高速鐵路列車調(diào)度員應(yīng)急場景處置仿真系統(tǒng)設(shè)計研究

孫鵬舉，劉 俊，李 博

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081；2.中國鐵路總公司調(diào)度部，北京 100844)

高速鐵路具有速度快、密度大、準(zhǔn)點率高、舒適性好等諸多優(yōu)點，承擔(dān)著越來越重要的旅客運(yùn)輸任務(wù)，而且旅客對高速鐵路的正點率以及緊急突發(fā)情況的快速、有效處置的需求也越來越高。由于高速鐵路車站人員密度大、建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)境特殊，如果對應(yīng)急情況處理不當(dāng)或不及時，往往會使事故后果擴(kuò)大，帶來不利影響[1］。調(diào)度部門作為鐵路運(yùn)輸指揮的中樞，在運(yùn)營管理及應(yīng)急處置等方面有著突出的作用，高速鐵路列車調(diào)度員對現(xiàn)場行車擁有直接的控制權(quán)，其操作水平、業(yè)務(wù)技能和應(yīng)急處置能力直接關(guān)系到高速鐵路和旅客的安全[2］。目前，部分列車調(diào)度員存在應(yīng)急響應(yīng)不及時、信息報送不完整、應(yīng)急組織不緊密、命令發(fā)布不規(guī)范等問題。因此，開展高速鐵路列車調(diào)度員應(yīng)急場景處置仿真系統(tǒng)設(shè)計研究，旨在有效提升列車調(diào)度員應(yīng)急處置能力。

1 高速鐵路列車調(diào)度員應(yīng)急場景處置仿真系統(tǒng)需求分析

1.1 應(yīng)急場景處置作業(yè)過程

列車調(diào)度員作為一個調(diào)度區(qū)段運(yùn)輸生產(chǎn)的直接組織與指揮者[3］，在應(yīng)急場景處置中發(fā)揮著突出的作用，其作業(yè)過程主要是根據(jù)應(yīng)急場景信息、區(qū)段綜合信息，完成滿足規(guī)范性與及時性的設(shè)備操作、信息交互、處置決策等工作的過程。高速鐵路列車調(diào)度員應(yīng)急場景處置作業(yè)過程如圖1所示。其中，應(yīng)急場景信息包括場景發(fā)生的時間和地點、現(xiàn)場的即時情況、故障的影響范圍等[4］；區(qū)段綜合信息涵蓋救援力量布局、設(shè)備實施信息、在途列車的實時屬性；設(shè)備操作涉及列車運(yùn)行圖、列控限速、車務(wù)終端、調(diào)度命令等方面；信息交互主要指值班主任、車務(wù)應(yīng)急值守人員、設(shè)備管理單位人員、司機(jī)、供電調(diào)度員間的信息傳遞與反饋等；處置決策是指運(yùn)行計劃調(diào)整、救援力量調(diào)動、故障處置等方案的制定。

圖1 高速鐵路列車調(diào)度員應(yīng)急場景處置作業(yè)過程圖Fig.1 Process of high speed railway dispatcher emergency disposal work

1.2 應(yīng)急場景處置作業(yè)特點分析

（1）應(yīng)急場景多樣。由于高速鐵路等級高、設(shè)備數(shù)量多、線路范圍廣，因而應(yīng)急場景類別多，包括固定設(shè)備、移動設(shè)備故障類以及惡劣環(huán)境、應(yīng)急事件突發(fā)類等。

（2）事件觸發(fā)隨機(jī)。非正常情況發(fā)生的時間、地點、車次、類別等具有隨機(jī)性的特點，甚至在同一地點或同一時間可發(fā)生多項故障。

（3）設(shè)備操作復(fù)雜。調(diào)度集中區(qū)段，現(xiàn)場行車設(shè)備操作權(quán)向列車調(diào)度員轉(zhuǎn)移，對調(diào)度人員的業(yè)務(wù)和綜合素質(zhì)提出了嚴(yán)峻的考驗。應(yīng)急場景發(fā)生時，高速鐵路列車調(diào)度員需根據(jù)具體情況完成列車運(yùn)行計劃調(diào)整、調(diào)度命令擬寫與發(fā)布、列控限速設(shè)置、車務(wù)終端操作等復(fù)雜的設(shè)備操作作業(yè)。

（4）信息交互豐富。作為應(yīng)急場景處置的核心崗位，列車調(diào)度員需主導(dǎo)同值班(副)主任、司機(jī)、設(shè)備管理單位人員、車務(wù)應(yīng)急值守人員、供電調(diào)度員等崗位的溝通、配合，進(jìn)行聯(lián)動處置。

（5）處置決策難。完成信息收集與緊急處理等應(yīng)急處置先期工作后，列車調(diào)度員需根據(jù)應(yīng)急場景類型、調(diào)度區(qū)段在途列車實時屬性、運(yùn)行計劃、救援力量布局等制定合理的救援決策方案。

（6）作業(yè)要求項點多。面對突發(fā)情況，列車調(diào)度員既要做到處置規(guī)范、符合各類規(guī)章要求，也要做到反應(yīng)及時、減少故障延誤時間，還要做到與其他崗位溝通順暢、配合到位。

1.3 應(yīng)急場景處置仿真系統(tǒng)需求分析

依據(jù)高速鐵路列車調(diào)度員應(yīng)急場景處置仿真系統(tǒng)總體要求，在硬件方面，要求與實際調(diào)度工作環(huán)境盡可能保持一致；在軟件方面，要求滿足列車運(yùn)行圖、調(diào)度命令等各子系統(tǒng)全覆蓋，而且各子系統(tǒng)的操作界面和功能與現(xiàn)場設(shè)備相同；在應(yīng)用方面，要求系統(tǒng)可達(dá)到運(yùn)行自動化和評判智能化的效果。因此，高速鐵路列車調(diào)度員應(yīng)急場景處置仿真系統(tǒng)需求主要體現(xiàn)在以下方面。

（1）平臺工況逼真。應(yīng)以當(dāng)前正在使用的運(yùn)營設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行搭建，復(fù)制或高度仿真與調(diào)度員應(yīng)急處置相關(guān)聯(lián)的各系統(tǒng)界面與功能，并符合軟、硬件相關(guān)要求。

（2）多類別應(yīng)急場景再現(xiàn)。要進(jìn)行精細(xì)化的場景設(shè)計，考慮故障類型、運(yùn)行計劃、故障地點、故障時間、故障觸發(fā)條件和故障恢復(fù)條件等要素，滿足場景類型覆蓋全面、觸發(fā)方式多樣的特點，涵蓋設(shè)備操作、信息交互等環(huán)節(jié)[5］。

（3）關(guān)聯(lián)崗位自動配合。除列車調(diào)度員(助理調(diào)度員)本崗位外，系統(tǒng)需實現(xiàn)其他崗位(司機(jī)、設(shè)備管理單位人員、車務(wù)應(yīng)急值守人員等)在場景處置全過程的自動配合，解決關(guān)聯(lián)崗位多，需要人工替代的問題。

（4）作業(yè)過程關(guān)鍵環(huán)節(jié)辨識與評價。根據(jù)調(diào)度員應(yīng)急處置決策難、處置作業(yè)要求項點多的特點，對應(yīng)急處置關(guān)鍵點(如調(diào)度命令正確性、運(yùn)行計劃調(diào)整方案合理性)進(jìn)行智能化評判，涵蓋規(guī)范性、及時性、協(xié)作性及處置決策合理性等項點。

2 高速鐵路列車調(diào)度員應(yīng)急場景處置仿真系統(tǒng)設(shè)計

高速鐵路列車調(diào)度員應(yīng)急場景處置仿真系統(tǒng)分為設(shè)備操作、應(yīng)急處置、作業(yè)考評、支持系統(tǒng)4個模塊，利用通信服務(wù)作為系統(tǒng)的中轉(zhuǎn)站，承接各個模塊的信息，并根據(jù)指令做出響應(yīng)。高速鐵路列車調(diào)度員應(yīng)急場景處置仿真系統(tǒng)框架設(shè)計如圖2所示。

圖2 高速鐵路列車調(diào)度員應(yīng)急場景處置仿真系統(tǒng)框架設(shè)計Fig.2 Simulation system structure design for high speed railway dispatcher emergency disposal

2.1 設(shè)備操作模塊

設(shè)備操作模塊直接接觸用戶，包含運(yùn)行圖、車務(wù)操作、調(diào)度命令、防災(zāi)系統(tǒng)、調(diào)度通信、列控限速等子系統(tǒng)。其中，運(yùn)行圖子系統(tǒng)包括基本圖加載、階段計劃下達(dá)、運(yùn)行計劃調(diào)整等功能；調(diào)度命令子系統(tǒng)包括場景庫建立、命令編輯、受令人及處所選擇與增補(bǔ)等功能；列控限速子系統(tǒng)包括命令編輯、命令校驗、激活校驗、命令執(zhí)行等功能；車務(wù)操作子系統(tǒng)包括單站與區(qū)段顯示、進(jìn)路序列查看、進(jìn)路排列與取消等功能；調(diào)度監(jiān)督子系統(tǒng)包括區(qū)間設(shè)備與站場設(shè)備信息顯示、列車運(yùn)行狀態(tài)顯示、臨時限速顯示等功能；防災(zāi)子系統(tǒng)包括雨量監(jiān)測預(yù)警、風(fēng)速監(jiān)測預(yù)警、異物侵限監(jiān)測報警等功能；調(diào)度通信子系統(tǒng)包括列車通信、車站通信、臺間通信、單呼與組呼等功能。

2.2 應(yīng)急處置模塊

應(yīng)急處置模塊主要用于場景設(shè)計與關(guān)聯(lián)崗位配合，旨在實現(xiàn)高速鐵路列車調(diào)度員現(xiàn)場應(yīng)急處置工況的仿真，在應(yīng)急場景類型、關(guān)聯(lián)崗位仿真、應(yīng)急場景觸發(fā)、故障現(xiàn)象4個方面可實現(xiàn)以下要求。

（1）應(yīng)急場景類型。根據(jù)高速鐵路運(yùn)行試驗的故障模擬及應(yīng)急演練測試內(nèi)容，通過研究提出《高速鐵路應(yīng)急場景庫》，該場景庫涵蓋84項場景，其中涉及高速鐵路列車調(diào)度員應(yīng)急處置場景如表1所示。

（2）關(guān)聯(lián)崗位仿真。在應(yīng)急場景處置時，系統(tǒng)可模擬替代各關(guān)聯(lián)崗位，完成自動應(yīng)答、信息交互、按令操作、自主處置等作業(yè)。

（3）應(yīng)急場景觸發(fā)。根據(jù)應(yīng)急場景的模擬形式，場景觸發(fā)可滿足立即觸發(fā)、條件觸發(fā)2類。場景立即觸發(fā)滿足即時模擬的需要，如設(shè)置動車組列控車載設(shè)備故障后，列車可立即采取降速措施，降速至0 km/h。場景條件觸發(fā)滿足場景化模擬的需要，可在線路任意地點、時刻設(shè)置故障，具備條件時自動觸發(fā)，如設(shè)置列車在654 G處發(fā)生受電弓自動降弓故障，司機(jī)可在列車運(yùn)行至654 G時，立即向列車調(diào)度員匯報故障情況。

（4）故障現(xiàn)象。系統(tǒng)CTC終端故障現(xiàn)象顯示應(yīng)與實際運(yùn)營調(diào)度臺保持一致，如突發(fā)大風(fēng)報警時，防災(zāi)系統(tǒng)應(yīng)有聲光報警提示，并根據(jù)設(shè)定的風(fēng)速等級對應(yīng)顯示相應(yīng)限速的提示信息。

2.3 作業(yè)考評模塊

作業(yè)考評模塊用于對列車調(diào)度員作業(yè)信息的采集、評價與反饋，包括列車調(diào)度員設(shè)備操作、信息交互、處置結(jié)果性指標(biāo)等方面。在功能上，作業(yè)考評模塊一是滿足考評自動化，考評工作完全由計算機(jī)實現(xiàn)；二是滿足評估全景化，系統(tǒng)應(yīng)可記錄列車調(diào)度員在實操及信息傳遞過程中的所有操作過程；三是滿足評價智能化，部分復(fù)雜的評價項點可實現(xiàn)智能的偏離度比對[6］；四是滿足數(shù)據(jù)挖掘功能，通過建立數(shù)據(jù)中心，利用數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)調(diào)度指揮的能力短板，為培訓(xùn)方案的制訂及培訓(xùn)場景設(shè)置提供可靠依據(jù)[7］。

2.4 支持系統(tǒng)模塊

支持系統(tǒng)模塊用于外部接口的模擬，通過配置外部系統(tǒng)仿真軟件模擬列控系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)、無線調(diào)度命令傳輸系統(tǒng)、RBC系統(tǒng)、車載CIR系統(tǒng)及室外設(shè)備仿真系統(tǒng)，采用虛擬機(jī)技術(shù)將多個車站的虛擬自律機(jī)集中于一臺服務(wù)器，實現(xiàn)自動排路、人工排路等功能，并與外部系統(tǒng)仿真軟件相接[8］。

3 高速鐵路列車調(diào)度員應(yīng)急場景處置仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

3.1 自動應(yīng)答及配合技術(shù)

通過運(yùn)用語音識別技術(shù)，可實現(xiàn)列車調(diào)度員在應(yīng)急場景處置過程中與配合崗位的實時溝通，促進(jìn)場景觸發(fā)與推進(jìn)。列車調(diào)度員可通過FAS臺、固定電話與相關(guān)崗位進(jìn)行語音對話，配合崗位能根據(jù)場景設(shè)置或設(shè)備信息的實時更新，與列車調(diào)度員進(jìn)行即時的信息傳遞。此外，配合崗位可根據(jù)故障條件或列車調(diào)度員的指示完成相關(guān)動作，如司機(jī)崗位因接觸網(wǎng)突發(fā)停電立即停車、供電調(diào)度員崗位根據(jù)列車調(diào)度員指示完成接觸網(wǎng)停送電操作等。

3.2 列車運(yùn)行控制技術(shù)

列車運(yùn)行控制效果是體現(xiàn)平臺仿真度的重要要素。一是列車模擬運(yùn)行需同運(yùn)營實際列車的牽引、運(yùn)行、制動性能相匹配。二是在應(yīng)急場景模擬中，司機(jī)可以根據(jù)故障信號條件、故障牽引供電條件、實時限速要求、列車調(diào)度員即時指示等精準(zhǔn)控制列車。

表1 高速鐵路列車調(diào)度員應(yīng)急處置場景表Tab.1 High speed railway dispatcher emergency disposal scenes

（1）計算機(jī)圖形技術(shù)。應(yīng)利用可視化編程語言及計算機(jī)圖形技術(shù)，直觀、實時地顯示列車運(yùn)行過程及列車編組、線路條件，并模擬司機(jī)對列車操縱。每個有效的計算點的速度、距離、時分及早晚點信息都可輸出到顯示界面。

（2）牽引計算模擬技術(shù)。需要用電子計算機(jī)進(jìn)行列車運(yùn)行計算，系統(tǒng)中線路和列車等比較固定的數(shù)據(jù)預(yù)先編譯成數(shù)據(jù)文件，程序運(yùn)行時讀入需要的原始數(shù)據(jù)模擬列車運(yùn)行。這些固定數(shù)據(jù)包括機(jī)車數(shù)據(jù)、車輛數(shù)據(jù)、常用牽引系數(shù)、常用制動系數(shù)、緊急制動系數(shù)等。系統(tǒng)需要根據(jù)機(jī)車特性建立相應(yīng)的牽引計算模型，支持不同類型的列車牽引計算。

（3）列車控制模擬技術(shù)。通過模擬列控車載設(shè)備功能，對列車連續(xù)不斷地進(jìn)行速度監(jiān)督，實現(xiàn)超速防護(hù)。通過軌道電路和有源應(yīng)答器模擬布點接收調(diào)度中心發(fā)來的有關(guān)指令或列車調(diào)度員的實時語音控車命令，與列車的制動條件相結(jié)合，經(jīng)過精確計算后得出實時、合理的運(yùn)行速度。

3.3 智能評判技術(shù)

為規(guī)避既有主觀評價在客觀性與準(zhǔn)確性方面不足的影響，在滿足自動化評價的基礎(chǔ)上，可運(yùn)用智能評判技術(shù)，解決調(diào)度工作評價的難點問題。高速鐵路列車調(diào)度員應(yīng)急場景處置項點評價指標(biāo)如表2所示。

表2 高速鐵路列車調(diào)度員應(yīng)急場景處置項點評價指標(biāo)Tab.2 Item point evaluation standard of high speed railway dispatcher emergency disposal

（1）設(shè)備操作規(guī)范性的考評。對于調(diào)度命令發(fā)布的規(guī)范性考評，可通過基于改進(jìn)的編輯距離算法自動完成調(diào)度命令模板文本與列車調(diào)度員擬寫的調(diào)度命令內(nèi)容文本檢查，及時發(fā)現(xiàn)多字或少字情況、受令車站或車次錯誤，實現(xiàn)內(nèi)容與受令處(所)間有關(guān)車站、車次的閉環(huán)檢查。

（2）信息傳遞的協(xié)作性考評。對列車調(diào)度員同其他崗位溝通的協(xié)作性考評，運(yùn)用語音識別功能結(jié)合語意識別技術(shù)，對列車調(diào)度員同其他配合崗位溝通過程中存在的漏項、卡頓、反復(fù)等問題予以記錄。

（3）處置決策的合理性考評。對動車組無法繼續(xù)運(yùn)行等場景救援方案的合理性考評，系統(tǒng)應(yīng)依據(jù)故障地點及故障現(xiàn)象，結(jié)合救援設(shè)施設(shè)備布局、后續(xù)列車位置與停站方案等智能生成最佳應(yīng)急處置決策方案，并可根據(jù)學(xué)員實際處置決策所影響的時間、耽誤列車數(shù)量等參數(shù)同最佳方案進(jìn)行偏離度對比。

3.4 系統(tǒng)應(yīng)用

高速鐵路列車調(diào)度員應(yīng)急場景處置仿真系統(tǒng)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下方面。一方面，在對高速鐵路應(yīng)急處置預(yù)案設(shè)計與優(yōu)化時，調(diào)度部門可利用系統(tǒng)對復(fù)雜應(yīng)急場景、特定應(yīng)急場景進(jìn)行場景模擬，通過處置試驗，分析出最優(yōu)處置流程，設(shè)計場景應(yīng)急預(yù)案；也可利用系統(tǒng)對既有應(yīng)急場景進(jìn)行多種處置方案的推演，根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的分析功能，發(fā)掘既有應(yīng)急預(yù)案的可優(yōu)化項點。另一方面，以高速鐵路列車調(diào)度員應(yīng)急場景處置仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立起高速鐵路列車調(diào)度員CTC仿真模擬實訓(xùn)平臺，從而實現(xiàn)提升新職學(xué)員崗前培訓(xùn)效果、提高在職學(xué)員設(shè)備操作熟練度、增強(qiáng)列車調(diào)度員應(yīng)急處置能力。結(jié)合調(diào)度部門的運(yùn)營與培訓(xùn)實際，可以按學(xué)員等級、線路特點對用戶進(jìn)行平臺類型設(shè)計。高速鐵路列車調(diào)度員CTC仿真模擬實訓(xùn)平臺體系如圖3所示。

4 結(jié)束語

高速鐵路列車調(diào)度員仿真系統(tǒng)的設(shè)計和建立，不僅可以模擬高速鐵路列車調(diào)度員應(yīng)急場景處置，還可以解決實作培訓(xùn)缺乏平臺支撐的問題，從而滿足高速鐵路調(diào)度員對各種應(yīng)急場景下的調(diào)度處置培訓(xùn)需求，及時對列車調(diào)度員的實作能力水平進(jìn)行評價，找出能力短板，不斷優(yōu)化應(yīng)急處置預(yù)案的分析和推演點。高速鐵路列車調(diào)度員應(yīng)急場景處置仿真系統(tǒng)的設(shè)計與建立是適應(yīng)調(diào)度部門運(yùn)輸組織精細(xì)化、應(yīng)急處置水平提高、實作培訓(xùn)效果提升、列車調(diào)度員科學(xué)化管理等需要，為更好地強(qiáng)化提升調(diào)度作業(yè)水平提供支撐，不斷促進(jìn)鐵路安全運(yùn)輸生產(chǎn)。

圖3 高速鐵路列車調(diào)度員CTC仿真模擬實訓(xùn)平臺體系圖Fig.3 CTC simulation training platform system of high speed railway dispatcher