高鐵晚點列車智能調度系統(tǒng)的研究與開發(fā)

陳 珺，苗 茁

（1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081；2. 中國國家鐵路集團有限公司 運輸調度指揮中心，北京 100844）

列車正點運行是旅客關注的焦點，提高旅客列車正點率一直是運輸調度工作的重點。隨著鐵路客運需求和運能的不斷增長，鐵路旅客列車日開行列數(shù)日益增加，高峰期每日已近萬余列，調度員面臨著越來越大的工作壓力和挑戰(zhàn)。

目前，中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）和鐵路局集團公司調度員對在途列車運行晚點情況的掌握主要通過查詢列車運行圖，缺少可快速、全面獲取全路或管內(nèi)所有晚點列車信息的工具。在全路推廣應用的旅客列車正晚點統(tǒng)計分析及考核系統(tǒng)[1]已取得良好效果，但只能提供滯后的晚點列車統(tǒng)計及晚點原因分析，不能實時地提供全路運行列車晚點信息。中國鐵路太原局集團有限公司研發(fā)的旅客列車正晚點實時分析系統(tǒng)[2]可實時地提供本局集團公司管內(nèi)列車晚點信息，但不具備晚點列車調整功能，對調度工作的輔助支持不夠充分。為此，研究開發(fā)高鐵晚點列車智能調度系統(tǒng)（簡稱：系統(tǒng)），以圖形化方式直觀顯示晚點列車實時分布狀況[3]，方便調度員對運行列車晚點情況隨時跟進，同時提供重點監(jiān)控晚點列車運營信息查詢、晚點時間自動估算、晚點列車智能調整等功能。目前，系統(tǒng)1.0 版本已在全路正式應用，效果良好，可大幅提升調度員工作效率。

1 系統(tǒng)主要功能

1.1 列車晚點實時監(jiān)控

提供雷達圖和GIS 地圖2 種圖形化的列車運行晚點監(jiān)控界面，讓調度員能夠對在途晚點列車的總體分布狀況做到一目了然。

在雷達圖形式的全路高鐵晚點列車實時監(jiān)控界面上，平面極坐標系被分為18 等份，每20 度極角范圍代表一個鐵路局集團公司，極徑范圍與列車晚點程度關聯(lián)，距離中心越近表示晚點程度越高，需調度員重點關注。如圖1 所示，圖上每個圓點代表一列晚點列車，根據(jù)列車運行當前局集團公司和列車晚點時長，可確定圓點在雷達圖上的顯示位置。

圖1 全路高鐵晚點列車實時監(jiān)控界面（雷達圖）

在GIS 地圖形式的全路高鐵晚點列車實時監(jiān)控界面上，根據(jù)晚點運行列車的經(jīng)緯度確定列車的顯示位置，以不同顏色區(qū)分其晚點程度，如晚點1 h 以上的列車用紅色表示，晚點30 min 以上、1 h 以內(nèi)的列車用黃色表示，晚點30 min 以下的列車用綠色表示。

1.2 重點監(jiān)控列車晚點預警

對于晚點超過20 min 的晚點列車將作為重點監(jiān)控列車，要求調度員予以重點關注，優(yōu)先制定調整方案。針對這類重點監(jiān)控列車的晚點預警，系統(tǒng)通過調用數(shù)據(jù)服務接口，自動獲取和整合調度員需要關注的重點監(jiān)控列車相關運營信息，在數(shù)據(jù)表格形式的重點監(jiān)控列車晚點預警清單中集中顯示，包括車次、類型（直通/管內(nèi)）、始發(fā)站、終到站、始發(fā)時刻、終到時刻、晚點時間、當前局集團公司、途經(jīng)局集團公司、擔當局集團公司、后續(xù)車次、折返時間、編組、車型、定員、車上人數(shù)等。借助重點監(jiān)控列車晚點預警清單，調度員無需再費時費力從不同系統(tǒng)收集晚點列車的相關信息，作業(yè)效率可大幅提升。

1.3 列車晚點原因分析

列車晚點原因可分為自然災害、鐵路交通事故、設備故障和其他原因4 個大類，每個大類的晚點原因還可進一步進行細分[4]。列車發(fā)生晚點后，調度員首先需要核實列車晚點原因，通過系統(tǒng)記錄晚點原因，便于列車晚點信息的傳遞溝通與統(tǒng)計分析。對各種列車晚點原因進行統(tǒng)一分類，并在系統(tǒng)維護功能模塊中完成設置，調度員錄入晚點列車原因時，僅需選擇相應選項即可；另外，統(tǒng)一設置列車晚點原因類別，也有利于系統(tǒng)快速自動生成統(tǒng)計結果。調度員可通過分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)常性導致晚點的慣性晚點原因類別，對慣性晚點原因進行重點處置，制定針對性的晚點應急預案。今后還可借助數(shù)據(jù)挖掘技術，進一步研究不同類別晚點原因造成晚點時長的趨勢，實現(xiàn)對列車未來晚點時長的預測。

1.4 調整方案協(xié)同制定

國鐵集團、列車擔當局集團公司和列車終到局集團公司的調度員可在系統(tǒng)支持下，協(xié)同完成晚點列車調整方案的制定。系統(tǒng)根據(jù)晚點調整規(guī)則模型，自動選用調整策略，并同步推送給國鐵集團及相關鐵路局集團公司調度員；鐵路局集團公司調度員可直接采納系統(tǒng)推薦的調整策略，或自行手動調整；國鐵集團調度員匯集相關鐵路局集團公司調度員的調整策略，形成最終裁定的調整策略；系統(tǒng)根據(jù)最終裁定的調整策略，自動生成調度命令，下發(fā)給相關鐵路局集團公司的有關部門；鐵路局集團公司列車調度員依據(jù)調度命令，完成對列車運行計劃的調整。

2 系統(tǒng)技術架構

系統(tǒng)采用“平臺+應用”分層架構[5]，基于LayUI、Spring Boot、Spring Cloud 等 技 術 框 架，采 用Java、Html5 和JavaScript 語言編碼實現(xiàn)。數(shù)據(jù)存儲結合Oracle 和Hadoop 數(shù)據(jù)庫，采用Spark 框架完成數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)技術架構如圖2 所示。

2.1 前端UI 層

系統(tǒng)采用B/S 應用模式，網(wǎng)頁版操作界面基于LayUI 框架實現(xiàn)，提供雷達圖和GIS 地圖2 種方式的晚點列車實時動態(tài)監(jiān)控和預警界面；其中，雷達圖方式的監(jiān)控界面使用Html5 Canvas 技術繪制，GIS 地圖方式的監(jiān)控界面基于SuperMap 組件繪制。

圖2 系統(tǒng)架構示意

2.2 服務層

包括基礎服務、業(yè)務服務和數(shù)據(jù)服務3 個模塊，利用SpringCloud 微服務架構實現(xiàn)服務治理；基礎服務模塊包括身份認證、權限管理、日志管理、GIS 服務、微服務配置等功能；業(yè)務服務模塊包括列車運行晚點監(jiān)控、列車晚點時間推算、重點監(jiān)控列車晚點預警、列車運營信息查詢、調整策略智能推薦、調整方案協(xié)同制定、列車晚點原因分析等功能；數(shù)據(jù)服務模塊負責從外部系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)處理后提供數(shù)據(jù)服務。

2.3 數(shù)據(jù)層

主要負責數(shù)據(jù)存儲，采用Oracle 關系型數(shù)據(jù)庫和Hadoop 分布式文件系統(tǒng)2 種類型數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，利用不同類型數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢提升數(shù)據(jù)訪問效率；其中，Oracle 關系型數(shù)據(jù)庫是基于行的存儲方式，適用于需要獲取或更新單行值的事務處理，用于實時交互的系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲在Oracle 數(shù)據(jù)庫中；基于分布式架構的Hadoop 文件系統(tǒng)是基于列處理的存儲方式，適用于存儲和計算海量數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)及從外部采集的數(shù)據(jù)均存儲在Hadoop 分布式文件系統(tǒng)中，以利用不同數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲方式的優(yōu)勢來提升數(shù)據(jù)訪問效率。

3 關鍵技術

3.1 晚點時間估算

列車運行圖上顯示的列車晚點時間是當前運行列車在通過最近一個車站時的晚點時間[6]。當列車因故障或某種特殊情況在車站或者運行區(qū)間長時間停留時，列車運行圖上顯示的晚點時間就會不準確。為此，研究列車晚點時間估算算法，按照列車區(qū)間停留和在站停留2 種場景分別進行估算。

（1）列車區(qū)間停留晚點時間估算

假設高鐵列車GX在A 站至B 站區(qū)間由于故障停車，計劃到達B 站時間為TB，從故障停車點到B 站的區(qū)間運行時分為TB?T。若當前時間TC下列車故障仍未修復，則列車當前預計的晚點時間Ws可由式（1）計算得到：

式（1）成立的假設條件是列車在停車點至B 站之間不再發(fā)生運行晚點，且區(qū)間運行時分已知。

若區(qū)間運行時分暫不可知，則由式（2）估算大致的晚點時間為：

（2）列車在站停留晚點時間推算

假設高鐵列車GX在C 站由于故障停車，計劃從C 站出發(fā)的時間為TFC；若當前時間TC下列車故障仍未修復，則列車當前預計的晚點時間WS可由式（3）計算得到：

通過上述列車晚點時間推算算法，計算出的晚點時間可更加準確地反映晚點列車在站或區(qū)間停留晚點的真實情況，為后續(xù)的調度調整提供更準確的依據(jù)。

3.2 晚點列車調整

目前，當調度員需要對晚點列車進行調整時，主要以電話溝通的方式，協(xié)商確定晚點列車的調整方案，工作效率較低。為此，將調度員處置晚點列車的經(jīng)驗總結為若干晚點列車調整規(guī)則，以晚點列車的終到晚點時間、后續(xù)折返列車、終到局集團公司、擔當局集團公司等相關信息作為輸入條件，系統(tǒng)自動判斷和選用合適的調整規(guī)則，形成推薦的晚點列車調整策略提供給調度員，調度員可直接確認采納，也可手工修改。

目前，系統(tǒng)已實現(xiàn)以下4 種晚點列車調整策略的自動推薦[7-8]。

3.2.1 不予調整策略（晚到晚開）

（1）終到晚點時間WZD小于等于1 h；

（2）終到晚點時間WZD大于1 h，且當日沒有后續(xù)折返列車TRz f；

（3）終到晚點WZD大于1 h，且列車終到局BZD不是列車擔當局BDD；

對以上任意一種晚點列車均不進行調整，實行晚到晚開。

3.2.2 優(yōu)先放行策略

（1）直通動車組相較于管內(nèi)動車組優(yōu)先放行，將直通動車組加權值Type設為2，管內(nèi)動車組加權值Type設為1；

（2）動車組終到晚點時間WZD大于3 h，且后續(xù)交路車次預計終到時間NTTimeZD在次日凌晨1：00（Time1）以后；

（3）預計終到時刻TTimeZD晚于次日凌晨2：00（Time2），嚴重影響天窗；

對（2）、（3）兩種情況，根據(jù)輸入?yún)?shù)，由式（4）計算V值：

若V值為true，則推薦實行優(yōu)先放行，并根據(jù)不同列車類型加權值大小，確定列車優(yōu)先放行順序。

3.2.3 交路調整策略

當前運行晚點時間WYX大于1 h，且列車擔當局集團公司BDD與終到局集團公司BZD一致，可考慮啟用熱備動車組，生成交路調整建議；即由式（5）根據(jù)輸入?yún)?shù)計算VCL值：

若VCL值為true，則推薦采用交路調整策略。

3.2.4 后續(xù)停運策略

晚點動車組后續(xù)交路車次預計始發(fā)晚點WNTS F大于3 h，或當前運行動車組途中折返時，推薦采用后續(xù)交路停運策略。

4 系統(tǒng)應用與完善

高鐵晚點列車智能調度系統(tǒng)1.0 版本于2019 年10 月在國鐵集團和全路各鐵路局集團公司調度所投入試用。國鐵集團調度指揮中心高鐵調度員和鐵路局集團公司調度所高鐵相關崗位參加系統(tǒng)的試用。在系統(tǒng)試用期間，根據(jù)用戶反饋意見與建議，對系統(tǒng)進行多次完善。目前，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，應用效果良好，顯著提升了調度員處理高鐵晚點列車的工作效率，推進智能運輸調度技術在高鐵行車組織中的應用。

5 結束語

高鐵晚點列車智能調度系統(tǒng)采用“平臺+應用”的架構設計，在建立數(shù)據(jù)服務平臺的基礎上，可快速實現(xiàn)應用功能開發(fā)。采用數(shù)據(jù)可視化技術，為調度員實時監(jiān)控晚點列車動態(tài)提供直觀、便捷的手段；基于列車晚點時間估算算法和晚點列車調整策略，可較為準確地估算列車當前晚點時間，以及根據(jù)晚點列車的不同情況，向調度員推薦合適的晚點列車調整策略，系統(tǒng)功能具有一定的智能化水平，有助于減輕調度員的工作強度。

系統(tǒng)1.0版本已實現(xiàn)列車運行晚點監(jiān)控、重點監(jiān)控列車晚點預警、列車晚點原因分析、晚點列車調整方案協(xié)同制定4項主要功能，后續(xù)將開發(fā)列車晚點調整調度命令自動生成下發(fā)、晚點列車統(tǒng)計分析、列車晚點預測等功能；同時，深入研究歷史晚點事件分析，從外部系統(tǒng)收集更多相關信息，運用大數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)挖掘、機器學習等智能技術，對列車未來晚點時間進行更精準的估算。