深圳都市圈城际铁路综合调度系统智能化研究与设计

陈

0 引言

2022年3月中共中央、国务院印发的《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》和2019 年9月中共中央、国务院印发的《交通强国建设纲要》中明确指出要发展壮大现代化都市圈，提高1 小时通勤圈协同发展水平，建设城市群一体化交通网，推进“四网融合”发展的战略要求；2021年2月与2019年2月，中共中央、国务院印发的《国家综合立体交通网规划纲要》和《粤港澳大湾区发展规划纲要》中也明确提出要实现粤港澳大湾区高水平互联互通，提升客货运输服务水平，推进大湾区城际客运公交化运营的要求。在国家规划纲要的引领下，深圳市于2021年、2022年先后启动深大城际铁路(T4 枢纽—聚龙)、深惠城际铁路(前海保税区—坪地)和深惠城际铁路大鹏支线(龙城—新大)3 条都市圈城际铁路的新建。3 条线路均为全地下运行，公交化运营模式，列车时速160 km，具备跨线过轨运行条件，目标是促进大湾区多层次轨道交通的融合发展，实现大湾区城际铁路的互联互通、换乘便捷与一票通达，大幅提升旅客的出行体验[1]。调度指挥是运营的核心环节，为响应大湾区城际铁路统筹运营与“四网融合”的建设目标，研究适配区域综合路网一体化协同运营需求的深圳城际铁路智能调度方案势在必行。

1 国内外铁路调度系统概况

伴随云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能、北斗、BIM等新一代信息技术的快速发展，智能化技术与铁路业务深度融合已成为世界铁路发展的重要方向。欧洲、北美等地区，以及日本、韩国均制定了铁路数字化、智能化中长期发展战略规划[2]。中国铁路已经建成世界上规模最大的高速铁路网，拥有海量的建设运营数据和丰富的实践应用场景，2020年中国国家铁路集团有限公司发布了《智能高速铁路体系架构1.0》技术标准，构建了完整的中国智能高速铁路的体系框架[3]，并在京张高速铁路(北京北—张家口)、浩吉铁路(浩勒报吉南—吉安)、中老铁路(昆明—万象)等新建铁路开展了智能高速铁路的创新应用实践，其中智能综合调度被列入了智能高速铁路技术体系架构下三大板块、十大领域、十八个方向中的其中一个方向，并且京张、浩吉、中老等新建铁路智能综合调度系统均得到了有效验证和实践。国际上较早的成功案例日本新干线COSMOS调度系统[4]应用至今，全面支撑了新干线调度指挥业务，适应了线网发展，实现了调度专业子系统间的信息共享、业务协同、自动控制和集中监视等功能，大幅提升了调度指挥效率，为铁路调度系统的发展提供了借鉴。

2 深圳都市圈城际铁路调度指挥需求分析

为响应粤港澳大湾区交通网互联互通的规划要求，构建深圳市综合交通立体网，深圳城际铁路与干线、地铁均可换乘，城际铁路之间具备跨线运行条件。为便捷旅客出行，深圳城际铁路采用公交化运营模式，由深圳市地铁集团有限公司下属城际运营公司负责运营。基于公交化运营的城际铁路与地铁、干线铁路运营均存在差异。地铁为单线调度，不考虑线路之间的关联与相互影响，针对高频发、全地下运行等特点对运行环境、突发事件防范与应急要求较高；干线铁路为区域调度，由于列车成网运行、运营里程长、调度管辖面积大、发车数量多等特点，调度业务与调度岗位设置较地铁复杂；公交化方式运营的深圳城际铁路兼具跨网融合、成网运行、高频发、全地下运行等特点，因而需要针对深圳城际铁路新特点，设计适配的智能综合调度系统方案，高效地支撑深圳市综合交通立体网的一体化协同运营[5]。

大湾区城际铁路统筹运营下的深圳城际铁路调度指挥中心需要与广东省、广州城际铁路调度指挥中心分别建立信息交互机制共享运营信息，此外还需要与交叉干线、地铁的运营主体交互运营信息，实现最佳接驳与应急联动，最大化提升客运服务水平。在深圳城际铁路运营内部，为提升调度指挥工作效率，保障运输生产安全，减轻调度员工作压力，实现降本增效，在建设调度系统时需全面提升系统智能化水平，避免出现信息孤岛、数据壁垒、运维困难、大量人工判断的现状，打通与运营内部各专业系统的数据通道，实现运输生产信息的全面感知和不同专业之间的业务协同[6]。

3 系统架构设计

在吸纳京张高速铁路智能综合调度系统建设经验[7]，分析既有国铁干线运输调度管理系统(TDMS5.0)[8]、深圳地铁运输调度领域相关信息系统存在问题的基础上，结合深圳城际铁路的运营需求以及中国智能高速铁路体系架构关于智能综合调度的规划与发展要求[9-10]，提出深圳城际铁路智能综合调度系统的功能架构、技术架构、核心功能等设计方案。

3.1 功能架构

轨道交通运输调度管理业务按照事前、事中、事后划分，可分为调度决策制定、调度决策执行和执行评价3 个阶段，智能综合调度系统功能设计考虑实现对3 个阶段调度工作的信息化支撑[11]，同时运用人工智能技术，研发智能辅助决策功能，减少对调度员经验依赖，提升调度指挥效率，保障运输生产安全。深圳都市圈城际铁路智能综合调度系统总体架构设计如图1所示。

图1 深圳都市圈城际铁路智能综合调度系统总体架构设计Fig.1 Overall architecture design of intelligent integrated dispatching system for intercity railway in Shenzhen metropolitan area

在调度决策制定环节，智能综合调度系统设计了支撑运输生产计划编制、调度命令管理和调度应急指挥三大核心业务场景的应用功能，系统辅助调度员智能编制运输综合计划、调度命令和应急处置方案等调度决策并下达给相关执行岗位。

在调度决策执行环节，调度需要实时掌握下达决策的执行情况以及运力资源状态，确保运输安全有序。当发生突发事件时，如设备设施发生故障影响行车时，调度需要第一时间定位故障并分析故障影响，及时采取调整措施，避免事件影响扩散。因此，智能综合调度系统需要从各专业系统中实时采集相关数据，实现线网集中监视、车站监视、列车监视与追踪等功能，通过数据集中和界面整合为调度提供行车集中监视界面，避免调度操作多个系统终端进行监视，减少调度员盯控屏数量。

为促进运力资源配置持续优化和调度指挥水平不断提升，运营统计分析和调度评价也是运输调度管理工作中的一个重要环节。在执行评价环节，智能综合调度系统利用数据治理技术对运输生产过程数据进行处理和存储，实现运输生产综合查询、运营统计分析、调度智能评价等应用功能，为调度分析工作提供数据支撑。同时，实时的生产反馈还可以作为调度决策制定环节的输入，形成闭环管理机制，在运输生产过程中可以根据实际情况对计划进行动态调整，促进运力资源的精准投放，提升旅客出行体验。

3.2 技术架构

智能综合调度系统宜采用云计算技术架构，深圳都市圈城际铁路智能综合调度系统技术架构设计如图2 所示。核心应用可集中部署在调度指挥中心云脑平台，共享云硬件与服务资源，为调度指挥中心和站段两级用户提供应用，在系统接入层，为实现业务流程的贯通，使站台值班员、司机、施工人员、抢修人员、离岗人员亦可访问系统相关功能，应支持安全生产网固定终端和无线专网、互联网移动终端的同步接入。在平台即服务层(PaaS层)采用面向服务的架构研发系统应用服务，实现服务间的松耦合，易于系统升级与运维[12]。通过服务治理框架对应用服务进行监管，利用服务度量技术对服务占用资源与服务性能进行定量分析，一方面可以为服务提供匹配资源，避免资源过渡占用，降低系统性能，另一方面可以快速定位症结并及时提出改进措施；利用服务降级技术可以保障核心功能的正常运作或高效运作。在数据服务层(DaaS层)搭建智能综合调度数据服务平台，负责外部系统数据的采集与处理，由平台统一对外提供数据服务，提高数据质量与访问效率，此外对生产数据进行统一治理也有利于挖掘数据价值。在软件即服务层(SaaS 层)为用户提供智能综合调度系统业务应用定制功能，智能综合调度系统按照业务划分可分为15 个应用，分别是生产计划管理、列车运行管理、调度集中监视、施工维修管理、供电管理、乘务管理、车辆管理、信息管理、调度应急指挥、调度命令、运营统计分析、生产综合查询、电子化交班、调度大屏、基础数据维护等，用户可订阅关注应用或取消订阅，根据用户权限进行用户订阅审核，根据用户订阅内容加载匹配系统资源，实现用户统一登录，业务应用模块的灵活加载。

图2 深圳都市圈城际铁路智能综合调度系统技术架构设计Fig.2 Technical architecture design of intelligent integrated dispatching system for intercity railway in Shenzhen metropolitan area

4 核心功能设计

4.1 运输生产计划协同编制

运输生产计划是日常运输组织工作的基础，各项运输生产工作按照计划有序落实。面向大湾区城际铁路一体化运营和“四网融合”的需求，运输生产计划协同编制分为内部协同与外部协同。内部协同是指各专业计划的协同编制，运输生产计划按专业分为列车开行计划、车辆运用计划、施工维修计划、供电计划、乘务计划和调车作业计划，计划内容相互关联。运输综合计划协同编制机理如图3 所示，当某个计划发生调整时，关联计划也需同步调整。例如，当施工维修计划的作业内容发生调整时，工程车开行和停送电需求可能发生变化，导致列车开行计划和供电计划也需要调整。因此，基于调度专业协同机理实现运输生产计划的协同编制与同步调整，可以大幅提升计划编制与调整效率[13]。外部协同是指一体化运营和“四网融合”条件下城际铁路列车开行计划编制，还应考虑区间客流与跨网列车接续时间，实现列车最佳接驳与运力精准投放。

图3 运输综合计划协同编制机理Fig.3 Collaborative preparation mechanism of comprehensive transportation plan

深圳城际铁路智能综合调度系统通过接入运行图、区间客流、运力资源等信息作为城际列车开行计划编制的输入条件，并且围绕“一列车一条运行线”方式在各专业计划之间共享列车运行线数据，从而实现运输生产计划的内部协同编制与同步调整；同时与外部运营主体调度系统设计数据交互内容，建立数据交互机制，实时交换计划与调整内容，促进区域轨道交通协同运营与运力统筹。

4.2 调度应急智能辅助决策

公交化运营模式下的城际列车行车间隔时间较短，客流密度较大，突发事件导致的运营中断急需在短时间内快速恢复，否则将造成较大的社会影响。调度在突发事件应急处置过程中发挥关键作用，主要负责突发事件信息的集散、评估事件影响、组织抢险、制定行车组织调整方案、盯控应急处置进度、内外信息通报报告以及事后总结分析等工作[14]。导致突发事件的风险源很多，包括车辆系统、供电系统、机电系统、通信信号系统、线路设施、沿线设施等软硬件设备设施发生故障或异常，车站大客流、社会安全事件、公共卫生事件、人员错误操作等人员因素，以及水灾、火灾、地震等自然灾害引发的突发事件。本着预防为主、应急快速的原则，智能综合调度指挥系统应实现设备设施状态监视与突发事件分级预警功能，便于调度员第一时间定位事件地点并做出有效反应。

在突发事件感知与预警环节，智能综合调度系统应通过与动车组系统、检测监测系统、电力监控系统、客站系统、综合监控系统、行车监控系统、票务系统、动车组运维系统、气象系统等各专业系统实现信息交互，动态获取调度员需要第一时间掌握的、对行车造成影响的环境、设备设施、客流的状态与异常告警信息，并设计集中展示界面进行监视，避免调度员在行车指挥过程中需要盯控多个系统终端的现象。针对社会安全、公共卫生、误操作等人员因素，实现信息快速上报通道，支持移动终端、固定终端同步上报，提供视频、图像、文本、语音等多种信息形式的上报，为调度员快速了解现场情况和收集事件信息提供技术支撑。

在事件影响评估、行车方案调整等业务环节，通过研究突发事件影响传播演化机理，对应急预案、运营突发事件的应急处置过程实施电子化管理，运用大数据与人工智能技术，对应急预案和历史突发事件信息进行机器学习，实现突发事件影响评估智能生成、行车调整方案智能推荐等智能化应急辅助决策功能，可大幅提升调度应急指挥效率，降低调度员的工作压力。

调度应急智能辅助决策功能设计如图4所示。

图4 调度应急智能辅助决策功能设计Fig.4 Design of auxiliary intelligent decision-making functions for emergency dispatching

4.3 调度命令一体化管理

调度命令是调度在日常行车组织过程中或非正常情况下以书面或口头形式下达的指令，是调度指挥行车工作和安全生产的必要手段，按照调度业务划分为行车、施工、供电、车辆、限速、客运等命令类型。智能综合调度系统应改变既有调度命令按照业务划分分别由不同业务系统承载的方式，实现调度命令的一体化统一管理，实现对行车调度命令、施工调度命令、供电调度命令、限速调度命令等不同类型调度命令的统一编制、下达与签收功能，便于挖掘调度命令数据价值和提升系统智能化水平。一体化调度命令子系统统一维护受令处所、命令模板等基础数据，同时支持书面命令和口头命令的编制与下达，改善既有深圳地铁口头命令通过调度电话、无线电话等方式下达，命令签收人需要进行抄写、复诵和确认的繁琐工作，通过语音识别技术实现对口头命令内容的识别与归档[15]，通过文本解析技术实现对命令关键信息的自动提取，为基于命令的智能控制、基于命令的计划自动调整、调度命令统计分析等智能化功能提供数据支撑。此外，一体化调度命令管理还应实现命令流程的全面贯通，增设司机、现场施工人员、车站值班员手持终端签收功能，改善既有地铁运营模式下车站值班员需要打印书面调度命令交于司机的现状，一方面可以提升调度命令执行效率，另一方面可以减少纸张使用，为双碳目标做出贡献。

4.4 管控一体化闭环管理

智能综合调度系统与行车监控系统(CTC/ATS)、电力监控系统(PSCADA)设计信息交互实现基于调度日计划、调度命令内容的自动控制与管控一体化闭环管理，可减轻调度员工作量，促进调度工作持续优化。智能综合调度系统主要承担运输生产计划编制下达、调度命令拟写下达、行车组织调整方案编制下达等调度决策业务，控制系统主要负责在决策执行环节实施生产控制与过程监视。智能综合调度系统将格式化的运输生产计划、调度命令等信息传递给控制系统，由控制系统根据格式化内容实施自动控制与人工确认，同时实时反馈执行情况，作为调度决策调整依据，实现精细化调度指挥。调度管控一体化闭环机理如图5所示。

图5 调度管控一体化闭环机理Fig.5 Closed-loop mechanism of integrated dispatching and control

5 结束语

深圳城际铁路智能综合调度系统通过运用信息融合、数据挖掘、智能计算、安全卡控等技术，可以实现城际铁路运输调度管理过程的数字贯通、流程互控与专业协同，能够较好地适配大湾区城际铁路一体化运营和多层次轨道交通融合发展的需求，为深圳城际铁路智能调度系统建设提供参考。系统设计的响应客流变化的列车运行方案动态调整、快速感知突发异常的行车集中监视、可持续优化的管控一体化闭环管控、基于全数字化管理的数据治理与智能评价等智能化核心功能可以辅助调度员精准高效地制定调度决策，优化运力配置，实现智能化调度与降本增效。