趙 源

(1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，201804，上海；2.上海市軌道交通結構耐久與系統(tǒng)安全重點實驗室，201804，上海；3.上海申通地鐵集團有限公司運營管理中心，201100，上海 ∥ 高級工程師)

在高密度行車條件下，城市軌道交通系統(tǒng)一旦出現(xiàn)列車因故晚點，很容易引發(fā)連帶晚點，繼而出現(xiàn)列車晚點傳播，打亂列車運行秩序，甚至波及網(wǎng)絡中其他線路。因此，及時針對晚點情況做出有效的調度應急處置與運營調整決策尤為重要。

在傳統(tǒng)的運營調度指揮體系中，針對列車運行晚點情況，主要采取人工介入調整模式來應對，以調度員為決策者和指揮者[1]。受限于調度員的工作經(jīng)驗及調度能力，加之受日益復雜的網(wǎng)絡運營環(huán)境和不確定的外界因素干擾，列車運營調整方案及效果也存在很大的不確定性。因此，研究建立列車晚點情況下的自動化、智能化運營調整機制與方法具有重要意義[2]。

既有的列車運行調整模式屬于他組織過程，其系統(tǒng)組織力來自系統(tǒng)外部的調度指令。與他組織相對應，系統(tǒng)自組織是指在沒有外部指令條件下，系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間能自行按照某種規(guī)則形成一定結構或功能的現(xiàn)象。自組織理論主要研究系統(tǒng)如何從混沌無序的初態(tài)向穩(wěn)定有序的終態(tài)的演化過程和規(guī)律[3]。本文探索性地將系統(tǒng)自組織原理引入城市軌道交通行車組織與運營調整中，針對列車因故晚點、線路系統(tǒng)運行秩序被打亂后的狀態(tài)，建立系統(tǒng)內(nèi)列車個體間協(xié)同作用機理，通過構建列車運行調整的自組織規(guī)則，實現(xiàn)列車運行秩序的自動恢復。

1 晚點情況下的地鐵列車運行調整

1.1 列車運行晚點的產(chǎn)生與傳播

列車在線路上運行時，由于受到自身或外界因素的干擾，其運行時刻會偏離計劃運行圖，產(chǎn)生自身晚點[4-5]。例如，車站客流量過大造成的停站時間延長會導致列車出站晚點，司機駕駛不當或設備設施發(fā)生故障造成的區(qū)間運行時間延長會導致區(qū)間晚點等。由于絕大多數(shù)地鐵線路無越行條件，故同方向前后列車運行狀態(tài)相互影響。若前行列車發(fā)生晚點，且未能短時間恢復正點運行，則后行列車達到最小追蹤間隔時會被迫偏離計劃運行圖，形成晚點傳播，導致相關列車產(chǎn)生連帶晚點[4-5]。

前行列車自身晚點程度、列車運行控制系統(tǒng)預留冗余時間及列車追蹤間隔時間等均會對晚點傳播產(chǎn)生不同的影響，因此，必須根據(jù)實際情況對列車做出相適應的調整策略。

1.2 晚點情況下的列車運行調度調整目標

根據(jù)乘客出行需求的時空分布規(guī)律，地鐵運營方制定了列車運行圖。在正常情況下，行車調度員應嚴格按照運行圖組織行車，兌現(xiàn)運行圖規(guī)定的服務水平。當列車發(fā)生晚點時，區(qū)段開行間隔出現(xiàn)偏差，服務水平下降,對此，行車調度員要及時進行調整，盡快恢復運行圖規(guī)定的開行間隔時間及間隔均衡性，以盡快恢復正常的服務水平。

1.3 晚點情況下列車運行調度人工調整手段

當列車輕微晚點時，列車運行控制系統(tǒng)借助預先設置的運行圖冗余時間，通過逐列列車在逐個車站的微小冗余調整來恢復線路列車的正常運營。當線路突發(fā)事件導致列車運行延誤較大或發(fā)生中斷時，列車運行控制系統(tǒng)無法僅通過冗余調整來修正列車運行時間，極易造成列車晚點傳播，繼而導致列車運行間隔偏差及運行秩序混亂?？梢姡尚熊囌{度員來人工選擇和制定恰當?shù)牧熊囘\行調整方案是關鍵。

針對列車運行晚點或中斷情況，行車調度員通過全局觀察，以恢復運行間隔時間及間隔均衡性為目標，對列車運行進行調整。調整方式主要包括扣車、載客跳停、調整始發(fā)站發(fā)點、改變列車運行等級(調整區(qū)間運行時分)、調整停站時間、運休列車(收車)、加開列車、列車替開、變更交路、改變折返方式及單線雙向運行等[7-8]。其中，加開列車、列車替開、變更交路、改變折返方式及單線雙向運行等措施在列車組織方式實施過程中改變了在線列車的前后運動順序關系，并受到線路條件及備用列車等復雜因素影響。因此，本文以地鐵常見的運營晚點場景(因列車故障救援、線路短時設備發(fā)生故障及異物侵限等引發(fā)的、可通過應急消除且未發(fā)生線路中斷的場景)為對象，在不改變在線列車運動順序及關系的條件下，研究相適應的列車運行調整自組織機制。

2 基于群體協(xié)同的列車運行調整自組織機制

2.1 列車運行調整機制轉變

根據(jù)列車自動監(jiān)控(ATS)系統(tǒng)自動控制的程度，列車運行調度模式分為自動調整模式、人工調整模式、人工調度模式和全人工模式。在人工調整模式下，地鐵行車調度員作為自始至終的參與者，結合實踐經(jīng)驗與專業(yè)知識做出調度決策。調度決策依賴于調度員的人工指令，ATS系統(tǒng)作為決策的操作端、執(zhí)行端和輸出端。如果把1條線路的列車運行看作1個動態(tài)的組織系統(tǒng)，每輛列車是構成這個系統(tǒng)的元素，那么在晚點情況下的列車運行調整模式屬于他組織過程，其系統(tǒng)組織力來自系統(tǒng)外部的調度指令。

他組織模式下的列車運行調整靈活，但對調度員業(yè)務要求高。隨著新線的迅速增加，服務客流量快速增長，線路設施設備裝備多樣化，越來越多的調度員很難快速適應復雜的線路運營環(huán)境，無法準確做出應急處置決策。因此，引入智能體概念與思想：將地鐵運行系統(tǒng)中的每列列車視作1個智能個體，通過建立列車智能體的運動思想及相互之間的交互規(guī)則，在列車運動受干擾、運動秩序紊亂的情況下，使各列列車智能體能夠自發(fā)組織起來，不需要外界特定干預，通過相互協(xié)同作用，實現(xiàn)列車運行系統(tǒng)由無序向有序的自組織演變。

2.2 列車運行調整的自組織機制

與人工介入的他組織模式不同，智能體間自組織的組織力來自系統(tǒng)內(nèi)部元素間的協(xié)同。因此，實現(xiàn)列車運行調整自組織過程的關鍵是建立系統(tǒng)各元素(即各列車智能體)之間的交互、協(xié)同運動關系。為建立該協(xié)同關系，本文以某列車故障場景為例，將“列車晚點發(fā)生→列車運行調整→列車運行恢復”過程中列車之間的追蹤運行關系簡化如圖1所示。

如圖1所示，受列車意外故障影響，列車之間的運行時間距離(運行間隔)被打亂，列車晚點情況發(fā)生；在列車故障被清除后的一段時間里，通過運行調整，重新恢復了列車運行秩序及運行間隔，從而恢復了運行圖規(guī)定的服務水平?？梢?，列車運行自組織機制的關鍵是建立基于時間距離的列車間交互、協(xié)同運動關系。為此，借鑒“沙丁魚群”運動原理對列車間的運動交互及協(xié)同過程進行描述和自組織分析。

研究結果表明，盡管整個沙丁魚群具有高度相關性，但每個個體僅與最鄰近的另一個體產(chǎn)生交互作用。魚群通過相鄰魚之間的吸引力和排斥力保持行動統(tǒng)一?；隰~對相對距離的感受，每2條魚之間的運動距離可劃分為3個層級，即如圖2所示的3個區(qū)域：①排斥區(qū)域，其他個體對此個體有排斥作用，此個體也希望遠離排斥區(qū)域內(nèi)的其他個體；②協(xié)同區(qū)域，其他個體對此個體總保持協(xié)同運動或保持一致運動的趨勢；③吸引區(qū)域，其他個體對此個體有吸引作用，此個體也希望向其他個體靠近[9]。當超出吸引區(qū)域時，其他個體對此個體不產(chǎn)生影響。

圖1 列車故障場景下的行車組織關系

圖2 沙丁魚群運動關系的區(qū)域劃分

參考沙丁魚對鄰近個體間運動距離的感受，對線路上相鄰列車的運行間隔進行描述。列車在線路上運行，故列車間的位置關系為一維運行間隔。相鄰列車運動關系的距離劃分如圖3所示。①協(xié)同間隔：列車間隔在運行圖冗余時間范圍內(nèi)為可接受范圍，列車運行控制系統(tǒng)采取按圖調整模式來協(xié)調列車運行。②排斥間隔：如當前列車與鄰近列車運行間隔因故縮短至冗余時間允許范圍以內(nèi)，則鄰近列車對該列車有排斥作用，要拉大運行間隔。③吸引間隔：如當前列車與鄰近列車的運行間隔因故延長至冗余時間允許范圍以外，則鄰近列車對該列車有吸引作用，要縮短運行間隔。此外，如當前列車與鄰近列車運行間隔超出吸引作用范圍，則在線列車無法通過相互協(xié)同滿足乘客運輸需求，列車運行控制系統(tǒng)可考慮自動加開列車，使列車間隔在可作用范圍內(nèi)。綜上所述，建立列車運行調整的自組織機理為：在突發(fā)事件發(fā)生后，各列車智能體基于對鄰近列車運行間隔的感知來自主調整與鄰近列車的運行間隔，從而完成運動交互與協(xié)同，實現(xiàn)運行有序性與間隔均衡性。

圖3 相鄰列車運動關系的距離劃分

2.3 列車運行調整的自組織協(xié)同模型

地鐵線路上的列車運行為前后排隊追蹤的運動組織形式。將線路中運行的列車比作有序向前運動的“列車群”,當其中某列列車因故晚點或運行中斷后，線路上原本有序運行的“列車群”就好像“沙丁魚群”被攻擊一樣，各列車個體按照所建立的“列車群”交互與協(xié)同關系，由各列車智能體根據(jù)其與前后鄰近列車間的交互關系，自主選擇運行調整策略，從而建立起列車運行調整的自組織協(xié)同模型(見表1)。

表1中：當相鄰列車間隔大于圖定間隔冗余范圍時，相鄰列車間表現(xiàn)出引力，且該引力在實際間隔小于指定間隔值時隨距離的增大而增大，并在實際間隔等于指定間隔值時達到極值；當相鄰列車間隔小于圖定間隔時。相鄰列車間表現(xiàn)出斥力，且該斥力在實際間隔大于指定間隔值前隨距離減小而增大，并在實際間隔等于指定間隔值時達到極值。前后鄰近列車k-1、k+1對列車k的作用力分別用F(k,k-1)、F(k,k+1)表示。若作用力指向列車k，則作用力大于0，為斥力，說明鄰近列車對列車k具有排斥作用；若作用力遠離列車k時，則作用力小于0，為引力，說明鄰近列車對列車k具有吸引作用。

表1 列車運行調整的自組織協(xié)同規(guī)則模型

3 列車運行調整的自組織優(yōu)化算例

基于上海軌道交通8號線(以下簡為“8號線”)列車運行仿真平臺[10]，進一步優(yōu)化對線路基礎設施設備、車輛運用及列車運行的管理和仿真模擬。在列車運行的仿真中，可在任意時刻、任意地點設置列車故障場景。為對列車運行自組織調整模型進行有效性驗證，在8號線列車運行仿真系統(tǒng)中嵌入了所構建的列車間交互作用與協(xié)同運動規(guī)則。

3.1 仿真場景

設計列車區(qū)間故障場景：列車運行圖9:00之前發(fā)車間隔為3 min 20 s，9:00之后發(fā)車間隔為5 min；假定某列車于9:00在曲陽路站→虹口足球場站區(qū)間發(fā)生了故障緊急迫停；經(jīng)組織實施應急處置后故障清除，但該列車在虹口足球場站進站晚點10 min。由于本案例僅用于驗證列車運行自組織調整過程，故將列車故障迫停區(qū)間→駕駛員應急處置完成排故的過程簡化處理，仿真界面僅顯示列車迫停區(qū)間10 min。

3.2 自組織調整過程

列車因故晚點后，列車運行控制系統(tǒng)依據(jù)表1中的列車交互與協(xié)同運動作用及自主運行調整規(guī)則，通過不斷更新列車與相鄰列車的交互關系和運動狀態(tài)來完成列車運行的自組織調整，并實時輸出調整的列車運行圖，如圖4所示。

圖4 故障場景下列車運行調整自組織過程模擬

根據(jù)實際行車組織情況，高峰時段線路上運行的列車均采用最大速度標尺(無法壓縮運行時間)，無熱備車，且客流高峰期不允許列車載客通過車站。在列車交互關系中，假定列車間隔1個站間距時斥力最大(逼停后車)，間隔為圖定運行間隔2倍時引力最大(扣停前車)，且在下一停站兌現(xiàn)(不在區(qū)間停車)。

1) 前方列車運行的自組織調整過程為：故障車迫停拉大了其與前方列車的運行間隔，使得前方列車與前后相鄰列車之間的運行間隔進入吸引間隔區(qū)間，且其后方列車間隔大于其前方列車間隔，故有后方引力>前方引力，進而使列車運行控制系統(tǒng)自動延長了列車停站時間。由于列車之間存在群體效應，前方列車間的引力向前傳遞，使得前方多列列車依次受“向后的”引力作用而自動扣停，由此分攤晚點，確保前方車站的列車服務間隔均勻。

2) 后方列車運行的自組織調整過程：故障車迫停壓縮了與后方列車的運行間隔，使得后方列車與前后列車之間的運行間隔進入排斥間隔區(qū)間，且前方間隔小于后方間隔，故有前方斥力>后方斥力，使列車自動扣停后方車站。同樣，由于列車間的群體效應，后方列車間的斥力向后傳遞，使得后方多列車依次受“向后的”斥力作用自動扣停，由此確保列車運行安全且列車服務有序。

需要說明的是，為確保列車上旅客服務的安全性，在列車運行控制系統(tǒng)實施列車運行自組織調整過程中，主要采取延長列車停站時間(即扣停)的自動調整策略。

4 結語

在日益復雜而嚴峻的地鐵運營組織形勢下，因突發(fā)事件導致的運營延誤或運營安全事件時有發(fā)生。為確保能夠快速、系統(tǒng)、有效應對偶發(fā)的列車運行晚點影響，在系統(tǒng)梳理和分析列車運營調整策略和規(guī)則的基礎上，引入智能體概念和自組織理論，借鑒“沙丁魚群”運動現(xiàn)象描述基于3個間隔閾值的鄰近列車間的作用關系。將列車與前后鄰近列車間的運行間隔關系轉化為個體之間的吸引與排斥關系，實現(xiàn)對列車間運動交互關系的描述，從而建立線路運行系統(tǒng)中各列車的自組織協(xié)同模型。

地鐵列車運行條件復雜、系統(tǒng)不確定因素眾多，本文基于所建立的上海軌道交通8號線列車運行仿真平臺，建立假定的列車故障場景模型，并實現(xiàn)了前、后方向列車運行自組織調整的過程模擬與運行結果自動化輸出，由此論證了基于群體協(xié)同的列車運行調整自組織機制與規(guī)則模型的有效性和應用性。由于線路未發(fā)生長時間運行中斷，行車調整過程中不改變在線列車運動順序及關系，因此，所建立的列車運動交互、協(xié)同的自組織機制還需進一步優(yōu)化。