趙宏濤,許 偉,陳 峰,王 濤
列車運(yùn)行計(jì)劃是鐵路企業(yè)開展運(yùn)輸調(diào)度工作的規(guī)則和依據(jù),對(duì)發(fā)揮運(yùn)輸資源能力、保障行車安全具有基礎(chǔ)性作用[1]。隨著高速鐵路路網(wǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大,運(yùn)行線間沖突日益嚴(yán)重,線間制約關(guān)系越發(fā)錯(cuò)綜復(fù)雜。通過人機(jī)對(duì)話方式移線消解線間沖突,不僅效率低,而且準(zhǔn)確率難以保證。在智能鐵路[2]框架下,高速鐵路列車運(yùn)行計(jì)劃自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)輸場(chǎng)景及預(yù)先設(shè)置的調(diào)整策略,利用列車交路、最小折返時(shí)間和股道運(yùn)用等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),針對(duì)設(shè)備故障、自然災(zāi)害和施工封鎖等影響列車正常運(yùn)行秩序的情形,以計(jì)劃時(shí)間指標(biāo)引導(dǎo)優(yōu)化過程,構(gòu)造高質(zhì)高效的智能調(diào)整方案,促進(jìn)調(diào)度集中控制更深層次的自動(dòng)化演進(jìn)。
鐵路行車信息化建設(shè)中,分散自律調(diào)度集中(Centralized Traffic Control,CTC)等系統(tǒng)相繼投入運(yùn)營[3],改善了運(yùn)輸指揮中數(shù)據(jù)結(jié)合方式,增強(qiáng)了系統(tǒng)協(xié)同能力。但現(xiàn)階段既有高速鐵路列車運(yùn)行計(jì)劃調(diào)整系統(tǒng)(以下簡稱“既有調(diào)整系統(tǒng)”)更多借助計(jì)算機(jī)輔助工具由人工完成主要智能工作,調(diào)度行為多受現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度員個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、能力及習(xí)慣影響。一方面,頻發(fā)的鐵路突發(fā)事件和繁重的施工計(jì)劃使人工調(diào)整模式在輸出計(jì)劃的可用性、一致性和優(yōu)化率等方面難以達(dá)到最優(yōu);另一方面,層次模糊的既有系統(tǒng)架構(gòu)緊密耦合上層交互和底層業(yè)務(wù)邏輯,系統(tǒng)可擴(kuò)展性較差。隨著我國高速路網(wǎng)密度持續(xù)增加,既有調(diào)整系統(tǒng)已經(jīng)難以適應(yīng)鐵路信息化發(fā)展趨勢(shì)。
針對(duì)既有調(diào)整系統(tǒng)不足,高速鐵路列車運(yùn)行計(jì)劃自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)(以下簡稱“自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)”)在設(shè)計(jì)原則上遵循:①計(jì)劃調(diào)整策略應(yīng)符合相關(guān)技術(shù)規(guī)章制度;②提供場(chǎng)景策略人工定制功能;③具備操作簡練、安全可靠等特點(diǎn)。在功能需求上:①建立高速鐵路線路和調(diào)度管轄區(qū)域靜態(tài)模型;②通過對(duì)路網(wǎng)內(nèi)動(dòng)態(tài)運(yùn)行列車實(shí)時(shí)追蹤、晚點(diǎn)預(yù)測(cè)和計(jì)劃交互,建立典型事件下列車交路、運(yùn)行時(shí)分和到發(fā)線運(yùn)用等關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)庫;③在既有運(yùn)輸資源限制下,基于特定場(chǎng)景及策略,生成智能調(diào)整方案。
解耦上層應(yīng)用交互、中間業(yè)務(wù)邏輯與底層數(shù)據(jù)存儲(chǔ),設(shè)計(jì)3層架構(gòu)的列車運(yùn)行計(jì)劃自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)。既有調(diào)整系統(tǒng)和自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較如圖1所示。
圖1 既有調(diào)整系統(tǒng)和自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較Fig.1 System structure comparison
(1)應(yīng)用層的N個(gè)計(jì)劃交互終端。自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)與調(diào)度員的交互媒介,負(fù)責(zé)將優(yōu)化編制結(jié)果形式化呈現(xiàn)于用戶;接收用戶人工確認(rèn),形成最終行車依據(jù)。
(2)業(yè)務(wù)層的一個(gè)計(jì)劃調(diào)整子系統(tǒng)。計(jì)劃自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的業(yè)務(wù)核心,主要實(shí)現(xiàn)以下3類功能。①計(jì)劃自動(dòng)調(diào)整功能。模塊通過調(diào)整策略定制,在線路既有靜態(tài)模型框架和運(yùn)輸資源限制下,以列車運(yùn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)源,獲取高效率、無沖突的列車運(yùn)行計(jì)劃。②數(shù)據(jù)庫持久化功能。模塊直連數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)計(jì)劃數(shù)據(jù)的持久化功能。統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互節(jié)點(diǎn)可以減少數(shù)據(jù)庫訪問次數(shù),提高代碼重用性,解耦合底層數(shù)據(jù)操作和上層業(yè)務(wù)邏輯。③對(duì)外信息交互功能。模塊通過數(shù)據(jù)庫或內(nèi)存訪問,響應(yīng)終端設(shè)備請(qǐng)求;綜合處理線路內(nèi)報(bào)點(diǎn)、小編組和現(xiàn)在車等信息。集中管理的數(shù)據(jù)中心有助于挖掘和發(fā)揮數(shù)據(jù)協(xié)同價(jià)值。
(3)數(shù)據(jù)層的一個(gè)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一管理和控制,以保證數(shù)據(jù)庫的安全性和完整性。
此外,完成設(shè)備接入、信息交互和功能控制的應(yīng)用服務(wù)器以及執(zhí)行安全卡控和信息回送的車站設(shè)備等,需為整套系統(tǒng)做適應(yīng)性修改。
針對(duì)既有調(diào)整系統(tǒng)可擴(kuò)展性較差、應(yīng)對(duì)突發(fā)事件和施工計(jì)劃能力不足等缺陷,重點(diǎn)考慮在系統(tǒng)可用性、數(shù)據(jù)一致性和檢索高性能等方面進(jìn)行完善。
(1)系統(tǒng)可用性。交互終端與調(diào)整單元分離,數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分離。3層架構(gòu)中,多終端按臺(tái)別分別實(shí)現(xiàn)計(jì)劃的輸入、編輯、確認(rèn)和上傳功能,運(yùn)行圖調(diào)整子系統(tǒng)入庫數(shù)據(jù)并下發(fā)終端自動(dòng)調(diào)整方案和歷史查詢反饋?!半p機(jī)熱備、主發(fā)雙收”的主備模式依靠核心數(shù)據(jù)訂閱和變化數(shù)據(jù)推送,實(shí)現(xiàn)主備嚴(yán)格同步。系統(tǒng)功能集中、層級(jí)清晰,高內(nèi)聚、低耦合的計(jì)算平臺(tái)易于控制、延展和分配資源,提升系統(tǒng)突發(fā)事件處理能力,保證了系統(tǒng)可用性。
(2)數(shù)據(jù)一致性。計(jì)劃交互終端為計(jì)劃輸入來源及人工確認(rèn)節(jié)點(diǎn)。終端在本地結(jié)構(gòu)化臨時(shí)存儲(chǔ)計(jì)劃信息以分?jǐn)偞鎯?chǔ)壓力的同時(shí),具備自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移能力,而計(jì)劃的最終持久化位置為中心數(shù)據(jù)庫。分布式系統(tǒng)下,為實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)異構(gòu)數(shù)據(jù)有效融合和模塊分區(qū)容錯(cuò)性,需在數(shù)據(jù)強(qiáng)一致性和可用性之間做平衡。自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)通過增加由創(chuàng)建時(shí)間和遞增數(shù)組成的計(jì)劃時(shí)間戳附加信息,犧牲節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的暫時(shí)一致性換取數(shù)據(jù)的最終一致性。在網(wǎng)絡(luò)中斷、節(jié)點(diǎn)故障等突發(fā)事件下,計(jì)劃交互終端可使用已存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行脫機(jī)工作。故障恢復(fù)后,終端根據(jù)時(shí)間戳,對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)與服務(wù)器數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配和融合,保證數(shù)據(jù)完整性和一致性。
(3)檢索高性能。運(yùn)行圖調(diào)整子系統(tǒng)抽象數(shù)據(jù)庫訪問層,實(shí)現(xiàn)讀寫操作分離和數(shù)據(jù)庫連接管理,完成持久層與數(shù)據(jù)訪問層的高效配合。計(jì)劃交互終端采用三級(jí)緩存機(jī)制:底層緩存實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與硬盤數(shù)據(jù)的完整映射,中層常用數(shù)據(jù)采用二叉樹存儲(chǔ)格式,上層核心數(shù)據(jù)采用Hash表存儲(chǔ)格式,查找時(shí)間復(fù)雜度分別為O(n)、O(lnn)和O(1)。針對(duì)頻繁使用且耗費(fèi)內(nèi)存的運(yùn)行線信息,以運(yùn)行線ID生成矢量列表,壓縮檢索條件構(gòu)建的稀疏位圖索引矩陣,建立索引位與運(yùn)行線序號(hào)映射關(guān)系,實(shí)現(xiàn)計(jì)劃線的各類高性能排序和檢索。
作為自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)核心,中間業(yè)務(wù)層的高速鐵路列車運(yùn)行計(jì)劃自動(dòng)調(diào)整子系統(tǒng)(以下簡稱“自動(dòng)調(diào)整子系統(tǒng)”)接收外部調(diào)整場(chǎng)景及策略人工編輯輸入,形式化列車實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、突發(fā)事件數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù),在優(yōu)化目標(biāo)指引下,通過后臺(tái)調(diào)整算法實(shí)時(shí)、智能移動(dòng)運(yùn)行線,疏解線間錯(cuò)綜復(fù)雜的制約關(guān)系,對(duì)外輸出無沖突且目標(biāo)閾值帕累托最優(yōu)的列車運(yùn)行計(jì)劃。自動(dòng)調(diào)整子系統(tǒng)業(yè)務(wù)模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。
圖2 自動(dòng)調(diào)整子系統(tǒng)業(yè)務(wù)模塊設(shè)計(jì)Fig.2 Business module design for automatic adjustment subsystem
自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)提供包括突發(fā)事件等多種場(chǎng)景下計(jì)劃的批量智能調(diào)整功能。常見調(diào)整場(chǎng)景及對(duì)應(yīng)策略映射關(guān)系如下[4-5]。
(1)區(qū)間封鎖:不改變列車運(yùn)行順序,后續(xù)列車就近在運(yùn)行前方車站合適股道臨時(shí)待避。
(2)區(qū)間限速:所有經(jīng)過限速區(qū)間的列車根據(jù)限速值自動(dòng)調(diào)整在該區(qū)間的運(yùn)行時(shí)分,但后續(xù)列車運(yùn)行順序及停站不做改變。
(3)車站封鎖:調(diào)整受影響列車至其他未封鎖股道進(jìn)行接發(fā)車作業(yè)。
(4)車站限速:車站股道限速、全站限速場(chǎng)景與區(qū)間限速場(chǎng)景類似。
(5)區(qū)間折返:因折返期間該方向區(qū)間其他列車無法通行,類似該區(qū)間單向封鎖,調(diào)整策略與區(qū)間封鎖類似,待列車折返到后方站后解除封鎖,列車恢復(fù)正常運(yùn)行。
(6)車站終到折返:如果某趟列車終到晚點(diǎn),在保證列車所有作業(yè)時(shí)間的前提下,盡量縮短列車折返時(shí)間。
(7)動(dòng)車組故障:包括區(qū)間故障和站內(nèi)故障。前者需等待救援列車將故障動(dòng)車組牽引折返至相鄰車站,調(diào)整策略與區(qū)間折返類似。后者調(diào)整策略與車站股道封鎖類似。
(8)動(dòng)車組運(yùn)緩:后續(xù)列車在臨近運(yùn)緩動(dòng)車組后方車站限速運(yùn)行,避免后續(xù)列車堆積。
(9)鄰臺(tái)接入晚點(diǎn):通過增加計(jì)劃??寇囌就A魰r(shí)間或增加臨時(shí)停靠車站的方式,降低對(duì)其他列車的影響。
(10)風(fēng)雨雪:需對(duì)相關(guān)區(qū)間和車站進(jìn)行臨時(shí)限速,調(diào)整策略與區(qū)間限速和車站限速場(chǎng)景類似。
(11)接觸網(wǎng)故障:對(duì)影響到的區(qū)間和股道,在故障期間動(dòng)車組列車無法通行,調(diào)整策略與區(qū)間封鎖和車站封鎖場(chǎng)景類似。
(12)異物入侵:如需對(duì)異物入侵的區(qū)間進(jìn)行臨時(shí)限速,調(diào)整策略與區(qū)間限速場(chǎng)景類似,如需對(duì)區(qū)間進(jìn)行封鎖,調(diào)整策略與區(qū)間封鎖場(chǎng)景類似。
數(shù)據(jù)形式化處理是在合適的行車模型基礎(chǔ)上,給出行車組織中各元素在模型中的定義,形式化描述元素及元素間關(guān)系,進(jìn)而完整表述行車組織及運(yùn)行計(jì)劃的基本特征、內(nèi)涵和需求,為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。處理模塊通過線性歸一化、非線性歸一化和標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化等方法,對(duì)同類數(shù)據(jù)建立單一量綱,對(duì)不同類數(shù)據(jù)建立可比較的映射關(guān)系,最終實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和歸一化。
作為多約束限制與多因素影響下的群決策過程:①調(diào)整結(jié)果評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)具有環(huán)境適用局限性;②計(jì)劃調(diào)整是由靜態(tài)模型、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)以及突發(fā)事件共同決定的動(dòng)態(tài)過程;③計(jì)劃優(yōu)化指標(biāo)分布不均衡且部分指標(biāo)間關(guān)聯(lián)性和依賴性較強(qiáng)。因此,自動(dòng)調(diào)整優(yōu)化目標(biāo)選取宜運(yùn)用系統(tǒng)觀點(diǎn)融合關(guān)鍵因素,強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)功能滿足,體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益導(dǎo)向,具備現(xiàn)實(shí)可操作和場(chǎng)景普適性。
自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)采用解釋結(jié)構(gòu)模型法(Interpretative Structural Modeling Method,ISM)[6]拆分復(fù)雜系統(tǒng)為簡單子系統(tǒng)元素,構(gòu)建描述元素間關(guān)系的有向圖;通過對(duì)表征有向圖的相鄰矩陣及關(guān)聯(lián)鄰接矩陣和可達(dá)矩陣的計(jì)算,構(gòu)造多級(jí)遞階的計(jì)劃自動(dòng)調(diào)整目標(biāo)元素集合,最終形成4項(xiàng)目標(biāo)概要元素。
(1)列車運(yùn)行安全指標(biāo)。安全是所有運(yùn)輸服務(wù)的基礎(chǔ)。自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)利用線路速度冗余和計(jì)劃規(guī)劃冗余,采取變更列車運(yùn)行時(shí)間、徑路以及修改開行計(jì)劃等方式,疏解線間沖突,消除外部影響。
(2)運(yùn)輸成本指標(biāo)。運(yùn)輸成本包括:運(yùn)輸組織成本;前期運(yùn)輸準(zhǔn)備和列車運(yùn)行成本;運(yùn)輸部門固定資產(chǎn)及設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)成本;固定資產(chǎn)應(yīng)計(jì)入運(yùn)輸成本的非生產(chǎn)性成本。
(3)運(yùn)輸收益指標(biāo)。運(yùn)輸收益計(jì)算指標(biāo)包括旅客運(yùn)輸人數(shù)、平均行程、人公里收入率或客車定員周轉(zhuǎn)量和旅客上座率等。
(4)計(jì)劃編制質(zhì)量指標(biāo)。方便、快捷和高效是運(yùn)輸服務(wù)的質(zhì)量內(nèi)涵和價(jià)值體現(xiàn)。??寇囌緮?shù)量、列車運(yùn)行速度和計(jì)劃晚點(diǎn)時(shí)分等指標(biāo),直接或間接影響服務(wù)對(duì)象的出行方式,最終體現(xiàn)在鐵路企業(yè)運(yùn)營收益方面。
根據(jù)ISM對(duì)4項(xiàng)概要元素進(jìn)行分解,獲取計(jì)劃調(diào)整尋優(yōu)目標(biāo)集合A,a∈A歸屬于4項(xiàng)概要元素。以計(jì)劃時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo),其他指標(biāo)利用轉(zhuǎn)換系數(shù)δ進(jìn)行映射。設(shè)定總目標(biāo)為元素ai權(quán)重。追求O最優(yōu),可兼顧運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量和企業(yè)運(yùn)營效益。
調(diào)度規(guī)則是簡化的啟發(fā)式調(diào)度方法,主要作為當(dāng)前待處理任務(wù)的選取規(guī)則應(yīng)用于最優(yōu)控制策略的尋找過程。合理的調(diào)度規(guī)則有助于降低優(yōu)化算法計(jì)算復(fù)雜度,加速逼近最優(yōu)解。目前常用的通用調(diào)度規(guī)則主要包括[7]:按時(shí)間順序規(guī)則、按優(yōu)先權(quán)規(guī)則、按代價(jià)最小規(guī)則、按剩余松弛時(shí)間規(guī)則和隨機(jī)規(guī)則等。
我國高速鐵路運(yùn)輸調(diào)度遵循分級(jí)管理、集中統(tǒng)一指揮的原則。列車運(yùn)行計(jì)劃自動(dòng)調(diào)整算法在參考以上通用規(guī)則的基礎(chǔ)上,還需要依據(jù)行車指揮原則和特點(diǎn)采用專用領(lǐng)域規(guī)則指揮行車,如晚點(diǎn)列車盡可能不影響正點(diǎn)列車;先跨局后管內(nèi);優(yōu)先安排高等級(jí)列車、事故救援搶修列車運(yùn)行等。
作為復(fù)雜非線性多目標(biāo)優(yōu)化研究問題,通過人工智能的啟發(fā)式搜索機(jī)制和算法持續(xù)疊加優(yōu)化操作實(shí)現(xiàn)計(jì)劃自動(dòng)調(diào)整操作。相關(guān)工作可參考課題組既有研究文獻(xiàn)[1,8-9]。
搭建計(jì)劃自動(dòng)調(diào)整原型系統(tǒng):操作環(huán)境為Window 7;數(shù)據(jù)庫選取Oracle 10g;計(jì)劃交互終端使用XML格式本地存儲(chǔ);底層TCP連接,應(yīng)用層使用FZy-CTC專用協(xié)議進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交換;選取開行列車數(shù)、列車定員周轉(zhuǎn)量、平均晚點(diǎn)時(shí)間和列車平均運(yùn)行速度等元數(shù)據(jù)構(gòu)造優(yōu)化指標(biāo),并以中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司京津城際臺(tái)為待調(diào)整調(diào)度臺(tái),計(jì)劃自動(dòng)調(diào)整對(duì)比如圖3所示。
選取常見的區(qū)間施工封鎖調(diào)整場(chǎng)景。初始狀態(tài)a,線間無沖突;狀態(tài)b,加入永樂至亦莊上行區(qū)間封鎖,該施工封鎖與列車C2054產(chǎn)生沖突;根據(jù)上述調(diào)整策略,列車在永樂站臨時(shí)待避至封鎖結(jié)束。系統(tǒng)可在毫秒量級(jí)給出解決方案,在保證行車安全前提下,達(dá)到既定目標(biāo)最優(yōu)的預(yù)期效果。
2018年10月,高速鐵路列車運(yùn)行計(jì)劃自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)部署于京沈客運(yùn)專線(北京—沈陽)綜合試驗(yàn)線路。經(jīng)過一段時(shí)間聯(lián)調(diào)聯(lián)試現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)通過中國鐵路總公司組織的專家技術(shù)評(píng)審。在持續(xù)驗(yàn)證系統(tǒng)可用性、可靠性和安全性的基礎(chǔ)上,后續(xù)考慮全路推廣,進(jìn)一步提高高速鐵路調(diào)度指揮與行車控制的智能化水平。
圖3 計(jì)劃自動(dòng)調(diào)整對(duì)比Fig.3 Comparison for train plan automatic adjustment
高速鐵路列車運(yùn)行計(jì)劃自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)可以在計(jì)劃線間沖突時(shí),歸類調(diào)整場(chǎng)景及策略,提供計(jì)劃的智能和快速調(diào)整功能,滿足突發(fā)情況下運(yùn)行計(jì)劃的實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整需求。相比現(xiàn)有人工調(diào)整模式,3層架構(gòu)的自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)借助解耦業(yè)務(wù)交互關(guān)聯(lián)、異構(gòu)異地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)和融合、高效數(shù)據(jù)緩存設(shè)計(jì)等方案,在降低用戶勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí),顯著提高計(jì)劃調(diào)整效率和質(zhì)量,促進(jìn)鐵路運(yùn)輸調(diào)度的智能化和自動(dòng)化演進(jìn)。目前我國高速鐵路運(yùn)營規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大,突發(fā)事件下的線路擁塞和行車秩序紊亂等問題必將增加計(jì)劃調(diào)整場(chǎng)景及策略的多變性和復(fù)雜性。基于大數(shù)據(jù)和人工智能實(shí)現(xiàn)對(duì)路網(wǎng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè),形成面向不同場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)策略集,并以此構(gòu)建調(diào)整策略的自學(xué)習(xí)能力和智能調(diào)整機(jī)制,持續(xù)提升突發(fā)事件下應(yīng)急處置能力,優(yōu)化運(yùn)輸組織進(jìn)程,還有待進(jìn)一步深入研究。