城市轨道交通故障处置辅助决策系统关键技术研究

李晓刚,王 伟,贾庆东

(1.北京轨道交通建设管理有限公司,北京 100068;2.交控科技股份有限公司,北京 100070)

0 引言

轨道交通是城市综合交通客运系统中的重要组成部分,具有安全、高效、运量大、准时和节能等特点。在日常运营过程中,常会遇到一些不可预知的异常事件影响系统的正常运营。其中,设备故障是较为常见的异常事件类型,如列车故障、信号故障、供电系统故障、线路故障等[1]。而这些故障事件轻则造成若干列车延误,重则导致乘客滞留、运营中断等问题。如不及时处理或处理不当,将会造成线路乃至整个网络运营秩序紊乱,甚至危及系统运营安全[2-3]。我国城市轨道交通网络逐步扩大,列车运行间隔逐渐缩短,实际运营条件越来越复杂,故障处置管理的难度也不断增大。因此,必须加强轨道交通运营过程中的故障处置管理,减少故障事件对系统运营的影响。

目前,故障事件处置大多依赖调度员经验,采用人工处置的方式进行故障处置。为提高轨道交通系统运营的安全性和可靠性,运营部门结合丰富的故障处置经验,制定了针对不同故障类型的故障处置预案,使得故障处置能够有序地按照计划和步骤进行[4-5]。但是故障处置预案较为粗放,仅对故障处置的原则、流程和注意事项进行定性化阐述,不能直接应用于实际故障处置。面对故障事件的复杂性以及不确定性,调度员依然面临繁重的工作量,难以作出及时、有效的调整。未来城市轨道交通故障处置需要更加精准、高效、智能化的手段,为实际故障处置和运营调整提供有效支持,提升调度处置的效率和效果。

1 故障处置的过程和内容

故障发生后,调度员需要确定故障位置和影响,采取有效措施组织处理故障,合理调整列车运行,维持系统运营秩序,尽可能减少故障带来的影响。故障处置流程可以分为三个阶段[6]。

①故障发生阶段。调度员可通过列车自动监控系统(automatic train superision,ATS)系统、综合监控系统等发现故障,也可经由现场人员(如司机、站务等)得知故障信息。该阶段是故障处置最困难的阶段。调度员需要分析故障影响并快速进行调度决策,避免故障影响进一步扩散。

②故障持续阶段:在这个阶段故障尚未完全解除,调度员需要在列车、线路等资源受限的条件下进行合理的资源配置,在为故障处理提供条件的同时尽可能维持最大范围的列车运营服务。

③故障恢复阶段:这个阶段故障已恢复,系统运行效率提升。调度员需要尽快恢复计划运行图,恢复正常运营秩序。在整个故障处置过程中,调度员主要工作内容包括针对原生故障的故障诊断和处理,以及相应的运营组织调整。

故障处置各阶段主要调度任务如表1 所示。

表1 故障处置各阶段主要调度任务Tab.1 Main scheduling tasks at each stage of fault handling

1.1 故障诊断和处理

故障诊断和处理主要发生在故障处置发生阶段和故障持续阶段。在发现故障后,调度员需要和现场人员反复确认故障信息和故障处置进展,包括故障发生位置、原因及状态。根据现场收集到的信息,结合调度故障处置预案规定的原则、流程,判断故障影响,并根据故障产生的原因、位置、影响范围、可用资源等进行决策,以采取相应的调度策略。以运营期间发生的列车ATP 故障为例。在故障发生后,调度员会要求司机进行重启:若列车恢复,则继续恢复运行;当司机处理无效时,则需要启动列车救援程序。由于故障类型、严重程度、影响范围不同,故障处置工作的流程也存在着差异。调度策略的制定和生成需要协同各部门的资源。调度员需要通过司机、站务反馈的故障信息及故障处置情况,下达调度命令;必要时,还需通知维修人员前往现场进行处理,并配合他们进行故障处置;此外,应及时将故障信息和处置信息上报相关领导和部门。

1.2 运营组织调整

故障处置过程必然会使得列车运行偏离原有的计划。因此,在故障处置过程中需要相应地调整列车运营计划,维持运营秩序,并为故障处理提供条件。列车运营组织调整发生在故障处置的全过程,其调整目的和方式在不同故障处置阶段不尽相同。在故障发生阶段,故障的影响范围较小,调度员需要扣停相关列车,将列车控制在故障影响范围外,给故障诊断和初步处置预留时间和空间。随着故障事件的持续,系统进入运输能力较弱的状态,即故障持续阶段。调度员可采用加车、抽车、中途折返、降级通过等方式,在兼顾故障处理需求的同时尽可能地保证一定的运输服务水平,以减少故障对乘客出行的影响。当故障对象离开系统或故障恢复时,系统恢复正常运输能力。但是此时列车已偏离原有的运行计划,系统运营秩序紊乱。调度员需要综合考虑调度指标,调整列车运行使其尽快恢复按图行车,以减少列车晚点数量。此外,故障处置可能会引起部分客流的积压,调度员在恢复运行计划时需要考虑积压客流的疏散问题。

2 故障处置全过程关键问题分析

在故障条件下,调度员的主要职责包括信息收集、处置决策、运行调整以及后续信息报送及处理等。故障处置过程时间紧、任务重、影响大。面向故障处置的全过程,结合城市轨道交通的运营特点和故障处置现状,本研究对于城市轨道交通应急处置面临的关键问题进行归纳总结,得出以下结论。

2.1 协同多专业联动难

城市轨道交通涉及线路、车辆、信号、供电、通信等多专业。在故障处置过程中,需要调度员、司机、站务、维修人员等多个专业人员和物资协作联动、积极配合,信息的滞后、遗漏或错误都不便于应急故障的判断和处置[7]。故障诊断阶段,调度员需要和现场人员确定故障信息,及时通知相关维修人员到达现场处理故障。而故障处置过程中,调度员需要将调度决策下发给各专业人员,共同协作执行调度命令,并及时上报和发布相关故障信息。

道岔故障处置流程如图1 所示。道岔故障处置过程中,需要调度、站务、司机、维修等部门之间协同合作。但是现有的故障处置组织架构复杂,各专业部门孤立作业,缺乏有效的信息共享、整体协调机制和技术等支持手段。经过案例复盘分析,故障处置过程中“故障应急信息分布”“现场设备、行车及客服等信息反馈”等环节的大量信息需要人工确认,严重影响故障处置效率[8]。为提高故障处置的时效性,需要突破多专业的壁垒,建立跨专业的故障处置管理架构,实现多方资源系统、信息协同、执行协同,最大程度减少突发事件的影响。

图1 道岔故障处置流程Fig.1 Turnout fault handling process

2.2 故障影响预测难

城市轨道交通故障时间成因和场景复杂多样,演化过程非常复杂。特别是在复杂网络、高密度甚至是多个节点故障的情况下,调度员依靠经验往往难以准确判断故障造成的影响。此外,在故障处置的过程中,调度员需要和设备、人员之间进行大量的信息交互。这些信息的随机性、模糊性和不确定性[9],加大了故障影响预测的难度。

2.3 故障处置方案决策难

故障处置方案制定不及时或不当将降低处置效率,甚至导致运营安全问题。实际运营过程中,故障处置方案的生成主要依靠调度员经验和人工分析处理。然而,故障处置方案制定是一项复杂决策,需要考虑故障类型、故障影响范围、故障处置所需时间、列车运行间隔等众多因素。但是调度员能力参差不齐,部分调度员对设备熟悉程度较低,缺乏必要的故障处置经验,容易出现反应不及时、处置不当等问题。因此,为调度员提供与故障处置相关的特征信息和决策依据以提高调度决策水平,对于避免调度决策不当意义重大。

2.4 行车组织调整复杂

列车运行调整方法主要有扣车、加车、抽车、跳停、调整发车时间、中途折返等[10]。调度员需要综合考虑时空因素、可用资源以及调度命令下达的时间,平衡各种运营指标,在短时间内形成行车运行调整方案。随着列车运行间隔的进一步减小,故障影响传播速度加快,受影响的列车和乘客数量增多。在快速恢复运营秩序的紧张环境下,调度员很难在短时间内形成最优处置策略。因此,列车运行组织调整效率是故障处置的一个关键问题。

3 故障处置辅助决策系统的关键技术分析

大数据、人工智能等新一代技术的发展,为快速、集中处理这些复杂的信息提供了技术支撑,可以为调度员处理多专业联动的复杂工作提供更多手段,辅助调度员完成处置决策,实现故障场景下多数人工处置过程的数字化、自动化、智能化,提高故障处置效率。

故障处置辅助决策系统关键技术如图2 所示。

图2 故障处置辅助决策系统关键技术示意图Fig.2 Key technologies of fault handling auxiliary decision system

3.1 多专业协同技术

故障处置过程中操作繁多,容易造成信息遗漏、响应不及时等问题。多专业协同技术将以调度业务为基础,对规章制度、应急故障处置预案,以及以往的故障处置案例进行深入分析,辅以调度员访谈,形成标准化的调度处置的流程及数据存储规则。采用关联规则挖掘方法,从中梳理出不同类型故障发生时各专业之间的联动关系,构建联动规则关系库。充分利用数字化信息技术、网络通信技术、人工智能技术和自动化手段,为调度员处置故障提供快速、准确的信息联动、执行调度决策的支持,辅助调度员进行故障处置。多专业协同技术可以在减轻调度员工作强度的同时,一定程度地保证轨道交通运输安全并提高运输效率,同时避免故障处置规程中调度员操作失误造成的影响和后果。

3.2 故障处置辅助决策技术

目前,行车调度故障处置仍然以经验和人工分析为主,在实际调度过程中需要调度员进行大量的经验知识关联以确定调度方案,智能化程度相对较低。调度处置辅助决策技术以故障处置预案、调度日志等文本化的经验规则和历史调度数据为基础,充分挖掘这些历史数据的本质特征,明确系统状态与调度决策的反馈机制,运用自然语言处理、深度神经网络、强化学习等多种人工智能算法,采用“规则+数据”的训练学习模式,建立智能化的学习引擎。通过对规则的理解、历史数据的学习,训练模拟调度员的思维决策,为制定调度方案提供决策支撑,从而提高调度决策的可靠性和有效性。故障处置辅助决策技术如图3 所示。

图3 故障处置辅助决策技术示意图Fig.3 Schematic diagram of fault handling auxiliary decision technolgy

3.3 列车运行计划调整模块化处置方法

在运行调整时,调度员需根据线路拓扑条件、在线列车实时运行情况、客流情况等条件生成针对每个列车的具体调整方案。对于车站较多且行车间隔较小的线路,列车上线数量多,故障发生时可能出现因扣车不及时而使列车进入区间迫停的情况。需要中途折返的列车因为调度命令不能及时下发而错过折返时机,会导致反向运行线路无列车服务时间加长。列车运行计划调整模块化处置方法可深入研究每种行车调整手段的应用场景和调整机制,构建针对不同行车调整手段的列车运行计划调整模型和算法,同时加强各专业之间的联动。在故障发生时,调度员可根据故障情况选择相应的行车调整模块,自动调整运行计划并联动相关专业执行,降低调度员在故障处理中的工作量,将更多的精力应用于调度决策。

3.4 运行图动态调整技术

在故障恢复阶段,系统运营效率恢复正常。调度员需要快速恢复当日运行计划,疏散滞留乘客,恢复运营秩序。目前,调度员基于经验,采用人工分析和决策的方法,很难形成最优调整方案。运行图动态调整技术从全局最优化出发,研究时空网络图建模方法,构建面向线路、车辆、能源等多类资源综合调度的运行调整模型,结合多种运行调整手段,从而减少晚点列车数量、尽快疏散乘客。在此基础上,形成列车运行计划动态调整方案,以达到快速恢复运营秩序、减少故障影响的目的。同时,列车运行动态调整技术可与多专业联动结合,辅助行车调度员调度指挥,提高故障处置的效率和效果。

运行图动态调整技术如图4 所示。

图4 运行图动态调整技术示意图Fig.4 Dynamic adjustment technology of running diagram

4 结论

城市轨道交通的故障处置因涉及多个专业、影响因素多、处置流程繁杂,具有相当的复杂性,提高调度处置效率是提高城市轨道交通服务可靠性需要解决的难题。目前,国内外故障处置主要依靠调度员的经验,采用人工处置的方式,调度效率低且难以在第一时间形成最优调度方案。本研究在分析城市轨道交通故障处置全过程作业特点的基础上,重点阐述故障处置辅助决策系统中的关键技术,能够在故障及应急条件下使各专业综合联动,从故障处置、运行调整、方案执行及信息发布等多个环节大幅降低调度员的工作量、提高调度效率,对运营指挥部门故障处置有重要意义。