陳

0 引言

2022年3月中共中央、國務院印發(fā)的《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》和2019 年9月中共中央、國務院印發(fā)的《交通強國建設綱要》中明確指出要發(fā)展壯大現(xiàn)代化都市圈，提高1 小時通勤圈協(xié)同發(fā)展水平，建設城市群一體化交通網(wǎng)，推進“四網(wǎng)融合”發(fā)展的戰(zhàn)略要求；2021年2月與2019年2月，中共中央、國務院印發(fā)的《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》和《粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》中也明確提出要實現(xiàn)粵港澳大灣區(qū)高水平互聯(lián)互通，提升客貨運輸服務水平，推進大灣區(qū)城際客運公交化運營的要求。在國家規(guī)劃綱要的引領下，深圳市于2021年、2022年先后啟動深大城際鐵路(T4 樞紐—聚龍)、深惠城際鐵路(前海保稅區(qū)—坪地)和深惠城際鐵路大鵬支線(龍城—新大)3 條都市圈城際鐵路的新建。3 條線路均為全地下運行，公交化運營模式，列車時速160 km，具備跨線過軌運行條件，目標是促進大灣區(qū)多層次軌道交通的融合發(fā)展，實現(xiàn)大灣區(qū)城際鐵路的互聯(lián)互通、換乘便捷與一票通達，大幅提升旅客的出行體驗[1]。調(diào)度指揮是運營的核心環(huán)節(jié)，為響應大灣區(qū)城際鐵路統(tǒng)籌運營與“四網(wǎng)融合”的建設目標，研究適配區(qū)域綜合路網(wǎng)一體化協(xié)同運營需求的深圳城際鐵路智能調(diào)度方案勢在必行。

1 國內(nèi)外鐵路調(diào)度系統(tǒng)概況

伴隨云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、北斗、BIM等新一代信息技術的快速發(fā)展，智能化技術與鐵路業(yè)務深度融合已成為世界鐵路發(fā)展的重要方向。歐洲、北美等地區(qū)，以及日本、韓國均制定了鐵路數(shù)字化、智能化中長期發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃[2]。中國鐵路已經(jīng)建成世界上規(guī)模最大的高速鐵路網(wǎng)，擁有海量的建設運營數(shù)據(jù)和豐富的實踐應用場景，2020年中國國家鐵路集團有限公司發(fā)布了《智能高速鐵路體系架構(gòu)1.0》技術標準，構(gòu)建了完整的中國智能高速鐵路的體系框架[3]，并在京張高速鐵路(北京北—張家口)、浩吉鐵路(浩勒報吉南—吉安)、中老鐵路(昆明—萬象)等新建鐵路開展了智能高速鐵路的創(chuàng)新應用實踐，其中智能綜合調(diào)度被列入了智能高速鐵路技術體系架構(gòu)下三大板塊、十大領域、十八個方向中的其中一個方向，并且京張、浩吉、中老等新建鐵路智能綜合調(diào)度系統(tǒng)均得到了有效驗證和實踐。國際上較早的成功案例日本新干線COSMOS調(diào)度系統(tǒng)[4]應用至今，全面支撐了新干線調(diào)度指揮業(yè)務，適應了線網(wǎng)發(fā)展，實現(xiàn)了調(diào)度專業(yè)子系統(tǒng)間的信息共享、業(yè)務協(xié)同、自動控制和集中監(jiān)視等功能，大幅提升了調(diào)度指揮效率，為鐵路調(diào)度系統(tǒng)的發(fā)展提供了借鑒。

2 深圳都市圈城際鐵路調(diào)度指揮需求分析

為響應粵港澳大灣區(qū)交通網(wǎng)互聯(lián)互通的規(guī)劃要求，構(gòu)建深圳市綜合交通立體網(wǎng)，深圳城際鐵路與干線、地鐵均可換乘，城際鐵路之間具備跨線運行條件。為便捷旅客出行，深圳城際鐵路采用公交化運營模式，由深圳市地鐵集團有限公司下屬城際運營公司負責運營?；诠换\營的城際鐵路與地鐵、干線鐵路運營均存在差異。地鐵為單線調(diào)度，不考慮線路之間的關聯(lián)與相互影響，針對高頻發(fā)、全地下運行等特點對運行環(huán)境、突發(fā)事件防范與應急要求較高；干線鐵路為區(qū)域調(diào)度，由于列車成網(wǎng)運行、運營里程長、調(diào)度管轄面積大、發(fā)車數(shù)量多等特點，調(diào)度業(yè)務與調(diào)度崗位設置較地鐵復雜；公交化方式運營的深圳城際鐵路兼具跨網(wǎng)融合、成網(wǎng)運行、高頻發(fā)、全地下運行等特點，因而需要針對深圳城際鐵路新特點，設計適配的智能綜合調(diào)度系統(tǒng)方案，高效地支撐深圳市綜合交通立體網(wǎng)的一體化協(xié)同運營[5]。

大灣區(qū)城際鐵路統(tǒng)籌運營下的深圳城際鐵路調(diào)度指揮中心需要與廣東省、廣州城際鐵路調(diào)度指揮中心分別建立信息交互機制共享運營信息，此外還需要與交叉干線、地鐵的運營主體交互運營信息，實現(xiàn)最佳接駁與應急聯(lián)動，最大化提升客運服務水平。在深圳城際鐵路運營內(nèi)部，為提升調(diào)度指揮工作效率，保障運輸生產(chǎn)安全，減輕調(diào)度員工作壓力，實現(xiàn)降本增效，在建設調(diào)度系統(tǒng)時需全面提升系統(tǒng)智能化水平，避免出現(xiàn)信息孤島、數(shù)據(jù)壁壘、運維困難、大量人工判斷的現(xiàn)狀，打通與運營內(nèi)部各專業(yè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通道，實現(xiàn)運輸生產(chǎn)信息的全面感知和不同專業(yè)之間的業(yè)務協(xié)同[6]。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設計

在吸納京張高速鐵路智能綜合調(diào)度系統(tǒng)建設經(jīng)驗[7]，分析既有國鐵干線運輸調(diào)度管理系統(tǒng)(TDMS5.0)[8]、深圳地鐵運輸調(diào)度領域相關信息系統(tǒng)存在問題的基礎上，結(jié)合深圳城際鐵路的運營需求以及中國智能高速鐵路體系架構(gòu)關于智能綜合調(diào)度的規(guī)劃與發(fā)展要求[9-10]，提出深圳城際鐵路智能綜合調(diào)度系統(tǒng)的功能架構(gòu)、技術架構(gòu)、核心功能等設計方案。

3.1 功能架構(gòu)

軌道交通運輸調(diào)度管理業(yè)務按照事前、事中、事后劃分，可分為調(diào)度決策制定、調(diào)度決策執(zhí)行和執(zhí)行評價3 個階段，智能綜合調(diào)度系統(tǒng)功能設計考慮實現(xiàn)對3 個階段調(diào)度工作的信息化支撐[11]，同時運用人工智能技術，研發(fā)智能輔助決策功能，減少對調(diào)度員經(jīng)驗依賴，提升調(diào)度指揮效率，保障運輸生產(chǎn)安全。深圳都市圈城際鐵路智能綜合調(diào)度系統(tǒng)總體架構(gòu)設計如圖1所示。

圖1 深圳都市圈城際鐵路智能綜合調(diào)度系統(tǒng)總體架構(gòu)設計Fig.1 Overall architecture design of intelligent integrated dispatching system for intercity railway in Shenzhen metropolitan area

在調(diào)度決策制定環(huán)節(jié)，智能綜合調(diào)度系統(tǒng)設計了支撐運輸生產(chǎn)計劃編制、調(diào)度命令管理和調(diào)度應急指揮三大核心業(yè)務場景的應用功能，系統(tǒng)輔助調(diào)度員智能編制運輸綜合計劃、調(diào)度命令和應急處置方案等調(diào)度決策并下達給相關執(zhí)行崗位。

在調(diào)度決策執(zhí)行環(huán)節(jié)，調(diào)度需要實時掌握下達決策的執(zhí)行情況以及運力資源狀態(tài)，確保運輸安全有序。當發(fā)生突發(fā)事件時，如設備設施發(fā)生故障影響行車時，調(diào)度需要第一時間定位故障并分析故障影響，及時采取調(diào)整措施，避免事件影響擴散。因此，智能綜合調(diào)度系統(tǒng)需要從各專業(yè)系統(tǒng)中實時采集相關數(shù)據(jù)，實現(xiàn)線網(wǎng)集中監(jiān)視、車站監(jiān)視、列車監(jiān)視與追蹤等功能，通過數(shù)據(jù)集中和界面整合為調(diào)度提供行車集中監(jiān)視界面，避免調(diào)度操作多個系統(tǒng)終端進行監(jiān)視，減少調(diào)度員盯控屏數(shù)量。

為促進運力資源配置持續(xù)優(yōu)化和調(diào)度指揮水平不斷提升，運營統(tǒng)計分析和調(diào)度評價也是運輸調(diào)度管理工作中的一個重要環(huán)節(jié)。在執(zhí)行評價環(huán)節(jié)，智能綜合調(diào)度系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)治理技術對運輸生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進行處理和存儲，實現(xiàn)運輸生產(chǎn)綜合查詢、運營統(tǒng)計分析、調(diào)度智能評價等應用功能，為調(diào)度分析工作提供數(shù)據(jù)支撐。同時，實時的生產(chǎn)反饋還可以作為調(diào)度決策制定環(huán)節(jié)的輸入，形成閉環(huán)管理機制，在運輸生產(chǎn)過程中可以根據(jù)實際情況對計劃進行動態(tài)調(diào)整，促進運力資源的精準投放，提升旅客出行體驗。

3.2 技術架構(gòu)

智能綜合調(diào)度系統(tǒng)宜采用云計算技術架構(gòu)，深圳都市圈城際鐵路智能綜合調(diào)度系統(tǒng)技術架構(gòu)設計如圖2 所示。核心應用可集中部署在調(diào)度指揮中心云腦平臺，共享云硬件與服務資源，為調(diào)度指揮中心和站段兩級用戶提供應用，在系統(tǒng)接入層，為實現(xiàn)業(yè)務流程的貫通，使站臺值班員、司機、施工人員、搶修人員、離崗人員亦可訪問系統(tǒng)相關功能，應支持安全生產(chǎn)網(wǎng)固定終端和無線專網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)移動終端的同步接入。在平臺即服務層(PaaS層)采用面向服務的架構(gòu)研發(fā)系統(tǒng)應用服務，實現(xiàn)服務間的松耦合，易于系統(tǒng)升級與運維[12]。通過服務治理框架對應用服務進行監(jiān)管，利用服務度量技術對服務占用資源與服務性能進行定量分析，一方面可以為服務提供匹配資源，避免資源過渡占用，降低系統(tǒng)性能，另一方面可以快速定位癥結(jié)并及時提出改進措施；利用服務降級技術可以保障核心功能的正常運作或高效運作。在數(shù)據(jù)服務層(DaaS層)搭建智能綜合調(diào)度數(shù)據(jù)服務平臺，負責外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集與處理，由平臺統(tǒng)一對外提供數(shù)據(jù)服務，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量與訪問效率，此外對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一治理也有利于挖掘數(shù)據(jù)價值。在軟件即服務層(SaaS 層)為用戶提供智能綜合調(diào)度系統(tǒng)業(yè)務應用定制功能，智能綜合調(diào)度系統(tǒng)按照業(yè)務劃分可分為15 個應用，分別是生產(chǎn)計劃管理、列車運行管理、調(diào)度集中監(jiān)視、施工維修管理、供電管理、乘務管理、車輛管理、信息管理、調(diào)度應急指揮、調(diào)度命令、運營統(tǒng)計分析、生產(chǎn)綜合查詢、電子化交班、調(diào)度大屏、基礎數(shù)據(jù)維護等，用戶可訂閱關注應用或取消訂閱，根據(jù)用戶權(quán)限進行用戶訂閱審核，根據(jù)用戶訂閱內(nèi)容加載匹配系統(tǒng)資源，實現(xiàn)用戶統(tǒng)一登錄，業(yè)務應用模塊的靈活加載。

圖2 深圳都市圈城際鐵路智能綜合調(diào)度系統(tǒng)技術架構(gòu)設計Fig.2 Technical architecture design of intelligent integrated dispatching system for intercity railway in Shenzhen metropolitan area

4 核心功能設計

4.1 運輸生產(chǎn)計劃協(xié)同編制

運輸生產(chǎn)計劃是日常運輸組織工作的基礎，各項運輸生產(chǎn)工作按照計劃有序落實。面向大灣區(qū)城際鐵路一體化運營和“四網(wǎng)融合”的需求，運輸生產(chǎn)計劃協(xié)同編制分為內(nèi)部協(xié)同與外部協(xié)同。內(nèi)部協(xié)同是指各專業(yè)計劃的協(xié)同編制，運輸生產(chǎn)計劃按專業(yè)分為列車開行計劃、車輛運用計劃、施工維修計劃、供電計劃、乘務計劃和調(diào)車作業(yè)計劃，計劃內(nèi)容相互關聯(lián)。運輸綜合計劃協(xié)同編制機理如圖3 所示，當某個計劃發(fā)生調(diào)整時，關聯(lián)計劃也需同步調(diào)整。例如，當施工維修計劃的作業(yè)內(nèi)容發(fā)生調(diào)整時，工程車開行和停送電需求可能發(fā)生變化，導致列車開行計劃和供電計劃也需要調(diào)整。因此，基于調(diào)度專業(yè)協(xié)同機理實現(xiàn)運輸生產(chǎn)計劃的協(xié)同編制與同步調(diào)整，可以大幅提升計劃編制與調(diào)整效率[13]。外部協(xié)同是指一體化運營和“四網(wǎng)融合”條件下城際鐵路列車開行計劃編制，還應考慮區(qū)間客流與跨網(wǎng)列車接續(xù)時間，實現(xiàn)列車最佳接駁與運力精準投放。

圖3 運輸綜合計劃協(xié)同編制機理Fig.3 Collaborative preparation mechanism of comprehensive transportation plan

深圳城際鐵路智能綜合調(diào)度系統(tǒng)通過接入運行圖、區(qū)間客流、運力資源等信息作為城際列車開行計劃編制的輸入條件，并且圍繞“一列車一條運行線”方式在各專業(yè)計劃之間共享列車運行線數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)運輸生產(chǎn)計劃的內(nèi)部協(xié)同編制與同步調(diào)整；同時與外部運營主體調(diào)度系統(tǒng)設計數(shù)據(jù)交互內(nèi)容，建立數(shù)據(jù)交互機制，實時交換計劃與調(diào)整內(nèi)容，促進區(qū)域軌道交通協(xié)同運營與運力統(tǒng)籌。

4.2 調(diào)度應急智能輔助決策

公交化運營模式下的城際列車行車間隔時間較短，客流密度較大，突發(fā)事件導致的運營中斷急需在短時間內(nèi)快速恢復，否則將造成較大的社會影響。調(diào)度在突發(fā)事件應急處置過程中發(fā)揮關鍵作用，主要負責突發(fā)事件信息的集散、評估事件影響、組織搶險、制定行車組織調(diào)整方案、盯控應急處置進度、內(nèi)外信息通報報告以及事后總結(jié)分析等工作[14]。導致突發(fā)事件的風險源很多，包括車輛系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、通信信號系統(tǒng)、線路設施、沿線設施等軟硬件設備設施發(fā)生故障或異常，車站大客流、社會安全事件、公共衛(wèi)生事件、人員錯誤操作等人員因素，以及水災、火災、地震等自然災害引發(fā)的突發(fā)事件。本著預防為主、應急快速的原則，智能綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)應實現(xiàn)設備設施狀態(tài)監(jiān)視與突發(fā)事件分級預警功能，便于調(diào)度員第一時間定位事件地點并做出有效反應。

在突發(fā)事件感知與預警環(huán)節(jié)，智能綜合調(diào)度系統(tǒng)應通過與動車組系統(tǒng)、檢測監(jiān)測系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、客站系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、行車監(jiān)控系統(tǒng)、票務系統(tǒng)、動車組運維系統(tǒng)、氣象系統(tǒng)等各專業(yè)系統(tǒng)實現(xiàn)信息交互，動態(tài)獲取調(diào)度員需要第一時間掌握的、對行車造成影響的環(huán)境、設備設施、客流的狀態(tài)與異常告警信息，并設計集中展示界面進行監(jiān)視，避免調(diào)度員在行車指揮過程中需要盯控多個系統(tǒng)終端的現(xiàn)象。針對社會安全、公共衛(wèi)生、誤操作等人員因素，實現(xiàn)信息快速上報通道，支持移動終端、固定終端同步上報，提供視頻、圖像、文本、語音等多種信息形式的上報，為調(diào)度員快速了解現(xiàn)場情況和收集事件信息提供技術支撐。

在事件影響評估、行車方案調(diào)整等業(yè)務環(huán)節(jié)，通過研究突發(fā)事件影響傳播演化機理，對應急預案、運營突發(fā)事件的應急處置過程實施電子化管理，運用大數(shù)據(jù)與人工智能技術，對應急預案和歷史突發(fā)事件信息進行機器學習，實現(xiàn)突發(fā)事件影響評估智能生成、行車調(diào)整方案智能推薦等智能化應急輔助決策功能，可大幅提升調(diào)度應急指揮效率，降低調(diào)度員的工作壓力。

調(diào)度應急智能輔助決策功能設計如圖4所示。

圖4 調(diào)度應急智能輔助決策功能設計Fig.4 Design of auxiliary intelligent decision-making functions for emergency dispatching

4.3 調(diào)度命令一體化管理

調(diào)度命令是調(diào)度在日常行車組織過程中或非正常情況下以書面或口頭形式下達的指令，是調(diào)度指揮行車工作和安全生產(chǎn)的必要手段，按照調(diào)度業(yè)務劃分為行車、施工、供電、車輛、限速、客運等命令類型。智能綜合調(diào)度系統(tǒng)應改變既有調(diào)度命令按照業(yè)務劃分分別由不同業(yè)務系統(tǒng)承載的方式，實現(xiàn)調(diào)度命令的一體化統(tǒng)一管理，實現(xiàn)對行車調(diào)度命令、施工調(diào)度命令、供電調(diào)度命令、限速調(diào)度命令等不同類型調(diào)度命令的統(tǒng)一編制、下達與簽收功能，便于挖掘調(diào)度命令數(shù)據(jù)價值和提升系統(tǒng)智能化水平。一體化調(diào)度命令子系統(tǒng)統(tǒng)一維護受令處所、命令模板等基礎數(shù)據(jù)，同時支持書面命令和口頭命令的編制與下達，改善既有深圳地鐵口頭命令通過調(diào)度電話、無線電話等方式下達，命令簽收人需要進行抄寫、復誦和確認的繁瑣工作，通過語音識別技術實現(xiàn)對口頭命令內(nèi)容的識別與歸檔[15]，通過文本解析技術實現(xiàn)對命令關鍵信息的自動提取，為基于命令的智能控制、基于命令的計劃自動調(diào)整、調(diào)度命令統(tǒng)計分析等智能化功能提供數(shù)據(jù)支撐。此外，一體化調(diào)度命令管理還應實現(xiàn)命令流程的全面貫通，增設司機、現(xiàn)場施工人員、車站值班員手持終端簽收功能，改善既有地鐵運營模式下車站值班員需要打印書面調(diào)度命令交于司機的現(xiàn)狀，一方面可以提升調(diào)度命令執(zhí)行效率，另一方面可以減少紙張使用，為雙碳目標做出貢獻。

4.4 管控一體化閉環(huán)管理

智能綜合調(diào)度系統(tǒng)與行車監(jiān)控系統(tǒng)(CTC/ATS)、電力監(jiān)控系統(tǒng)(PSCADA)設計信息交互實現(xiàn)基于調(diào)度日計劃、調(diào)度命令內(nèi)容的自動控制與管控一體化閉環(huán)管理，可減輕調(diào)度員工作量，促進調(diào)度工作持續(xù)優(yōu)化。智能綜合調(diào)度系統(tǒng)主要承擔運輸生產(chǎn)計劃編制下達、調(diào)度命令擬寫下達、行車組織調(diào)整方案編制下達等調(diào)度決策業(yè)務，控制系統(tǒng)主要負責在決策執(zhí)行環(huán)節(jié)實施生產(chǎn)控制與過程監(jiān)視。智能綜合調(diào)度系統(tǒng)將格式化的運輸生產(chǎn)計劃、調(diào)度命令等信息傳遞給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)根據(jù)格式化內(nèi)容實施自動控制與人工確認，同時實時反饋執(zhí)行情況，作為調(diào)度決策調(diào)整依據(jù)，實現(xiàn)精細化調(diào)度指揮。調(diào)度管控一體化閉環(huán)機理如圖5所示。

圖5 調(diào)度管控一體化閉環(huán)機理Fig.5 Closed-loop mechanism of integrated dispatching and control

5 結(jié)束語

深圳城際鐵路智能綜合調(diào)度系統(tǒng)通過運用信息融合、數(shù)據(jù)挖掘、智能計算、安全卡控等技術，可以實現(xiàn)城際鐵路運輸調(diào)度管理過程的數(shù)字貫通、流程互控與專業(yè)協(xié)同，能夠較好地適配大灣區(qū)城際鐵路一體化運營和多層次軌道交通融合發(fā)展的需求，為深圳城際鐵路智能調(diào)度系統(tǒng)建設提供參考。系統(tǒng)設計的響應客流變化的列車運行方案動態(tài)調(diào)整、快速感知突發(fā)異常的行車集中監(jiān)視、可持續(xù)優(yōu)化的管控一體化閉環(huán)管控、基于全數(shù)字化管理的數(shù)據(jù)治理與智能評價等智能化核心功能可以輔助調(diào)度員精準高效地制定調(diào)度決策，優(yōu)化運力配置，實現(xiàn)智能化調(diào)度與降本增效。