軌道交通調(diào)度與應(yīng)急處置綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

江志彬,洪 玲,謝 超

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,交通運(yùn)輸工程學(xué)院,上海 201804)

軌道交通調(diào)度與應(yīng)急處置綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

江志彬,洪 玲,謝 超

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,交通運(yùn)輸工程學(xué)院,上海 201804)

以實(shí)驗(yàn)室為平臺(tái),創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、豐富和發(fā)展實(shí)驗(yàn)功能內(nèi)涵、提升學(xué)生的綜合能力是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)鍵。以同濟(jì)大學(xué)軌道交通系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)為例,基于實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)建成的系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)的功能整合以及功能延伸進(jìn)行分析,從統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、系統(tǒng)功能擴(kuò)展、系統(tǒng)功能整合和實(shí)驗(yàn)方案優(yōu)化4個(gè)方面提出了軌道交通綜合調(diào)度與應(yīng)急處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。

綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái);軌道交通;調(diào)度指揮;應(yīng)急處置;教學(xué)改革

軌道交通系統(tǒng)是一復(fù)雜、龐大的系統(tǒng),隨著控制系統(tǒng)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用以及軌道交通建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)與等級(jí)的提高,對(duì)軌道交通運(yùn)營(yíng)的安全性、可靠性的要求就顯得越來(lái)越突出,其中對(duì)運(yùn)行計(jì)劃制定、列車(chē)調(diào)度等崗位人員的原理學(xué)習(xí)與操作培訓(xùn)，尤其是對(duì)不同復(fù)雜程度線路的環(huán)境條件的熟悉程度和處理應(yīng)急事件的應(yīng)變能力成為軌道交通安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素。因此,如何使學(xué)生在學(xué)習(xí)期間就能掌握和使用有關(guān)新設(shè)備、新技術(shù)、新方法,提高動(dòng)手能力和適應(yīng)能力,是專(zhuān)業(yè)教學(xué)中面臨的重要課題。同時(shí),在科研方面,運(yùn)輸需求分析、技術(shù)設(shè)備的更新和運(yùn)輸組織方案的優(yōu)化,都需要借助先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段加以驗(yàn)證確定。

以實(shí)驗(yàn)室為平臺(tái),創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,豐富和發(fā)展實(shí)驗(yàn)功能的內(nèi)涵,提升學(xué)生的觀察能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、創(chuàng)新能力以及突發(fā)事件的應(yīng)急處置能力等素質(zhì)的培養(yǎng)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)鍵。軌道交通綜合調(diào)度與應(yīng)急處置是軌道交通行車(chē)組織管理及專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的核心內(nèi)容之一。以集教學(xué)、培訓(xùn)和科研為一體的多功能仿真調(diào)度指揮平臺(tái)在各大高校已經(jīng)建設(shè),在教學(xué)與科研中發(fā)揮著重要作用。如“鐵路列車(chē)接發(fā)實(shí)驗(yàn)”[1-2]、“列車(chē)運(yùn)行圖編制實(shí)驗(yàn)”[3-5]、“高速鐵路行車(chē)調(diào)度一體化實(shí)驗(yàn)”[6-7]、“綜合調(diào)度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”[8]、“客流分布仿真”[9]、“列車(chē)延誤仿真”[10-11]、“應(yīng)急處置仿真”[12-15]等。但這些系統(tǒng)都較為分散,功能較為單一,在系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的總體性和互動(dòng)性、效果評(píng)估等方面還存在較大不足。本文以同濟(jì)大學(xué)軌道交通系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)為例,基于實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)建成的系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)的功能整合以及功能延伸進(jìn)行分析,提出軌道交通綜合調(diào)度與應(yīng)急處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)建議與方案。

1 同濟(jì)大學(xué)軌道交通系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室

1.1 概況

同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,是國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科“交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理”、兩個(gè)博士點(diǎn)學(xué)科“交通規(guī)劃與管理”和“交通信息工程及控制”建設(shè)的重要組成部分,且納入“985工程”建設(shè)計(jì)劃。軌道交通系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室為重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的一部分,該實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)獲得“211”工程、“985”工程和上海市科委等項(xiàng)目的資助,正在逐步形成軌道交通列車(chē)運(yùn)行過(guò)程控制、軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)仿真優(yōu)化的一流學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)擁有具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多個(gè)運(yùn)輸組織方案編制與優(yōu)化的仿真系統(tǒng)以及國(guó)際著名的鐵路與軌道交通仿真系統(tǒng)(RailSys)。近幾年,已先后建設(shè)了“軌道交通運(yùn)輸調(diào)度仿真硬件平臺(tái)(RHWP)”、“高速鐵路管控一體化仿真系統(tǒng)(HSMC-SIM)”、“鐵路CTC調(diào)度系統(tǒng)(CTC-SIM)”、“軌道交通列車(chē)運(yùn)行仿真沙盤(pán)(SM-SIM)”、“高速鐵路機(jī)車(chē)模擬駕駛器(TS-SIM)”等實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。各系統(tǒng)的功能見(jiàn)表1。各系統(tǒng)除了為本科生提供實(shí)驗(yàn)外,還為科學(xué)研究提供了重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

表1 同濟(jì)大學(xué)軌道交通仿真實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)建成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 目前存在的問(wèn)題

雖然目前實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)為軌道交通的運(yùn)輸組織方案優(yōu)化、列車(chē)調(diào)度指揮和列車(chē)運(yùn)行控制優(yōu)化提供了很好的仿真平臺(tái),并取得良好的效果。但是也同時(shí)存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:

(1) 各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獨(dú)立管理,無(wú)法共享。既有的各系統(tǒng)數(shù)據(jù)都是各自獨(dú)立管理,除了會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)重復(fù)管理與維護(hù),還容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)的不一致性,同時(shí)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與互通。

(2) 各系統(tǒng)功能相互獨(dú)立,有待整合。由于系統(tǒng)的建設(shè)過(guò)程都是單系統(tǒng)獨(dú)立建設(shè),各系統(tǒng)操作都是相互獨(dú)立,缺乏整體銜接與互通互聯(lián)。事實(shí)上,軌道交通系統(tǒng)是一個(gè)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng),各系統(tǒng)之間有著緊密的協(xié)同與聯(lián)動(dòng)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)的過(guò)程應(yīng)該反映從計(jì)劃、執(zhí)行到處置、反饋的運(yùn)輸組織全過(guò)程。

(3) 部分系統(tǒng)功能無(wú)法滿(mǎn)足新時(shí)期軌道交通發(fā)展的需求。近幾年,我國(guó)城市和高速鐵路處于高速發(fā)展的新階段,新的車(chē)輛技術(shù)、控制技術(shù)和新的運(yùn)輸組織模式也在不斷創(chuàng)新,舊的信號(hào)制式、運(yùn)輸組織模式、調(diào)度方式等都無(wú)法滿(mǎn)足軌道交通發(fā)展的需求,有些舊系統(tǒng)的功能有待升級(jí)與完善。

(4) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的故障與突發(fā)事件模擬功能較為欠缺。與現(xiàn)場(chǎng)操作相比,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是可以在實(shí)驗(yàn)室中模擬各類(lèi)故障和突發(fā)事件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)影響以及系統(tǒng)的恢復(fù)處置。而目前各大系統(tǒng)在故障處置的模擬與操作等方面的功能都較為單一,無(wú)法滿(mǎn)足列車(chē)運(yùn)行過(guò)程評(píng)價(jià)、運(yùn)營(yíng)安全與可靠性評(píng)估等要求。

2 綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的方案設(shè)計(jì)

軌道交通運(yùn)輸組織管理系統(tǒng)是一復(fù)雜的動(dòng)態(tài)大系統(tǒng),運(yùn)輸組織涉及車(chē)輛、牽引動(dòng)力、線路和車(chē)站、通信信號(hào)和列車(chē)運(yùn)行控制等多個(gè)子系統(tǒng),運(yùn)輸組織自身既受列車(chē)開(kāi)行計(jì)劃、列車(chē)運(yùn)行圖的制約,又受到日常運(yùn)輸組織中的眾多隨機(jī)因素的影響,因此,運(yùn)輸組織的優(yōu)化問(wèn)題需要通過(guò)仿真的方法進(jìn)行研究和驗(yàn)證。軌道交通系統(tǒng)運(yùn)輸組織指揮的責(zé)任重、工作忙,而學(xué)生和培訓(xùn)人員在實(shí)習(xí)中往往只能觀察,不能親手操作,實(shí)習(xí)和培訓(xùn)效果不佳。因此,如何使學(xué)生和有關(guān)培訓(xùn)人員在學(xué)習(xí)和培訓(xùn)期間就能掌握和使用有關(guān)新設(shè)備、新技術(shù)、新方法,提高動(dòng)手能力和適應(yīng)能力,是專(zhuān)業(yè)教學(xué)中面臨的一個(gè)重要課題。

為了節(jié)省建設(shè)成本,提升既有建設(shè)系統(tǒng)的綜合性能,有必要基于已經(jīng)建好的軌道交通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和硬件平臺(tái),對(duì)既有系統(tǒng)的功能進(jìn)行整合與加工,建設(shè)集所有軌道交通方式(城市軌道、既有鐵路、高速鐵路等)為一體的軌道交通綜合調(diào)度與應(yīng)急處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)開(kāi)行方案與運(yùn)行條件評(píng)價(jià)、列車(chē)運(yùn)行過(guò)程控制優(yōu)化、軌道交通網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、運(yùn)輸組織優(yōu)化、應(yīng)急處置優(yōu)化、調(diào)度決策優(yōu)化等功能,從而形成軌道交通運(yùn)輸組織仿真優(yōu)化的綜合技術(shù)研究和服務(wù)能力,以達(dá)到既能滿(mǎn)足學(xué)生實(shí)習(xí)與實(shí)驗(yàn)的要求,又能滿(mǎn)足相關(guān)科研要求的目標(biāo)。

基于既有系統(tǒng)的不足和新平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo),從經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性的要求出發(fā),綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)過(guò)程主要包括以下幾個(gè)部分。

(1) 建設(shè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)。統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)既要滿(mǎn)足所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)、管理與維護(hù),同時(shí)需要滿(mǎn)足數(shù)據(jù)查詢(xún)、分析和數(shù)據(jù)挖掘的要求。管理的數(shù)據(jù)主要分4類(lèi),如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)類(lèi)別及管理要求

(2) 系統(tǒng)功能擴(kuò)展。當(dāng)前,我國(guó)城市和城際軌道交通、高速鐵路處于高速發(fā)展的新階段。在軌道交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的同時(shí),新的車(chē)輛技術(shù)、控制技術(shù)和新的運(yùn)輸組織模式得以應(yīng)用,尤其是在實(shí)際的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,面臨提高軌道交通運(yùn)輸組織和運(yùn)營(yíng)管理水平,提高運(yùn)輸安全、運(yùn)輸效率和運(yùn)輸質(zhì)量的新要求。因此,新的平臺(tái)功能需要以下幾個(gè)方面得到擴(kuò)展。

① 新的車(chē)輛技術(shù)。隨著我國(guó)城市軌道交通以及高速鐵路各種新型列車(chē)的研發(fā)和投入使用,對(duì)新的車(chē)輛型號(hào)的牽引等參數(shù)數(shù)據(jù)必須完善與補(bǔ)充,以滿(mǎn)足新型列車(chē)的牽引計(jì)算和仿真模擬駕駛要求。

② 新的控制技術(shù)。隨著基于無(wú)線通信列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)(CBTC)技術(shù)在城市軌道交通系統(tǒng)以及新一代調(diào)度集中控制系統(tǒng)(CTC)技術(shù)在高速鐵路系統(tǒng)中的應(yīng)用,新的控制技術(shù)在運(yùn)輸能力分析、列車(chē)運(yùn)行過(guò)程和控制等方面發(fā)生了變化,為了適應(yīng)這種變化,新的平臺(tái)需要考慮新的控制技術(shù)帶來(lái)的影響。

③ 新的運(yùn)輸組織模式。城市軌道交通快慢車(chē)的開(kāi)行、周期運(yùn)行圖在高速客運(yùn)專(zhuān)線中的應(yīng)用等新的運(yùn)輸組織模式對(duì)列車(chē)運(yùn)行圖編制、列車(chē)運(yùn)行調(diào)度控制以及應(yīng)急處置方案優(yōu)化等功能提出了新的要求，新平臺(tái)需要滿(mǎn)足新的組織模式帶來(lái)的功能變化。

(3) 系統(tǒng)功能整合。在已經(jīng)建設(shè)的基礎(chǔ)系統(tǒng)上,整合各個(gè)系統(tǒng)的功能,從計(jì)劃編制、調(diào)度指揮、實(shí)驗(yàn)展示和效果評(píng)估4個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行整合,方案如圖1所示。系統(tǒng)整合首先需要實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)互通與共享,其次需要滿(mǎn)足調(diào)度過(guò)程的協(xié)同操作與狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋(如列車(chē)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)等)的要求。

圖1 軌道交通綜合調(diào)度與應(yīng)急處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建方案

(4) 實(shí)驗(yàn)方案優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)對(duì)于提升實(shí)驗(yàn)效果起到關(guān)鍵作用。新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，新的實(shí)驗(yàn)方案必須要滿(mǎn)足軌道交通列車(chē)計(jì)劃編制、調(diào)度指揮、應(yīng)急處置和效果評(píng)估的全過(guò)程。因此,從實(shí)驗(yàn)的要求與能力培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā),新的實(shí)驗(yàn)方案主要包括2個(gè)部分:計(jì)劃運(yùn)行圖編制實(shí)驗(yàn)和調(diào)度指揮實(shí)驗(yàn),如圖2所示。

計(jì)劃運(yùn)行圖編制實(shí)驗(yàn)是一個(gè)離線過(guò)程,但編制的過(guò)程需要多個(gè)系統(tǒng)參與,如牽引計(jì)算系統(tǒng)和機(jī)車(chē)仿真駕駛系統(tǒng)提供精確的運(yùn)行時(shí)分參數(shù)和各類(lèi)安全間隔參數(shù),客流分析系統(tǒng)和開(kāi)行方案計(jì)算系統(tǒng)提供全日行車(chē)計(jì)劃。編制好的運(yùn)行圖可以通過(guò)運(yùn)輸組織仿真系統(tǒng)進(jìn)行離線評(píng)估(包括參數(shù)效驗(yàn)和運(yùn)能運(yùn)量匹配等),離線評(píng)估好后的運(yùn)行圖方能作為調(diào)度指揮實(shí)驗(yàn)用圖。調(diào)度指揮實(shí)驗(yàn)是一個(gè)在線實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)包括3個(gè)主要部分:

圖2 優(yōu)化后的計(jì)劃運(yùn)行圖編制實(shí)驗(yàn)與列車(chē)調(diào)度指揮實(shí)驗(yàn)流程圖

(1) 正常全自動(dòng)模擬。該實(shí)驗(yàn)是通過(guò)計(jì)算機(jī)完全自動(dòng)模擬計(jì)劃運(yùn)行圖的執(zhí)行過(guò)程與效果,通過(guò)實(shí)體沙盤(pán)和大屏幕系統(tǒng)來(lái)直觀展示列車(chē)運(yùn)行、設(shè)備狀態(tài)變化的全過(guò)程。該實(shí)驗(yàn)過(guò)程不需要人工干預(yù),主要為參觀與實(shí)習(xí)服務(wù)。

(2) 調(diào)度集中模擬。該實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要由運(yùn)營(yíng)控制中心(OCC)調(diào)度員參與操作,類(lèi)似鐵路現(xiàn)場(chǎng)的CTC集中調(diào)度模式和城市軌道交通現(xiàn)場(chǎng)的OCC控制模式,但列車(chē)駕駛由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)過(guò)程由若干個(gè)OCC調(diào)度員控制全線列車(chē)運(yùn)行,在發(fā)生較小延誤的條件下,對(duì)列車(chē)的運(yùn)行過(guò)程可以進(jìn)行局部干預(yù)與調(diào)整,主要目的是訓(xùn)練與評(píng)估OCC調(diào)度員的綜合能力與素質(zhì)。由實(shí)體沙盤(pán)與大屏幕展示實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程。

(3) 站控模式模擬。該實(shí)驗(yàn)過(guò)程類(lèi)似現(xiàn)場(chǎng)的降級(jí)運(yùn)營(yíng)模式,需要OCC調(diào)度員、車(chē)站值班員(信號(hào)員)、司機(jī)3組人員來(lái)共同完成。該模式下,有列車(chē)接發(fā)實(shí)驗(yàn)、電話(huà)閉塞實(shí)驗(yàn)、模擬駕駛實(shí)驗(yàn)、應(yīng)急處置實(shí)驗(yàn)等。該模式下實(shí)體沙盤(pán)與大屏幕展示實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程。不同實(shí)驗(yàn)都有嚴(yán)格的操作規(guī)范與要求,實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生的聯(lián)動(dòng)操作要求非常高,也更能提升學(xué)生的現(xiàn)場(chǎng)操作與應(yīng)急處置能力。從歷年實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)效果來(lái)看,這類(lèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)生的興趣與參與的積極性非常高。

3 結(jié)論與展望

隨著卓越工程師計(jì)劃在我國(guó)的實(shí)施,為滿(mǎn)足創(chuàng)新型、應(yīng)用型和復(fù)合型人才的培養(yǎng),實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是教學(xué)工作的重點(diǎn)之一。本文以同濟(jì)大學(xué)軌道交通仿真實(shí)驗(yàn)室為背景,基于已建成的系統(tǒng),從經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、擴(kuò)展性以及先進(jìn)性出發(fā),提出了新的軌道交通調(diào)度與應(yīng)急處理綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案。該方案的建設(shè)可對(duì)兄弟院校的實(shí)驗(yàn)室改進(jìn)提供借鑒,同時(shí)也可以為需要新建設(shè)的軌道交通運(yùn)輸仿真實(shí)驗(yàn)室提供很好的參考。

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Design of comprehensive experimental platform for rail system dispatching and emergency managing

Jiang Zhibin,Hong Ling,Xie Chao

(Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of Ministry of Education,School of Transportation Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China)

Taking the laboratory as a platform,innovating experiment teaching mode and enriching the experimental function to promote the comprehensive ability of students are the key of experimental teaching. The integrated dispatching and emergency disposal in rail transit system are one of the core contents for training professional talents in the field of rail transit organization and management.Taking the construction of rail transit system simulation laboratory in Tongji University as an example,based on the laboratory system that has been built,the function integration and extension are analyzed,and a design scheme for dispatching as well as emergency managing in rail transit system is proposed from four aspects,including the unified database construction,the system function expansion,the system function integration and the experiment scheme optimization.

comprehensive experimental platform;rail transit system;dispatching;emergency managing;teaching reform;experimental scheme

2014- 05- 28 修改日期：2014- 07- 07

同濟(jì)大學(xué)精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(0004020206010);同濟(jì)大學(xué)教改項(xiàng)目(1314)

江志彬(1980—)，男，江西萍鄉(xiāng)，博士，副教授，研究方向?yàn)檐壍澜煌ㄟ\(yùn)營(yíng)管理與仿真.

E-mail：jzb@#edu.cn

U284.59;G484

B

1002-4956(2015)1- 0091- 04