丁 昆 李 瑋 婁正良

*北京全路通信信號研究設(shè)計院 高級工程師 ,100070 北京

成都北編組站綜合自動化系統(tǒng) (CIPS)最突出的效果是在管控一體的平臺支持下,所有列車、調(diào)車進路均按計劃自動辦理執(zhí)行,不再需要值班員/信號員人工操作或確認。它不僅解決了調(diào)車進路的自動擇路問題,更有效地解決了調(diào)車進路的自動擇機問題,使列/調(diào)共存的進路全自動控制達到了實用化程度,現(xiàn)深入探討如下。

1 進路預告

調(diào)度計劃由中心行調(diào) (列車)和站調(diào) (調(diào)車)下達,值班員負責監(jiān)控執(zhí)行。為提前了解和掌握計劃意圖,以及執(zhí)行計劃的步驟,系統(tǒng)將各種計劃中與進路辦理有關(guān)的內(nèi)容匯總為指令集,動態(tài)地顯示在值班員的界面上,為此定義如下概念。

1.指令類型。每個指令有進路類型和計劃類型雙重屬性,對應(yīng)的進路類型有列車進路、調(diào)車進路、溜放進路、股道封/解鎖、停車器制動/緩解等;對應(yīng)的計劃類型有接/發(fā)列車、推峰、溜放、編組、本務(wù)機出/入庫和調(diào)車機單機折返等。

2.經(jīng)路。與計劃的最小單位 (如調(diào)車鉤)相對應(yīng),指一次作業(yè)所需要走行進路的總和。經(jīng)路可以跨場,也可以包含折返。一次作業(yè)所走經(jīng)路的不同選擇稱為經(jīng)路方案,改變經(jīng)路方案不允許改變經(jīng)路的源或目的,只能修改計劃。

3.路徑。指令的最小單位,指車場同咽喉區(qū)內(nèi)的一條長進路。一條經(jīng)路對應(yīng)多個路徑,即對應(yīng)1組指令集合。指令的計劃類型描述經(jīng)路,指令的進路類型描述路徑,同經(jīng)路下指令集的計劃類型相同,進路類型可以不同。一條路徑所對應(yīng)的不同進路選擇稱為進路變更,改進路變更不允許改變路徑的源和目的,但是改經(jīng)路方案可以改變路徑的源和目的,甚至可改變指令集的指令數(shù)量。如若路徑是長調(diào)車進路,一條路徑可能對應(yīng)多個基本進路,每個基本進路入口有調(diào)車信號機防護。

4.指令狀態(tài)。正常情況下一條指令從頭至尾會歷經(jīng)如下狀態(tài):未觸發(fā)、已觸發(fā)、受理、成功、啟用和結(jié)束;非正常狀態(tài)會出現(xiàn)故障、強制結(jié)束、強制重復。

5.指令參數(shù)。包括:計劃類型、進路類型、指令狀態(tài)、源、目的、車次、機車號、預計執(zhí)行開始時間、預計執(zhí)行結(jié)束時間、變更進路號、作業(yè)車輛數(shù)、在途長度、在途重量和其他。值班員界面可見參數(shù)可從中篩選,并以文字、字體、前景色和背景色的變化生動地表現(xiàn)出來。

值班員所見未觸發(fā)的指令即計劃預告,控制系統(tǒng)不理會未觸發(fā)的指令。指令結(jié)束后從值班員界面的指令表中消失,觸發(fā)后/結(jié)束前的指令狀態(tài)屬正在執(zhí)行中的指令,是值班員的監(jiān)控重點。

CIPS系統(tǒng)的指令匯總了不同計劃對編組站所有進路的要求,打包后再一起輸出交付執(zhí)行或監(jiān)督。在此基礎(chǔ)上,進路控制子系統(tǒng)按轄區(qū)劃分篩選各自的指令子集,調(diào)車機按機車號篩選指令子集;界面顯示則按照值班員崗位職責權(quán)限的監(jiān)控范圍篩選指令子集,并匯集在同一個指令表中顯示。

2 自動擇路

編組站計劃首先滿足閱讀需要,指導運輸生產(chǎn)。以調(diào)車鉤計劃為例,主要描述生產(chǎn)中現(xiàn)車的移動調(diào)車要求,但完成該工作所需走的進路要求是隱性的,不直接在計劃中表述。自動擇路的基本原理:首先從有序計劃的每個單步 (例如調(diào)車鉤)之間分析出所對應(yīng)經(jīng)路的源和目的,然后分解為以路徑為單位的指令集合,指令集中每條路徑的源與目的首尾相接,組成經(jīng)路的蹤跡,由此將計劃所對應(yīng)的進路顯性化,進而將路徑的源/目的轉(zhuǎn)換為聯(lián)鎖系統(tǒng)辦理進路的始/終端按鈕,就完成了自動擇路過程。

列車擇路嚴格要求固定,沒有優(yōu)化空間,而調(diào)車擇路允許有較大的優(yōu)化空間,體現(xiàn)在合理選擇徑路方案和進路變更方面,其中徑路方案包括合理選擇咽喉區(qū)進路,以及合理使用經(jīng)由股道、牽出線、機待線或折返線等。自動擇路的智能決策通?？紤]如下因素。

1.避讓。經(jīng)路所經(jīng)由的股道、牽出線、機待線或折返線上可能有存車或正被其他作業(yè)所使用,應(yīng)比選找出不受影響的方案,主動避讓,減少等待時間。

2.最短進路。若多個經(jīng)路方案均平等可用,應(yīng)選擇走行最短的方案。CIPS系統(tǒng)內(nèi)儲存了站場電子地圖,包括進路上每個區(qū)段的長度,通過累計可算出不同方案的走行距離,從而可通過數(shù)值比較選出最短進路。如果經(jīng)路上有折返,不同方案的折返點不同,應(yīng)根據(jù)折返點計算走行距離。

3.在途車列長度。經(jīng)路方案中有在牽出線或折返線上折返時,盡頭線有效長度,即折返距離須大于機車編掛在途車輛換長,否則該折返點不能出現(xiàn)在方案中。非盡頭線折返應(yīng)根據(jù)在途長度判斷是否有必要占用其他車場咽喉折返,占用與否會引起經(jīng)路指令集的下屬路徑數(shù)量不同。

4.平行作業(yè)原則。經(jīng)路方案/進路變更的選擇應(yīng)考慮為后面的其他作業(yè)留出空間,增加平行作業(yè)的機會,減少作業(yè)間的相互干擾。通過不同路徑橫向比較認定是否存在平行作業(yè)的機會,即查看不同經(jīng)路下路徑的時間與空間是否存在交叉,有則設(shè)法分別從各自的徑路方案/進路變更中找出相容的可平行作業(yè)組合。

5.區(qū)段分路不良。進路上遇有事先標注軌道分路不良的區(qū)段,應(yīng)盡量在選路決策時主動選擇規(guī)避,或避開徑路方案中對分路不良區(qū)段有轉(zhuǎn)轍要求的道岔,減少人工現(xiàn)場確認列/調(diào)車出清軌道分路不良區(qū)段的情況。擇路決策的主動規(guī)避行為并不絕對,當規(guī)避不開時,仍需按人工現(xiàn)場確認出清的要求辦理進路,此時需值班員操作道岔單鎖/單封進行安全防護。

6.電力機車。如果機車屬性為電力機車,須通過檢查,保證所選方案在整個經(jīng)路上均有接觸網(wǎng),否則經(jīng)路方案不成立。

3 自動擇機

自動擇機功能是通過上層管理系統(tǒng)運算邏輯輸出觸發(fā)指令而實現(xiàn),被觸發(fā)的指令才能執(zhí)行。按計劃自動執(zhí)行并不意味著要按照計劃預計的執(zhí)行時間觸發(fā),而是必須滿足擇機的充分必要邏輯條件,相對于計劃預期時間可能提前或推遲。指令觸發(fā)過晚影響生產(chǎn)效率,觸發(fā)過早可能危及行車安全,因此觸發(fā)運算邏輯必須慎密和嚴謹。CIPS擇機運算考慮以下因素。

1.遵守計劃。這是自動擇機的原則,應(yīng)完全以計劃為依據(jù),不得有觸發(fā)不當而違背計劃的情況發(fā)生。如果計劃不合理、不優(yōu)化,應(yīng)該在計劃環(huán)節(jié)解決問題,先調(diào)整計劃后調(diào)整執(zhí)行,自動執(zhí)行過程不允許在實施環(huán)節(jié)擅自 “優(yōu)化”,形成不履行計劃的事實。

2.工作流程。編組站的主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)是到、解、集、編、發(fā),這些環(huán)節(jié)必須按照嚴格工作流程作業(yè),形成生產(chǎn)流水線。如圖1所示,以有調(diào)到達/出發(fā)列車加工過程為例。如果將單一列車從進站到出站所經(jīng)不同環(huán)節(jié)的加工順序定義為縱向鏈接,而將不同列車在同一加工環(huán)節(jié)的排隊順序定義為橫向鏈接,兩者交織構(gòu)成編組站的生產(chǎn)鏈接,那么縱向鏈接是剛性的,按標準化規(guī)范作業(yè);橫向鏈接由計劃所明示,應(yīng)嚴格按計劃要求執(zhí)行,橫、縱向鏈接將每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)編織在網(wǎng)格上。來自橫、縱鏈接的信息要件包括時間、地點、機車和車流在上下游之間的對接。

圖1 編組站工作流程圖

指令自動觸發(fā)的基本原理是在工作流程的上一個環(huán)節(jié)執(zhí)行結(jié)束,根據(jù)鏈接關(guān)系實時觸發(fā)啟動進入下一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)。由于存在橫、縱向雙重鏈接,判別進入下一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的邏輯運算必須要同時滿足來自 2個不同方向的充分必要條件,這些條件的狀態(tài)信息來自于執(zhí)行控制環(huán)節(jié)的反饋,例如指令狀態(tài)為結(jié)束。如果上個環(huán)節(jié)結(jié)束但不具備進入下一個環(huán)節(jié)的條件,則需要等待,直至條件滿足才能觸發(fā)。

3.車流鏈接。按標準化工藝和計劃順序共同確定的工作流實現(xiàn)自動擇機,仍不能解決所有遵守計劃的問題,例如圖 1編組站工作流程圖中解體與集結(jié)之間屬多對多關(guān)系,解體與編組分屬 2個不同的計劃隊列,兩者之間沒有顯性的因果關(guān)系。除此之外還有圖中未盡表述的解體與取送、取送與編組、取送與取送、無調(diào)中轉(zhuǎn)列車的減軸/補軸與發(fā)車等均屬隱性關(guān)系,編組站的取送環(huán)節(jié)包括物流、貨場、站/段修車等地點取送車作業(yè)。隱性關(guān)系的制約要素是車流鏈接,即不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)之間可能存在現(xiàn)車交接的因果關(guān)系,由此另辟出一條自動擇機的重要出路:每執(zhí)行一個計劃對應(yīng)的經(jīng)路,不論列車或調(diào)車,凡涉及現(xiàn)車移動,觸發(fā)前均必須通過推理檢驗該經(jīng)路執(zhí)行后形成的編組站實際現(xiàn)車與計劃現(xiàn)車絕對一致,如果不一致說明其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)未完成,需等待直至一致后方可觸發(fā)。

車流鏈接檢查作為自動擇機的普遍原理,不僅將計劃中隱性關(guān)系顯性化,從中挖掘出不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)執(zhí)行中的因果關(guān)系,而且即便存在顯性關(guān)系表征,車流鏈接檢查也作為自動擇機的安全保障底線而起到關(guān)鍵作用。

反之,為了滿足車流鏈接檢查的需要,每執(zhí)行完成一個經(jīng)路,都必須根據(jù)進路控制系統(tǒng)的反饋實時自動更新實際現(xiàn)車。若更新不及時可能影響其他環(huán)節(jié)的觸發(fā),進而影響生產(chǎn)進度。

4.路權(quán)控制。流程鏈上下游生產(chǎn)環(huán)節(jié)為串行。同生產(chǎn)環(huán)節(jié)不同計劃之間為有序串并結(jié)合,沒有鏈接關(guān)系的不同計劃,在不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)為無序并行,構(gòu)成高效平行作業(yè)。但是并行無序仍然會因爭搶站場的共用資源發(fā)生交集,表現(xiàn)為進路相擾無法平行作業(yè),于是存在誰讓誰的問題。從自動擇機的角度很容易用優(yōu)先者先觸發(fā)的手段調(diào)控路權(quán),但優(yōu)先權(quán)的裁決是相對復雜的智能優(yōu)化過程。

智能裁決的前提條件是系統(tǒng)能夠客觀地判別進路是否相擾,惟有在此,計劃的進度預期將發(fā)揮重要作用。系統(tǒng)采取了 2項舉措保障計劃進度的準確性。

1)根據(jù)單一指令對應(yīng)的走行路徑距離,按調(diào)程 (調(diào)車)或行程 (列車),以及不同的走行速度,計算每個指令的執(zhí)行起止時間。計算中計入列車/調(diào)車所牽引車輛的在途長度,再根據(jù)路徑執(zhí)行時間累計計算經(jīng)路的執(zhí)行起止時間。

2)動態(tài)地根據(jù)前指令的實際執(zhí)行反饋,隨時重新調(diào)整后指令的進度預期,包括根據(jù)實際開始時刻,重新調(diào)整走完路徑所預計的結(jié)束時刻。如果未按期結(jié)束,順延調(diào)整后續(xù)指令的起止時刻。

基于上述工作,獲得每個路徑的預計工作進度,可以在路徑層面上橫向跨指令判別是否同時存在時間與空間的交叉,若交叉則認定為相擾。如果已知相擾,優(yōu)先原則是急用先行,具體方法很多,例如列車優(yōu)先、先到先走(按開始時刻優(yōu)先)、占用期短優(yōu)先(按結(jié)束時刻優(yōu)先)、優(yōu)先保障不間斷溜放等等。

5.觸發(fā)順序。在路徑層面上,盡量按聯(lián)鎖系統(tǒng)的長進路辦理。若變更進路,則按基本進路分段辦理,當然依照信號由遠至近的開放原則。但是對于經(jīng)路層面的下屬不同路徑,可通過觸發(fā)順序和觸發(fā)時機控制實現(xiàn)。無負荷的單機調(diào)車,按照走一段辦一段的原則由近至遠辦理;有在途現(xiàn)車的調(diào)車,按照由遠至近辦理;跨場列車經(jīng)路一次性由近至遠辦理等。

6.補漏。自動擇路代替人工辦理進路,要對聯(lián)鎖系統(tǒng)無法顧及的安全負責。例如聯(lián)鎖系統(tǒng)執(zhí)行調(diào)車進路時,通常不加區(qū)別地均不檢查股道或無岔區(qū)段有車占用,但對于自動擇機邏輯,經(jīng)路的目的地有車占用可不檢查,但必須檢查中間路徑目的地有車占用,等待直至出清后才可觸發(fā)辦路;遇無軌道電路區(qū)段,須檢查實時現(xiàn)車為空 (無存車)。

4 人工干預

1.計劃干預。計劃干預是系統(tǒng)推薦的主流模式,因為 CIPS完全按照計劃自動執(zhí)行,如果執(zhí)行中發(fā)現(xiàn)不妥或臨時起意,可以隨時人工修改計劃來干預執(zhí)行。計劃干預的限制是待改計劃的最小計劃單位所涉及的經(jīng)路未觸發(fā)前,或經(jīng)路目的地變更但其下屬已觸發(fā),或使用中路徑的指令不被改變。當然系統(tǒng)也具有在計劃層面上主動修改計劃,以自動適應(yīng)實際執(zhí)行需要的決策優(yōu)化功能,。

2.指令干預。分為擇路干預和擇機干預 2種情況。擇路干預包括改變經(jīng)路方案和/或進路變更,限制是所涉及改變的路徑尚未觸發(fā)。擇路干預不可改變計劃,即不得改變經(jīng)路的源或目的等要素。由于自動擇機功能的突發(fā)性,對系統(tǒng)自動擇路的優(yōu)化要求驟然提高,因為當值班員從站場表示的光帶上看見自動所選之路不夠滿意,已錯過了選路干預的時機。未觸發(fā)的指令不允許擇機干預,故系統(tǒng)基本上不提供擇機干預的手段。但是對已觸發(fā)指令可以進行強制結(jié)束或強制重復操作,主要用于維修目的,或用于配合進路干預。

3.進路干預。指在自控模式下允許人工從調(diào)度集中界面上,或控制系統(tǒng)提供的人機界面上直接采用始終端方式辦理進路。由于進路干預旁路了自動執(zhí)行必須履行計劃的保障體系,也旁路了自動擇機的安全檢查機制,因此需要完全由人工提供保障。在 CIPS自控模式下,一次進路干預可引起系列操作:叫停調(diào)車組—人工取消已自動辦理之路—人工始終端辦理新的進路—強制結(jié)束相關(guān)的指令,可見不很方便。此外進路干預占用資源會無法預期地干擾自動擇機/擇路。

綜上所述,建議不要輕易使用進路干預。根據(jù)幾個編組站的實踐,以下情況會用到進路干預手段:①沒有計劃的進路,例如工務(wù)軌道車、救援車在站內(nèi)的調(diào)車等情況;②因錯過機會已無法通過修改計劃來改變執(zhí)行,客觀上需要直接進路干預違背計劃執(zhí)行;③如果認為自動擇路不夠優(yōu)化且錯過了指令擇路干預的有效期而不得不采用進路干預;④指令干預無法改變擇機,因此也無法直接干預相擾情況下的路權(quán)控制,但是對可預期的優(yōu)先進路,通過進路干預在始端或終端提前 “戴帽”阻塞,系統(tǒng)識別后自動降低優(yōu)先級,從而間接改變了相擾情況下的路權(quán)控制。

5 調(diào)度計劃

調(diào)度計劃是自動執(zhí)行的依據(jù),如果要實現(xiàn)上述自動擇機/擇路功能,就要對計劃的信息管理提出諸多要求。

從圖 1編組站工作流程圖可見,行車計劃支配接/發(fā)列車執(zhí)行;調(diào)車計劃支配解體/編組執(zhí)行;機車交路計劃支配本務(wù)機出/入庫;此外還有列檢計劃和貨檢計劃等。從分工種解讀的角度,這些計劃是針對性和離散的,但是從管理信息的角度,如果沿用不同的信息平臺分管不同的計劃,例如 TDCS管理行車計劃、車站系統(tǒng)管理現(xiàn)車與調(diào)車計劃、編組站調(diào)度監(jiān)督或調(diào)度集中系統(tǒng)單獨管理控制與反饋信息,甚至繼續(xù)開發(fā)列檢/貨檢平臺另行管理技術(shù)作業(yè)計劃,就無法保障擇機所必需的工作流程鏈接和車流鏈接技術(shù)控制生產(chǎn)順序。多平臺情況下采用跨平臺信息共享,仍無法滿足自動擇機/擇路對計劃嚴謹性和信息安全性的要求,無法解決計劃分管與生產(chǎn)流水線統(tǒng)一自動控制的矛盾。由于流程鏈接信息包含時間、地點、機車和車流跨計劃間的動態(tài)對接,只有采用集成的公共信息平臺統(tǒng)一管理和權(quán)威發(fā)布計劃驅(qū)動執(zhí)行過程,才能從技術(shù)上在動態(tài)中保障計劃之間始終保持一致,維系緊密的鏈接關(guān)系。

調(diào)度計劃在滿足生產(chǎn)人員閱讀和滿足過程控制系統(tǒng)自動執(zhí)行的深度上完全不同,從自動執(zhí)行的需要出發(fā),必須具有計劃與執(zhí)行的互動,計劃管理與控制閉環(huán),計劃隨著執(zhí)行反饋動態(tài)地調(diào)整進度和決策,計劃才稱之為自動執(zhí)行的不折不扣的信息源。

為適應(yīng)自控,尤其是自動擇機的需要,對調(diào)度計劃信息處理的實時性要求驟然提高,沿用傳統(tǒng)IT技術(shù)和手段難以適應(yīng)。計劃的創(chuàng)建與修改 (無論自動決策還是人工干預),必須根據(jù)當前的執(zhí)行狀況受限和制約,否則計劃會因無法執(zhí)行而使生產(chǎn)流水線停擺,在這個意義上,計劃的可持續(xù)操作性保障機制比計劃的決策優(yōu)化功能更為重要。

6 結(jié)論

CIPS以信息集成為核心,集編組站所有生產(chǎn)計劃和過程監(jiān)控于一體,采用調(diào)度計劃信息管理與進路自動控制一體化的技術(shù),將信息處理范圍從傳統(tǒng)意義的調(diào)度計劃管理,擴展為直接驅(qū)動流水線上各個下層控制系統(tǒng)執(zhí)行的大聯(lián)動機,并系統(tǒng)地采用信息聯(lián)鎖技術(shù),梳理、固化從計劃到執(zhí)行的安全保障體系和機制,實現(xiàn)了按計劃自動擇機/擇路的特有模式,用技術(shù)保障代替人為保障安全,用自動化大量替代人的體力勞動和腦力勞動,成功地取消了信號員,縮減了值班員,實現(xiàn)了編組站運營層核心崗位人員的大集中和大幅度減員增效。

[1］ 丁昆.成都北編組站綜合集成自動化系統(tǒng)[J].中國鐵路,2006(8).

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