基于CTC的行車調(diào)度作業(yè)仿真培訓(xùn)平臺(tái)

杜嘵旭, 何 濤

(蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)

隨著我國(guó)鐵路事業(yè)的迅速發(fā)展,鐵路運(yùn)輸已成為客貨運(yùn)輸?shù)闹饕侄巍Ｏ囌拘熊囎鳂I(yè)違章對(duì)鐵路全線行車安全具有重要意義[1]。

鐵路行車作業(yè)是車站遵照鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)實(shí)際情況作出部分調(diào)整的模板性作業(yè)。作業(yè)過程需要車站值班員、調(diào)度員、信號(hào)員、助理值班員等多工作崗位人員相互配合,也涉及數(shù)字調(diào)度臺(tái)、行車設(shè)備檢查登記簿、分散自律調(diào)度集中系統(tǒng)(centralized traffic control system,CTC)以及計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)等多系統(tǒng)交互操作的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。

車站對(duì)于行車作業(yè)訓(xùn)練的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：(1)鐵路設(shè)備全天候工作,工作人員學(xué)習(xí)時(shí)間少；(2)車站信號(hào)系統(tǒng)故障浮現(xiàn)率低,學(xué)習(xí)處理各種故障機(jī)會(huì)較少。目前鐵路行車作業(yè)訓(xùn)練的方式主要是集中授課、車站聯(lián)合演練和采用行車作業(yè)調(diào)度仿真培訓(xùn)軟件。第一種方式效果較差；第二種組織難度大,需要多車站、多單位、多實(shí)際設(shè)備聯(lián)合演練；第三種方案成本低、組織難度小、培訓(xùn)效果好,是目前大多數(shù)車站采用的主要解決方案。

近年來(lái),鐵路行車作業(yè)調(diào)度仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)取得很多成果[2-4]。例如北京交通大學(xué)設(shè)計(jì)的高速鐵路行車調(diào)度指揮一體化仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)建設(shè)的軌道交通運(yùn)行與安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心及行車調(diào)度指揮作業(yè)全方位的實(shí)驗(yàn),蘭州交通大學(xué)設(shè)計(jì)了高鐵計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。筆者以CTC為核心,結(jié)合業(yè)務(wù)流程控制、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成等技術(shù),設(shè)計(jì)了行車作業(yè)流程可管理、培訓(xùn)崗位可配置、可對(duì)培訓(xùn)過程進(jìn)行管理與分析的行車作業(yè)流程仿真培訓(xùn)平臺(tái)。

1 平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)

基于CTC的行車調(diào)度作業(yè)仿真培訓(xùn)平臺(tái)摒除了與行車作業(yè)無(wú)關(guān)的軟硬件功能,僅涉及行車組織人員的操作,培訓(xùn)場(chǎng)景與實(shí)際場(chǎng)景相一致。借鑒大秦線鐵路CTC系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)[5],依據(jù)現(xiàn)有行車作業(yè)流程體系,將功能模塊進(jìn)行了細(xì)分。平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)

1.1 中心系統(tǒng)

中心系統(tǒng)包括流程控制中心子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分。流程控制中心子系統(tǒng)主要包括CTC中心模擬模塊、環(huán)境初始化模塊、作業(yè)流程控制算法模塊、測(cè)試評(píng)判模塊。主要功能是：

(1) 實(shí)現(xiàn)CTC中心調(diào)度命令管理、運(yùn)行圖管理、車站信號(hào)設(shè)備操作功能；

(2) 實(shí)現(xiàn)車站人員自由搭建行車模擬場(chǎng)景,包括行車作業(yè)流程網(wǎng)絡(luò)編輯管理、機(jī)車編組和速報(bào)信息編輯管理、行車計(jì)劃的編輯管理；

(3) 作業(yè)流程控制,監(jiān)聽值班員對(duì)其他子系統(tǒng)的操作,判斷值班員操作是否正確,參與培訓(xùn)人員通話用語(yǔ)是否標(biāo)準(zhǔn),模擬行車組織調(diào)度員、鄰站、助理值班員等與值班員的通話,驅(qū)動(dòng)非正常接發(fā)車作業(yè)流程的執(zhí)行；

(4) 記錄培訓(xùn)過程的全部操作并分析,給出詳細(xì)測(cè)試報(bào)告,將培訓(xùn)人員測(cè)試情況存檔以備后續(xù)查閱以及用于崗位選拔；

(5) 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)非正常接發(fā)車作業(yè)流程用例、值班員歷史測(cè)試記錄、行車計(jì)劃信息、機(jī)車信息、語(yǔ)音規(guī)則庫(kù)。

1.2 培訓(xùn)人員操作系統(tǒng)

培訓(xùn)人員操作系統(tǒng)包括數(shù)字調(diào)度臺(tái)子系統(tǒng),CTC車務(wù)終端仿真子系統(tǒng),聯(lián)鎖仿真子系統(tǒng)3部分,是培訓(xùn)人員的操作平臺(tái)。

數(shù)字調(diào)度臺(tái)模擬值班員與鄰站、調(diào)度臺(tái)、助理值班員、值班站長(zhǎng)、司機(jī)、列貨檢、工務(wù)電務(wù)等單位的語(yǔ)音交互,實(shí)現(xiàn)錄制值班員語(yǔ)音信息并通過自動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別(automatic speech recognition,ASR)技術(shù)轉(zhuǎn)化為文字信息。通過文字轉(zhuǎn)語(yǔ)音(text to speech,TTS)技術(shù)播放約定好的文本信息,模擬各工種、單位與值班員的語(yǔ)音交互信息。

CTC車務(wù)終端仿真子系統(tǒng)分為行車日志模塊、列車編組和速報(bào)模塊、調(diào)度命令模塊和電子行車檢查簿模塊,主要功能是：

(1) 對(duì)行車序列的增刪、觸發(fā)、發(fā)車預(yù)告、同意預(yù)告、拒絕接車、辦理直通、行車報(bào)點(diǎn)；

(2) 查詢、編制、上報(bào)各行車車次、型號(hào)、發(fā)報(bào)站、總重、輛數(shù)、長(zhǎng)度、車號(hào)、到站等速報(bào)信息；

(3) 實(shí)現(xiàn)對(duì)路票、紅色許可證、綠色許可證的模擬仿真,實(shí)現(xiàn)向調(diào)度臺(tái)申請(qǐng)調(diào)度命令,向機(jī)車下發(fā)、轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度命令,接收流程控制中心子系統(tǒng)下發(fā)的調(diào)度命令；

(4) 實(shí)現(xiàn)值班員在行車設(shè)備故障情況下的故障登記、模擬相關(guān)檢修單位現(xiàn)場(chǎng)檢修、故障銷記等功能。

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖仿真子系統(tǒng)由站場(chǎng)模擬機(jī)、聯(lián)鎖判斷模塊、信號(hào)操作接口3部分組成。主要用來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)設(shè)備運(yùn)行情況,向流程控制中心提供信號(hào)設(shè)備的故障設(shè)置接口,實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖表讀取、聯(lián)鎖運(yùn)算,提供信號(hào)設(shè)備操作接口。它是值班員的主要操作界面。

1.3 通信數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)

通信數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)采用微服務(wù)架構(gòu)(micro service architecture,MSA),定義統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)通信接口協(xié)議,實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、記錄、一包多發(fā),分解數(shù)據(jù)包、合并數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)編碼轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)間校準(zhǔn)、子系統(tǒng)通信狀態(tài)報(bào)警等功能。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 微服務(wù)架構(gòu)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

為滿足現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容性、穩(wěn)定性要求,各鐵路車站可能使用不同調(diào)度系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)相似或相同功能。但是在培訓(xùn)中執(zhí)行不同車站行車作業(yè)流程時(shí),存在不同信號(hào)系統(tǒng)或調(diào)度系統(tǒng)的兼容性問題。MSA是通過將應(yīng)用服務(wù)API分解為細(xì)粒度的離散基礎(chǔ)服務(wù),減弱子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性[6],進(jìn)而避免由于子系統(tǒng)變更所帶來(lái)的孤島效應(yīng)。

MSA由基礎(chǔ)服務(wù)源、微服務(wù)容器、服務(wù)請(qǐng)求者組成。圖2是系統(tǒng)采用MSA與常規(guī)架構(gòu)在子系統(tǒng)1發(fā)生變更時(shí)所帶來(lái)的系統(tǒng)影響對(duì)比。其中各子系統(tǒng)提供基礎(chǔ)服務(wù)API構(gòu)成基礎(chǔ)服務(wù)源,服務(wù)請(qǐng)求者組合基礎(chǔ)服務(wù)源內(nèi)部分API完成某項(xiàng)功能。當(dāng)MSA在子系統(tǒng)發(fā)生變更時(shí),系統(tǒng)需變更微服務(wù)容器內(nèi)接口組合定義，以兼容更新后的子系統(tǒng)1。常規(guī)架構(gòu)中需要變更與本功能相關(guān)的各子系統(tǒng)接口組合定義,即子系統(tǒng)發(fā)生變更時(shí),前者架構(gòu)需要的變更較少,具有更好的子系統(tǒng)兼容性。

微服務(wù)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方案如下：

在仿真系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)搭建微服務(wù)容器,提供進(jìn)路辦理、語(yǔ)音處理、行車日志處理、調(diào)度命令處理、故障登/銷記、信號(hào)設(shè)備操作、站場(chǎng)狀態(tài)獲取、速報(bào)表處理、故障清單初始化等微服務(wù)接口。由各子系統(tǒng)提供目標(biāo)按鈕點(diǎn)擊、信號(hào)設(shè)備選中、表序列選擇等細(xì)粒度基礎(chǔ)服務(wù)接口。各子系統(tǒng)通過輕量級(jí)socket消息包調(diào)用微服務(wù)接口以完成某項(xiàng)工作。

2.2 適應(yīng)性關(guān)鍵字語(yǔ)音識(shí)別

在鐵路行車作業(yè)中,各工種間的信息交互采用標(biāo)準(zhǔn)化用語(yǔ)。但是在車站實(shí)際作業(yè)中,行車組織人員使用簡(jiǎn)略化、地方化用語(yǔ)表述時(shí),語(yǔ)音識(shí)別模式可能失效。

適應(yīng)關(guān)鍵字語(yǔ)音識(shí)別是對(duì)語(yǔ)句中部分關(guān)鍵字識(shí)別,并對(duì)關(guān)鍵字-發(fā)音數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行適應(yīng)性更新的識(shí)別方式。圖3是某一場(chǎng)景下的適應(yīng)性識(shí)別過程。系統(tǒng)在首次使用時(shí)錄入車站行車組織人員語(yǔ)音信息,以解決大部分特殊語(yǔ)句、詞匯識(shí)別問題。隨后系統(tǒng)投入使用,操作人員從數(shù)字調(diào)度臺(tái)錄入語(yǔ)音并識(shí)別為關(guān)鍵字序列,流程控制中心對(duì)該序列與標(biāo)準(zhǔn)序列對(duì)比。系統(tǒng)設(shè)定：當(dāng)正確率高于一定閾值時(shí),可自動(dòng)將誤差項(xiàng)更新至語(yǔ)法規(guī)則庫(kù),同時(shí)人工可干預(yù)評(píng)判,從而提高識(shí)別速度與識(shí)別準(zhǔn)確性。

3 控制流程

3.1 行車作業(yè)流程網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

行車調(diào)度作業(yè)仿真培訓(xùn)平臺(tái)將非正常接發(fā)車作業(yè)流程抽象為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的操作指令序列,其中流程網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)代表了行車作業(yè)人員完成的每一步工作,主要包括3部分屬性：

(1) 操作觸發(fā)條件序列(Pin),表示執(zhí)行該操作所需要完成的操作；

(2) 操作信息包括操作節(jié)點(diǎn)編號(hào)、操作時(shí)刻記錄、操作內(nèi)容、分?jǐn)?shù)詳情等信息。其中操作內(nèi)容信息與通信數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)內(nèi)微服務(wù)接口相對(duì)應(yīng),分為系統(tǒng)操作與培訓(xùn)人員操作兩種,即系統(tǒng)設(shè)定某工種作為培訓(xùn)對(duì)象時(shí),則作業(yè)流程網(wǎng)絡(luò)中涉及該工種的操作由培訓(xùn)人員操作,其他操作由系統(tǒng)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)觸發(fā)；

(3) 操作響應(yīng)事件序列(Pout)表示執(zhí)行該操作后可執(zhí)行的操作。

3.2 作業(yè)流程控制算法

系統(tǒng)作業(yè)流程控制主要是將測(cè)試人員操作與預(yù)先定義的標(biāo)準(zhǔn)操作進(jìn)行比對(duì),比對(duì)成功則進(jìn)入后續(xù)操作流程。在正常行車條件下,鐵路行車作業(yè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小,不涉及復(fù)雜的并行業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu),采用業(yè)務(wù)流程靜態(tài)配置容易實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)監(jiān)控；但在進(jìn)行故障條件下行車作業(yè)時(shí),會(huì)增加維修、安全防護(hù)、信息確認(rèn)等額外工作，采用靜態(tài)配置業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)方式無(wú)法滿足非正常接發(fā)車作業(yè)業(yè)務(wù)靈活性。動(dòng)態(tài)配置業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)是采用隱藏、阻斷或允許可配置業(yè)務(wù)過程模型中的某些片段,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可配置的業(yè)務(wù)流程模型[7-8]。系統(tǒng)采用在行車作業(yè)主干網(wǎng)絡(luò)末端,根據(jù)節(jié)點(diǎn)類型動(dòng)態(tài)生成后續(xù)業(yè)務(wù)流程網(wǎng)絡(luò)的方式,以實(shí)現(xiàn)行車作業(yè)流程網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)擴(kuò)展,提高培訓(xùn)自由度。行車作業(yè)流程控制過程如圖4所示。

圖4 行車作業(yè)控制流程圖

鐵路行車作業(yè)流程網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有相同的或相似的業(yè)務(wù)內(nèi)容和流程控制過程,故平臺(tái)采用多線程分治算法對(duì)并行業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理。借鑒CTC3.0接發(fā)列車作業(yè)流程安全卡控方案[9]以及鐵路行車作業(yè)自動(dòng)揭示監(jiān)控組建方案[10],控制過程如下:

(1) 從數(shù)據(jù)庫(kù)錄入非正常接發(fā)車作業(yè)流程圖數(shù)據(jù),初始化語(yǔ)音庫(kù)、機(jī)車信息和各子系統(tǒng)。通信數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)檢測(cè)通信通道并校準(zhǔn)各子系統(tǒng)時(shí)間。節(jié)點(diǎn)控制函數(shù)線程數(shù)目初始化為0。

(2) 置當(dāng)前操作狀態(tài)為作業(yè)流程圖起點(diǎn),建立節(jié)點(diǎn)控制函數(shù),節(jié)點(diǎn)控制函數(shù)數(shù)目加1。

(3) 判斷當(dāng)前操作觸發(fā)集是否全部滿足。是,則走向下一步；否,則繼續(xù)判斷(第一步?jīng)]有觸發(fā)集,故認(rèn)為觸發(fā)集全部滿足)。

(4) 判斷當(dāng)前操作是否是待測(cè)試工種操作類型。是,則判定為測(cè)試操作類型，執(zhí)行下一步；否,則判定該步驟為系統(tǒng)操作類型,調(diào)用通信服務(wù)平臺(tái)開放API，完成操作,轉(zhuǎn)至步驟(8)。

(5) 阻塞監(jiān)聽計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖仿真子系統(tǒng)、CTC車務(wù)仿真子系統(tǒng)、數(shù)字調(diào)度臺(tái)以及電子行車設(shè)備檢查登記簿,直到檢測(cè)到值班員存在操作,執(zhí)行下一步。

(6) 判斷該操作危險(xiǎn)性,若危險(xiǎn)性較大則直接中斷流程,執(zhí)行步驟(11)。否則執(zhí)行下一步。

(7) 判斷該操作是否為所需操作。是,則更新成績(jī)執(zhí)行下一步；否,則警告扣分并執(zhí)行步驟(5)。

(8) 結(jié)束當(dāng)前節(jié)點(diǎn)控制函數(shù)線程,線程計(jì)數(shù)減1。根據(jù)節(jié)點(diǎn)類型動(dòng)態(tài)生成后續(xù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

(9) 檢測(cè)該操作響應(yīng)集是否為空。如不為空,則為該操作集合內(nèi)每一操作建立節(jié)點(diǎn)控制函數(shù),更新節(jié)點(diǎn)控制函數(shù)數(shù)目,執(zhí)行步驟(3)；如為空,則執(zhí)行下一步。

(10) 判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)控制函數(shù)線程數(shù)目是否為0。當(dāng)線程計(jì)數(shù)為0時(shí),行車作業(yè)流程執(zhí)行完畢,執(zhí)行下一步。

(11) 計(jì)算總成績(jī)。作業(yè)流程控制中心給出測(cè)試報(bào)告,結(jié)束非正常接發(fā)車作業(yè)測(cè)試。

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

以哈爾濱南站Ⅵ場(chǎng)為例,采集該站客貨運(yùn)高峰期3小時(shí)內(nèi)行車信息。仿真路網(wǎng)包括哈爾濱南站Ⅵ調(diào)車場(chǎng)、上行方向Ⅱ調(diào)車場(chǎng)、下行王崗車站；行車作業(yè)流程業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)主要包括該站技術(shù)規(guī)范與故障行車實(shí)施細(xì)則所定義標(biāo)準(zhǔn)行車作業(yè)流程。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用VS2012+SQL Server 2008開發(fā),各子系統(tǒng)運(yùn)行效果如圖5所示。圖5(c)是基于該站紙質(zhì)版行車設(shè)備檢查登記簿的模擬仿真軟件以及對(duì)該站電話為主、手持設(shè)備為輔的通話設(shè)備群的仿真模擬軟件,涵蓋該站涉及行車作業(yè)的相關(guān)單位與工種。

圖5 子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

行車調(diào)度作業(yè)仿真培訓(xùn)平臺(tái)已在哈爾濱鐵路局、西安鐵路局、成都鐵路局等鐵路局的多個(gè)執(zhí)教中心投入使用。主要用于車站行車作業(yè)聯(lián)合演練以及調(diào)度員、值班員、助理值班員、信號(hào)員等崗位培訓(xùn),在部分車站用于輔助選拔行車作業(yè)崗位人員。

5 結(jié)語(yǔ)

基于CTC的行車調(diào)度作業(yè)仿真培訓(xùn)平臺(tái)呈現(xiàn)了車站行車作業(yè)全過程所需的模擬環(huán)境,實(shí)現(xiàn)了對(duì)行車調(diào)度運(yùn)輸人員的全方位、全過程培訓(xùn),減少了行車作業(yè)違章現(xiàn)象的發(fā)生,對(duì)保障行車安全、提高鐵路運(yùn)輸效率具有重要意義。