本专著是西南交通大学高速铁路运输组织研究团队近10余年来所承担国家科技部、国家自然科学基金委、中国国家铁路集团（中国铁路总公司、铁道部）关于铁路调度指挥风险分析理论与方法研究的相关课题研究成果的系统总结，涵盖了高速铁路调度指挥系统风险分析、调度系统运行稳定性演化机理、与调度指挥相关的环境和设备类风险分析、行车调度人员可靠性及疲劳机理、风险预警理论及系统等相关内容，是高速铁路调度指挥系统风险分析与预警理论领域的本专著，是新科研成果的集成。

本书为十三五国家重点出版物出版规划项目、中国高速铁路基础研究论丛之一，具有很高的理论水平和实用价值，对准确地辨识各类影响调度指挥决策及行车安全的风险因素,把握高速铁路调度指挥风险演变的规律,预测列车运行态势风险,实现高速铁路调度指挥风险预警及主动控制,确保高铁运营安全,提升高铁调度指挥智能化决策及风险管理水平具有重要的现实意义.

自京津城际高速铁路建成投入运营以来,中国已建成世界上里程长、现代和发达的高铁网。其安全、快速、正点、舒适、环保等优越性能越来越得到广大人民群众的青睐和认可。
高速铁路调度指挥是高速铁路运输组织的核心工作,安全、正点、高效是高速铁路运输的基本原则,及时应对各类风险和突发事件并做出有效处置是高速铁路调度指挥的重要任务之一。高速铁路调度指挥面临的诸多风险,给调度员增加了大量的工作压力,影响高速铁路调度指挥安全和效率。例如,构成系统的人-机-环-信息-决策异常复杂,系统时变信息使高速铁路列车运行及调度指挥具有高度动态性和随机性特征;调度员在调度过程中需要接收和处理大量的信息,调度员需要全面高效掌握系统运行状态并及时做出正确决策;调度决策的质量直接影响高速铁路的运输效率和行车安全。
组成高速铁路调度指挥系统的人-机-环-信息-决策等因素和环节可能在不同条件作用下对系统的稳定和安全产生影响,轻则使系统工作不稳定、运输组织秩序紊乱,重则诱发重大行车事故。因此,准确地辨识各类影响调度指挥决策及行车安全的风险因素,把握高速铁路调度指挥风险演变的规律,预测列车运行态势风险,实现高速铁路调度指挥风险预警及主动控制,对于确保高铁运营安全,提升高铁调度指挥智能化决策及风险管理水平具有重要的现实意义。凝练我国高速铁路调度指挥实时风险分析预警及主动安全控制理论与关键技术,将能为我国智能调度提供理论和技术支持,是中国铁路调度指挥行业标准的重要组成部分,为交通强国、铁路先行和高铁走出去战略提供重要支撑。
西南交通大学高速铁路调度指挥研究团队10余年来承担了科技部、国家自然科学基金委、中国国家铁路集团有限公司(包括原中国铁路总公司、铁道部)关于铁路调度指挥理论与方法研究的相关课题近20项,取得了较多的研究成果。例如,团队依托国家自然科学基金高铁联合基金项目高速铁路调度指挥系统协同理论、预警机理、报警控制及可靠性评价研究(20132016)的研究,分析了高速铁路调度指挥系统组织结构的协同有序性以及高速铁路调度指挥系统危险源,研究了高速铁路调度指挥系统协同机理、危险源辨识及风险演化和预警机理等;基于高速铁路调度指挥系统组织结构协同有序性,建立了高速铁路调度指挥系统纵向结构协同有序度模型与行车调度台及其他专业调度台设置模型;基于风险演化机理,建立了高速铁路调度指挥风险传播模型、行车调度员疲劳生成与发展模型;基于预警机理与主动安全控制方法,建立了高速铁路列车运行控制信息传递模型、高速铁路调度指挥信息传递安全预警模型、高速铁路列车运行图冲突预警模型以及不同条件下列车运行实时调整模型等,提出了高速铁路行车调度员合理工作负荷的计算方法、高速铁路调度资源(调度台)配置理论与方法、高速铁路与既有线调度指挥协同度评价方法及高速铁路调度指挥纵向、横向、合作协同理论,为高速铁路调度指挥智能化提供了理论基础。再如,依托中国铁路总公司科技开发重大项目高速铁路调度指挥实时风险分析预警关键技术研究的研究(20162018),分析了环境风险、设备风险、人员风险以及环境风险、设备风险对运力资源的影响,研究了调度员的疲劳风险以及行调的疲劳演化规律,研究了各类风险的演变规律及其对列车运行的影响程度,建立了基于系统动力学的事件驱动型风险传播模型,提出了各类风险预警流程、预警级别判定以及应急处置的方法,设计了高度铁路调度指挥实时风险分析预警系统,实现了实时风险预警,为科学管理调度负荷提供了依据。
研究团队通过梳理和凝练上述成果形成了本专著。本书共分11章。第1章概要叙述了高速铁路调度指挥系统预警技术的国内外研究现状,第2章主要对行车调度系统运行稳定性演化机理进行研究,第3章全面系统地分析高速铁路调度系统的风险,第4章从环境和设备角度分析行车调度系统运行风险,第5章主要分析行车调度人员在调度指挥过程中的人因失误,第6章主要研究高铁调度人员在调度指挥工程中的疲劳演变机理,第7章主要研究高速铁路调度指挥系统专业调度台设置理论,第8章主要研究高速铁路调度指挥系统环境风险预警原理,第9章主要研究高速铁路运力资源管理与预警方法,第10章介绍并设计高速铁路调度指挥实时风险分析预警原型系统,第11章主要介绍高速铁路调度指挥危险源及风险预警系统数据库。
本书由西南交通大学彭其渊、鲁工圆、文超,四川省铁路产业投资集团公司杨奎,长安大学徐培娟共同完成。其中第1至5章由彭其渊、徐培娟、文超撰写,第6~7章由彭其渊、杨奎、鲁工圆撰写,第8~11章由彭其渊、鲁工圆、文超撰写。全书由彭其渊统稿。
在资料收集、调研和文本写作过程中,得到了中国国家铁路集团有限公司调度指挥中心,中国铁道科学研究院集团有限公司,中国铁路广州局、北京局、成都局、武汉局、济南局、上海局、沈阳局、郑州局集团有限公司调度所等单位有关领导和专家的大力支持和热忱帮助。在此,谨向他们表示诚挚的谢意。特别感谢中国工程院何华武院士以及中国国家铁路集团有限公司赵春雷、
庄河、祝建平、郭吉安、谭立刚、王华、彭强、黄华、王斌、汤奇志、刘俊等在课题研究和书稿撰写过程中给予的大力支持和帮助。特别感谢李登辉、陈睿玮、薄中旭、冯丽萍、冯予莛、张贤淼、张永祥、罗洁、闫旭、文雯、赵华铭、彭慧等研究生在数据收集和文稿整理过程中所做的大量工作。
本书的出版得到了国家自然科学基金委员会-中国铁路总公司高速铁路基础研究联合基金资助项目高速铁路调度指挥系统协同理论、预警机理、报警控制及可靠性研究(U1234206)和基于协同指挥的高铁智能调度理论与方法研究(U1834209)的资助,同时被列为十三五国家重点出版物出版规划项目。
书中参阅了大量的国内外著作、教材、学术论文和有关文献,在此谨向这些文献的作者表示深深的谢意。
由于本书涵盖内容较多,加之我国高速铁路建设及运营管理的理论和技术在不断发展,同时限于作者的水平,在全书内容的组织和文献材料的取舍方面,难免存在诸多不当和疏漏之处,诚请国内外同行和专家及各位读者批评指正。

彭其渊，男，1962年7月生，重庆涪陵人，工学博士，教授，博士生导师，教学名师奖获得者，国家首批万人计划入选者， 四川省学术带头人，综合交通运输智能化国家地方联合工程实验室主任，交通运输实验教学示范中心负责人。 主持、省部级及横向各类项目70余项，发表学术论文180余篇，其中70多篇被三大检索收录。主编规划教材3部、其他专著和教材7部。获铁道部科技进步一等奖、中国铁道学会科技奖、茅以升铁道科技奖、詹天佑铁道科学技术成就奖等奖励和荣誉称号10余项，获国家教学成果奖4项。

鲁工圆,博士, 西南交通大学交通运输与物流学院副教授、博士生导师，运输工程系副主任，长期从事轨道交通运输组织仿真与优化领域研究。主持解放军总装备部项目、青年基金、重点专项子任务等纵横向项目10项，参与高铁联合基金、国铁集团重大项目等课题19项。发表期刊论文50篇，包括Transportation research Part B, 科学通报等国内外顶刊，出版教材4部、申请发明专利10项，软件著作权4项。曾获中国铁道学会科学技术一等奖、四川省优秀研究生学位论文奖等。

徐培娟，女，1989年生，山东聊城人，工学博士，长安大学运输工程学院讲师，西南交通大学交通运输规划与管理专业毕业，获工学博士学位。现主持有国家自然科学基金、陕西省自然科学研发计划等项目，曾作为技术骨干参与国家自然基金高铁联合基金的研究工作。目前发表论文及专利等成果近20项，其中包括有Transportation Research Part-B等SCI期刊论文。主要研究方向：列车运行调整与优化，高速铁路运营安全管理，轨道运营组织及管理。

杨奎，男，1985年生，四川万源人，工学博士，西南交通大学交通运输规划与管理专业毕业。现工作于四川省铁路产业投资集团，主要从事路网规划研究及建设管理工作。主要研究方向：铁路调度指挥理论与方法、轨道交通运输组织、系统建模与仿真技术研究，研究成果获得重庆市科技进步二等奖。

文超，男，1984年5月生，江西宜春人。工学博士，副教授，硕士生导师。主持国家自然科学基金青年基金1项、高等学校博士学位点专项研究基金（新教师）1项、四川省教育厅科技项目1项，参与及省部级项目十余项。以作者（通讯作者）发表学术论文34篇，包括：SCI 源刊3篇、EI数据库收录15篇、CSCD核心库收录4篇、Springer数据库收录3篇、中文核心期刊论文4篇。主编、参编专著和教材3部，高速铁路概论MOOCs课程主讲教师。曾获中国铁道学会科技奖二等奖1项。

第1章 绪 论……………………………………………………………………………… 1
1.1 研究背景 ……………………………………………………………………………… 1
1.1.1 预警技术及系统概述 …………………………………………………………… 1
1.1.2 铁路运输调度指挥及预报警系统 ……………………………………………… 2
1.2 国内外研究现状 ……………………………………………………………………… 3
1.2.1 高速铁路运营调度指挥系统 …………………………………………………… 3
1.2.2 高速铁路调度指挥系统安全保障 ……………………………………………… 4
1.2.3 铁路行车安全预警、冲突管理理论研究………………………………………… 4
1.2.4 铁路调度指挥可靠性研究 ……………………………………………………… 6
1.3 我国铁路调度指挥体系及其工作机制 ……………………………………………… 6
1.3.1 我国铁路调度指挥体系结构 …………………………………………………… 6
1.3.2 我国铁路调度指挥工作机制 …………………………………………………… 8
第2章 行车调度系统运行稳定性演化机理 ……………………………………………… 15
2.1 行车调度系统界定…………………………………………………………………… 15
2.1.1 行车调度系统的构成及任务…………………………………………………… 15
2.1.2 系统的不稳定性状态转移……………………………………………………… 17
2.1.3 耗散结构理论及应用…………………………………………………………… 18
2.2 基于耗散结构理论对行车调度系统熵的计算……………………………………… 19
2.2.1 耗散结构理论适用性分析……………………………………………………… 19
2.2.2 行车调度系统的熵……………………………………………………………… 20
2.2.3 行车调度系统的熵值变化……………………………………………………… 21
2.2.4 行车调度的熵流………………………………………………………………… 22
2.2.5 行车调度的熵源………………………………………………………………… 24
2.3 行调系统的涨落及状态演化………………………………………………………… 27
2.3.1 涨落基本概念…………………………………………………………………… 27
2.3.2 行车调度系统的涨落…………………………………………………………… 28
2.3.3 涨落对行车调度系统的作用…………………………………………………… 30
2.3.4 行车调度系统不同状态演化过程……………………………………………… 31
第3章 高速铁路调度指挥系统风险分析 ………………………………………………… 33
3.1 风险与危险的联系与区别…………………………………………………………… 33
3.2 调度系统危险源辨识………………………………………………………………… 34
3.3 调度系统危险源特征………………………………………………………………… 36
3.4 调度系统风险等级划分方法………………………………………………………… 37
第4章 环境和设备类的行车调度运行风险分析 ………………………………………… 39
4.1 影响行调系统运行的环境和设备类运行风险发生频率分析……………………… 39
4.1.1 机械设备的故障率分析………………………………………………………… 39
4.1.2 环境对设备可靠性造成的影响………………………………………………… 40
4.1.3 危险因素发生频率历史统计分析……………………………………………… 41
4.1.4 危险因素分类及频率分析……………………………………………………… 43
4.1.5 危险因素的发生频率的概率密度估计………………………………………… 47
4.2 危险因素对列车晚点危害程度分析………………………………………………… 54
4.2.1 晚点列车数统计分析…………………………………………………………… 54
4.2.2 晚点列车数与危险因素作用关系分析………………………………………… 55
4.2.3 危险因素造成的危害程度分析………………………………………………… 56
4.3 环境和设备类危险因素对应的风险等级的划分…………………………………… 57
第5章 行车调度员人因失误分析 ………………………………………………………… 60
5.1 人因失误率预测技术………………………………………………………………… 60
5.1.1 人因失误概述…………………………………………………………………… 60
5.1.2 人因失误率计算方法(THERP)……………………………………………… 62
5.2 行车调度员人因失误概述…………………………………………………………… 64
5.3 基于THERP理论的行调人因失误率静态分析…………………………………… 67
5.4 基于马尔科夫链理论人因失误率动态分析………………………………………… 70
5.4.1 马尔科夫链基本理论…………………………………………………………… 70
5.4.2 基于马尔科夫理论的行车调度人员状态转移………………………………… 71
5.5 实例分析……………………………………………………………………………… 73
5.5.1 行车调度员执行任务时的动作单元界定……………………………………… 73
5.5.2 行调人因静态失误率…………………………………………………………… 74
5.5.3 行调人因失误动态状态概率…………………………………………………… 76
第6章 高速铁路调度员疲劳机理 ………………………………………………………… 78
6.1 调度人员疲劳风险分析……………………………………………………………… 78
6.1.1 疲劳的影响和危害……………………………………………………………… 78
6.1.2 行车调度员疲劳程度发展规律………………………………………………… 79
6.2 调度人员疲劳监测方法……………………………………………………………… 79
6.2.1 疲劳监测功能需求分析………………………………………………………… 79
6.2.2 疲劳监测体系架构设计………………………………………………………… 81
6.2.3 调度员疲劳监测模块功能结构设计…………………………………………… 83
6.2.4 疲劳监测方法的实现…………………………………………………………… 84
6.3 行车调度员疲劳规律实例研究……………………………………………………… 92
6.3.1 行车调度员疲劳程度数据的采集与处理……………………………………… 92
6.3.2 行车调度员疲劳程度及发展变化过程………………………………………… 93
第7章 高速铁路调度指挥系统专业调度台设置理论 …………………………………… 95
7.1 高速铁路调度指挥系统专业调度台设置概述……………………………………… 95
7.1.1 高速铁路调度指挥系统专业调度台的重要性………………………………… 95
7.1.2 高速铁路调度指挥系统专业调度台设置原则………………………………… 96
7.1.3 高速铁路调度指挥系统专业调度台设置思路………………………………… 97
7.2 高速铁路调度指挥系统行车调度台设置…………………………………………… 97
7.2.1 高速铁路行车调度台设置影响因素…………………………………………… 97
7.2.2 高速铁路行车调度工作负荷评估……………………………………………… 99
7.2.3 行车调度工作负荷与管辖区段繁忙程度的关系 …………………………… 103
第8章 高速铁路调度系统环境风险预警………………………………………………… 105
8.1 高速铁路环境风险分类 …………………………………………………………… 105
8.1.1 高速铁路环境风险组成 ……………………………………………………… 105
8.1.2 高速铁路环境风险特征 ……………………………………………………… 105
8.1.3 高速铁路环境风险的时空分布规律 ………………………………………… 106
8.2 高速铁路环境风险分析 …………………………………………………………… 107
8.2.1 大 风 ……………………………………………………………………… 107
8.2.2 降 雨 ……………………………………………………………………… 108
8.2.3 降 雪 ……………………………………………………………………… 109
8.2.4 雷 电 ……………………………………………………………………… 109
8.2.5 大 雾 ……………………………………………………………………… 110
8.2.6 地 震 ……………………………………………………………………… 110
8.2.7 异物侵限 ……………………………………………………………………… 110
8.3 环境风险影响下高速铁路调度指挥的应急处置流程分析 ……………………… 111
8.3.1 大 风 ……………………………………………………………………… 111
8.3.2 降 雨 ……………………………………………………………………… 112
8.3.3 降 雪 ……………………………………………………………………… 112
8.3.4 雷 电 ……………………………………………………………………… 113
8.3.5 大 雾 ……………………………………………………………………… 113
8.3.6 地 震 ……………………………………………………………………… 113
8.3.7 异物侵限 ……………………………………………………………………… 113
8.3.8 实例分析 ……………………………………………………………………… 114
8.4 高速铁路环境风险预警原理 ……………………………………………………… 115
8.4.1 基于灰色关联度分析法的高速铁路环境灾害风险分析 …………………… 115
8.4.2 灰色关联度计算 ……………………………………………………………… 117
8.4.3 关联度计算结果分析 ………………………………………………………… 123
第9章 高速铁路运力资源管理与预警…………………………………………………… 125
9.1 调度指挥运力资源分析 …………………………………………………………… 125
9.1.1 运力资源运用的特点 ………………………………………………………… 125
9.1.2 高速铁路运力资源分类 ……………………………………………………… 125
9.2 预警总体流程与级别划分方法 …………………………………………………… 126
9.2.1 预警总体流程 ………………………………………………………………… 126
9.2.2 预警级别总体划分方法 ……………………………………………………… 127
9.3 区间线路冲突预警技术 …………………………………………………………… 128
9.3.1 区间线路冲突判定 …………………………………………………………… 128
9.3.2 区间线路冲突预警关键技术 ………………………………………………… 129
9.3.3 区间冲突预警流程与级别判定 ……………………………………………… 134
9.4 到发线运用冲突预警技术 ………………………………………………………… 135
9.4.1 到发线运用冲突判定 ………………………………………………………… 135
9.4.2 到发线运用冲突预警流程与级别判定 ……………………………………… 135
9.5 动车组运用冲突预警技术 ………………………………………………………… 137
9.5.1 动车组运用冲突判定 ………………………………………………………… 137
9.5.2 动车组运用冲突预警流程与级别判定 ……………………………………… 137
9.6 乘务组运用冲突预警技术 ………………………………………………………… 139
9.6.1 乘务组运用冲突判定 ………………………………………………………… 139
9.6.2 乘务组运用冲突预警流程与级别判定 ……………………………………… 139
第10章 高速铁路调度指挥实时风险分析预警系统设计 ……………………………… 141
10.1 系统功能需求分析及总体功能框架……………………………………………… 141
10.1.1 系统功能需求分析…………………………………………………………… 141
10.1.2 预警系统总体功能框架……………………………………………………… 144
10.2 预警卫士模块设计………………………………………………………………… 146
10.2.1 环境风险预测模块…………………………………………………………… 146
10.2.2 设备风险预测模块…………………………………………………………… 147
10.2.3 运力资源风险预测模块……………………………………………………… 148
10.3 应急处置管理模块功能设计……………………………………………………… 148
10.3.1 应急辅助决策模块…………………………………………………………… 148
10.3.2 应急预案智能匹配模块……………………………………………………… 149
10.3.3 应急处置管理模块…………………………………………………………… 152
10.3.4 系统部署与测试……………………………………………………………… 152
第11章 高速铁路调度指挥风险预警系统数据库设计 ………………………………… 156
11.1 风险预警系统数据库分析………………………………………………………… 156
11.1.1 风险预警系统数据库需求分析……………………………………………… 156
11.1.2 开发与运行环境选择………………………………………………………… 157
11.2 风险预警系统数据库设计与实现………………………………………………… 157
11.2.1 非结构化数据的结构化处理………………………………………………… 157
11.2.2 预警系统数据库结构设计…………………………………………………… 158
11.3 风险预警数据库操作……………………………………………………………… 164
11.3.1 数据库创建、配置和连接 …………………………………………………… 164
11.3.2 数据录入、查询及修改 ……………………………………………………… 168
参考文献……………………………………………………………………………………… 170