CIPS按计划自动办理进路的原理

丁 昆 李 玮 娄正良

*北京全路通信信号研究设计院 高级工程师 ,100070 北京

成都北编组站综合自动化系统 (CIPS)最突出的效果是在管控一体的平台支持下,所有列车、调车进路均按计划自动办理执行,不再需要值班员/信号员人工操作或确认。它不仅解决了调车进路的自动择路问题,更有效地解决了调车进路的自动择机问题,使列/调共存的进路全自动控制达到了实用化程度,现深入探讨如下。

1 进路预告

调度计划由中心行调 (列车)和站调 (调车)下达,值班员负责监控执行。为提前了解和掌握计划意图,以及执行计划的步骤,系统将各种计划中与进路办理有关的内容汇总为指令集,动态地显示在值班员的界面上,为此定义如下概念。

1.指令类型。每个指令有进路类型和计划类型双重属性,对应的进路类型有列车进路、调车进路、溜放进路、股道封/解锁、停车器制动/缓解等;对应的计划类型有接/发列车、推峰、溜放、编组、本务机出/入库和调车机单机折返等。

2.经路。与计划的最小单位 (如调车钩)相对应,指一次作业所需要走行进路的总和。经路可以跨场,也可以包含折返。一次作业所走经路的不同选择称为经路方案,改变经路方案不允许改变经路的源或目的,只能修改计划。

3.路径。指令的最小单位,指车场同咽喉区内的一条长进路。一条经路对应多个路径,即对应1组指令集合。指令的计划类型描述经路,指令的进路类型描述路径,同经路下指令集的计划类型相同,进路类型可以不同。一条路径所对应的不同进路选择称为进路变更,改进路变更不允许改变路径的源和目的,但是改经路方案可以改变路径的源和目的,甚至可改变指令集的指令数量。如若路径是长调车进路,一条路径可能对应多个基本进路,每个基本进路入口有调车信号机防护。

4.指令状态。正常情况下一条指令从头至尾会历经如下状态:未触发、已触发、受理、成功、启用和结束;非正常状态会出现故障、强制结束、强制重复。

5.指令参数。包括:计划类型、进路类型、指令状态、源、目的、车次、机车号、预计执行开始时间、预计执行结束时间、变更进路号、作业车辆数、在途长度、在途重量和其他。值班员界面可见参数可从中筛选,并以文字、字体、前景色和背景色的变化生动地表现出来。

值班员所见未触发的指令即计划预告,控制系统不理会未触发的指令。指令结束后从值班员界面的指令表中消失,触发后/结束前的指令状态属正在执行中的指令,是值班员的监控重点。

CIPS系统的指令汇总了不同计划对编组站所有进路的要求,打包后再一起输出交付执行或监督。在此基础上,进路控制子系统按辖区划分筛选各自的指令子集,调车机按机车号筛选指令子集;界面显示则按照值班员岗位职责权限的监控范围筛选指令子集,并汇集在同一个指令表中显示。

2 自动择路

编组站计划首先满足阅读需要,指导运输生产。以调车钩计划为例,主要描述生产中现车的移动调车要求,但完成该工作所需走的进路要求是隐性的,不直接在计划中表述。自动择路的基本原理:首先从有序计划的每个单步 (例如调车钩)之间分析出所对应经路的源和目的,然后分解为以路径为单位的指令集合,指令集中每条路径的源与目的首尾相接,组成经路的踪迹,由此将计划所对应的进路显性化,进而将路径的源/目的转换为联锁系统办理进路的始/终端按钮,就完成了自动择路过程。

列车择路严格要求固定,没有优化空间,而调车择路允许有较大的优化空间,体现在合理选择径路方案和进路变更方面,其中径路方案包括合理选择咽喉区进路,以及合理使用经由股道、牵出线、机待线或折返线等。自动择路的智能决策通常考虑如下因素。

1.避让。经路所经由的股道、牵出线、机待线或折返线上可能有存车或正被其他作业所使用,应比选找出不受影响的方案,主动避让,减少等待时间。

2.最短进路。若多个经路方案均平等可用,应选择走行最短的方案。CIPS系统内储存了站场电子地图,包括进路上每个区段的长度,通过累计可算出不同方案的走行距离,从而可通过数值比较选出最短进路。如果经路上有折返,不同方案的折返点不同,应根据折返点计算走行距离。

3.在途车列长度。经路方案中有在牵出线或折返线上折返时,尽头线有效长度,即折返距离须大于机车编挂在途车辆换长,否则该折返点不能出现在方案中。非尽头线折返应根据在途长度判断是否有必要占用其他车场咽喉折返,占用与否会引起经路指令集的下属路径数量不同。

4.平行作业原则。经路方案/进路变更的选择应考虑为后面的其他作业留出空间,增加平行作业的机会,减少作业间的相互干扰。通过不同路径横向比较认定是否存在平行作业的机会,即查看不同经路下路径的时间与空间是否存在交叉,有则设法分别从各自的径路方案/进路变更中找出相容的可平行作业组合。

5.区段分路不良。进路上遇有事先标注轨道分路不良的区段,应尽量在选路决策时主动选择规避,或避开径路方案中对分路不良区段有转辙要求的道岔,减少人工现场确认列/调车出清轨道分路不良区段的情况。择路决策的主动规避行为并不绝对,当规避不开时,仍需按人工现场确认出清的要求办理进路,此时需值班员操作道岔单锁/单封进行安全防护。

6.电力机车。如果机车属性为电力机车,须通过检查,保证所选方案在整个经路上均有接触网,否则经路方案不成立。

3 自动择机

自动择机功能是通过上层管理系统运算逻辑输出触发指令而实现,被触发的指令才能执行。按计划自动执行并不意味着要按照计划预计的执行时间触发,而是必须满足择机的充分必要逻辑条件,相对于计划预期时间可能提前或推迟。指令触发过晚影响生产效率,触发过早可能危及行车安全,因此触发运算逻辑必须慎密和严谨。CIPS择机运算考虑以下因素。

1.遵守计划。这是自动择机的原则,应完全以计划为依据,不得有触发不当而违背计划的情况发生。如果计划不合理、不优化,应该在计划环节解决问题,先调整计划后调整执行,自动执行过程不允许在实施环节擅自 “优化”,形成不履行计划的事实。

2.工作流程。编组站的主要生产环节是到、解、集、编、发,这些环节必须按照严格工作流程作业,形成生产流水线。如图1所示,以有调到达/出发列车加工过程为例。如果将单一列车从进站到出站所经不同环节的加工顺序定义为纵向链接,而将不同列车在同一加工环节的排队顺序定义为横向链接,两者交织构成编组站的生产链接,那么纵向链接是刚性的,按标准化规范作业;横向链接由计划所明示,应严格按计划要求执行,横、纵向链接将每个生产环节编织在网格上。来自横、纵链接的信息要件包括时间、地点、机车和车流在上下游之间的对接。

图1 编组站工作流程图

指令自动触发的基本原理是在工作流程的上一个环节执行结束,根据链接关系实时触发启动进入下一个生产环节。由于存在横、纵向双重链接,判别进入下一个生产环节的逻辑运算必须要同时满足来自 2个不同方向的充分必要条件,这些条件的状态信息来自于执行控制环节的反馈,例如指令状态为结束。如果上个环节结束但不具备进入下一个环节的条件,则需要等待,直至条件满足才能触发。

3.车流链接。按标准化工艺和计划顺序共同确定的工作流实现自动择机,仍不能解决所有遵守计划的问题,例如图 1编组站工作流程图中解体与集结之间属多对多关系,解体与编组分属 2个不同的计划队列,两者之间没有显性的因果关系。除此之外还有图中未尽表述的解体与取送、取送与编组、取送与取送、无调中转列车的减轴/补轴与发车等均属隐性关系,编组站的取送环节包括物流、货场、站/段修车等地点取送车作业。隐性关系的制约要素是车流链接,即不同生产环节之间可能存在现车交接的因果关系,由此另辟出一条自动择机的重要出路:每执行一个计划对应的经路,不论列车或调车,凡涉及现车移动,触发前均必须通过推理检验该经路执行后形成的编组站实际现车与计划现车绝对一致,如果不一致说明其他生产环节未完成,需等待直至一致后方可触发。

车流链接检查作为自动择机的普遍原理,不仅将计划中隐性关系显性化,从中挖掘出不同生产环节执行中的因果关系,而且即便存在显性关系表征,车流链接检查也作为自动择机的安全保障底线而起到关键作用。

反之,为了满足车流链接检查的需要,每执行完成一个经路,都必须根据进路控制系统的反馈实时自动更新实际现车。若更新不及时可能影响其他环节的触发,进而影响生产进度。

4.路权控制。流程链上下游生产环节为串行。同生产环节不同计划之间为有序串并结合,没有链接关系的不同计划,在不同生产环节为无序并行,构成高效平行作业。但是并行无序仍然会因争抢站场的共用资源发生交集,表现为进路相扰无法平行作业,于是存在谁让谁的问题。从自动择机的角度很容易用优先者先触发的手段调控路权,但优先权的裁决是相对复杂的智能优化过程。

智能裁决的前提条件是系统能够客观地判别进路是否相扰,惟有在此,计划的进度预期将发挥重要作用。系统采取了 2项举措保障计划进度的准确性。

1)根据单一指令对应的走行路径距离,按调程 (调车)或行程 (列车),以及不同的走行速度,计算每个指令的执行起止时间。计算中计入列车/调车所牵引车辆的在途长度,再根据路径执行时间累计计算经路的执行起止时间。

2)动态地根据前指令的实际执行反馈,随时重新调整后指令的进度预期,包括根据实际开始时刻,重新调整走完路径所预计的结束时刻。如果未按期结束,顺延调整后续指令的起止时刻。

基于上述工作,获得每个路径的预计工作进度,可以在路径层面上横向跨指令判别是否同时存在时间与空间的交叉,若交叉则认定为相扰。如果已知相扰,优先原则是急用先行,具体方法很多,例如列车优先、先到先走(按开始时刻优先)、占用期短优先(按结束时刻优先)、优先保障不间断溜放等等。

5.触发顺序。在路径层面上,尽量按联锁系统的长进路办理。若变更进路,则按基本进路分段办理,当然依照信号由远至近的开放原则。但是对于经路层面的下属不同路径,可通过触发顺序和触发时机控制实现。无负荷的单机调车,按照走一段办一段的原则由近至远办理;有在途现车的调车,按照由远至近办理;跨场列车经路一次性由近至远办理等。

6.补漏。自动择路代替人工办理进路,要对联锁系统无法顾及的安全负责。例如联锁系统执行调车进路时,通常不加区别地均不检查股道或无岔区段有车占用,但对于自动择机逻辑,经路的目的地有车占用可不检查,但必须检查中间路径目的地有车占用,等待直至出清后才可触发办路;遇无轨道电路区段,须检查实时现车为空 (无存车)。

4 人工干预

1.计划干预。计划干预是系统推荐的主流模式,因为 CIPS完全按照计划自动执行,如果执行中发现不妥或临时起意,可以随时人工修改计划来干预执行。计划干预的限制是待改计划的最小计划单位所涉及的经路未触发前,或经路目的地变更但其下属已触发,或使用中路径的指令不被改变。当然系统也具有在计划层面上主动修改计划,以自动适应实际执行需要的决策优化功能,。

2.指令干预。分为择路干预和择机干预 2种情况。择路干预包括改变经路方案和/或进路变更,限制是所涉及改变的路径尚未触发。择路干预不可改变计划,即不得改变经路的源或目的等要素。由于自动择机功能的突发性,对系统自动择路的优化要求骤然提高,因为当值班员从站场表示的光带上看见自动所选之路不够满意,已错过了选路干预的时机。未触发的指令不允许择机干预,故系统基本上不提供择机干预的手段。但是对已触发指令可以进行强制结束或强制重复操作,主要用于维修目的,或用于配合进路干预。

3.进路干预。指在自控模式下允许人工从调度集中界面上,或控制系统提供的人机界面上直接采用始终端方式办理进路。由于进路干预旁路了自动执行必须履行计划的保障体系,也旁路了自动择机的安全检查机制,因此需要完全由人工提供保障。在 CIPS自控模式下,一次进路干预可引起系列操作:叫停调车组—人工取消已自动办理之路—人工始终端办理新的进路—强制结束相关的指令,可见不很方便。此外进路干预占用资源会无法预期地干扰自动择机/择路。

综上所述,建议不要轻易使用进路干预。根据几个编组站的实践,以下情况会用到进路干预手段:①没有计划的进路,例如工务轨道车、救援车在站内的调车等情况;②因错过机会已无法通过修改计划来改变执行,客观上需要直接进路干预违背计划执行;③如果认为自动择路不够优化且错过了指令择路干预的有效期而不得不采用进路干预;④指令干预无法改变择机,因此也无法直接干预相扰情况下的路权控制,但是对可预期的优先进路,通过进路干预在始端或终端提前 “戴帽”阻塞,系统识别后自动降低优先级,从而间接改变了相扰情况下的路权控制。

5 调度计划

调度计划是自动执行的依据,如果要实现上述自动择机/择路功能,就要对计划的信息管理提出诸多要求。

从图 1编组站工作流程图可见,行车计划支配接/发列车执行;调车计划支配解体/编组执行;机车交路计划支配本务机出/入库;此外还有列检计划和货检计划等。从分工种解读的角度,这些计划是针对性和离散的,但是从管理信息的角度,如果沿用不同的信息平台分管不同的计划,例如 TDCS管理行车计划、车站系统管理现车与调车计划、编组站调度监督或调度集中系统单独管理控制与反馈信息,甚至继续开发列检/货检平台另行管理技术作业计划,就无法保障择机所必需的工作流程链接和车流链接技术控制生产顺序。多平台情况下采用跨平台信息共享,仍无法满足自动择机/择路对计划严谨性和信息安全性的要求,无法解决计划分管与生产流水线统一自动控制的矛盾。由于流程链接信息包含时间、地点、机车和车流跨计划间的动态对接,只有采用集成的公共信息平台统一管理和权威发布计划驱动执行过程,才能从技术上在动态中保障计划之间始终保持一致,维系紧密的链接关系。

调度计划在满足生产人员阅读和满足过程控制系统自动执行的深度上完全不同,从自动执行的需要出发,必须具有计划与执行的互动,计划管理与控制闭环,计划随着执行反馈动态地调整进度和决策,计划才称之为自动执行的不折不扣的信息源。

为适应自控,尤其是自动择机的需要,对调度计划信息处理的实时性要求骤然提高,沿用传统IT技术和手段难以适应。计划的创建与修改 (无论自动决策还是人工干预),必须根据当前的执行状况受限和制约,否则计划会因无法执行而使生产流水线停摆,在这个意义上,计划的可持续操作性保障机制比计划的决策优化功能更为重要。

6 结论

CIPS以信息集成为核心,集编组站所有生产计划和过程监控于一体,采用调度计划信息管理与进路自动控制一体化的技术,将信息处理范围从传统意义的调度计划管理,扩展为直接驱动流水线上各个下层控制系统执行的大联动机,并系统地采用信息联锁技术,梳理、固化从计划到执行的安全保障体系和机制,实现了按计划自动择机/择路的特有模式,用技术保障代替人为保障安全,用自动化大量替代人的体力劳动和脑力劳动,成功地取消了信号员,缩减了值班员,实现了编组站运营层核心岗位人员的大集中和大幅度减员增效。

[1］ 丁昆.成都北编组站综合集成自动化系统[J].中国铁路,2006(8).

[2］ 北京全路通信信号研究设计院,成都铁路局,铁道第二勘察设计院.编组站综合集成自动化系统 CIPS系统研制报告[R],2008-8.

[3］ 丁昆.铁路编组站 CIPS系统的研究[J].中国铁路,2009(11).

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