摘  要： 闡述了城市軌道交通中列車運行圖編制與驗證評估系統(tǒng)研究的必要性。詳細介紹了城市軌道交通中列車運行圖編制與驗證評估系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能實現(xiàn)方式和系統(tǒng)功能演示結(jié)果情況。研究了運行圖編制中運營成本、客流數(shù)據(jù)、車輛數(shù)據(jù)和站場數(shù)據(jù)之間的相互制約關(guān)系，并采用不同的優(yōu)化算法，得出較優(yōu)化的運行圖。

　　關(guān)鍵詞： 運行圖；ATS；ATO；ATP；聯(lián)鎖

0 引言

　　據(jù)統(tǒng)計，截止2014年底我國開通的地鐵（含輕軌）接近100條。從客運量來看，北京地鐵單日峰值超過  1 000萬人次。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國城市現(xiàn)代化進程進一步加快，城市規(guī)模不斷擴大，城市人口和外來人員不斷增加，由此造成的交通擁擠堵塞和環(huán)境污染等問題已經(jīng)成為妨礙城市經(jīng)濟發(fā)展、影響社會經(jīng)濟活動正常秩序以及居民日常出行的重要問題。因此只有采用大運量的交通運輸方式，才能從根本上解決城市公共交通問題。城市軌道交通具有運量大、速度快、安全、準時、舒適等優(yōu)點，并能帶動城市土地資源綜合開發(fā)利用，對城市長遠發(fā)展具有重要意義。因此，近年來中國各城市對地鐵的渴望也越來越強烈。然而地鐵建設(shè)周期長、投資大，給地方財政造成很大的負擔，為減輕財政壓力，國家提倡公私合營模式PPP（Public-Private-Partnership），鼓勵民營資本參與地鐵項目建設(shè)，促進軌道交通行業(yè)和諧、健康、持續(xù)發(fā)展。

　　線路開通運營后能否產(chǎn)生一定的收益，是吸引民營資本投資的主要因素。整個軌道交通建設(shè)中，初期要考慮軌道交通系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模、設(shè)計方案、車輛選型等成本因素；建設(shè)后期為降低運營維護成本，需快速編制高效的列車運行圖，提高運營效率，保障軌道交通系統(tǒng)高效安全運營。從而產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益和社會效益，進而吸引社會資本積極參與軌道交通建設(shè)，推動軌道交通繁榮發(fā)展。

1 研究目的和意義

　　本系統(tǒng)在城市軌道交通建設(shè)前期，可以依據(jù)線路規(guī)模、運營密度、客流、線路、車輛等要素變化，以及信號的隨機故障、臨時限速等隨機事件，進行系統(tǒng)的運營模擬仿真和指標計算，能夠提前得出系統(tǒng)重要的時間參數(shù)和技術(shù)經(jīng)濟運營指標，為軌道交通建設(shè)和運營提供指導性意見。在線路建設(shè)的初期，以實際線路的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為輸入，通過仿真系統(tǒng)模擬列車實際運行，對生成的運行圖和信號系統(tǒng)的性能進行驗證和評估，可提前發(fā)現(xiàn)信號系統(tǒng)的設(shè)計不足，以便及時改進，減少上線后問題的發(fā)生，提高系統(tǒng)的可用性；同時能提高實際線路上列車動調(diào)的效率，縮短系統(tǒng)調(diào)試周期，降低系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的成本。

　　在線路開通運營后，根據(jù)不同的運營需求，為用戶快速編制運行圖，并根據(jù)實際線路數(shù)據(jù)進行運行圖的仿真驗證評估，以編制出高效、穩(wěn)定、安全的運行圖，從而降低運營人員的工作強度，提高運營維護效率，降低運營維護費用。

2 國內(nèi)外發(fā)展狀況

　　國外對該類系統(tǒng)的研究起步較早，主要以西門子公司研制的“Falko”為代表。Falko是德語“Fahrplan-Validierung and Konstruktioni”的縮略語，相應(yīng)的英文譯文是“Timetable Validation and Timetable Construction”[1]。它主要用于鐵路系統(tǒng)運行圖的創(chuàng)建和仿真驗證。它使用高度自動化的創(chuàng)建功能，可以優(yōu)化車輛調(diào)度，在（部分的）進路區(qū)段的精度上創(chuàng)建可運行的運行圖，應(yīng)用基于事件的仿真器，可以逼真地模擬被創(chuàng)建的運行圖在鐵路系統(tǒng)上的運行結(jié)果。此外，阿爾斯通、通用電氣、阿爾卡特等信號系統(tǒng)提供商也有各自配套的時刻表系統(tǒng)。北美的TPC系統(tǒng)、RailSim系統(tǒng)，歐洲的TrainStar系統(tǒng)以及日本的 UTRAS系統(tǒng)在列車運行仿真與評估領(lǐng)域也有一定的經(jīng)驗和影響力。

　　國內(nèi)對該方向的研究落后于國外，主要代表為同濟大學研制的TPM編圖軟件，實現(xiàn)了運行圖的計算機編制與調(diào)整，使運營部門擺脫了Excel等第三方工具，提高了生產(chǎn)效率[2]。在牽引計算、列車運行仿真、運輸計劃優(yōu)化等方向，國內(nèi)學者做出了一定貢獻?？傮w而言，國內(nèi)研究成果覆蓋面較廣，但缺乏深度，也缺少有影響力的產(chǎn)品[3]。

　　目前該領(lǐng)域的國內(nèi)市場主要被國外公司占據(jù)。但國外公司產(chǎn)品往往與自身信號系統(tǒng)綁定，不提供兼容國內(nèi)信號系統(tǒng)的接口，人機交互方式不適應(yīng)國內(nèi)用戶習慣，而且價格過高、軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固化、后期維護成本高、變通性與靈活性不足，很難滿足國內(nèi)用戶的要求。因此研發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的運行圖編制與驗證評估系統(tǒng)，打破國外產(chǎn)品的壟斷地位，是一項緊迫而又富有挑戰(zhàn)的任務(wù)。

3 系統(tǒng)方案

　　3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　如圖1所示，列車運行圖編制與驗證評估系統(tǒng)主要由運力計劃方案、運行圖人工離線編輯、線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、運行圖自動優(yōu)化創(chuàng)建、系統(tǒng)仿真驗證評估以及運行圖保存和輸出等功能模塊組成。根據(jù)以上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分不同模塊實現(xiàn)了運行圖編制管理的圖形化、可視化、智能化、交互式和網(wǎng)絡(luò)化，以及結(jié)果輸出的多樣化。

　　線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理是運行圖編制和驗證的基礎(chǔ)，該模塊完成線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理。線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要由線路站場數(shù)據(jù)、車輛數(shù)據(jù)、線路數(shù)據(jù)字典和客流預測數(shù)據(jù)組成。線路站場數(shù)據(jù)包括站場圖分布、信號設(shè)備布局、車輛段分布、進路數(shù)據(jù)等。車輛數(shù)據(jù)包括列車類型、數(shù)量、長度、重量、編組、列車最大速度、加速度和牽引性能等。線路數(shù)據(jù)字典包括接發(fā)車股道、折返軌道、區(qū)間運行時間、站停時間、折返交路、折返時間、列車追蹤間隔和出入庫時間等?？土黝A測數(shù)據(jù)是城市軌道交通設(shè)計的基礎(chǔ)，其預測結(jié)果直接影響運營后的經(jīng)濟效益和社會效益，主要體現(xiàn)在時間和空間分布，預測結(jié)果包括：各期站間表；全日、高峰小時客流表、客流圖；全日客流量的時段分布?？土黝A測不確定因素太多，需要長期的調(diào)查和模型優(yōu)化[4]。

　　運力計劃方案是對不同運力需求計劃的描述。根據(jù)不同時段的運營需求，每年可按照平日、節(jié)假日、不同季節(jié)、每天不同時段、臨時事件等不同交通狀況制定相應(yīng)的運行計劃方案。運力計劃方案包括創(chuàng)建方案和載入方案。創(chuàng)建方案指依據(jù)線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)計運力計劃方案。載入方案指對已存在的方案進行讀取和打開。

　　運行圖人工離線編輯是系統(tǒng)提供的對已生成的運行圖的人工編輯功能，分為添加列車、刪除列車、復制列車和修改列車等操作。添加列車功能指人工創(chuàng)建單個或多個列車計劃，可設(shè)置停站時間、接發(fā)股道、到達時分、出發(fā)時分、列車折返等信息；刪除列車功能指人工刪除某單個或多個列車的運行計劃；修改列車功能指修改列車的接發(fā)車股道和停站時間等信息；復制列車功能指對列車運行計劃的重復添加。

　　運行圖自動優(yōu)化創(chuàng)建是本系統(tǒng)的核心功能之一，分為時刻表擴展、車輛計劃優(yōu)化、運行計劃和進路設(shè)置四步完成。時刻表擴展是生成運行計劃的第一步，根據(jù)運力計劃方案生成單個的運行線計劃。車輛計劃優(yōu)化是生成運行計劃的第二步，以使用最少的車輛為優(yōu)化目標，為每個運行計劃分配一輛列車。運行計劃是生成運行計劃的第三步，將車輛計劃精確到站臺股道，該功能考慮折返策略、出入段策略等運行條件。進路設(shè)置是生成運行計劃優(yōu)化的最后一步，生成運行計劃和進路的對應(yīng)關(guān)系，同時考慮敵對進路計劃沖突因素。

　　系統(tǒng)仿真驗證評估模塊用來模擬線路信號系統(tǒng)實際運行情況，以驗證運行計劃的合理性和可用性，以及信號系統(tǒng)的性能。包括車載ATO/ATP系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)、仿真模擬器和牽引計算模型。車載ATO/ATP系統(tǒng)用來實現(xiàn)模擬列車運行模式；聯(lián)鎖系統(tǒng)用來實現(xiàn)進路、道岔和信號按一定條件和制約關(guān)系的控制功能；仿真模擬器用來模擬信號設(shè)備的狀態(tài)和故障情況；牽引計算模型用來模擬列車重量、列車加速度和線路坡度等列車運行參數(shù)。

　　運行圖保存和輸出功能主要實現(xiàn)上傳數(shù)據(jù)庫和輸出多種形式的運行圖數(shù)據(jù)，以適應(yīng)不同廠家列車自動監(jiān)控ATS系統(tǒng)的需求。包括運行圖保存數(shù)據(jù)庫和運行圖數(shù)據(jù)輸出。運行圖保存數(shù)據(jù)庫是將生成的運行圖數(shù)據(jù)上傳到遠端數(shù)據(jù)庫；運行圖數(shù)據(jù)輸出指本地生成多種形式的運行圖數(shù)據(jù)。目前，以北京地鐵為例，該系統(tǒng)主要輸出車底時刻表、車站時刻表和車次時刻表。車底時刻表指同一車底關(guān)聯(lián)的所有車次，按車次順序輸出各車次經(jīng)過各站的時間情況；車站時刻表指以車站為單位，按車次先后順序經(jīng)過同一車站的時間情況；車次時刻表指按車次順序輸出各車次經(jīng)過各站的時間情況。

　　3.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

　　本系統(tǒng)主要實現(xiàn)運行圖自動化創(chuàng)建、運行圖人工離線編輯和系統(tǒng)仿真驗證評估功能。具體實現(xiàn)如下。

　　3.2.1 運行圖自動化創(chuàng)建

　　運行圖自動化創(chuàng)建流程如圖2。系統(tǒng)啟動時，根據(jù)用戶選擇，加載相應(yīng)線路的站場圖分布、車輛牽引計算數(shù)據(jù)、客流數(shù)據(jù)、區(qū)間運行時間、追蹤間隔、折返時間和出入庫時間等線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并校驗數(shù)據(jù)的合法性。然后，提示用戶選擇已有的方案或創(chuàng)建新方案，若用戶選擇已有的方案，依次進行執(zhí)行時刻表擴展、車輛計劃、運行計劃和進路設(shè)置，即可生成運行圖；若用戶選擇創(chuàng)建方案，則要求用戶依次進行線路設(shè)計、車次設(shè)計、車輛段設(shè)計、周轉(zhuǎn)設(shè)計等，然后才能開始運行圖的生成。

　　線路設(shè)計是對單條運行線起始車站路徑的設(shè)計；車次設(shè)計是以開始時間、結(jié)束時間和追蹤間隔為參數(shù)對一段時間內(nèi)運行計劃的描述；車輛段設(shè)計是指對車輛段容量、列車停留車輛段時間等情況約束的描述；周轉(zhuǎn)設(shè)計是指依據(jù)不同的車次（如車速不同），建立車輛和車次的對應(yīng)關(guān)系。

　　考慮運營成本，在自動創(chuàng)建運行圖時，要求單車滿載率盡可能高；減少旅客等待時間和換乘次數(shù)，即發(fā)車頻率盡可能高且盡量開行長交路；根據(jù)不同的線路，車輛段的數(shù)目、分布和車輛段配置的車輛類型和數(shù)量不同，車輛計劃的優(yōu)化目標為車輛使用數(shù)最小化。綜合考慮各種約束，分別建立客流、時間模型和車輛模型等制約條件，考慮采用分步優(yōu)化和多種優(yōu)化算法結(jié)合的策略，自動優(yōu)化運力配置，創(chuàng)建較優(yōu)的運行圖計劃，供調(diào)度員使用，取得了較好的效果，從而節(jié)省了運行人員的計劃編制時間，提高了運營效率。

　　3.2.2 運行圖人工離線編輯

　　系統(tǒng)通過創(chuàng)建“人工編輯”菜單，實現(xiàn)運行圖離線編輯的人機交互功能。系統(tǒng)啟動后，載入線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時將該線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對應(yīng)的已經(jīng)生成的時刻表數(shù)據(jù)導入到系統(tǒng)中，系統(tǒng)能自動打開已保存的運行圖。根據(jù)系統(tǒng)提供的操作選項，用戶可以對相應(yīng)的列車計劃進行增加、刪除、修改、復制等操作，并對修改完的運行圖進行折返時間、區(qū)間運行時間、站停時間及列車追蹤間隔、列車到發(fā)時序沖突、站臺股道占用沖突、折返軌運用沖突等約束條件的沖突檢測，檢測成功后才能上傳到數(shù)據(jù)庫。

　　3.2.3 系統(tǒng)仿真驗證評估

　　為了對整個信號系統(tǒng)的性能進行驗證評估，系統(tǒng)根據(jù)實際線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)搭建聯(lián)鎖模型、車載ATO/ATP模型、仿真模擬器模型和車輛牽引計算模型等用來模擬列車實際運行。利用菜單操作的方式模擬信號設(shè)備故障，如在區(qū)段限速和股道封鎖等故障行車情況下進行模擬跑車，對系統(tǒng)已編制的運行圖的可用性和信號系統(tǒng)設(shè)計的合理性進行驗證評估，從而能為運營人員提供決策依據(jù)，為及早發(fā)現(xiàn)信號系統(tǒng)設(shè)計不足，并及時修改提供基礎(chǔ)。最后，將數(shù)據(jù)庫中經(jīng)過驗證的運行圖導入到ATS系統(tǒng)中，便能供調(diào)度員行車指揮使用。

4 系統(tǒng)功能演示

　　以北京地鐵8號線為例，對該系統(tǒng)運行圖自動優(yōu)化創(chuàng)建功能和仿真驗證功能進行演示。首先，系統(tǒng)啟動后，選擇載入線路結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，然后新建方案，依次如圖2中的操作，生成的運行圖如圖3所示。并進行仿真驗證評估，模擬信號系統(tǒng)運行，仿真驗證過程如圖4所示。

5 結(jié)論

　　列車運行圖編制優(yōu)化屬NP難解問題，存在“組合爆炸”，是當前運輸發(fā)展的重大技術(shù)難題[5]。本文以單條線路為基礎(chǔ)，對運行圖自動優(yōu)化編制和系統(tǒng)驗證功能，嘗試多種優(yōu)化算法解決，取得了較好的效果。然而，隨著城市交通網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，對路網(wǎng)能力評估方法、路網(wǎng)運行計劃協(xié)調(diào)性評估方法、路網(wǎng)運營安全評估方法、多車輛段多車型的車輛調(diào)度優(yōu)化策略、折返作業(yè)計劃優(yōu)化方法、快慢車混跑下的運行線規(guī)劃優(yōu)化方法以及客流預測方法和多種信號制式下的進路級運行計劃編制方法還有待進一步研究。

參考文獻

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