城市轨道交通线网列车运行图协同 编制系统功能研究

0 引言

随着城市轨道交通线网规模的不断扩大和网络化运营的不断深入，线路间的制约性不断增强，网络运营管理的难度增大，网络运输组织的协调性和统筹性越来越重要。网络化运营条件下，需要结合网络客流分布规律及线路功能制式多样化，统筹协调网络各线路间的运营需求及外部(机场、火车站、高速铁路等)衔接需求，研究制定科学合理、灵活多样的列车运行计划。在实现网络各线路有效运作的同时，最大程度发挥整体网络体系的运输能力和综合效益是网络化运营管理面临的关键挑战。与此同时，为克服目前人工匹配运能和制定运行计划的不足，我国提出要充分利用新一代信息技术与城市轨道交通运输组织的集成融合，研发相应的智能分析决策系统来实现线网运输互联互通和提高网络化运输组织效率的目标。

城市轨道交通(以下简称“城轨”)列车运行图编制系统承担编制城轨运输工作生产计划的重要任务，其编图质量与效率的高低直接影响运营组织的安全性与高效性。目前，列车运行图的编制均已实现自动化，然而，就国内而言，现有计算机编图系统多是针对单一线路，既有的线网运行图协同编制系统功能有限，难以满足线路间、城轨与其他交通方式(如公交、航空)间的高度协同，同时未针对应急情况提供线网运行图编制功能，无法应对应急事件传播现象的发生，智慧化程度较低。构建信息化、智慧化的线网运行图编制系统，为编图人员提供更好的决策辅助，提升线网整体运营效率及乘客服务水平、降低运营成本和乘客出行成本，是智慧城轨必须攻克的核心问题。

1 城轨线网列车运行图协同编制系统发展分析

通过对国内外城轨线网运行图编制发展现状分析，总结国外智慧化运行图编制系统新特点，同时明确我国线网列车运行图协同编制系统发展趋势，为设计适应我国城轨网络化运营情况的线网列车运行图协同编制系统的关键功能提供参考和指导。

1.1 国外智慧化运行图编制系统研究现状

在智慧城轨背景下，轨道交通智慧化已经成为世界铁路发展的重要方向。国外为实现轨道交通智慧化运营组织开发了一系列智能运输组织系统平台，在客流分布的实时预测、运输计划的智慧化编制等方面取得一定成果[1]，可为我国开发智慧化运行图编制系统提供参考。

由JR东日本铁路公司开发的运输综合管理系统(COSMOS)是最早的列车运行图编制系统，基本实现新干线运输组织管理和调度指挥的高度自动化和集中管理。该系统提供列车运行进路、单线列车运行图的自动生成和人工调整功能，实现了车辆调配计划、乘务员安排计划等的自动编制。

随着智慧城轨的发展目标相继提出，多国启动了新一代基于网络化运营的智能运输组织系统的开发研究项目，并取得较大进展。CyberRail为日本铁路技术研究所(RTRI)利用新一代IT集成融合技术研究开发的轨道交通智能运输系统，可以实现应急事件驱动的运输组织协同和多式联运服务导航技术[2]。瑞士的列车运行与控制系统RCS和索菲亚地铁的自动化列车运行管理系统Controlguide OCS，均支持列车冲突预测和线网运行图自动编制与调整，能够根据列车运行冲突自动给出调整优化方案。Falko、RailSys、RailSim和LUKS等时刻表和运行图生成系统，是基于列车运行仿真环境下的运输计划编制的高度自动化模拟工具。Ontime等系统能够针对输入的时刻表，给出质量评估指标，并详细说明时刻表特定变化的影响和调整策略[3]。DONS等系统能够将用户相关决策要求自动转化为时刻表的约束条件，自动生成满足约束的时刻表。国外列车运行图编制系统功能比较如表1所示。

表1 国外列车运行图编制系统功能比较Tab.1 Function comparison of foreign train working diagram compilation systems

1.2 城轨线网列车运行图协同编制的复杂性特征

城轨线网列车运行图协同编制的复杂性主要表现为3个特征。

（1）线网内要素关系复杂。每条线路均包含交路模式、客流情况、设备参数等多种要素，在线网层面需要同时考虑内部和外部的要素关系，使得编制线网列车运行图需着眼于全网统筹谋划，研究范围大大增加。①列车关系更为复杂。按单线编制运输计划时只有同区段内运行列车间存在相互关系，相对简单；而线网条件下列车关系不仅发生在同区段内，也存在于相衔接线路区段列车间，为一种相对复杂的复合型列车关系。②车站衔接线路方向增多。单线编制运输计划时车站衔接线路方向数相同，均为2 (同线路上、下行方向)；而线网条件下换乘站至少衔接3个线路方向。③换乘节点运输组织难度增大。由于车站衔接线路方向增多，使若干条线路交汇的换乘枢纽站的客运组织难度不断增大，为使客运组织适应网络化的运营管理，需要研究如何协调资源和提高运作效率。

（2）协调衔接难度大。客流的动态性、网络结构的复杂性以及换乘站不同换乘方向的乘客换乘时间的不对等，造成线网系统协同难度大。①协调的联动性。考虑换乘衔接的列车到发时序匹配需要多条线路列车运行计划相互配合，但各线路的列车运行计划相互影响、制约，使线网条件下列车衔接考虑因素较多，加大了线网列车运行图的编制难度。②不同交通方式间的协调。基于智慧城轨的发展理念，从全网统筹谋划的角度，需要考虑城市轨道交通与铁路、航空、公交的衔接协同，运输组织难度加大[4]。

（3）乘客需求质量提高。①客流变化呈现明显时段性和不稳定性。虽然客流波动整体具有一定规律性，但具体到每条线路，由于客流特征不同，时段性变化存在差异，同时部分车站衔接铁路、航空，客流变化存在不规则波动，加大换乘衔接协调难度。②不同时段各线路乘客对换乘衔接的需求不同。首末班车时段乘客可达性降低，应通过协调保证较高的可达性；高峰时段短时间内乘客在客流量大的换乘站快速聚集，应通过协调保证大客流尽快得到疏散，缓解客流组织压力；平峰时段由于行车间隔的差异，可能造成乘客等待时间较长，应通过协调保证较短乘客候车时间，提高换乘效率及运营服务水平。

1.3 智能运输组织系统新特点

智能运输组织系统新特点主要表现为3个方面。

（1）列车时刻表编制以乘客需求为导向。服务质量已成为运营公司满足乘客对列车服务期望的重要绩效指标，因而，国外的智能运输组织系统在技术允许情况下，从乘客需求出发，利用无线通信、连续定位等技术对实时客流数据进行分析，将分析结果作为运输计划生成和调整的基础数据。

（2）运输组织协同范围由城轨单线转向联程服务的多种交通方式，运输计划编制与乘客服务进一步融合。部分系统已然将运输组织协同的范围扩大到多种交通方式相衔接的联程服务中，通过优化城轨与高速铁路、航空等其他交通方式的接驳，同时实现各种交通方式出行信息的融合与协同，为旅客提供门到门的交通出行方案，并保证旅行过程高效和舒适。

（3）注重运输计划的分析与评估，快速反馈调整策略，特别是应急事件驱动下线网运行图的及时调整。同时能够基于列车运行仿真环境，自动化模拟生成运输计划，以对其进行分析评估，验证运输计划的实用性和鲁棒性。

综合以上分析，线网运行图的编制应考虑网络化运营的“资源共用”和“协调衔接”，统筹线路和网络2个层面，不仅需要考虑分线编制，也需要考虑线网层面的换乘衔接匹配。同时城轨线网还需要协同与其他交通方式的衔接，包括铁路、航空、公交，从而加强不同交通方式间的融合共赢，实现智慧列车运行图的编制[5]，更好地为乘客提供出行服务。

2 城轨线网列车运行图协同编制系统

随着大数据、仿真、可视化、机器学习等技术的发展，基于“数据、仿真、算法、可视化”的列车运行图编制系统大大提高了协同运营管理的重要度，也使得各种交通方式融合共赢，编制智慧列车运行图成为可能。研发城轨线网列车运行图协同编制系统已成为智慧城轨的发展方向之一。

2.1 系统总体框架

结合我国城轨线网列车运行图的编制需求和国外相关系统的新功能特点，城轨线网列车运行图编制系统应在协同运营管理的思想下结合用户需求以及列车运行图业务流程，实现自动或辅助编制线网列车运行图及其相关作业计划，为编制过程的各环节提供丰富的人机交互手段，并提供数据管理、运输计划评估、客流分析、运行图协同优化、冲突检查、指标统计评价、运输计划多样式输出、列车群仿真等功能。该系统应具备较高的智能辅助决策水平，保证计划的可行性和合理性。系统总体框架如图1所示。

图1 系统总体框架Fig.1 Overall system framework

2.2 系统功能设计

城轨线网列车运行图编制系统应实现的主要功能包括5个板块，系统功能结构如图2所示，各板块具体如下。

图2 系统功能结构Fig.2 System function structure

2.2.1 系统数据管理

系统数据管理包括用户管理、系统工作模式设置、数据库管理以及运行图版本管理。

（1）用户管理。支持对用户信息的创建、维护、用户权限设置以及用户登录、用户密码修改等功能。不同操纵人员的使用权限、显示界面不同，用户类别分为编图、查询和审计，查询和审计主要负责结果浏览、审核、提出修改意见，不具备修改权限。

（2）系统工作模式设置。支持设置和修改工作模式，包括查询、编制、客户端3种模式，对应不同的用户类别(编图、查询和审计人员)使用。

（3）数据库管理。实现数据库的新建、打开、关闭、保存、另存等基本操作，以及为了方便不同部门、工种人员协同完成编图及运行图管理任务，支持数据指定范围的合并和分解[6]。

（4）运行图版本管理。支持导入运行图的管理、查询(按线路、开始或结束执行日期)和存放目录检索，以及对历史版本运行图信息的读取、删除和新版本覆盖。

2.2.2 线网运输计划评估

线网运输计划分析与评估包括客流计划、开行方案、运力配置、运行图技术指标、运量运力匹配性指标。

（1）客流计划。支持读入实时客流与历史客流，方便用户查阅和总结客流特性，并提供对不同角度客流数据的统计分析，如各线路客流OD表、线路区间断面客流量、线路车站上下客流量、线路客流量、全日分时客流比例、线路车站换乘客流量、线路分方向换乘客流量等，并给予可视化处理，便于用户确定各线路列车开行方案和制定线网列车运行协调优化策略，此外还支持客流报表的指定格式输出。

（2）列车开行方案。提供开行方案的编制功能，根据客流需求输出各线路的列车开行方案，包括编组、交路、停站方案、全日行车计划。

（3）运力配置计划。实现区间全日和分时运力表的生成、存储、查询和更新维护功能。区间全日运力表显示选中线路的各区间全日运力，分线路、区间、上下行显示运输能力；区间分时运力表能显示选中线路指定区间的各时段运输能力，分线路、区间、时段、上下行显示运输能力。

（4）运行图技术指标。支持对运行图编制质量的评估功能，提供线网列车运行图总技术指标、车底运用指标、交路方案指标、行车间隔指标和首末班车时刻的计算、查询和评估，并能预估时刻表在作出指定变化后的影响，自动给出调整策略，实现系统的智能决策。

（5）运量运力匹配性指标。实现对线网运输计划运能综合分析，通过计算相应指标并给出评估结果，用户可根据评估结果进行调整优化，指标包括：高峰和平峰平均满载率、最大断面满载率、全日平均满载率、工作日早晚高峰和平峰最大满载率、满载率高于100%的时间比、长期满载和超载区间。

2.2.3 线网运行图编制

提供基于运行图基础数据，自动编制各线路列车运行图初始方案，通过人机交互方式对初始方案进行调整，并对列车运行图相关指标统计、计算，为线网运输计划评估提供数据支撑，同时提供列车运行仿真功能，对编制的列车运行图和设计的仿真场景的可用性和合理性进行验证评估。

（1）运行图编制。支持对运行图底图结构及绘图参数进行设定，以满足不同时期不同运营状况的编图需求。在编图环节，提供多种编图模式、编图操作，实现列车运行图的自动编制。另外，支持图形操作功能用于对运行图进行控制管理。

（2）列车运行图调整。系统支持运用5G、云数据、卫星通信等多种信息化技术，完成实时客流监测，从而实现基于动态客流数据自动调整线网列车运行图，以及对运行图和车底交路计划的错误冲突检查和疏解，提供列车、运行图的选择、删除、批量管理等操作功能，并对交路计划提供专门的自动编制和人机交互调整功能。

（3）应急运行图编制。针对突发事件，提供应急状况下的线网列车运行图编制功能。当某条线路发生突发事件时，需结合客流与运营现状，在事件发生后的一段时间内加强就近换乘站可用线路的换乘衔接，对线网运行图具备应急状况下快速自动调整或重新编制功能，以配合各线路协同应急处置；为保证运营管理有序进行和快速疏散乘客，系统应将调整后的列车运行图、列车时刻表、疏散线路及站点及时发送给运营调度指挥系统与乘客信息服务系统。

（4）运输计划及指标结果输出。支持以CAD、PDF、OneNote等多种格式输出列车运行图及相关计划(列车时刻表、车底交路图和换乘时刻表)、仿真数据，以EXCEL格式输出运行图指标统计结果等。

（5）列车运行仿真评估。支持车站电子地图的建立以及进路创建，用于列车运行仿真。列车群的运行仿真中，系统提供仿真环境设置实现控制仿真过程，并支持仿真数据交互功能，可视化呈现仿真结果，在时间域上仿真列车运行并校验运行图编制的质量与鲁棒性。

2.2.4 列车运行衔接评估

列车运行衔接评估是线网协同情况的直接表现，包括列车衔接方案编制和列车衔接评估2个功能板块。

（1）列车衔接方案编制。基于客流数据、列车运行图数据、运力数据等，自动计算首末班车衔接方案、线路换乘衔接方案、换乘等待时间方案，对每一种方案进行特定内容的评估。同时支持用户或乘客的方案查询功能，能够进行所有评估方案的查询、行程的规划与检索，支持路径可达性服务，实现智慧化的乘客信息服务。

（2）列车衔接评估。支持对运行图的自动接续优化功能。根据用户选定的协调优化目标，对未换乘衔接列车和换乘方案进行调整，同时接驳方案应结合其他交通方式到达客流的波动特点，为到达枢纽站的乘客提供及时、安全的接驳服务，实现列车间衔接优化与换乘方案优化[7]。此外，自动计算全日分时换乘效果良好率并排序，对良好率较低的时段高亮显示，为用户进行人工调整提供辅助决策，并提供人机交互功能，方便用户对未能自动接续优化的时段内衔接较差的方案和无效衔接方案对应的运行线进行平移等操作。若对某线路首末班车时间进行调整，系统予以提示，由用户决定是否对与其衔接线路的首末班车时间进行调整，最终实现线网运行图的协同编制[8]。

3 结束语

城轨线网列车运行图协同编制系统一定程度上实现了线网列车运行图编制的智慧化，提高城轨网络化运输组织的协调性和统筹性，有效发挥整体网络体系的运输能力和综合效益。下一步将继续研究系统关键技术，通过开发群体协同的编制管理模式，使各业务部门在基于计算机的虚拟协作环境中，并行、交互、协作进行线网运行图编制工作，实现编制任务的高效、高质量完成。同时，深入剖析运输组织协同优化理论方法，根据客流波动特点，分时段研究线网运行图的协同优化问题，保证线网各线路间的协调和不同时段运行计划的衔接，促进实现城轨与其他交通方式高效接驳。