基于CTC的行车调度作业仿真培训平台

杜哓旭, 何 涛

(兰州交通大学 自动化与电气工程学院, 甘肃 兰州 730070)

随着我国铁路事业的迅速发展,铁路运输已成为客货运输的主要手段。消除车站行车作业违章对铁路全线行车安全具有重要意义[1]。

铁路行车作业是车站遵照铁道行业标准,根据实际情况作出部分调整的模板性作业。作业过程需要车站值班员、调度员、信号员、助理值班员等多工作岗位人员相互配合,也涉及数字调度台、行车设备检查登记簿、分散自律调度集中系统(centralized traffic control system,CTC)以及计算机联锁系统等多系统交互操作的业务网络。

车站对于行车作业训练的难点主要体现在：(1)铁路设备全天候工作,工作人员学习时间少；(2)车站信号系统故障浮现率低,学习处理各种故障机会较少。目前铁路行车作业训练的方式主要是集中授课、车站联合演练和采用行车作业调度仿真培训软件。第一种方式效果较差；第二种组织难度大,需要多车站、多单位、多实际设备联合演练；第三种方案成本低、组织难度小、培训效果好,是目前大多数车站采用的主要解决方案。

近年来,铁路行车作业调度仿真培训系统的开发取得很多成果[2-4]。例如北京交通大学设计的高速铁路行车调度指挥一体化仿真实验平台,上海应用技术大学建设的轨道交通运行与安全实验教学示范中心及行车调度指挥作业全方位的实验,兰州交通大学设计了高铁计算机联锁仿真培训系统。笔者以CTC为核心,结合业务流程控制、语音识别、语音合成等技术,设计了行车作业流程可管理、培训岗位可配置、可对培训过程进行管理与分析的行车作业流程仿真培训平台。

1 平台的结构和功能设计

基于CTC的行车调度作业仿真培训平台摒除了与行车作业无关的软硬件功能,仅涉及行车组织人员的操作,培训场景与实际场景相一致。借鉴大秦线铁路CTC系统功能结构[5],依据现有行车作业流程体系,将功能模块进行了细分。平台的功能结构如图1所示。

图1 平台的功能结构

1.1 中心系统

中心系统包括流程控制中心子系统与数据库两部分。流程控制中心子系统主要包括CTC中心模拟模块、环境初始化模块、作业流程控制算法模块、测试评判模块。主要功能是：

(1) 实现CTC中心调度命令管理、运行图管理、车站信号设备操作功能；

(2) 实现车站人员自由搭建行车模拟场景,包括行车作业流程网络编辑管理、机车编组和速报信息编辑管理、行车计划的编辑管理；

(3) 作业流程控制,监听值班员对其他子系统的操作,判断值班员操作是否正确,参与培训人员通话用语是否标准,模拟行车组织调度员、邻站、助理值班员等与值班员的通话,驱动非正常接发车作业流程的执行；

(4) 记录培训过程的全部操作并分析,给出详细测试报告,将培训人员测试情况存档以备后续查阅以及用于岗位选拔；

(5) 数据库存储非正常接发车作业流程用例、值班员历史测试记录、行车计划信息、机车信息、语音规则库。

1.2 培训人员操作系统

培训人员操作系统包括数字调度台子系统,CTC车务终端仿真子系统,联锁仿真子系统3部分,是培训人员的操作平台。

数字调度台模拟值班员与邻站、调度台、助理值班员、值班站长、司机、列货检、工务电务等单位的语音交互,实现录制值班员语音信息并通过自动语音识别(automatic speech recognition,ASR)技术转化为文字信息。通过文字转语音(text to speech,TTS)技术播放约定好的文本信息,模拟各工种、单位与值班员的语音交互信息。

CTC车务终端仿真子系统分为行车日志模块、列车编组和速报模块、调度命令模块和电子行车检查簿模块,主要功能是：

(1) 对行车序列的增删、触发、发车预告、同意预告、拒绝接车、办理直通、行车报点；

(2) 查询、编制、上报各行车车次、型号、发报站、总重、辆数、长度、车号、到站等速报信息；

(3) 实现对路票、红色许可证、绿色许可证的模拟仿真,实现向调度台申请调度命令,向机车下发、转发调度命令,接收流程控制中心子系统下发的调度命令；

(4) 实现值班员在行车设备故障情况下的故障登记、模拟相关检修单位现场检修、故障销记等功能。

计算机联锁仿真子系统由站场模拟机、联锁判断模块、信号操作接口3部分组成。主要用来模拟现场信号设备运行情况,向流程控制中心提供信号设备的故障设置接口,实现联锁表读取、联锁运算,提供信号设备操作接口。它是值班员的主要操作界面。

1.3 通信数据服务平台

通信数据服务平台采用微服务架构(micro service architecture,MSA),定义统一网络通信接口协议,实现通信数据转发、记录、一包多发,分解数据包、合并数据包、数据编码转换,实现系统时间校准、子系统通信状态报警等功能。

2 关键技术

2.1 微服务架构通信协议设计

为满足现有系统的兼容性、稳定性要求,各铁路车站可能使用不同调度系统和信号系统,以实现相似或相同功能。但是在培训中执行不同车站行车作业流程时,存在不同信号系统或调度系统的兼容性问题。MSA是通过将应用服务API分解为细粒度的离散基础服务,减弱子系统的关联性[6],进而避免由于子系统变更所带来的孤岛效应。

MSA由基础服务源、微服务容器、服务请求者组成。图2是系统采用MSA与常规架构在子系统1发生变更时所带来的系统影响对比。其中各子系统提供基础服务API构成基础服务源,服务请求者组合基础服务源内部分API完成某项功能。当MSA在子系统发生变更时,系统需变更微服务容器内接口组合定义，以兼容更新后的子系统1。常规架构中需要变更与本功能相关的各子系统接口组合定义,即子系统发生变更时,前者架构需要的变更较少,具有更好的子系统兼容性。

微服务架构的实现方案如下：

在仿真系统通信数据服务平台搭建微服务容器,提供进路办理、语音处理、行车日志处理、调度命令处理、故障登/销记、信号设备操作、站场状态获取、速报表处理、故障清单初始化等微服务接口。由各子系统提供目标按钮点击、信号设备选中、表序列选择等细粒度基础服务接口。各子系统通过轻量级socket消息包调用微服务接口以完成某项工作。

2.2 适应性关键字语音识别

在铁路行车作业中,各工种间的信息交互采用标准化用语。但是在车站实际作业中,行车组织人员使用简略化、地方化用语表述时,语音识别模式可能失效。

适应关键字语音识别是对语句中部分关键字识别,并对关键字-发音数据库进行适应性更新的识别方式。图3是某一场景下的适应性识别过程。系统在首次使用时录入车站行车组织人员语音信息,以解决大部分特殊语句、词汇识别问题。随后系统投入使用,操作人员从数字调度台录入语音并识别为关键字序列,流程控制中心对该序列与标准序列对比。系统设定：当正确率高于一定阈值时,可自动将误差项更新至语法规则库,同时人工可干预评判,从而提高识别速度与识别准确性。

3 控制流程

3.1 行车作业流程网络结构

行车调度作业仿真培训平台将非正常接发车作业流程抽象为网络结构的操作指令序列,其中流程网络节点代表了行车作业人员完成的每一步工作,主要包括3部分属性：

(1) 操作触发条件序列(Pin),表示执行该操作所需要完成的操作；

(2) 操作信息包括操作节点编号、操作时刻记录、操作内容、分数详情等信息。其中操作内容信息与通信数据服务平台内微服务接口相对应,分为系统操作与培训人员操作两种,即系统设定某工种作为培训对象时,则作业流程网络中涉及该工种的操作由培训人员操作,其他操作由系统自动驱动触发；

(3) 操作响应事件序列(Pout)表示执行该操作后可执行的操作。

3.2 作业流程控制算法

系统作业流程控制主要是将测试人员操作与预先定义的标准操作进行比对,比对成功则进入后续操作流程。在正常行车条件下,铁路行车作业网络规模较小,不涉及复杂的并行业务结构,采用业务流程静态配置容易实现业务监控；但在进行故障条件下行车作业时,会增加维修、安全防护、信息确认等额外工作，采用静态配置业务网络方式无法满足非正常接发车作业业务灵活性。动态配置业务网络是采用隐藏、阻断或允许可配置业务过程模型中的某些片段,实现动态可配置的业务流程模型[7-8]。系统采用在行车作业主干网络末端,根据节点类型动态生成后续业务流程网络的方式,以实现行车作业流程网络的自动扩展,提高培训自由度。行车作业流程控制过程如图4所示。

图4 行车作业控制流程图

铁路行车作业流程网络节点具有相同的或相似的业务内容和流程控制过程,故平台采用多线程分治算法对并行业务网络进行处理。借鉴CTC3.0接发列车作业流程安全卡控方案[9]以及铁路行车作业自动揭示监控组建方案[10],控制过程如下:

(1) 从数据库录入非正常接发车作业流程图数据,初始化语音库、机车信息和各子系统。通信数据服务平台检测通信通道并校准各子系统时间。节点控制函数线程数目初始化为0。

(2) 置当前操作状态为作业流程图起点,建立节点控制函数,节点控制函数数目加1。

(3) 判断当前操作触发集是否全部满足。是,则走向下一步；否,则继续判断(第一步没有触发集,故认为触发集全部满足)。

(4) 判断当前操作是否是待测试工种操作类型。是,则判定为测试操作类型，执行下一步；否,则判定该步骤为系统操作类型,调用通信服务平台开放API，完成操作,转至步骤(8)。

(5) 阻塞监听计算机联锁仿真子系统、CTC车务仿真子系统、数字调度台以及电子行车设备检查登记簿,直到检测到值班员存在操作,执行下一步。

(6) 判断该操作危险性,若危险性较大则直接中断流程,执行步骤(11)。否则执行下一步。

(7) 判断该操作是否为所需操作。是,则更新成绩执行下一步；否,则警告扣分并执行步骤(5)。

(8) 结束当前节点控制函数线程,线程计数减1。根据节点类型动态生成后续网络节点。

(9) 检测该操作响应集是否为空。如不为空,则为该操作集合内每一操作建立节点控制函数,更新节点控制函数数目,执行步骤(3)；如为空,则执行下一步。

(10) 判断当前节点控制函数线程数目是否为0。当线程计数为0时,行车作业流程执行完毕,执行下一步。

(11) 计算总成绩。作业流程控制中心给出测试报告,结束非正常接发车作业测试。

4 系统应用效果

以哈尔滨南站Ⅵ场为例,采集该站客货运高峰期3小时内行车信息。仿真路网包括哈尔滨南站Ⅵ调车场、上行方向Ⅱ调车场、下行王岗车站；行车作业流程业务网络主要包括该站技术规范与故障行车实施细则所定义标准行车作业流程。

实验平台采用VS2012+SQL Server 2008开发,各子系统运行效果如图5所示。图5(c)是基于该站纸质版行车设备检查登记簿的模拟仿真软件以及对该站电话为主、手持设备为辅的通话设备群的仿真模拟软件,涵盖该站涉及行车作业的相关单位与工种。

图5 子系统实现效果

行车调度作业仿真培训平台已在哈尔滨铁路局、西安铁路局、成都铁路局等铁路局的多个执教中心投入使用。主要用于车站行车作业联合演练以及调度员、值班员、助理值班员、信号员等岗位培训,在部分车站用于辅助选拔行车作业岗位人员。

5 结语

基于CTC的行车调度作业仿真培训平台呈现了车站行车作业全过程所需的模拟环境,实现了对行车调度运输人员的全方位、全过程培训,减少了行车作业违章现象的发生,对保障行车安全、提高铁路运输效率具有重要意义。