李曉剛,王 偉,賈慶東

(1.北京軌道交通建設(shè)管理有限公司,北京 100068;2.交控科技股份有限公司,北京 100070)

0 引言

軌道交通是城市綜合交通客運(yùn)系統(tǒng)中的重要組成部分,具有安全、高效、運(yùn)量大、準(zhǔn)時(shí)和節(jié)能等特點(diǎn)。在日常運(yùn)營過程中,常會(huì)遇到一些不可預(yù)知的異常事件影響系統(tǒng)的正常運(yùn)營。其中,設(shè)備故障是較為常見的異常事件類型,如列車故障、信號(hào)故障、供電系統(tǒng)故障、線路故障等[1]。而這些故障事件輕則造成若干列車延誤,重則導(dǎo)致乘客滯留、運(yùn)營中斷等問題。如不及時(shí)處理或處理不當(dāng),將會(huì)造成線路乃至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營秩序紊亂,甚至危及系統(tǒng)運(yùn)營安全[2-3]。我國城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)逐步擴(kuò)大,列車運(yùn)行間隔逐漸縮短,實(shí)際運(yùn)營條件越來越復(fù)雜,故障處置管理的難度也不斷增大。因此,必須加強(qiáng)軌道交通運(yùn)營過程中的故障處置管理,減少故障事件對(duì)系統(tǒng)運(yùn)營的影響。

目前,故障事件處置大多依賴調(diào)度員經(jīng)驗(yàn),采用人工處置的方式進(jìn)行故障處置。為提高軌道交通系統(tǒng)運(yùn)營的安全性和可靠性,運(yùn)營部門結(jié)合豐富的故障處置經(jīng)驗(yàn),制定了針對(duì)不同故障類型的故障處置預(yù)案,使得故障處置能夠有序地按照計(jì)劃和步驟進(jìn)行[4-5]。但是故障處置預(yù)案較為粗放,僅對(duì)故障處置的原則、流程和注意事項(xiàng)進(jìn)行定性化闡述,不能直接應(yīng)用于實(shí)際故障處置。面對(duì)故障事件的復(fù)雜性以及不確定性,調(diào)度員依然面臨繁重的工作量,難以作出及時(shí)、有效的調(diào)整。未來城市軌道交通故障處置需要更加精準(zhǔn)、高效、智能化的手段,為實(shí)際故障處置和運(yùn)營調(diào)整提供有效支持,提升調(diào)度處置的效率和效果。

1 故障處置的過程和內(nèi)容

故障發(fā)生后,調(diào)度員需要確定故障位置和影響,采取有效措施組織處理故障,合理調(diào)整列車運(yùn)行,維持系統(tǒng)運(yùn)營秩序,盡可能減少故障帶來的影響。故障處置流程可以分為三個(gè)階段[6]。

①故障發(fā)生階段。調(diào)度員可通過列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(automatic train superision,ATS)系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)等發(fā)現(xiàn)故障,也可經(jīng)由現(xiàn)場(chǎng)人員(如司機(jī)、站務(wù)等)得知故障信息。該階段是故障處置最困難的階段。調(diào)度員需要分析故障影響并快速進(jìn)行調(diào)度決策,避免故障影響進(jìn)一步擴(kuò)散。

②故障持續(xù)階段:在這個(gè)階段故障尚未完全解除,調(diào)度員需要在列車、線路等資源受限的條件下進(jìn)行合理的資源配置,在為故障處理提供條件的同時(shí)盡可能維持最大范圍的列車運(yùn)營服務(wù)。

③故障恢復(fù)階段:這個(gè)階段故障已恢復(fù),系統(tǒng)運(yùn)行效率提升。調(diào)度員需要盡快恢復(fù)計(jì)劃運(yùn)行圖,恢復(fù)正常運(yùn)營秩序。在整個(gè)故障處置過程中,調(diào)度員主要工作內(nèi)容包括針對(duì)原生故障的故障診斷和處理,以及相應(yīng)的運(yùn)營組織調(diào)整。

故障處置各階段主要調(diào)度任務(wù)如表1 所示。

表1 故障處置各階段主要調(diào)度任務(wù)Tab.1 Main scheduling tasks at each stage of fault handling

1.1 故障診斷和處理

故障診斷和處理主要發(fā)生在故障處置發(fā)生階段和故障持續(xù)階段。在發(fā)現(xiàn)故障后,調(diào)度員需要和現(xiàn)場(chǎng)人員反復(fù)確認(rèn)故障信息和故障處置進(jìn)展,包括故障發(fā)生位置、原因及狀態(tài)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)收集到的信息,結(jié)合調(diào)度故障處置預(yù)案規(guī)定的原則、流程,判斷故障影響,并根據(jù)故障產(chǎn)生的原因、位置、影響范圍、可用資源等進(jìn)行決策,以采取相應(yīng)的調(diào)度策略。以運(yùn)營期間發(fā)生的列車ATP 故障為例。在故障發(fā)生后,調(diào)度員會(huì)要求司機(jī)進(jìn)行重啟:若列車恢復(fù),則繼續(xù)恢復(fù)運(yùn)行;當(dāng)司機(jī)處理無效時(shí),則需要啟動(dòng)列車救援程序。由于故障類型、嚴(yán)重程度、影響范圍不同,故障處置工作的流程也存在著差異。調(diào)度策略的制定和生成需要協(xié)同各部門的資源。調(diào)度員需要通過司機(jī)、站務(wù)反饋的故障信息及故障處置情況,下達(dá)調(diào)度命令;必要時(shí),還需通知維修人員前往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理,并配合他們進(jìn)行故障處置;此外,應(yīng)及時(shí)將故障信息和處置信息上報(bào)相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和部門。

1.2 運(yùn)營組織調(diào)整

故障處置過程必然會(huì)使得列車運(yùn)行偏離原有的計(jì)劃。因此,在故障處置過程中需要相應(yīng)地調(diào)整列車運(yùn)營計(jì)劃,維持運(yùn)營秩序,并為故障處理提供條件。列車運(yùn)營組織調(diào)整發(fā)生在故障處置的全過程,其調(diào)整目的和方式在不同故障處置階段不盡相同。在故障發(fā)生階段,故障的影響范圍較小,調(diào)度員需要扣停相關(guān)列車,將列車控制在故障影響范圍外,給故障診斷和初步處置預(yù)留時(shí)間和空間。隨著故障事件的持續(xù),系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)輸能力較弱的狀態(tài),即故障持續(xù)階段。調(diào)度員可采用加車、抽車、中途折返、降級(jí)通過等方式,在兼顧故障處理需求的同時(shí)盡可能地保證一定的運(yùn)輸服務(wù)水平,以減少故障對(duì)乘客出行的影響。當(dāng)故障對(duì)象離開系統(tǒng)或故障恢復(fù)時(shí),系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)輸能力。但是此時(shí)列車已偏離原有的運(yùn)行計(jì)劃,系統(tǒng)運(yùn)營秩序紊亂。調(diào)度員需要綜合考慮調(diào)度指標(biāo),調(diào)整列車運(yùn)行使其盡快恢復(fù)按圖行車,以減少列車晚點(diǎn)數(shù)量。此外,故障處置可能會(huì)引起部分客流的積壓,調(diào)度員在恢復(fù)運(yùn)行計(jì)劃時(shí)需要考慮積壓客流的疏散問題。

2 故障處置全過程關(guān)鍵問題分析

在故障條件下,調(diào)度員的主要職責(zé)包括信息收集、處置決策、運(yùn)行調(diào)整以及后續(xù)信息報(bào)送及處理等。故障處置過程時(shí)間緊、任務(wù)重、影響大。面向故障處置的全過程,結(jié)合城市軌道交通的運(yùn)營特點(diǎn)和故障處置現(xiàn)狀,本研究對(duì)于城市軌道交通應(yīng)急處置面臨的關(guān)鍵問題進(jìn)行歸納總結(jié),得出以下結(jié)論。

2.1 協(xié)同多專業(yè)聯(lián)動(dòng)難

城市軌道交通涉及線路、車輛、信號(hào)、供電、通信等多專業(yè)。在故障處置過程中,需要調(diào)度員、司機(jī)、站務(wù)、維修人員等多個(gè)專業(yè)人員和物資協(xié)作聯(lián)動(dòng)、積極配合,信息的滯后、遺漏或錯(cuò)誤都不便于應(yīng)急故障的判斷和處置[7]。故障診斷階段,調(diào)度員需要和現(xiàn)場(chǎng)人員確定故障信息,及時(shí)通知相關(guān)維修人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)處理故障。而故障處置過程中,調(diào)度員需要將調(diào)度決策下發(fā)給各專業(yè)人員,共同協(xié)作執(zhí)行調(diào)度命令,并及時(shí)上報(bào)和發(fā)布相關(guān)故障信息。

道岔故障處置流程如圖1 所示。道岔故障處置過程中,需要調(diào)度、站務(wù)、司機(jī)、維修等部門之間協(xié)同合作。但是現(xiàn)有的故障處置組織架構(gòu)復(fù)雜,各專業(yè)部門孤立作業(yè),缺乏有效的信息共享、整體協(xié)調(diào)機(jī)制和技術(shù)等支持手段。經(jīng)過案例復(fù)盤分析,故障處置過程中“故障應(yīng)急信息分布”“現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、行車及客服等信息反饋”等環(huán)節(jié)的大量信息需要人工確認(rèn),嚴(yán)重影響故障處置效率[8]。為提高故障處置的時(shí)效性,需要突破多專業(yè)的壁壘,建立跨專業(yè)的故障處置管理架構(gòu),實(shí)現(xiàn)多方資源系統(tǒng)、信息協(xié)同、執(zhí)行協(xié)同,最大程度減少突發(fā)事件的影響。

圖1 道岔故障處置流程Fig.1 Turnout fault handling process

2.2 故障影響預(yù)測(cè)難

城市軌道交通故障時(shí)間成因和場(chǎng)景復(fù)雜多樣,演化過程非常復(fù)雜。特別是在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、高密度甚至是多個(gè)節(jié)點(diǎn)故障的情況下,調(diào)度員依靠經(jīng)驗(yàn)往往難以準(zhǔn)確判斷故障造成的影響。此外,在故障處置的過程中,調(diào)度員需要和設(shè)備、人員之間進(jìn)行大量的信息交互。這些信息的隨機(jī)性、模糊性和不確定性[9],加大了故障影響預(yù)測(cè)的難度。

2.3 故障處置方案決策難

故障處置方案制定不及時(shí)或不當(dāng)將降低處置效率,甚至導(dǎo)致運(yùn)營安全問題。實(shí)際運(yùn)營過程中,故障處置方案的生成主要依靠調(diào)度員經(jīng)驗(yàn)和人工分析處理。然而,故障處置方案制定是一項(xiàng)復(fù)雜決策,需要考慮故障類型、故障影響范圍、故障處置所需時(shí)間、列車運(yùn)行間隔等眾多因素。但是調(diào)度員能力參差不齊,部分調(diào)度員對(duì)設(shè)備熟悉程度較低,缺乏必要的故障處置經(jīng)驗(yàn),容易出現(xiàn)反應(yīng)不及時(shí)、處置不當(dāng)?shù)葐栴}。因此,為調(diào)度員提供與故障處置相關(guān)的特征信息和決策依據(jù)以提高調(diào)度決策水平,對(duì)于避免調(diào)度決策不當(dāng)意義重大。

2.4 行車組織調(diào)整復(fù)雜

列車運(yùn)行調(diào)整方法主要有扣車、加車、抽車、跳停、調(diào)整發(fā)車時(shí)間、中途折返等[10]。調(diào)度員需要綜合考慮時(shí)空因素、可用資源以及調(diào)度命令下達(dá)的時(shí)間,平衡各種運(yùn)營指標(biāo),在短時(shí)間內(nèi)形成行車運(yùn)行調(diào)整方案。隨著列車運(yùn)行間隔的進(jìn)一步減小,故障影響傳播速度加快,受影響的列車和乘客數(shù)量增多。在快速恢復(fù)運(yùn)營秩序的緊張環(huán)境下,調(diào)度員很難在短時(shí)間內(nèi)形成最優(yōu)處置策略。因此,列車運(yùn)行組織調(diào)整效率是故障處置的一個(gè)關(guān)鍵問題。

3 故障處置輔助決策系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)分析

大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代技術(shù)的發(fā)展,為快速、集中處理這些復(fù)雜的信息提供了技術(shù)支撐,可以為調(diào)度員處理多專業(yè)聯(lián)動(dòng)的復(fù)雜工作提供更多手段,輔助調(diào)度員完成處置決策,實(shí)現(xiàn)故障場(chǎng)景下多數(shù)人工處置過程的數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化,提高故障處置效率。

故障處置輔助決策系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)如圖2 所示。

圖2 故障處置輔助決策系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)示意圖Fig.2 Key technologies of fault handling auxiliary decision system

3.1 多專業(yè)協(xié)同技術(shù)

故障處置過程中操作繁多,容易造成信息遺漏、響應(yīng)不及時(shí)等問題。多專業(yè)協(xié)同技術(shù)將以調(diào)度業(yè)務(wù)為基礎(chǔ),對(duì)規(guī)章制度、應(yīng)急故障處置預(yù)案,以及以往的故障處置案例進(jìn)行深入分析,輔以調(diào)度員訪談,形成標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)度處置的流程及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)規(guī)則。采用關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘方法,從中梳理出不同類型故障發(fā)生時(shí)各專業(yè)之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系,構(gòu)建聯(lián)動(dòng)規(guī)則關(guān)系庫。充分利用數(shù)字化信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、人工智能技術(shù)和自動(dòng)化手段,為調(diào)度員處置故障提供快速、準(zhǔn)確的信息聯(lián)動(dòng)、執(zhí)行調(diào)度決策的支持,輔助調(diào)度員進(jìn)行故障處置。多專業(yè)協(xié)同技術(shù)可以在減輕調(diào)度員工作強(qiáng)度的同時(shí),一定程度地保證軌道交通運(yùn)輸安全并提高運(yùn)輸效率,同時(shí)避免故障處置規(guī)程中調(diào)度員操作失誤造成的影響和后果。

3.2 故障處置輔助決策技術(shù)

目前,行車調(diào)度故障處置仍然以經(jīng)驗(yàn)和人工分析為主,在實(shí)際調(diào)度過程中需要調(diào)度員進(jìn)行大量的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)關(guān)聯(lián)以確定調(diào)度方案,智能化程度相對(duì)較低。調(diào)度處置輔助決策技術(shù)以故障處置預(yù)案、調(diào)度日志等文本化的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則和歷史調(diào)度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),充分挖掘這些歷史數(shù)據(jù)的本質(zhì)特征,明確系統(tǒng)狀態(tài)與調(diào)度決策的反饋機(jī)制,運(yùn)用自然語言處理、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等多種人工智能算法,采用“規(guī)則+數(shù)據(jù)”的訓(xùn)練學(xué)習(xí)模式,建立智能化的學(xué)習(xí)引擎。通過對(duì)規(guī)則的理解、歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí),訓(xùn)練模擬調(diào)度員的思維決策,為制定調(diào)度方案提供決策支撐,從而提高調(diào)度決策的可靠性和有效性。故障處置輔助決策技術(shù)如圖3 所示。

圖3 故障處置輔助決策技術(shù)示意圖Fig.3 Schematic diagram of fault handling auxiliary decision technolgy

3.3 列車運(yùn)行計(jì)劃調(diào)整模塊化處置方法

在運(yùn)行調(diào)整時(shí),調(diào)度員需根據(jù)線路拓?fù)錀l件、在線列車實(shí)時(shí)運(yùn)行情況、客流情況等條件生成針對(duì)每個(gè)列車的具體調(diào)整方案。對(duì)于車站較多且行車間隔較小的線路,列車上線數(shù)量多,故障發(fā)生時(shí)可能出現(xiàn)因扣車不及時(shí)而使列車進(jìn)入?yún)^(qū)間迫停的情況。需要中途折返的列車因?yàn)檎{(diào)度命令不能及時(shí)下發(fā)而錯(cuò)過折返時(shí)機(jī),會(huì)導(dǎo)致反向運(yùn)行線路無列車服務(wù)時(shí)間加長。列車運(yùn)行計(jì)劃調(diào)整模塊化處置方法可深入研究每種行車調(diào)整手段的應(yīng)用場(chǎng)景和調(diào)整機(jī)制,構(gòu)建針對(duì)不同行車調(diào)整手段的列車運(yùn)行計(jì)劃調(diào)整模型和算法,同時(shí)加強(qiáng)各專業(yè)之間的聯(lián)動(dòng)。在故障發(fā)生時(shí),調(diào)度員可根據(jù)故障情況選擇相應(yīng)的行車調(diào)整模塊,自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行計(jì)劃并聯(lián)動(dòng)相關(guān)專業(yè)執(zhí)行,降低調(diào)度員在故障處理中的工作量,將更多的精力應(yīng)用于調(diào)度決策。

3.4 運(yùn)行圖動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)

在故障恢復(fù)階段,系統(tǒng)運(yùn)營效率恢復(fù)正常。調(diào)度員需要快速恢復(fù)當(dāng)日運(yùn)行計(jì)劃,疏散滯留乘客,恢復(fù)運(yùn)營秩序。目前,調(diào)度員基于經(jīng)驗(yàn),采用人工分析和決策的方法,很難形成最優(yōu)調(diào)整方案。運(yùn)行圖動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)從全局最優(yōu)化出發(fā),研究時(shí)空網(wǎng)絡(luò)圖建模方法,構(gòu)建面向線路、車輛、能源等多類資源綜合調(diào)度的運(yùn)行調(diào)整模型,結(jié)合多種運(yùn)行調(diào)整手段,從而減少晚點(diǎn)列車數(shù)量、盡快疏散乘客。在此基礎(chǔ)上,形成列車運(yùn)行計(jì)劃動(dòng)態(tài)調(diào)整方案,以達(dá)到快速恢復(fù)運(yùn)營秩序、減少故障影響的目的。同時(shí),列車運(yùn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)可與多專業(yè)聯(lián)動(dòng)結(jié)合,輔助行車調(diào)度員調(diào)度指揮,提高故障處置的效率和效果。

運(yùn)行圖動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)如圖4 所示。

圖4 運(yùn)行圖動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)示意圖Fig.4 Dynamic adjustment technology of running diagram

4 結(jié)論

城市軌道交通的故障處置因涉及多個(gè)專業(yè)、影響因素多、處置流程繁雜,具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性,提高調(diào)度處置效率是提高城市軌道交通服務(wù)可靠性需要解決的難題。目前,國內(nèi)外故障處置主要依靠調(diào)度員的經(jīng)驗(yàn),采用人工處置的方式,調(diào)度效率低且難以在第一時(shí)間形成最優(yōu)調(diào)度方案。本研究在分析城市軌道交通故障處置全過程作業(yè)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)闡述故障處置輔助決策系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù),能夠在故障及應(yīng)急條件下使各專業(yè)綜合聯(lián)動(dòng),從故障處置、運(yùn)行調(diào)整、方案執(zhí)行及信息發(fā)布等多個(gè)環(huán)節(jié)大幅降低調(diào)度員的工作量、提高調(diào)度效率,對(duì)運(yùn)營指揮部門故障處置有重要意義。