铁路信号系统作为铁路运输重要的基础设施技术设备，能够在保证列车运行安全的基础上，提高铁路线路运用效率^[1]。合理、高效的信号机布点方案是保障铁路运营安全的基础技术条件。

对铁路区间信号机布点相关问题的研究，可以分为区间信号机布点理论研究与工程应用软件开发两个方面。理论研究方面，高国隆等人^[2]研究了高速铁路长大下坡道情况下区间通过信号机布点问题，构建高速铁路闭塞分区布置优化模型，并使用遗传算法进行求解。石修路等人^[3]全面地阐述了高速铁路闭塞分区划分的一系列流程与算法，并对一段实际的长大下坡道的线路进行了检算，论证了一般闭塞分区划分流程的有效性。贺广宇等人^[4]申请了“闭塞分区长度符合性检算方法与平台”专利，阐述了使用列控车载设备制动模型对高速铁路闭塞分区划分方案进行检算的流程。在铁路区间通过信号机布点辅助设计系统开发方面， 中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所^[5]开发了基于列控车载设备制动曲线的高速列车牵引计算平台，可用于区间的一组闭塞分区长度合理性检算。

高速线路信号机布点方案需要通过列车超速防护系统（ATP，Automatic Train Protection system）列控设备算法的检算。目前国内外的理论研究存在对于高速条件下ATP控车的适应度不充分、各种模型独立研究没有进行整合等问题，且目前使用的设计系统为应用开发较早期阶段，存在一些局限性。本文旨在研究铁路区间信号机布点辅助设计系统的技术方案并进行系统原型实现，系统既能完成普速铁路线路的布点方案，也能适应高速铁路线路的布点要求，能够进行ATP合理性检算等。

1   需求分析

针对我国铁路计算机系统的特点，铁路区间信号机布点辅助设计系统应该能在使用Windows系列操作系统的本地单机上良好运行，不考虑联网协作。

铁路区间信号机布点辅助设计系统涉及大量的基础数据与项目数据，使用者应能够进行查看、修改等操作。系统的数据需求主要集中在3部分，即线路数据、列车数据、其他参数数据。

功能需求主要有4部分：

（1）数据管理。系统能提供简洁、合理的数据管理方式，对系统有关数据的管理。系统提供数据接口，支持外部文本、Excel等格式数据文件的录入。

（2）列车牵引计算。系统提供传统列车牵引计算和基于列控ATP车载设备防护的列车牵引计算功能。系统提供最快速度牵引计算策略、节能策略和手动计算策略。

（3）区间通过信号机布点。系统能够根据普速铁路、高速铁路的不同闭塞类型及车载列控方式，生成信号机方案，计算闭塞分区的长度和信号机的位置。系统提供自动布点功能，并提供列车的起动检算、制动距离检算和ATP制动距离检算等。

（4）区间追踪间隔时间计算。系统提供不同信号制式、不同车载设备的列车追踪间隔的计算，并输出区间追踪间隔时间计算结果。

与此同时，系统应提供各种示意图绘制、指标统计报表输出及数据接口等基础功能。

2   总体架构及功能分析

2.1   总体架构

铁路区间信号机布点辅助设计系统在设计阶段需要遵循：安全性原则、实用性原则、可扩展原则和人机交互原则。系统的总体架构，如图1所示。

图  1  系统总体架构

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（1）用户界面层包括人机交互图形界面和所有的业务接口。人机交互界面为计算机系统直接向使用者展示信息的界面，使用者通过界面完成对系统的设置与计算流程的选择。各个业务接口嵌入图形界面中，达到使用者对系统进行操作的目的。

（2）业务层为系统数据提取、数据修改、数据计算、结果生成的主要计算与输出打印、外部组件交互功能的实现层。系统所有的业务内容均在这一层运算生成。

（3）数据层实现系统对数据库的读写、对计算参数文件的读取与结果存储操作，同时数据保护和数据加密保护功能也在这一层进行。

（4）底层硬件为供系统正常运用的外部环境，包括数据库组件、主机系统、打印设备和显示设备等。

2.2   功能架构

系统由数据管理子系统、列车牵引计算子系统、信号机布点子系统和统计输出子系统4部分组成，系统功能架构，如图2所示。

图  2  系统功能架构

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铁路区间信号机布点辅助设计系统汇集期间通过信号机布点的有关数据，利用计算机计算精度高、计算速度快、善于进行重复作业和计算结果可靠的特点，为区间通过信号机的布点问题提供全流程的数据支撑，能够输出符合规定与标准的设计方案。铁路区间信号机布点辅助设计系统的4个子系统，功能上相互嵌合，运行逻辑上相互支撑。

（1）数据管理子系统对信号机布点有关基础数据进行高精度、高复用存储，避免每次人工输入错误数据问题的可能性。此外，数据管理子系统还可以根据外部更新数据升级自身基础数据，例如导入新车型的数据文件后可自动录入参数，提升了系统的实用性与可扩展性，延长了系统的生命周期。

（2）列车牵引计算子系统能够根据不同的运行状况与特点选定不同的计算参数，并精细地进行列车牵引计算，以计算列车制动距离、计算追踪间隔、绘制VT-S曲线、计算列车能耗、检验起车条件、检验电分相区出相速度是否大于规定值等功能，能够为设计、运营和研究人员提供良好的计算支撑。

（3）信号机布点子系统对布点方案进行全方面管理。子系统能够根据设置，自动生成布点初始方案，能自动优化生成改进方案，能对当前方案进行手工调整，能对当前方案进行列车运行间隔检算。

（4）统计输出子系统能够将系统生成的布点方案输出，生成区间通过信号机布置图、相应统计指标与报表。

3   关键技术

3.1   电分相区信号机布点策略

电气化铁路分区域进行供电，不同变电所供电区域的交界处就是电分相区。电分相区是电气化铁路无电的中性区。在铁路区间通过信号机布点辅助设计系统中，电分相区的物理标记、元器件位置数据应作为线路数据的一部分输入系统，或作为补充数据在牵引计算阶段补充输入。在进行区间通过信号机布点时，应该设定电分相区前、后信号机的最小距离，以避免将区间通过信号机放置在电分相区内；同时，保证电分相区入相速度与出相速度能达到《高速铁路设计规范》的要求。

电分相区前信号机最小距离的确定是为了避免列车在信号机前停车后，再次启动因速度过低而无法通过电分相区域。电分相区前信号机的距离计算，可以通过多组距离与坡度的试算来确定^[6]。

试算过程表示如下：

（1）设定电分相区前信号机距离（列车启动牵引距离，如从100 m开始），取电分相区内最不利坡度的值作为整个区段的设定坡度（如9‰）。

（2）计算列车在设定条件下以最大牵引力启动条件下，进入电分相区的速度（入相速度）；计算列车在电分相区内惰行后离开电分相区的速度（出相速度）。

（3）判断出相速度是否大于有关规定的出相速度最低值10 km/h。若满足要求，则（1）中设定的距离可以作为电分相区前信号机距离的最小值，计算结束；若不满足要求，则应该将（1）中设定的距离延长一定步长（如50 m），返回（1）继续计算。

电分相区后信号机最小距离的确定是为了确保列车在通过电分相区后能在信号机前停车。普速列车电分相区后信号机距离应≥400 m，困难条件下应≥300 m^[7]。应根据有关设计标准，动车组列车设定电分相区后信号机最小距离。

3.2   信号机布点方案生成模型

信号机布点受到多种因素影响，如不同信号制式、线路条件、线路运行的不同列车种类、列车制动距离、列车安全防护距离、轨道电路长度限制和电分相区位置等。铁路区间通过信号机布点是一个复杂的优化问题，目标是在各影响因素的制约下获得最优解。本文将列车追踪间隔时间最小作为区间通过信号机布点的目标函数。当信号机间距足够小的情况下，列车追踪间隔时间能够降低，但信号机数量增加会使得成本较高，可行的解决方法是将信号机的总数设置为一个确定的值。

使用现代启发式算法的求解过程，可以视为在信号机布点方案的可行解集合中搜索目标函数值即列车追踪间隔时间尽可能小的方案过程。本文使用遗传算法生成可行的信号机布点方案，并通过牵引计算得到布点方案的列车追踪间隔和制动距离、计算得到适应度，依照适应度进行方案的优化。

模型以区间通过信号机的数量n作为先行确定的参数输入，以缩小解集、加快求解速度。n的取值范围可以用下式确定

其中，${l_{\max }}$为信号机最大间隔，即闭塞分区最大；${l_{\min }}$为最小间隔，即最小长度。根据经验，准移动闭塞条件下${l_{\max }}$一般取3 000 m，${l_{\min }}$需要根据线路具体条件确定。在区间通过信号机数量n一定的条件下，以列车追踪间隔最小为目标的目标函数表示为

其中，第i个闭塞分区的追踪间隔为I_i，$i=1,\cdots ,n+1$；${I}_{到}$为到达追踪间隔；${I}_{发}$为出发追踪间隔；${I}_{通}$ 为通过追踪间隔。

${I}_{追}^{普速}$为普速列车追踪间隔；${I}_{到}^{普速}$为普速列车到达追踪间隔；${I}_{发}^{普速}$为普速列车出发追踪间隔；${I}_{通}^{普速}$为普速列车通过追踪间隔。

${I}_{追}^{高速}$为高速列车追踪间隔；${I}_{到}^{高速}$为高速列车到达追踪间隔；${I}_{发}^{高速}$为高速列车出发追踪间隔；${I}_{通}^{高速}$为高速列车通过追踪间隔。

式中，${L}_{闭}$为相应闭塞分区长度；${L}_{列}$为前后两辆列车长度的平均值；${v}_{区间}$为列车区间内平均速度；${L}_{咽喉}$为从进站信号机到反向出站信号机之间的线路长度；${v}_{到达}$为列车到达作业过程的平均速度；${t}_{作业}$取30 s；${v}_{出发}$为列车出发作业过程的平均速度；${L}_{站}$为从进站信号机到出站信号机的线路长度；${L}_{岔}$为从出站信号机到车站最外侧道岔远点的线路长度；${v}_{通过}$为列车通过作业过程的平均速度；${L}_{制}$为制动距离；${L}_{防}$为安全防护距离；防护点在车站前取60 m，否则取110 m；${L}_{列}$为前方列车长度；${L}_{标}$为从停车标到出站信号机的线路长度。

区间通过信号机布点方案的解集包含可行解与非可行解，本文使用信号机间距、电分相区位置关系、列车制动距离等约束条件。

（1）信号机间距约束：信号机之间的距离不小于最小间隔、不大于最大间隔。

线路区段起点、终点为起点车站、终点车站的中心线位置，默认起点车站位置为0；第i个信号机位置${x^i}$，i=0,···, n+1，将起点、终点车站的中心线作为广义的信号机位置考虑；第i个闭塞分区的长度${l^i} = {x^i} - {x^{i - 1}}$，i=1,···, n+1，区段i指信号机i之前的分区；信号机布点方案$X = \{ {x^0},{x^1}, \cdots ,{x^n},{x^{n + 1}}\}$；信号机最大、最小间隔${l_{\max }}$、${l_{\min }}$。

（2）信号机与电分相区位置约束：电分相区j与电分相区j前、后一定距离的区段在同一个闭塞分区内。模型的每一次交叉及变异操作均需判断是否符合电分相区位置约束。

式（6）需要先判断电分相区j所处的闭塞分区的位置。其中，电分相区个数m输入确定；第j个电分相区入口、出口位置$d_r^j$、$d_c^j$输入确定；第j个电分相区前信号机最小间距$d_q^j$，根据电分相区启动检算确定输入；第j个电分相区后信号机最小间距$d_h^j$，一般根据经验取值。

（3）列车制动距离约束：以高速铁路线路为例，轨道电路可以传递L5码表示列车运行前方至少有7个闭塞分区空闲，因此需要确保列车在L5码追踪的条件下，能够在越过每个信号机后的7个闭塞分区长度之和内安全制动停车。

其中，${l^I}$ 即已经声明的变量 ${l^i}$ 闭塞分区长度，为了区分上标而使用了大写；$l_z^i$ 为越过第i个信号机后进行制动的制动距离，包括空走距离与制动距离，在牵引计算模块中求得；${l}_{安全}$为安全距离，车站内取30 m，区间内取110 m。

在系统设计中，列车制动距离约束因为需要调用牵引计算模块的计算结果，与已有目标函数的列车追踪间隔需要调用牵引计算模块相同；且不易在初始方案生成阶段判定制动距离是否符合约束。因此将列车制动距离约束作为惩罚函数${P_{break}}$写入适应度函数中。当制动距离符合约束时，${P_{break}}$自动取0。将目标函数取倒数值作为遗传算法的适应度函数，${k_{break}}$为惩罚因子，模型的适应度函数fitness定义为

基于遗传算法是一种应用广泛的现代启发式算法。算法模拟自然界优胜劣汰、适者生存的进化过程，先随机生成一些个体（解）组成种群，对每个个体进行适应度计算，并对个体进行交叉、变异等操作，经过筛选与多次迭代后选择适应度值最佳的个体作为问题的最优解。模型实现步骤，如图3所示。

图  3  模型实现步骤

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模型的选择操作使用基本的轮盘赌选择法，并使用精英保留策略保留原有种群适应度值最优的个体到下一代。遗传算法的终止条件设定为种群迭代次数NumGeneration。当种群迭代次数达到NumGeneration时，结束遗传算法优化，当前得到的适应度值最大的方案即为最佳方案。

4   布点设计与实现

由于铁路区间信号机布点辅助设计系统应用场景为本地单机，选用轻量化的一体化系统架构开发，使用C#语言编写并基于.NET Framework 4.7.2架构实现，数据库使用MySQL并使用ADO.NET提供的组件对数据库进行操作。布点设计以高速线路信号布点的流程进行演示，主干业务流程如图4所示。

图  4  系统主干业务流程

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使用铁路区间信号机布点辅助设计系统进行布点设计时，有关数据存储在项目文件中，包括线路数据、牵引计算结果、信号机布点方案、结果数据等，便于方案管理。

项目数据管理模块可以选择查看、调整项目有关数据，包括线路数据、机车/动车组数据、编组数据和其他参数数据。一般而言，项目内数据在线路数据选定后不需要再修改，使用内置的数据即可以满足需求。对于动车组牵引力、制动力数据等高精度数据，设置数据保护，禁止普通使用者访问。一种可行的方法是检测登录名是否为管理员，或移除系统内查看高精度数据的方式。

在选定线路、停站数据后，确定列车编组信息，可进行牵引计算。铁路区间信号机布点辅助设计系统默认列车牵引计算策略为“最快速度策略”。

对区间信号制式、车载设备、安全防护距离和速度控制模式等信号机布点参数进行设置之后，可以选择半自动等间距布点或如图5所示设定闭塞分区长度限制、电分相区相对位置限制、初始闭塞分区长度（信号机数量）等参数生成自动布点方案。

图  5  区间信号机自动布点设定窗口

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5   结束语

本文结合铁路区间信号机布点辅助设计系统需求分析与软件设计逻辑，分析了软件总体结构，并对数据子系统进行了物理设计，对各个功能子系统进行了概念功能设计，设计、实现了信号机自动布点方案。对于列车牵引策略，本文默认使用最快速度策略，与列车运行实际存在一定差异，可以考虑对节能策略、手动步进牵引策略作进一步研究；并且动车组ATP型号众多，计算模型也有区别，本文对实际的ATP基本计算模型进行了基本阐述，有待深入研究，系统的配备有待完善；对于信号机布点辅助设计，在应用实际中应该根据使用者反馈进行更进一步的论证调整与优化。