0 引言

隨著城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大和網(wǎng)絡(luò)化運營的不斷深入，線路間的制約性不斷增強，網(wǎng)絡(luò)運營管理的難度增大，網(wǎng)絡(luò)運輸組織的協(xié)調(diào)性和統(tǒng)籌性越來越重要。網(wǎng)絡(luò)化運營條件下，需要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)客流分布規(guī)律及線路功能制式多樣化，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)各線路有效運作的同時，最大程度發(fā)揮整體網(wǎng)絡(luò)體系的運輸能力和綜合效益是網(wǎng)絡(luò)化運營管理面臨的關(guān)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(shù)與城市軌道交通運輸組織的集成融合，研發(fā)相應(yīng)的智能分析決策系統(tǒng)來實現(xiàn)線網(wǎng)運輸互聯(lián)互通和提高網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)計劃的重要任務(wù)，其編圖質(zhì)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(xiàn)自動化，然而，就國內(nèi)而言，現(xiàn)有計算機編圖系統(tǒng)多是針對單一線路，既有的線網(wǎng)運行圖協(xié)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(xié)同，同時未針對應(yīng)急情況提供線網(wǎng)運行圖編制功能，無法應(yīng)對應(yīng)急事件傳播現(xiàn)象的發(fā)生，智慧化程度較低。構(gòu)建信息化、智慧化的線網(wǎng)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(wǎng)整體運營效率及乘客服務(wù)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(wǎng)列車運行圖協(xié)同編制系統(tǒng)發(fā)展分析

通過對國內(nèi)外城軌線網(wǎng)運行圖編制發(fā)展現(xiàn)狀分析，總結(jié)國外智慧化運行圖編制系統(tǒng)新特點，同時明確我國線網(wǎng)列車運行圖協(xié)同編制系統(tǒng)發(fā)展趨勢，為設(shè)計適應(yīng)我國城軌網(wǎng)絡(luò)化運營情況的線網(wǎng)列車運行圖協(xié)同編制系統(tǒng)的關(guān)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(xiàn)狀

在智慧城軌背景下，軌道交通智慧化已經(jīng)成為世界鐵路發(fā)展的重要方向。國外為實現(xiàn)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(yù)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(xiàn)新干線運輸組織管理和調(diào)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(diào)整功能，實現(xiàn)了車輛調(diào)配計劃、乘務(wù)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(wǎng)絡(luò)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(shù)研究所(RTRI)利用新一代IT集成融合技術(shù)研究開發(fā)的軌道交通智能運輸系統(tǒng)，可以實現(xiàn)應(yīng)急事件驅(qū)動的運輸組織協(xié)同和多式聯(lián)運服務(wù)導航技術(shù)[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(yù)測和線網(wǎng)運行圖自動編制與調(diào)整，能夠根據(jù)列車運行沖突自動給出調(diào)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(zhì)量評估指標，并詳細說明時刻表特定變化的影響和調(diào)整策略[3]。DONS等系統(tǒng)能夠?qū)⒂脩粝嚓P(guān)決策要求自動轉(zhuǎn)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(wǎng)列車運行圖協(xié)同編制的復雜性特征

城軌線網(wǎng)列車運行圖協(xié)同編制的復雜性主要表現(xiàn)為3個特征。

（1）線網(wǎng)內(nèi)要素關(guān)系復雜。每條線路均包含交路模式、客流情況、設(shè)備參數(shù)等多種要素，在線網(wǎng)層面需要同時考慮內(nèi)部和外部的要素關(guān)系，使得編制線網(wǎng)列車運行圖需著眼于全網(wǎng)統(tǒng)籌謀劃，研究范圍大大增加。①列車關(guān)系更為復雜。按單線編制運輸計劃時只有同區(qū)段內(nèi)運行列車間存在相互關(guān)系，相對簡單；而線網(wǎng)條件下列車關(guān)系不僅發(fā)生在同區(qū)段內(nèi)，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(guān)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(shù)相同，均為2 (同線路上、下行方向)；而線網(wǎng)條件下?lián)Q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(yīng)網(wǎng)絡(luò)化的運營管理，需要研究如何協(xié)調(diào)資源和提高運作效率。

（2）協(xié)調(diào)銜接難度大?？土鞯膭討B(tài)性、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(wǎng)系統(tǒng)協(xié)同難度大。①協(xié)調(diào)的聯(lián)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(wǎng)條件下列車銜接考慮因素較多，加大了線網(wǎng)列車運行圖的編制難度。②不同交通方式間的協(xié)調(diào)?；谥腔鄢擒壍陌l(fā)展理念，從全網(wǎng)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(xié)同，運輸組織難度加大[4]。

（3）乘客需求質(zhì)量提高。①客流變化呈現(xiàn)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(xié)調(diào)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(yīng)通過協(xié)調(diào)保證較高的可達性；高峰時段短時間內(nèi)乘客在客流量大的換乘站快速聚集，應(yīng)通過協(xié)調(diào)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(yīng)通過協(xié)調(diào)保證較短乘客候車時間，提高換乘效率及運營服務(wù)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(xiàn)為3個方面。

（1）列車時刻表編制以乘客需求為導向。服務(wù)質(zhì)量已成為運營公司滿足乘客對列車服務(wù)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(shù)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(shù)對實時客流數(shù)據(jù)進行分析，將分析結(jié)果作為運輸計劃生成和調(diào)整的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）運輸組織協(xié)同范圍由城軌單線轉(zhuǎn)向聯(lián)程服務(wù)的多種交通方式，運輸計劃編制與乘客服務(wù)進一步融合。部分系統(tǒng)已然將運輸組織協(xié)同的范圍擴大到多種交通方式相銜接的聯(lián)程服務(wù)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(xiàn)各種交通方式出行信息的融合與協(xié)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(diào)整策略，特別是應(yīng)急事件驅(qū)動下線網(wǎng)運行圖的及時調(diào)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(wǎng)運行圖的編制應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)化運營的“資源共用”和“協(xié)調(diào)銜接”，統(tǒng)籌線路和網(wǎng)絡(luò)2個層面，不僅需要考慮分線編制，也需要考慮線網(wǎng)層面的換乘銜接匹配。同時城軌線網(wǎng)還需要協(xié)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(xiàn)智慧列車運行圖的編制[5]，更好地為乘客提供出行服務(wù)。

2 城軌線網(wǎng)列車運行圖協(xié)同編制系統(tǒng)

隨著大數(shù)據(jù)、仿真、可視化、機器學習等技術(shù)的發(fā)展，基于“數(shù)據(jù)、仿真、算法、可視化”的列車運行圖編制系統(tǒng)大大提高了協(xié)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(wǎng)列車運行圖協(xié)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(jié)合我國城軌線網(wǎng)列車運行圖的編制需求和國外相關(guān)系統(tǒng)的新功能特點，城軌線網(wǎng)列車運行圖編制系統(tǒng)應(yīng)在協(xié)同運營管理的思想下結(jié)合用戶需求以及列車運行圖業(yè)務(wù)流程，實現(xiàn)自動或輔助編制線網(wǎng)列車運行圖及其相關(guān)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(shù)據(jù)管理、運輸計劃評估、客流分析、運行圖協(xié)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(yīng)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(shè)計

城軌線網(wǎng)列車運行圖編制系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)的主要功能包括5個板塊，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，各板塊具體如下。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.2 System function structure

2.2.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理

系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理包括用戶管理、系統(tǒng)工作模式設(shè)置、數(shù)據(jù)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(quán)限設(shè)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(quán)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(jié)果瀏覽、審核、提出修改意見，不具備修改權(quán)限。

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

（3）數(shù)據(jù)庫管理。實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的新建、打開、關(guān)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(xié)同完成編圖及運行圖管理任務(wù)，支持數(shù)據(jù)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(jié)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(wǎng)運輸計劃評估

線網(wǎng)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(shù)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(jié)客流特性，并提供對不同角度客流數(shù)據(jù)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(wǎng)列車運行協(xié)調(diào)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(jù)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(xiàn)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(shù)指標。支持對運行圖編制質(zhì)量的評估功能，提供線網(wǎng)列車運行圖總技術(shù)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(yù)估時刻表在作出指定變化后的影響，自動給出調(diào)整策略，實現(xiàn)系統(tǒng)的智能決策。

（5）運量運力匹配性指標。實現(xiàn)對線網(wǎng)運輸計劃運能綜合分析，通過計算相應(yīng)指標并給出評估結(jié)果，用戶可根據(jù)評估結(jié)果進行調(diào)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(wǎng)運行圖編制

提供基于運行圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，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(diào)整，并對列車運行圖相關(guān)指標統(tǒng)計、計算，為線網(wǎng)運輸計劃評估提供數(shù)據(jù)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(shè)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(jié)構(gòu)及繪圖參數(shù)進行設(shè)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(xiàn)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(diào)整。系統(tǒng)支持運用5G、云數(shù)據(jù)、衛(wèi)星通信等多種信息化技術(shù)，完成實時客流監(jiān)測，從而實現(xiàn)基于動態(tài)客流數(shù)據(jù)自動調(diào)整線網(wǎng)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(diào)整功能。

（3）應(yīng)急運行圖編制。針對突發(fā)事件，提供應(yīng)急狀況下的線網(wǎng)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(jié)合客流與運營現(xiàn)狀，在事件發(fā)生后的一段時間內(nèi)加強就近換乘站可用線路的換乘銜接，對線網(wǎng)運行圖具備應(yīng)急狀況下快速自動調(diào)整或重新編制功能，以配合各線路協(xié)同應(yīng)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(yīng)將調(diào)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(diào)度指揮系統(tǒng)與乘客信息服務(wù)系統(tǒng)。

（4）運輸計劃及指標結(jié)果輸出。支持以CAD、PDF、OneNote等多種格式輸出列車運行圖及相關(guān)計劃(列車時刻表、車底交路圖和換乘時刻表)、仿真數(shù)據(jù)，以EXCEL格式輸出運行圖指標統(tǒng)計結(jié)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(shè)置實現(xiàn)控制仿真過程，并支持仿真數(shù)據(jù)交互功能，可視化呈現(xiàn)仿真結(jié)果，在時間域上仿真列車運行并校驗運行圖編制的質(zhì)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(wǎng)協(xié)同情況的直接表現(xiàn)，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?；诳土鲾?shù)據(jù)、列車運行圖數(shù)據(jù)、運力數(shù)據(jù)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(nèi)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(wù)，實現(xiàn)智慧化的乘客信息服務(wù)。

（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(jù)用戶選定的協(xié)調(diào)優(yōu)化目標，對未換乘銜接列車和換乘方案進行調(diào)整，同時接駁方案應(yīng)結(jié)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(wù)，實現(xiàn)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(diào)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(nèi)銜接較差的方案和無效銜接方案對應(yīng)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(diào)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(diào)整，最終實現(xiàn)線網(wǎng)運行圖的協(xié)同編制[8]。

3 結(jié)束語

城軌線網(wǎng)列車運行圖協(xié)同編制系統(tǒng)一定程度上實現(xiàn)了線網(wǎng)列車運行圖編制的智慧化，提高城軌網(wǎng)絡(luò)化運輸組織的協(xié)調(diào)性和統(tǒng)籌性，有效發(fā)揮整體網(wǎng)絡(luò)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(guān)鍵技術(shù)，通過開發(fā)群體協(xié)同的編制管理模式，使各業(yè)務(wù)部門在基于計算機的虛擬協(xié)作環(huán)境中，并行、交互、協(xié)作進行線網(wǎng)運行圖編制工作，實現(xiàn)編制任務(wù)的高效、高質(zhì)量完成。同時，深入剖析運輸組織協(xié)同優(yōu)化理論方法，根據(jù)客流波動特點，分時段研究線網(wǎng)運行圖的協(xié)同優(yōu)化問題，保證線網(wǎng)各線路間的協(xié)調(diào)和不同時段運行計劃的銜接，促進實現(xiàn)城軌與其他交通方式高效接駁。