京张高铁智能综合调度系统方案设计研究

张宏杰， 冯小芳， 孔庆玮

（1. 中国铁路北京局集团有限公司 调度所，北京 100860；2. 中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081）

0 引言

京张高铁是我国“八纵八横”京兰通道的东段，是北京冬奥会的重要配套工程。自京张高铁开通运营以来，运行安全稳定、市场需求旺盛，得到了广大旅客和社会的一致好评，但在运营管理方面还需要进一步提升［1−2］。高标准、高质量做好京张高铁运营管理工作，打造中国高铁品牌新标杆，是贯彻落实习近平总书记重要指示精神的具体行动，是践行交通强国、铁路先行的重要举措。为提升京张高铁的运营水平和运输智能化能力，实现“精品工程、智能京张”，需按照京张高铁智能化工程目标，研究和设计京张高铁智能综合调度系统方案。

1 现状分析

1.1 国外现状

在调度信息化建设领域，国际比较成功的调度系统有日本新干线COSMOS 系统、加拿大国家铁路公司的SRS系统和瑞士联邦铁路（SBB）的调度指挥控制系统（RCS）与列车运行调整系统（ADL）［3］。COSMOS系统是根据新干线铁路的特点和运营要求，对列车开行、车辆运用、乘务员运用、列车长运用等业务，自动编制各自的基本计划、波动计划、临时作业计划，系统设计充分考虑了高速行车所带来的高风险性及行车安全对调度指挥的依赖性，突出管控一体化，强化运行管理与运行控制的结合，实现一级指挥、上下联动，以良好的设备运营状态保证运行计划得到完全执行［4］。SRS 的核心为“服务可靠性战略”，系统采用面向市场营销服务的“精确运营方式”，根据客户订单和铁路运输能力明确货物的行程计划，以货物行程计划制定列车运行计划，按列车运行计划组织内部生产，实现对客户的承诺。通过分析运输智能化数据和实际运输情况，制定差异化运输策略，保证在承诺时间内完成运输。瑞士联邦铁路（SBB）从2014 年开始应用自适应列车运行调整系统（ADL）［5］，对列车运行进行精确预测，并生成无运行冲突的调度决策，该系统为瑞士提高路网利用效率和运输服务质量作出了重要贡献。

1.2 国内现状

我国调度系统信息化起步较早，包括中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）、铁路局集团公司、站段3级系统。2015年，原中国铁路总公司在全路推广实施了TDMS5.0，系统以铁路局集团公司级调度为核心，涵盖值班主任、客调、货调、计划调、机调、动调、军特调、施工调等工种应用，基本支撑了调度人员制定并下达运输计划和调度命令、跟踪计划执行情况并进行计划调整，以及对运输生产总体情况进行统计汇总［6］。

既有调度系统技术架构形成于2000 年，其主要问题如下：（1）缺乏面向客运生产全过程的顶层设计；（2）系统可扩展性和开放性不强，存在数据不准确、不及时和不完整的问题，跨岗位使用困难、耦合度不高［7］，导致各调度工种独立作业，协同性不强；（3）与外部各运输生产信息系统间未能实现数据充分共享，不能很好地支撑调度人员及时、全面、准确地获取运输全过程各环节实时信息，因此数据驱动业务的能力不强，无法实现计划编制、调整和执行的闭环管理；（4）系统功能不够完善，自动化、智能化程度较低，对于应急调度的应对能力不足，不能充分支撑调度业务的精细化、精益化和智能化需求。

2020 年，国铁集团提出“强基达标、节支降耗、改革创新、提质增效”的工作目标，并提出发挥市场对运力资源配置的决定性作用，协调高效地实施运输集中统一指挥和效益导向机制，常态化实现“一季一图”“一日一图”。研究智能综合调度系统总体方案，旨在运用运筹学、大数据、人工智能、计算机仿真、网络优化等技术，基于对运输需求、设施设备状态、所处环境状态、生产动态的实时自动获取，实现客货运输计划、列车开行计划、机车车辆运用计划、乘务计划和生产作业计划的一体化编制，实现计划的自动下达和执行过程的动态监控。

2 系统方案设计

2.1 系统目标

京张高铁智能综合调度系统在充分借鉴国内外高速铁路调度系统建设、运营理念和成功经验的基础上，考虑北京冬奥会旅客出行需要，依据智能高铁体系框架规范展开设计。系统以满足客运运输需求、运力资源合理运用和服务奥运为目标，实现对运输需求、设施设备状态、环境状态、生产动态的实时信息进行及时、准确、完整地获取，通过对业务功能的深层次加工，实现“运输调度一体化、站段生产一体化”。

（1）系统面向客运运输生产全过程进行顶层设计。为实现运力资源的合理运用与分配，设计运输综合计划协同管理平台，通过运输计划闭环、专业作业协同、生产信息互融，实现运输生产全过程管理和高质量的计划编制与执行，为提升运输安全和经营管理质量提供保障。

（2）基于运输综合计划协同管理平台，实现京张高铁运输计划综合编制。以列车开行计划为核心，统领施工维修计划、车底运用计划、站段作业计划、三乘计划，形成有机整体，完成高铁运输综合计划的编制。基于各专业信息互融的特点，维修、机务、客运、车站作业等工作都围绕一项计划开展。计划变化时，相关工作将同步调整，可实现客运生产全过程的工作协同。

（3）运输计划闭环管理，计划作业协同执行，作业实绩动态反馈。利用“平台+应用”的一体化构建技术，实现国铁集团、铁路局集团公司、站段、车间的计划一体化贯通；基本计划、开行计划、车底运用计划、站段作业计划协同闭环管理；同时国铁集团、铁路局集团公司与站段信息资源优势互补，使计划的编制与执行之间形成闭环，计划、作业协同执行，作业实绩动态反馈，为计划动态调整提供支撑，便于提高运输调度决策质量，实现提质增效目标。

（4）智能化能力提升。从智能感知、智能决策、智能操控和智能评价4 个方面进行系统智能化能力提升。应急辅助决策方面主要实现应急现场可视可控和列车运行方案自动调整，提升应急安全监测、应急辅助决策能力。施工维修管理方面可实现集成化数据采集、可视化施工现场管理、自动化冲突检测和智能化影响评估。在调度命令管理方面，实现调度命令内容自动草拟、自动比对、自动冲突检测和安全卡控，实现命令、计划无缝衔接，根据命令形成动态调整计划，并向相关岗位进行传输和发布。

（5）运输调度综合监控与评价。设计客运计划执行过程中的评价方法，通过计算客运及运输相关指标变化情况，及时预警运输指标偏离状态，提供考核评价标准，自动给出优化的调度辅助调整建议。构建冲突检测模型，监测客运生产全过程中的数据信息冲突、业务流程冲突、需求能力冲突等，并推送冲突检测结果，显性提醒冲突，给出消解策略。通过综合协同监控，对长期的运输方案调整提供辅助决策依据，对动态的运输计划调整提供辅助决策建议方案。

2.2 系统总体结构

京张高铁智能综合调度系统采用一级集中部署，功能覆盖中国铁路北京局集团有限公司（简称北京局集团公司）、站段、动车段所、车间等。通过构建运输综合计划协同管理平台，设计包括综合计划协同编制、客运基础资料管理、列车运行管理、车辆管理、施工维修管理、应急辅助决策、调度命令管理等七大功能模块，提供与运输、客运、机辆、工电供等相关专业信息系统的功能集成和数据交互接口。京张高铁智能综合调度系统与CTC3.0 系统完成数据交互，与综合维修生产管理系统、客票系统、客运站段旅客服务与生产管控平台、动车组管理系统、TDMS5.0系统、列车运行图编制系统等通过数据服务平台实现信息共享、流程协作，实现北京局集团公司调度系统与站段系统间的信息透明、闭环管理，与运输、工电供、客运、机辆以及其他相关部门的业务系统进行数据交换，实现专业贯通、业务协作。其系统总体结构见图1。

图1 系统总体结构

运输综合计划协同管理平台分为统一资源描述、信息动态采集、业务流程卡控、综合监控等4个层级进行管理［8］，在统一资源描述和信息动态采集之上实现运输综合计划一体化协同管理和编制。系统通过运输综合计划协同管理平台进行横向各专业系统间的信息融合和纵向各专业系统之间的流程贯通，实现过程闭环、计划协同、专业联动。

2.3 系统技术架构

京张高铁智能综合调度系统围绕微服务治理体系，依托分布式消息服务、数据库集群等中间件，打造“强平台，富组件”的集成架构应用。使用SpringBoot、SpringCloud 微服务架构体系，形成统一应用开发框架，定义标准开发测试规范、版本管理规范；构建持续部署、持续集成、持续测试、持续发布、持续改进的自动化交付机制。技术架构见图2。

图2 技术架构

3 系统功能设计

京张高铁智能综合调度系统涵盖北京局集团公司（铁路局集团公司）、站段、动车段所、车间等多级功能。系统采用B/S架构，用户通过统一的登录入口访问系统，根据岗位权限管理完成相关的业务操作。

系统依托运输综合计划协同管理平台，实现客运调度管理、综合计划协同编制、车辆调度管理、施工维修调度管理、列车运行管理、调度命令管理和应急辅助决策等核心功能。系统功能见图3。

图3 系统功能结构

系统的运输综合计划协同管理平台提供统一资源描述，为实现信息全面共享和专业协同提供基础；信息动态采集和流程卡控，为实现流程贯通、应用一体化提供支撑；综合监控实现综合处理冲突提醒、流程执行、动态指标运算、考核评价等。

3.1 客运调度管理及综合计划协同编制

客运调度管理主要功能包括基本计划管理、交路编组管理、交路单元管理和客运开行方案管理等。基本计划管理提供基本计划综合展示、基本列车运行图编辑和调整、基本图评估和仿真等功能。交路编组管理提供客运列车交路编组管理、图定交路单元和临时交路单元管理等功能。客运开行方案管理提供客运开行方案集中展示、临客加开方案辅助决策、动态调整相关功能。基于客运调度管理进行综合计划协同编制，其功能结构见图4。

图4 综合计划协同编制功能结构

综合计划协同编制功能包括长期综合计划滚动编制、次日综合计划编制、动态调整计划3个阶段；在编制内容上，以列车开行计划为统领，将列车交路计划、开行调整、交路调整、车底运用计划、三乘计划、股道占用计划等作为有机整体，进行协同编制；当某一计划变化时，所有相关工作都进行同步调整，并将计划编制和调整结果共享给相关系统。

3.2 车辆调度及施工维修调度管理

车辆调度管理主要功能包括车底运用计划管理和车底交路变更管理。提供高铁车底运用计划审批、校核，以及车底变更申请、卡控和变更冲突管理等功能。

施工维修管理主要功能包括路网建模、计划编制和远程登销记。提供信号机、股道、道岔等路网设备的数字化建模，提供施工维修月计划、日计划的滚动编制和审批落成功能，提供远程登销记和施工现场一体化管理相关功能。

3.3 调度命令管理

调度命令管理主要功能包括命令编制管理、命令审批管理、命令安全卡控、命令发布管理等阶段，其具体的功能结构见图5。

图5 调度命令管理子模块功能结构

围绕铁路调度命令管理业务，基于统一的基础数据管理，构建国铁集团、铁路局集团公司、站段三级一体化贯通的调度命令智能管控体系，主要包含调度基础数据管理、命令模板管理、命令编制管理、命令审批管理、安全卡控、命令发布、调度命令即时通、系统管理等功能模块。

3.4 列车运行管理及应急辅助决策

列车运行管理主要功能包括动态运行图、行调台运行图、正晚点分析与预警等功能。通过采集列车实际运行信息，跟踪列车运行位置、列车速度、列车正晚点情况。提供行调台运行图、动态区段定制运行图、航空线图展示，以及列车运行计划显示与查询、邻站信息显示、调度命令显示、维修车辆径路计划等查询和检索功能。

应急辅助决策主要功能包括运输方案调整、应急预案智能匹配、列车计划自动调整等模块。在应急情况下，对限速、封锁情况下的停运方案、热备车启用、在途车和后续列车的开行计划等给出调整建议，并提供格式化、数字化的应急预案管理和智能化匹配功能。

4 系统创新总结

京张高铁智能综合调度系统通过需求适配、数据融合、模拟仿真、实时推演、安全计算、规则管理、应急预案匹配等技术，实现调度组织过程的数字化贯通、专业化协同、流程化互控和面向客运生产全过程的更安全、更高效、更可靠的高铁运输调度管理。相较于既有的TDMS5.0 系统，系统在新理念、新技术、数字化、智能化方面都有很多创新。

（1）在新理念方面，从既有调度系统缺少面向运输生产全过程的顶层设计的问题中汲取经验，京张高铁智能综合调度系统创新如下：一是采用面向全过程一体化贯通的设计，实现从列车路网能力管理、基本运行图编制、旅客运输需求获取、计划综合编制到生产作业执行、反馈评价的一体化专业贯通；二是采用面向全业务数字化融合设计，面向各专业业务特征，提供业务领域模型、流程适配技术和事件驱动架构，为作业流程互控、专业协同、执行跟踪和评价提供支撑。

（2）在新技术应用方面，既有调度系统受限于传统架构，不能对业务需求的快速变化进行及时响应，京张高铁智能综合调度系统创新如下：一是采用集中部署，灵活重构新技术，可快速响应业务需求变化，实现系统资源动态调度，提升资源利用率和应急互备能力，促进区域协同和岗位灵活设置；二是通过“平台+应用”的模式，兼容既有应用系统，同时提供开放的标准和平台，便于集中优势力量，持续提升调度管理系统建设水平。

（3）在全面数字化管理方面，为了解决既有调度系统与其他专业系统间信息交互不畅，数据不准确、不及时、不完整的问题，京张高铁智能综合调度系统进行了如下创新：一是进行全要素数据集成，建立与基本图、客票、动车组管理、客运站段管控平台等系统的数据集成接口，打通与防灾、异物侵限、天气预报、地震、综合视频等系统之间的数据交互通道；二是进行全过程数据融合，与客运需求、售票收入、乘务超劳、车底运用等业务数据进行融合校验和统一发布。

（4）智能化提升方面，京张高铁智能综合调度系统在满足既有调度系统的功能之外，从智能感知、智能决策、智能执行、智能评价等方面，设计了相关的应用功能。具体创新如下：一是通过客流变化分析功能，感知运输供给侧和需求侧的矛盾；二是通过列车运行状态跟踪，实现晚点状态、限速运行、异常停车感知；三是从列车开行调整决策、车底交路和车底运用安排决策、基本计划仿真、次日计划仿真、调整计划仿真等方面提升智能决策能力；四是通过应急“一事一图”调整、应急影响预估、应急预案智能匹配和应急处置案例精准推送，提升智能操控能力。