應(yīng)急場(chǎng)景條件下的城市軌道交通行車調(diào)度演練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王智永 賴一鳴 江志彬

摘 要：應(yīng)急場(chǎng)景條件下的城市軌道交通行車調(diào)度演練系統(tǒng)可以較為真實(shí)地模擬各類設(shè)備故障或突發(fā)事件條件下的列車運(yùn)行方案調(diào)整優(yōu)化，是提高行車調(diào)度員應(yīng)急技能的重要技術(shù)手段。在分析演練系統(tǒng)建設(shè)必要性和建設(shè)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，對(duì)行車調(diào)度演練系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從運(yùn)行圖管理、演練場(chǎng)景管理、ATS 操作模擬、列車運(yùn)行模擬和演練結(jié)果評(píng)估 5 個(gè)方面分析系統(tǒng)功能。以蘇州市軌道交通 4 號(hào)線為例，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)施與應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案可以滿足行車調(diào)度員對(duì)常見故障及大型綜合性突發(fā)事件應(yīng)急處置的演練需求，能有針對(duì)性地提升行車調(diào)度員的業(yè)務(wù)水平。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;行車調(diào)度;演練仿真;應(yīng)急場(chǎng)景;行車組織

中圖分類號(hào)：U292.4+2

1 研究背景

我國(guó)已進(jìn)入城市軌道交通快速發(fā)展時(shí)期，較多城市已經(jīng)形成網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)格局，客流壓力、運(yùn)營(yíng)突發(fā)事件發(fā)生概率上升，對(duì)應(yīng)急處置能力及響應(yīng)效率的要求也日益提高。行車調(diào)度員作為城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的“指揮官”，主要負(fù)責(zé)行車調(diào)度指揮、突發(fā)情況下的應(yīng)急處置等工作，必須具備高效處置各類突發(fā)事件的能力，才能為廣大乘客提供安全優(yōu)質(zhì)的運(yùn)營(yíng)服務(wù)[1-2]。以往行車調(diào)度員的培訓(xùn)演練通常采用桌面演練、占線板人工挪車或者口頭虛擬列車等方式進(jìn)行，場(chǎng)景仿真度較低，無法鍛煉行車調(diào)度員的實(shí)際行車調(diào)整能力。目前針對(duì)城市軌道交通列車自動(dòng)監(jiān)控（ATS）操作的演練系統(tǒng)較多，且大多是面向車站值班員層面的仿真平臺(tái)[3-5]。隨著新技術(shù)的發(fā)展，三維展現(xiàn)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)應(yīng)用也日趨成熟[6-8]，但缺乏系統(tǒng)的、有針對(duì)性覆蓋各類應(yīng)急場(chǎng)景的行車調(diào)度演練系統(tǒng)，無法實(shí)現(xiàn)應(yīng)急場(chǎng)景自定義、列車按圖自動(dòng)運(yùn)行、列車運(yùn)行過程干預(yù)、列車運(yùn)行延誤傳播、多故障同時(shí)觸發(fā)以及演練效果的定量化評(píng)估等需求，尤其是對(duì)于行車調(diào)度員的綜合行車調(diào)整能力的提升幫助有限[9-10]。本文對(duì)行車調(diào)度演練系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對(duì)系統(tǒng)各功能模塊展開分析，并以蘇州市軌道交通4號(hào)線為實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

2 行車調(diào)度演練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

行車調(diào)度演練系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)運(yùn)行概念模型代替物理模型，結(jié)合不同應(yīng)急預(yù)案、演練方案場(chǎng)景設(shè)置，隨時(shí)進(jìn)行模擬演練的系統(tǒng)。系統(tǒng)主要目標(biāo)是結(jié)合實(shí)際運(yùn)行圖方案，通過模擬設(shè)置不同的故障場(chǎng)景，訓(xùn)練調(diào)度員的信號(hào)操作、應(yīng)急處置和統(tǒng)籌協(xié)調(diào)能力。因此，系統(tǒng)的總體架構(gòu)應(yīng)包括觀摩與評(píng)價(jià)區(qū)、應(yīng)急場(chǎng)景管理與配合區(qū)、實(shí)訓(xùn)操作區(qū)和演練展示區(qū)4個(gè)部分（圖1）。

從系統(tǒng)功能架構(gòu)上，演練系統(tǒng)包括運(yùn)行圖管理、演練場(chǎng)景管理、ATS操作模擬、列車運(yùn)行模擬、演練結(jié)果評(píng)估5個(gè)模塊（圖2）。

2.2 系統(tǒng)功能模塊分析

2.2.1 運(yùn)行圖管理

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)列車計(jì)劃運(yùn)行圖查詢與加載功能，直觀顯示列車運(yùn)行情況并鋪畫實(shí)際運(yùn)行圖。計(jì)劃運(yùn)行圖可支持第三方編圖工具，如：同濟(jì)大學(xué)研發(fā)的城市軌道交通列車運(yùn)行圖計(jì)算機(jī)編制系統(tǒng)（TPM）[11]，支持生成的數(shù)據(jù)文件或規(guī)格化的時(shí)刻表csv文件自動(dòng)導(dǎo)入?？勺詣?dòng)存儲(chǔ)演練過程的實(shí)際運(yùn)行圖;支持查看、打印和調(diào)閱計(jì)劃、實(shí)際運(yùn)行圖和車底周轉(zhuǎn)圖;可生成線路或車站時(shí)刻表;可計(jì)算計(jì)劃或?qū)嶋H運(yùn)行圖的相關(guān)指標(biāo)。

2.2.2 演練場(chǎng)景管理

系統(tǒng)具備預(yù)定義故障場(chǎng)景功能，預(yù)定義故障場(chǎng)景時(shí)，可提前編制演練腳本，包括：①故障類型、發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn);②故障動(dòng)態(tài)發(fā)展情況、故障修復(fù)時(shí)間等。演練腳本可隨時(shí)調(diào)閱和打印，便于演練配合人員根據(jù)場(chǎng)景查看演練進(jìn)度。故障設(shè)置后，可以滿足無法修復(fù)、完全修復(fù)、降級(jí)運(yùn)行等仿真要求，可暫停正在模擬的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景，并具備一鍵復(fù)位功能。系統(tǒng)的演練場(chǎng)景覆蓋城市軌道交通系統(tǒng)常見故障類型，對(duì)于不同演練場(chǎng)景類型，可設(shè)置不同的故障級(jí)別、場(chǎng)景模式和對(duì)應(yīng)的訓(xùn)練技能要求。部分常見場(chǎng)景與訓(xùn)練技能要求如下。

（1）弓網(wǎng)故障。場(chǎng)景模式為“運(yùn)營(yíng)中斷、軌道區(qū)段故障或占用、列車動(dòng)力故障”。訓(xùn)練弓網(wǎng)故障情況下的調(diào)度應(yīng)急處置流程，包括行車調(diào)整方案的制定和執(zhí)行、乘客區(qū)間疏散組織、公交接駁組織、中斷搶修組織等。主要訓(xùn)練調(diào)度員的搶修組織和行車調(diào)整能力。

（2）大面積紫光帶故障。場(chǎng)景模式為“軌道區(qū)段計(jì)軸受擾”。訓(xùn)練大面積紫光帶故障情況下的調(diào)度應(yīng)急處置流程，包括行車調(diào)整方案的制定和執(zhí)行、列車降級(jí)越紅燈運(yùn)行的組織。主要訓(xùn)練調(diào)度員的行車調(diào)整能力。

（3）列車擠岔。場(chǎng)景模式為“運(yùn)營(yíng)中斷，軌道區(qū)段故障或占用”。訓(xùn)練列車擠岔情況下的調(diào)度應(yīng)急處置流程，包括行車調(diào)整方案的制定和執(zhí)行、乘客區(qū)間疏散組織、公交接駁組織、中斷搶修組織等。主要訓(xùn)練調(diào)度員的搶修組織和行車調(diào)整能力。

（4）列車沖突、設(shè)備侵限、斷軌等線路中斷。場(chǎng)景模式為“運(yùn)營(yíng)中斷、軌道區(qū)段故障或占用”。訓(xùn)練列車沖突、設(shè)備侵限、斷軌等情況的調(diào)度應(yīng)急處置流程，包括行車調(diào)整方案的制定和執(zhí)行、乘客區(qū)間疏散組織、公交接駁組織、中斷搶修組織等。主要訓(xùn)練調(diào)度員的搶修組織和行車調(diào)整能力。

（5）軌旁故障。場(chǎng)景模式為“故障區(qū)域列車動(dòng)力故障、故障區(qū)域列車降級(jí)模式運(yùn)行”。訓(xùn)練軌旁信號(hào)故障情況下的調(diào)度應(yīng)急處置流程，包括行車調(diào)整方案的制定和執(zhí)行、公交接駁組織、邊運(yùn)營(yíng)邊搶修組織等。主要訓(xùn)練調(diào)度員的搶修組織和行車調(diào)整能力。

（6）區(qū)間列車火災(zāi)。場(chǎng)景模式為“運(yùn)營(yíng)中斷、軌道區(qū)段故障或占用、列車動(dòng)力故障”。訓(xùn)練區(qū)間列車火災(zāi)情況下的調(diào)度應(yīng)急處置流程，包括行車調(diào)整方案的制定和執(zhí)行、乘客區(qū)間疏散組織、公交接駁組織、中斷搶修組織等。主要訓(xùn)練調(diào)度員的搶修組織和行車調(diào)整能力。

（7）區(qū)間發(fā)生人車沖突。場(chǎng)景模式為“運(yùn)營(yíng)中斷、軌道區(qū)段故障或占用、列車動(dòng)力故障”。訓(xùn)練區(qū)間發(fā)生人車沖突情況下的調(diào)度應(yīng)急處置流程，包括行車調(diào)整方案的制定和執(zhí)行、乘客區(qū)間疏散組織、公交接駁組織、中斷搶修組織等。主要訓(xùn)練調(diào)度員的搶修組織和行車調(diào)整能力。

（8）信號(hào)系統(tǒng)聯(lián)鎖故障。場(chǎng)景模式為“故障區(qū)域列車動(dòng)力故障、故障區(qū)域列車降級(jí)模式運(yùn)行”。訓(xùn)練信號(hào)系統(tǒng)聯(lián)鎖故障情況下的調(diào)度應(yīng)急處置流程，包括行車調(diào)整方案的制定和執(zhí)行。主要訓(xùn)練調(diào)度員的搶修組織和行車調(diào)整能力。

（9）道岔短閃。場(chǎng)景模式為“運(yùn)營(yíng)中斷、道岔故障”。訓(xùn)練道岔短閃應(yīng)急處置流程，包括行車調(diào)整方案的制定和執(zhí)行、邊運(yùn)營(yíng)邊搶修組織等。主要訓(xùn)練調(diào)度員邊運(yùn)營(yíng)邊搶修組織能力。

（10）車輛故障救援。場(chǎng)景模式為“運(yùn)營(yíng)中斷、列車動(dòng)力故障、故障救援”。訓(xùn)練車輛情況下的調(diào)度應(yīng)急處置流程，包括行車調(diào)整方案的制定和執(zhí)行、列車救援組織。主要訓(xùn)練調(diào)度員列車救援組織能力。

（11）信號(hào)機(jī)故障。場(chǎng)景模式為“信號(hào)機(jī)故障、改變運(yùn)營(yíng)方案”。訓(xùn)練信號(hào)機(jī)故障調(diào)度處置流程，檢驗(yàn)調(diào)度員降級(jí)行車組織能力。

（12）屏蔽門故障。場(chǎng)景模式為“屏蔽門故障”。訓(xùn)練屏蔽門故障調(diào)度處置流程，檢驗(yàn)調(diào)度員降級(jí)行車組織能力。

2.2.3 ATS 操作模擬

系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)線路對(duì)應(yīng)的ATS系統(tǒng)功能的模擬，對(duì)正常、非正常行車及故障等各種情況實(shí)現(xiàn)較為全面的仿真，故障導(dǎo)致的影響符合列車運(yùn)行延誤傳播原理。教練機(jī)可以設(shè)置故障，并配合模擬車站、司機(jī)的操作。非信號(hào)類故障場(chǎng)景，可在教練機(jī)顯示紫光帶，作為故障點(diǎn)，提示配合人員。模擬終端只具備行車調(diào)度員日常使用的人機(jī)界面（HMI）主要功能，演練系統(tǒng)設(shè)置多名行車調(diào)度員崗位，配備信號(hào)模擬操作終端，各角色及相應(yīng)信號(hào)功能需求如下。

（1）行車調(diào)度員崗位配置模擬終端，具備站（遙）控轉(zhuǎn)換、列車自動(dòng)折返按鈕、排列進(jìn)路、取消進(jìn)路、轉(zhuǎn)換道岔、信號(hào)重開、開放或關(guān)閉信號(hào)機(jī)自排、單獨(dú)鎖定道岔、封鎖區(qū)段、封鎖道岔、設(shè)置區(qū)段限速、修改車次、跳停、扣車、設(shè)置停站時(shí)間、設(shè)置運(yùn)行等級(jí)等ATS系統(tǒng)功能。

（2）司機(jī)、車站值班員崗位配置教練機(jī)，具備限速特開、開放引導(dǎo)、解鎖道岔、解封區(qū)段、解封道岔、區(qū)故解、總?cè)私?、軌道切除、列車多停、設(shè)置列車限速、提前發(fā)車、設(shè)置列車駕駛模式、設(shè)置列車運(yùn)行模式、越紅功能，及模擬終端具備的所有功能。

2.2.4 列車運(yùn)行模擬

列車運(yùn)行模擬可自動(dòng)模擬不同故障模式下的列車自動(dòng)運(yùn)行過程，該模式下的列車運(yùn)行完全遵守計(jì)劃運(yùn)行圖，僅具備延誤條件下的趕點(diǎn)等基本調(diào)整功能。系統(tǒng)還能支持對(duì)列車進(jìn)行信號(hào)層級(jí)（CBCT級(jí)紅光帶、降級(jí)列車紫光帶）、運(yùn)行方向（上、下行方向）、車次號(hào)（添加、刪除、編輯）、限速等狀態(tài)的修改?？赡M多停、早發(fā)、限速運(yùn)行等現(xiàn)場(chǎng)對(duì)行車調(diào)度員指令執(zhí)行的反饋結(jié)果?？蓪?duì)單列車進(jìn)行設(shè)置，對(duì)小交路折返、單線雙向運(yùn)行等調(diào)整方式進(jìn)行模擬，也可在中間站完成完全小交路折返的模擬。

2.2.5 演練結(jié)果評(píng)估

對(duì)于演練結(jié)果的評(píng)估，包括定性與定量2種評(píng)估手段，傳統(tǒng)的演練評(píng)估多是通過專家打分的方式，具有一定的主觀性。系統(tǒng)具備對(duì)演練過程產(chǎn)生的行車指標(biāo)客觀統(tǒng)計(jì)分析的功能，可在一定程度上實(shí)現(xiàn)演練結(jié)果的定量分析。同時(shí)可在選擇的演練方案中進(jìn)行指標(biāo)管理，預(yù)設(shè)參考指標(biāo)。演練結(jié)束保存運(yùn)行圖后，通過對(duì)比預(yù)設(shè)指標(biāo)和實(shí)際指標(biāo)，或?qū)Ρ攘熊噷?shí)際運(yùn)行圖與計(jì)劃運(yùn)行圖，系統(tǒng)可自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出晚點(diǎn)、最大行車間隔、小交路折返、清客、加開、抽線、下線等實(shí)際發(fā)生的運(yùn)營(yíng)行車指標(biāo)。同時(shí)引入操作熟練程度、應(yīng)急反應(yīng)能力、綜合協(xié)調(diào)能力和違章違紀(jì)等定性指標(biāo)，設(shè)定相關(guān)的權(quán)重，最后的成績(jī)由定性和定量2類指標(biāo)綜合給定（表1）。在定量指標(biāo)中，首次引入“站列次”統(tǒng)計(jì)概念，即指標(biāo)統(tǒng)計(jì)不以終點(diǎn)站為統(tǒng)計(jì)點(diǎn)，一列次在2個(gè)站實(shí)際發(fā)車時(shí)間比照計(jì)劃時(shí)間超過2 min，記為2 min以上2個(gè)“站列次”晚點(diǎn)。

3 行車調(diào)度演練系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 蘇州市軌道交通基本情況

截至2020年1月1日，蘇州市軌道交通已開通運(yùn)營(yíng)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)線，總運(yùn)營(yíng)里程210.1 km，總車站數(shù)135座，日均客流超過100萬人次。預(yù)計(jì)到2024年，運(yùn)營(yíng)里程將達(dá)到350 km，日均客流近400萬人次，行車密度和客流強(qiáng)度進(jìn)一步增加，給行車組織和應(yīng)急指揮帶來巨大的壓力和挑戰(zhàn)。目前蘇州市軌道交通在崗行車調(diào)度員普遍調(diào)齡較短，業(yè)務(wù)技能與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展需求仍存在一定差距，另外隨著線網(wǎng)擴(kuò)張，將有大批量行調(diào)學(xué)員前來報(bào)到，后期必須通過經(jīng)常性地開展應(yīng)急演練來提高調(diào)度員的應(yīng)急處置能力。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用情況

蘇州市軌道交通行車調(diào)度演練系統(tǒng)由蘇州市軌道交通集團(tuán)與同濟(jì)大學(xué)合作，以4號(hào)線卡斯柯信號(hào)系統(tǒng)界面為基礎(chǔ)，保留車站、軌道區(qū)段、道岔、信號(hào)機(jī)等主要元素顯示，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于軌道區(qū)段、道岔、信號(hào)機(jī)、列車、站臺(tái)等的操作，顯示界面及操作步驟與4號(hào)線人機(jī)交互界面基本一致，仿真度高，支持單機(jī)、多聯(lián)機(jī)2種運(yùn)行方式，且能夠?qū)崿F(xiàn)電腦、投影同步顯示。該系統(tǒng)可模擬列車按照列車運(yùn)行圖自動(dòng)運(yùn)行，并能夠人工干預(yù)任何列車運(yùn)行功能。當(dāng)發(fā)生故障或突發(fā)事件時(shí)，還能較為逼真地模擬列車運(yùn)行延誤傳播情況，系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖3所示。

3.2.1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)可以模擬信號(hào)機(jī)故障、道岔故障、軌道計(jì)軸故障、列車故障等多種故障類型，系統(tǒng)具備運(yùn)行圖管理功能、場(chǎng)景設(shè)置功能，演練場(chǎng)景采用清單管理，根據(jù)不同故障類型及影響范圍大小，設(shè)置3個(gè)難易度等級(jí)，對(duì)應(yīng)場(chǎng)景編制演練腳本。預(yù)設(shè)演練場(chǎng)景覆蓋19個(gè)運(yùn)營(yíng)應(yīng)急預(yù)案、27個(gè)設(shè)備故障，場(chǎng)景覆蓋面近100%，針對(duì)每個(gè)預(yù)案、故障，根據(jù)不同故障點(diǎn)和影響面，設(shè)置了5～10個(gè)難易不同的應(yīng)急場(chǎng)景。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)演練結(jié)果的評(píng)估，在保證客觀公正的同時(shí)，可以建立調(diào)度員個(gè)人數(shù)據(jù)庫(kù)，線性記錄和分析調(diào)度員個(gè)人業(yè)務(wù)能力變化狀況。

3.2.2 調(diào)度演練實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

配合行車調(diào)度演練系統(tǒng)的上線，蘇州市軌道交通搭建了一個(gè)調(diào)度演練實(shí)訓(xùn)平臺(tái)（圖4），配置了教練機(jī)工作站、行車調(diào)度員工作臺(tái)，對(duì)相應(yīng)崗位配置了通訊電話、無線對(duì)講機(jī)，該平臺(tái)應(yīng)用于調(diào)度員的日常培訓(xùn)、在崗實(shí)操演練、上崗證考試等多個(gè)方面。

自蘇州市軌道交通行車調(diào)度演練系統(tǒng)上線以來，共開展了114次演練仿真培訓(xùn)，共計(jì)230人次，模擬了27個(gè)場(chǎng)景，在信息收集與研判、同崗位及跨崗位之間溝通協(xié)作、行車調(diào)整措施、線路大局觀培養(yǎng)等方面取得了良好效果。經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)可以滿足行車調(diào)度員對(duì)常見故障及大型綜合性突發(fā)事件應(yīng)急處置的演練需求，能有針對(duì)性地提升行車調(diào)度員的業(yè)務(wù)水平。

4 結(jié)束語(yǔ)

在城市軌道交通快速發(fā)展的背景下，行車調(diào)度演練系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，將極大地提升調(diào)度員的培訓(xùn)質(zhì)量。未來將以西門子、泰雷茲等信號(hào)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步研究開發(fā)不同信號(hào)系統(tǒng)環(huán)境下的調(diào)度演練系統(tǒng)，同時(shí)在演練系統(tǒng)中考慮引入無人值守的自動(dòng)駕駛模式（Unattended Train Operation，UTO），將更加廣泛地提升系統(tǒng)適用性，為整體有效提高調(diào)度員應(yīng)急能力、提升城市軌道交通線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平提供保障。

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收稿日期 2019-12-03

責(zé)任編輯 胡姬