城市軌道交通CPSS平臺(tái)構(gòu)建研究

董西松 沈震 熊剛 朱鳳華 胡斌

城市軌道交通因其快速、安全、準(zhǔn)時(shí)、環(huán)保、全天候、大運(yùn)量等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為世界各大城市發(fā)展公共交通的首選[1].據(jù)中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)信息,截至2017年底,中國(guó)內(nèi)地累計(jì)有34個(gè)城市建成投運(yùn)城軌線路5021.7km,2017年新增33條運(yùn)營(yíng)線路、868.9km運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)度[2].

城市軌道交通系統(tǒng)是一個(gè)天然的多學(xué)科、跨領(lǐng)域的復(fù)雜巨系統(tǒng)(不可還原,不可拆分,不可確定),受到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境以及參與系統(tǒng)的人員的影響,涉及幾乎所有工程科學(xué)以及經(jīng)濟(jì)、人口、資源和氣候等社會(huì)科學(xué),整個(gè)城市軌道交通系統(tǒng)及外圍因素錯(cuò)綜復(fù)雜,必須將人和社會(huì)因素納入到城市軌道交通系統(tǒng)的控制和決策中綜合考慮[3].而對(duì)實(shí)際軌道交通系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)往往受經(jīng)濟(jì)、道德和法律等約束,傳統(tǒng)的仿真技術(shù)往往只注重局部、變相、具體、簡(jiǎn)化、單向、獨(dú)立的演示對(duì)象的特性,難以綜合考慮巨系統(tǒng)的錯(cuò)綜復(fù)雜的工程和社會(huì)學(xué)因素,且對(duì)整個(gè)城市軌道交通綜合運(yùn)營(yíng)和管理方面考慮較少,不能進(jìn)行較為全面準(zhǔn)確地評(píng)估.如何尋找可行的方案進(jìn)行全面研究和分析,成為研究者們面臨的最大問(wèn)題.

本文綜合考慮運(yùn)行環(huán)境、社會(huì)環(huán)境、人員、規(guī)則、設(shè)備、信息處理等工程和社會(huì)因素,提出構(gòu)建城市軌道交通的社會(huì)物理信息系統(tǒng)(Cyber-physicalsocial system,CPSS)平臺(tái),以真實(shí)反映實(shí)際系統(tǒng)行為規(guī)則、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、極限狀態(tài)等,建立相應(yīng)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)和綜合評(píng)估系統(tǒng),描述其功能,并給出具體的案例.通過(guò)該平臺(tái),可進(jìn)行各種極限和常規(guī)實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)行方案評(píng)估與規(guī)劃、安全因素評(píng)估、應(yīng)急措施評(píng)估與優(yōu)化等功能,提高對(duì)城市軌道交通這類復(fù)雜系統(tǒng)的建模、評(píng)估、分析和優(yōu)化能力.城市軌道交通CPSS平臺(tái)的研究不僅是綜合交通運(yùn)輸發(fā)展的需要,而且是節(jié)省社會(huì)資源、提高服務(wù)能力、優(yōu)化運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)和管理過(guò)程的必然.

1 相關(guān)工作綜述

1.1 城市軌道交通仿真的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)、通信的快速發(fā)展,軌道交通仿真軟件在鐵路規(guī)劃、設(shè)計(jì)與管理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4?15].ADAMSrail可建立機(jī)車車輛的虛擬樣機(jī)模型并執(zhí)行相應(yīng)的分析[4].瑞典皇家技術(shù)學(xué)院開發(fā)的OpenTrack可以對(duì)列車時(shí)刻表進(jìn)行優(yōu)化[5].Rail-Sys可用于各種規(guī)模鐵路網(wǎng)絡(luò)的分析、設(shè)計(jì)和優(yōu)化[6].UTRAS可進(jìn)行列車運(yùn)行計(jì)算、列車模型對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響分析、延誤恢復(fù)及分析、不同通信信號(hào)制式的影響分析、多列車運(yùn)行能力及效果的評(píng)價(jià)等.RailPlan可根據(jù)線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和列車牽引數(shù)據(jù)來(lái)模擬列車的運(yùn)行.Dynamis可進(jìn)行牽引計(jì)算.VISION可快速、高效地分析列車間隔和線路能力.LOGSIM可用于時(shí)刻表,列車運(yùn)行實(shí)時(shí)調(diào)度等問(wèn)題.RAILSIM可精確地模擬任何鐵路系統(tǒng)中的任何車輛的運(yùn)行.RAILSTM 用于評(píng)價(jià)線路能力、理論能力和實(shí)際能力.RailPlanTM是一個(gè)基于線路與城市軌道交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的運(yùn)輸組織仿真系統(tǒng).TOM可評(píng)估行車時(shí)刻表、車輛能耗、供電系統(tǒng)和列車控制系統(tǒng)等性能.Villon可用于物流節(jié)點(diǎn)–貨運(yùn)站的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)等.ABAQUS軟件可用于強(qiáng)度和疲勞性的分析.SimPed和Nomad將樞紐服務(wù)水平評(píng)價(jià)與行人流特征聯(lián)系,針對(duì)軌道交通樞紐的行人流特征進(jìn)行了仿真建模.

在國(guó)內(nèi),北京交通大學(xué)、西南交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、鐵道科學(xué)研究院等高校和研究機(jī)構(gòu)也取得了很多成果.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院與廣州地下鐵道設(shè)計(jì)研究院共同開發(fā)了針對(duì)城市軌道牽引供電仿真的SimSystem軟件,并已在廣州市地下鐵道設(shè)計(jì)研究院投入使用,效果良好.北京交通大學(xué)與香港理工大學(xué)合作研發(fā)的列車運(yùn)行計(jì)算系統(tǒng)通用列車運(yùn)行模擬系統(tǒng)(General purposed train movement simulation system,GTMSS)是我國(guó)自主研制的新一代綜合模擬系統(tǒng),可提供各種條件下系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)的自動(dòng)計(jì)算,提供鐵路工程項(xiàng)目新建或改造過(guò)程中的多方案比選、機(jī)車運(yùn)行操作方案的優(yōu)化、列車運(yùn)行過(guò)程的動(dòng)態(tài)演示等功能.

傳統(tǒng)的軌道交通仿真系統(tǒng)建立在數(shù)學(xué)模型和對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的假設(shè)之上.由于傳統(tǒng)仿真對(duì)建模的精確性或計(jì)算的簡(jiǎn)潔性的要求,往往對(duì)真實(shí)系統(tǒng)各方面因素進(jìn)行精簡(jiǎn),在真實(shí)性方面有所缺失,對(duì)系統(tǒng)的描述比較局部和有限,且傳統(tǒng)的軌道交通仿真系統(tǒng)局限于對(duì)單一問(wèn)題的求解,大大限制了研究結(jié)果的實(shí)用性和有效性[16].再者,從研究范圍來(lái)講,傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)只能模擬實(shí)際系統(tǒng)的一部分或體現(xiàn)工程方面的局部特性,幾乎沒(méi)有考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等因素,也沒(méi)有考慮交通與人、自然、社會(huì)的相互影響[16].所以,要想得到最切合實(shí)際的仿真結(jié)果,一個(gè)真實(shí)的能考慮到實(shí)際系統(tǒng)各方面因素的仿真系統(tǒng)是必不可少的.

1.2 CPS和CPSS的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)于2007年提出的信息物理系統(tǒng)(Cyberphysical system,CPS)是以工程為主、包含人在系統(tǒng)或回路的一類復(fù)雜系統(tǒng),正在成為全球研究熱點(diǎn)[17?20].美國(guó)科學(xué)基金會(huì)NSF先后資助CPS基礎(chǔ)理論、方法工具、平臺(tái)系統(tǒng)等方面的500多個(gè)研究項(xiàng)目1http://cps-vo.org/projects,并逐步將CPS研究成果應(yīng)用于交通、國(guó)防、能源、醫(yī)療等領(lǐng)域,取得了很好的應(yīng)用效益.IBM提出的智慧地球是對(duì)CPS應(yīng)用實(shí)踐的戰(zhàn)略構(gòu)想.2013年德國(guó)工業(yè)4.0實(shí)施建議將CPS作為工業(yè)4.0的核心技術(shù)[18].歐盟啟動(dòng)的ARTEMIS5等重大項(xiàng)目也將CPS作為一個(gè)重要研究方向.韓國(guó)、日本等許多亞洲國(guó)家也開始重視CPS的研究,并提供資金支持.最近,出現(xiàn)了IET Cyber-Physical Systems Theory and Applications,ACM Transactions on Cyber-Physical Systems等多個(gè)CPS學(xué)術(shù)期刊.

CPS的研究也在國(guó)內(nèi)逐步興起.2010年科技部啟動(dòng)了面向信息物理融合的系統(tǒng)平臺(tái)等863計(jì)劃項(xiàng)目.2016年9月,中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院聯(lián)合國(guó)內(nèi)百余家企事業(yè)單位發(fā)起成立信息物理系統(tǒng)發(fā)展論壇.2017年3月,中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院發(fā)布《信息物理系統(tǒng)白皮書(2017)》.《中國(guó)制造2025》提出基于信息物理系統(tǒng)的智能裝備、智能工廠等智能制造正在引領(lǐng)制造方式變革.《國(guó)務(wù)院關(guān)于深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的指導(dǎo)意見》提出構(gòu)建信息物理系統(tǒng)參考模型和綜合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系,建設(shè)測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)和綜合驗(yàn)證試驗(yàn)床,支持開展兼容適配、互聯(lián)互通和互操作測(cè)試驗(yàn)證.

但是,針對(duì)CPS系統(tǒng)的現(xiàn)有研究還主要集中在工程復(fù)雜性要素,或社會(huì)復(fù)雜性要素的一個(gè)方面.而在CPS系統(tǒng)中,人往往是設(shè)計(jì)者、建造者、運(yùn)營(yíng)管理者和最終使用者,人等社會(huì)復(fù)雜性要素在系統(tǒng)各個(gè)階段都起著不可忽視甚至是決定性的重要作用,要實(shí)現(xiàn)CPS安全可靠高效的管控和應(yīng)用目標(biāo),工程復(fù)雜性要素和社會(huì)復(fù)雜性要素必須作為不可分割的、地位平等的整體加以研究.上述復(fù)雜系統(tǒng)向全要素綜合集成和深度智慧方向不斷發(fā)展,將產(chǎn)生越來(lái)越多的復(fù)雜、巨型的社會(huì)信息物理系統(tǒng)(Cyber-physical-social system,CPSS)[21].

CPSS是由物理系統(tǒng)(Physical system)、相關(guān)人和社會(huì)系統(tǒng)(Social system)、連接二者的信息系統(tǒng)(Cyber system)共同構(gòu)成的一類通用復(fù)雜系統(tǒng),通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)和Cyber系統(tǒng)的連接,通過(guò)社會(huì)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)社會(huì)系統(tǒng)和Cyber系統(tǒng)的連接,這樣物理+社會(huì)系統(tǒng)就能夠等價(jià)地映射到Cyber系統(tǒng)中(見圖1).在此基礎(chǔ)上,通過(guò)CPSS中Cyber系統(tǒng)和物理+社會(huì)系統(tǒng)的彼此認(rèn)識(shí)、虛實(shí)互動(dòng)、共同提高,循序漸進(jìn)地實(shí)現(xiàn)CPSS安全、可靠、高效運(yùn)行等管控和應(yīng)用目標(biāo)[21].CPSS在CPS的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步納入社會(huì)信息,將研究范圍擴(kuò)展到社會(huì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),在智能企業(yè)、智能交通、智能家居、智能醫(yī)療等領(lǐng)域得到多方面應(yīng)用[22?27].當(dāng)前,研究社會(huì)環(huán)境下信息物理系統(tǒng)的行為分析與調(diào)控已經(jīng)成為多個(gè)國(guó)家重大戰(zhàn)略領(lǐng)域的共同需求,研究CPSS已成為國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)十三五規(guī)劃內(nèi)容,也成為多個(gè)國(guó)家重大戰(zhàn)略領(lǐng)域的共同需求.

1.3 CPS和CPSS在交通領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

在交通CPS和CPSS相關(guān)的研究領(lǐng)域,IEEE ITS會(huì)刊在2014年組織了基于社會(huì)信號(hào)的實(shí)時(shí)社會(huì)交通(Real-time social transportation with online social signals)、計(jì)算交通和交通5.0(Computational transportation and transportation 5.0)、社會(huì)交通中的交通博弈(Transportation games for social transportation)專題討論.基于社會(huì)媒體的新一代智能交通系統(tǒng)Transportation 5.0也已提出[28?29].基于大數(shù)據(jù)的城市交通系統(tǒng)的研究也取得了很大進(jìn)展[30].Guo等[24]研究交通領(lǐng)域信息物理系統(tǒng)(CPS-ITS)的感知、通信、計(jì)算、控制和應(yīng)用5個(gè)層次以及向CPSS發(fā)展的趨勢(shì).Pereira等[31]通過(guò)交通卡數(shù)據(jù)、手機(jī)運(yùn)營(yíng)商數(shù)據(jù),以及社交媒體上相關(guān)的交通事件和交通熱點(diǎn),研究提取交通異常人群,預(yù)測(cè)流動(dòng)規(guī)律.He等[32]提出采用手機(jī)數(shù)據(jù)、公交卡等社會(huì)性信號(hào)來(lái)采集交通需求、預(yù)測(cè)交通擁堵及查找擁堵源頭,為交通出行者發(fā)布最短交通路徑和最快交通路徑等誘導(dǎo)信息.汪治華等[33]提出了分層式的交通信息物理系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu).Wang等[34]研究了CPSS在汽車自主駕駛中的應(yīng)用.綜上所述,基于CPS/CPSS的城市交通處于智能交通系統(tǒng)應(yīng)用的研究前沿.CPS,尤其是CPSS,已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn).但是,專門針對(duì)軌道交通系統(tǒng)的相關(guān)研究還很少見.

圖1 信息物理系統(tǒng)(CPS)和社會(huì)信息物理系統(tǒng)(CPSS)Fig.1 Cyber-physical-system(CPS)and cyber-physical-social system(CPSS)

2 城市軌道交通CPSS平臺(tái)研究?jī)?nèi)容及方案

本文構(gòu)建通用的城市軌道交通CPSS平臺(tái),對(duì)城市軌道交通正常情況下的運(yùn)營(yíng)管理和非正常情況下的應(yīng)急管理進(jìn)行計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究(見圖2).

圖2 城市軌道交通CPSS平臺(tái)基本框架系Fig.2 The basic framework of CPSS-URT

城市軌道交通CPSS平臺(tái)整體研究路線如圖3所示.自下而上分為基礎(chǔ)構(gòu)建層、數(shù)據(jù)知識(shí)層、計(jì)算試驗(yàn)和綜合評(píng)估四部分.其中數(shù)據(jù)知識(shí)層包括建立各種數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、場(chǎng)景庫(kù)、方案庫(kù)、知識(shí)庫(kù)以及各種設(shè)備Agent、環(huán)境Agent、人員Agent、規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)等,計(jì)算實(shí)驗(yàn)層包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)執(zhí)行、實(shí)驗(yàn)分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驅(qū)動(dòng),綜合評(píng)估層采用專家經(jīng)驗(yàn)、定性加定量和模糊等評(píng)估方法對(duì)CPSS平臺(tái)和實(shí)際系統(tǒng)在正常情況下的評(píng)估優(yōu)化和在突發(fā)事故下的應(yīng)急管理進(jìn)行研究.

2.1 城市軌道交通CPSS模型

2.1.1 城市軌道交通中社會(huì)系統(tǒng)模型

1)構(gòu)建基于移動(dòng)社交網(wǎng)絡(luò)(Mobile social network,MSN)的交通信息采集平臺(tái),包含手機(jī)信令系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、交通輿情分析等功能,采用文本分析和機(jī)器學(xué)習(xí)方法提取社交媒體中交通事件、交通擁堵、交通事故、道路施工、道路管制、交通天氣、交通輿情、大型社會(huì)活動(dòng)等交通信息,并對(duì)其分類.

圖3 城市軌道交通系統(tǒng)CPSS整體研究路線Fig.3 The holistic research route of CPSS-URT

2)根據(jù)從社交媒體中獲得的交通信息,結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù),采用深度學(xué)習(xí)方法、概率圖模型、統(tǒng)計(jì)方法等預(yù)測(cè)交通流量、行程時(shí)間等.

3)采用網(wǎng)絡(luò)空間數(shù)據(jù)與物理空間數(shù)據(jù)相結(jié)合的交通事件檢測(cè)和交互驗(yàn)證算法,深入分析面向網(wǎng)絡(luò)交通狀態(tài)的城市軌道交通信息時(shí)空特性,對(duì)城市軌道交通情景進(jìn)行分析、診斷、推理.

2.1.2 城市軌道交通物理系統(tǒng)模型

提取城市軌道交通物理系統(tǒng)中乘客、運(yùn)行系統(tǒng)、客運(yùn)服務(wù)、檢修保障、運(yùn)行環(huán)境等信息,采用包括多Agent、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多模態(tài)建模方法,構(gòu)建城市軌道交通物理系統(tǒng)模型(見圖4).

2.1.3 城市軌道交通CPSS通用模型(Cyber系統(tǒng))

城市軌道交通的CPSS通用模型(Cyber系統(tǒng))由系統(tǒng)仿真區(qū)和可擴(kuò)展的模塊組成(見圖5).

1)環(huán)境由社會(huì)和交通兩部分基礎(chǔ)設(shè)施組成,前者包括各種類型的活動(dòng)場(chǎng)所,例如學(xué)校、醫(yī)院、公園和商場(chǎng)等,后者包括車站、機(jī)車、信號(hào)系統(tǒng)等.

2)規(guī)則庫(kù)由用算法形式描述和用If-Then形式描述的規(guī)則組成,用于表現(xiàn)Agent的行為.

3)分布式組件用于實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算,以支持大規(guī)模的路網(wǎng)模擬,需要處理分布式交互、協(xié)調(diào)、通信等關(guān)鍵問(wèn)題.

4)實(shí)驗(yàn)評(píng)估器用于采集系統(tǒng)模擬區(qū)內(nèi)的過(guò)程和結(jié)果數(shù)據(jù),以便事后進(jìn)行計(jì)算實(shí)驗(yàn)分析.

圖4 城市軌道交通CPSS物理系統(tǒng)模型架構(gòu)Fig.4 The model architecture of physical system of CPSS-URT

圖5 城市軌道交通CPSS通用模型(Cyber系統(tǒng))Fig.5 The universal model(Cyber system)of CPSS-URT

5)交通場(chǎng)景渲染引擎,用于呈現(xiàn)模擬的交通場(chǎng)景.

6)人口生成模塊根據(jù)輸入的人口配置,生成滿足一定規(guī)模和特征的人口Agent.

7)活動(dòng)生成模塊對(duì)應(yīng)每個(gè)人口Agent,根據(jù)其自身屬性生成日?；顒?dòng)列表.

8)出行方案模塊用于生成一次出行活動(dòng)的交通方案,包括出發(fā)時(shí)刻、OD、路線等.其中,出行中使用的交通工具由交通工具模塊生成,路線由路徑選擇模塊生成.

9)交通阻塞模塊用于模擬交通事故或施工區(qū),包括阻塞的車道、范圍和時(shí)長(zhǎng)等因素.

10)天氣模塊用于模擬天氣情況,包括風(fēng)力、降雨量、降雪量、可見度等因素.

11)大型活動(dòng)模塊用于模擬大型比賽、演出、公益活動(dòng)等.

12)平行交互模塊,一方面接入實(shí)際交通信息,通過(guò)產(chǎn)生新的Agent和系統(tǒng)調(diào)度,使信息在交通模擬過(guò)程中發(fā)生作用;另一方面,返回用戶關(guān)于交通的查詢以及計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

13)自學(xué)習(xí)模塊采用離線或在線的方式,根據(jù)采集到的實(shí)際交通信息進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí),調(diào)整CPSS平臺(tái)中的模型和規(guī)則.

14)系統(tǒng)時(shí)鐘模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心,推進(jìn)整個(gè)模擬計(jì)算,觸發(fā)其他模塊執(zhí)行動(dòng)作,決定了CPSS平臺(tái)模擬的時(shí)間段和步長(zhǎng).

2.2 城市軌道交通CPSS平臺(tái)及可信度驗(yàn)證

集成城市軌道交通CPSS中物理系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)以及Cyber系統(tǒng)建模方法,采用以多Agent為主體的多模態(tài)建模方法,自下而上地對(duì)城市軌道交通涉及的各類主要要素進(jìn)行建模,研發(fā)構(gòu)建城市軌道交通CPSS平臺(tái).

基于Agent的原則和面向?qū)ο蟮木幊谭椒▉?lái)實(shí)現(xiàn)城市軌道交通CPSS平臺(tái)的建模,以簡(jiǎn)單的一致為原則,將整個(gè)軌道交通系統(tǒng)中涉及的包羅萬(wàn)象的軟硬對(duì)象都作為一個(gè)Agent.每個(gè)Agent都具有一定的內(nèi)部狀態(tài)、行為規(guī)則、結(jié)構(gòu)屬性,并可與外部世界進(jìn)行交流,隨著時(shí)間、空間、環(huán)境、事件的變化而變化.利用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù),可將環(huán)境和規(guī)則等內(nèi)部狀態(tài)以Agent的形式封裝起來(lái),賦予封裝類以各種變量屬性和行為方法,建立一個(gè)Agent的世界,各Agent之間通過(guò)制定的規(guī)則相互作用,在設(shè)定的環(huán)境中生長(zhǎng)和發(fā)育,根據(jù)封裝類的多態(tài)性引發(fā)涌現(xiàn)突變,以合作、調(diào)節(jié)、反饋、競(jìng)爭(zhēng)、沖突的方式實(shí)現(xiàn)彼此交互與轉(zhuǎn)換,演變出結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài)上同構(gòu)異態(tài)的CPSS平臺(tái).

城市軌道交通CPSS平臺(tái)構(gòu)建完成后,需要進(jìn)行可信度驗(yàn)證,包括基本組件的個(gè)體一致性驗(yàn)證、子系統(tǒng)的局部一致性驗(yàn)證、整個(gè)系統(tǒng)的整體一致性驗(yàn)證等層次,對(duì)各個(gè)基本組件和每個(gè)單獨(dú)的子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)合理性及功能進(jìn)行驗(yàn)證,最終進(jìn)行城市軌道CPSS平臺(tái)與實(shí)際系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和功能的等價(jià)驗(yàn)證.

可信度驗(yàn)證的方法是采用城市軌道交通實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)數(shù)據(jù),對(duì)CPSS平臺(tái)不斷修正和滾動(dòng)優(yōu)化,最終平臺(tái)與實(shí)際系統(tǒng)達(dá)到等價(jià).根據(jù)數(shù)據(jù)的來(lái)源不同,城市軌道交通CPSS平臺(tái)可信度驗(yàn)證分為兩種方式:1)根據(jù)實(shí)際城市軌道交通系統(tǒng)已有的歷史數(shù)據(jù),進(jìn)行離線學(xué)習(xí);2)分析研究目標(biāo),選取實(shí)際正在運(yùn)行的子系統(tǒng)數(shù)據(jù)作為CPSS平臺(tái)的輸入,在線跟蹤學(xué)習(xí).通過(guò)這兩種學(xué)習(xí)方式協(xié)調(diào)配合,不斷調(diào)整和優(yōu)化CPSS平臺(tái),確保CPSS平臺(tái)的有效性和合理性,為計(jì)算實(shí)驗(yàn)和平行執(zhí)行提供保障.

2.3 城市軌道交通CPSS計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

利用城市軌道交通CPSS計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái),可在平臺(tái)上進(jìn)行各種試驗(yàn),對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)的行為進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析,單次計(jì)算實(shí)驗(yàn)流程圖如圖6所示.計(jì)算實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括:

1)設(shè)計(jì)同時(shí)支持真實(shí)和虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的場(chǎng)景生成器.場(chǎng)景生成器能夠接受最終用戶輸入的場(chǎng)景或自動(dòng)提取場(chǎng)景庫(kù)中的特定實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景,實(shí)例化實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中的交互機(jī)制和管理規(guī)則,并傳遞給事件驅(qū)動(dòng)引擎完成計(jì)算實(shí)驗(yàn)仿真.

2)設(shè)計(jì)基于離散事件仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)事件驅(qū)動(dòng)引擎,并動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中各Agent的交互與通信過(guò)程.事件驅(qū)動(dòng)引擎采用仿真時(shí)鐘模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行時(shí)的特定時(shí)刻和時(shí)間變化,按時(shí)間順序存儲(chǔ)、分析和確定實(shí)驗(yàn)過(guò)程中離散事件及事件間的引發(fā)關(guān)系,通過(guò)仿真時(shí)鐘的推進(jìn)和離散事件的處理來(lái)驅(qū)動(dòng)和模擬計(jì)算實(shí)驗(yàn)的過(guò)程.

3)開發(fā)適用于計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的各類群體策略學(xué)習(xí)與優(yōu)化算法、定性與定量計(jì)算實(shí)驗(yàn)評(píng)估算法以及對(duì)各應(yīng)用領(lǐng)域提供特定支持的專用算法分析工具,并以模塊和組件的形式應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中.這些工具將動(dòng)態(tài)地統(tǒng)計(jì)、分析、評(píng)估和優(yōu)化計(jì)算實(shí)驗(yàn)過(guò)程及其結(jié)果,并實(shí)時(shí)更新知識(shí)庫(kù).

圖6 城市軌道交通CPSS平臺(tái)計(jì)算實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.6 The flowchart of computational experiments of CPSS-URT

2.4 城市軌道交通CPSS綜合評(píng)估系統(tǒng)

設(shè)計(jì)多目標(biāo)多層次的綜合評(píng)估系統(tǒng):采用層次分析法確認(rèn)系統(tǒng)各層次指標(biāo)的權(quán)重,采用專家分析法對(duì)不易準(zhǔn)確定量的定性指標(biāo)量化處理,對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行量綱轉(zhuǎn)化,根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行綜合效績(jī)?cè)u(píng)價(jià)處理各項(xiàng)指標(biāo).

該系統(tǒng)可以對(duì)實(shí)際城市軌道交通的運(yùn)用效果和CPSS平臺(tái)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析與評(píng)估(見圖7).通過(guò)采集CPSS平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)預(yù)案的效果進(jìn)行事先及事后的分析與評(píng)估;通過(guò)采集實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)據(jù),對(duì)方案的實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行分析與評(píng)估;通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果及軌道交通系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn)方案中的優(yōu)點(diǎn)或不足,進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化.

圖7 城市軌道交通CPSS綜合評(píng)估流程圖Fig.7 The flowchart of comprehensive evaluation of CPSS-URT

2.4.1 總體層評(píng)估體系

1)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估分為城市軌道交通建設(shè)規(guī)劃期和投入運(yùn)營(yíng)期的經(jīng)濟(jì)評(píng)估;

2)社會(huì)性評(píng)估包括服務(wù)系統(tǒng)的高品質(zhì)性,對(duì)線路沿岸社會(huì)生活的影響,對(duì)其他公共交通方式的影響等;

3)可持續(xù)發(fā)展性評(píng)估主要指低碳、綜合節(jié)能和減排等方面.

2.4.2 管理層評(píng)估體系

城市軌道交通運(yùn)營(yíng)最關(guān)鍵的問(wèn)題就是如何保障運(yùn)輸安全.從本質(zhì)上講,城市軌道交通運(yùn)輸安全保障系統(tǒng)就是一個(gè)以管理為中樞、以人為核心,以機(jī)為基礎(chǔ)、以環(huán)境為條件組成的,以保障城市軌道交通運(yùn)輸安全為目的的人–機(jī)–環(huán)境系統(tǒng).在這個(gè)系統(tǒng)中,管理滲透到了每一環(huán)節(jié),對(duì)促使各個(gè)要素結(jié)合起來(lái)成為一個(gè)整體起著中樞作用.人既是管理的主體,又是管理的對(duì)象,人的因素在各國(guó)城市軌道交通行車事故中占有很大比重,因此管理層評(píng)估體系是至關(guān)重要的.

2.4.3 實(shí)施層評(píng)估體系

1)列車子系統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系包含列車自動(dòng)駕駛、自動(dòng)防護(hù)以及在駕駛員誤操作情況下列車自動(dòng)應(yīng)急處理、車載通信設(shè)備通信、數(shù)據(jù)傳輸可靠性、駕駛員技術(shù)水平、操作正確性和設(shè)備熟練程度等.

2)軌旁子系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系包括線路建設(shè)質(zhì)量、應(yīng)答器工作模式、信號(hào)機(jī)制式的高效性、災(zāi)害檢測(cè)設(shè)備的可靠性等.

3 城市軌道交通CPSS平臺(tái)功能

將CPSS平臺(tái)與實(shí)際系統(tǒng)相結(jié)合,既可以對(duì)正在運(yùn)行的軌道交通管理與控制系統(tǒng)進(jìn)行滾動(dòng)式改進(jìn)與優(yōu)化,又可以對(duì)軌道交通系統(tǒng)的管理者和用戶進(jìn)行虛擬培訓(xùn),提高學(xué)習(xí)效率和操作可靠性,這樣可以節(jié)省社會(huì)資源、提高服務(wù)能力、優(yōu)化運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)和管理.應(yīng)用驗(yàn)證流程圖如圖8所示.

3.1 正常運(yùn)營(yíng)情況下可靠性分析與評(píng)估

通過(guò)CPSS平臺(tái),可以實(shí)驗(yàn)各種各樣的城市軌道交通方案,評(píng)估結(jié)果不僅包括系統(tǒng)本身的狀況,也包含對(duì)周邊環(huán)境和社會(huì)的影響.

對(duì)城市軌道交通可靠性的評(píng)估如圖9所示.評(píng)估過(guò)程如下:

1)采用專家經(jīng)驗(yàn)評(píng)估、定性加定量評(píng)估,模糊評(píng)估等方法在宏觀、中觀、微觀等層次上對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)日常運(yùn)營(yíng)安全進(jìn)行可靠性分析、評(píng)估、優(yōu)化;

2)將分析評(píng)估結(jié)果輸入到CPSS平臺(tái),對(duì)平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化;

3)在CPSS平臺(tái)上進(jìn)行各種不同條件設(shè)定下的計(jì)算實(shí)驗(yàn),并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,擇優(yōu)反饋到實(shí)際系統(tǒng),形成實(shí)際系統(tǒng)和CPSS平臺(tái)的滾動(dòng)優(yōu)化.

評(píng)估對(duì)象可以依照層次分為以下三個(gè)方面:

1)宏觀評(píng)估.針對(duì)安全可靠性、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效應(yīng)分析,管理規(guī)則評(píng)估、列車本身運(yùn)行安全高效性以及受氣候、人口、路況等因素影響的評(píng)估.

圖8 軌道交通系統(tǒng)CPSS平臺(tái)應(yīng)用驗(yàn)證流程圖Fig.8 The flowchart of application of CPSS-URT platform

圖9 城市軌道交通系統(tǒng)可靠性評(píng)估指標(biāo)Fig.9 The reliability indicators of URT

2)中觀評(píng)估.根據(jù)實(shí)際要求,對(duì)子系統(tǒng)功能以及要達(dá)成的目標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)估.例如,在城市軌道交通人員機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)中的人員配置方案、乘客服務(wù)系統(tǒng)中的指引標(biāo)示分布方案等.

3)微觀評(píng)估.用于城市軌道系統(tǒng)CPSS構(gòu)建的基本模塊都是越到底層,越能直觀地表現(xiàn)出固有特性.因此,微觀評(píng)估的對(duì)象是廣泛而具體的.

3.2 非正常情況下的應(yīng)急預(yù)案評(píng)估與優(yōu)化

3.2.1 應(yīng)急培訓(xùn)與演練

1)基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的培育情景,對(duì)不同角色的受訓(xùn)人員,培訓(xùn)其在正常情況和突發(fā)事件情況下的心理素質(zhì)和反應(yīng)能力,熟悉各類突發(fā)事件的處理流程及其承擔(dān)的責(zé)任.

2)通過(guò)重復(fù)性的情景再現(xiàn),提高受訓(xùn)人員的應(yīng)急處理水平,使其面對(duì)各類突發(fā)事件能夠有效應(yīng)對(duì).

3.2.2 應(yīng)急手段驗(yàn)證

在制定應(yīng)急預(yù)案過(guò)程中不能直接驗(yàn)證應(yīng)急手段的可行性和有效性,而在CPSS平臺(tái)通過(guò)情景設(shè)定可驗(yàn)證各類極端情況下應(yīng)急手段的可行性和有效性,為應(yīng)急手段的選取提供參考.

3.2.3 應(yīng)急方案的評(píng)估與優(yōu)化

1)通過(guò)計(jì)算實(shí)驗(yàn),對(duì)應(yīng)急方案的完整性、可操作性、有效性、經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行評(píng)估.

2)通過(guò)評(píng)估結(jié)果,對(duì)應(yīng)急方案進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化.

3.2.4 應(yīng)急管理和控制

1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)估功能,優(yōu)化各種非正常情況下的應(yīng)急方案.

2)通過(guò)透視功能預(yù)測(cè)突發(fā)事件的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程,對(duì)應(yīng)急措施進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)計(jì)算資源減低突發(fā)事件處置中生命和財(cái)產(chǎn)損失.

3.3 突發(fā)事故案例

城市軌道交通系統(tǒng)CPSS平臺(tái)案例分析流程圖如圖10所示.假如地鐵某線路的某輛機(jī)車發(fā)生事故,車載傳感器等檢測(cè)裝置即時(shí)向地鐵運(yùn)營(yíng)公司發(fā)送包括列車類、人員類、環(huán)境類等事故信息,運(yùn)營(yíng)公司收到事故信息后,對(duì)事故的發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)、車次、客流量等進(jìn)行全面核實(shí),立即向上級(jí)管理部門、各相關(guān)線路、各相關(guān)站點(diǎn)等發(fā)送緊急事故預(yù)警消息,即時(shí)調(diào)動(dòng)維修人員趕赴現(xiàn)場(chǎng);與此同時(shí),系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)信息及故障信息通過(guò)通訊系統(tǒng)傳遞給城市軌道交通系統(tǒng)CPSS平臺(tái),并更新系統(tǒng)中的設(shè)備代理、人員代理、環(huán)境代理、信息代理等的實(shí)際狀態(tài),在城市軌道交通CPSS平臺(tái)計(jì)算實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行針對(duì)此種事故的各種情況(包括歷史上類似事故的處理方案、現(xiàn)有預(yù)案以及工作人員臨時(shí)決定處理方案等)的決策仿真,并根據(jù)城市軌道交通CPSS平臺(tái)綜合評(píng)估系統(tǒng)的評(píng)估結(jié)果,進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化,以得出最優(yōu)處置方案,并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果返回地鐵運(yùn)營(yíng)公司,為公司處理該事故提供決策支持.

圖10 城市軌道交通系統(tǒng)CPSS平臺(tái)案例分析流程Fig.10 The analysis chart of case studies of CPSS-URT

4 結(jié)論

復(fù)雜系統(tǒng)同時(shí)涉及工程復(fù)雜性和人為復(fù)雜性兩個(gè)方面,使得傳統(tǒng)的基于機(jī)理的建模方法已經(jīng)不再適用.同時(shí),以往對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)中的人為因素,尚缺乏有效的建模與分析手段,主要靠經(jīng)驗(yàn)和人力執(zhí)行.CPSS平臺(tái)能考慮到實(shí)際系統(tǒng)的各方面因素,將基于機(jī)理、統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)的建模方法有機(jī)地綜合在一起,集成觀察數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)仿真和數(shù)學(xué)模型等手段,通過(guò)對(duì)基本智能體元素簡(jiǎn)單地一致建模以及元素之間的學(xué)習(xí)和信息交互,生成一種由下而上產(chǎn)生整個(gè)系統(tǒng)行為的機(jī)制.

本文提出了城市軌道交通CPSS平臺(tái)及相應(yīng)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和綜合評(píng)估系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容和構(gòu)建方法,并給出了平臺(tái)的具體功能.基于城市軌道交通CPSS平臺(tái),可研究乘客、車輛、線路和路網(wǎng)之間的自適應(yīng)協(xié)同互動(dòng)規(guī)律等,可提高對(duì)城市軌道交通這類復(fù)雜系統(tǒng)的建模、評(píng)估、分析和優(yōu)化能力.研究成果可為城市軌道交通設(shè)計(jì)、疏散預(yù)案評(píng)價(jià)、疏散方案優(yōu)化、人員培訓(xùn)等方面提供技術(shù)支持,有效提高城市軌道交通運(yùn)行效率.本文采用的方法是智能控制理論的基礎(chǔ)前沿,可解決城市軌道交通等復(fù)雜系統(tǒng)難以進(jìn)行傳統(tǒng)建模的難題,也可為其他相似復(fù)雜交通系統(tǒng)的建模和優(yōu)化研究提供新的思路.