高铁调度车务一体化仿真实训平台设计应用

刘 俊，丁治敏，乌 峥，张 涛，张洪杰

（1．中国国家铁路集团有限公司，北京 100848;

2．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；

3．中国铁路北京局集团有限公司，北京 100860；

4．中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081）

1 概述

随着国内铁路事业的发展，列车运行密度越来越大，运行速度也越来越快，行车安全压力逐渐增加。在现场设备故障或者其他突发情况下，存在由于行车调度指挥人员经验匮乏而导致的列车大量滞留、晚点，甚至危及行车安全的情况。行车调度指挥人员的理论学习、技能训练以及考核成为运输安全管理的重要内容。近年来随着中国国家铁路集团有限公司、各铁路局对调度、运输培训工作的重视，部分调度所、车务站（段）陆续装备了调度、车务等实作演练系统。然而总体上全路范围内调度、车务实作演练系统仍存在着如下问题。

1）既有实训系统与生产系统脱节

目前很多实训系统以模仿现场调度台、车务终端等界面为主，没有构建与现场一致的底层逻辑，造成实训系统与生产系统脱节，不能复现生产系统中的各种场景，使得实训系统投资与回报不成比例。分析2021年7月19日拉日线CTC操作错误事故的一个重要原因就是调度所CTC实训平台和生产系统脱节，无法实现和现场无差别演练。

2）实训及考评方式单一

在全路范围内，调度、车务实训系统配备还不到位，很多地方缺乏实训手段，还停留在“纸上谈兵”的阶段，对关键人员的培训重知识灌输，轻技能培养。另外在培训过程中，缺乏有效的验证方法和手段，忽视培训效果的反馈。

3）调度和车务人员实训与演练割裂

调度和车务人员作为运输指挥作业的主要参与者，两者之间的沟通配合十分重要，而现阶段两者之间的实训和演练割裂，无法构建和现场调度指挥完全一致的演练场景。

4）教学考核标准不统一，教学数据不能共享

在全路已安装的调度、车务实训系统中，由于生产厂家不同，还不能达到统一的教学考核标准，仅仅作为教学的辅助手段。教学数据展现及存储方式各有不同，无法数据共享，不能作为建立全路统一教学数据库的输入素材。

5）实训系统在职工职业技能评估中无法提供客观评价

上述不足之处造成了实训系统只能用作日常演练的辅助系统，不能作为职工职业技能评估和考核的主要手段，实训系统的投资与回报比例不理想。因此，以现场CTC系统为基础，研究开发一套满足调度、运输人员实际工作需求、符合实际工作场景具备智能化考核评分的调度车务一体化仿真实训平台非常有意义。

2 整体设计

调度车务一体化仿真实训平台站在全路调度、车务仿真实训的角度，以满足调度、车务演练场景为手段，以建立全路考评演练大数据平台、实现职工职业技能评估为目的。设计思路如公式所示：仿真实训平台=CTC生产系统+信号基础设备仿真+ 考评系统。

调度车务仿真实训平台以现场CTC生产系统为基础，以信号基础设备仿真（CTCS系统、联锁系统）为后台支撑，以考评演练为核心。实训系统源于生产系统并且专注于职工技能评估，源于生产系统可实现真实场景一比一复现，专注于职工技能评估可实现对学员能力的客观评价，实现智能化、自动化及多场景演练，构建全局演练数据大平台。

仿真系统整体结构从上到下分别为场景应用层、表示层、业务层、数据支撑层及基础设备层。各个层的功能和设计如图1所示。

图1 系统总体架构Fig.1 Overall system architecture

2.1 应用场景

应用场景需求来源于职教管理需要以及调度指挥业务需要。业务应用场景包括调度实训室内多调度台单独和联动演练；车站实训室内单个车站演练；车务段远程管理下的多车站联合演练；调度、车务一体化联合演练。应用场景在业务层基础上具备如下特点：

1）形式真：调度台和车站实训系统布局、学员日常演练及应急处置考核操作方式、流程与生产系统一致；

2）内容真：核心数据如运行图软件、调度命令模板、助调台软件、车务系统等与生产系统一致；

3）场景切换便捷：各种演练场景之间动态切换快，可快速切换单个车站演练、车务段统一组织下多站联合演练以及调度、车务一体化联合演练。

2.2 表示层

表示层是仿真实训系统的用户操作界面。实现教师发布命令，学员执行学习、考核、演练功能。具体包括CTC界面、联锁界面、教师机、学员机、3D仿真界面、FAS调度通信系统、电子登记簿等。界面的部署和展示会根据业务应用层的不同场景而切换。

2.3 业务层

业务层是实训平台的核心。业务层实现了调度、车务实训中多场景切换、智能化考评、演练大数据生成功能。业务层由仿真支撑层、平台服务层、业务驱动层构成，如图1所示。仿真支撑层按照铁路行车相关生产系统逻辑搭建实现与现场无异的演练环境。平台服务层实现多业务场景切换。业务驱动层采用数据驱动技术，实现设备数据，列车数据、状态交互数据的重组和运算。业务层以真实数据与仿真数据相结合，驱动仿真设备的正常运行和考核场景再现。

2.3.1 仿真支撑层

仿真支撑层按照信号系统的整体逻辑构造进行设计。仿真支撑设备包括4个部分，分为CTC和CTCS中心设备仿真、车站设备仿真、车载设备仿真以及对应的网络仿真。仿真支撑层采用现场CTC软件，以软件建模和实际现场数据注入的手段，将无线闭塞中心、临时限速服务器、计算机联锁系统、列控中心、区间闭塞系统、车载系统、无线车次号校核系统、无线调度命令传输系统进行重构，并仿真搭建模拟调度集中网、GSM-R网、信号安全数据网和基础信号仿真网，从而将CTC系统、CTCS系统、联锁系统以及其他信号设备有机地结合起来，做到逻辑真实、接口标准、系统完备，满足信号系统和调度系统融合的需求。仿真支撑层逻辑架构如图2所示。

图2 仿真支撑层的逻辑架构Fig.2 Logic structure of simulation supporting layer

2.3.2 平台服务层

仿真支撑层从设备仿真的角度提供了调度、车务演练的实训设备，而平台服务层实现了调度、车务多种模式演练。不同场景下各实训系统既可单独运行互不干扰，又可统一运行，将调度、车务两个工种联合起来，实现和现场无异的演练场景。

平台服务层以适配器和消息处理中心为核心，设置联锁适配器、列控适配器、CTC适配器、ATP适配器、TSRS适配器、RBC适配等，每种适配器连接同一种设备，数量动态增减，设备之间通过消息分发机制通信，每对需要通信的设备之间建立一个网络连接。消息处理中心为设备屏蔽了底层网络细节，使得设备发送方只需提供接收方身份就能实现消息的收发。正是有了适配器和消息处理中心，才能适配下文提到的各种演练场景。

1）调度所一级联动

在调度所内实现多调度台单独及联合演练。演练模式如图3所示，其中主、助调度员作为演练的主体，其他岗位自动配合。图3中实体车站1、车站2、车站N表示分布在车站（段）演练室的车务演练环境，车站1´、车站2´、车站N´表示在调度演练环境中的车站支撑系统。 此场景下，车站1、车站2、车站N以车站1´,车站2´，车站N´互斥启动。黄色设备为最小启动方案。多调度台的业务驱动和仿真支撑层通过平台服务层连接，具备列车在不同的线路上跨线运行，邻台之间调度命令、阶段计划交互、列车移交等功能。演练功能包含调度员日常操作培训、行车指挥实训、实操练习、应急演练、故障模拟处置、技能竞赛、操作考评等。

图3 调度所一级联动演练场景描述Fig.3 Description of first-level associated practice scene in dispatching office

2）调度、车务二级联动

中心调度员和车站值班员实现联网演练，模拟和实际现场完全一致的调度指挥过程。其中主、助调度员、车站值班员作为演练的主体。在此种模式下，调度仿真实训系统和车务仿真实训系统既可互相独立，又可联合演练。车站1、车站2、车站N以及车站1´、车站2´、车站N´需同时存在，由适配器和消息处理中心进行仲裁，负责消息转发或是丢弃。当两个工种联合演练时，车站1、车站2、车站N的消息作为CTC调度台信息的来源，此时车站1´、车站2´、车站N´的信息被屏蔽。当两个工种独立演练时，车站1、车站2、车站N同时存在，分别作为调度业务以及车务业务的仿真支撑，如图4所示。

图4 调度所二级联动演练场景描述Fig.4 Description of second-level joint-practice scene in dispatching office

3）车务站段一体化仿真

a.相同场景联合演练

车站1、车站2、车站N使用同一个场景，站场图完全一致，由段中心的教师机统一管理，多个学员单独演练，可以形成横向对比。这种模式一般用于车务段定期举行的技能比武中。段中心教师机可以下达阶段计划和调度命令。

b.多个车站联合演练

车站1、车站2、车站N是有逻辑关系的3个车站，演练在同一个路网下，列车运行可以跨越不同车站全局运行，一个故障的处理需要多个车站的协同配合，比如区间设备故障、改方、救援等场景，逻辑结构如图5所示。

图5 车务站段一体化仿真场景描述Fig.5 Description of integrated simulation scene in train operation depot

2.4 业务驱动层

业务驱动层通过信号基础设备以及列车运行的仿真设备，驱动CTC系统、列控系统和联锁系统的正常运行，构建一个自助的演练环境。与此同时通过对于故障场景构建技术、智能岗位配合技术和自动考评技术的研究，实现针对不同应急场景下的智能考评，具体包含如下模块。

1）信号基础设备仿真

信号基础仿真设备模拟实际的线路数据，在虚拟环境中建设与实际位置一致的车站、桥梁，并绘制与真实站场站型一致的线路拓扑，模拟调度区段内列车的动态运行情况，自动按顺序产生列车占用、出清以及信号关闭状态，模拟站内码位变化信息、区间码位变化信息，从而为列车运行以及调度、车务仿真的搭建奠定基础。

2）列车运行仿真

模拟列车牵引制动模型进行开发，接受来自信号基础模拟环境中的轨道电路和信号机数据，实时生成目标距离速度连续控制曲线，采用常用制动和紧急制动监控列车速度，防止列车超速。当模拟列车运行遇到信号关闭、轨道电路红光带等情形时，列车自动在关闭的信号机或占用的轨道电路前停车。

3）场景自动构建技术

依据近年来对应急演练考核的统计分析、对各场景涵盖的相应规章制度的梳理，对考核场景进行数据编制和处理流程计算。

调度集中应急场景由操作步骤、故障类型、故障持续时长、影响范围等因素共同决定，如表1、2所示。场景设置和应急场景处置通过数据注入，设置自然灾害及设备和列车的故障状态，模拟对列车运行和调度控制过程的影响。综合类事故的处理，可将处理流程抽象为基于故障类型、故障时长（时间因素）、影响范围（空间因素）的函数（见公式（1））。

表1 故障类型简表Tab.1 Table of failure types

表2 故障处置方法简表Tab.2 Table of failure types and solutions

公式（1）中：o为应急处置操作流程，∂为故障类型，β为故障时常，γ为影响范围。

∂故障类型分为设备故障、列车故障和灾害。设备故障包括信号机断丝、道岔失表、区段红光带、区段分路不良、股道停电、供电臂故障、接触网挂异物等；列车故障包括列车车载设备故障、列车突发事故等；灾害包括雨雪、大风等。故障都由数据注入生成，可以实时注入，也可延时注入。

β故障时长为故障存在时长，故障时长的数据注入由考核人员人为设定。如设备故障修复后消失，设备故障暂不能修复，故障持续、风雨雪灾害持续发生等。

γ影响范围为故障发生所影响的区域范围。信号机故障，具体范围指信号机接近区段列车，信号机所在进路；风雨雪灾害，受灾范围内区段、相邻车站接发车等。

4）智能岗位机器人

为了实现自动化考评，智能岗位机器人的配合至关重要。故障场景以及相关岗位的汇报信息是行车指挥人员做决策时的重要依据，而故障处置的过程也是动态决策的过程，不是一成不变的。智能岗位机器人需要根据列车位置信息、故障场景、故障限制条件、FAS通知、调度命令、阶段计划等条件，通过建模生成各种智能角色，包括司机、工务联络人员、电务联络人员、车站、值班主任、供电人员、应急值守人员等，并且模拟各个智能岗位的实际动作。

5）自动考核评分

系统根据调度员和车站值班员的操作步骤、通知用语、配合能力、处置失效几个方面对调度员、车务人员进行技能评估。系统能够根据行车场景，实时记录信号操作终端、运行图操作终端、调度命令操作终端的操作记录，自动记录行车人员联络用语、自动完成行车岗位间配合，自动判别行车凭证、运统表薄填记内容，能够依据试题标准自动评分，自动化考核过程不受人为因素影响，真正做到公平公正。另外系统对调度命令模板及其参数的准确性、阶段调整计划的及时性、按钮操作的准确性、场景处理的合理性亦进行考核。

2.5 数据支撑层

数据支撑层由结构化数据、半结构化数据、非结构化数据构成。结构化数据包括主题库、知识库、历史考评库、考核状态库、仿真模型库、故障案例库、业务专题演练库等；半结构化数据包括日志以及数据查询API；非结构化数据包括规章、文档以及考核过程的音频、视频。针对培训考核的所有结果，实训平台进行统一的大数据存储和管理。实训平台通过聚类和相关性分析，梳理学员们普遍存在的实操易错点，确立考核实训的共性问题，构建学员职业技能评估模型，实现大数据和综合技能评估相结合，实现智能化的学员职业技能素质管理。

3 应用

目前调度车务一体化仿真实训平台已经在宁启、沪昆、京张、京雄、京沈、阳大等多条线路上线试用。作为调度员和车站值班员日常演练的平台，实现了调度、车务联合演练，段中心与多车站的联合演练。此平台除了用于新线开通前的适应性培训以及日常非正常情况下应急处置演练，实现培训数据信息化、电子化，未来还可结合大数据存储技术，对职工的业务能力进行综合评估分析，为考核管理部门呈现职工业务素质能力报告，起到针对性强化短板的作用。

4 结语

本文研究支持不同演练考核模式的调度车务一体化仿真实训平台应如何设计及其应用，通过数据驱动仿真的技术，实现了生产设备模拟、列车运行模拟、应急场景复现以及应急操作处置自动考核等功能，对全面提高运输指挥人员技能素养、协同配合及应急场景处置能力具有重要推进作用。