基于需求的CBTC列車自動運輸控制解決方案

對采用基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）的自動駕駛地鐵列車（以下簡稱“CBTC列車”）進行運輸控制，是通過列車自動監(jiān)控（ATS）子系統(tǒng)的列車自動調(diào)整（ATR）功能實現(xiàn)的。ATR功能可根據(jù)線路的實際運營條件，使運輸服務(wù)達(dá)到列車運行時刻表所規(guī)定的理論效率。然而，列車運行時刻表是根據(jù)客流量的平均估算值確定的，而該估算值無法準(zhǔn)確反映列車沿線路運行時的實際客流量。本文提出一種基于需求的CBTC列車自動運輸控制解決方案，該方案可根據(jù)站臺上候車乘客的實際需求對運輸控制進行實時優(yōu)化，并控制列車的出發(fā)和到達(dá)時間，以避免造成列車晚點。

1 研究背景

在地鐵線路的實際運行條件下，實時運輸控制的目的在于使列車的運輸服務(wù)達(dá)到列車運行時刻表所規(guī)定的理論效率。列車運行時刻表包含為列車行車間隔和列車運行所預(yù)留的運營緩沖時間（即用于減少或處理事故/故障的時間）。如果列車晚點或發(fā)生事故/故障，則ATR功能可根據(jù)相應(yīng)的調(diào)整策略，實時調(diào)整列車在區(qū)間的運行時間及在車站的停站時間。

傳統(tǒng)的CBTC解決方案可基于列車運行時刻表或列車行車間隔規(guī)則實現(xiàn)自動運輸控制。為此，方案為每個車站都預(yù)定義了理論上的停站時間，并估算了乘客換乘的平均時間。然而，實際客流量不是固定的，有時甚至不可預(yù)測。因此，理論停站時間可能難以與實際客流量相適應(yīng)，即低估或高估了實際客流量。如果停站時間相對于站臺上乘客的數(shù)量而言過短，則乘客或者在登車時擁擠導(dǎo)致列車車門故障或運營事故發(fā)生，或者不登車等待下一列列車，致使其在站臺上的候車時間延長;相反，如果停站時間過長，則乘客在車上等待列車關(guān)門的時間會很長。此外，傳統(tǒng)的運輸控制原則還可能影響停站時間的可用性，例如，列車為彌補晚點造成的影響經(jīng)常提前離站，這意味著其停站時間縮短，而未考慮乘客換乘的實際需要。在所有這些情況下，傳統(tǒng)的運輸控制策略都沒有考慮站臺上的實際客流量，從而會對乘客舒適度產(chǎn)生負(fù)面影響。

當(dāng)然，從運營管理的角度看，僅根據(jù)乘客實際換乘時間調(diào)整停站時間，也不一定能實現(xiàn)地鐵線路運輸控制的整體優(yōu)化。如果乘客換乘時間短，列車雖然可以提前離站，但可能會因前一趟列車而減速;相反，如果乘客數(shù)量多，乘客換乘時間延長，則會導(dǎo)致下一站乘客的候車時間相應(yīng)延長。

而基于需求的CBTC列車自動運輸控制解決方案可在動態(tài)優(yōu)化列車進出站時間與運行時刻表之間的偏差時，充分考慮上述運營限制，不會導(dǎo)致整條線路發(fā)生更多的晚點和事故，在改善乘客體驗的同時，保障地鐵穩(wěn)定、可靠、安全地運營。

2 解決方案概述

本文提出的解決方案被設(shè)計為CBTC系統(tǒng)現(xiàn)有功能的擴展，因此，其完全集成在CBTC解決方案中（無論地鐵系統(tǒng)的自動化程度（GoA）如何），僅通過補充和升級現(xiàn)有子系統(tǒng)，便可實現(xiàn)其在地鐵運輸系統(tǒng)中的應(yīng)用。該解決方案包括2個主要功能組件，即乘客換乘分析和基于乘客需求的調(diào)節(jié)功能組件，如圖1所示。

乘客換乘分析功能組件用于實時測量和分析換乘客流量，集成在具有視頻處理功能的閉路電視監(jiān)控子系統(tǒng)（CCTV）中，通過識別人體輪廓（不是人臉識別），對站臺區(qū)域的客流量進行實時測量和分析。該功能組件會在列車關(guān)門離站后生成“乘客換乘完畢”的顯示信息;如果列車離站后站臺上仍有乘客，該組件會識別出客流量大，并生成站臺擁擠的報警信息。上述2個輸出信號隨即會傳輸給基于乘客需求的調(diào)節(jié)功能組件。

基于乘客需求的調(diào)節(jié)功能組件是對現(xiàn)有ATR功能的補充，集成在ATS系統(tǒng)中。ATS系統(tǒng)根據(jù)乘客換乘分析功能組件提供的實時客流量信息，生成調(diào)節(jié)指令并傳輸給CBTC列車，該指令由列車自動控制系統(tǒng)（ATC）執(zhí)行，而ATC系統(tǒng)會將列車的實際到發(fā)時間反饋給ATS系統(tǒng)，并向乘客換乘分析功能組件發(fā)送列車正在駛近的信息及其具體的到達(dá)時間。

3 優(yōu)化的運輸控制

3.1 乘客換乘分析

乘客換乘時間的優(yōu)化對于制定有效的運輸方案至關(guān)重要。其中，乘客數(shù)量是一個關(guān)鍵參數(shù)，因為預(yù)測和實際乘客數(shù)量之間的偏差會影響列車運營，從而影響乘客的體驗。然而，由于無法對站臺上候車的乘客數(shù)量進行準(zhǔn)確的預(yù)測，該參數(shù)也很難評估。為優(yōu)化具有ATR 功能的運輸控制系統(tǒng)，以及調(diào)整列車行車時刻表，必須獲取準(zhǔn)確的乘客數(shù)量信息。

乘客換乘分析功能組件利用CCTV系統(tǒng)以及先進的圖像處理算法，連續(xù)監(jiān)視和分析站臺上的換乘客流。該組件會利用安裝在站臺上的2～4個攝像機（具體數(shù)量由站臺長度決定），對2個站臺區(qū)域（即乘客換乘區(qū)域和乘客等候區(qū)域）進行監(jiān)控，如圖2所示。這些攝像機的分辨率為704像素 × 576像素，每秒最低幀數(shù)為25幀，可以安裝在既有或新的CCTV系統(tǒng)中。

該組件的乘客換乘（PEX）分析軟件會對視頻圖像以及從ATC系統(tǒng)接收到的列車狀態(tài)信息進行實時處理，以檢測乘客數(shù)量、乘客換乘時間及列車離站后站臺上剩余乘客密度等。獲取的信息會存儲在一個數(shù)據(jù)庫中，用于離線制定列車行車時刻表及確定其參數(shù)（如沿線的預(yù)定義停站時間）。當(dāng)實時檢測數(shù)據(jù)異常時，該組件會向控制中心人員發(fā)出報警信號，并幫助他們選擇最有效的控制策略。PEX分析軟件還為基于乘客需求的調(diào)節(jié)功能組件提供數(shù)據(jù)，幫助其根據(jù)站臺上的乘客人數(shù)調(diào)整列車停站時間和區(qū)間運行時間。

乘客換乘分析功能組件已在模擬的復(fù)雜環(huán)境中（即車站站臺較長，在換乘區(qū)域有多方向的客流，且室外站臺光線變化強）成功通過測試。

3.2 基于乘客需求的調(diào)節(jié)

基于乘客需求的調(diào)節(jié)功能組件可以根據(jù)乘客換乘分析功能組件測得的乘客換乘狀態(tài)和站臺上乘客密度數(shù)據(jù)，動態(tài)計算最佳控制指令并將其傳輸給CBTC列車，以實時調(diào)整列車停站和區(qū)間運行的時間，如圖3所示。

該功能組件可根據(jù)列車延遲或提前到達(dá)的時間動態(tài)計算出列車停站時間的最小值和最大值，從而優(yōu)化列車車門的開啟時間，實現(xiàn)更有效率的乘客換乘;此外，還能夠在收到下一站臺擁擠的警報后，實時控制列車行駛到下一站的時間（一般要求列車縮短行駛到下一站的時間，以相應(yīng)地延長乘客換乘時間），這是對動態(tài)調(diào)整換乘時間功能的補充。通過上述方式，該功能軟件可提供更多的運營緩沖時間，在保證旅行時間可靠性的同時，提高運輸服務(wù)質(zhì)量。

4 案例分析

為驗證上述解決方案的有效性，研發(fā)人員已在各種運營環(huán)境中對其進行了大量測試。測試結(jié)果表明，采用該解決方案可使運輸?shù)某丝蛿?shù)量平均增加18%，乘客候車時間平均縮短20%。下面將介紹該解決方案的一個應(yīng)用案例。

4.1 背景

本案例分析的目的是在實際運營環(huán)境中對上述運輸控制功能進行定性和定量評估。所涉及的地鐵線路全長41 km，共設(shè)25座車站，平均站間距為1 710 m，每小時每個方向的最大客流量為29 294人次;該線路上投入運營的列車數(shù)量為35列（8節(jié)編組），每列列車的最大載客量為1 592人。該路線采用CBTC系統(tǒng)，以每小時20列的通過能力滿足預(yù)期的客流量需求。

4.2 方法

研發(fā)人員通過模擬以下3種場景，將新解決方案與參考解決方案（即傳統(tǒng)的CBTC解決方案）進行比較：

（1）通常情況：列車運行狀況和乘客需求情況與預(yù)測相符;

（2）客流量大：線路前8站客流量大，維持15min;

（3）列車晚點：1列列車在3站之間晚點30s和60s。

基于這3種場景，研發(fā)人員采用多個可操作的關(guān)鍵績效指標(biāo)（KPI）對上述2種控制策略進行了評估，如滯留乘客的數(shù)量、終點站的平均晚點時間及2列列車間的平均時間間隔差異。

4.3 結(jié)果

圖4和圖5分別展示了在車站客流量大時2種控制策略下的列車停站時間。由圖4可知，采用參考解決方案時，無論乘客實際數(shù)量是多是少，列車實際停站時間（橙線）都與預(yù)測停站時間（紫線）相同。乘客客流高峰持續(xù)15min，而其恢復(fù)到正常水平大約需要45min。由圖5可知，采用新解決方案時，列車實際停站時間（橙線）與所需的停站時間（綠線）一致?？土鞲叻灞谎杆傥眨闯霈F(xiàn)乘客滯留在站臺上的情況。由此可見，參考解決方案無法滿足乘客的需求，即使列車具有充足的載客能力;相反，新解決方案通過調(diào)整列車停站時間和利用列車的空閑載客容量，充分考慮到了實際的客流量，如圖6所示。

除進行局部定性分析之外，研究人員進行了全局定量分析，以驗證新解決方案對線網(wǎng)的運輸控制效果。其結(jié)果如下。

（1）在客流量大的情況下，采用新解決方案使平均未登車乘客數(shù)量（其計算方式是某一站臺上每次列車出發(fā)后未登車的乘客總數(shù)除以列車在該站停車的次數(shù)）明顯減少，如表1所示。

（2）從終點站的平均晚點時間（即所有列車到終點站的晚點時間平均值）看，新解決方案在所有場景下均實現(xiàn)了不晚點，如表 2所示。這是縮短停站和行駛時間所帶來的時間盈余。

（3）與采用參考解決方案相比，采用新解決方案會使乘客平均旅行時間縮短至少10%。其原因在于乘客候車時間和列車運行時間的縮短。

總而言之，本案例的分析結(jié)果表明，基于需求的運輸控制解決方案，可解決高峰時間乘客擁擠的問題，還能提供額外的運營緩沖時間，有助于提高列車運營效率。

5 結(jié)語

本文介紹的運輸控制解決方案已完全集成到CBTC標(biāo)準(zhǔn)解決方案中，可在不顯著改變現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，將列車運輸服務(wù)與客流量實時結(jié)合起來，通過動態(tài)優(yōu)化列車停站和區(qū)間運行時間，一方面使列車以更節(jié)能的速度運行，并增加實際運輸?shù)某丝蛿?shù)量，另一方面縮短乘客的候車時間，使其行程更順暢、快速和可靠。此外，該解決方案還可為運營商調(diào)整列車運行時刻表提供離線數(shù)據(jù)，使其無須進行常規(guī)的列車站乘客數(shù)量統(tǒng)計，節(jié)省其運營成本。

參考文獻(xiàn)

[1]Oliver Leveque. Nachfragebasierte Verkehrslenkung in CBTC für ein verbessertes Fahrgasterlebnis[J]. Signal + Draht，2020，112（4）：13-20.

蘇靖棋 編譯

收稿日期 2020-08-04