列車運行計劃編制與驗證系統(tǒng)研究

胡亞峰

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

隨著我國城市化進程加快，城市交通堵塞和環(huán)境污染也日益嚴重。只有采用大客運量的軌道交通系統(tǒng)，才能從根本上解決城市公共交通問題。截至2011年底，我國大陸已有北京、上海、南京等13個城市建成軌道交通系統(tǒng)[1]，另有蘇州、寧波等22個城市在建或通過審批。

列車運行計劃規(guī)定了列車運行的時間與空間關系，是鐵路運營組織的基礎。該計劃包含列車在各車站的起停時間、作業(yè)方式、折返方式及所用車輛、出入庫路徑等。通過列車運行計劃，整個鐵路網(wǎng)的生產(chǎn)活動聯(lián)成一個整體，并有秩序地進行作業(yè)。與長距離軌道交通相比，城市軌道交通具有客流量大、客流時空分布不均衡、站間距短、車站配線少等特點，這給其列車運行計劃的編制帶來了諸多挑戰(zhàn)。

在城市軌道交通系統(tǒng)建設初期，需要考慮軌道交通系統(tǒng)建設規(guī)模、建設方案、車輛選型和系統(tǒng)建成以后的各種運營指標等，以指導軌道交通系統(tǒng)的建設；在系統(tǒng)建設后期，需要快速編制高效的列車運行計劃，以適應客流變化及線路改造，保障軌道交通系統(tǒng)高效和安全運營。這些都需要高效的列車運行計劃編制與驗證系統(tǒng)，以提升城市軌道交通網(wǎng)絡的運營效率和安全性。

本文結(jié)合北京全路通信信號研究設計院有限公司在該領域的研究成果，回顧當前國內(nèi)外研究進展，介紹系統(tǒng)總體結(jié)構和功能組成，詳細研究若干關鍵問題。需要指出的是，本文的研究背景為城市軌道交通，但相關研究成果對長距離軌道交通同樣具有借鑒意義。

2 研究進展

自上世紀50年代始，國外學者即開始研究利用計算機編制列車運行計劃[2]。日本注重人工智能方法，將計算機自動生成的解作為原始方案，再采用人機交互方式進行修正。前蘇聯(lián)著眼運輸生產(chǎn)上的實用性，應用計算機代替人工運算。荷蘭基于列車周期時刻表模型，開發(fā)了運行計劃編制的決策支持系統(tǒng)[3]。此外，美國、德國等國家也先后進行相關研究與實驗，取得了一些成果。我國自上世紀60年代也開始研究列車運行計劃編制問題。鐵道部科學研究院率先于1962年利用計算機鋪劃非平行運行圖。西南交通大學引入專家系統(tǒng)，研究了運行計劃編制中的人工智能問題，并設計了全路運行圖編制系統(tǒng)[4]。

在城市軌道交通領域，國外對列車運行計劃編制的研究起步較早，且有較成熟的軟件產(chǎn)品。西門子公司于1998年開始研制名為“Falko”的軟件[5]，用于鐵路系統(tǒng)時刻表的建立、驗證和運營仿真。它以完整的閉環(huán)交通控制系統(tǒng)為模型，提供實際運營過程的真實模擬，是高質(zhì)量、有效的時刻表編制與驗證系統(tǒng)。阿爾卡特、通用電氣、阿爾斯通等信號系統(tǒng)提供商也有各自配套的時刻表系統(tǒng)。國內(nèi)對該方向的研究落后于國外，但近幾年發(fā)展速度很快。同濟大學研制的TPM編圖軟件[6]，實現(xiàn)了運行計劃的計算機編制與調(diào)整，使運營部門擺脫了Excel等第三方工具，提高了生產(chǎn)效率。在牽引計算、列車運行仿真、運輸計劃優(yōu)化等方向，國內(nèi)學者做出了一定貢獻?？傮w而言，國內(nèi)研究成果覆蓋面較廣，但缺乏深度，也缺少有影響力的產(chǎn)品。

該領域國內(nèi)市場基本被國外信號公司主導，但國外公司產(chǎn)品往往與自身信號系統(tǒng)綁定，不提供基礎數(shù)據(jù)配置接口，且人機交互方式不適應國內(nèi)用戶習慣[7]。國內(nèi)公司的一些相關軟件產(chǎn)品也在地鐵運營公司和鐵路設計院有應用，但幾乎都集中于人工編制與人工調(diào)整等功能，在運行計劃優(yōu)化和高精度仿真驗證方面鮮有突破。

構建具有自主知識產(chǎn)權的列車運行計劃編制與驗證系統(tǒng)，是一項緊迫而又富有挑戰(zhàn)的任務。該系統(tǒng)涉及的客流預測與分析、列車運行計劃優(yōu)化、運營評估等依托于軌道交通運輸專業(yè)，而列車牽引建模與計算、信號系統(tǒng)仿真等又依托于信號控制專業(yè)。北京全路通信信號研究設計院有限公司組織各相關專業(yè)團隊，借鑒國內(nèi)外成功經(jīng)驗與先進技術，依托北京地鐵8號線等工程項目，對該領域進行了長期和深入的研究，取得了一些成果。

3 系統(tǒng)結(jié)構

列車運行計劃編制與驗證系統(tǒng)由基礎數(shù)據(jù)管理、運行計劃優(yōu)化編制、運行計劃人工編輯、仿真驗證和運行計劃輸出等5大模塊構成，總體結(jié)構和主界面分別如圖1、2所示。

3.1 基礎數(shù)據(jù)管理

基礎數(shù)據(jù)是列車運行計劃編制的基礎和依據(jù)，包括客流數(shù)據(jù)、線路數(shù)據(jù)、車輛數(shù)據(jù)、信號參數(shù)和時間標尺等。

客流數(shù)據(jù)指未來某一日期范圍內(nèi)的線路客流量預測數(shù)據(jù)，主要包括分時分方向斷面客流量、分時起訖點客流分布、分時分方向換乘量等。線路數(shù)據(jù)包括線路平面圖、平縱斷面、站場圖、車輛段分布等。車輛數(shù)據(jù)包括可用車輛的型號、數(shù)量、編組、牽引性能、初始分布等。信號參數(shù)描述了進路、保護區(qū)段、限速區(qū)段、ATC類型、聯(lián)鎖類型等信號細節(jié)信息。時間標尺規(guī)定了區(qū)間運行時間、停站時間、折返時間、出入庫時間、追蹤間隔時間等時間參數(shù)的默認值。

3.2 運行計劃優(yōu)化編制

運行計劃優(yōu)化編制是本系統(tǒng)的核心模塊。列車運行計劃按精細度可分為運力配置計劃、車輛計劃、運行計劃和進路計劃。

運力配置計劃編制是計劃優(yōu)化編制的第一步，主要依據(jù)客流預測結(jié)果和具體線路的折返站情況設置交路形式、停車方案和分時開行密度。車輛計劃是計劃優(yōu)化編制的第二步，以車輛使用數(shù)最小化為目標，考慮車輛種類及初始分布等約束條件，為每個單車次分配一輛列車，同時生成所需的出庫和入庫車次。運行計劃是計劃優(yōu)化編制的第三步，將車輛計劃精確到車站軌道，并確定具體的折返路徑。進路計劃是計劃優(yōu)化編制的最后一步，將運行計劃精細到進路區(qū)段，并考慮各進路區(qū)段間的互斥來保證計劃的合理性。

3.3 運行計劃人工編輯

運行計劃人工編輯貫穿于計劃編制全過程，通過一系列人機交互界面方便用戶修改編制結(jié)果。該模塊按功能可分為添加列車、修改列車、刪除列車、復制列車、交路合并和交路分拆等6部分。

添加列車功能供用戶人工增加單輛完整列車，可配置運行交路、運行時間、折返路徑等信息。修改列車功能供用戶修改已有列車的信息。刪除列車功能供用戶刪除已有的單輛或多輛列車。復制列車功能以已有列車為模板，單次增加多輛相似列車。交路合并和交路分拆功能分別用于兩輛列車合并和單輛列車分拆。通過以上功能，用戶可對運行計劃做出全面且合理的修改。

3.4 仿真驗證

該模塊對軌道交通各運行要素建模，并設置各類運行故障，以驗證列車運行計劃的合理性。運行要素包括客流、ATC、聯(lián)鎖和車輛牽引系統(tǒng)。

客流仿真用于模擬旅客在車站的動態(tài)行為，包括到站、安檢、過閘機、行走、排隊、等待、上車、下車和離站等行為。ATC仿真包括列車自動防護模擬和晚點情形下的自動調(diào)整策略模擬。聯(lián)鎖仿真指模擬信號機、道岔和進路間的相互制約關系。牽引計算指根據(jù)車輛牽引性能、線路平縱斷面及限速信息，動態(tài)計算列車的運行速度。模擬驗證過程中，列車運行情況和信號系統(tǒng)狀態(tài)同步顯示于圖形窗口上。

3.5 運行計劃輸出

運行計劃輸出模塊以多種形式輸出運行計劃，以滿足不同部門的使用需求。這些形式包括車底時刻表、車站時刻表、車次時刻表、進路計劃和運營評估結(jié)果。

車底時刻表指按車底編號輸出的時刻表，同一車底關聯(lián)的所有單車次按時間先后次序排列。車站時刻表指按車站輸出的時刻表，同一車站經(jīng)過的所有單車次按時間先后次序排列。車次時刻表指按單車次號次序輸出的時刻表。進路計劃包含了列車運行所需的詳細進路信息，供信號系統(tǒng)使用。運營評估結(jié)果指系統(tǒng)對運行計劃的分析評估信息，如列車運行計劃協(xié)調(diào)性、可實施性和安全性等。

4 關鍵問題研究

4.1 運力配置計劃優(yōu)化編制方法

運力配置計劃規(guī)定了線路的旅客輸送任務，其編制基礎是客流預測結(jié)果和線路信息。交路的起訖站依據(jù)客流空間分布密度和具體折返站情況設置，其形式包括單一列車交路、大小列車交路和共線列車交路等。各交路的站停方案和站停時間依據(jù)各站的斷面客流密度而定。交路的開行密度依據(jù)客流時間分布密度而定，需考慮追蹤間隔時間約束。

運力配置計劃的優(yōu)化目標可分為兩個層面，分別為面向運營單位和面向旅客。對于運營單位，需考慮運營成本與收益，這要求單車滿載率盡可能高。對于旅客，需考慮等待時間和換乘次數(shù)等服務質(zhì)量問題，這要求發(fā)車頻率盡可能高且盡量開行長交路。綜合考慮線路運營成本、旅客等待時間和旅行時間，定量分析三者間的關系，構建了多目標優(yōu)化模型，并應用啟發(fā)式算法處理和求解該模型，取得了較好的結(jié)果。

4.2 多車輛段的車輛計劃優(yōu)化策略

車輛計劃指為滿足運力配置計劃而制定的車輛使用計劃。單條線路可含多個車輛段（含停車場），各車輛段配置的車輛種類和數(shù)量也不一樣，這給車輛調(diào)度帶來了一定復雜性。車輛計劃的優(yōu)化目標為車輛使用數(shù)最小化，約束條件包括各車輛段存車線數(shù)、存車種類、存車數(shù)、最小出入庫時間、最小檢修周期、各折返站最小折返時間和各車站最大存車數(shù)等。此外，如車輛需在指定車輛段檢修，則需該車輛段的出庫車輛與入庫車輛一致；如要求各車輛段車輛均衡使用，則需要設置各車輛段的最小用車數(shù)。

針對該優(yōu)化問題，分別建立了車輛同向銜接模型、異向銜接模型、車站存車模型和出入庫模型。優(yōu)化方法上采取分步優(yōu)化策略。首先只考慮折返時間和車站最大存車數(shù)約束，同時增加必要的單車次，以最小化車輛使用數(shù)。其次考慮車輛段相關的各項約束關系，增加出庫車次和入庫車次。最后對車輛使用數(shù)進一步優(yōu)化，合并同一車輛段滿足最小檢修周期約束的車輛，并對同向車次間隔時間作平滑處理。對北京地鐵多條線路實施該優(yōu)化策略，在優(yōu)化效果和求解時間上都有一定優(yōu)勢，如圖3所示。

4.3 折返站作業(yè)流程建模與分析

列車運行計劃需進一步精確到軌道，并確定具體的折返路徑。折返站一般配置多條渡線或折返線。列車在折返站也相應存在多條折返路徑，可分為站前折返和站后折返兩大類。根據(jù)使用渡線或折返線的不同，各大類又可細分為若干小類。折返站的折返能力是影響線路運輸能力的主要因素之一。運行計劃編制中，需要通過優(yōu)化折返路徑與折返時機來實現(xiàn)列車正線運營與折返的有效銜接。

通過對列車在折返站的作業(yè)過程分析和分解，本系統(tǒng)自動提取關鍵位置點。分析各作業(yè)子過程間的關系可知，同一列車不同子過程在時間上存在接續(xù)關系，在空間上存在接續(xù)關系和選擇關系；不同列車子過程間的約束關系可分為相容、部分互斥和完全互斥3類關系。如此，折返站作業(yè)可視為離散事件驅(qū)動的動態(tài)系統(tǒng)，可建立基于事件驅(qū)動的狀態(tài)空間模型。如圖4所示，基于該模型，設計面向折返調(diào)度的遞推式算法，可有效確定運行計劃中各列車的占用軌道和折返路徑。

4.4 面向路網(wǎng)的運行計劃優(yōu)化方法

與單線路相比，軌道交通網(wǎng)絡的客流將呈現(xiàn)不同的特征，其運行計劃優(yōu)化問題也更復雜。從路網(wǎng)運營角度，必須進一步提高路網(wǎng)客流預測的準確性、各線路運力配置的均衡性和運行計劃的協(xié)調(diào)性。路網(wǎng)形成后，客流的產(chǎn)生、時間分布和空間分布特性都會發(fā)生變化。建立更準確有效的預測模型和分析技術，才能得到精準的網(wǎng)絡客流數(shù)據(jù)。運力配置的均衡性主要考慮換乘站，包括不同線路在換乘站的客流高峰時段不同時到達、延續(xù)時間不等及線路間換乘客流不均衡等情況。運行計劃的協(xié)調(diào)性主要考慮換乘旅客的方便和快捷，各線首末班車次發(fā)車時刻及各線列車在換乘站的到發(fā)時刻需協(xié)調(diào)，以盡可能減少乘客的換乘時間。

4.5 面向路網(wǎng)的運營仿真技術

軌道交通運營仿真按空間可分為車站、線路和路網(wǎng)等3個層次。車站仿真需模擬旅客到站、安檢、過閘機、行走、等待、排隊、上車、下車和離站全過程，需構建旅客模型、車站環(huán)境與設備模型和列車模型。線路仿真需模擬不同情形下列車在線路上的運行狀態(tài)及車流與客流的聯(lián)動關系，需構建客流模型、ATC模型、聯(lián)鎖模型和車輛牽引模型。路網(wǎng)仿真需模擬車站、線路和路網(wǎng)3層人流、車流和信號系統(tǒng)的集成聯(lián)動關系。

對客流、既有信號系統(tǒng)和車輛牽引系統(tǒng)建模，基于列車運行計劃，本系統(tǒng)可實現(xiàn)車站和線路仿真。系統(tǒng)可設置臨時限速、客流擁塞、車門故障和信號設備故障等各類運營場景，以多種速率進行反復試驗，從而對運行計劃與運行結(jié)果的內(nèi)在關系進行評估。實際運營中很難實施的極限實驗和突發(fā)情況可以在此系統(tǒng)上得以復現(xiàn)和研究。

4.6 運營評估理論與方法

運營評估從車站、線路和網(wǎng)絡等不同層面上對軌道交通路網(wǎng)運營能力進行分析與評估。運營評估的數(shù)據(jù)來源于歷史運營數(shù)據(jù)和列車運行計劃的仿真結(jié)果。評估方法包括線路運輸能力、路網(wǎng)運輸能力、列車運行計劃協(xié)調(diào)性和可實施性、換乘站銜接、首末車銜接、實際運營效果和運營安全性等。通過研究運營評估理論和方法，可為高效配置路網(wǎng)資源、保障安全運營和提高服務水平提供科學依據(jù)，為運營部門提供決策支持，實現(xiàn)路網(wǎng)整體效益的提升。

5 結(jié)語

隨著城市軌道交通路網(wǎng)的逐步建成，列車運行計劃編制與驗證系統(tǒng)將對路網(wǎng)安全高效運營發(fā)揮日益重要的作用。本文結(jié)合北京全路通信信號研究設計院有限公司研究成果，回顧了國內(nèi)外研究進展，介紹了系統(tǒng)總體結(jié)構和功能組成，詳細分析了其中幾個關鍵問題。研制具有自主知識產(chǎn)權的列車運行計劃編制與驗證系統(tǒng)，是一項緊迫而又富有挑戰(zhàn)的任務，需要更多研究團體和相關企業(yè)的參入。

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