董西松 沈震 熊剛 朱鳳華 胡斌

城市軌道交通因其快速、安全、準時、環(huán)保、全天候、大運量等優(yōu)點,已經(jīng)成為世界各大城市發(fā)展公共交通的首選[1].據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會信息,截至2017年底,中國內(nèi)地累計有34個城市建成投運城軌線路5021.7km,2017年新增33條運營線路、868.9km運營線路長度[2].

城市軌道交通系統(tǒng)是一個天然的多學科、跨領(lǐng)域的復雜巨系統(tǒng)(不可還原,不可拆分,不可確定),受到社會、經(jīng)濟、環(huán)境以及參與系統(tǒng)的人員的影響,涉及幾乎所有工程科學以及經(jīng)濟、人口、資源和氣候等社會科學,整個城市軌道交通系統(tǒng)及外圍因素錯綜復雜,必須將人和社會因素納入到城市軌道交通系統(tǒng)的控制和決策中綜合考慮[3].而對實際軌道交通系統(tǒng)進行實驗往往受經(jīng)濟、道德和法律等約束,傳統(tǒng)的仿真技術(shù)往往只注重局部、變相、具體、簡化、單向、獨立的演示對象的特性,難以綜合考慮巨系統(tǒng)的錯綜復雜的工程和社會學因素,且對整個城市軌道交通綜合運營和管理方面考慮較少,不能進行較為全面準確地評估.如何尋找可行的方案進行全面研究和分析,成為研究者們面臨的最大問題.

本文綜合考慮運行環(huán)境、社會環(huán)境、人員、規(guī)則、設(shè)備、信息處理等工程和社會因素,提出構(gòu)建城市軌道交通的社會物理信息系統(tǒng)(Cyber-physicalsocial system,CPSS)平臺,以真實反映實際系統(tǒng)行為規(guī)則、動態(tài)響應、極限狀態(tài)等,建立相應的計算實驗和綜合評估系統(tǒng),描述其功能,并給出具體的案例.通過該平臺,可進行各種極限和常規(guī)實驗,實現(xiàn)對城市軌道交通系統(tǒng)的運行方案評估與規(guī)劃、安全因素評估、應急措施評估與優(yōu)化等功能,提高對城市軌道交通這類復雜系統(tǒng)的建模、評估、分析和優(yōu)化能力.城市軌道交通CPSS平臺的研究不僅是綜合交通運輸發(fā)展的需要,而且是節(jié)省社會資源、提高服務(wù)能力、優(yōu)化運輸系統(tǒng)設(shè)計和管理過程的必然.

1 相關(guān)工作綜述

1.1 城市軌道交通仿真的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著計算機、通信的快速發(fā)展,軌道交通仿真軟件在鐵路規(guī)劃、設(shè)計與管理領(lǐng)域得到了廣泛應用[4?15].ADAMSrail可建立機車車輛的虛擬樣機模型并執(zhí)行相應的分析[4].瑞典皇家技術(shù)學院開發(fā)的OpenTrack可以對列車時刻表進行優(yōu)化[5].Rail-Sys可用于各種規(guī)模鐵路網(wǎng)絡(luò)的分析、設(shè)計和優(yōu)化[6].UTRAS可進行列車運行計算、列車模型對運營的影響分析、延誤恢復及分析、不同通信信號制式的影響分析、多列車運行能力及效果的評價等.RailPlan可根據(jù)線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和列車牽引數(shù)據(jù)來模擬列車的運行.Dynamis可進行牽引計算.VISION可快速、高效地分析列車間隔和線路能力.LOGSIM可用于時刻表,列車運行實時調(diào)度等問題.RAILSIM可精確地模擬任何鐵路系統(tǒng)中的任何車輛的運行.RAILSTM 用于評價線路能力、理論能力和實際能力.RailPlanTM是一個基于線路與城市軌道交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的運輸組織仿真系統(tǒng).TOM可評估行車時刻表、車輛能耗、供電系統(tǒng)和列車控制系統(tǒng)等性能.Villon可用于物流節(jié)點–貨運站的規(guī)劃、設(shè)計與評價等.ABAQUS軟件可用于強度和疲勞性的分析.SimPed和Nomad將樞紐服務(wù)水平評價與行人流特征聯(lián)系,針對軌道交通樞紐的行人流特征進行了仿真建模.

在國內(nèi),北京交通大學、西南交通大學、同濟大學、鐵道科學研究院等高校和研究機構(gòu)也取得了很多成果.西南交通大學電氣工程學院與廣州地下鐵道設(shè)計研究院共同開發(fā)了針對城市軌道牽引供電仿真的SimSystem軟件,并已在廣州市地下鐵道設(shè)計研究院投入使用,效果良好.北京交通大學與香港理工大學合作研發(fā)的列車運行計算系統(tǒng)通用列車運行模擬系統(tǒng)(General purposed train movement simulation system,GTMSS)是我國自主研制的新一代綜合模擬系統(tǒng),可提供各種條件下系統(tǒng)相關(guān)指標的自動計算,提供鐵路工程項目新建或改造過程中的多方案比選、機車運行操作方案的優(yōu)化、列車運行過程的動態(tài)演示等功能.

傳統(tǒng)的軌道交通仿真系統(tǒng)建立在數(shù)學模型和對實際系統(tǒng)的假設(shè)之上.由于傳統(tǒng)仿真對建模的精確性或計算的簡潔性的要求,往往對真實系統(tǒng)各方面因素進行精簡,在真實性方面有所缺失,對系統(tǒng)的描述比較局部和有限,且傳統(tǒng)的軌道交通仿真系統(tǒng)局限于對單一問題的求解,大大限制了研究結(jié)果的實用性和有效性[16].再者,從研究范圍來講,傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)只能模擬實際系統(tǒng)的一部分或體現(xiàn)工程方面的局部特性,幾乎沒有考慮環(huán)境、經(jīng)濟、社會等因素,也沒有考慮交通與人、自然、社會的相互影響[16].所以,要想得到最切合實際的仿真結(jié)果,一個真實的能考慮到實際系統(tǒng)各方面因素的仿真系統(tǒng)是必不可少的.

1.2 CPS和CPSS的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美國于2007年提出的信息物理系統(tǒng)(Cyberphysical system,CPS)是以工程為主、包含人在系統(tǒng)或回路的一類復雜系統(tǒng),正在成為全球研究熱點[17?20].美國科學基金會NSF先后資助CPS基礎(chǔ)理論、方法工具、平臺系統(tǒng)等方面的500多個研究項目1http://cps-vo.org/projects,并逐步將CPS研究成果應用于交通、國防、能源、醫(yī)療等領(lǐng)域,取得了很好的應用效益.IBM提出的智慧地球是對CPS應用實踐的戰(zhàn)略構(gòu)想.2013年德國工業(yè)4.0實施建議將CPS作為工業(yè)4.0的核心技術(shù)[18].歐盟啟動的ARTEMIS5等重大項目也將CPS作為一個重要研究方向.韓國、日本等許多亞洲國家也開始重視CPS的研究,并提供資金支持.最近,出現(xiàn)了IET Cyber-Physical Systems Theory and Applications,ACM Transactions on Cyber-Physical Systems等多個CPS學術(shù)期刊.

CPS的研究也在國內(nèi)逐步興起.2010年科技部啟動了面向信息物理融合的系統(tǒng)平臺等863計劃項目.2016年9月,中國電子技術(shù)標準化研究院聯(lián)合國內(nèi)百余家企事業(yè)單位發(fā)起成立信息物理系統(tǒng)發(fā)展論壇.2017年3月,中國電子技術(shù)標準化研究院發(fā)布《信息物理系統(tǒng)白皮書(2017)》.《中國制造2025》提出基于信息物理系統(tǒng)的智能裝備、智能工廠等智能制造正在引領(lǐng)制造方式變革.《國務(wù)院關(guān)于深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的指導意見》提出構(gòu)建信息物理系統(tǒng)參考模型和綜合技術(shù)標準體系,建設(shè)測試驗證平臺和綜合驗證試驗床,支持開展兼容適配、互聯(lián)互通和互操作測試驗證.

但是,針對CPS系統(tǒng)的現(xiàn)有研究還主要集中在工程復雜性要素,或社會復雜性要素的一個方面.而在CPS系統(tǒng)中,人往往是設(shè)計者、建造者、運營管理者和最終使用者,人等社會復雜性要素在系統(tǒng)各個階段都起著不可忽視甚至是決定性的重要作用,要實現(xiàn)CPS安全可靠高效的管控和應用目標,工程復雜性要素和社會復雜性要素必須作為不可分割的、地位平等的整體加以研究.上述復雜系統(tǒng)向全要素綜合集成和深度智慧方向不斷發(fā)展,將產(chǎn)生越來越多的復雜、巨型的社會信息物理系統(tǒng)(Cyber-physical-social system,CPSS)[21].

CPSS是由物理系統(tǒng)(Physical system)、相關(guān)人和社會系統(tǒng)(Social system)、連接二者的信息系統(tǒng)(Cyber system)共同構(gòu)成的一類通用復雜系統(tǒng),通過傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)物理系統(tǒng)和Cyber系統(tǒng)的連接,通過社會傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)社會系統(tǒng)和Cyber系統(tǒng)的連接,這樣物理+社會系統(tǒng)就能夠等價地映射到Cyber系統(tǒng)中(見圖1).在此基礎(chǔ)上,通過CPSS中Cyber系統(tǒng)和物理+社會系統(tǒng)的彼此認識、虛實互動、共同提高,循序漸進地實現(xiàn)CPSS安全、可靠、高效運行等管控和應用目標[21].CPSS在CPS的基礎(chǔ)上,進一步納入社會信息,將研究范圍擴展到社會網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),在智能企業(yè)、智能交通、智能家居、智能醫(yī)療等領(lǐng)域得到多方面應用[22?27].當前,研究社會環(huán)境下信息物理系統(tǒng)的行為分析與調(diào)控已經(jīng)成為多個國家重大戰(zhàn)略領(lǐng)域的共同需求,研究CPSS已成為國家自然科學基金委員會十三五規(guī)劃內(nèi)容,也成為多個國家重大戰(zhàn)略領(lǐng)域的共同需求.

1.3 CPS和CPSS在交通領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

在交通CPS和CPSS相關(guān)的研究領(lǐng)域,IEEE ITS會刊在2014年組織了基于社會信號的實時社會交通(Real-time social transportation with online social signals)、計算交通和交通5.0(Computational transportation and transportation 5.0)、社會交通中的交通博弈(Transportation games for social transportation)專題討論.基于社會媒體的新一代智能交通系統(tǒng)Transportation 5.0也已提出[28?29].基于大數(shù)據(jù)的城市交通系統(tǒng)的研究也取得了很大進展[30].Guo等[24]研究交通領(lǐng)域信息物理系統(tǒng)(CPS-ITS)的感知、通信、計算、控制和應用5個層次以及向CPSS發(fā)展的趨勢.Pereira等[31]通過交通卡數(shù)據(jù)、手機運營商數(shù)據(jù),以及社交媒體上相關(guān)的交通事件和交通熱點,研究提取交通異常人群,預測流動規(guī)律.He等[32]提出采用手機數(shù)據(jù)、公交卡等社會性信號來采集交通需求、預測交通擁堵及查找擁堵源頭,為交通出行者發(fā)布最短交通路徑和最快交通路徑等誘導信息.汪治華等[33]提出了分層式的交通信息物理系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu).Wang等[34]研究了CPSS在汽車自主駕駛中的應用.綜上所述,基于CPS/CPSS的城市交通處于智能交通系統(tǒng)應用的研究前沿.CPS,尤其是CPSS,已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點.但是,專門針對軌道交通系統(tǒng)的相關(guān)研究還很少見.

圖1 信息物理系統(tǒng)(CPS)和社會信息物理系統(tǒng)(CPSS)Fig.1 Cyber-physical-system(CPS)and cyber-physical-social system(CPSS)

2 城市軌道交通CPSS平臺研究內(nèi)容及方案

本文構(gòu)建通用的城市軌道交通CPSS平臺,對城市軌道交通正常情況下的運營管理和非正常情況下的應急管理進行計算實驗研究(見圖2).

圖2 城市軌道交通CPSS平臺基本框架系Fig.2 The basic framework of CPSS-URT

城市軌道交通CPSS平臺整體研究路線如圖3所示.自下而上分為基礎(chǔ)構(gòu)建層、數(shù)據(jù)知識層、計算試驗和綜合評估四部分.其中數(shù)據(jù)知識層包括建立各種數(shù)據(jù)庫、知識庫、場景庫、方案庫、知識庫以及各種設(shè)備Agent、環(huán)境Agent、人員Agent、規(guī)則標準等,計算實驗層包括實驗設(shè)計、實驗執(zhí)行、實驗分析和實驗結(jié)果驅(qū)動,綜合評估層采用專家經(jīng)驗、定性加定量和模糊等評估方法對CPSS平臺和實際系統(tǒng)在正常情況下的評估優(yōu)化和在突發(fā)事故下的應急管理進行研究.

2.1 城市軌道交通CPSS模型

2.1.1 城市軌道交通中社會系統(tǒng)模型

1)構(gòu)建基于移動社交網(wǎng)絡(luò)(Mobile social network,MSN)的交通信息采集平臺,包含手機信令系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、交通輿情分析等功能,采用文本分析和機器學習方法提取社交媒體中交通事件、交通擁堵、交通事故、道路施工、道路管制、交通天氣、交通輿情、大型社會活動等交通信息,并對其分類.

圖3 城市軌道交通系統(tǒng)CPSS整體研究路線Fig.3 The holistic research route of CPSS-URT

2)根據(jù)從社交媒體中獲得的交通信息,結(jié)合實際數(shù)據(jù),采用深度學習方法、概率圖模型、統(tǒng)計方法等預測交通流量、行程時間等.

3)采用網(wǎng)絡(luò)空間數(shù)據(jù)與物理空間數(shù)據(jù)相結(jié)合的交通事件檢測和交互驗證算法,深入分析面向網(wǎng)絡(luò)交通狀態(tài)的城市軌道交通信息時空特性,對城市軌道交通情景進行分析、診斷、推理.

2.1.2 城市軌道交通物理系統(tǒng)模型

提取城市軌道交通物理系統(tǒng)中乘客、運行系統(tǒng)、客運服務(wù)、檢修保障、運行環(huán)境等信息,采用包括多Agent、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多模態(tài)建模方法,構(gòu)建城市軌道交通物理系統(tǒng)模型(見圖4).

2.1.3 城市軌道交通CPSS通用模型(Cyber系統(tǒng))

城市軌道交通的CPSS通用模型(Cyber系統(tǒng))由系統(tǒng)仿真區(qū)和可擴展的模塊組成(見圖5).

1)環(huán)境由社會和交通兩部分基礎(chǔ)設(shè)施組成,前者包括各種類型的活動場所,例如學校、醫(yī)院、公園和商場等,后者包括車站、機車、信號系統(tǒng)等.

2)規(guī)則庫由用算法形式描述和用If-Then形式描述的規(guī)則組成,用于表現(xiàn)Agent的行為.

3)分布式組件用于實現(xiàn)分布式計算,以支持大規(guī)模的路網(wǎng)模擬,需要處理分布式交互、協(xié)調(diào)、通信等關(guān)鍵問題.

4)實驗評估器用于采集系統(tǒng)模擬區(qū)內(nèi)的過程和結(jié)果數(shù)據(jù),以便事后進行計算實驗分析.

圖4 城市軌道交通CPSS物理系統(tǒng)模型架構(gòu)Fig.4 The model architecture of physical system of CPSS-URT

圖5 城市軌道交通CPSS通用模型(Cyber系統(tǒng))Fig.5 The universal model(Cyber system)of CPSS-URT

5)交通場景渲染引擎,用于呈現(xiàn)模擬的交通場景.

6)人口生成模塊根據(jù)輸入的人口配置,生成滿足一定規(guī)模和特征的人口Agent.

7)活動生成模塊對應每個人口Agent,根據(jù)其自身屬性生成日常活動列表.

8)出行方案模塊用于生成一次出行活動的交通方案,包括出發(fā)時刻、OD、路線等.其中,出行中使用的交通工具由交通工具模塊生成,路線由路徑選擇模塊生成.

9)交通阻塞模塊用于模擬交通事故或施工區(qū),包括阻塞的車道、范圍和時長等因素.

10)天氣模塊用于模擬天氣情況,包括風力、降雨量、降雪量、可見度等因素.

11)大型活動模塊用于模擬大型比賽、演出、公益活動等.

12)平行交互模塊,一方面接入實際交通信息,通過產(chǎn)生新的Agent和系統(tǒng)調(diào)度,使信息在交通模擬過程中發(fā)生作用;另一方面,返回用戶關(guān)于交通的查詢以及計算實驗結(jié)果.

13)自學習模塊采用離線或在線的方式,根據(jù)采集到的實際交通信息進行機器學習,調(diào)整CPSS平臺中的模型和規(guī)則.

14)系統(tǒng)時鐘模塊是整個系統(tǒng)的核心,推進整個模擬計算,觸發(fā)其他模塊執(zhí)行動作,決定了CPSS平臺模擬的時間段和步長.

2.2 城市軌道交通CPSS平臺及可信度驗證

集成城市軌道交通CPSS中物理系統(tǒng)、社會系統(tǒng)以及Cyber系統(tǒng)建模方法,采用以多Agent為主體的多模態(tài)建模方法,自下而上地對城市軌道交通涉及的各類主要要素進行建模,研發(fā)構(gòu)建城市軌道交通CPSS平臺.

基于Agent的原則和面向?qū)ο蟮木幊谭椒▉韺崿F(xiàn)城市軌道交通CPSS平臺的建模,以簡單的一致為原則,將整個軌道交通系統(tǒng)中涉及的包羅萬象的軟硬對象都作為一個Agent.每個Agent都具有一定的內(nèi)部狀態(tài)、行為規(guī)則、結(jié)構(gòu)屬性,并可與外部世界進行交流,隨著時間、空間、環(huán)境、事件的變化而變化.利用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù),可將環(huán)境和規(guī)則等內(nèi)部狀態(tài)以Agent的形式封裝起來,賦予封裝類以各種變量屬性和行為方法,建立一個Agent的世界,各Agent之間通過制定的規(guī)則相互作用,在設(shè)定的環(huán)境中生長和發(fā)育,根據(jù)封裝類的多態(tài)性引發(fā)涌現(xiàn)突變,以合作、調(diào)節(jié)、反饋、競爭、沖突的方式實現(xiàn)彼此交互與轉(zhuǎn)換,演變出結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài)上同構(gòu)異態(tài)的CPSS平臺.

城市軌道交通CPSS平臺構(gòu)建完成后,需要進行可信度驗證,包括基本組件的個體一致性驗證、子系統(tǒng)的局部一致性驗證、整個系統(tǒng)的整體一致性驗證等層次,對各個基本組件和每個單獨的子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)合理性及功能進行驗證,最終進行城市軌道CPSS平臺與實際系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和功能的等價驗證.

可信度驗證的方法是采用城市軌道交通實際系統(tǒng)的真實數(shù)據(jù),對CPSS平臺不斷修正和滾動優(yōu)化,最終平臺與實際系統(tǒng)達到等價.根據(jù)數(shù)據(jù)的來源不同,城市軌道交通CPSS平臺可信度驗證分為兩種方式:1)根據(jù)實際城市軌道交通系統(tǒng)已有的歷史數(shù)據(jù),進行離線學習;2)分析研究目標,選取實際正在運行的子系統(tǒng)數(shù)據(jù)作為CPSS平臺的輸入,在線跟蹤學習.通過這兩種學習方式協(xié)調(diào)配合,不斷調(diào)整和優(yōu)化CPSS平臺,確保CPSS平臺的有效性和合理性,為計算實驗和平行執(zhí)行提供保障.

2.3 城市軌道交通CPSS計算實驗平臺

利用城市軌道交通CPSS計算實驗平臺,可在平臺上進行各種試驗,對城市軌道交通系統(tǒng)的行為進行預測和分析,單次計算實驗流程圖如圖6所示.計算實驗系統(tǒng)主要包括:

1)設(shè)計同時支持真實和虛擬實驗場景的場景生成器.場景生成器能夠接受最終用戶輸入的場景或自動提取場景庫中的特定實驗場景,實例化實驗場景中的交互機制和管理規(guī)則,并傳遞給事件驅(qū)動引擎完成計算實驗仿真.

2)設(shè)計基于離散事件仿真技術(shù)實現(xiàn)事件驅(qū)動引擎,并動態(tài)模擬實驗場景中各Agent的交互與通信過程.事件驅(qū)動引擎采用仿真時鐘模擬實驗平臺運行時的特定時刻和時間變化,按時間順序存儲、分析和確定實驗過程中離散事件及事件間的引發(fā)關(guān)系,通過仿真時鐘的推進和離散事件的處理來驅(qū)動和模擬計算實驗的過程.

3)開發(fā)適用于計算實驗平臺的各類群體策略學習與優(yōu)化算法、定性與定量計算實驗評估算法以及對各應用領(lǐng)域提供特定支持的專用算法分析工具,并以模塊和組件的形式應用于實驗平臺中.這些工具將動態(tài)地統(tǒng)計、分析、評估和優(yōu)化計算實驗過程及其結(jié)果,并實時更新知識庫.

圖6 城市軌道交通CPSS平臺計算實驗流程圖Fig.6 The flowchart of computational experiments of CPSS-URT

2.4 城市軌道交通CPSS綜合評估系統(tǒng)

設(shè)計多目標多層次的綜合評估系統(tǒng):采用層次分析法確認系統(tǒng)各層次指標的權(quán)重,采用專家分析法對不易準確定量的定性指標量化處理,對各指標進行量綱轉(zhuǎn)化,根據(jù)模糊綜合評價法進行綜合效績評價處理各項指標.

該系統(tǒng)可以對實際城市軌道交通的運用效果和CPSS平臺的計算實驗結(jié)果進行分析與評估(見圖7).通過采集CPSS平臺的實驗數(shù)據(jù),對預案的效果進行事先及事后的分析與評估;通過采集實際系統(tǒng)的數(shù)據(jù),對方案的實際運行效果進行分析與評估;通過比較實驗結(jié)果及軌道交通系統(tǒng)實際運行數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn)方案中的優(yōu)點或不足,進行滾動優(yōu)化.

圖7 城市軌道交通CPSS綜合評估流程圖Fig.7 The flowchart of comprehensive evaluation of CPSS-URT

2.4.1 總體層評估體系

1)經(jīng)濟性評估分為城市軌道交通建設(shè)規(guī)劃期和投入運營期的經(jīng)濟評估;

2)社會性評估包括服務(wù)系統(tǒng)的高品質(zhì)性,對線路沿岸社會生活的影響,對其他公共交通方式的影響等;

3)可持續(xù)發(fā)展性評估主要指低碳、綜合節(jié)能和減排等方面.

2.4.2 管理層評估體系

城市軌道交通運營最關(guān)鍵的問題就是如何保障運輸安全.從本質(zhì)上講,城市軌道交通運輸安全保障系統(tǒng)就是一個以管理為中樞、以人為核心,以機為基礎(chǔ)、以環(huán)境為條件組成的,以保障城市軌道交通運輸安全為目的的人–機–環(huán)境系統(tǒng).在這個系統(tǒng)中,管理滲透到了每一環(huán)節(jié),對促使各個要素結(jié)合起來成為一個整體起著中樞作用.人既是管理的主體,又是管理的對象,人的因素在各國城市軌道交通行車事故中占有很大比重,因此管理層評估體系是至關(guān)重要的.

2.4.3 實施層評估體系

1)列車子系統(tǒng)的評價體系包含列車自動駕駛、自動防護以及在駕駛員誤操作情況下列車自動應急處理、車載通信設(shè)備通信、數(shù)據(jù)傳輸可靠性、駕駛員技術(shù)水平、操作正確性和設(shè)備熟練程度等.

2)軌旁子系統(tǒng)的評價標準體系包括線路建設(shè)質(zhì)量、應答器工作模式、信號機制式的高效性、災害檢測設(shè)備的可靠性等.

3 城市軌道交通CPSS平臺功能

將CPSS平臺與實際系統(tǒng)相結(jié)合,既可以對正在運行的軌道交通管理與控制系統(tǒng)進行滾動式改進與優(yōu)化,又可以對軌道交通系統(tǒng)的管理者和用戶進行虛擬培訓,提高學習效率和操作可靠性,這樣可以節(jié)省社會資源、提高服務(wù)能力、優(yōu)化運輸系統(tǒng)設(shè)計和管理.應用驗證流程圖如圖8所示.

3.1 正常運營情況下可靠性分析與評估

通過CPSS平臺,可以實驗各種各樣的城市軌道交通方案,評估結(jié)果不僅包括系統(tǒng)本身的狀況,也包含對周邊環(huán)境和社會的影響.

對城市軌道交通可靠性的評估如圖9所示.評估過程如下:

1)采用專家經(jīng)驗評估、定性加定量評估,模糊評估等方法在宏觀、中觀、微觀等層次上對城市軌道交通系統(tǒng)日常運營安全進行可靠性分析、評估、優(yōu)化;

2)將分析評估結(jié)果輸入到CPSS平臺,對平臺進行優(yōu)化;

3)在CPSS平臺上進行各種不同條件設(shè)定下的計算實驗,并對結(jié)果進行分析,擇優(yōu)反饋到實際系統(tǒng),形成實際系統(tǒng)和CPSS平臺的滾動優(yōu)化.

評估對象可以依照層次分為以下三個方面:

1)宏觀評估.針對安全可靠性、經(jīng)濟效益、社會效應分析,管理規(guī)則評估、列車本身運行安全高效性以及受氣候、人口、路況等因素影響的評估.

圖8 軌道交通系統(tǒng)CPSS平臺應用驗證流程圖Fig.8 The flowchart of application of CPSS-URT platform

圖9 城市軌道交通系統(tǒng)可靠性評估指標Fig.9 The reliability indicators of URT

2)中觀評估.根據(jù)實際要求,對子系統(tǒng)功能以及要達成的目標進行綜合評估.例如,在城市軌道交通人員機構(gòu)子系統(tǒng)中的人員配置方案、乘客服務(wù)系統(tǒng)中的指引標示分布方案等.

3)微觀評估.用于城市軌道系統(tǒng)CPSS構(gòu)建的基本模塊都是越到底層,越能直觀地表現(xiàn)出固有特性.因此,微觀評估的對象是廣泛而具體的.

3.2 非正常情況下的應急預案評估與優(yōu)化

3.2.1 應急培訓與演練

1)基于實驗平臺的培育情景,對不同角色的受訓人員,培訓其在正常情況和突發(fā)事件情況下的心理素質(zhì)和反應能力,熟悉各類突發(fā)事件的處理流程及其承擔的責任.

2)通過重復性的情景再現(xiàn),提高受訓人員的應急處理水平,使其面對各類突發(fā)事件能夠有效應對.

3.2.2 應急手段驗證

在制定應急預案過程中不能直接驗證應急手段的可行性和有效性,而在CPSS平臺通過情景設(shè)定可驗證各類極端情況下應急手段的可行性和有效性,為應急手段的選取提供參考.

3.2.3 應急方案的評估與優(yōu)化

1)通過計算實驗,對應急方案的完整性、可操作性、有效性、經(jīng)濟性等進行評估.

2)通過評估結(jié)果,對應急方案進行滾動優(yōu)化.

3.2.4 應急管理和控制

1)通過實驗結(jié)果的評估功能,優(yōu)化各種非正常情況下的應急方案.

2)通過透視功能預測突發(fā)事件的動態(tài)演化過程,對應急措施進行優(yōu)化,通過計算資源減低突發(fā)事件處置中生命和財產(chǎn)損失.

3.3 突發(fā)事故案例

城市軌道交通系統(tǒng)CPSS平臺案例分析流程圖如圖10所示.假如地鐵某線路的某輛機車發(fā)生事故,車載傳感器等檢測裝置即時向地鐵運營公司發(fā)送包括列車類、人員類、環(huán)境類等事故信息,運營公司收到事故信息后,對事故的發(fā)生時間、地點、車次、客流量等進行全面核實,立即向上級管理部門、各相關(guān)線路、各相關(guān)站點等發(fā)送緊急事故預警消息,即時調(diào)動維修人員趕赴現(xiàn)場;與此同時,系統(tǒng)運營信息及故障信息通過通訊系統(tǒng)傳遞給城市軌道交通系統(tǒng)CPSS平臺,并更新系統(tǒng)中的設(shè)備代理、人員代理、環(huán)境代理、信息代理等的實際狀態(tài),在城市軌道交通CPSS平臺計算實驗系統(tǒng)中進行針對此種事故的各種情況(包括歷史上類似事故的處理方案、現(xiàn)有預案以及工作人員臨時決定處理方案等)的決策仿真,并根據(jù)城市軌道交通CPSS平臺綜合評估系統(tǒng)的評估結(jié)果,進行滾動優(yōu)化,以得出最優(yōu)處置方案,并將實驗結(jié)果返回地鐵運營公司,為公司處理該事故提供決策支持.

圖10 城市軌道交通系統(tǒng)CPSS平臺案例分析流程Fig.10 The analysis chart of case studies of CPSS-URT

4 結(jié)論

復雜系統(tǒng)同時涉及工程復雜性和人為復雜性兩個方面,使得傳統(tǒng)的基于機理的建模方法已經(jīng)不再適用.同時,以往對于復雜系統(tǒng)中的人為因素,尚缺乏有效的建模與分析手段,主要靠經(jīng)驗和人力執(zhí)行.CPSS平臺能考慮到實際系統(tǒng)的各方面因素,將基于機理、統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗的建模方法有機地綜合在一起,集成觀察數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)仿真和數(shù)學模型等手段,通過對基本智能體元素簡單地一致建模以及元素之間的學習和信息交互,生成一種由下而上產(chǎn)生整個系統(tǒng)行為的機制.

本文提出了城市軌道交通CPSS平臺及相應的計算實驗平臺和綜合評估系統(tǒng)的研究內(nèi)容和構(gòu)建方法,并給出了平臺的具體功能.基于城市軌道交通CPSS平臺,可研究乘客、車輛、線路和路網(wǎng)之間的自適應協(xié)同互動規(guī)律等,可提高對城市軌道交通這類復雜系統(tǒng)的建模、評估、分析和優(yōu)化能力.研究成果可為城市軌道交通設(shè)計、疏散預案評價、疏散方案優(yōu)化、人員培訓等方面提供技術(shù)支持,有效提高城市軌道交通運行效率.本文采用的方法是智能控制理論的基礎(chǔ)前沿,可解決城市軌道交通等復雜系統(tǒng)難以進行傳統(tǒng)建模的難題,也可為其他相似復雜交通系統(tǒng)的建模和優(yōu)化研究提供新的思路.