0 引言

隨著國內(nèi)城市軌道交通的快速發(fā)展，各地城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的單線路運營管理模式凸顯弊端，如：信息不對稱、指令多源化、跨線路協(xié)調(diào)調(diào)度困難等，多線路應(yīng)急聯(lián)動與指揮能力薄弱，既有模式已無法適應(yīng)城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運營的需求。各地在城市軌道交通運營管理方面由單線路運營向網(wǎng)絡(luò)化運營轉(zhuǎn)變的需求迫切。

目前，國內(nèi)部分城市已經(jīng)建設(shè)了城市軌道交通線網(wǎng)運營指揮中心，負(fù)責(zé)對線網(wǎng)運營進(jìn)行總體的組織、指揮、協(xié)調(diào)和指導(dǎo)，一定程度上緩解了單線路運營管理模式下面臨的嚴(yán)峻問題。但系統(tǒng)中核心的行車調(diào)度指揮和客流分析模塊還是信息獨立接入、獨立邏輯處理，缺乏深度結(jié)合分析，導(dǎo)致運能與運量匹配分析不夠深入，也無法有效預(yù)測未來運能與運量的匹配情況，進(jìn)而無法有效為調(diào)度人員提供輔助決策及突發(fā)應(yīng)急協(xié)調(diào)指揮。在線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)中，如何有效地將客流與行車進(jìn)行協(xié)同分析，成為當(dāng)下亟待解決的技術(shù)問題。

1 客流與行車分析現(xiàn)狀

城市軌道交通行車密度高、站間距離小、追蹤間隔短，在復(fù)雜多變的外界因素干擾下，系統(tǒng)在運營過程中發(fā)生隨機(jī)故障等突發(fā)事件在所難免。而在網(wǎng)絡(luò)化運營條件下，突發(fā)事件勢必會對列車運行產(chǎn)生干擾，一旦造成列車延誤，將會通過換乘站對相鄰線路的運營產(chǎn)生影響，如果沒有及時采取適當(dāng)?shù)男熊囌{(diào)整措施，則會導(dǎo)致大面積的列車延誤，進(jìn)而波及整個線網(wǎng)的正常運營。

在當(dāng)前客流與行車數(shù)據(jù)缺乏有效協(xié)同分析的情況下，運營管理人員缺少決策支持信息，客流引導(dǎo)和行車調(diào)整很難做到有的放矢，線網(wǎng)調(diào)度指揮將面臨以下問題。①運營管理人員不便了解掌握當(dāng)下現(xiàn)場運輸需求和運輸能力的匹配情況；②運營管理人員不便了解預(yù)測未來運輸需求和運輸能力的匹配情況；③在突發(fā)故障或大客流等異常場景下，運營管理人員不便預(yù)判客流與行車相互作用關(guān)系和趨勢；④運營管理人員不便于規(guī)劃編制匹配運量需求的列車開行計劃。

綜上分析可知，若要降低突發(fā)故障或異常事件對乘客和運營的影響，亟需開展的工作是對歷史客流數(shù)據(jù)和實時客流數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對信號行車計劃和實時行車動態(tài)信息進(jìn)行采集，進(jìn)而對客流與行車數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同分析，擴(kuò)展綜合性的線網(wǎng)調(diào)度指揮功能，實現(xiàn)基于OD的客流數(shù)據(jù)和基于時間狀態(tài)的信號行車數(shù)據(jù)在線網(wǎng)融合視圖上的評估展現(xiàn)，實現(xiàn)實時行車動態(tài)下車站候車、列車載客客流趨勢預(yù)測及預(yù)警，實現(xiàn)突發(fā)故障或大客流場景下的客流與行車相互作用關(guān)系和趨勢分析，實現(xiàn)故障應(yīng)急下線路間換乘客流與行車耦合關(guān)系分析；客流和行車信息深度結(jié)合，有效分析當(dāng)前運能與運量匹配情況，預(yù)測未來運能與運量的匹配情況，以便更好地為運營管理人員提供輔助決策支持及突發(fā)應(yīng)急協(xié)調(diào)指揮指導(dǎo)。

2 客流與行車協(xié)同分析

2.1 協(xié)同分析流程

基于客流與行車協(xié)同分析的線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示，數(shù)據(jù)處理流程可分為以下4個步驟。

圖1 基于客流與行車協(xié)同分析的線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程Fig.1 Data processing flow of dispatching command system based on passenger flow and train operation

（1）線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)開放標(biāo)準(zhǔn)的客流數(shù)據(jù)接口和線路列車自動監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)接口，從線網(wǎng)清分中心或大數(shù)據(jù)平臺等接入客流數(shù)據(jù)，從各線路信號系統(tǒng)接入行車數(shù)據(jù)。

（2）對采集匯聚的客流和行車數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。一是進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲并實時解析展示，用于基礎(chǔ)調(diào)度指揮功能，即既有城市軌道交通線網(wǎng)運營指揮中心系統(tǒng)實現(xiàn)的功能；二是提交給客流與行車協(xié)同分析模塊。

（3）在客流與行車協(xié)同分析模塊，構(gòu)建客流行車綜合演算模型、歷史數(shù)據(jù)模型擬合、智能算法分析，對接入的客流數(shù)據(jù)和行車數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同分析。

（4）將協(xié)同分析后的數(shù)據(jù)通過視圖、告警提示等方式展現(xiàn)給使用人員，為使用人員提供客流與行車協(xié)同的調(diào)度輔助決策支持和應(yīng)急行車協(xié)調(diào)指揮指導(dǎo)。

2.2 關(guān)鍵算法

線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)中客流與行車協(xié)同分析采用的關(guān)鍵算法如下。

（1）線網(wǎng)客流與行車綜合推演算法。線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)依據(jù)采集到的客流和行車數(shù)據(jù)，構(gòu)建客流與行車推演模型，具體算法為：①根據(jù)歷史OD客流按方向分組數(shù)據(jù)(每站每時段進(jìn)入客流量，以及這些客流分別去往哪里出站)，疊加信號ATS的行車時刻表數(shù)據(jù)(每車在不同車站的到達(dá)/離開時間，及運行終點站)，實時計算每次列車到站時的下車人數(shù)和上車人數(shù)，從而推演出每個車內(nèi)的搭乘人數(shù)(滿載率)及每個車站候車人數(shù)和進(jìn)站出站人數(shù)；②線網(wǎng)級運算時，全線網(wǎng)所有線路按時間推進(jìn)同步進(jìn)行演算推導(dǎo)，單線路計算的每個乘降站臺分方向客流流入速率動態(tài)更新，在一條線同進(jìn)同出的OD客流直接在本線路計算；對于換乘客流，在換乘站前，客流在換乘前線路推演計算，換乘站下車后，相應(yīng)下車人數(shù)按預(yù)先配置的換乘時序模型(站臺至站臺換乘走行延時，換乘通道容量等)計算和疊加到換乘后線路的乘降站臺，然后在換乘后線路推演客流上下車過程。

（2）線網(wǎng)客流與行車預(yù)測算法?；谇笆鼍€網(wǎng)客流與行車綜合推演算法，線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)將采集的歷史和實時數(shù)據(jù)進(jìn)行計算并展現(xiàn)多種行車客流融合指標(biāo)，如車站客流出站速率、車站站臺候車人數(shù)、列車載客人數(shù)、列車滿載率、列車未來載客人數(shù)等。以上指標(biāo)支持線網(wǎng)調(diào)度掌握線路上運能和客流滿足情況，依此協(xié)調(diào)線路調(diào)度對行車安排作出必要的調(diào)整，計算歷史值、當(dāng)前值和預(yù)測值，其中預(yù)測值根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)采集到的行車計劃安排進(jìn)行推演，如果發(fā)現(xiàn)超過設(shè)定閾值則推出告警。當(dāng)線路調(diào)度進(jìn)行了臨時加車、減車、跳停、交路調(diào)整等操作時，信號ATS系統(tǒng)將產(chǎn)生新的列車運行預(yù)測計劃，系統(tǒng)根據(jù)變更的預(yù)測計劃重新推演未來的這些指標(biāo)并顯示出來，從而直觀反映調(diào)整后的效果，便于調(diào)度決策以及變更決策內(nèi)容。

（3）拓?fù)渎窂浇Ｅc尋優(yōu)算法。研究并構(gòu)建線網(wǎng)級客流動態(tài)換乘模型，分析并對線網(wǎng)內(nèi)所有具有換乘關(guān)系的線路運行拓?fù)浜涂蛇_(dá)交路路徑建模，結(jié)合所有線路的各特征日期、各時段、常態(tài)運行下的換乘客流流向和速度數(shù)據(jù)，建立詳細(xì)的換乘可達(dá)路徑關(guān)系。線網(wǎng)級客流動態(tài)換乘模型用于結(jié)合線網(wǎng)可能發(fā)生的中斷行車故障影響區(qū)域和影響時間，評估建立各線各區(qū)域中斷行車故障發(fā)生時的可能變更換乘路徑和變更換乘客流；通過實地調(diào)研和設(shè)計數(shù)據(jù)整理，梳理全線網(wǎng)所有換乘站的換乘動態(tài)約束條件，包括換乘走行路徑、通道容納乘客數(shù)量、換乘通道通行速率、不同客流下的多換乘通道路徑和乘客意愿優(yōu)先級、電扶梯位置、線路間隔等，線網(wǎng)級調(diào)度精準(zhǔn)分析所有換乘車站的雙向換乘能力。例如，一些十字交叉換乘的車站，中間換乘通道距離非常短，緩存容納客流非常有限，當(dāng)發(fā)生單線中斷運行故障時，線網(wǎng)級調(diào)度應(yīng)據(jù)此分析換乘客流變化需求和所有相關(guān)車站的換乘能力，合理規(guī)劃換乘路徑，避免形成局部換乘客流超過車站換乘能力，給出部分車站關(guān)閉近端換乘通道而引導(dǎo)遠(yuǎn)端換乘等建議。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，基于客流與行車協(xié)同的線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)主要包括以下4項優(yōu)點：①提出了客流與行車協(xié)同的方案，克服了現(xiàn)有技術(shù)中客流與行車獨立分析處理的缺陷；②客流與行車協(xié)同實時分析，有助于運營管理人員掌握當(dāng)前現(xiàn)場運輸需求和運輸能力的匹配情況；③客流與行車協(xié)同推演預(yù)測，有助于運營管理人員了解未來運輸需求和運輸能力的匹配情況，提前準(zhǔn)備應(yīng)對策略；④在突發(fā)故障或大客流等異常場景下，客流與行車綜合演算，有助于運營管理人員預(yù)判客流與行車之間的相互作用關(guān)系和趨勢分析，為故障情況下的線間行車協(xié)調(diào)提供決策支持。

3 線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)實現(xiàn)方案設(shè)計

3.1 架構(gòu)設(shè)計

基于客流與行車協(xié)同的線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)如圖2所示，技術(shù)架構(gòu)可劃分為3層：接口層、平臺層和應(yīng)用層。

圖2 基于客流與行車協(xié)同的線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)Fig.2 Technical architecture of dispatching command system based on passenger flow and train operation coordination

（1）接口層。用于與外部系統(tǒng)對接接口，對接的系統(tǒng)包括但不限于：線網(wǎng)內(nèi)各線路ATS系統(tǒng)、客流數(shù)據(jù)。匯聚外部接口系統(tǒng)數(shù)據(jù)，用于線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用使用，如從ATS系統(tǒng)采集匯聚線路行車數(shù)據(jù)信息，從客流數(shù)據(jù)接口采集匯聚OD數(shù)據(jù)、斷面客流數(shù)據(jù)。

（2）平臺層。用于系統(tǒng)建模、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)存儲，包括實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、調(diào)度聯(lián)動分析引擎、客流行車分析引擎。平臺層為系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)邏輯處理層，如將采集的ATS行車數(shù)據(jù)和客流數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，分析運輸能力和運輸需求的匹配情況。

（3）應(yīng)用層。包括線網(wǎng)總覽、列車監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控、報警監(jiān)控、指標(biāo)分析、基于客流的列車開行方案自動規(guī)劃、客流與行車協(xié)同分析的調(diào)度輔助決策、客流與行車協(xié)同分析的應(yīng)急行車協(xié)調(diào)指揮?？土髋c行車信息深度結(jié)合分析，為調(diào)度人員提供輔助決策及突發(fā)應(yīng)急協(xié)調(diào)指揮指導(dǎo)。

3.2 核心功能設(shè)計

主要對客流與行車協(xié)同分析的調(diào)度輔助決策和客流與行車協(xié)同分析的應(yīng)急行車協(xié)調(diào)指揮2個核心功能進(jìn)行設(shè)計描述?？土髋c行車協(xié)同分析功能模塊示意圖如圖3所示。

圖3 客流與行車協(xié)同分析功能模塊示意圖Fig.3 Functional module diagram of passenger flow and train operation coordination

3.2.1 客流與行車協(xié)同分析的調(diào)度輔助決策

通過智能分析算法和客流行車綜合演算模型，實現(xiàn)基于OD的客流數(shù)據(jù)和基于時間狀態(tài)的信號行車數(shù)據(jù)在線網(wǎng)融合視圖上的評估展現(xiàn)，實現(xiàn)實時行車動態(tài)下車站候車、列車載客客流趨勢預(yù)測及預(yù)警?？赏ㄟ^標(biāo)準(zhǔn)接口對接線路ATS系統(tǒng)和客流數(shù)據(jù)，實現(xiàn)行車和客流數(shù)據(jù)接入，構(gòu)建線網(wǎng)客流與行車綜合分析展示功能，為線網(wǎng)調(diào)度決策提供支持。

客流與行車協(xié)同分析的調(diào)度輔助決策內(nèi)容包括：①區(qū)間斷面客流分析及告警；②站臺候車人數(shù)分析及告警；③列車載客人數(shù)分析及告警；④換乘斷面客流分析及告警；⑤車站客流出站速率分析及告警；⑥客流行車指標(biāo)分析與評估，包括正常運營狀態(tài)下線網(wǎng)客流需求和運能投放的匹配分析、線網(wǎng)載客運輸效率的分析，以及突發(fā)故障和應(yīng)急事件處置過程中的客流運輸和工作效能分析；⑦車站客流趨勢預(yù)測及預(yù)警；⑧列車載客人數(shù)趨勢預(yù)測及預(yù)警；⑨換乘客流趨勢預(yù)測及預(yù)警；⑩車站客流出站速率趨勢預(yù)測及預(yù)警。通過構(gòu)建全線網(wǎng)總覽視圖，將綜合客流、行車在內(nèi)的信息融合分析后，過濾選擇體現(xiàn)運營總體狀態(tài)和具有網(wǎng)絡(luò)級影響的突發(fā)事件告警，并在視圖上展現(xiàn)。通過構(gòu)建樞紐視圖，實現(xiàn)對多條線路進(jìn)行集中監(jiān)督管理，對線網(wǎng)內(nèi)重點換乘區(qū)域或大客流區(qū)域，實時監(jiān)視該區(qū)域的行車情況、換乘客流情況，并對換乘客流進(jìn)行動態(tài)的分析及異常告警。依據(jù)客流行車綜合演算模型，將采集匯聚的歷史和實時數(shù)據(jù)進(jìn)行計算并展現(xiàn)多種行車客流融合指標(biāo)，指標(biāo)可以計算歷史值、當(dāng)前值和預(yù)測值；這些指標(biāo)支持線網(wǎng)調(diào)度掌握線路上運能和客流滿足情況，并協(xié)調(diào)線路調(diào)度對行車安排作出必要的調(diào)整。

3.2.2 客流與行車協(xié)同分析的應(yīng)急行車協(xié)調(diào)指揮

通過歷史數(shù)據(jù)模型擬合、客流行車綜合演算模型、智能算法實現(xiàn)突發(fā)故障或大客流場景下的客流與行車相互作用關(guān)系和趨勢分析，實現(xiàn)故障應(yīng)急下線路間換乘客流與行車耦合關(guān)系分析，為故障情況下的線間行車協(xié)調(diào)提供技術(shù)支持?？土髋c行車協(xié)同分析的應(yīng)急行車協(xié)調(diào)指揮包括：①線網(wǎng)客流行車建模及線網(wǎng)換乘關(guān)系分析建模；②線路中斷運行故障下的換乘客流預(yù)測分析和行車協(xié)調(diào)；③線路低速運行故障下的換乘客流預(yù)測分析和行車協(xié)調(diào)；④突發(fā)大客流時的客流預(yù)測分析和線網(wǎng)行車協(xié)調(diào)。

（1）線網(wǎng)客流行車建模及線網(wǎng)換乘關(guān)系分析建模。構(gòu)建線網(wǎng)級客流動態(tài)換乘模型，分析并對線網(wǎng)內(nèi)所有具有換乘關(guān)系的線路運行拓?fù)浜涂蛇_(dá)交路路徑建模，結(jié)合線路的各特征日期、各時段、常態(tài)運行下的換乘客流流向和速度數(shù)據(jù)，建立詳細(xì)的換乘可達(dá)路徑關(guān)系。另外，在線網(wǎng)發(fā)生中斷行車故障時，結(jié)合故障影響區(qū)域和時間范圍，該模型可評估中斷行車故障發(fā)生時可能的變更換乘路徑和換乘客流。

（2）線路中斷運行故障下的換乘客流預(yù)測分析和行車協(xié)調(diào)?；诳土髋c行車協(xié)同的線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)綜合考慮當(dāng)前時段客流、故障線路運行中斷區(qū)域范圍、乘客換乘意向及放棄城市軌道交通改換其他交通方式的比例，推算相關(guān)換乘車站的換乘客流增減變化，推算受到變更換乘客流影響的線路斷面客流，指導(dǎo)相關(guān)線路調(diào)度員及時設(shè)定調(diào)度策略和響應(yīng)運能投放。

（3）線路低速運行故障下的換乘客流預(yù)測分析和行車協(xié)調(diào)。基于客流與行車協(xié)同的線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)通過模型預(yù)測評估各線路在當(dāng)前列車運行狀態(tài)下的客流流動速率，包括斷面客流和換乘客流。當(dāng)一條線路發(fā)生低速運行故障，并導(dǎo)致本線路的列車運行時間發(fā)生變化，以及調(diào)度對行車安排發(fā)生變更調(diào)整時，線網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)可以通過客流與行車疊加分析模型，評估相應(yīng)換乘站換乘客流的變化情況，從而形成對相鄰換乘線路的協(xié)同調(diào)度策略建議。

（4）突發(fā)大客流時的客流預(yù)測分析和線網(wǎng)行車協(xié)調(diào)?；诳土髋c行車協(xié)同的線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)對線路之間換乘的客流進(jìn)行模型預(yù)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)存在換乘車站無法有效容納某個方向的換乘客流，并在換乘客流流入站臺或相關(guān)區(qū)域出現(xiàn)客流積壓的情況時，線網(wǎng)級調(diào)度可以協(xié)調(diào)相關(guān)換乘流出和流入線路，在流入線路通過備車投放或其他手段擴(kuò)展運能，或在流出線路采取部分列車越行、引導(dǎo)提前換乘等手段管控客流，避免換乘客流不匹配造成的乘客聚集風(fēng)險。

4 結(jié)束語

通過在鄭州地鐵進(jìn)行試點應(yīng)用，基于客流與行車協(xié)同的線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)現(xiàn)已實現(xiàn)基于客流數(shù)據(jù)分析的全自動編圖、客流與行車協(xié)同的調(diào)度輔助決策、突發(fā)事件應(yīng)急處置與輔助決策，既能夠高效疏導(dǎo)客流，又實現(xiàn)了節(jié)能效果，提高應(yīng)急處置效率，降低應(yīng)急情況下對乘客的影響。研究立足于智能調(diào)度構(gòu)想，旨在將傳統(tǒng)的列車調(diào)度轉(zhuǎn)變?yōu)榭土髋c行車協(xié)同調(diào)度，將按車配能的傳統(tǒng)理念轉(zhuǎn)變?yōu)榘葱栀x能的新思路，將經(jīng)驗型運輸策劃轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化運輸策劃，將線網(wǎng)級調(diào)度從運營的組織者升級為出行的調(diào)度者。研究所提方案僅對基于客流與行車協(xié)同的線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)進(jìn)行了初步研究，后續(xù)還需在實際應(yīng)用中逐步優(yōu)化完善，期望系統(tǒng)應(yīng)用后能夠大幅提升城市軌道交通線網(wǎng)運輸計劃編制效率，有效提升線路協(xié)同調(diào)度管理能力，實現(xiàn)客流動態(tài)變化下的運能高效精準(zhǔn)投放。