基于B/S 架构的列车运行图智能编制系统设计与开发

潘伟健，胡钰绅，李 伟，周 珺，罗 钦

（1. 深圳地铁运营集团有限公司 调度中心，深圳 518053；2. 深圳技术大学 城市交通与物流学院，深圳 518118）

城市轨道交通系统中的列车运行图和列车时刻表是运输组织工作的基础，对于城市轨道交通的列车运行组织和调整起着重要的作用。目前，城市轨道交通列车运行图编制主要有人工编制及第三方工具编制等方式。然而，由于运行图编制过程涉及的因素众多、数据量庞大，编制工作耗时且繁琐，因此，有必要开发一种高效、智能化的列车运行图编制系统。

倪少权等人[1-2]对列车运行图编制的规则提出了基本要求，并指出计算机编制运行图技术的推广应用在很大程度上取决于计算机编图软件的质量水平；张菡[3]指出，计算机编制运行图技术仍存在数据准确度不高、数据实时性不强、数据共享性不足等问题。早期的列车运行图编制系统一般采用Windows 平台，利用Visual C++ 6.0 和数据库Access 实现[4-5]。随着计算机技术的发展，刘庆磊等人[6]基于SQLite 数据库，运用Visual Studio 工具设计开发了基于C/S 架构的列车运行图编制系统；廖志林等人[7]基于JavaEE 技术体系构建了铁路调度工作质量评价及辅助决策系统；赵旭辉等人[8]使用VML+JSP 技术，通过读取后台的列车时刻表数据，动态生成运行图，及时地反映出列车数据的动态变化；靳磊等人[9]提出基于 Web 技术栈的列车运行图绘制方案，在服务端采用微服务架构及多线程并发技术，并在前端采用 HTML5 Canvas 图形绘制技术，提高了绘图性能及响应效率；李诗雅[10]则采用ASP.NET 技术，基于HTML5 和GDI+静态图片绘图技术实现列车运行图的编制。上述列车运行图编制系统在系统架构、功能扩展性和定制化开发等方面存在限制，性能和效率也受到一定的制约。基于B/S 架构的列车运行图智能编制系统具有跨平台性、良好的可扩展性和灵活性，可集中管理和维护，能够提供高效和智能化的编制等诸多优点。

基于上述研究，本文设计开发了基于B/S 架构的列车运行图智能编制系统，实现列车运行图的一键生成、自动铺图及动态可视等功能，以满足城市轨道交通运营人员对编制效率和质量的要求。

1 系统架构

列车运行图智能编制系统基于B/S 架构，前端负责列车运行图的调整与展示，利用Web 技术实现，包括HTML、CSS 和JavaScript 等核心技术，创建一个直观、动态交互的用户界面；后端负责运行图编制的智能算法与数据共享，通过ASP.NET 技术，利用C#开发平台封装运行图智能编制的核心算法，实现系统的设计与开发。列车运行图智能编制系统架构如图1 所示。

图1 列车运行图智能编制系统架构

1.1 数据库层

数据库层用于存储和管理运行图编制所需要的各种数据，包括车站/区间/线路属性相关数据、列车相关属性数据、客流需求分析数据、开行方案参数设计依据、运行图及时刻表数据等，为后续的数据处理和计算提供基础。

1.2 后端层

后端层包含3 个主要模块：客流分析、全日行车计划和列车运行图编制优化。其中，客流分析模块用于分析和预测客流量；全日行车计划模块用于制定全日列车运行计划，根据客流量、列车间隔、车辆资源等因素，生成合理的列车运行计划；列车运行图编制优化模块根据客流分析和全日行车计划的结果，进行列车运行图的编制优化。该层的作用是数据处理、算法计算和生成列车运行图。

1.3 前端层

前端层包含运行图的展示和可视化界面，如客流分析结果、列车运行交路及列车运行图等。该层的作用是将后端生成的数据和结果以直观的方式呈现给用户，便于用户查看、分析和调整运行图。

2 系统功能

基于B/S 架构的列车运行图智能编制系统功能主要包括基础数据及编图参数确定、运行交路信息定义、全日行车计划编制、运行图铺画、运行图调整优化、冲突检查及验证、结果输出等。

2.1 基础数据及编图参数确定

列车运行图编制的基础是确定线路基础信息和编图参数。基础信息包括车站信息、区间信息、停站标尺和运行标尺。车站信息涉及车站的名称、位置和特征；区间信息涉及相邻车站之间的距离和线路特性；停站标尺确定列车在每个车站停留的时间；运行标尺确定列车在区间之间的运行时间。编图参数包括正线最小追踪间隔、出入库间隔和车站折返信息等。

2.2 运行交路信息定义

列车运行图智能编制系统需要定义的运行交路信息有交路信息和交路股道信息。交路信息包括途径车站、载客情况、运行方向、编组和定员等，确保运行图准确反映列车路径、载客情况和车辆配置；交路股道信息包括起始站点股道和途径股道，确保列车按预定股道行驶，保障运行顺畅和安全，有助于优化线路资源分配，为运行图编制提供基础依据。

2.3 全日行车计划编制

全日行车计划编制是列车运行图智能编制系统中的关键步骤，包括确定列车首/末班车时间、高峰时段列车密度等，以满足乘客出行需求，确保运行图的合理性和可执行性。全日行车计划编制界面如图2 所示。

图2 全日行车计划编制示意

（1）根据线路规划和运输需求，选择合适的运行交路，满足运输组织和乘客需求；

（2）根据实际客流量和运输计划，确定各运行交路的开行比例；

（3）综合运行交路、使用标尺、开行计划和折返时间等要素，确定全日行车计划；

（4）确定折返时间，即列车在终点站进行折返的时间，以确保列车按时返回起始站点，实现运行图的循环性和连续性。

通过编制全日行车计划，系统能够合理安排不同交路的开行数量和比例，规划列车运行时间、频次和交路顺序，提高运输效率、满足乘客出行需求，确保运行图的合理性和稳定性。

2.4 运行图铺画

运行图铺画是指根据编图参数和交路信息，将列车运行时刻表和交路安排绘制在运行图上的过程。通过该功能，可以直观地展示列车运行路径和时刻表，为后续检查和调整提供基础，如图3 所示。

图3 列车运行图铺画示意

2.5 运行图检查与调整

运行图的检查与调整是列车运行图智能编制系统中的重要环节，包括对列车运行冲突、列车折返冲突及折返股道占用等情况的检查，如图4 所示。

图4 列车运行图的检查示意

（1）检查列车之间是否存在运行冲突，即是否满足区间或车站上下行列车的追踪间隔；

（2）检查列车折返时间，判断折返股道的占用时间是否足够列车完成折返操作，同时不影响其他列车的正常运行；

（3）检查折返股道的占用情况，即分析列车折返时间和折返股道的占用情况，避免折返股道被其他列车占用而引发冲突。

通过对运行图检查，识别潜在的冲突，通过合理调整和优化，解决列车运行冲突、折返冲突及折返股道占用等问题。

2.6 编制结果输出与发布

提供多种运行图输出与发布方式，包括：PNG格式列车运行图、PDF 格式列车运行图、列车运行时刻表、列车运行图接口文件及列车运行图技术指标。通过编制结果输出与发布功能，满足用户对于不同格式和内容的运行图信息的需求，方便运行图的共享、查看和应用。

3 关键技术

3.1 可视化展示

既有的列车运行图编制系统可视化展示的功能较弱，给运行图的编制带来了一些困难。列车运行图智能编制系统通过引入B/S 架构和ZRender 框架，优化了其可视化展示能力。基于数据驱动的可视化展示能够提供由列车运行时刻表到列车运行图的直观转换，辅助编制人员生成运行图，提高了编制效率和准确性。

利用ZRender 框架来增强对列车运行图的绘制、展示和交互功能。ZRender 框架是一个基于HTML5 Canvas 的开源绘图库，其强大的二维绘图引擎提供了轻量级的Canvas 类库，使用MVC 封装和数据驱动，提供类Dom 事件模型，只需要定义运行图数据即可创建各种图形元素，例如，可以利用线段、矩形等来表示轨道、车站和列车等元素，以展示列车在不同时间段的运行状态和位置。同时，ZRender 框架也提供了完整的事件封装和丰富的交互功能，用户可以对运行图进行缩放、拖拽、选中等操作，以便于查看和编辑运行图。

3.2 数据处理和优化

B/S 架构下的列车运行图智能编制系统，须解决大规模数据处理和优化问题。包括处理前后端庞大的数据交换、确保数据准确性及设计高效后台算法和优化策略。为解决这些问题，采用B/S 架构和分布式计算技术进行数据分片处理和并行计算，同时，利用优化算法和数据压缩技术减少存储量和传输量，提高运行图编制与展示的效率和准确性。

3.3 即时反馈和提示机制

基于B/S 架构的列车运行图智能编制系统存在数据更新和反馈延迟的问题。为此，引入即时反馈和提示机制，利用ZRender 框架与网页异步传输技术（Ajax，Asynchronous Javascript And XML），通过局部刷新与即时交互实现实时数据同步和更新，异步与服务器通信以缩短数据更新和反馈的延迟，提高运行图编制的及时性和准确性，确保运行图能够及时地反映实际数据情况。

4 系统应用

基于B/S 架构的列车运行图智能编制系统已在深圳地铁12 号线、14 号线、16 号线、20 号线等多个工程项目中安装使用。其基础数据管理与可视化展示、全日行车计划编制与调整优化、列车运行图智能编制与调整、浏览与审核等多项功能运行平稳。此外，该系统还拥有灵活便捷的人机对话界面，能够满足地铁各线路信号系统、复杂运营交路安排、快慢车运营、各线路之间的换乘接驳等约束条件，其技术指标满足多种开行方案匹配、列车衔接优化、车底周转均衡、实时智能调整等关键需求。应用结果表明，该系统能够满足编图人员的运行图策划、编制与设计要求，取得了良好的实际应用效果。

5 结束语

面向地铁智慧运输和数字化转型的需求，本文基于B/S 架构设计了列车运行图智能编制系统，实现了基础数据及参数确定、运行交路信息定义、全日行车计划编制、运行图铺画、运行图调整优化等功能；通过引入B/S 架构和ZRender 框架，实现了列车运行图的智能化编制；通过数据驱动和二维绘图引擎，提高了运行图编制系统的灵活性和可扩展性；同时，支持列车运行图编制的网络协作和业务审批，满足不同用户的需求和应用场景，提供更直观、高效的编制方式，大幅降低了编图人员人工编图工作量，提升了列车运行图的编制效率。该系统已在深圳地铁多条线路实际应用，取得了良好的使用效果，具有推广和应用价值。

由于本文设计的列车运行图智能编制系统仅考虑传统运营模式的轨道交通线路，尚未适配灵活编组运营、跨线运营等新型运营模式，同时，深度强化学习技术在列车运行图编制领域备受关注，已成为研究的热门方向。因此，后续将重点研究多运营模式的适配，以及基于人工智能的运行图编制技术。