0 引言

隨著城市軌道交通線網規(guī)模的不斷擴大和網絡化運營的不斷深入，線路間的制約性不斷增強，網絡運營管理的難度增大，網絡運輸組織的協調性和統(tǒng)籌性越來越重要。網絡化運營條件下，需要結合網絡客流分布規(guī)律及線路功能制式多樣化，統(tǒng)籌協調網絡各線路間的運營需求及外部(機場、火車站、高速鐵路等)銜接需求，研究制定科學合理、靈活多樣的列車運行計劃。在實現網絡各線路有效運作的同時，最大程度發(fā)揮整體網絡體系的運輸能力和綜合效益是網絡化運營管理面臨的關鍵挑戰(zhàn)。與此同時，為克服目前人工匹配運能和制定運行計劃的不足，我國提出要充分利用新一代信息技術與城市軌道交通運輸組織的集成融合，研發(fā)相應的智能分析決策系統(tǒng)來實現線網運輸互聯互通和提高網絡化運輸組織效率的目標。

城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)列車運行圖編制系統(tǒng)承擔編制城軌運輸工作生產計劃的重要任務，其編圖質量與效率的高低直接影響運營組織的安全性與高效性。目前，列車運行圖的編制均已實現自動化，然而，就國內而言，現有計算機編圖系統(tǒng)多是針對單一線路，既有的線網運行圖協同編制系統(tǒng)功能有限，難以滿足線路間、城軌與其他交通方式(如公交、航空)間的高度協同，同時未針對應急情況提供線網運行圖編制功能，無法應對應急事件傳播現象的發(fā)生，智慧化程度較低。構建信息化、智慧化的線網運行圖編制系統(tǒng)，為編圖人員提供更好的決策輔助，提升線網整體運營效率及乘客服務水平、降低運營成本和乘客出行成本，是智慧城軌必須攻克的核心問題。

1 城軌線網列車運行圖協同編制系統(tǒng)發(fā)展分析

通過對國內外城軌線網運行圖編制發(fā)展現狀分析，總結國外智慧化運行圖編制系統(tǒng)新特點，同時明確我國線網列車運行圖協同編制系統(tǒng)發(fā)展趨勢，為設計適應我國城軌網絡化運營情況的線網列車運行圖協同編制系統(tǒng)的關鍵功能提供參考和指導。

1.1 國外智慧化運行圖編制系統(tǒng)研究現狀

在智慧城軌背景下，軌道交通智慧化已經成為世界鐵路發(fā)展的重要方向。國外為實現軌道交通智慧化運營組織開發(fā)了一系列智能運輸組織系統(tǒng)平臺，在客流分布的實時預測、運輸計劃的智慧化編制等方面取得一定成果[1]，可為我國開發(fā)智慧化運行圖編制系統(tǒng)提供參考。

由JR東日本鐵路公司開發(fā)的運輸綜合管理系統(tǒng)(COSMOS)是最早的列車運行圖編制系統(tǒng)，基本實現新干線運輸組織管理和調度指揮的高度自動化和集中管理。該系統(tǒng)提供列車運行進路、單線列車運行圖的自動生成和人工調整功能，實現了車輛調配計劃、乘務員安排計劃等的自動編制。

隨著智慧城軌的發(fā)展目標相繼提出，多國啟動了新一代基于網絡化運營的智能運輸組織系統(tǒng)的開發(fā)研究項目，并取得較大進展。CyberRail為日本鐵路技術研究所(RTRI)利用新一代IT集成融合技術研究開發(fā)的軌道交通智能運輸系統(tǒng)，可以實現應急事件驅動的運輸組織協同和多式聯運服務導航技術[2]。瑞士的列車運行與控制系統(tǒng)RCS和索菲亞地鐵的自動化列車運行管理系統(tǒng)Controlguide OCS，均支持列車沖突預測和線網運行圖自動編制與調整，能夠根據列車運行沖突自動給出調整優(yōu)化方案。Falko、RailSys、RailSim和LUKS等時刻表和運行圖生成系統(tǒng)，是基于列車運行仿真環(huán)境下的運輸計劃編制的高度自動化模擬工具。Ontime等系統(tǒng)能夠針對輸入的時刻表，給出質量評估指標，并詳細說明時刻表特定變化的影響和調整策略[3]。DONS等系統(tǒng)能夠將用戶相關決策要求自動轉化為時刻表的約束條件，自動生成滿足約束的時刻表。國外列車運行圖編制系統(tǒng)功能比較如表1所示。

表1 國外列車運行圖編制系統(tǒng)功能比較Tab.1 Function comparison of foreign train working diagram compilation systems

1.2 城軌線網列車運行圖協同編制的復雜性特征

城軌線網列車運行圖協同編制的復雜性主要表現為3個特征。

（1）線網內要素關系復雜。每條線路均包含交路模式、客流情況、設備參數等多種要素，在線網層面需要同時考慮內部和外部的要素關系，使得編制線網列車運行圖需著眼于全網統(tǒng)籌謀劃，研究范圍大大增加。①列車關系更為復雜。按單線編制運輸計劃時只有同區(qū)段內運行列車間存在相互關系，相對簡單；而線網條件下列車關系不僅發(fā)生在同區(qū)段內，也存在于相銜接線路區(qū)段列車間，為一種相對復雜的復合型列車關系。②車站銜接線路方向增多。單線編制運輸計劃時車站銜接線路方向數相同，均為2 (同線路上、下行方向)；而線網條件下換乘站至少銜接3個線路方向。③換乘節(jié)點運輸組織難度增大。由于車站銜接線路方向增多，使若干條線路交匯的換乘樞紐站的客運組織難度不斷增大，為使客運組織適應網絡化的運營管理，需要研究如何協調資源和提高運作效率。

（2）協調銜接難度大?？土鞯膭討B(tài)性、網絡結構的復雜性以及換乘站不同換乘方向的乘客換乘時間的不對等，造成線網系統(tǒng)協同難度大。①協調的聯動性?？紤]換乘銜接的列車到發(fā)時序匹配需要多條線路列車運行計劃相互配合，但各線路的列車運行計劃相互影響、制約，使線網條件下列車銜接考慮因素較多，加大了線網列車運行圖的編制難度。②不同交通方式間的協調?；谥腔鄢擒壍陌l(fā)展理念，從全網統(tǒng)籌謀劃的角度，需要考慮城市軌道交通與鐵路、航空、公交的銜接協同，運輸組織難度加大[4]。

（3）乘客需求質量提高。①客流變化呈現明顯時段性和不穩(wěn)定性。雖然客流波動整體具有一定規(guī)律性，但具體到每條線路，由于客流特征不同，時段性變化存在差異，同時部分車站銜接鐵路、航空，客流變化存在不規(guī)則波動，加大換乘銜接協調難度。②不同時段各線路乘客對換乘銜接的需求不同。首末班車時段乘客可達性降低，應通過協調保證較高的可達性；高峰時段短時間內乘客在客流量大的換乘站快速聚集，應通過協調保證大客流盡快得到疏散，緩解客流組織壓力；平峰時段由于行車間隔的差異，可能造成乘客等待時間較長，應通過協調保證較短乘客候車時間，提高換乘效率及運營服務水平。

1.3 智能運輸組織系統(tǒng)新特點

智能運輸組織系統(tǒng)新特點主要表現為3個方面。

（1）列車時刻表編制以乘客需求為導向。服務質量已成為運營公司滿足乘客對列車服務期望的重要績效指標，因而，國外的智能運輸組織系統(tǒng)在技術允許情況下，從乘客需求出發(fā)，利用無線通信、連續(xù)定位等技術對實時客流數據進行分析，將分析結果作為運輸計劃生成和調整的基礎數據。

（2）運輸組織協同范圍由城軌單線轉向聯程服務的多種交通方式，運輸計劃編制與乘客服務進一步融合。部分系統(tǒng)已然將運輸組織協同的范圍擴大到多種交通方式相銜接的聯程服務中，通過優(yōu)化城軌與高速鐵路、航空等其他交通方式的接駁，同時實現各種交通方式出行信息的融合與協同，為旅客提供門到門的交通出行方案，并保證旅行過程高效和舒適。

（3）注重運輸計劃的分析與評估，快速反饋調整策略，特別是應急事件驅動下線網運行圖的及時調整。同時能夠基于列車運行仿真環(huán)境，自動化模擬生成運輸計劃，以對其進行分析評估，驗證運輸計劃的實用性和魯棒性。

綜合以上分析，線網運行圖的編制應考慮網絡化運營的“資源共用”和“協調銜接”，統(tǒng)籌線路和網絡2個層面，不僅需要考慮分線編制，也需要考慮線網層面的換乘銜接匹配。同時城軌線網還需要協同與其他交通方式的銜接，包括鐵路、航空、公交，從而加強不同交通方式間的融合共贏，實現智慧列車運行圖的編制[5]，更好地為乘客提供出行服務。

2 城軌線網列車運行圖協同編制系統(tǒng)

隨著大數據、仿真、可視化、機器學習等技術的發(fā)展，基于“數據、仿真、算法、可視化”的列車運行圖編制系統(tǒng)大大提高了協同運營管理的重要度，也使得各種交通方式融合共贏，編制智慧列車運行圖成為可能。研發(fā)城軌線網列車運行圖協同編制系統(tǒng)已成為智慧城軌的發(fā)展方向之一。

2.1 系統(tǒng)總體框架

結合我國城軌線網列車運行圖的編制需求和國外相關系統(tǒng)的新功能特點，城軌線網列車運行圖編制系統(tǒng)應在協同運營管理的思想下結合用戶需求以及列車運行圖業(yè)務流程，實現自動或輔助編制線網列車運行圖及其相關作業(yè)計劃，為編制過程的各環(huán)節(jié)提供豐富的人機交互手段，并提供數據管理、運輸計劃評估、客流分析、運行圖協同優(yōu)化、沖突檢查、指標統(tǒng)計評價、運輸計劃多樣式輸出、列車群仿真等功能。該系統(tǒng)應具備較高的智能輔助決策水平，保證計劃的可行性和合理性。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架Fig.1 Overall system framework

2.2 系統(tǒng)功能設計

城軌線網列車運行圖編制系統(tǒng)應實現的主要功能包括5個板塊，系統(tǒng)功能結構如圖2所示，各板塊具體如下。

圖2 系統(tǒng)功能結構Fig.2 System function structure

2.2.1 系統(tǒng)數據管理

系統(tǒng)數據管理包括用戶管理、系統(tǒng)工作模式設置、數據庫管理以及運行圖版本管理。

（1）用戶管理。支持對用戶信息的創(chuàng)建、維護、用戶權限設置以及用戶登錄、用戶密碼修改等功能。不同操縱人員的使用權限、顯示界面不同，用戶類別分為編圖、查詢和審計，查詢和審計主要負責結果瀏覽、審核、提出修改意見，不具備修改權限。

（2）系統(tǒng)工作模式設置。支持設置和修改工作模式，包括查詢、編制、客戶端3種模式，對應不同的用戶類別(編圖、查詢和審計人員)使用。

（3）數據庫管理。實現數據庫的新建、打開、關閉、保存、另存等基本操作，以及為了方便不同部門、工種人員協同完成編圖及運行圖管理任務，支持數據指定范圍的合并和分解[6]。

（4）運行圖版本管理。支持導入運行圖的管理、查詢(按線路、開始或結束執(zhí)行日期)和存放目錄檢索，以及對歷史版本運行圖信息的讀取、刪除和新版本覆蓋。

2.2.2 線網運輸計劃評估

線網運輸計劃分析與評估包括客流計劃、開行方案、運力配置、運行圖技術指標、運量運力匹配性指標。

（1）客流計劃。支持讀入實時客流與歷史客流，方便用戶查閱和總結客流特性，并提供對不同角度客流數據的統(tǒng)計分析，如各線路客流OD表、線路區(qū)間斷面客流量、線路車站上下客流量、線路客流量、全日分時客流比例、線路車站換乘客流量、線路分方向換乘客流量等，并給予可視化處理，便于用戶確定各線路列車開行方案和制定線網列車運行協調優(yōu)化策略，此外還支持客流報表的指定格式輸出。

（2）列車開行方案。提供開行方案的編制功能，根據客流需求輸出各線路的列車開行方案，包括編組、交路、停站方案、全日行車計劃。

（3）運力配置計劃。實現區(qū)間全日和分時運力表的生成、存儲、查詢和更新維護功能。區(qū)間全日運力表顯示選中線路的各區(qū)間全日運力，分線路、區(qū)間、上下行顯示運輸能力；區(qū)間分時運力表能顯示選中線路指定區(qū)間的各時段運輸能力，分線路、區(qū)間、時段、上下行顯示運輸能力。

（4）運行圖技術指標。支持對運行圖編制質量的評估功能，提供線網列車運行圖總技術指標、車底運用指標、交路方案指標、行車間隔指標和首末班車時刻的計算、查詢和評估，并能預估時刻表在作出指定變化后的影響，自動給出調整策略，實現系統(tǒng)的智能決策。

（5）運量運力匹配性指標。實現對線網運輸計劃運能綜合分析，通過計算相應指標并給出評估結果，用戶可根據評估結果進行調整優(yōu)化，指標包括：高峰和平峰平均滿載率、最大斷面滿載率、全日平均滿載率、工作日早晚高峰和平峰最大滿載率、滿載率高于100%的時間比、長期滿載和超載區(qū)間。

2.2.3 線網運行圖編制

提供基于運行圖基礎數據，自動編制各線路列車運行圖初始方案，通過人機交互方式對初始方案進行調整，并對列車運行圖相關指標統(tǒng)計、計算，為線網運輸計劃評估提供數據支撐，同時提供列車運行仿真功能，對編制的列車運行圖和設計的仿真場景的可用性和合理性進行驗證評估。

（1）運行圖編制。支持對運行圖底圖結構及繪圖參數進行設定，以滿足不同時期不同運營狀況的編圖需求。在編圖環(huán)節(jié)，提供多種編圖模式、編圖操作，實現列車運行圖的自動編制。另外，支持圖形操作功能用于對運行圖進行控制管理。

（2）列車運行圖調整。系統(tǒng)支持運用5G、云數據、衛(wèi)星通信等多種信息化技術，完成實時客流監(jiān)測，從而實現基于動態(tài)客流數據自動調整線網列車運行圖，以及對運行圖和車底交路計劃的錯誤沖突檢查和疏解，提供列車、運行圖的選擇、刪除、批量管理等操作功能，并對交路計劃提供專門的自動編制和人機交互調整功能。

（3）應急運行圖編制。針對突發(fā)事件，提供應急狀況下的線網列車運行圖編制功能。當某條線路發(fā)生突發(fā)事件時，需結合客流與運營現狀，在事件發(fā)生后的一段時間內加強就近換乘站可用線路的換乘銜接，對線網運行圖具備應急狀況下快速自動調整或重新編制功能，以配合各線路協同應急處置；為保證運營管理有序進行和快速疏散乘客，系統(tǒng)應將調整后的列車運行圖、列車時刻表、疏散線路及站點及時發(fā)送給運營調度指揮系統(tǒng)與乘客信息服務系統(tǒng)。

（4）運輸計劃及指標結果輸出。支持以CAD、PDF、OneNote等多種格式輸出列車運行圖及相關計劃(列車時刻表、車底交路圖和換乘時刻表)、仿真數據，以EXCEL格式輸出運行圖指標統(tǒng)計結果等。

（5）列車運行仿真評估。支持車站電子地圖的建立以及進路創(chuàng)建，用于列車運行仿真。列車群的運行仿真中，系統(tǒng)提供仿真環(huán)境設置實現控制仿真過程，并支持仿真數據交互功能，可視化呈現仿真結果，在時間域上仿真列車運行并校驗運行圖編制的質量與魯棒性。

2.2.4 列車運行銜接評估

列車運行銜接評估是線網協同情況的直接表現，包括列車銜接方案編制和列車銜接評估2個功能板塊。

（1）列車銜接方案編制。基于客流數據、列車運行圖數據、運力數據等，自動計算首末班車銜接方案、線路換乘銜接方案、換乘等待時間方案，對每一種方案進行特定內容的評估。同時支持用戶或乘客的方案查詢功能，能夠進行所有評估方案的查詢、行程的規(guī)劃與檢索，支持路徑可達性服務，實現智慧化的乘客信息服務。

（2）列車銜接評估。支持對運行圖的自動接續(xù)優(yōu)化功能。根據用戶選定的協調優(yōu)化目標，對未換乘銜接列車和換乘方案進行調整，同時接駁方案應結合其他交通方式到達客流的波動特點，為到達樞紐站的乘客提供及時、安全的接駁服務，實現列車間銜接優(yōu)化與換乘方案優(yōu)化[7]。此外，自動計算全日分時換乘效果良好率并排序，對良好率較低的時段高亮顯示，為用戶進行人工調整提供輔助決策，并提供人機交互功能，方便用戶對未能自動接續(xù)優(yōu)化的時段內銜接較差的方案和無效銜接方案對應的運行線進行平移等操作。若對某線路首末班車時間進行調整，系統(tǒng)予以提示，由用戶決定是否對與其銜接線路的首末班車時間進行調整，最終實現線網運行圖的協同編制[8]。

3 結束語

城軌線網列車運行圖協同編制系統(tǒng)一定程度上實現了線網列車運行圖編制的智慧化，提高城軌網絡化運輸組織的協調性和統(tǒng)籌性，有效發(fā)揮整體網絡體系的運輸能力和綜合效益。下一步將繼續(xù)研究系統(tǒng)關鍵技術，通過開發(fā)群體協同的編制管理模式，使各業(yè)務部門在基于計算機的虛擬協作環(huán)境中，并行、交互、協作進行線網運行圖編制工作，實現編制任務的高效、高質量完成。同時，深入剖析運輸組織協同優(yōu)化理論方法，根據客流波動特點，分時段研究線網運行圖的協同優(yōu)化問題，保證線網各線路間的協調和不同時段運行計劃的銜接，促進實現城軌與其他交通方式高效接駁。