城市軌道交通列車運(yùn)行圖編制與驗(yàn)證評估系統(tǒng)研究

于運(yùn)濤，胡亞峰

（1.中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所，北京 100083；2.北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100070）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2014年底我國開通的地鐵（含輕軌）接近100條。從客運(yùn)量來看，北京地鐵單日峰值超過1 000萬人次。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國城市現(xiàn)代化進(jìn)程進(jìn)一步加快，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市人口和外來人員不斷增加，由此造成的交通擁擠堵塞和環(huán)境污染等問題已經(jīng)成為妨礙城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、影響社會經(jīng)濟(jì)活動正常秩序以及居民日常出行的重要問題。因此只有采用大運(yùn)量的交通運(yùn)輸方式，才能從根本上解決城市公共交通問題。城市軌道交通具有運(yùn)量大、速度快、安全、準(zhǔn)時(shí)、舒適等優(yōu)點(diǎn)，并能帶動城市土地資源綜合開發(fā)利用，對城市長遠(yuǎn)發(fā)展具有重要意義。因此，近年來中國各城市對地鐵的渴望也越來越強(qiáng)烈。然而地鐵建設(shè)周期長、投資大，給地方財(cái)政造成很大的負(fù)擔(dān)，為減輕財(cái)政壓力，國家提倡公私合營模式 PPP（Public-Private-Partnership），鼓勵(lì)民營資本參與地鐵項(xiàng)目建設(shè)，促進(jìn)軌道交通行業(yè)和諧、健康、持續(xù)發(fā)展。

線路開通運(yùn)營后能否產(chǎn)生一定的收益，是吸引民營資本投資的主要因素。整個(gè)軌道交通建設(shè)中，初期要考慮軌道交通系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模、設(shè)計(jì)方案、車輛選型等成本因素；建設(shè)后期為降低運(yùn)營維護(hù)成本，需快速編制高效的列車運(yùn)行圖，提高運(yùn)營效率，保障軌道交通系統(tǒng)高效安全運(yùn)營。從而產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，進(jìn)而吸引社會資本積極參與軌道交通建設(shè)，推動軌道交通繁榮發(fā)展。

1 研究目的和意義

本系統(tǒng)在城市軌道交通建設(shè)前期，可以依據(jù)線路規(guī)模、運(yùn)營密度、客流、線路、車輛等要素變化，以及信號的隨機(jī)故障、臨時(shí)限速等隨機(jī)事件，進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)營模擬仿真和指標(biāo)計(jì)算，能夠提前得出系統(tǒng)重要的時(shí)間參數(shù)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)運(yùn)營指標(biāo)，為軌道交通建設(shè)和運(yùn)營提供指導(dǎo)性意見。在線路建設(shè)的初期，以實(shí)際線路的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為輸入，通過仿真系統(tǒng)模擬列車實(shí)際運(yùn)行，對生成的運(yùn)行圖和信號系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證和評估，可提前發(fā)現(xiàn)信號系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不足，以便及時(shí)改進(jìn)，減少上線后問題的發(fā)生，提高系統(tǒng)的可用性；同時(shí)能提高實(shí)際線路上列車動調(diào)的效率，縮短系統(tǒng)調(diào)試周期，降低系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的成本。

在線路開通運(yùn)營后，根據(jù)不同的運(yùn)營需求，為用戶快速編制運(yùn)行圖，并根據(jù)實(shí)際線路數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)行圖的仿真驗(yàn)證評估，以編制出高效、穩(wěn)定、安全的運(yùn)行圖，從而降低運(yùn)營人員的工作強(qiáng)度，提高運(yùn)營維護(hù)效率，降低運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用。

2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

國外對該類系統(tǒng)的研究起步較早，主要以西門子公司研制的“Falko”為代表。Falko是德語“Fahrplan-Validierung and Konstruktioni”的縮略語，相應(yīng)的英文譯文是“Timetable Validation and Timetable Construction”[1]。它主要用于鐵路系統(tǒng)運(yùn)行圖的創(chuàng)建和仿真驗(yàn)證。它使用高度自動化的創(chuàng)建功能，可以優(yōu)化車輛調(diào)度，在（部分的）進(jìn)路區(qū)段的精度上創(chuàng)建可運(yùn)行的運(yùn)行圖，應(yīng)用基于事件的仿真器，可以逼真地模擬被創(chuàng)建的運(yùn)行圖在鐵路系統(tǒng)上的運(yùn)行結(jié)果。此外，阿爾斯通、通用電氣、阿爾卡特等信號系統(tǒng)提供商也有各自配套的時(shí)刻表系統(tǒng)。北美的TPC系統(tǒng)、RailSim系統(tǒng)，歐洲的TrainStar系統(tǒng)以及日本的UTRAS系統(tǒng)在列車運(yùn)行仿真與評估領(lǐng)域也有一定的經(jīng)驗(yàn)和影響力。

國內(nèi)對該方向的研究落后于國外，主要代表為同濟(jì)大學(xué)研制的TPM編圖軟件，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行圖的計(jì)算機(jī)編制與調(diào)整，使運(yùn)營部門擺脫了Excel等第三方工具，提高了生產(chǎn)效率[2]。在牽引計(jì)算、列車運(yùn)行仿真、運(yùn)輸計(jì)劃優(yōu)化等方向，國內(nèi)學(xué)者做出了一定貢獻(xiàn)?？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[3]。

目前該領(lǐng)域的國內(nèi)市場主要被國外公司占據(jù)。但國外公司產(chǎn)品往往與自身信號系統(tǒng)綁定，不提供兼容國內(nèi)信號系統(tǒng)的接口，人機(jī)交互方式不適應(yīng)國內(nèi)用戶習(xí)慣，而且價(jià)格過高、軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固化、后期維護(hù)成本高、變通性與靈活性不足，很難滿足國內(nèi)用戶的要求。因此研發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的運(yùn)行圖編制與驗(yàn)證評估系統(tǒng)，打破國外產(chǎn)品的壟斷地位，是一項(xiàng)緊迫而又富有挑戰(zhàn)的任務(wù)。

3 系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，列車運(yùn)行圖編制與驗(yàn)證評估系統(tǒng)主要由運(yùn)力計(jì)劃方案、運(yùn)行圖人工離線編輯、線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、運(yùn)行圖自動優(yōu)化創(chuàng)建、系統(tǒng)仿真驗(yàn)證評估以及運(yùn)行圖保存和輸出等功能模塊組成。根據(jù)以上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分不同模塊實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行圖編制管理的圖形化、可視化、智能化、交互式和網(wǎng)絡(luò)化，以及結(jié)果輸出的多樣化。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理是運(yùn)行圖編制和驗(yàn)證的基礎(chǔ)，該模塊完成線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理。線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要由線路站場數(shù)據(jù)、車輛數(shù)據(jù)、線路數(shù)據(jù)字典和客流預(yù)測數(shù)據(jù)組成。線路站場數(shù)據(jù)包括站場圖分布、信號設(shè)備布局、車輛段分布、進(jìn)路數(shù)據(jù)等。車輛數(shù)據(jù)包括列車類型、數(shù)量、長度、重量、編組、列車最大速度、加速度和牽引性能等。線路數(shù)據(jù)字典包括接發(fā)車股道、折返軌道、區(qū)間運(yùn)行時(shí)間、站停時(shí)間、折返交路、折返時(shí)間、列車追蹤間隔和出入庫時(shí)間等。客流預(yù)測數(shù)據(jù)是城市軌道交通設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其預(yù)測結(jié)果直接影響運(yùn)營后的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，主要體現(xiàn)在時(shí)間和空間分布，預(yù)測結(jié)果包括：各期站間表；全日、高峰小時(shí)客流表、客流圖；全日客流量的時(shí)段分布。客流預(yù)測不確定因素太多，需要長期的調(diào)查和模型優(yōu)化[4]。

運(yùn)力計(jì)劃方案是對不同運(yùn)力需求計(jì)劃的描述。根據(jù)不同時(shí)段的運(yùn)營需求，每年可按照平日、節(jié)假日、不同季節(jié)、每天不同時(shí)段、臨時(shí)事件等不同交通狀況制定相應(yīng)的運(yùn)行計(jì)劃方案。運(yùn)力計(jì)劃方案包括創(chuàng)建方案和載入方案。創(chuàng)建方案指依據(jù)線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)運(yùn)力計(jì)劃方案。載入方案指對已存在的方案進(jìn)行讀取和打開。

運(yùn)行圖人工離線編輯是系統(tǒng)提供的對已生成的運(yùn)行圖的人工編輯功能，分為添加列車、刪除列車、復(fù)制列車和修改列車等操作。添加列車功能指人工創(chuàng)建單個(gè)或多個(gè)列車計(jì)劃，可設(shè)置停站時(shí)間、接發(fā)股道、到達(dá)時(shí)分、出發(fā)時(shí)分、列車折返等信息；刪除列車功能指人工刪除某單個(gè)或多個(gè)列車的運(yùn)行計(jì)劃；修改列車功能指修改列車的接發(fā)車股道和停站時(shí)間等信息；復(fù)制列車功能指對列車運(yùn)行計(jì)劃的重復(fù)添加。

運(yùn)行圖自動優(yōu)化創(chuàng)建是本系統(tǒng)的核心功能之一，分為時(shí)刻表擴(kuò)展、車輛計(jì)劃優(yōu)化、運(yùn)行計(jì)劃和進(jìn)路設(shè)置四步完成。時(shí)刻表擴(kuò)展是生成運(yùn)行計(jì)劃的第一步，根據(jù)運(yùn)力計(jì)劃方案生成單個(gè)的運(yùn)行線計(jì)劃。車輛計(jì)劃優(yōu)化是生成運(yùn)行計(jì)劃的第二步，以使用最少的車輛為優(yōu)化目標(biāo)，為每個(gè)運(yùn)行計(jì)劃分配一輛列車。運(yùn)行計(jì)劃是生成運(yùn)行計(jì)劃的第三步，將車輛計(jì)劃精確到站臺股道，該功能考慮折返策略、出入段策略等運(yùn)行條件。進(jìn)路設(shè)置是生成運(yùn)行計(jì)劃優(yōu)化的最后一步，生成運(yùn)行計(jì)劃和進(jìn)路的對應(yīng)關(guān)系，同時(shí)考慮敵對進(jìn)路計(jì)劃沖突因素。

系統(tǒng)仿真驗(yàn)證評估模塊用來模擬線路信號系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，以驗(yàn)證運(yùn)行計(jì)劃的合理性和可用性，以及信號系統(tǒng)的性能。包括車載ATO/ATP系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)、仿真模擬器和牽引計(jì)算模型。車載ATO/ATP系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)模擬列車運(yùn)行模式；聯(lián)鎖系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)進(jìn)路、道岔和信號按一定條件和制約關(guān)系的控制功能；仿真模擬器用來模擬信號設(shè)備的狀態(tài)和故障情況；牽引計(jì)算模型用來模擬列車重量、列車加速度和線路坡度等列車運(yùn)行參數(shù)。

運(yùn)行圖保存和輸出功能主要實(shí)現(xiàn)上傳數(shù)據(jù)庫和輸出多種形式的運(yùn)行圖數(shù)據(jù)，以適應(yīng)不同廠家列車自動監(jiān)控ATS系統(tǒng)的需求。包括運(yùn)行圖保存數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行圖數(shù)據(jù)輸出。運(yùn)行圖保存數(shù)據(jù)庫是將生成的運(yùn)行圖數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫；運(yùn)行圖數(shù)據(jù)輸出指本地生成多種形式的運(yùn)行圖數(shù)據(jù)。目前，以北京地鐵為例，該系統(tǒng)主要輸出車底時(shí)刻表、車站時(shí)刻表和車次時(shí)刻表。車底時(shí)刻表指同一車底關(guān)聯(lián)的所有車次，按車次順序輸出各車次經(jīng)過各站的時(shí)間情況；車站時(shí)刻表指以車站為單位，按車次先后順序經(jīng)過同一車站的時(shí)間情況；車次時(shí)刻表指按車次順序輸出各車次經(jīng)過各站的時(shí)間情況。

3.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)行圖自動化創(chuàng)建、運(yùn)行圖人工離線編輯和系統(tǒng)仿真驗(yàn)證評估功能。具體實(shí)現(xiàn)如下。

3.2.1 運(yùn)行圖自動化創(chuàng)建

運(yùn)行圖自動化創(chuàng)建流程如圖2。系統(tǒng)啟動時(shí)，根據(jù)用戶選擇，加載相應(yīng)線路的站場圖分布、車輛牽引計(jì)算數(shù)據(jù)、客流數(shù)據(jù)、區(qū)間運(yùn)行時(shí)間、追蹤間隔、折返時(shí)間和出入庫時(shí)間等線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并校驗(yàn)數(shù)據(jù)的合法性。然后，提示用戶選擇已有的方案或創(chuàng)建新方案，若用戶選擇已有的方案，依次進(jìn)行執(zhí)行時(shí)刻表擴(kuò)展、車輛計(jì)劃、運(yùn)行計(jì)劃和進(jìn)路設(shè)置，即可生成運(yùn)行圖；若用戶選擇創(chuàng)建方案，則要求用戶依次進(jìn)行線路設(shè)計(jì)、車次設(shè)計(jì)、車輛段設(shè)計(jì)、周轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)等，然后才能開始運(yùn)行圖的生成。

線路設(shè)計(jì)是對單條運(yùn)行線起始車站路徑的設(shè)計(jì)；車次設(shè)計(jì)是以開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和追蹤間隔為參數(shù)對一段時(shí)間內(nèi)運(yùn)行計(jì)劃的描述；車輛段設(shè)計(jì)是指對車輛段容量、列車停留車輛段時(shí)間等情況約束的描述；周轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)是指依據(jù)不同的車次（如車速不同），建立車輛和車次的對應(yīng)關(guān)系。

圖2 運(yùn)行圖自動優(yōu)化創(chuàng)建流程圖

考慮運(yùn)營成本，在自動創(chuàng)建運(yùn)行圖時(shí)，要求單車滿載率盡可能高；減少旅客等待時(shí)間和換乘次數(shù)，即發(fā)車頻率盡可能高且盡量開行長交路；根據(jù)不同的線路，車輛段的數(shù)目、分布和車輛段配置的車輛類型和數(shù)量不同，車輛計(jì)劃的優(yōu)化目標(biāo)為車輛使用數(shù)最小化。綜合考慮各種約束，分別建立客流、時(shí)間模型和車輛模型等制約條件，考慮采用分步優(yōu)化和多種優(yōu)化算法結(jié)合的策略，自動優(yōu)化運(yùn)力配置，創(chuàng)建較優(yōu)的運(yùn)行圖計(jì)劃，供調(diào)度員使用，取得了較好的效果，從而節(jié)省了運(yùn)行人員的計(jì)劃編制時(shí)間，提高了運(yùn)營效率。

3.2.2 運(yùn)行圖人工離線編輯

系統(tǒng)通過創(chuàng)建“人工編輯”菜單，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行圖離線編輯的人機(jī)交互功能。系統(tǒng)啟動后，載入線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)將該線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對應(yīng)的已經(jīng)生成的時(shí)刻表數(shù)據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)中，系統(tǒng)能自動打開已保存的運(yùn)行圖。根據(jù)系統(tǒng)提供的操作選項(xiàng)，用戶可以對相應(yīng)的列車計(jì)劃進(jìn)行增加、刪除、修改、復(fù)制等操作，并對修改完的運(yùn)行圖進(jìn)行折返時(shí)間、區(qū)間運(yùn)行時(shí)間、站停時(shí)間及列車追蹤間隔、列車到發(fā)時(shí)序沖突、站臺股道占用沖突、折返軌運(yùn)用沖突等約束條件的沖突檢測，檢測成功后才能上傳到數(shù)據(jù)庫。

3.2.3 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證評估

為了對整個(gè)信號系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證評估，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)搭建聯(lián)鎖模型、車載ATO/ATP模型、仿真模擬器模型和車輛牽引計(jì)算模型等用來模擬列車實(shí)際運(yùn)行。利用菜單操作的方式模擬信號設(shè)備故障，如在區(qū)段限速和股道封鎖等故障行車情況下進(jìn)行模擬跑車，對系統(tǒng)已編制的運(yùn)行圖的可用性和信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證評估，從而能為運(yùn)營人員提供決策依據(jù)，為及早發(fā)現(xiàn)信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)不足，并及時(shí)修改提供基礎(chǔ)。最后，將數(shù)據(jù)庫中經(jīng)過驗(yàn)證的運(yùn)行圖導(dǎo)入到ATS系統(tǒng)中，便能供調(diào)度員行車指揮使用。

4 系統(tǒng)功能演示

以北京地鐵8號線為例，對該系統(tǒng)運(yùn)行圖自動優(yōu)化創(chuàng)建功能和仿真驗(yàn)證功能進(jìn)行演示。首先，系統(tǒng)啟動后，選擇載入線路結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，然后新建方案，依次如圖2中的操作，生成的運(yùn)行圖如圖3所示。并進(jìn)行仿真驗(yàn)證評估，模擬信號系統(tǒng)運(yùn)行，仿真驗(yàn)證過程如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)生成運(yùn)行圖

圖4 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證圖

5 結(jié)論

列車運(yùn)行圖編制優(yōu)化屬NP難解問題，存在“組合爆炸”，是當(dāng)前運(yùn)輸發(fā)展的重大技術(shù)難題[5]。本文以單條線路為基礎(chǔ)，對運(yùn)行圖自動優(yōu)化編制和系統(tǒng)驗(yàn)證功能，嘗試多種優(yōu)化算法解決，取得了較好的效果。然而，隨著城市交通網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，對路網(wǎng)能力評估方法、路網(wǎng)運(yùn)行計(jì)劃協(xié)調(diào)性評估方法、路網(wǎng)運(yùn)營安全評估方法、多車輛段多車型的車輛調(diào)度優(yōu)化策略、折返作業(yè)計(jì)劃優(yōu)化方法、快慢車混跑下的運(yùn)行線規(guī)劃優(yōu)化方法以及客流預(yù)測方法和多種信號制式下的進(jìn)路級運(yùn)行計(jì)劃編制方法還有待進(jìn)一步研究。

[1]曾志倫.城市軌道交通FALKO軟件的研究與設(shè)計(jì)[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

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