專用鐵路綜合運輸調(diào)度指揮系統(tǒng)研究

席興彪，吳 翔，王如躍，費振豪

(1.卡斯柯信號有限公司 研究設(shè)計院，上海 200071；2.上海市鐵路智能調(diào)度指揮系統(tǒng)工程研究中心，上海 200071)

我國鐵路經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)研制并推廣多種先進業(yè)務(wù)系統(tǒng)，其中面向鐵路運營管理的信息化系統(tǒng)主要為鐵路運輸管理信息系統(tǒng)(TMIS)、列車調(diào)度指揮系統(tǒng)(TDCS/CTC)、列車預(yù)確報系統(tǒng)、鐵路電子貨運票據(jù)管理系統(tǒng)等。中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”)因其具有龐大的路網(wǎng)規(guī)模，各崗位有著詳細專業(yè)化的分工，各專業(yè)系統(tǒng)由不同主管單位分別建設(shè)管理，在保持各系統(tǒng)獨立的基礎(chǔ)上，通過規(guī)定接口通信協(xié)議的方式進行系統(tǒng)業(yè)務(wù)協(xié)同，無形中會對各系統(tǒng)的功能提升和擴展形成障礙。貨運專用鐵路運輸企業(yè)建設(shè)運輸信息系統(tǒng)時，可充分吸收國鐵集團的建設(shè)經(jīng)驗，并利用企業(yè)集中管理的優(yōu)勢，實現(xiàn)“統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)、統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標準、統(tǒng)一資源、統(tǒng)一管理”，圍繞企業(yè)自身組織結(jié)構(gòu)和運輸生產(chǎn)特點進行集成和創(chuàng)新，各專業(yè)系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃，減少硬件等設(shè)備投入，以打造適合自身發(fā)展、具備擴展性和安全性、可管理可控制的專業(yè)鐵路綜合運輸調(diào)度指揮系統(tǒng)平臺。

1 系統(tǒng)目標

根據(jù)國內(nèi)外鐵路運輸信息化的先進經(jīng)驗，結(jié)合專用鐵路自身的實際情況，專用鐵路綜合運輸調(diào)度指揮系統(tǒng)的總體目標是：服務(wù)于鐵路運輸?shù)闹鞴懿块T、各級調(diào)度指揮、生產(chǎn)作業(yè)部門和人員，以提高運輸生產(chǎn)效率和保障運輸安全為目標，涵蓋運輸生產(chǎn)的各主要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)以列車調(diào)度指揮系統(tǒng)(TDCS/CTC)為核心，在專業(yè)緊密協(xié)調(diào)、計劃精確編制、信息自動采集、數(shù)據(jù)智能分析的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)運輸管理、調(diào)度集中、智能分析和信息共享，以較低的成本達到保障安全、提高運輸效率、改善經(jīng)營管理和提升服務(wù)質(zhì)量的目標，形成一個完整的集智能化控制、管理、決策于一體的專用鐵路綜合運輸調(diào)度指揮系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure

專用鐵路綜合運輸調(diào)度指揮系統(tǒng)主要實現(xiàn)如下功能。

（1）一體化調(diào)度指揮。以列車運行圖為基礎(chǔ)，以日班計劃、階段調(diào)整計劃為依據(jù)，實時采集列車運行狀態(tài)信息、列車編組信息、現(xiàn)車信息、貨運信息、施工信息、機車信息、乘務(wù)信息，融合構(gòu)建綜合運行圖管理，并基于客戶的作業(yè)模式和崗位設(shè)計實現(xiàn)崗位動態(tài)一體化組合，達到可視、可控、可響應(yīng)，實現(xiàn)運輸組織集中化，從而使資源綜合規(guī)劃、計劃整體優(yōu)化成為可能。

（2）貨運計劃全過程管理。通過運輸計劃貫串供應(yīng)鏈全程，將調(diào)度指揮范圍延伸到整個運輸過程，實現(xiàn)機車、車輛及貨物的動態(tài)追蹤，動態(tài)掌握和管理貨車和貨物運輸位置、運行軌跡等信息，實現(xiàn)貨物運輸精確化[1]。

（3）車站綜合管理。實現(xiàn)車站層級的信息匯集和智能處理，為管理和控制閉環(huán)提供自動化數(shù)據(jù)，梳理整合車站的業(yè)務(wù)流程和人員崗位，以機控代替人控，有效提高作業(yè)過程的安全性和自動化程度。

（4）列車運行環(huán)境聯(lián)動互控。通過和供電遠動、5T 等列車運行狀態(tài)環(huán)境的實時監(jiān)測、識別和分析，基于調(diào)度智能協(xié)同的調(diào)度指揮決策模型，實現(xiàn)優(yōu)化正常作業(yè)和應(yīng)急處置，提升鐵路運輸業(yè)務(wù)應(yīng)急指揮等智能化程度。

2 系統(tǒng)設(shè)計思路

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

專業(yè)鐵路綜合運輸調(diào)度指揮系統(tǒng)將行車指揮、貨運管理、應(yīng)急處置、運營維護等系統(tǒng)全面融合，統(tǒng)一平臺，服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、數(shù)據(jù)庫根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模統(tǒng)一配置，提高設(shè)備利用率；各系統(tǒng)數(shù)據(jù)全面融合共享，用戶界面根據(jù)崗位設(shè)置情況進行整合[2]。在數(shù)字化運輸系統(tǒng)層面，將所有業(yè)務(wù)系統(tǒng)按照統(tǒng)一的標準進行重構(gòu)，從而形成一套自下而上統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一運維的完整體系，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計Fig.2 System architecture design

專業(yè)鐵路綜合運輸調(diào)度指揮系統(tǒng)包含以下4 個層級。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層。通過服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)等物理設(shè)備，借助于云平臺技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施，搭建系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施平臺，減少硬件設(shè)備投入。

（2）平臺服務(wù)層。主要提供工具、基礎(chǔ)架構(gòu)和一些高級的基本部件，以支持服務(wù)的快速開發(fā)、運行和部署。系統(tǒng)建設(shè)中無需重新進行軟件設(shè)計，實現(xiàn)消息總線、數(shù)據(jù)存儲、大數(shù)據(jù)分析、網(wǎng)絡(luò)通信等公共服務(wù)以及提供信息安全保證、運維管理、人工智能等服務(wù)。

（3）應(yīng)用服務(wù)層。主要包括一組提供不同業(yè)務(wù)功能的進程，針對調(diào)度集中(CTC)、現(xiàn)車管理、計劃調(diào)度、施工管理等應(yīng)用場景，分別提供對應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)，從而保證一個業(yè)務(wù)服務(wù)的故障不影響其他業(yè)務(wù)功能的正常使用[1]，同時，各服務(wù)進程提供基于Web Service/XML 技術(shù)的SOA 信息集成平臺數(shù)據(jù)共享技術(shù)，由數(shù)據(jù)共享平臺統(tǒng)一對外提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)。

（4）業(yè)務(wù)服務(wù)層。面向業(yè)務(wù)提供用戶界面展示及邏輯處理，綜合運輸調(diào)度系統(tǒng)用戶界面根據(jù)崗位設(shè)置情況將行車指揮、貨運管理、應(yīng)急處置等功能整合，使不同的業(yè)務(wù)功能在同一個軟件進行實現(xiàn)，避免多個系統(tǒng)之間的切換。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

專用鐵路綜合運輸調(diào)度系統(tǒng)由中心系統(tǒng)和基層系統(tǒng)二級構(gòu)成，采用分布式應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)，綜合調(diào)度中心負責(zé)全線列車的運行，統(tǒng)一編制計劃，實現(xiàn)對全線的統(tǒng)一調(diào)度指揮。基層系統(tǒng)作為接收指令后的執(zhí)行系統(tǒng)，根據(jù)調(diào)度中心系統(tǒng)下達的調(diào)度計劃及調(diào)度命令，組織實施運輸作業(yè)以及原始信息的采集。系統(tǒng)采用“一級建庫、數(shù)據(jù)集中管理、信息綜合應(yīng)用”的模式，取消傳統(tǒng)國內(nèi)鐵路行業(yè)模式下的“車站級服務(wù)器”，采用“中心集中”模式，把車站級服務(wù)器集中到鐵路調(diào)度指揮中心，在調(diào)度中心機房集中設(shè)置“雙機熱備”的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于存儲各種數(shù)據(jù)和操作記錄，為各調(diào)度功能子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)庫訪問服務(wù)，應(yīng)采用強大、通用、高效、開放和可靠的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。應(yīng)用服務(wù)器用于列車工作計劃的編制、機車計劃周轉(zhuǎn)圖的編制、機車實際周轉(zhuǎn)圖繪制、車輛的運用及檢修管理、施工維修計劃的編制及數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)交換，負責(zé)向所有應(yīng)用工作站提供計調(diào)、機調(diào)、輛調(diào)、施調(diào)、統(tǒng)計分析等功能子系統(tǒng)的顯示信息與邏輯運算結(jié)果。

中心系統(tǒng)設(shè)備主要包含數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及調(diào)度大廳顯示設(shè)備?；鶎酉到y(tǒng)設(shè)備主要包含系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、車站列調(diào)分機以及列調(diào)、貨運、施工子系統(tǒng)等各類終端設(shè)備，其中列調(diào)分機作為基層系統(tǒng)的核心設(shè)備，采用雙機設(shè)備的冗余配置方式實現(xiàn)現(xiàn)場聯(lián)鎖碼位信息與控制指令的傳輸。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備方面應(yīng)采用高速網(wǎng)絡(luò)交換機及路由器設(shè)備，保證系統(tǒng)傳輸?shù)臅r效性要求；還應(yīng)采用雙通道冗余設(shè)計，保證信息傳輸?shù)目煽啃訹3-4]；與外部系統(tǒng)互聯(lián)通過設(shè)置防火墻、路由器等實現(xiàn)聯(lián)接，進而保證系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 System hardware structure

2.3 系統(tǒng)功能解析

系統(tǒng)將TDCS/CTC 系統(tǒng)與調(diào)度指揮相關(guān)的信息系統(tǒng)進行整合，對各信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源進行整合，制定信息系統(tǒng)間的接口標準，在平臺中建立運輸組織的數(shù)字模型，集成運輸資源，實現(xiàn)信息共享，從以下4個方面實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)定目標。

（1）一體化調(diào)度指揮。計劃子系統(tǒng)實現(xiàn)日班計劃、階段計劃的一體化編制，將貨運工作計劃、機車工作計劃、列車工作計劃、施工工作計劃有機結(jié)合，實現(xiàn)開車計劃、運行計劃的高水平兌現(xiàn)，在施工封鎖、風(fēng)雨雪等惡劣天氣條件下運行計劃快速自動調(diào)整，確保實現(xiàn)按計劃行車，真正發(fā)揮計劃對運輸組織工作的整體牽動作用[5]；以列車為主線與車輛、貨物、機車、機車乘務(wù)員等信息構(gòu)成有機整體，自動獲取車站實際作業(yè)數(shù)據(jù)，構(gòu)造綜合運行圖展示[6]。

（2）貨運計劃全過程管理。貨運子系統(tǒng)將列車編組(車輛)、機車、乘務(wù)員、貨物和運行線綁定，實現(xiàn)貨物的連續(xù)追蹤；將貨票、裝卸作業(yè)、列車、交付作業(yè)按業(yè)務(wù)流程綁定，實現(xiàn)貨運從承運到交付收費的連續(xù)展現(xiàn)。通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享實時掌握列車編組及貨票信息，列車軌跡及在站作業(yè)情況，調(diào)車軌跡及擔當機車、乘務(wù)人員信息，車底運用及技術(shù)履歷，機班超勞預(yù)警及施工沖突情況，為運輸管理人員決策進行有效支撐。

（3）車站綜合管理。車站子系統(tǒng)實現(xiàn)車站列車、調(diào)車、現(xiàn)車、編組、貨運、列檢等一體化管理，從列車進站的接車作業(yè)到站內(nèi)取送車作業(yè)、裝卸車作業(yè)到列車出站的發(fā)車作業(yè)統(tǒng)一管理。實現(xiàn)車站值班員、貨運員、信號員、外勤等多崗位共享計劃及作業(yè)信息，對車站作業(yè)進行流程化管理并環(huán)環(huán)卡控，提升安全管理水平[7]；根據(jù)列車作業(yè)計劃及調(diào)車作業(yè)計劃自動分解生成列車/調(diào)車進路序列，并根據(jù)計劃信息、站場實時信息實現(xiàn)列車及調(diào)車進路自動辦理，系統(tǒng)將信號聯(lián)鎖邏輯與站細等信息聯(lián)鎖邏輯有機集合，實現(xiàn)列車/調(diào)車進路的安全卡控；根據(jù)現(xiàn)場信號采集信息與信息系統(tǒng)實時互動，實現(xiàn)列車/調(diào)車自動報點，自動收發(fā)列車編組，調(diào)車作業(yè)計劃自動清勾、現(xiàn)車自動調(diào)整等功能。

（4）列車運行環(huán)境聯(lián)動互控。通過與電力控制系統(tǒng)、災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)、列檢系統(tǒng)、電子軌道衡設(shè)備及車號識別等系統(tǒng)接口，實時掌握接觸網(wǎng)網(wǎng)壓及線路災(zāi)害狀態(tài)及車輛運行情況，實現(xiàn)各專業(yè)系統(tǒng)與行車調(diào)度指揮的聯(lián)動，停送電與供電臂管理關(guān)聯(lián)，風(fēng)雨雪等情況下自動生成臨時限速命令，通過與軌道衡設(shè)備接口實現(xiàn)車輛信息的核準，從而保證鐵路運輸整體始終處于可控、高效和安全的運行狀態(tài)[8]；通過與鐵路局集團公司TDCS/CTC 系統(tǒng)接口能力，按照國鐵集團制定的局間接口協(xié)議標準設(shè)置分界口接口服務(wù)器，實現(xiàn)信息交換，采用專用通道并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，實現(xiàn)與鐵路局集團公司交界口范圍內(nèi)列車計劃、報點、調(diào)度命令及站場表示信息的互聯(lián)互通；另預(yù)留與鐵路局集團公司現(xiàn)車系統(tǒng)、TDMS 各信息系統(tǒng)的接口，獲取鐵路局集團公司貨運計劃、編組信息、施工計劃等，實現(xiàn)信息的共享。

最終系統(tǒng)構(gòu)建統(tǒng)一的信息共享平臺，涵蓋鐵路運輸各主要業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計分析，提供生產(chǎn)指標計算和統(tǒng)計報表生成服務(wù)，按業(yè)務(wù)流程對數(shù)據(jù)有機整合，包含貨運、列車、機車、施工、計劃等運輸指標數(shù)據(jù)的智能分析，實現(xiàn)運輸資源的合理調(diào)配，優(yōu)化調(diào)度指揮流程及管理。系統(tǒng)軟件功能解析如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件功能解析Fig.4 Function analysis of system software

3 系統(tǒng)優(yōu)勢及未來發(fā)展方向

3.1 系統(tǒng)優(yōu)勢比較

通過軟硬件投入、系統(tǒng)獨立性、集成度等多方面比較分析，得到專用鐵路綜合運輸調(diào)度指揮系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)比較如表1所示。

表1 專用鐵路綜合運輸調(diào)度指揮系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)比較Tab.1 Comparison between comprehensive train operation dispatching command system of railway private sidings and traditional system

專用鐵路綜合運輸調(diào)度指揮系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的優(yōu)勢具體體現(xiàn)在以下方面。

（1）設(shè)備整合。專業(yè)鐵路綜合運輸調(diào)度指揮系統(tǒng)將相關(guān)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)按照統(tǒng)一標準進行建設(shè)，對傳統(tǒng)模式的TDCS/CTC 設(shè)備與調(diào)度信息系統(tǒng)設(shè)備進行整合，各子系統(tǒng)硬件資源共享，包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用服務(wù)器等，使資源得到有效利用，減少設(shè)備投入，降低工程投資。

（2）數(shù)據(jù)整合。專業(yè)鐵路綜合運輸調(diào)度指揮系統(tǒng)通過建立信息共享平臺實現(xiàn)信息資源的開放與共享,避免信息孤島現(xiàn)象，實現(xiàn)各專業(yè)系統(tǒng)的一體化管理，從而保證鐵路運輸整體始終處于可控、高效和安全的運行狀態(tài)。同時，信息共享平臺從整體出發(fā)，建立了覆蓋系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)和應(yīng)用全方面的規(guī)范體系標準，保證了系統(tǒng)的擴展性和開放性。

（3）功能整合。針對專用鐵路相關(guān)崗位合并的特點，專業(yè)鐵路綜合運輸調(diào)度指揮系統(tǒng)對相關(guān)專業(yè)的功能進行整合，使相關(guān)操作可以在一個界面一鍵完成，減少人工操作，提高工作效率，更加便于企業(yè)根據(jù)業(yè)務(wù)需要，對相關(guān)崗位進行整合，達到減員增效的目的。

3.2 系統(tǒng)未來發(fā)展方向

隨著鐵路運輸智能化發(fā)展，專用鐵路綜合運輸調(diào)度指揮系統(tǒng)提升調(diào)度指揮智能化，可從以下3 個方面進行研究。

（1）基于貨流形成網(wǎng)絡(luò)化、智能化的調(diào)度決策和運行控制手段，包括運營過程可信動態(tài)感知、貨流需求驅(qū)動路網(wǎng)運輸資源動態(tài)調(diào)配，以及指揮管控的遠程智能、安全隱患辨識預(yù)警。

（2）對運輸資源、網(wǎng)絡(luò)線路、貨流分布的時空信息精準實時掌握，結(jié)合全網(wǎng)多專業(yè)崗位的快速協(xié)同，形成鐵路貨物運輸高效、韌性的運行模式。

（3）隨著大數(shù)據(jù)、機器學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生等技術(shù)的應(yīng)用，在科學(xué)運營決策、智能運輸組織、安全可信執(zhí)行、全息自動化評估、輔助運營決策運輸調(diào)度完整業(yè)務(wù)鏈上實現(xiàn)持續(xù)改進和優(yōu)化。

4 結(jié)束語

專用鐵路綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)以列車調(diào)度指揮系統(tǒng)或者調(diào)度集中系統(tǒng)為核心，通過信息交換平臺，橫向集成計劃、貨運、機車、施工、車輛、統(tǒng)計分析等多項業(yè)務(wù)于一體，改變了多種信息系統(tǒng)重復(fù)投資的現(xiàn)狀，并在淮北礦業(yè)集團、朔黃鐵路公司、平煤神馬集團、山西潞安集團、日照港鐵路運輸公司、山東高速軌道集團等專用鐵路開通運行，有效提高了系統(tǒng)安全保障水平，降低了人員勞動強度，改善了貨運專用鐵路運輸企業(yè)經(jīng)營管理和服務(wù)質(zhì)量。