區(qū)域多制式軌道交通復(fù)合系統(tǒng)調(diào)度指揮模式研究

李登輝，彭其淵，文 超，3

（1.西南交通大學(xué) 交通運輸與物流學(xué)院，四川 成都 611756；2.西南交通大學(xué) 綜合交通運輸智能化國家地方聯(lián)合工程實驗室，四川 成都 611756；3. 滑鐵盧大學(xué) 鐵路研究中心，加拿大 滑鐵盧 N2L3G1)

近年來，我國軌道交通發(fā)展迅速，高速鐵路與城市軌道交通運營里程持續(xù)增加。截止2019年底，全國鐵路營業(yè)里程達(dá)到13.9萬km以上，其中高速鐵路3.5萬km；城市軌道交通運營里程達(dá)6 736.2 km。為滿足人們不斷增長的多層次、多元化的出行需求，區(qū)域內(nèi)軌道交通呈現(xiàn)多制式、網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化的發(fā)展趨勢。區(qū)域多制式軌道交通協(xié)同化是指通過有效整合區(qū)域內(nèi)與軌道交通列車運營相關(guān)的資源，實現(xiàn)不同制式軌道交通間的協(xié)同運營，以充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，提升網(wǎng)絡(luò)化運營水平和服務(wù)質(zhì)量，包括列車運行計劃編制協(xié)同、組織指揮協(xié)同、資源配置協(xié)同及安全保障協(xié)同等多方面協(xié)同。目前在發(fā)展水平較高的區(qū)域已出現(xiàn)多制式軌道交通同步運營的局面，但網(wǎng)絡(luò)化水平還不高，各制式間缺乏實際意義上的協(xié)同運營，其組合效益難以充分顯現(xiàn)，而調(diào)度指揮正是解決該問題的關(guān)鍵。多制式軌道交通復(fù)合系統(tǒng)調(diào)度指揮采取何種模式直接決定了協(xié)同運輸所能達(dá)到的效果，因而研究區(qū)域多制式軌道交通復(fù)合系統(tǒng)(Regional Multi-mode Rail Transit System，RMRTS)調(diào)度指揮模式，對區(qū)域多制式軌道交通的高度融合發(fā)展具有重要意義。

1 區(qū)域多制式軌道交通復(fù)合系統(tǒng)調(diào)度指揮模式分析

1.1 軌道交通調(diào)度指揮模式

區(qū)域多制式軌道交通包括地鐵、輕軌、磁浮、有軌電車等不同制式組成的城市軌道交通和城際鐵路、市域鐵路、區(qū)域干線鐵路等，目前多數(shù)有軌電車、輕軌等制式軌道交通由地鐵運營公司運營管理，城際鐵路多由當(dāng)?shù)罔F路局集團(tuán)公司運營管理，市域鐵路多由地鐵運營公司或鐵路局集團(tuán)公司運營管理。因此，城市軌道交通的調(diào)度指揮主要由地鐵運營公司負(fù)責(zé)，其他軌道交通的調(diào)度指揮則主要由鐵路局集團(tuán)公司負(fù)責(zé)，因而軌道交通調(diào)度指揮模式可分為城市軌道交通調(diào)度指揮模式和國家鐵路調(diào)度指揮模式2類。

（1）城市軌道交通調(diào)度指揮模式。目前國內(nèi)共有40個城市開通了城市軌道交通，其中北京、上海、廣州等城市的軌道交通已處于網(wǎng)絡(luò)化運營階段[1]，其調(diào)度指揮模式為其他城市軌道交通提供了借鑒[2-3]。城市軌道交通調(diào)度指揮模式如圖1所示。圖1中，線網(wǎng)層負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)路網(wǎng)運力資源與運能、監(jiān)控路網(wǎng)運營狀態(tài)、應(yīng)急指揮協(xié)調(diào)以及對外聯(lián)系等；線路層負(fù)責(zé)各線路的具體調(diào)度指揮工作等；現(xiàn)場層主要負(fù)責(zé)執(zhí)行上級下達(dá)的指令。

圖1 城市軌道交通調(diào)度指揮模式Fig.1 Traffic control scheme of Urban Rail Transit

（2）國家鐵路調(diào)度指揮模式。目前我國國家鐵路高速鐵路和既有線并存，而且二者采用不同的調(diào)度指揮模式[4]。高速鐵路主要采用“中國國家鐵路集團(tuán)有限公司(以下簡稱“國鐵集團(tuán)”)調(diào)度處—鐵路局集團(tuán)公司調(diào)度所”二級調(diào)度指揮模式，同時在車站設(shè)有專門的應(yīng)急值守人員，負(fù)責(zé)應(yīng)急調(diào)度指揮系統(tǒng)失效等突發(fā)情況下的車站調(diào)度指揮工作；既有線采用“國鐵集團(tuán)調(diào)度處—鐵路局集團(tuán)公司調(diào)度所—站段調(diào)度室”三級調(diào)度指揮模式。國家鐵路調(diào)度指揮模式如圖2所示。

1.2 區(qū)域多制式軌道交通復(fù)合系統(tǒng)調(diào)度指揮模式

1.2.1 調(diào)度指揮模式提出

圖2 國家鐵路調(diào)度指揮模式Fig.2 Traffic control scheme of national railway

目前單制式軌道交通調(diào)度指揮模式的發(fā)展已較為成熟[5-7]，但隨著不同制式軌道交通在客流需求、運營狀態(tài)上時空關(guān)聯(lián)性的日益增強(qiáng)，各制式軌道交通系統(tǒng)獨立運營已不能滿足當(dāng)前區(qū)域軌道交通進(jìn)一步發(fā)展的需要，為保證區(qū)域內(nèi)不同制式軌道交通系統(tǒng)運輸組織工作有序、高效進(jìn)行，提出獨立調(diào)度指揮模式、合作調(diào)度指揮模式、混合調(diào)度指揮模式和一體化調(diào)度指揮模式4種區(qū)域多制式軌道交通復(fù)合系統(tǒng)調(diào)度指揮模式。

（1）獨立調(diào)度指揮模式。獨立調(diào)度指揮模式是指區(qū)域內(nèi)各制式軌道交通運營主體根據(jù)本制式軌道交通系統(tǒng)服務(wù)范圍內(nèi)的客流信息、設(shè)施設(shè)備運用狀態(tài)等，獨立負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)部列車運行計劃、車底運用計劃、乘務(wù)運用計劃、施工計劃等計劃的編制與執(zhí)行，且在整個計劃編制與執(zhí)行過程中，不依賴于系統(tǒng)外部其他制式軌道交通的運行信息等，不與系統(tǒng)外部其他制式軌道交通進(jìn)行相關(guān)信息的交互與共享。在獨立調(diào)度指揮模式下，各制式軌道交通運營主體只聚焦于優(yōu)化本系統(tǒng)內(nèi)部的運輸組織來提高運輸效率與服務(wù)質(zhì)量，較少考慮和其他制式軌道交通系統(tǒng)之間的協(xié)同運營，不能充分發(fā)揮區(qū)域軌道交通復(fù)合系統(tǒng)的整體效能。

（2）合作調(diào)度指揮模式。合作調(diào)度指揮模式是指區(qū)域內(nèi)各制式軌道交通運營主體相互合作，交互與共享需要協(xié)同的數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)協(xié)同方的需求，接收相應(yīng)的協(xié)同信息，將其作為本制式軌道交通計劃編制和列車運行調(diào)整的輸入?yún)?shù)，最終生成協(xié)同運輸方案及調(diào)整方案，從而在一定程度上實現(xiàn)不同制式軌道交通間的運行計劃協(xié)同、組織指揮協(xié)同。在該模式下，合作形式主要有主輔合作和均等合作，但無論采用何種形式，都應(yīng)將合作制度化，這樣才能保證該模式的順利實施。此外，不同制式軌道交通間開行跨制式列車時，應(yīng)首先解決好在銜接站調(diào)度指揮的銜接問題。在列車運行過程中，列車運行所在線路運營主體對列車應(yīng)擁有調(diào)度指揮權(quán)，以保證列車安全運行。合作調(diào)度指揮模式如圖3所示。

（3）混合調(diào)度指揮模式?；旌险{(diào)度指揮模式是將調(diào)度指揮層級分為2層，即在不同制式軌道交通調(diào)度指揮中心的頂層增加區(qū)域調(diào)度指揮協(xié)同中心層級，通過信息共享，收集并整理各制式軌道交通的協(xié)同數(shù)據(jù)(各制式軌道交通列車運行計劃、客流信息、列車運行實時信息、應(yīng)急信息等)，編制不同制式軌道交通間的協(xié)同運輸計劃及調(diào)整計劃，并提供給各制式軌道交通調(diào)度指揮中心執(zhí)行，同時還負(fù)責(zé)緊急情況下的應(yīng)急指揮協(xié)調(diào)等。在混合調(diào)度指揮模式下，各制式軌道交通調(diào)度指揮中心，負(fù)責(zé)本制式的日常組織指揮工作?；旌险{(diào)度指揮模式實質(zhì)上是以計劃協(xié)同為主導(dǎo)的調(diào)度指揮模式?；旌险{(diào)度指揮模式如圖4所示。

（4）一體化調(diào)度指揮模式。一體化調(diào)度指揮模式是指將不同制式軌道交通的調(diào)度指揮權(quán)有機(jī)整合，構(gòu)建一個一體化的區(qū)域軌道交通調(diào)度指揮中心，負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)整個軌道交通的調(diào)度指揮工作，即統(tǒng)一編制區(qū)域內(nèi)不同制式軌道交通的運輸計劃，統(tǒng)一調(diào)配資源，統(tǒng)一安排車站、車場等設(shè)施的使用，統(tǒng)一組織指揮工作等。在一體化調(diào)度指揮模式下，區(qū)域內(nèi)各制式軌道交通融為一個整體，通過區(qū)域軌道交通調(diào)度指揮中心對區(qū)域內(nèi)的列車、車站、乘務(wù)段、機(jī)務(wù)段、車輛段和綜合設(shè)施段等直接調(diào)度指揮，以保證復(fù)合系統(tǒng)運輸組織有序、高效進(jìn)行。一體化調(diào)度指揮模式如圖5所示。

圖3 合作調(diào)度指揮模式Fig.3 Cooperative traffic control scheme

圖4 混合調(diào)度指揮模式Fig.4 Mixed traffic control scheme

圖5 一體化調(diào)度指揮模式Fig.5 Integrative traffic control scheme

1.2.2 調(diào)度指揮模式分析

（1）獨立調(diào)度指揮模式。獨立調(diào)度指揮模式能夠很好地適應(yīng)復(fù)合系統(tǒng)現(xiàn)階段的運營管理體制，但存在以下問題。不同制式軌道交通間的協(xié)同性差，無法滿足協(xié)同運輸?shù)男枨?；資源配置、計劃管理也僅限于本制式軌道交通，雖然管理難度較小，但協(xié)同程度低；各制式軌道交通間信息共享程度低，跨制式乘客總出行時間較長。

（2）合作調(diào)度指揮模式。合作調(diào)度指揮模式的核心仍為獨立調(diào)度指揮，因而對當(dāng)前的運營管理體制也有較好的適應(yīng)性。同時，由于增加了信息交互和共享，便利了跨制式旅客的出行，在一定程度上滿足了協(xié)同運輸?shù)男枨?。此外，在合作調(diào)度指揮模式下，資源配置主要在單制式軌道交通內(nèi)部進(jìn)行，管理難度相對較小，但是由于涉及不同制式軌道交通間協(xié)同運輸計劃的編制與調(diào)整，計劃管理難度較獨立調(diào)度指揮模式難。

（3）混合調(diào)度指揮模式?；旌险{(diào)度指揮模式在下層保留了獨立調(diào)度指揮模式的特性，因而能較好地適應(yīng)當(dāng)前的運營管理體制，同時上層區(qū)域調(diào)度指揮協(xié)同中心的職能保證了該模式能夠較好地滿足區(qū)域內(nèi)不同制式軌道交通間的協(xié)同運輸需求，同時也保證了較高的信息共享程度，便利了乘客的出行。在運輸組織方面，由于混合調(diào)度指揮模式協(xié)同程度較合作調(diào)度指揮模式更高，對協(xié)同運輸計劃的依賴性更強(qiáng)，對不同制式軌道交通間開行跨制式列車進(jìn)行直通運輸或者站點有效接續(xù)換乘的需求更大、要求更高，資源配置協(xié)同程度較高，計劃管理較為復(fù)雜。

（4）一體化調(diào)度指揮模式。一體化調(diào)度指揮模式是“完全協(xié)同”的模式，有著比其他3種模式更高的協(xié)同性，能夠高度滿足協(xié)同運輸需求，但不能夠適應(yīng)當(dāng)前的運營管理體制。這種模式始終從整體角度開展復(fù)合系統(tǒng)的調(diào)度指揮工作，資源配置高度協(xié)同，資源高度共享，計劃管理高度協(xié)同，能夠極大地便利旅客的出行，大幅度提升復(fù)合系統(tǒng)總體效能。但在這種模式下，跨制式列車常態(tài)化開行，交路計劃復(fù)雜，停站方案多樣，這也意味著資源與計劃管理難度較其他3種模式大。

2 區(qū)域多制式軌道交通復(fù)合系統(tǒng)調(diào)度指揮模式選擇

2.1 構(gòu)建區(qū)域多制式軌道交通復(fù)合系統(tǒng)調(diào)度指揮模式選擇指標(biāo)體系

區(qū)域多制式軌道交通復(fù)合系統(tǒng)調(diào)度指揮模式選擇主要受運營管理體制、協(xié)同運輸需求、總體效能、服務(wù)質(zhì)量與實施難度等因素影響。在運營管理體制方面，運營管理機(jī)構(gòu)的不同設(shè)置形式往往導(dǎo)致調(diào)度指揮機(jī)構(gòu)設(shè)置、權(quán)限劃分等的差異，進(jìn)而對調(diào)度指揮模式選擇產(chǎn)生較大影響，如當(dāng)前區(qū)域內(nèi)不同制式軌道交通由若干運營主體獨立運營，已形成較為完善的、適應(yīng)于各制式軌道交通自身的運營管理體制，這種現(xiàn)狀在短期內(nèi)將一直存在且不會有根本改變，對當(dāng)前調(diào)度指揮模式的選擇有重大影響；在協(xié)同運輸需求方面，當(dāng)前不同制式軌道交通在換乘接續(xù)計劃、客流組織方案、移動設(shè)備運用等方面急需一定程度的協(xié)同，以提高固定和移動設(shè)備運用效率，減少乘客出行時間；在總體效能和服務(wù)質(zhì)量方面，不同調(diào)度指揮模式往往導(dǎo)致復(fù)合系統(tǒng)整體效能和服務(wù)質(zhì)量的差異，能否在復(fù)合系統(tǒng)整體效能較高的同時較大程度地提升服務(wù)質(zhì)量；在實施難度方面，能否以最小的代價獲得復(fù)合系統(tǒng)最大限度的性能提升，都影響著調(diào)度指揮模式的選擇。結(jié)合區(qū)域多制式軌道交通復(fù)合系統(tǒng)調(diào)度指揮模式選擇的影響因素分析，構(gòu)建區(qū)域多制式軌道交通復(fù)合系統(tǒng)調(diào)度指揮模式選擇指標(biāo)體系如表1所示。

表1 區(qū)域多制式軌道交通復(fù)合系統(tǒng)調(diào)度指揮模式選擇指標(biāo)體系Tab.1 Selection indicators of traffic control schemes of RMRTS

2.2 構(gòu)建基于 VIKOR 的復(fù)合系統(tǒng)調(diào)度指揮模式選擇法

多準(zhǔn)則妥協(xié)解排序法(VIKOR)的核心內(nèi)容是在確定正、負(fù)理想方案的基礎(chǔ)上，通過計算最大群體效益值、最小個體遺憾值和利益比率值，比較各備選方案與理想方案之間的距離，最終對方案的優(yōu)劣進(jìn)行排序[8]?；赩IKOR，構(gòu)建復(fù)合系統(tǒng)調(diào)度指揮模式選擇法，具體步驟如下。

（1）構(gòu)建初始評價矩陣X。令xij表示第i種調(diào)度指揮模式第j個指標(biāo)的值，記m為調(diào)度指揮模式數(shù)量，n為評價指標(biāo)個數(shù)。

（2）原始矩陣歸一化，得到歸一化矩陣Y=(yij)m×n為

式中：yij為歸一化后的指標(biāo)值；J1為正向型指標(biāo)集；J2為負(fù)向型指標(biāo)集。

（3）確定正理想方案和負(fù)理想方案為

（4）利用熵權(quán)確定指標(biāo)權(quán)向量。第j個指標(biāo)的信息熵Ej可以表示為

式中：fij為第j個指標(biāo)下第i種調(diào)度指揮模式的指標(biāo)值的比重。

第j個評價指標(biāo)的權(quán)重wj可以表示為

（5）方案排序。計算各模式最大群體效益值Si為

計算最小個體遺憾值Ri為

計算各備選模式的利益比率值Qi為

式中：v∈[0，1]為決策系數(shù)，一般取0.5。

將得到的Si，Ri，Qi從小到大排列，遵循值越小越優(yōu)先的原則，對各個方案進(jìn)行排序。

2.3 區(qū)域多制式軌道交通復(fù)合系統(tǒng)調(diào)度指揮模式選擇

采用基于VIKOR的復(fù)合系統(tǒng)調(diào)度指揮模式選擇法對獨立調(diào)度指揮模式、混合調(diào)度指揮模式、合作調(diào)度指揮模式和一體化調(diào)度指揮模式進(jìn)行分析。

（1）構(gòu)建初始評價矩陣X。記第1，2，3，4種調(diào)度指揮模式分別為獨立調(diào)度指揮模式、合作調(diào)度指揮模式、混合調(diào)度指揮模式和一體化調(diào)度指揮模式。結(jié)合區(qū)域多制式軌道交通復(fù)合系統(tǒng)調(diào)度指揮模式選擇指標(biāo)體系，對4種調(diào)度指揮模式的各個指標(biāo)進(jìn)行打分，獲得初始評價矩陣X為

（2）評價矩陣歸一化。根據(jù)公式⑵計算評價矩陣X的歸一化矩陣，計算各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值，得到歸一化矩陣Y為

（3）正負(fù)理想方案確定。根據(jù)公式⑶，計算正負(fù)理想方案

（4）熵權(quán)計算及指標(biāo)權(quán)向量確定。根據(jù)公式⑷—公式 ⑹，計算各指標(biāo)的熵與權(quán)

（5）計算各模式最大群體效益值Si、最小個體遺憾值Ri及各備選模式的利益比率值Qi。根據(jù)公式 ⑺，公式 ⑻，計算各調(diào)度指揮模式的最大群體效益值S和最小個體遺憾值R。根據(jù)公式 ⑼，計算各調(diào)度指揮模式的利益比率值Q。依據(jù)S，R，Q值從小到大進(jìn)行排序，得到各調(diào)度指揮模式排序結(jié)果如表2所示。

表2 各調(diào)度指揮模式排序結(jié)果Tab.2 Ranking results of traffic control schemes

根據(jù)表2中S，R，Q值的排序結(jié)果可知，無論哪種情況，排在第一位的模式都是混合調(diào)度指揮模式，因而現(xiàn)階段區(qū)域多制式軌道交通復(fù)合系統(tǒng)調(diào)度指揮模式宜采用混合調(diào)度指揮模式?；旌险{(diào)度指揮模式既能較好適應(yīng)當(dāng)前的運營管理體制，又可滿足不同制式間較高程度的協(xié)同運輸需求，能夠適應(yīng)當(dāng)前區(qū)域多制式軌道交通融合發(fā)展的要求。

目前，制約多制式軌道交通協(xié)同運營的瓶頸主要是各制式軌道交通路網(wǎng)制式標(biāo)準(zhǔn)和復(fù)合系統(tǒng)運營管理體制。隨著區(qū)域多制式軌道交通路網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大及網(wǎng)絡(luò)化運營水平的不斷提高，對高度協(xié)同運輸?shù)男枨髮⒃絹碓酱蟆Ｍ瑫r，伴隨可兼容多種制式標(biāo)準(zhǔn)列車的下線及大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，一體化運營管理體制將逐步形成，在混合調(diào)度模式中下層的調(diào)度指揮職能也將逐步整合到頂層的區(qū)域調(diào)度協(xié)同中心，構(gòu)成一體化的區(qū)域軌道交通調(diào)度指揮中心，對區(qū)域多制式軌道交通復(fù)合系統(tǒng)的運營活動進(jìn)行統(tǒng)一組織指揮。

3 結(jié)束語

區(qū)域軌道交通已呈一體化發(fā)展趨勢，區(qū)域多制式軌道交通復(fù)合系統(tǒng)的調(diào)度指揮模式應(yīng)與復(fù)合系統(tǒng)的運營管理體制相適應(yīng)，滿足區(qū)域內(nèi)不同制式軌道交通間協(xié)同運輸?shù)男枨??；旌险{(diào)度指揮模式是現(xiàn)階段區(qū)域多制式軌道交通復(fù)合系統(tǒng)調(diào)度指揮模式的首選，能夠有力推動區(qū)域內(nèi)多制式軌道交通的融合，從而促進(jìn)區(qū)域總體運能與服務(wù)質(zhì)量的提升，但在實現(xiàn)過程中仍然需要著重解決好實際中因管理體制等原因?qū)е碌牟煌剖杰壍澜煌ㄩg信息交互與共享不暢的問題，應(yīng)進(jìn)一步深入研究不同制式軌道交通間調(diào)度指揮協(xié)同實現(xiàn)方法及應(yīng)用。