自动化智能技术在城轨运营管理及调度领域应用可行性分析

■　李　克

自动化智能技术在城轨运营管理及调度领域应用可行性分析

■李克

“工业4.0”的智能工厂、智能生产、智能物流三大主题概念，都与城市轨道交通运营生产及管理紧密结合。分析城市轨道交通运营管理及调度系统技术发展现状，探讨自动化智能技术在城轨交通运营管理及综合调度系统的应用需求、必要性和可行性。

城轨交通；运营管理；调度；自动化；智能技术；综合监控；可行性分析

1　城轨交通运营管理及调度系统技术发展现状

城市轨道交通运营管理包含生产和管理2个层面，运营生产主要体现在站务、乘务、调度3个层面工作岗位发挥的作用，作为运营一线的生产业务，保障了城市轨道交通的顺利安全运营。运营管理是城市轨道交通企业后台行为，是对生产岗位活动的管控、分析和调整，以有力促进和保障城市轨道交通的运营生产作业。

在城市轨道交通运营管理环节中，有着重中之重特点的生产岗位是调度，其岗位安全重要性、效率高低直接影响着城市轨道交通的运营安全和运输效率，而调度岗位及其配置的系统设备，也将城市轨道交通的全线信息实时收纳、处理，以实现全线列车运行安全准点、客流输送的有效畅通，并能确保应急指挥的事件/事故决断处理中心地位。调度是运营生产环节的活动，其岗位重要程度和运营信息数据的汇聚，使运营管理的大数据分析、处理、共享与调度岗位活动及系统配设密不可分。

城市轨道交通运营是一个长时间、跨地域、多专业的运营管理体系，其岗位业务装备系统的发展经过了站/所人工监控报表管理、中央分立监控机辅信息化管理、中央综合监控信息自动化管理和自动化综合调度及智能化运营管理等发展阶段。

随着城市轨道交通整体运营需求的发展，跨系统集成的综合系统在我国城市轨道交通建设中呼之欲出。21世纪初，供电系统与机电系统率先整合为统一平台的监控系统在我国地铁领域首先应用，实现了以电调、环调为核心的综合监控系统，并与广播系统、闭路电视、火灾自动报警系统、列车自动监控系统、时钟系统、乘客信息显示系统、自动售检票系统、门禁系统进行了接口，实现信息互联，很快成为地铁建设的首选［1］。

近年来，随着城轨运营生产组织适应快速联动、高效应急、突发规避的运输需求的运营功能及装备系统发展的技术研究，以“行调”为核心的综合监控系统逐渐进入城轨领域。该系统是在以电调、环调为核心的综合监控系统基础上，增加了对其他城轨运营系统的功能集成，特别是加入了列车监控系统（ATS），完成了对列车运行的监视。

集成方案是一个“动态”的监控系统，它集成了ATS子系统，确立了以行调为核心的整体概念，以列车带动车站及线路设备的联动，减少了以电调、环调为核心的集成方案的监控盲区，是综合监控系统发展的一个新阶段。以行调为核心的综合监控系统见图1。

作为现存运营生产及管理系统的技术平台，该系统在平台集成度建设及对全面提高运营管理效率和运营数据统计使用方面，尚存在以下不足：（1）对列车运行监控系统的集成，虽然完成了全部信息的交互，但是由于采用互联的方式实现，对整个系统的统一性、联动性有一定的影响。（2）由于对大多数系统的集成采用全面互联的方式，虽然全面实现了城轨日常运营管理的功能，但是由于各个机电系统仍然独立建设各自的管理系统，特别是那些非关键安全系统的重复建设，造成总体工程建设成本及使用维护成本居高不下。（3）与城轨信息管理系统的交互比较少。由于综合监控系统产生大量的设备当前状态信息，这些数据如果用于对设备维护的管理，将大大提高维护管理水平。（4）没有为管理者提供更多的决策信息。综合监控系统产生的大量数据，如能进行必要的数据挖掘，会对运营决策产生重大影响。（5）缺少应急指挥管理功能。地铁的应急指挥是保障地铁运营安全的重要手段，综合监控系统的联动远远不能满足应急指挥管理的需要。

2　应用需求

借鉴国外先进的综合监控系统研究经验，完善上述现存系统的功能缺陷问题，采用合理标准的系统平台设计，规划出城轨领域自动化智能运营管理及综合调度系统应用业务技术需求（见图2）［2］。

其需求核心在于形成城轨运营管理及综合调度的数据中心，将城轨交通运输生产活动中的各项关联信息容纳于统一可共享存储、调用及分析运算的平台系统中。

自动化智能技术在城轨运营管理及综合调度作业应用，实现的是交通运输领域业务的“动态”监控及思考自学习功能，以行车指挥/客流运输为功能核心，通过协调联动、数据同台共享、信息内循环自学习，加强对站、车、线、所、段各系统的监控管理以及与维护系统的协调，是轨道交通运营中的一个切实需求，也是运营自动化智能的必然方向，已成为轨道交通自动化技术发展的必然趋势及必经过程，也是城轨运营管理提高效率、技术升级、实现现代化的必然需要。

图2　城轨运营管理及综合调度系统业务需求

3　必要性分析

3.1亟待解决的运营管理问题

客观上我国需要大力发展城市轨道交通，但是轨道交通系统运营管理中存在的诸多问题却制约着我国城市轨道交通的发展。对于我国人口众多的具体国情，大中型城市的城市轨道交通运营管理都面临着共性问题的挑战。（1）网络运营管理规模大；（2）系统运行关联度高：包括网络结构的关联、运行模式的关联、系统互通的关联、资源共享的关联、应急保障的关联；（3）网络客流换乘路径多；（4）物流管理运作难度大；（5）维护管理的复杂性强：检修体制与维修体制复杂，网络维护设施分散设置、功能多样；（6）突发事件影响范围广。

3.2日趋具体迫切的系统需求

（1）网络化运营信息管理需要集成并实现信息共享；

（2）运营部门实现统一协调管理、以快速精准地应对客户反应，提高乘客服务质量；

（3）运营维护实现专业、高效及自动化；

（4）突发事件应急实现迅捷响应、联动处置的能力。

3.3城轨运营生产环节发展的必然

在城市轨道交通运营中，各专业机电系统之间的关系并不是孤立的，而是通过互相配合、联合互动的方式共同完成运营管理工作，网络化运营管理需要全面支持轨道交通运营中的各种联动方案，实现各专业机电系统的有机结合。

城轨运营生产设备以行车调度、电力调度、设备监控、视频监控、乘客疏导等生产作业紧密相关的机电系统为核心，需从运营调度的实际需求出发，对核心机电系统的功能实现全面支持并加以整合，以适应城轨网络化运营管理的发展需求。全面的运营管理离不开对列车运行、客流动态、设备工况的监控，自动化智能运营管理及综合调度系统在原有综合监控系统基础上，加入对列车运行、客流、车载的监控，实现车载设备与地面的数据交互，进而对车载设备实现监控，达到运营范围的全息全程监视控制。

面向运营和维护，是自动化智能运营管理及综合调度系统稳定运行的基础。大量的控制数据，除了实现监控目的外，还应更广泛地延伸到地铁维护和管理系统中。因此，与维护系统的集成也是自动化智能系统的必然趋势。

紧急事件的应急指挥是地铁运营中的一个核心环节。自动化智能运营管理及综合调度系统所包含的应急指挥管理功能，将提高应急指挥的自动化、智能化能力，减少应急指挥中人为干预因素，从指挥管理和实时多系统联动控制两方面入手，将中央调度、现场人员、城轨公司各级领导、市政各部门统筹为一个整体，从而提高应急指挥效率，减少紧急事件带来的损失。

4　技术可行性分析

随着网络技术、计算机技术、数据分析工具的发展，在城市轨道交通领域实现自动化智能运营管理及综合调度系统已经成为可实施的工程方案，将全监控功能的综合监控系统提升为自动化智能系统，已经具备了实现的技术基础和可行方案。

4.1集成行车指挥系统的可行性

在自动化智能运营管理及综合调度系统中，集成行车指挥系统的方案具有可操作性，同时也是城市轨道交通运营管理的需求，其先进性不言而喻。可行与否的重点分析在于列控系统（信号系统）的安全完整度的损伤影响及有效保护措施。

（1）保护信号系统安全性的实现分析。信号系统由ATS、ATO、ATP设备构成，以行车调度指挥为核心的自动化智能运营管理及综合调度系统只是将信号ATS子系统集成，而信号ATO、ATP系统的设备仍为独立构成的完整系统。该方案没有改变3个子系统原有的结构及接口关系，可以保障整个信号系统的完整性及安全性。根据国际及国内技术标准规范的要求，作为行车指挥系统的信号ATS系统的安全完整度等级定义为2级。自动化智能运营管理及综合调度系统中ATS功能部分应由独立研发团队完成，研发的全部环节（如设计、开发、测试等）均遵循EN 50128标准进行，且要求自动化智能系统的ATS服务部分充分做到软件模块松耦合，支持物理隔离。因此，自动化智能运营管理及综合调度系统集成行车指挥系统并不会降低整个城轨信号系统的安全性。

（2）对行车指挥系统可靠性及可用性的考虑。自动化智能运营管理及综合调度系统由于集成了ATS及车载系统，在设计上应具有更高的可靠性及可用性。通过在自动化智能系统的物理层和应用层对ATS进行相对独立和优先处理来实现，以更好地保证行车管理不受其他系统干扰，最大限度保障行车调度的可靠性及可用性。

4.2多系统集成的技术可行性

由于自动化智能系统整合了众多的城轨运营管理系统，如何保证系统的高稳定性、保证系统之间相对松散的耦合性，即一个子系统的失效不至于导致系统瘫痪，特别是那些深度集成的系统，一旦自动化智能系统失效，将导致系统的操作无法执行。

规模系统集成已经在其他工业控制系统、军事作战指挥系统（C4）中得到广泛应用。其中，广泛采用了成熟的分散自律体系，使得软件模块保持松耦合性，即一个模块的失效不能影响其他模块的正常工作；在软件、硬件上采用高可靠的模块，多重冗余技术相结合，保证系统的高稳定性；采用分布式软件架构，利用分布式系统数据分布采集、数据分布处理、功能集中整合等特性，确保综合化集成系统的实时性、高效性、稳定性、可靠性、一致性。

这些成熟的大规模系统集成技术在国内其他行业及国外城轨综合监控系统建设中，也早已被验证是成熟的、可靠的。

4.3多系统集成功能设计的可行性

城轨自动化控制系统的分立监控系统的建设方式，在国内已有20年的历史。各分立系统的建设已经很成熟，各系统完成的功能都很清晰。国外的综合监控系统建设，基本容纳了各分立系统的功能，也为自动化智能运营管理及综合调度系统的建设提供了必要的建设经验。

在多系统集成的技术保障之下，完成各整合系统的功能建设，不存在任何技术和专业知识的屏障。

4.4成熟的软硬件组件平台

时下拥有一套成熟的基于SOA（Service-Oriented Architecture）组件模型技术的软件组件平台并非难事，通过对城轨运营管理及综合调度生产及管理环节的应用需求概括和提炼，依据技术和功能的通用性，进行层次化、模块化的软件结构设计，对核心要素进行封装，构成系统建设的中间层以降低系统建设的复杂程度，使依托基础平台建设的系统具备满足行业需求、综合集成、松散耦合、“即插即用”的特点［1］。

综上分析，将成熟的自动化智能技术平台运用到城轨运营管理及综合调度系统的建设方案，技术上成熟可行。

5　经济可行性分析

城轨控制系统的建设包括2种模式：一种模式为各机电控制系统单独建设监控系统；另一种模式为通过建设自动化智能运营管理及综合调度系统，实现对各机电控制系统的集成建设。

在单独分立建设模式下，为了实现中央监控，各机电系统建设内容包括：末端设备、接口设备、网络传输设备、中央实时服务器、中央历史服务器、监控终端。每个机电系统自成体系，使用通信专业的骨干网完成末端设备与远端监控的数据交换。

在集成建设模式下，各机电系统仅需搭建末端设备，其他设备均由自动化智能运营管理及综合调度系统完成。通常自动化智能系统会根据系统实际规模需求，对数据处理资源（实时服务器）、数据存储资源（历史服务器）进行整合，有效降低设备成本。单独建设和集成建设模式下运算设备对比情况见表1。

此外，在集成建设模式下，由于系统结构相对简化，且使用统一软件平台，系统软件自身成本及系统安装、调试所需人力及时间成本与单独建设模式相比均大幅下降。

综上所述，采取新技术集成建设方式所需系统总体工程造价约为采取传统单独分立建设方式的80%。

表1　类比系统的建设投入对比分析

6　结束语

自动化、智能化技术在城市轨道交通运营管理及综合调度系统领域的应用是计算机技术、互联网技术、高宽带通信技术发展的必然［4］。2015年，在行业领域范畴，运营管理及调度的综合自动化、智能控制的概念和相关应用系统如雨后春笋，破土而出。当前试验型城轨运营综合自动化系统（TIAS），多由不同专业系统集成公司的技术团队融合研发而成，将运营调度、设备调度的系统平台，由融合开发团队以标准化计算机平台统一开发，实现全面运营生产的系统管理。但作为计算机和互联网技术的领域应用，运营信息数据的挖掘及共享是建设统一平台的实质目的，如何完善运营大数据处理、数据安全传递、数据归类及分析、成果共享，使运营数据服务于管理，创造安全与效率的城轨生产及管理环境，仍是需要不断探索的研究方向。

［1］ 铁道第三勘查设计院集团有限公司.城市轨道交通设备综合监控系统［J］.都市快轨交通，2008（5）：96.

［2］ 陈磊.地铁综合监控系统（ISCS）综述［J］.轨道时代，2010（11）：14-15.

［3］ 王同军.基于BIM的铁路工程管理平台建设与展望［J］.铁路技术创新，2015（3）：8-13.

［4］ 贾利民，秦勇，张媛.数字铁路、智能铁路与铁路智能运输系统［J］.中国铁路，2012（3）：16-20.

李克：深圳地铁集团深圳市市政设计研究院有限公司，高级工程师，广东 深圳，518000

责任编辑卢敏

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