自動化智能技術(shù)在城軌運營管理及調(diào)度領(lǐng)域應(yīng)用可行性分析

■　李　克

自動化智能技術(shù)在城軌運營管理及調(diào)度領(lǐng)域應(yīng)用可行性分析

■李克

“工業(yè)4.0”的智能工廠、智能生產(chǎn)、智能物流三大主題概念，都與城市軌道交通運營生產(chǎn)及管理緊密結(jié)合。分析城市軌道交通運營管理及調(diào)度系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，探討自動化智能技術(shù)在城軌交通運營管理及綜合調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用需求、必要性和可行性。

城軌交通；運營管理；調(diào)度；自動化；智能技術(shù)；綜合監(jiān)控；可行性分析

1　城軌交通運營管理及調(diào)度系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

城市軌道交通運營管理包含生產(chǎn)和管理2個層面，運營生產(chǎn)主要體現(xiàn)在站務(wù)、乘務(wù)、調(diào)度3個層面工作崗位發(fā)揮的作用，作為運營一線的生產(chǎn)業(yè)務(wù)，保障了城市軌道交通的順利安全運營。運營管理是城市軌道交通企業(yè)后臺行為，是對生產(chǎn)崗位活動的管控、分析和調(diào)整，以有力促進和保障城市軌道交通的運營生產(chǎn)作業(yè)。

在城市軌道交通運營管理環(huán)節(jié)中，有著重中之重特點的生產(chǎn)崗位是調(diào)度，其崗位安全重要性、效率高低直接影響著城市軌道交通的運營安全和運輸效率，而調(diào)度崗位及其配置的系統(tǒng)設(shè)備，也將城市軌道交通的全線信息實時收納、處理，以實現(xiàn)全線列車運行安全準(zhǔn)點、客流輸送的有效暢通，并能確保應(yīng)急指揮的事件/事故決斷處理中心地位。調(diào)度是運營生產(chǎn)環(huán)節(jié)的活動，其崗位重要程度和運營信息數(shù)據(jù)的匯聚，使運營管理的大數(shù)據(jù)分析、處理、共享與調(diào)度崗位活動及系統(tǒng)配設(shè)密不可分。

城市軌道交通運營是一個長時間、跨地域、多專業(yè)的運營管理體系，其崗位業(yè)務(wù)裝備系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)過了站/所人工監(jiān)控報表管理、中央分立監(jiān)控機輔信息化管理、中央綜合監(jiān)控信息自動化管理和自動化綜合調(diào)度及智能化運營管理等發(fā)展階段。

隨著城市軌道交通整體運營需求的發(fā)展，跨系統(tǒng)集成的綜合系統(tǒng)在我國城市軌道交通建設(shè)中呼之欲出。21世紀(jì)初，供電系統(tǒng)與機電系統(tǒng)率先整合為統(tǒng)一平臺的監(jiān)控系統(tǒng)在我國地鐵領(lǐng)域首先應(yīng)用，實現(xiàn)了以電調(diào)、環(huán)調(diào)為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，并與廣播系統(tǒng)、閉路電視、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、列車自動監(jiān)控系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)、乘客信息顯示系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)進行了接口，實現(xiàn)信息互聯(lián)，很快成為地鐵建設(shè)的首選［1］。

近年來，隨著城軌運營生產(chǎn)組織適應(yīng)快速聯(lián)動、高效應(yīng)急、突發(fā)規(guī)避的運輸需求的運營功能及裝備系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)研究，以“行調(diào)”為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)逐漸進入城軌領(lǐng)域。該系統(tǒng)是在以電調(diào)、環(huán)調(diào)為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加了對其他城軌運營系統(tǒng)的功能集成，特別是加入了列車監(jiān)控系統(tǒng)（ATS），完成了對列車運行的監(jiān)視。

集成方案是一個“動態(tài)”的監(jiān)控系統(tǒng)，它集成了ATS子系統(tǒng)，確立了以行調(diào)為核心的整體概念，以列車帶動車站及線路設(shè)備的聯(lián)動，減少了以電調(diào)、環(huán)調(diào)為核心的集成方案的監(jiān)控盲區(qū)，是綜合監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的一個新階段。以行調(diào)為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)見圖1。

作為現(xiàn)存運營生產(chǎn)及管理系統(tǒng)的技術(shù)平臺，該系統(tǒng)在平臺集成度建設(shè)及對全面提高運營管理效率和運營數(shù)據(jù)統(tǒng)計使用方面，尚存在以下不足：（1）對列車運行監(jiān)控系統(tǒng)的集成，雖然完成了全部信息的交互，但是由于采用互聯(lián)的方式實現(xiàn)，對整個系統(tǒng)的統(tǒng)一性、聯(lián)動性有一定的影響。（2）由于對大多數(shù)系統(tǒng)的集成采用全面互聯(lián)的方式，雖然全面實現(xiàn)了城軌日常運營管理的功能，但是由于各個機電系統(tǒng)仍然獨立建設(shè)各自的管理系統(tǒng)，特別是那些非關(guān)鍵安全系統(tǒng)的重復(fù)建設(shè)，造成總體工程建設(shè)成本及使用維護成本居高不下。（3）與城軌信息管理系統(tǒng)的交互比較少。由于綜合監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生大量的設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)信息，這些數(shù)據(jù)如果用于對設(shè)備維護的管理，將大大提高維護管理水平。（4）沒有為管理者提供更多的決策信息。綜合監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，如能進行必要的數(shù)據(jù)挖掘，會對運營決策產(chǎn)生重大影響。（5）缺少應(yīng)急指揮管理功能。地鐵的應(yīng)急指揮是保障地鐵運營安全的重要手段，綜合監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動遠遠不能滿足應(yīng)急指揮管理的需要。

2　應(yīng)用需求

借鑒國外先進的綜合監(jiān)控系統(tǒng)研究經(jīng)驗，完善上述現(xiàn)存系統(tǒng)的功能缺陷問題，采用合理標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)平臺設(shè)計，規(guī)劃出城軌領(lǐng)域自動化智能運營管理及綜合調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用業(yè)務(wù)技術(shù)需求（見圖2）［2］。

其需求核心在于形成城軌運營管理及綜合調(diào)度的數(shù)據(jù)中心，將城軌交通運輸生產(chǎn)活動中的各項關(guān)聯(lián)信息容納于統(tǒng)一可共享存儲、調(diào)用及分析運算的平臺系統(tǒng)中。

自動化智能技術(shù)在城軌運營管理及綜合調(diào)度作業(yè)應(yīng)用，實現(xiàn)的是交通運輸領(lǐng)域業(yè)務(wù)的“動態(tài)”監(jiān)控及思考自學(xué)習(xí)功能，以行車指揮/客流運輸為功能核心，通過協(xié)調(diào)聯(lián)動、數(shù)據(jù)同臺共享、信息內(nèi)循環(huán)自學(xué)習(xí)，加強對站、車、線、所、段各系統(tǒng)的監(jiān)控管理以及與維護系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，是軌道交通運營中的一個切實需求，也是運營自動化智能的必然方向，已成為軌道交通自動化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢及必經(jīng)過程，也是城軌運營管理提高效率、技術(shù)升級、實現(xiàn)現(xiàn)代化的必然需要。

圖2　城軌運營管理及綜合調(diào)度系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求

3　必要性分析

3.1亟待解決的運營管理問題

客觀上我國需要大力發(fā)展城市軌道交通，但是軌道交通系統(tǒng)運營管理中存在的諸多問題卻制約著我國城市軌道交通的發(fā)展。對于我國人口眾多的具體國情，大中型城市的城市軌道交通運營管理都面臨著共性問題的挑戰(zhàn)。（1）網(wǎng)絡(luò)運營管理規(guī)模大；（2）系統(tǒng)運行關(guān)聯(lián)度高：包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)、運行模式的關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)互通的關(guān)聯(lián)、資源共享的關(guān)聯(lián)、應(yīng)急保障的關(guān)聯(lián)；（3）網(wǎng)絡(luò)客流換乘路徑多；（4）物流管理運作難度大；（5）維護管理的復(fù)雜性強：檢修體制與維修體制復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)維護設(shè)施分散設(shè)置、功能多樣；（6）突發(fā)事件影響范圍廣。

3.2日趨具體迫切的系統(tǒng)需求

（1）網(wǎng)絡(luò)化運營信息管理需要集成并實現(xiàn)信息共享；

（2）運營部門實現(xiàn)統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理、以快速精準(zhǔn)地應(yīng)對客戶反應(yīng)，提高乘客服務(wù)質(zhì)量；

（3）運營維護實現(xiàn)專業(yè)、高效及自動化；

（4）突發(fā)事件應(yīng)急實現(xiàn)迅捷響應(yīng)、聯(lián)動處置的能力。

3.3城軌運營生產(chǎn)環(huán)節(jié)發(fā)展的必然

在城市軌道交通運營中，各專業(yè)機電系統(tǒng)之間的關(guān)系并不是孤立的，而是通過互相配合、聯(lián)合互動的方式共同完成運營管理工作，網(wǎng)絡(luò)化運營管理需要全面支持軌道交通運營中的各種聯(lián)動方案，實現(xiàn)各專業(yè)機電系統(tǒng)的有機結(jié)合。

城軌運營生產(chǎn)設(shè)備以行車調(diào)度、電力調(diào)度、設(shè)備監(jiān)控、視頻監(jiān)控、乘客疏導(dǎo)等生產(chǎn)作業(yè)緊密相關(guān)的機電系統(tǒng)為核心，需從運營調(diào)度的實際需求出發(fā)，對核心機電系統(tǒng)的功能實現(xiàn)全面支持并加以整合，以適應(yīng)城軌網(wǎng)絡(luò)化運營管理的發(fā)展需求。全面的運營管理離不開對列車運行、客流動態(tài)、設(shè)備工況的監(jiān)控，自動化智能運營管理及綜合調(diào)度系統(tǒng)在原有綜合監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加入對列車運行、客流、車載的監(jiān)控，實現(xiàn)車載設(shè)備與地面的數(shù)據(jù)交互，進而對車載設(shè)備實現(xiàn)監(jiān)控，達到運營范圍的全息全程監(jiān)視控制。

面向運營和維護，是自動化智能運營管理及綜合調(diào)度系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。大量的控制數(shù)據(jù)，除了實現(xiàn)監(jiān)控目的外，還應(yīng)更廣泛地延伸到地鐵維護和管理系統(tǒng)中。因此，與維護系統(tǒng)的集成也是自動化智能系統(tǒng)的必然趨勢。

緊急事件的應(yīng)急指揮是地鐵運營中的一個核心環(huán)節(jié)。自動化智能運營管理及綜合調(diào)度系統(tǒng)所包含的應(yīng)急指揮管理功能，將提高應(yīng)急指揮的自動化、智能化能力，減少應(yīng)急指揮中人為干預(yù)因素，從指揮管理和實時多系統(tǒng)聯(lián)動控制兩方面入手，將中央調(diào)度、現(xiàn)場人員、城軌公司各級領(lǐng)導(dǎo)、市政各部門統(tǒng)籌為一個整體，從而提高應(yīng)急指揮效率，減少緊急事件帶來的損失。

4　技術(shù)可行性分析

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)分析工具的發(fā)展，在城市軌道交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化智能運營管理及綜合調(diào)度系統(tǒng)已經(jīng)成為可實施的工程方案，將全監(jiān)控功能的綜合監(jiān)控系統(tǒng)提升為自動化智能系統(tǒng)，已經(jīng)具備了實現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)和可行方案。

4.1集成行車指揮系統(tǒng)的可行性

在自動化智能運營管理及綜合調(diào)度系統(tǒng)中，集成行車指揮系統(tǒng)的方案具有可操作性，同時也是城市軌道交通運營管理的需求，其先進性不言而喻?？尚信c否的重點分析在于列控系統(tǒng)（信號系統(tǒng)）的安全完整度的損傷影響及有效保護措施。

（1）保護信號系統(tǒng)安全性的實現(xiàn)分析。信號系統(tǒng)由ATS、ATO、ATP設(shè)備構(gòu)成，以行車調(diào)度指揮為核心的自動化智能運營管理及綜合調(diào)度系統(tǒng)只是將信號ATS子系統(tǒng)集成，而信號ATO、ATP系統(tǒng)的設(shè)備仍為獨立構(gòu)成的完整系統(tǒng)。該方案沒有改變3個子系統(tǒng)原有的結(jié)構(gòu)及接口關(guān)系，可以保障整個信號系統(tǒng)的完整性及安全性。根據(jù)國際及國內(nèi)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，作為行車指揮系統(tǒng)的信號ATS系統(tǒng)的安全完整度等級定義為2級。自動化智能運營管理及綜合調(diào)度系統(tǒng)中ATS功能部分應(yīng)由獨立研發(fā)團隊完成，研發(fā)的全部環(huán)節(jié)（如設(shè)計、開發(fā)、測試等）均遵循EN 50128標(biāo)準(zhǔn)進行，且要求自動化智能系統(tǒng)的ATS服務(wù)部分充分做到軟件模塊松耦合，支持物理隔離。因此，自動化智能運營管理及綜合調(diào)度系統(tǒng)集成行車指揮系統(tǒng)并不會降低整個城軌信號系統(tǒng)的安全性。

（2）對行車指揮系統(tǒng)可靠性及可用性的考慮。自動化智能運營管理及綜合調(diào)度系統(tǒng)由于集成了ATS及車載系統(tǒng)，在設(shè)計上應(yīng)具有更高的可靠性及可用性。通過在自動化智能系統(tǒng)的物理層和應(yīng)用層對ATS進行相對獨立和優(yōu)先處理來實現(xiàn)，以更好地保證行車管理不受其他系統(tǒng)干擾，最大限度保障行車調(diào)度的可靠性及可用性。

4.2多系統(tǒng)集成的技術(shù)可行性

由于自動化智能系統(tǒng)整合了眾多的城軌運營管理系統(tǒng)，如何保證系統(tǒng)的高穩(wěn)定性、保證系統(tǒng)之間相對松散的耦合性，即一個子系統(tǒng)的失效不至于導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，特別是那些深度集成的系統(tǒng)，一旦自動化智能系統(tǒng)失效，將導(dǎo)致系統(tǒng)的操作無法執(zhí)行。

規(guī)模系統(tǒng)集成已經(jīng)在其他工業(yè)控制系統(tǒng)、軍事作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)（C4）中得到廣泛應(yīng)用。其中，廣泛采用了成熟的分散自律體系，使得軟件模塊保持松耦合性，即一個模塊的失效不能影響其他模塊的正常工作；在軟件、硬件上采用高可靠的模塊，多重冗余技術(shù)相結(jié)合，保證系統(tǒng)的高穩(wěn)定性；采用分布式軟件架構(gòu)，利用分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)分布采集、數(shù)據(jù)分布處理、功能集中整合等特性，確保綜合化集成系統(tǒng)的實時性、高效性、穩(wěn)定性、可靠性、一致性。

這些成熟的大規(guī)模系統(tǒng)集成技術(shù)在國內(nèi)其他行業(yè)及國外城軌綜合監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)中，也早已被驗證是成熟的、可靠的。

4.3多系統(tǒng)集成功能設(shè)計的可行性

城軌自動化控制系統(tǒng)的分立監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)方式，在國內(nèi)已有20年的歷史。各分立系統(tǒng)的建設(shè)已經(jīng)很成熟，各系統(tǒng)完成的功能都很清晰。國外的綜合監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)，基本容納了各分立系統(tǒng)的功能，也為自動化智能運營管理及綜合調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)提供了必要的建設(shè)經(jīng)驗。

在多系統(tǒng)集成的技術(shù)保障之下，完成各整合系統(tǒng)的功能建設(shè)，不存在任何技術(shù)和專業(yè)知識的屏障。

4.4成熟的軟硬件組件平臺

時下?lián)碛幸惶壮墒斓幕赟OA（Service-Oriented Architecture）組件模型技術(shù)的軟件組件平臺并非難事，通過對城軌運營管理及綜合調(diào)度生產(chǎn)及管理環(huán)節(jié)的應(yīng)用需求概括和提煉，依據(jù)技術(shù)和功能的通用性，進行層次化、模塊化的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計，對核心要素進行封裝，構(gòu)成系統(tǒng)建設(shè)的中間層以降低系統(tǒng)建設(shè)的復(fù)雜程度，使依托基礎(chǔ)平臺建設(shè)的系統(tǒng)具備滿足行業(yè)需求、綜合集成、松散耦合、“即插即用”的特點［1］。

綜上分析，將成熟的自動化智能技術(shù)平臺運用到城軌運營管理及綜合調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)方案，技術(shù)上成熟可行。

5　經(jīng)濟可行性分析

城軌控制系統(tǒng)的建設(shè)包括2種模式：一種模式為各機電控制系統(tǒng)單獨建設(shè)監(jiān)控系統(tǒng)；另一種模式為通過建設(shè)自動化智能運營管理及綜合調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)對各機電控制系統(tǒng)的集成建設(shè)。

在單獨分立建設(shè)模式下，為了實現(xiàn)中央監(jiān)控，各機電系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容包括：末端設(shè)備、接口設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備、中央實時服務(wù)器、中央歷史服務(wù)器、監(jiān)控終端。每個機電系統(tǒng)自成體系，使用通信專業(yè)的骨干網(wǎng)完成末端設(shè)備與遠端監(jiān)控的數(shù)據(jù)交換。

在集成建設(shè)模式下，各機電系統(tǒng)僅需搭建末端設(shè)備，其他設(shè)備均由自動化智能運營管理及綜合調(diào)度系統(tǒng)完成。通常自動化智能系統(tǒng)會根據(jù)系統(tǒng)實際規(guī)模需求，對數(shù)據(jù)處理資源（實時服務(wù)器）、數(shù)據(jù)存儲資源（歷史服務(wù)器）進行整合，有效降低設(shè)備成本。單獨建設(shè)和集成建設(shè)模式下運算設(shè)備對比情況見表1。

此外，在集成建設(shè)模式下，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡化，且使用統(tǒng)一軟件平臺，系統(tǒng)軟件自身成本及系統(tǒng)安裝、調(diào)試所需人力及時間成本與單獨建設(shè)模式相比均大幅下降。

綜上所述，采取新技術(shù)集成建設(shè)方式所需系統(tǒng)總體工程造價約為采取傳統(tǒng)單獨分立建設(shè)方式的80%。

表1　類比系統(tǒng)的建設(shè)投入對比分析

6　結(jié)束語

自動化、智能化技術(shù)在城市軌道交通運營管理及綜合調(diào)度系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用是計算機技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、高寬帶通信技術(shù)發(fā)展的必然［4］。2015年，在行業(yè)領(lǐng)域范疇，運營管理及調(diào)度的綜合自動化、智能控制的概念和相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)如雨后春筍，破土而出。當(dāng)前試驗型城軌運營綜合自動化系統(tǒng)（TIAS），多由不同專業(yè)系統(tǒng)集成公司的技術(shù)團隊融合研發(fā)而成，將運營調(diào)度、設(shè)備調(diào)度的系統(tǒng)平臺，由融合開發(fā)團隊以標(biāo)準(zhǔn)化計算機平臺統(tǒng)一開發(fā)，實現(xiàn)全面運營生產(chǎn)的系統(tǒng)管理。但作為計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的領(lǐng)域應(yīng)用，運營信息數(shù)據(jù)的挖掘及共享是建設(shè)統(tǒng)一平臺的實質(zhì)目的，如何完善運營大數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)安全傳遞、數(shù)據(jù)歸類及分析、成果共享，使運營數(shù)據(jù)服務(wù)于管理，創(chuàng)造安全與效率的城軌生產(chǎn)及管理環(huán)境，仍是需要不斷探索的研究方向。

［1］ 鐵道第三勘查設(shè)計院集團有限公司.城市軌道交通設(shè)備綜合監(jiān)控系統(tǒng)［J］.都市快軌交通，2008（5）：96.

［2］ 陳磊.地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）綜述［J］.軌道時代，2010（11）：14-15.

［3］ 王同軍.基于BIM的鐵路工程管理平臺建設(shè)與展望［J］.鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2015（3）：8-13.

［4］ 賈利民，秦勇，張媛.數(shù)字鐵路、智能鐵路與鐵路智能運輸系統(tǒng)［J］.中國鐵路，2012（3）：16-20.

李克：深圳地鐵集團深圳市市政設(shè)計研究院有限公司，高級工程師，廣東 深圳，518000

責(zé)任編輯盧敏

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