宋鵬飛,趙宏濤,王 濤,周曉昭

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究所,北京 100081； 2.國(guó)家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,北京 100081)

隨著2019年底京張高鐵的正式開通運(yùn)營(yíng)，智能調(diào)度集中系統(tǒng)首次在國(guó)內(nèi)鐵路上線應(yīng)用，列車調(diào)度集中的方式進(jìn)入智能1.0階段。智能調(diào)度集中系統(tǒng)(Intelligent Centralized Traffic Control system，以下簡(jiǎn)稱“智能CTC”)，是由中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱“國(guó)鐵集團(tuán)”)工電部按照“智能京張”的規(guī)劃[1-4]，組織各鐵路局與CTC系統(tǒng)廠家深入研討后，確立了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并于2019年頒布了適合京張高鐵的智能CTC技術(shù)條件。其中智能CTC先于2019年上半年在京雄城際(大興機(jī)場(chǎng)段)試運(yùn)用，之后2019年下半年在京張高鐵中正式開通使用。按照國(guó)鐵集團(tuán)的部署和規(guī)劃，智能CTC屬于1.0起步階段，需要在推廣使用中持續(xù)地迭代優(yōu)化升級(jí)。為此，基于當(dāng)前CTC系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，分析智能CTC的定義特征及功能規(guī)格，對(duì)智能CTC1.0的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)邏輯處理等進(jìn)行研究，同時(shí)結(jié)合在京張高鐵運(yùn)用時(shí)面臨的問題，提出智能CTC下一步的推進(jìn)方向。

1 國(guó)內(nèi)鐵路調(diào)度集中現(xiàn)狀

目前調(diào)度集中系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱“CTC系統(tǒng)”)廣泛應(yīng)用于高鐵線路，是高鐵線路列車調(diào)度指揮的必備信號(hào)系統(tǒng)。CTC系統(tǒng)以底層聯(lián)鎖、列控等信號(hào)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，依據(jù)調(diào)度員編制的列車運(yùn)行計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)排路、沖突監(jiān)測(cè)、安全卡控等功能。隨著更多客專、高鐵線路的建設(shè)開通，針對(duì)鐵路運(yùn)輸指揮中安全保障、智能輔助、調(diào)度指揮效率、應(yīng)急處置等方面，調(diào)度指揮人員提出了更多需求。為提升鐵路調(diào)度指揮的智能化水平，國(guó)鐵集團(tuán)以京張高鐵為契機(jī)，提出了智能調(diào)度集中的總體要求，確定智能調(diào)度集中1.0的目標(biāo)。

2 智能CTC1.0功能定義及特征

2.1 功能定義

智能調(diào)度集中，是在現(xiàn)有調(diào)度集中系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入人工智能技術(shù)及算法，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)營(yíng)計(jì)劃的智能調(diào)整，對(duì)列車調(diào)度人員提供更高級(jí)的安全檢查、更高效的輔助辦理的技術(shù)手段[5]。智能CTC的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)列車調(diào)度指揮的智能輔助化、智能協(xié)同控制、應(yīng)急處置的輔助決策化等功能，從而整體上提高列車調(diào)度指揮效率及運(yùn)營(yíng)效率。按照當(dāng)前鐵路的技術(shù)現(xiàn)狀，現(xiàn)智能CTC屬于1.0階段，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)列車調(diào)整計(jì)劃的輔助智能調(diào)整、列車安全卡控、CTC與多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)融合等功能[6-7]。

2.2 系統(tǒng)特征

基于既有CTC系統(tǒng)的技術(shù)路線，結(jié)合調(diào)度指揮人員對(duì)既有CTC升級(jí)為智能CTC的需求，智能CTC主要特征有以下幾個(gè)方面。

(1)列車調(diào)度調(diào)整的智能化

當(dāng)前調(diào)度指揮人員的一部分工作壓力，是在列車運(yùn)行調(diào)整方面。在某趟列車因列車作業(yè)超時(shí)、線路條件異常等出現(xiàn)晚點(diǎn)后，需對(duì)整個(gè)調(diào)度臺(tái)的列車運(yùn)行計(jì)劃重新調(diào)整，此工作是調(diào)度員的重點(diǎn)工作之一。在高鐵線路列車計(jì)劃調(diào)整時(shí)，列車的調(diào)度沖突較少，更多是如何保障列車整點(diǎn)兌現(xiàn)率問題。為此，調(diào)度指揮人員希望依靠既有CTC系統(tǒng)平臺(tái)，增加智能調(diào)整功能，實(shí)現(xiàn)列車調(diào)度智能調(diào)整、協(xié)調(diào)決策等目標(biāo)，降低列車晚點(diǎn)率，減輕調(diào)度人員工作壓力。

(2)多系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合

CTC需要與更多的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互及融合，拓寬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源，增強(qiáng)調(diào)度集中控制的安全檢查。其中，京張高鐵CTC系統(tǒng)與列控系統(tǒng)C3+ATO系統(tǒng)之間是新增的一個(gè)重要接口[8-9]，雙方之間的信息安全交互、數(shù)據(jù)融合處理需高度關(guān)注。此外，CTC與其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)融合及處理，比如災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、供電管理PDMS等，對(duì)列車安全運(yùn)行引入了新的信息來(lái)源和安全檢查手段。

(3)列車安全卡控的多樣化

當(dāng)前CTC系統(tǒng)能夠?qū)α熊嚢踩\(yùn)行進(jìn)行一系列的重點(diǎn)卡控，防止錯(cuò)誤的進(jìn)路排列，比如可以實(shí)現(xiàn)車站股道封鎖、區(qū)間封鎖、站臺(tái)檢查、超限列車交匯等各種情況下的列車運(yùn)行安全卡控。智能CTC需要更多層次、更多方面的列車安全卡控，包括與供電系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)線路上接觸網(wǎng)停供電的流程控制及供電臂狀態(tài)共享；與防災(zāi)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)線路上風(fēng)、雨、雪、地震、異物侵限等自然環(huán)境或異常情況的自動(dòng)報(bào)警與防范；與客運(yùn)客票系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)旅客乘降、客票組織等方面的聯(lián)動(dòng)；與TDMS(運(yùn)輸調(diào)度管理系統(tǒng))聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)列車作業(yè)包括上水、吸污、換乘、車底整備、交令、列檢、交票、列尾司機(jī)加餐等作業(yè)時(shí)接發(fā)列車的安全卡控。只有加強(qiáng)行車作業(yè)的安全檢查和流程控制，才能提高列車的保障運(yùn)行等級(jí)。

3 智能CTC1.0系統(tǒng)方案框架

按照系統(tǒng)功能定義及特征，智能CTC需分2個(gè)方面進(jìn)行提升。

(1)對(duì)外融合其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，與其他系統(tǒng)進(jìn)行信息共享，數(shù)據(jù)協(xié)同處理。

(2)對(duì)內(nèi)數(shù)據(jù)挖掘及智能算法引入，對(duì)行車指揮的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一整體綜合運(yùn)算。

3.1 外部接口的聯(lián)動(dòng)融合

“智能”是基于數(shù)據(jù)的智能，CTC須與其他系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，統(tǒng)籌協(xié)同處理，才能做到初步的智能；同樣，只有與其他系統(tǒng)結(jié)合，融合其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，才能做到更多的列車運(yùn)行安全卡控。既有CTC系統(tǒng)已經(jīng)與聯(lián)鎖、列控、TSRS(臨時(shí)限速服務(wù)器)、RBC(無(wú)線閉塞中心)、TDMS、GSM-R(數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng))等系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)交互，為了提高集中控制的精細(xì)化，需要CTC系統(tǒng)與更多的外部系統(tǒng)進(jìn)行接口，融合共享數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)更高一級(jí)的安全卡控、智能調(diào)整。目前國(guó)鐵集團(tuán)也在積極推動(dòng)，打破各專業(yè)信息壁壘，實(shí)現(xiàn)信息共享。京張智能CTC新引入的接口如圖1所示。

圖1 智能CTC系統(tǒng)擴(kuò)充接口示意

新引入的接口系統(tǒng)包括4個(gè)方面。

(1)C3+ATO接口：CTC與C3+ATO按照RSSP-II安全協(xié)議進(jìn)行接口，CTC將列車調(diào)度員的實(shí)時(shí)調(diào)整計(jì)劃發(fā)送至車載設(shè)備，計(jì)劃上車后，車載ATO能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)地自動(dòng)按計(jì)劃行車、自動(dòng)站臺(tái)停車等功能[10]。

(2)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接口：CTC與災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信，能夠從災(zāi)害監(jiān)測(cè)中獲得線路的風(fēng)雨雪異常、異物侵限等故障告警，從而有效地指導(dǎo)調(diào)度員調(diào)整列車運(yùn)行計(jì)劃。

(3)供電及電調(diào)PDMS/PSCADA系統(tǒng)：與供電系統(tǒng)接口，打通列車調(diào)度與電力調(diào)度之間的壁壘，實(shí)現(xiàn)線路供電臂的停供電等流程管理及電力安全防護(hù)[11-12]。

(4)DMS系統(tǒng)：列控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)CTC對(duì)列車底層車載狀態(tài)的獲取，方便調(diào)度員掌握列車配屬、列車運(yùn)行C2/C3等級(jí)等詳細(xì)信息。

預(yù)留接口系統(tǒng)包括2個(gè)方面。

(1)客票系統(tǒng)接口：CTC獲得高鐵列車旅客上座情況，從而為特殊晚點(diǎn)情況下的列車智能調(diào)整提供依據(jù)，提供“減少對(duì)旅客影響”的調(diào)整策略，同時(shí)為在極端情況下運(yùn)行圖“抽線”及列車停運(yùn)提供指導(dǎo)意義[13]。

(2)現(xiàn)車及AEI系統(tǒng)接口：CTC與現(xiàn)車系統(tǒng)交互，獲取現(xiàn)車系統(tǒng)中調(diào)車作業(yè)、AEI車號(hào)信息等，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)車組列車位置的追蹤識(shí)別及處理。

3.2 設(shè)計(jì)原則

(1)數(shù)據(jù)安全使用原則

列車安全運(yùn)行是智能CTC最基礎(chǔ)的要求。CTC融合了其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)后，對(duì)影響列車安全運(yùn)行的接口系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)，比如供電臂停供電、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等，需要優(yōu)先進(jìn)行卡控處理，并按照故障導(dǎo)向安全的準(zhǔn)則進(jìn)行處理。對(duì)非安全系統(tǒng)的接口數(shù)據(jù)，必須進(jìn)行智能化篩選過(guò)濾、信息權(quán)重再分配。

(2)效率原則

鐵路行車的調(diào)度指揮，受多個(gè)約束限制及多因素影響，列車智能調(diào)整是追求綜合最優(yōu)的NP群決策調(diào)優(yōu)運(yùn)算。針對(duì)調(diào)度人員需要高實(shí)時(shí)性的調(diào)整結(jié)果，智能CTC的調(diào)整需以快速引導(dǎo)為主，部分場(chǎng)景下的調(diào)整無(wú)需最優(yōu)解，次優(yōu)解也是可以接受的。設(shè)計(jì)時(shí)，以降低調(diào)度工作的差錯(cuò)率，減輕調(diào)度人員的勞動(dòng)強(qiáng)度為主要目標(biāo)；調(diào)整時(shí)，對(duì)調(diào)度員的決策進(jìn)行輔助，對(duì)設(shè)備故障、其他系統(tǒng)故障時(shí)匯總可能影響行車的分析，充分利用外部數(shù)據(jù)保障設(shè)備安全，必要時(shí)需人工介入。

(3)接口原則

在與其他系統(tǒng)進(jìn)行融合時(shí)，智能CTC按照“統(tǒng)一CTC信息平臺(tái)”架構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃實(shí)施，從系統(tǒng)底層預(yù)留架構(gòu)層面及功能層面提供平臺(tái)功能模塊與擴(kuò)展機(jī)制，為后續(xù)更多的接口做預(yù)留、擴(kuò)展及功能適配。在與其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)時(shí)，智能CTC按照數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分層處理，把數(shù)據(jù)挖掘、信息發(fā)布、信息管理等功能綜合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整合及綜合管理。

3.3 智能CTC方案設(shè)計(jì)3.3.1 智能調(diào)整設(shè)計(jì)

當(dāng)前鐵路局對(duì)列車管理是以調(diào)度指揮區(qū)段劃分管轄范圍，為此，智能CTC設(shè)計(jì)時(shí)以單個(gè)調(diào)度臺(tái)為最小調(diào)整單位。在調(diào)度區(qū)段范圍內(nèi)，對(duì)涉及本調(diào)度臺(tái)內(nèi)部車站比較常規(guī)的調(diào)整規(guī)劃(如股道封鎖、區(qū)間封鎖、區(qū)間降速)，結(jié)合調(diào)度區(qū)段的特點(diǎn)，給出一些次優(yōu)的路徑，加入到檢索結(jié)果中，供給用戶選擇，可不必深度調(diào)整規(guī)劃。通過(guò)使用過(guò)程中的積累，逐漸建立專家數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史學(xué)習(xí)庫(kù)，這樣符合用戶需求的路徑規(guī)劃結(jié)果更新入庫(kù)后，后續(xù)同樣的場(chǎng)景調(diào)整則可直接使用已經(jīng)存儲(chǔ)好的專家經(jīng)驗(yàn)規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行路徑優(yōu)化調(diào)整。另外，在調(diào)整時(shí)必須設(shè)定權(quán)重，引入權(quán)重法，目標(biāo)優(yōu)化時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)約束。在應(yīng)用中，一般的爬山算法、模擬退火算法選出局部最優(yōu)解或次優(yōu)解，基本能滿足調(diào)度區(qū)段的使用[14-15]。

從一條線路(一般會(huì)劃分為多個(gè)調(diào)度臺(tái))至整個(gè)鐵路網(wǎng)來(lái)說(shuō)，智能CTC的調(diào)整規(guī)劃較為復(fù)雜，每個(gè)調(diào)度臺(tái)對(duì)接入交出站列車的智能調(diào)整，其影響將穿透本調(diào)度臺(tái)，直接影響到下一個(gè)調(diào)度臺(tái)，乃至傳播到更遠(yuǎn)的線路范圍。這種調(diào)整造成的擾動(dòng)，需要高一級(jí)別的調(diào)整服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)，為此需設(shè)立路局總調(diào)整服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)籌調(diào)整。在這種情況下，單純的數(shù)學(xué)算法不能很好地解決此類問題，實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，進(jìn)化算法可以取得較好的效果，作為一種模擬生物進(jìn)化過(guò)程的算法，典型的進(jìn)化算法有遺傳算法(GA)，粒子群算法(PSO)，蟻群算法(ACO)等[16-20]。

總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能調(diào)度集中系統(tǒng)智能調(diào)整架構(gòu)

3.3.2 數(shù)據(jù)融合及安全卡控設(shè)計(jì)

智能CTC系統(tǒng)對(duì)安全卡控在設(shè)計(jì)時(shí)主要有2個(gè)方面：(1)作業(yè)流程上的卡控；(2)突發(fā)情況下的卡控。在與其他系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)融合處理時(shí)，可按照這2個(gè)方面進(jìn)行分類處理，見表1。

表1 接口系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合處理方式

上述的數(shù)據(jù)分類是以大類進(jìn)行總體劃分，在實(shí)際中首先應(yīng)對(duì)融合的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、清洗、過(guò)濾，防止調(diào)度人員被太多的數(shù)據(jù)所淹沒；之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)顆粒度的甄別，再引入到智能CTC的安全卡控模塊進(jìn)行分類處理。

4 運(yùn)行分析

由北京鐵路局運(yùn)營(yíng)管理的京張高鐵線路由2個(gè)調(diào)度臺(tái)組成：京昌臺(tái)(北京北至昌平，共計(jì)4站1線路所)；京包臺(tái)(八達(dá)嶺長(zhǎng)城至懷安段以及崇禮支線段，共計(jì)10站)。按照上述智能CTC的結(jié)構(gòu)方案，2個(gè)調(diào)度區(qū)段均部署了鐵科院智能調(diào)度集中CTC1.0系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，于2019年12月正式開通運(yùn)行。運(yùn)營(yíng)中發(fā)現(xiàn)，在多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)方面，智能CTC與C3+ATO接口效果較為突出，智能CTC將列車運(yùn)行計(jì)劃發(fā)送至C3+ATO，實(shí)現(xiàn)了列車按計(jì)劃作業(yè)及股道精準(zhǔn)停車；與災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接口時(shí)，CTC能夠準(zhǔn)確地獲得線路的風(fēng)雨雪災(zāi)害信息，并對(duì)當(dāng)前調(diào)度區(qū)段的運(yùn)行圖智能調(diào)整；與供電系統(tǒng)接口，打通了列調(diào)與電調(diào)的壁壘，優(yōu)化了線路的停供電邏輯。

目前仍有部分功能需要繼續(xù)優(yōu)化調(diào)整，包括以下方面。

(1)在特殊場(chǎng)景時(shí)，調(diào)度員希望能夠粗略地復(fù)視晚點(diǎn)列車的ATO目標(biāo)運(yùn)行曲線，以便根據(jù)線路情況決定列車盡可能地向前追趕。

(2)跨調(diào)度臺(tái)之間的智能調(diào)整有較大的優(yōu)化空間。當(dāng)前鐵路局范圍的運(yùn)輸考核規(guī)則，一般是以單個(gè)調(diào)度臺(tái)的列車正點(diǎn)率(運(yùn)行圖兌現(xiàn)率)為目標(biāo)。跨臺(tái)調(diào)整時(shí)如何打破臺(tái)間統(tǒng)計(jì)早晚點(diǎn)的壁壘，需要進(jìn)一步將算法優(yōu)化升級(jí)。

(3)列調(diào)與電調(diào)之間的停送電邏輯及步驟需簡(jiǎn)潔化。由于兩個(gè)系統(tǒng)之間的用戶認(rèn)證方式不同，雙方交互時(shí)步驟較為繁瑣，需針對(duì)既有工作流程設(shè)計(jì)新的作業(yè)流程。

(4)完善智能調(diào)整的結(jié)果展示及精細(xì)化預(yù)測(cè)。目前CTC設(shè)置了一個(gè)專門的智能調(diào)整終端進(jìn)行調(diào)整結(jié)果展示，下一步需考慮提供類似地圖路徑導(dǎo)航式，將多種調(diào)整的結(jié)果分屏展示，供用戶選擇。另外，針對(duì)運(yùn)行圖局部精細(xì)化的調(diào)優(yōu)也是需要優(yōu)化的方向。

(5)進(jìn)一步推進(jìn)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口融合。CTC與客票、現(xiàn)車等系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)融合，仍需要國(guó)鐵集團(tuán)層面強(qiáng)有力地推動(dòng)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文按照智能CTC技術(shù)路線及需求，明確了智能調(diào)度集中系統(tǒng)的定義及特征，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了智能CTC與其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合的總體邏輯框架，確定了智能CTC多個(gè)調(diào)度區(qū)段下的智能調(diào)整結(jié)構(gòu)及算法選擇，并對(duì)多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)如何融合處理進(jìn)行科學(xué)分類，有針對(duì)地引入CTC列車安全卡控模塊中，提高了調(diào)度指揮的安全檢查水平。目前智能CTC仍處于螺旋式的開發(fā)迭代過(guò)程，新的接口數(shù)據(jù)仍在擴(kuò)充推進(jìn)中，根據(jù)京張高鐵運(yùn)行發(fā)現(xiàn)的問題，如何優(yōu)化融合數(shù)據(jù)的處理邏輯及規(guī)則，優(yōu)化多區(qū)段的智能調(diào)整策略，是下一步智能CTC的發(fā)展方向。