城市轨道交通行车调度智能模拟演练系统研究

豆 飞，吕 楠，刘 洁，徐晓波，杜 恒，谢 辉

（1. 北京市地铁运营有限公司，北京 100044；2. 地铁运营安全保障技术北京市重点实验室，北京 100044；3. 北京大象科技有限公司，北京 100070）

1 引言

在城市轨道交通（以下简称“城轨”）突发事件中，行车调度员作为组织城轨系统“大脑中枢”运行的指挥官，其应急指挥调度决策的准确性及高效性直接关系到应急处置的效率及突发事件影响期间的运营安全。随着新技术、新设备的投入使用，城轨系统运行的可靠性、稳定性以及自动化水平均有所提高，发生突发事件概率降低，各岗位人员的实战经验也随之减少；但同时，我国城轨网络化发展对安全运营的要求逐步提升，这说明城轨网络化运营要求增高和调度员实战经验减少之间的矛盾日益加剧，提高城轨行车调度的应急处置水平迫在眉睫。目前，针对城市轨道交通行车调度相关岗位的培训研究主要分为2个方面：一是突发事件发生后的应急处置预案研究，从应急处置流程方面提升应急处置水平[1-5]；二是建立仿真系统模拟应急场景，在贴近实际的训练中提升应急处置水平[6-9]。第1种情况更加强调预案的理论研究，经常导致行车调度处置的灵活性不足；第2 种情况虽然模拟了演练场景，但是演练过程固化且需要多岗位的人员互动。

本文通过预案数字化、虚拟岗位联动等关键技术构建了行车调度智能模拟演练系统，实现了虚拟多岗位配合联动、多故障场景下城轨行车调度员的模拟演练，可以有效提升行车调度员的应急处置能力。

2 应急预案数字化

现有的应急预案大多是文档化的流程文件，对人而言易于阅读和理解，但对计算机系统而言并不能直接使用，需要按照一定的规则将流程文件转为计算可以处理的数字信息输入。应急预案流程文件脚本化过程如图 1 所示。

通过将所有脚本化文件中调度员的标准化调度命令、标准化调度系统操作、标准化通信系统操作等进行打散、分类归集，形成可独立执行的基元（基元指将调度语音命令、调度系统操作和标准化通信系统操作各项细化分解，形成的最小执行单元），创建脚本化文件数据库，如图2所示。

通过设置各基元的触发条件、标准动作、预期结果状态等属性，将各类基元的触发事件和动作进行计算机可识别的数字化编码和数据化定义。根据应急演练场景的脚本设定将单元化的语音调度命令、调度人员操作以及通信系统故障设定和恢复等进行组合，形成一套完整的模拟应急场景和应急预案处置的标准化作业。以列车救援场景为例，应急预案的数字化过程如图3所示。

3 基于人工智能的多岗位应急联动技术

研究调度员标准化语音命令元素（包括调度员属性、动作、状态等）、语意分析智能化解读、语音合成专业化表达、城轨专业术语语音识别准确率提升等人工智能技术，通过与信号仿真系统深度融合，主线任务与非主线任务叠加，研究真实岗位与计算机虚拟岗位的人机协同技术，支持虚拟岗位与真实岗位的切换，支持行车调度员单人演练培训和多人团队演练考核，解决传统桌面推演场景复用性差、灵活性低、耗时长的问题。

3.1 行车调度模拟演练虚拟岗位设计

城轨行车调度相关岗位包括总调、行调、电调、环调、设备调、车站值班员、车站站务员、乘务员、信号维修工等。行车调度模拟演练虚拟岗位主要包括行调、车站值班员、站务员、乘务员等，虚拟岗位的设计与联动是将日常或紧急情况下的运营场景进行分解，分系统分专业按照联动的先后顺序依次触发相应作业，还原真实线路运营中各岗位的业务处理流程和岗位间协同合作。设计调度命令语音输入功能，当用户通过语音采集设备发布调度命令后，通信系统通过内置的城轨专业术语识别能力将调度命令识别为准确的文字，并将文字根据调度命令基元定义的关键词进行拆解，将关键词重新构建成计算机可识别的内部命令单元，发送给智能核心系统（MCTS）。MCTS作为虚拟岗位的大脑，主要包括联锁子系统（CI）、区域控制器（ZC）、数据存储单元（FTM）、车载控制器（VOBC）、轨旁电子单元（LEU），负责决策每一个输入应匹配的动作和事件，通知信号系统以及各虚拟岗位对应的仿真系统执行相关操作。MCTS系统根据反馈的操作结果，通知通信系统通过语音合成技术向用户发送语音通知，同时根据输入信息的严重程度、紧迫性等控制语音合成播放的语速和朗读情绪，给调度员一种真实岗位人员沟通的真实感。具体联动设计流程如图4所示。

3.2 基于虚拟岗位的多岗位应急联动流程

多岗位联动系统选择要考核的应急演练场景注入后，仿真信号系统将数据库中保存的场景状态同步更新到仿真列车自动监控系统（ATS）和核心后台系统中，学员接收到场景注入成功后选择开始考核，联动系统将根据演练场景自动生成乘务、站务等虚拟岗位。接收到场景指令后，虚拟岗位根据场景中注入的故障类型通过通信系统予以上报，调度员根据故障类型将调度语音命令和操作指令下达到相应的虚拟岗位，虚拟岗位根据调度命令予以执行并将结果实时同步到仿真信号系统中，同时通过教员系统同步展示故障场景，最终形成一套虚拟多岗位联动应急演练平台的闭环，如图5所示。

4 行车调度智能模拟演练与评估系统功能

4.1 系统总体架构

整个培训系统应参照行车调度员在实际工作中的岗位数量配置、操作终端设备种类、设备数量等进行设置，并增加智能化交互、智能化评估、教员工作站等演练与考评的关键设备，采用与正线系统一致的软件架构、用户数据报通信协议（UDP）和标准接口，设计城轨行车调度培训系统架构（图6），实现对正线信号系统高精度仿真。

4.2 系统功能架构

基于应急预案数字化、虚拟岗位联动等关键技术研发行车调度智能模拟演练系统，实现虚拟多岗位配合联动、多故障场景下城轨行车调度员的模拟演练。整个系统按照不同功能可分为行车调度、智能交互、智能评测、教员管理4个子系统，如图7所示。

4.3 行车调度子系统

行车调度子系统是行车调度智能模拟演练与评估系统的核心功能，主要用于实现行车调度员培训训练的调度模拟功能，因此应具备的功能包括以下方面。

（1）运行信息显示。模拟全线的信号设备状态，详细显示正线车站、区间的信号设备状态和列车运行状态，显示内容与ATS系统保持一致。

（2）进路控制。可以设置进路的人工/自动（含车队、追踪模式）属性，可对信号机执行“关闭信号”“开放信号”操作，能够按联锁原则进行进路设置、取消（含强解区段）培训。

（3）设备操作时因违反基本的信号逻辑或其他原因导致操作失败时系统能检测到冲突并给出提示。

（4）提供基于通信的列车自动控制系统（CBTC）级别及降级模式下的进路控制和列车控制培训。

（5）控制权限转换培训。提供中央控制和本地控制2种级别下的操作培训，可以实现控制级别的切换。

（6）能进行创建、删除、编辑车次窗操作。通信列车运行管理方面，可进行扣车、终止站停、发车请求、站停时间、跳停、站间运行等级的设置操作；非通信列车运行管理方面，可模拟和仿真非通信列车由限制条件下的驾驶模式（RM）向点式驾驶模式（ITC）、连续通信驾驶模式（CTC）升级。

（7）列车运行识别培训。系统采用列车识别号的移动和有关信号设备的状态变化来自动模拟和描述在线列车的实际运行。

（8）运行图编辑、加载、预设、变更激活时刻表等相关培训。系统能够模拟列车按照运行图跑车，模拟列车在区间的运行时分及停站时分，与输入的时刻表一致。按照输入的时刻表或操作员意图可模拟最小间隔的列车追踪运行及最小间隔的列车折返运行。

（9）发车计时器显示。行车调度培训工作站提供发车计时器的实际状态信息显示功能。

（10）列车运行信息查询。ATS仿真培训允许学员查询在线列车的实际运行信息，包括列车位置、早晚点情况，显示列车停站、扣车、跳停、站停时间、列车运行方向、列车运行模式等信息。

（11）信号设备操作培训。培训行车调度基本的信号设备操作技能。

（12）故障报警。通过故障场景设置的方式，培训行车调度常见故障的报警识别及确认操作，能够模拟和仿真列车火灾、车站火灾、站厅火灾、区间火灾、人防门报警、乘客紧急手柄、车门状态丢失、区间水位报警、轨行区人员非法闯入报警、周界防护报警、轨道障碍物/脱轨检测、防淹门请求关闭/状态丢失等异常场景及信号联动防护。

（13）提供ATS系统管理操作培训，如调度人员登录、退出等。（14）能够进行某站清客设置及取消培训。（15）能够进行远程开关门的操作培训。

4.4 智能交互子系统

智能交互子系统能够智能识别调度员的调度命令，实现与虚拟列车司机、车站值班员进行智能交互。应具备的功能包括以下方面。

（1）采集并智能识别调度员发布的语音调度命令，实现学员与系统的人机交互。应准确识别行车调度专业术语，将语音调度命令动态翻译成文字，对调度命令进行智能语义分析，完整识别调度命令要素，将正确的指令在培训仿真系统内自动执行。

（2）模拟调度员与司机之间的语音交互。应支持与单辆列车进行通信；支持列车组呼功能，包括多选、派接；列车呼叫调度员时应实现一般呼叫和紧急呼叫；能够显示调度与列车之间的通话记录。

（3）模拟调度员与车站值班员之间的语音交互。应正确显示全线所有车站、不同调度岗位；调度员与行车值班员之间通信能够实现组呼和全呼功能。

（4）支持不同岗位调度员之间的实时通信。

（5）发布书面的调度命令。

（6）支持呼叫等待。当出现多个呼叫时，按照优先级和呼叫顺序进行呼叫等待。

4.5 智能评测子系统

智能评测子系统对行车调度学员在考核过程中的操作、运营结果进行评分。应具备的功能包括以下方面。

（1）对学员操作进行计算机自动评分，包括语音命令准确性、命令发布时长、重复次数等。

（2）正确显示当前执行的任务明细，如得分、扣分及错误原因等。

（3）对列车的运营情况进行计算机评分，包括列车晚点、列车迫停、列车停运等。

（4）对学员所有操作进行统计，包括得分操作、扣分操作等。

（5）支持对不同岗位分别评分，包括对团队进行评分。

（6）实现学员历史成绩查询，历史成绩保存不低于360天。

（7）学员可以打印历史成绩。

4.6 教员管理子系统

教员管理子系统用于实现教员对各学员进行训练的管理功能，应能承担系统的全方位监管、控制和系统维护任务。该模块可实现从仿真系统的运行前准备到培训结束后的数据管理；从培训课程设计到培训过程的监控和干预；从基础数据准备到系统状态检测与故障诊断；从操作过程回放到培训记录管理。应具备的功能包括以下方面。

（1）实时获取其他各子系统的信息并可同步显示。

（2）对其他各子系统进行控制。

（3）支持教员进行主场景、副场景中故障点编辑，包括设备故障、通信故障、列车故障等。

（4）教员可以对场景自由组合，包括主场景、副场景进行自由组合。

（5）具有用户管理功能，能对各种人员的责权范围、工作站控制范围进行设定及转换，可实现工作人员身份鉴别、进入和退出系统的登记及注销等。

（6）实现特定时间点场景文件的保存，包括站场元素状态和列车运行状态。

（7）保存操作人员处理应急故障后的历史实际运行图，可用于考核指标的复审（包括列车停站时间指标、列车早晚点等指标）。

4.7 应用实例

根据对城轨行车调度模拟演练系统的功能分析，结合北京地铁应急预案处置流程，研发了北京地铁行车调度智能模拟演练及评估系统（图8），系统模拟了道岔故障、列车救援、区间疏散等城轨运营最常见的应急场景。该系统基于行车调度员口述命令为主的岗位特点，研发了智能语音交互技术，以主场景贯穿，可随机叠加副场景的任务调度关键技术，融合主线任务和非主线任务的设计，提高了系统的灵活性和处置过程的多变性，支持计算机自动评分，可考核调度员在信息收集与方案制定、调度命令发布、列车自动监控系统操作等多方面的调度指挥能力。

自北京地铁行车调度模拟演练及评估系统应用以来，开展了重温培训、专项培训20余次，累计培训行车调度员400余人次，在行车调度岗位的培训方面取得了良好效果。经过实践证明，主副场景的随机叠加增加了调度处置的灵活性，提高了行车调度员突发事件的应对能力；虚拟岗位的联动配合可以大幅减少行车调度岗位培训的配合人数；自动评估考核在减少教员工作量的同时，考核结果更加客观公正。

5 结论

搭建多岗位应急联动、多故障场景灵活叠加、智能化的行车调度模拟演练系统可有效提高城轨行车调度员技能水平和实战经验。根据北京地铁行车调度模拟演练系统的培训经验，未来可在调度命令和调度指令的语音识别方面进一步优化，提高系统的灵活反应能力；同时针对新线路以全自动运行系统（FAO）为主的特点，在系统中兼容CBTC和FAO系统，以适用于不同信号系统的行车调度员培训。通过该系统可助力城轨运营企业更早地介入并服务于行业实训基地的规划和建设，促进行业培训工作的良性发展。