列車晚點(diǎn)情況下的地鐵運(yùn)營調(diào)整自組織機(jī)制研究

趙 源

(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，201804，上海；2.上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，201804，上海；3.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營管理中心，201100，上海 ∥ 高級(jí)工程師)

在高密度行車條件下，城市軌道交通系統(tǒng)一旦出現(xiàn)列車因故晚點(diǎn)，很容易引發(fā)連帶晚點(diǎn)，繼而出現(xiàn)列車晚點(diǎn)傳播，打亂列車運(yùn)行秩序，甚至波及網(wǎng)絡(luò)中其他線路。因此，及時(shí)針對(duì)晚點(diǎn)情況做出有效的調(diào)度應(yīng)急處置與運(yùn)營調(diào)整決策尤為重要。

在傳統(tǒng)的運(yùn)營調(diào)度指揮體系中，針對(duì)列車運(yùn)行晚點(diǎn)情況，主要采取人工介入調(diào)整模式來應(yīng)對(duì)，以調(diào)度員為決策者和指揮者[1]。受限于調(diào)度員的工作經(jīng)驗(yàn)及調(diào)度能力，加之受日益復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營環(huán)境和不確定的外界因素干擾，列車運(yùn)營調(diào)整方案及效果也存在很大的不確定性。因此，研究建立列車晚點(diǎn)情況下的自動(dòng)化、智能化運(yùn)營調(diào)整機(jī)制與方法具有重要意義[2]。

既有的列車運(yùn)行調(diào)整模式屬于他組織過程，其系統(tǒng)組織力來自系統(tǒng)外部的調(diào)度指令。與他組織相對(duì)應(yīng)，系統(tǒng)自組織是指在沒有外部指令條件下，系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間能自行按照某種規(guī)則形成一定結(jié)構(gòu)或功能的現(xiàn)象。自組織理論主要研究系統(tǒng)如何從混沌無序的初態(tài)向穩(wěn)定有序的終態(tài)的演化過程和規(guī)律[3]。本文探索性地將系統(tǒng)自組織原理引入城市軌道交通行車組織與運(yùn)營調(diào)整中，針對(duì)列車因故晚點(diǎn)、線路系統(tǒng)運(yùn)行秩序被打亂后的狀態(tài)，建立系統(tǒng)內(nèi)列車個(gè)體間協(xié)同作用機(jī)理，通過構(gòu)建列車運(yùn)行調(diào)整的自組織規(guī)則，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行秩序的自動(dòng)恢復(fù)。

1 晚點(diǎn)情況下的地鐵列車運(yùn)行調(diào)整

1.1 列車運(yùn)行晚點(diǎn)的產(chǎn)生與傳播

列車在線路上運(yùn)行時(shí)，由于受到自身或外界因素的干擾，其運(yùn)行時(shí)刻會(huì)偏離計(jì)劃運(yùn)行圖，產(chǎn)生自身晚點(diǎn)[4-5]。例如，車站客流量過大造成的停站時(shí)間延長會(huì)導(dǎo)致列車出站晚點(diǎn)，司機(jī)駕駛不當(dāng)或設(shè)備設(shè)施發(fā)生故障造成的區(qū)間運(yùn)行時(shí)間延長會(huì)導(dǎo)致區(qū)間晚點(diǎn)等。由于絕大多數(shù)地鐵線路無越行條件，故同方向前后列車運(yùn)行狀態(tài)相互影響。若前行列車發(fā)生晚點(diǎn)，且未能短時(shí)間恢復(fù)正點(diǎn)運(yùn)行，則后行列車達(dá)到最小追蹤間隔時(shí)會(huì)被迫偏離計(jì)劃運(yùn)行圖，形成晚點(diǎn)傳播，導(dǎo)致相關(guān)列車產(chǎn)生連帶晚點(diǎn)[4-5]。

前行列車自身晚點(diǎn)程度、列車運(yùn)行控制系統(tǒng)預(yù)留冗余時(shí)間及列車追蹤間隔時(shí)間等均會(huì)對(duì)晚點(diǎn)傳播產(chǎn)生不同的影響，因此，必須根據(jù)實(shí)際情況對(duì)列車做出相適應(yīng)的調(diào)整策略。

1.2 晚點(diǎn)情況下的列車運(yùn)行調(diào)度調(diào)整目標(biāo)

根據(jù)乘客出行需求的時(shí)空分布規(guī)律，地鐵運(yùn)營方制定了列車運(yùn)行圖。在正常情況下，行車調(diào)度員應(yīng)嚴(yán)格按照運(yùn)行圖組織行車，兌現(xiàn)運(yùn)行圖規(guī)定的服務(wù)水平。當(dāng)列車發(fā)生晚點(diǎn)時(shí)，區(qū)段開行間隔出現(xiàn)偏差，服務(wù)水平下降,對(duì)此，行車調(diào)度員要及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，盡快恢復(fù)運(yùn)行圖規(guī)定的開行間隔時(shí)間及間隔均衡性，以盡快恢復(fù)正常的服務(wù)水平。

1.3 晚點(diǎn)情況下列車運(yùn)行調(diào)度人工調(diào)整手段

當(dāng)列車輕微晚點(diǎn)時(shí)，列車運(yùn)行控制系統(tǒng)借助預(yù)先設(shè)置的運(yùn)行圖冗余時(shí)間，通過逐列列車在逐個(gè)車站的微小冗余調(diào)整來恢復(fù)線路列車的正常運(yùn)營。當(dāng)線路突發(fā)事件導(dǎo)致列車運(yùn)行延誤較大或發(fā)生中斷時(shí)，列車運(yùn)行控制系統(tǒng)無法僅通過冗余調(diào)整來修正列車運(yùn)行時(shí)間，極易造成列車晚點(diǎn)傳播，繼而導(dǎo)致列車運(yùn)行間隔偏差及運(yùn)行秩序混亂。可見，由行車調(diào)度員來人工選擇和制定恰當(dāng)?shù)牧熊囘\(yùn)行調(diào)整方案是關(guān)鍵。

針對(duì)列車運(yùn)行晚點(diǎn)或中斷情況，行車調(diào)度員通過全局觀察，以恢復(fù)運(yùn)行間隔時(shí)間及間隔均衡性為目標(biāo)，對(duì)列車運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整方式主要包括扣車、載客跳停、調(diào)整始發(fā)站發(fā)點(diǎn)、改變列車運(yùn)行等級(jí)(調(diào)整區(qū)間運(yùn)行時(shí)分)、調(diào)整停站時(shí)間、運(yùn)休列車(收車)、加開列車、列車替開、變更交路、改變折返方式及單線雙向運(yùn)行等[7-8]。其中，加開列車、列車替開、變更交路、改變折返方式及單線雙向運(yùn)行等措施在列車組織方式實(shí)施過程中改變了在線列車的前后運(yùn)動(dòng)順序關(guān)系，并受到線路條件及備用列車等復(fù)雜因素影響。因此，本文以地鐵常見的運(yùn)營晚點(diǎn)場景(因列車故障救援、線路短時(shí)設(shè)備發(fā)生故障及異物侵限等引發(fā)的、可通過應(yīng)急消除且未發(fā)生線路中斷的場景)為對(duì)象，在不改變?cè)诰€列車運(yùn)動(dòng)順序及關(guān)系的條件下，研究相適應(yīng)的列車運(yùn)行調(diào)整自組織機(jī)制。

2 基于群體協(xié)同的列車運(yùn)行調(diào)整自組織機(jī)制

2.1 列車運(yùn)行調(diào)整機(jī)制轉(zhuǎn)變

根據(jù)列車自動(dòng)監(jiān)控(ATS)系統(tǒng)自動(dòng)控制的程度，列車運(yùn)行調(diào)度模式分為自動(dòng)調(diào)整模式、人工調(diào)整模式、人工調(diào)度模式和全人工模式。在人工調(diào)整模式下，地鐵行車調(diào)度員作為自始至終的參與者，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與專業(yè)知識(shí)做出調(diào)度決策。調(diào)度決策依賴于調(diào)度員的人工指令，ATS系統(tǒng)作為決策的操作端、執(zhí)行端和輸出端。如果把1條線路的列車運(yùn)行看作1個(gè)動(dòng)態(tài)的組織系統(tǒng)，每輛列車是構(gòu)成這個(gè)系統(tǒng)的元素，那么在晚點(diǎn)情況下的列車運(yùn)行調(diào)整模式屬于他組織過程，其系統(tǒng)組織力來自系統(tǒng)外部的調(diào)度指令。

他組織模式下的列車運(yùn)行調(diào)整靈活，但對(duì)調(diào)度員業(yè)務(wù)要求高。隨著新線的迅速增加，服務(wù)客流量快速增長，線路設(shè)施設(shè)備裝備多樣化，越來越多的調(diào)度員很難快速適應(yīng)復(fù)雜的線路運(yùn)營環(huán)境，無法準(zhǔn)確做出應(yīng)急處置決策。因此，引入智能體概念與思想：將地鐵運(yùn)行系統(tǒng)中的每列列車視作1個(gè)智能個(gè)體，通過建立列車智能體的運(yùn)動(dòng)思想及相互之間的交互規(guī)則，在列車運(yùn)動(dòng)受干擾、運(yùn)動(dòng)秩序紊亂的情況下，使各列列車智能體能夠自發(fā)組織起來，不需要外界特定干預(yù)，通過相互協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行系統(tǒng)由無序向有序的自組織演變。

2.2 列車運(yùn)行調(diào)整的自組織機(jī)制

與人工介入的他組織模式不同，智能體間自組織的組織力來自系統(tǒng)內(nèi)部元素間的協(xié)同。因此，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行調(diào)整自組織過程的關(guān)鍵是建立系統(tǒng)各元素(即各列車智能體)之間的交互、協(xié)同運(yùn)動(dòng)關(guān)系。為建立該協(xié)同關(guān)系，本文以某列車故障場景為例，將“列車晚點(diǎn)發(fā)生→列車運(yùn)行調(diào)整→列車運(yùn)行恢復(fù)”過程中列車之間的追蹤運(yùn)行關(guān)系簡化如圖1所示。

如圖1所示，受列車意外故障影響，列車之間的運(yùn)行時(shí)間距離(運(yùn)行間隔)被打亂，列車晚點(diǎn)情況發(fā)生；在列車故障被清除后的一段時(shí)間里，通過運(yùn)行調(diào)整，重新恢復(fù)了列車運(yùn)行秩序及運(yùn)行間隔，從而恢復(fù)了運(yùn)行圖規(guī)定的服務(wù)水平。可見，列車運(yùn)行自組織機(jī)制的關(guān)鍵是建立基于時(shí)間距離的列車間交互、協(xié)同運(yùn)動(dòng)關(guān)系。為此，借鑒“沙丁魚群”運(yùn)動(dòng)原理對(duì)列車間的運(yùn)動(dòng)交互及協(xié)同過程進(jìn)行描述和自組織分析。

研究結(jié)果表明，盡管整個(gè)沙丁魚群具有高度相關(guān)性，但每個(gè)個(gè)體僅與最鄰近的另一個(gè)體產(chǎn)生交互作用。魚群通過相鄰魚之間的吸引力和排斥力保持行動(dòng)統(tǒng)一?；隰~對(duì)相對(duì)距離的感受，每2條魚之間的運(yùn)動(dòng)距離可劃分為3個(gè)層級(jí)，即如圖2所示的3個(gè)區(qū)域：①排斥區(qū)域，其他個(gè)體對(duì)此個(gè)體有排斥作用，此個(gè)體也希望遠(yuǎn)離排斥區(qū)域內(nèi)的其他個(gè)體；②協(xié)同區(qū)域，其他個(gè)體對(duì)此個(gè)體總保持協(xié)同運(yùn)動(dòng)或保持一致運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)；③吸引區(qū)域，其他個(gè)體對(duì)此個(gè)體有吸引作用，此個(gè)體也希望向其他個(gè)體靠近[9]。當(dāng)超出吸引區(qū)域時(shí)，其他個(gè)體對(duì)此個(gè)體不產(chǎn)生影響。

圖1 列車故障場景下的行車組織關(guān)系

圖2 沙丁魚群運(yùn)動(dòng)關(guān)系的區(qū)域劃分

參考沙丁魚對(duì)鄰近個(gè)體間運(yùn)動(dòng)距離的感受，對(duì)線路上相鄰列車的運(yùn)行間隔進(jìn)行描述。列車在線路上運(yùn)行，故列車間的位置關(guān)系為一維運(yùn)行間隔。相鄰列車運(yùn)動(dòng)關(guān)系的距離劃分如圖3所示。①協(xié)同間隔：列車間隔在運(yùn)行圖冗余時(shí)間范圍內(nèi)為可接受范圍，列車運(yùn)行控制系統(tǒng)采取按圖調(diào)整模式來協(xié)調(diào)列車運(yùn)行。②排斥間隔：如當(dāng)前列車與鄰近列車運(yùn)行間隔因故縮短至冗余時(shí)間允許范圍以內(nèi)，則鄰近列車對(duì)該列車有排斥作用，要拉大運(yùn)行間隔。③吸引間隔：如當(dāng)前列車與鄰近列車的運(yùn)行間隔因故延長至冗余時(shí)間允許范圍以外，則鄰近列車對(duì)該列車有吸引作用，要縮短運(yùn)行間隔。此外，如當(dāng)前列車與鄰近列車運(yùn)行間隔超出吸引作用范圍，則在線列車無法通過相互協(xié)同滿足乘客運(yùn)輸需求，列車運(yùn)行控制系統(tǒng)可考慮自動(dòng)加開列車，使列車間隔在可作用范圍內(nèi)。綜上所述，建立列車運(yùn)行調(diào)整的自組織機(jī)理為：在突發(fā)事件發(fā)生后，各列車智能體基于對(duì)鄰近列車運(yùn)行間隔的感知來自主調(diào)整與鄰近列車的運(yùn)行間隔，從而完成運(yùn)動(dòng)交互與協(xié)同，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行有序性與間隔均衡性。

圖3 相鄰列車運(yùn)動(dòng)關(guān)系的距離劃分

2.3 列車運(yùn)行調(diào)整的自組織協(xié)同模型

地鐵線路上的列車運(yùn)行為前后排隊(duì)追蹤的運(yùn)動(dòng)組織形式。將線路中運(yùn)行的列車比作有序向前運(yùn)動(dòng)的“列車群”,當(dāng)其中某列列車因故晚點(diǎn)或運(yùn)行中斷后，線路上原本有序運(yùn)行的“列車群”就好像“沙丁魚群”被攻擊一樣，各列車個(gè)體按照所建立的“列車群”交互與協(xié)同關(guān)系，由各列車智能體根據(jù)其與前后鄰近列車間的交互關(guān)系，自主選擇運(yùn)行調(diào)整策略，從而建立起列車運(yùn)行調(diào)整的自組織協(xié)同模型(見表1)。

表1中：當(dāng)相鄰列車間隔大于圖定間隔冗余范圍時(shí)，相鄰列車間表現(xiàn)出引力，且該引力在實(shí)際間隔小于指定間隔值時(shí)隨距離的增大而增大，并在實(shí)際間隔等于指定間隔值時(shí)達(dá)到極值；當(dāng)相鄰列車間隔小于圖定間隔時(shí)。相鄰列車間表現(xiàn)出斥力，且該斥力在實(shí)際間隔大于指定間隔值前隨距離減小而增大，并在實(shí)際間隔等于指定間隔值時(shí)達(dá)到極值。前后鄰近列車k-1、k+1對(duì)列車k的作用力分別用F(k,k-1)、F(k,k+1)表示。若作用力指向列車k，則作用力大于0，為斥力，說明鄰近列車對(duì)列車k具有排斥作用；若作用力遠(yuǎn)離列車k時(shí)，則作用力小于0，為引力，說明鄰近列車對(duì)列車k具有吸引作用。

表1 列車運(yùn)行調(diào)整的自組織協(xié)同規(guī)則模型

3 列車運(yùn)行調(diào)整的自組織優(yōu)化算例

基于上海軌道交通8號(hào)線(以下簡為“8號(hào)線”)列車運(yùn)行仿真平臺(tái)[10]，進(jìn)一步優(yōu)化對(duì)線路基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備、車輛運(yùn)用及列車運(yùn)行的管理和仿真模擬。在列車運(yùn)行的仿真中，可在任意時(shí)刻、任意地點(diǎn)設(shè)置列車故障場景。為對(duì)列車運(yùn)行自組織調(diào)整模型進(jìn)行有效性驗(yàn)證，在8號(hào)線列車運(yùn)行仿真系統(tǒng)中嵌入了所構(gòu)建的列車間交互作用與協(xié)同運(yùn)動(dòng)規(guī)則。

3.1 仿真場景

設(shè)計(jì)列車區(qū)間故障場景：列車運(yùn)行圖9:00之前發(fā)車間隔為3 min 20 s，9:00之后發(fā)車間隔為5 min；假定某列車于9:00在曲陽路站→虹口足球場站區(qū)間發(fā)生了故障緊急迫停；經(jīng)組織實(shí)施應(yīng)急處置后故障清除，但該列車在虹口足球場站進(jìn)站晚點(diǎn)10 min。由于本案例僅用于驗(yàn)證列車運(yùn)行自組織調(diào)整過程，故將列車故障迫停區(qū)間→駕駛員應(yīng)急處置完成排故的過程簡化處理，仿真界面僅顯示列車迫停區(qū)間10 min。

3.2 自組織調(diào)整過程

列車因故晚點(diǎn)后，列車運(yùn)行控制系統(tǒng)依據(jù)表1中的列車交互與協(xié)同運(yùn)動(dòng)作用及自主運(yùn)行調(diào)整規(guī)則，通過不斷更新列車與相鄰列車的交互關(guān)系和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來完成列車運(yùn)行的自組織調(diào)整，并實(shí)時(shí)輸出調(diào)整的列車運(yùn)行圖，如圖4所示。

圖4 故障場景下列車運(yùn)行調(diào)整自組織過程模擬

根據(jù)實(shí)際行車組織情況，高峰時(shí)段線路上運(yùn)行的列車均采用最大速度標(biāo)尺(無法壓縮運(yùn)行時(shí)間)，無熱備車，且客流高峰期不允許列車載客通過車站。在列車交互關(guān)系中，假定列車間隔1個(gè)站間距時(shí)斥力最大(逼停后車)，間隔為圖定運(yùn)行間隔2倍時(shí)引力最大(扣停前車)，且在下一停站兌現(xiàn)(不在區(qū)間停車)。

1) 前方列車運(yùn)行的自組織調(diào)整過程為：故障車迫停拉大了其與前方列車的運(yùn)行間隔，使得前方列車與前后相鄰列車之間的運(yùn)行間隔進(jìn)入吸引間隔區(qū)間，且其后方列車間隔大于其前方列車間隔，故有后方引力>前方引力，進(jìn)而使列車運(yùn)行控制系統(tǒng)自動(dòng)延長了列車停站時(shí)間。由于列車之間存在群體效應(yīng)，前方列車間的引力向前傳遞，使得前方多列列車依次受“向后的”引力作用而自動(dòng)扣停，由此分?jǐn)偼睃c(diǎn)，確保前方車站的列車服務(wù)間隔均勻。

2) 后方列車運(yùn)行的自組織調(diào)整過程：故障車迫停壓縮了與后方列車的運(yùn)行間隔，使得后方列車與前后列車之間的運(yùn)行間隔進(jìn)入排斥間隔區(qū)間，且前方間隔小于后方間隔，故有前方斥力>后方斥力，使列車自動(dòng)扣停后方車站。同樣，由于列車間的群體效應(yīng)，后方列車間的斥力向后傳遞，使得后方多列車依次受“向后的”斥力作用自動(dòng)扣停，由此確保列車運(yùn)行安全且列車服務(wù)有序。

需要說明的是，為確保列車上旅客服務(wù)的安全性，在列車運(yùn)行控制系統(tǒng)實(shí)施列車運(yùn)行自組織調(diào)整過程中，主要采取延長列車停站時(shí)間(即扣停)的自動(dòng)調(diào)整策略。

4 結(jié)語

在日益復(fù)雜而嚴(yán)峻的地鐵運(yùn)營組織形勢(shì)下，因突發(fā)事件導(dǎo)致的運(yùn)營延誤或運(yùn)營安全事件時(shí)有發(fā)生。為確保能夠快速、系統(tǒng)、有效應(yīng)對(duì)偶發(fā)的列車運(yùn)行晚點(diǎn)影響，在系統(tǒng)梳理和分析列車運(yùn)營調(diào)整策略和規(guī)則的基礎(chǔ)上，引入智能體概念和自組織理論，借鑒“沙丁魚群”運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象描述基于3個(gè)間隔閾值的鄰近列車間的作用關(guān)系。將列車與前后鄰近列車間的運(yùn)行間隔關(guān)系轉(zhuǎn)化為個(gè)體之間的吸引與排斥關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車間運(yùn)動(dòng)交互關(guān)系的描述，從而建立線路運(yùn)行系統(tǒng)中各列車的自組織協(xié)同模型。

地鐵列車運(yùn)行條件復(fù)雜、系統(tǒng)不確定因素眾多，本文基于所建立的上海軌道交通8號(hào)線列車運(yùn)行仿真平臺(tái)，建立假定的列車故障場景模型，并實(shí)現(xiàn)了前、后方向列車運(yùn)行自組織調(diào)整的過程模擬與運(yùn)行結(jié)果自動(dòng)化輸出，由此論證了基于群體協(xié)同的列車運(yùn)行調(diào)整自組織機(jī)制與規(guī)則模型的有效性和應(yīng)用性。由于線路未發(fā)生長時(shí)間運(yùn)行中斷，行車調(diào)整過程中不改變?cè)诰€列車運(yùn)動(dòng)順序及關(guān)系，因此，所建立的列車運(yùn)動(dòng)交互、協(xié)同的自組織機(jī)制還需進(jìn)一步優(yōu)化。