基于B/S 架構(gòu)的列車運(yùn)行圖智能編制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

潘偉健，胡鈺紳，李 偉，周 珺，羅 欽

（1. 深圳地鐵運(yùn)營集團(tuán)有限公司 調(diào)度中心，深圳 518053；2. 深圳技術(shù)大學(xué) 城市交通與物流學(xué)院，深圳 518118）

城市軌道交通系統(tǒng)中的列車運(yùn)行圖和列車時(shí)刻表是運(yùn)輸組織工作的基礎(chǔ)，對(duì)于城市軌道交通的列車運(yùn)行組織和調(diào)整起著重要的作用。目前，城市軌道交通列車運(yùn)行圖編制主要有人工編制及第三方工具編制等方式。然而，由于運(yùn)行圖編制過程涉及的因素眾多、數(shù)據(jù)量龐大，編制工作耗時(shí)且繁瑣，因此，有必要開發(fā)一種高效、智能化的列車運(yùn)行圖編制系統(tǒng)。

倪少權(quán)等人[1-2]對(duì)列車運(yùn)行圖編制的規(guī)則提出了基本要求，并指出計(jì)算機(jī)編制運(yùn)行圖技術(shù)的推廣應(yīng)用在很大程度上取決于計(jì)算機(jī)編圖軟件的質(zhì)量水平；張菡[3]指出，計(jì)算機(jī)編制運(yùn)行圖技術(shù)仍存在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不高、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性不強(qiáng)、數(shù)據(jù)共享性不足等問題。早期的列車運(yùn)行圖編制系統(tǒng)一般采用Windows 平臺(tái)，利用Visual C++ 6.0 和數(shù)據(jù)庫Access 實(shí)現(xiàn)[4-5]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，劉慶磊等人[6]基于SQLite 數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用Visual Studio 工具設(shè)計(jì)開發(fā)了基于C/S 架構(gòu)的列車運(yùn)行圖編制系統(tǒng)；廖志林等人[7]基于JavaEE 技術(shù)體系構(gòu)建了鐵路調(diào)度工作質(zhì)量評(píng)價(jià)及輔助決策系統(tǒng)；趙旭輝等人[8]使用VML+JSP 技術(shù)，通過讀取后臺(tái)的列車時(shí)刻表數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)生成運(yùn)行圖，及時(shí)地反映出列車數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化；靳磊等人[9]提出基于 Web 技術(shù)棧的列車運(yùn)行圖繪制方案，在服務(wù)端采用微服務(wù)架構(gòu)及多線程并發(fā)技術(shù)，并在前端采用 HTML5 Canvas 圖形繪制技術(shù)，提高了繪圖性能及響應(yīng)效率；李詩雅[10]則采用ASP.NET 技術(shù)，基于HTML5 和GDI+靜態(tài)圖片繪圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行圖的編制。上述列車運(yùn)行圖編制系統(tǒng)在系統(tǒng)架構(gòu)、功能擴(kuò)展性和定制化開發(fā)等方面存在限制，性能和效率也受到一定的制約。基于B/S 架構(gòu)的列車運(yùn)行圖智能編制系統(tǒng)具有跨平臺(tái)性、良好的可擴(kuò)展性和靈活性，可集中管理和維護(hù)，能夠提供高效和智能化的編制等諸多優(yōu)點(diǎn)。

基于上述研究，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了基于B/S 架構(gòu)的列車運(yùn)行圖智能編制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行圖的一鍵生成、自動(dòng)鋪圖及動(dòng)態(tài)可視等功能，以滿足城市軌道交通運(yùn)營人員對(duì)編制效率和質(zhì)量的要求。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

列車運(yùn)行圖智能編制系統(tǒng)基于B/S 架構(gòu)，前端負(fù)責(zé)列車運(yùn)行圖的調(diào)整與展示，利用Web 技術(shù)實(shí)現(xiàn)，包括HTML、CSS 和JavaScript 等核心技術(shù)，創(chuàng)建一個(gè)直觀、動(dòng)態(tài)交互的用戶界面；后端負(fù)責(zé)運(yùn)行圖編制的智能算法與數(shù)據(jù)共享，通過ASP.NET 技術(shù)，利用C#開發(fā)平臺(tái)封裝運(yùn)行圖智能編制的核心算法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。列車運(yùn)行圖智能編制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 列車運(yùn)行圖智能編制系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)庫層

數(shù)據(jù)庫層用于存儲(chǔ)和管理運(yùn)行圖編制所需要的各種數(shù)據(jù)，包括車站/區(qū)間/線路屬性相關(guān)數(shù)據(jù)、列車相關(guān)屬性數(shù)據(jù)、客流需求分析數(shù)據(jù)、開行方案參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)、運(yùn)行圖及時(shí)刻表數(shù)據(jù)等，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算提供基礎(chǔ)。

1.2 后端層

后端層包含3 個(gè)主要模塊：客流分析、全日行車計(jì)劃和列車運(yùn)行圖編制優(yōu)化。其中，客流分析模塊用于分析和預(yù)測客流量；全日行車計(jì)劃模塊用于制定全日列車運(yùn)行計(jì)劃，根據(jù)客流量、列車間隔、車輛資源等因素，生成合理的列車運(yùn)行計(jì)劃；列車運(yùn)行圖編制優(yōu)化模塊根據(jù)客流分析和全日行車計(jì)劃的結(jié)果，進(jìn)行列車運(yùn)行圖的編制優(yōu)化。該層的作用是數(shù)據(jù)處理、算法計(jì)算和生成列車運(yùn)行圖。

1.3 前端層

前端層包含運(yùn)行圖的展示和可視化界面，如客流分析結(jié)果、列車運(yùn)行交路及列車運(yùn)行圖等。該層的作用是將后端生成的數(shù)據(jù)和結(jié)果以直觀的方式呈現(xiàn)給用戶，便于用戶查看、分析和調(diào)整運(yùn)行圖。

2 系統(tǒng)功能

基于B/S 架構(gòu)的列車運(yùn)行圖智能編制系統(tǒng)功能主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及編圖參數(shù)確定、運(yùn)行交路信息定義、全日行車計(jì)劃編制、運(yùn)行圖鋪畫、運(yùn)行圖調(diào)整優(yōu)化、沖突檢查及驗(yàn)證、結(jié)果輸出等。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及編圖參數(shù)確定

列車運(yùn)行圖編制的基礎(chǔ)是確定線路基礎(chǔ)信息和編圖參數(shù)?；A(chǔ)信息包括車站信息、區(qū)間信息、停站標(biāo)尺和運(yùn)行標(biāo)尺。車站信息涉及車站的名稱、位置和特征；區(qū)間信息涉及相鄰車站之間的距離和線路特性；停站標(biāo)尺確定列車在每個(gè)車站停留的時(shí)間；運(yùn)行標(biāo)尺確定列車在區(qū)間之間的運(yùn)行時(shí)間。編圖參數(shù)包括正線最小追蹤間隔、出入庫間隔和車站折返信息等。

2.2 運(yùn)行交路信息定義

列車運(yùn)行圖智能編制系統(tǒng)需要定義的運(yùn)行交路信息有交路信息和交路股道信息。交路信息包括途徑車站、載客情況、運(yùn)行方向、編組和定員等，確保運(yùn)行圖準(zhǔn)確反映列車路徑、載客情況和車輛配置；交路股道信息包括起始站點(diǎn)股道和途徑股道，確保列車按預(yù)定股道行駛，保障運(yùn)行順暢和安全，有助于優(yōu)化線路資源分配，為運(yùn)行圖編制提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2.3 全日行車計(jì)劃編制

全日行車計(jì)劃編制是列車運(yùn)行圖智能編制系統(tǒng)中的關(guān)鍵步驟，包括確定列車首/末班車時(shí)間、高峰時(shí)段列車密度等，以滿足乘客出行需求，確保運(yùn)行圖的合理性和可執(zhí)行性。全日行車計(jì)劃編制界面如圖2 所示。

圖2 全日行車計(jì)劃編制示意

（1）根據(jù)線路規(guī)劃和運(yùn)輸需求，選擇合適的運(yùn)行交路，滿足運(yùn)輸組織和乘客需求；

（2）根據(jù)實(shí)際客流量和運(yùn)輸計(jì)劃，確定各運(yùn)行交路的開行比例；

（3）綜合運(yùn)行交路、使用標(biāo)尺、開行計(jì)劃和折返時(shí)間等要素，確定全日行車計(jì)劃；

（4）確定折返時(shí)間，即列車在終點(diǎn)站進(jìn)行折返的時(shí)間，以確保列車按時(shí)返回起始站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行圖的循環(huán)性和連續(xù)性。

通過編制全日行車計(jì)劃，系統(tǒng)能夠合理安排不同交路的開行數(shù)量和比例，規(guī)劃列車運(yùn)行時(shí)間、頻次和交路順序，提高運(yùn)輸效率、滿足乘客出行需求，確保運(yùn)行圖的合理性和穩(wěn)定性。

2.4 運(yùn)行圖鋪畫

運(yùn)行圖鋪畫是指根據(jù)編圖參數(shù)和交路信息，將列車運(yùn)行時(shí)刻表和交路安排繪制在運(yùn)行圖上的過程。通過該功能，可以直觀地展示列車運(yùn)行路徑和時(shí)刻表，為后續(xù)檢查和調(diào)整提供基礎(chǔ)，如圖3 所示。

圖3 列車運(yùn)行圖鋪畫示意

2.5 運(yùn)行圖檢查與調(diào)整

運(yùn)行圖的檢查與調(diào)整是列車運(yùn)行圖智能編制系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，包括對(duì)列車運(yùn)行沖突、列車折返沖突及折返股道占用等情況的檢查，如圖4 所示。

圖4 列車運(yùn)行圖的檢查示意

（1）檢查列車之間是否存在運(yùn)行沖突，即是否滿足區(qū)間或車站上下行列車的追蹤間隔；

（2）檢查列車折返時(shí)間，判斷折返股道的占用時(shí)間是否足夠列車完成折返操作，同時(shí)不影響其他列車的正常運(yùn)行；

（3）檢查折返股道的占用情況，即分析列車折返時(shí)間和折返股道的占用情況，避免折返股道被其他列車占用而引發(fā)沖突。

通過對(duì)運(yùn)行圖檢查，識(shí)別潛在的沖突，通過合理調(diào)整和優(yōu)化，解決列車運(yùn)行沖突、折返沖突及折返股道占用等問題。

2.6 編制結(jié)果輸出與發(fā)布

提供多種運(yùn)行圖輸出與發(fā)布方式，包括：PNG格式列車運(yùn)行圖、PDF 格式列車運(yùn)行圖、列車運(yùn)行時(shí)刻表、列車運(yùn)行圖接口文件及列車運(yùn)行圖技術(shù)指標(biāo)。通過編制結(jié)果輸出與發(fā)布功能，滿足用戶對(duì)于不同格式和內(nèi)容的運(yùn)行圖信息的需求，方便運(yùn)行圖的共享、查看和應(yīng)用。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 可視化展示

既有的列車運(yùn)行圖編制系統(tǒng)可視化展示的功能較弱，給運(yùn)行圖的編制帶來了一些困難。列車運(yùn)行圖智能編制系統(tǒng)通過引入B/S 架構(gòu)和ZRender 框架，優(yōu)化了其可視化展示能力?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的可視化展示能夠提供由列車運(yùn)行時(shí)刻表到列車運(yùn)行圖的直觀轉(zhuǎn)換，輔助編制人員生成運(yùn)行圖，提高了編制效率和準(zhǔn)確性。

利用ZRender 框架來增強(qiáng)對(duì)列車運(yùn)行圖的繪制、展示和交互功能。ZRender 框架是一個(gè)基于HTML5 Canvas 的開源繪圖庫，其強(qiáng)大的二維繪圖引擎提供了輕量級(jí)的Canvas 類庫，使用MVC 封裝和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，提供類Dom 事件模型，只需要定義運(yùn)行圖數(shù)據(jù)即可創(chuàng)建各種圖形元素，例如，可以利用線段、矩形等來表示軌道、車站和列車等元素，以展示列車在不同時(shí)間段的運(yùn)行狀態(tài)和位置。同時(shí)，ZRender 框架也提供了完整的事件封裝和豐富的交互功能，用戶可以對(duì)運(yùn)行圖進(jìn)行縮放、拖拽、選中等操作，以便于查看和編輯運(yùn)行圖。

3.2 數(shù)據(jù)處理和優(yōu)化

B/S 架構(gòu)下的列車運(yùn)行圖智能編制系統(tǒng)，須解決大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和優(yōu)化問題。包括處理前后端龐大的數(shù)據(jù)交換、確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及設(shè)計(jì)高效后臺(tái)算法和優(yōu)化策略。為解決這些問題，采用B/S 架構(gòu)和分布式計(jì)算技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分片處理和并行計(jì)算，同時(shí)，利用優(yōu)化算法和數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)減少存儲(chǔ)量和傳輸量，提高運(yùn)行圖編制與展示的效率和準(zhǔn)確性。

3.3 即時(shí)反饋和提示機(jī)制

基于B/S 架構(gòu)的列車運(yùn)行圖智能編制系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)更新和反饋延遲的問題。為此，引入即時(shí)反饋和提示機(jī)制，利用ZRender 框架與網(wǎng)頁異步傳輸技術(shù)（Ajax，Asynchronous Javascript And XML），通過局部刷新與即時(shí)交互實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步和更新，異步與服務(wù)器通信以縮短數(shù)據(jù)更新和反饋的延遲，提高運(yùn)行圖編制的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，確保運(yùn)行圖能夠及時(shí)地反映實(shí)際數(shù)據(jù)情況。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

基于B/S 架構(gòu)的列車運(yùn)行圖智能編制系統(tǒng)已在深圳地鐵12 號(hào)線、14 號(hào)線、16 號(hào)線、20 號(hào)線等多個(gè)工程項(xiàng)目中安裝使用。其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理與可視化展示、全日行車計(jì)劃編制與調(diào)整優(yōu)化、列車運(yùn)行圖智能編制與調(diào)整、瀏覽與審核等多項(xiàng)功能運(yùn)行平穩(wěn)。此外，該系統(tǒng)還擁有靈活便捷的人機(jī)對(duì)話界面，能夠滿足地鐵各線路信號(hào)系統(tǒng)、復(fù)雜運(yùn)營交路安排、快慢車運(yùn)營、各線路之間的換乘接駁等約束條件，其技術(shù)指標(biāo)滿足多種開行方案匹配、列車銜接優(yōu)化、車底周轉(zhuǎn)均衡、實(shí)時(shí)智能調(diào)整等關(guān)鍵需求。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠滿足編圖人員的運(yùn)行圖策劃、編制與設(shè)計(jì)要求，取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果。

5 結(jié)束語

面向地鐵智慧運(yùn)輸和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求，本文基于B/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)了列車運(yùn)行圖智能編制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及參數(shù)確定、運(yùn)行交路信息定義、全日行車計(jì)劃編制、運(yùn)行圖鋪畫、運(yùn)行圖調(diào)整優(yōu)化等功能；通過引入B/S 架構(gòu)和ZRender 框架，實(shí)現(xiàn)了列車運(yùn)行圖的智能化編制；通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和二維繪圖引擎，提高了運(yùn)行圖編制系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性；同時(shí)，支持列車運(yùn)行圖編制的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作和業(yè)務(wù)審批，滿足不同用戶的需求和應(yīng)用場景，提供更直觀、高效的編制方式，大幅降低了編圖人員人工編圖工作量，提升了列車運(yùn)行圖的編制效率。該系統(tǒng)已在深圳地鐵多條線路實(shí)際應(yīng)用，取得了良好的使用效果，具有推廣和應(yīng)用價(jià)值。

由于本文設(shè)計(jì)的列車運(yùn)行圖智能編制系統(tǒng)僅考慮傳統(tǒng)運(yùn)營模式的軌道交通線路，尚未適配靈活編組運(yùn)營、跨線運(yùn)營等新型運(yùn)營模式，同時(shí)，深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)在列車運(yùn)行圖編制領(lǐng)域備受關(guān)注，已成為研究的熱門方向。因此，后續(xù)將重點(diǎn)研究多運(yùn)營模式的適配，以及基于人工智能的運(yùn)行圖編制技術(shù)。