓点区、反向曲线夹直线段的脱轨事故一直不断发生；
近年来，又接连多次发生空货车在状态良好的直线段脱轨的事故。
因此，除应研制新型货车转向架外，还应积极研究推广识别车辆性能不良、有潜在脱轨倾向的办法和仪器，积极推广监测货车超偏载、扁疤、严重周期性减载等地面的安全监测系统。
大力加强列车／轨道相互作用系统安全性方面的系列研究
世界各国在车轮脱轨原因、防治措施以及安全监测管理技术、安全规程、规范等方面的研究和实践都是建立在列车／轨道动力学和轮轨相互作用系列研究成果基础上的。
要从根本上提高我国铁路科学研究、管理层对脱轨机理的认识，提高我国列车／轨道系统的安全性，必须重视加强列车／轨道相互作用等专业基础方面的研究。
其重点有：
车辆、轨道状态和构造参数，列车装载、编组、操纵等对脱轨安全性的影响，以及相应的监测管理技术和设备。
减少脱轨事故和减少事故损失的途径和技术措施。
建立、修改、完善列车脱轨系统安全监控管理方面的规程规范。
对脱轨机理、安全性评定指标和评定方法的试验研究。
组建铁路安全技术研究和监测中心
为确保和强化安全，铁路必须有自己的研究和监测中心，特别是在企事业单位（包括科研单位）推向市场，实行企业化管理后，铁路就没有专门的单位来从事安全研究，以及对新旧设备在运用前和运用中的监视和测试工作。
要临时组织人员进行研究，只能解决一时性的问题，不可能系统地解决问题。
回顾发生的各种重大事故，不少都是预防不力，缺乏系统与必要的监测和监控，因此，成立全路性的专门从事铁路安全研究和监测中心是铁路长治久安的需要。
3系统功能分析和设计
3.1铁路行车安全信息综合管理平台
3.1.1数据采集和管理
铁路行车安全信息综合管理平台将铁路局原有监控系统和信息管理系统的数据引入系统，通过Oracle9i数据管理系统实现集中式统一管理，其数据采集方式包括以下两种：
数据导入引用：
通过系统定时器将原有监控系统的数据通过数据接口导入到铁路行车安全智能辅助决策系统里已经定义好的数据结构当中，提供给系统使用。
数据接口使用：
通过程序接口的方式直接使用外部数据。
这类数据一般是定期更新数据或统计计算结果数据，需要的时候可以直接调用接口使用。
3.1.2信息查询、统计分析、报表生成
信息查询模块主要是提供对数据库中的相关数据按条件进行检索的功能，包括安全检查整改信息查询、三违登记信息查询、安全学习培训信息查询、事故信息查询、安全学习培训学员情况查询、上岗人员信息查询、运量信息查询、各个专业部门信息查询等，对每部分都提供组合查询的功能。
统计分析模块根据基础数据信息，统计汇总出二次信息，以数据表格的形式显示统计的详细情况，并同时以图形的方式直观地显示出来，用于管理决策。
统计分析模块包括历年事故趋势分析、历年事故中伤亡统计分析、直接经济损失统计分析、百万吨公里事故率统计分析、分单位事故统计分析、分工种事故统计分析、事故分类别统计分析、事故发生时间统计分析和责任者年龄统计分析等部分。
报表生成模块主要是产生企业需要的各种标准报表，包括安全生产情况报表、事故月报表、事故年报表、安全管理综合指标月报表和安全管理综合指标年报表等。
3.2铁路行车安全状况评价、安全隐患诊断与预警
安全隐患诊断与预警分析是对铁路行车组织运行状态波动进行识别、分析与评价，并由此做出警示，以对铁路机车车辆运行中的重大失误与波动现象的早期征兆进行及时矫正与控制。
隐患诊断分析与安全状况的检测有关，检测是指对检测对象的活动过程进行全过程监视及其对检测对象同铁路其他活动环节（包括外部环境）的关系监视，检测要随时关注监测对象的变化趋势尤其是劣性趋势，从变化动态中分析预测可能发生的危机，主要检测的因素包括：
自然环境恶化，客流量剧增，列车提速，线路等设备大批更换，铁路物资、设备频繁被盗，线路、车站施工、停电，各种设备的运行状态，有关人员的操作状态。
这些检测的数据在信息管理平台上统一采集和管理。
在铁路行车安全状况评价、安全隐患排查、事故预警管理系统在研究铁路运输过程风险和危机的成因及发展规律基础上，建立总体评价模型、安全隐患诊断智能系统，以对事故发生进行预警。
3.2.1铁路行车安全状况总体评价
采取多指标体系的安全综合评价方法，建立铁路行车安全状况评价模型，系统可以实时给出铁路行车安全动态指数。
根据系统分析将行车安全的影响因素按车务系统、客运系统、货运系统、机务系统、工务系统、电务系统、车辆系统等进行分类，再对每一类进行详细分析。
在每个系统里选择若干重要的指标，指标选取要有层次性，还依据在对历史数据
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