祝建平，李 博，范家銘

(1.中國國家鐵路集團有限公司 運輸部，北京 100844；2.中國鐵路列車運行圖技術(shù)中心，北京 100081；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司 運輸及經(jīng)濟研究所，北京 100081)

0 引言

列車運行圖是鐵路運輸組織計劃的重要技術(shù)文件，是客貨運、司乘、機車和動車運用、施工、車站作業(yè)等計劃編制的依據(jù)，其編制質(zhì)量直接影響鐵路運輸資源運用效率和運輸效益[1]。近年來，隨著高速鐵路大規(guī)模成網(wǎng)運行，列車開行數(shù)量逐年增多，客運市場需求動態(tài)變化，使得列車運行圖編制難度加大，編制頻率加快[2]。列車運行圖編制系統(tǒng)是列車運行圖編制工作的重要支撐[3-4]，在當前編制工作向常態(tài)化轉(zhuǎn)變的客觀需求背景條件下，編圖系統(tǒng)在系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)管理和用戶體驗等方面也面臨著新的技術(shù)挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在：一是信息化程度需進一步提高。為提高編圖效率和準確性，要將基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備、開行方案等編圖資料完全電子化并納入到編圖系統(tǒng)中，確保資料完整性；加強與調(diào)度系統(tǒng)、客票系統(tǒng)等上下游生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交流，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)共享和統(tǒng)一編制[5]。二是數(shù)據(jù)管理水平需要提升。提高編圖數(shù)據(jù)容災(zāi)能力，構(gòu)建實時備份機制，避免發(fā)生用戶操作丟失、歷史數(shù)據(jù)丟失等問題，消除數(shù)據(jù)泄露的安全隱患。三是系統(tǒng)性能需進一步加強。需要在系統(tǒng)功能方面縮短響應(yīng)時間，提升編圖人員工作效率；同時隨著編圖工作量和難度的提升，亟需實現(xiàn)編圖自動化和智能化[6]，系統(tǒng)應(yīng)滿足輔助編圖功能對算力資源的龐大需求。

為進一步提高鐵路列車運行圖編制技術(shù)水平，支撐我國超大規(guī)模復(fù)雜路網(wǎng)條件下遠程群體協(xié)同編圖需求，以中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”)主數(shù)據(jù)中心成立為契機，設(shè)計開發(fā)基于云平臺的列車運行圖編制系統(tǒng)(以下簡稱“編圖系統(tǒng)”)。編圖系統(tǒng)采用云平臺部署、微服務(wù)架構(gòu)、分布式存儲與實時計算等先進計算機技術(shù)，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全可控和實時共享。編圖系統(tǒng)經(jīng)過業(yè)務(wù)調(diào)研、需求分析、方案評審、軟件研發(fā)、三方測試和現(xiàn)場試用等過程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、人工編圖、統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)共享等核心功能模塊，在國鐵集團列車運行圖編制工作中得到實際運用，在運算速度、可靠性、擴展性、安全性等方面帶來質(zhì)的突破，有效提升列車運行圖編制效率，為列車運行圖常態(tài)化優(yōu)化調(diào)整和智能化編制奠定堅實的基礎(chǔ)。

1 需求分析

編圖系統(tǒng)的主要需求：一是依據(jù)國鐵集團運輸部提出的“加快運輸信息化建設(shè)”的要求，實現(xiàn)列車運行圖編制由數(shù)字化到信息化的跨越，切實提升運輸領(lǐng)域信息化水平；二是面對市場多元化需求的動態(tài)變化，為列車運行圖智能輔助編制技術(shù)提供應(yīng)用和驗證的平臺，支撐列車運行圖智能輔助技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用。

（1）編圖資料實時集成共享的信息化需求。針對我國當前超大規(guī)模路網(wǎng)，需要突破“信息孤島”式的數(shù)據(jù)模式，以滿足編圖資料實時集成共享的信息化需求。運行圖編制需要路網(wǎng)設(shè)施設(shè)備、開行方案、運行圖技術(shù)參數(shù)等信息，而這些信息存儲在其他系統(tǒng)、電子文檔甚至紙質(zhì)資料中，編圖人員獲取不便，影響編圖工作效率和質(zhì)量[7]。因此，需要以主數(shù)據(jù)中心建立為契機，采用“云平臺”架構(gòu)模式，通過主數(shù)據(jù)中心的集成服務(wù)平臺打通編圖系統(tǒng)與各生產(chǎn)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)共享和實時傳輸路徑，建立編圖系統(tǒng)與客票[8]、貨運[9]、調(diào)度[10]、編組[11]等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口協(xié)議，真正實現(xiàn)無紙化、集成化和信息化，保障編圖資料完整性和準確性。

（2）編圖過程自動化和智能化需求。我國鐵路規(guī)模日趨龐大，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，列車運行圖編制工作量和難度與日俱增，僅依靠人工將無法滿足鐵路高質(zhì)量發(fā)展對編圖效率和水平的要求，必須發(fā)展運行圖自動化和智能化編制技術(shù)[12]。股道自動編排、交路自動勾畫、運行線輔助編制等自動化、智能化編圖功能需要依托海量數(shù)據(jù)和龐大算力，對編圖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和計算性能提出非常高的要求。而云平臺技術(shù)能夠?qū)⒋鎯Y源和算力資源進行統(tǒng)籌管理，通過彈性伸縮框架和分布式計算技術(shù)，實現(xiàn)資源的高效充分利用，為運行圖智能輔助編制技術(shù)提供充足的數(shù)據(jù)和算力，支撐列車運行圖編制自動化和智能化技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用。

（3）用戶功能性和非功能性需求。編圖系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)管理需求、人工編圖需求、聯(lián)網(wǎng)編圖需求、指標統(tǒng)計與分析需求、接口與數(shù)據(jù)共享需求、智能輔助編制需求等核心功能需求，可以借助云平臺架構(gòu)的高可用、集成化和資源整合能力進行升級和賦能。除此之外，還需要滿足數(shù)據(jù)在存儲和傳輸過程中的安全性需求，云平臺編圖服務(wù)的可靠性需求以及用戶在離線、局域網(wǎng)、內(nèi)部服務(wù)網(wǎng)等環(huán)境下的多場景作業(yè)需求等能夠使平臺更加可靠、適用、便捷的非功能性需求。

2 系統(tǒng)設(shè)計

編圖系統(tǒng)采用一級部署兩級應(yīng)用，與編組系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、機車周轉(zhuǎn)圖系統(tǒng)等存在數(shù)據(jù)交互，支撐列車運行圖編制業(yè)務(wù)應(yīng)用，為國鐵集團和各級鐵路局集團公司用戶提供應(yīng)用服務(wù)。云平臺提供一種共享資源的架構(gòu)方法，可以將各種軟硬件系統(tǒng)以資源方式提供服務(wù)，實現(xiàn)資源共享[13]。編圖系統(tǒng)部署在主數(shù)據(jù)中心云端，實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

2.1 總體結(jié)構(gòu)

編圖系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為基礎(chǔ)設(shè)施層、資源層、數(shù)據(jù)層、計算層、服務(wù)層和應(yīng)用層?；A(chǔ)設(shè)施層以國鐵集團主數(shù)據(jù)設(shè)置中心VM 云和鐵信云為基礎(chǔ)，形成雙云冗余結(jié)構(gòu)。設(shè)置專用云管理后臺對配套大規(guī)模虛擬機集群進行資源虛擬化和負載均衡管理，形成資源層的計算資源和存儲資源等。資源層提供資源管理服務(wù)，管理各種計算資源、存儲資源、通信資源等的申請與回收。數(shù)據(jù)層利用存儲資源構(gòu)建數(shù)據(jù)庫集群、半結(jié)構(gòu)化及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集群，負責對列車運行圖編制業(yè)務(wù)相關(guān)的海量數(shù)據(jù)進行存儲和管理，保障數(shù)據(jù)安全。計算層包括機器學習、實時計算和分布式計算等服務(wù)，為需要計算的業(yè)務(wù)提供支持，機器學習服務(wù)以海量歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)訓練模型，為智能化功能提供支撐。服務(wù)層采用微服務(wù)架構(gòu)，以服務(wù)中間件為基礎(chǔ)，提供編圖服務(wù)、查詢服務(wù)和統(tǒng)計服務(wù)等核心業(yè)務(wù)服務(wù)，并設(shè)置調(diào)度后臺提供各種業(yè)務(wù)流程的調(diào)度服務(wù)，是業(yè)務(wù)和資源管理的粘合劑。設(shè)計數(shù)據(jù)交換服務(wù)平臺，對編圖系統(tǒng)與12306、95306等外部系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交流提供實時同步、格式轉(zhuǎn)換適配等服務(wù)，并對數(shù)據(jù)傳輸過程進行監(jiān)控。在應(yīng)用層，編圖系統(tǒng)提供離線客戶端、在線客戶端、門戶網(wǎng)站、智慧大屏和運維后臺等多種訪問方式，為國鐵集團用戶、鐵路局集團公司用戶、運維用戶和科研人員提供各種業(yè)務(wù)服務(wù)和科研服務(wù)，形成完整的業(yè)務(wù)應(yīng)用生態(tài)。編圖系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 編圖系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 System overall architecture

2.2 技術(shù)架構(gòu)

編圖系統(tǒng)使用大數(shù)據(jù)架構(gòu)，采用Spring Cloud技術(shù)棧，依托分布式消息組件、分布式應(yīng)用部署、數(shù)據(jù)庫集群、分布式文件系統(tǒng)等技術(shù)，為編圖系統(tǒng)的信息化、自動化和智能化提供可靠保障。編圖系統(tǒng)由1 個平臺和5 個中心組成，編圖系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

（1）通用網(wǎng)關(guān)平臺，由長連接網(wǎng)關(guān)服務(wù)器集群和短連接網(wǎng)關(guān)服務(wù)器集群構(gòu)成，通過登陸驗證服務(wù)器對用戶的連接請求進行驗證，用戶在通過驗證后經(jīng)由網(wǎng)關(guān)與應(yīng)用服務(wù)器通信，保證服務(wù)的安全，提高容錯性。

（2）編圖中心，以編圖協(xié)同服務(wù)器為核心服務(wù)，結(jié)合編圖操作日志服務(wù)、編圖數(shù)據(jù)備份服務(wù)、編圖數(shù)據(jù)檢查服務(wù)、編圖日志處理服務(wù)，打造高可用、高可靠、實時數(shù)據(jù)處理、實時日志處理、實時數(shù)據(jù)備份的編圖系統(tǒng)，確保編圖任務(wù)能夠順利完成。

（3）資源調(diào)度中心，由資源服務(wù)器集群、調(diào)度服務(wù)器集群、Flink 集群、Yarn 集群和K8s 集群組成。資源服務(wù)器集群為計算業(yè)務(wù)提供橫向擴展的計算資源，提高資源的服務(wù)質(zhì)量和利用率，同時避免跨應(yīng)用劃分節(jié)點的低效率和復(fù)雜性。

（4）分布式存儲中心，將數(shù)據(jù)分散地存儲在多臺獨立的服務(wù)器上，滿足大規(guī)模存儲應(yīng)用的需求，提高數(shù)據(jù)的可靠性、可用性以及安全性?；A(chǔ)設(shè)施服務(wù)器集群，主要包括日志、調(diào)度和監(jiān)控服務(wù)器，提供基礎(chǔ)服務(wù)并保障編圖系統(tǒng)可靠運行。

（5）統(tǒng)計分析中心，由統(tǒng)計服務(wù)器集群和查詢服務(wù)器集群組成，以日志處理服務(wù)清洗的日志數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫中存儲的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，為用戶提供多維度的統(tǒng)計、查詢和分析服務(wù)。

（6）運維客服中心，由運維系統(tǒng)和客服系統(tǒng)構(gòu)成，運維系統(tǒng)既可以可視化地監(jiān)控編圖系統(tǒng)運行情況和用戶使用情況，也能通過后臺微服務(wù)執(zhí)行一鍵開服、關(guān)服，實現(xiàn)運維自動化?？头到y(tǒng)可以幫助用戶管理用戶權(quán)限、更新軟件版本、查詢技術(shù)幫助文檔等，真正做到以用戶為中心。

2.3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

編圖系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)依托于國鐵集團主數(shù)據(jù)中心進行構(gòu)建，部署在主數(shù)據(jù)中心內(nèi)部服務(wù)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)區(qū)，與外部互聯(lián)網(wǎng)邏輯隔離，在整個傳輸鏈路上都有傳輸加密的整體設(shè)計，符合等級保護對于通信傳輸加密的安全要求。編圖系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3 所示。編圖系統(tǒng)覆蓋國鐵集團、鐵路局集團公司兩級，鐵路業(yè)務(wù)部門及生產(chǎn)作業(yè)人員通過鐵路局集團公司內(nèi)部服務(wù)網(wǎng)訪問部署于國鐵集團主數(shù)據(jù)中心內(nèi)部服務(wù)網(wǎng)的系統(tǒng)服務(wù)器和內(nèi)部門戶，鐵路局集團公司既有業(yè)務(wù)支撐應(yīng)用通過內(nèi)網(wǎng)與編圖系統(tǒng)進行信息交互。編圖系統(tǒng)采用雙機熱備核心交換機方法，將不同業(yè)務(wù)分配在不同的服務(wù)器中，確保多系統(tǒng)間數(shù)據(jù)高速傳輸和信息安全，降低業(yè)務(wù)之間的耦合度，提高編圖系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性。所涉及的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均為冗余部署，保證編圖系統(tǒng)的高可靠性。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 編圖資料即時云同步與實時計算技術(shù)

列車運行圖的編制依賴車站作業(yè)計劃編制系統(tǒng)、交路編制系統(tǒng)等外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入[14]，同時編圖系統(tǒng)也是客運、貨運、調(diào)度等生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上游，各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的實時同步是保證各運輸組織階段輸出結(jié)果準確性的基礎(chǔ)。各業(yè)務(wù)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)同步采用離線文件手動導(dǎo)入導(dǎo)出、定時同步等手段，溝通成本高，過程安全性差，無法確保數(shù)據(jù)的實時性和準確性，不能做到上下游協(xié)同編制。此外，在列車運行圖編制指標統(tǒng)計分析方面，傳統(tǒng)的計算方式通常采用數(shù)據(jù)批處理計算模式，計算時間長且存在延時，管理人員不能對運行圖編制質(zhì)量進行實時把握，用戶也不能即時感知操作結(jié)果對運行圖中觀、宏觀指標的影響。

為解決上述數(shù)據(jù)同步和數(shù)據(jù)實時計算問題，構(gòu)建高可用、低延時的云同步平臺和實時計算平臺，統(tǒng)一匯聚編圖、客運、貨運、調(diào)度等運輸生產(chǎn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。多系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步與實時計算技術(shù)架構(gòu)如圖4 所示。在數(shù)據(jù)實時同步方面，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫同步、數(shù)據(jù)文件同步和日志同步等服務(wù)實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的實時同步。在數(shù)據(jù)存儲方面，利用消息隊列作為中間件，將數(shù)據(jù)存儲到云平臺的分布式文件系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫中。在數(shù)據(jù)實時計算方面，構(gòu)建具有流批一體和Exactly-once特性的實時計算服務(wù)，實現(xiàn)流式數(shù)據(jù)和批量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理，形成實時數(shù)據(jù)倉庫，保證各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的一致性，為實時數(shù)據(jù)報表、實時智慧大屏以及自動化和智能化等業(yè)務(wù)功能提供支撐。該技術(shù)實現(xiàn)編圖數(shù)據(jù)的上下游多系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時共享，使運行圖編制業(yè)務(wù)由以往的運行線、股道和交路的單向迭代優(yōu)化，轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬I(yè)一體化協(xié)同編制，縮短編圖周期，推動編圖模式創(chuàng)新發(fā)展。

圖4 多系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步與實時計算技術(shù)架構(gòu)Fig.4 Multi-system data synchronization and real-time computing technology

3.2 編圖數(shù)據(jù)實時云備份與冗余存儲技術(shù)

對于列車運行圖編制應(yīng)用，每天產(chǎn)生大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)與操作日志以及其他間接產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)需要存儲在分布式存儲系統(tǒng)中。這些數(shù)據(jù)分散保存在多個云端存儲節(jié)點上，通過適當?shù)娜哂鄠浞?，保障?shù)據(jù)的可靠性。在分布式存儲系統(tǒng)中，存儲節(jié)點經(jīng)常發(fā)生動態(tài)變化，比如節(jié)點故障或者增減節(jié)點，都需要重新在各個節(jié)點間遷移數(shù)據(jù)，以保證在節(jié)點狀態(tài)變化后仍能對外提供良好的服務(wù)，因而在節(jié)點動態(tài)擴展后數(shù)據(jù)遷移成為重要問題。

為此，列車運行圖的分布式存儲系統(tǒng)采用一致性哈希(hash)表算法，建立從物理存儲節(jié)點到虛擬存儲節(jié)點的映射，通過hash計算，把數(shù)據(jù)均衡地分布到多個物理節(jié)點。通過改進的一致性哈希算法在節(jié)點發(fā)生變化時，使得遷移數(shù)據(jù)最小化。改進的算法對物理存儲節(jié)點編碼時，預(yù)留若干hash空間，將現(xiàn)有物理節(jié)點編碼置于hash空間高N位，預(yù)留hash空間低M位，當節(jié)點狀態(tài)發(fā)生變化時，采用高位不變，修改低位的策略進行編碼修改，保證原有物理節(jié)點編碼不變，存儲在原物理節(jié)點上的數(shù)據(jù)無需遷移，從而降低數(shù)據(jù)遷移量。已知一致性哈希算法將哈?？臻g組織成虛擬圓環(huán)分布式哈希表(DHT)。將物理存儲節(jié)點按一致性哈希算法映射到DHT 的虛擬存儲節(jié)點，然后將數(shù)據(jù)按一致性哈希算法映射到DHT 的虛擬空間，按照順時針方向?qū)?shù)據(jù)存儲到最近的虛擬存儲節(jié)點。分布式存儲動態(tài)擴展與數(shù)據(jù)遷移技術(shù)如圖5所示。

圖5 分布式存儲動態(tài)擴展與數(shù)據(jù)遷移技術(shù)Fig.5 Distributed dynamic storage extension and data migration techniques

按照圖5，在構(gòu)造哈?？臻g時修改編碼方案。現(xiàn)有物理存儲節(jié)點編碼放在高N位，預(yù)留空間低M位，并設(shè)置為0。物理節(jié)點變化時，從預(yù)留空間最高位置開始設(shè)置1。原有節(jié)點編碼不變，設(shè)原有編碼為C，變化后所有物理節(jié)點新編碼為Cn，將新編碼映射到哈希空間，得到哈希值Hn。

從上式可知，從C到Cn物理節(jié)點編碼容量從2的n次方擴展到2 的n+1 次方，而原節(jié)點編碼沒有發(fā)生變化。對其進行哈希運算，得到的擴容后的存儲節(jié)點在DHT中的映射為

原有存儲節(jié)點哈希值未發(fā)生變化，存儲在原有存儲節(jié)點上的數(shù)據(jù)不需要遷移。借助云平臺高性能設(shè)備資源和分布式存儲動態(tài)擴展與數(shù)據(jù)遷移技術(shù)，編圖系統(tǒng)實現(xiàn)編圖數(shù)據(jù)實時云備份和分布式冗余存儲。傳統(tǒng)海量數(shù)據(jù)定時存儲方式只能回滾到半個小時前的數(shù)據(jù)，會丟失期間的用戶操作，而借助實時備份和操作恢復(fù)能力，編圖系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)秒級數(shù)據(jù)回滾，避免操作丟失和重復(fù)作業(yè)。同時，通過數(shù)據(jù)分布式冗余存儲，形成數(shù)據(jù)防損壞和防丟失機制，實現(xiàn)編圖數(shù)據(jù)存儲的完整性。

3.3 編圖系統(tǒng)數(shù)據(jù)與群體協(xié)同并發(fā)傳輸安全技術(shù)

依托云平臺架構(gòu)，編圖系統(tǒng)在數(shù)據(jù)存儲和傳輸方面的安全性全面加強。編圖系統(tǒng)內(nèi)的核心和敏感數(shù)據(jù)全部存儲在云平臺，針對數(shù)據(jù)傳輸過程中存在異常狀態(tài)問題，同時為確保在線編圖過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性和安全性，提出一種基于多線程分塊處理與防盜鏈技術(shù)方案，以及一種基于壓縮與加密混合技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸方法，解決數(shù)據(jù)傳輸中的高網(wǎng)絡(luò)帶寬占用、數(shù)據(jù)安全性問題，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性，提升用戶的使用體驗。

同時，為解決用戶操作即時性與多用戶間操作沖突的問題，提出基于群體協(xié)同技術(shù)的實時在線交互策略，在操作轉(zhuǎn)換(OT)算法[15]的基礎(chǔ)上加入改進的向量時鐘作為時間戳，將操作行為封裝成操作事件。編輯者執(zhí)行單個操作后，將操作信息同步到各個協(xié)作端。協(xié)作端根據(jù)操作的時間戳，調(diào)整操作對象的狀態(tài)，解決大規(guī)模群體協(xié)同操作過程中數(shù)據(jù)在線交互的實時性問題，保障用戶操作的實時性和多源數(shù)據(jù)的一致性。

在離線數(shù)據(jù)文件方面，編圖系統(tǒng)全新自主設(shè)計了高效復(fù)雜的編圖全要素數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過二進制加密流式數(shù)據(jù)生成數(shù)據(jù)文件，并以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)實現(xiàn)自定義數(shù)據(jù)編碼和解碼協(xié)議，即使數(shù)據(jù)丟失也無法被外部人員讀取，從根本上防止數(shù)據(jù)被破解，保障數(shù)據(jù)的內(nèi)容安全。

3.4 基于分布式對等網(wǎng)絡(luò)的運行圖一體化編制終端技術(shù)

為了進一步適應(yīng)日益擴張的鐵路運輸網(wǎng)絡(luò)并滿足靈活多變的旅客出行需求，我國已形成定期全路集中編圖與各鐵路局集團公司分布式編圖相結(jié)合的列車運行圖編制與調(diào)整模式。為同時滿足全路集中、鐵路局集團公司協(xié)同、個人離線等各類編圖場景，提出分布式對等網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點聚合技術(shù)，提升編圖系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)擴展性和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點聚合靈活性，實現(xiàn)在線、離線服務(wù)器多種模式實時靈活切換的一體化編圖終端。

為確保編圖系統(tǒng)不過分依賴于某單個終端節(jié)點性能，解決網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定時數(shù)據(jù)同步緩慢或設(shè)備故障時導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失問題，構(gòu)建高性能的數(shù)據(jù)廣播算法與狀態(tài)同步策略，保證多人協(xié)同編圖的交互高效性、操作實時性、多源數(shù)據(jù)一致性。為滿足編圖數(shù)據(jù)在通信過程中的安全及保密要求，定義一套私有化數(shù)字通信協(xié)議并設(shè)計數(shù)據(jù)區(qū)塊存取算法，確保數(shù)據(jù)在不同終端之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，在保證數(shù)據(jù)安全的同時，實現(xiàn)數(shù)據(jù)區(qū)塊空間壓縮，減少網(wǎng)絡(luò)帶寬占用，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸與解析效率。為解決用戶本地離線數(shù)據(jù)與編圖系統(tǒng)在線數(shù)據(jù)之間的同步問題，設(shè)計主副本通信技術(shù)，可以在同一臺終端上同時啟動2 個客戶端進程，分別裝載主本數(shù)據(jù)和副本數(shù)據(jù)，客戶端之間能夠進行雙向通信，查找數(shù)據(jù)沖突并按照數(shù)據(jù)合并策略將主副本數(shù)據(jù)進行合并。

基于分布式對等網(wǎng)絡(luò)的新一代列車運行圖一體化編制終端關(guān)鍵技術(shù)，可以滿足多種實際編圖場景，切實保障隨時隨地任意兩終端的互聯(lián)互通，真正打造集客戶端與服務(wù)器于一體的列車運行圖協(xié)同編制終端。

4 核心功能

4.1 編圖系統(tǒng)功能架構(gòu)

在系統(tǒng)功能方面，編圖系統(tǒng)目前主要包括數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、人工編圖子系統(tǒng)、聯(lián)網(wǎng)編圖子系統(tǒng)、指標統(tǒng)計與分析子系統(tǒng)、運行圖繪制子系統(tǒng)、時刻表輸出子系統(tǒng)、接口與數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)、智能輔助編制子系統(tǒng)共8個子系統(tǒng)。

通過數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)獲取并維護路網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、編圖數(shù)據(jù)、列車數(shù)據(jù)、圖面數(shù)據(jù)；通過接口與數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)與相關(guān)外部系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸與共享；基于以上2 個子系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)的整合與管理，通過人工編圖子系統(tǒng)進行運行圖繪制與調(diào)整，并由智能輔助編制子系統(tǒng)將智能算法與人工編制子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互；通過指標統(tǒng)計與分析子系統(tǒng)輸出統(tǒng)計指標；通過時刻表輸出子系統(tǒng)輸出各類時刻表；通過運行圖繪制子系統(tǒng)打印運行圖。編圖系統(tǒng)核心功能架構(gòu)如圖6 所示。核心子系統(tǒng)界面如圖7所示。

圖6 編圖系統(tǒng)核心功能架構(gòu)Fig.6 System core functions

4.2 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)用于路網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、編圖數(shù)據(jù)、列車數(shù)據(jù)和圖面數(shù)據(jù)的管理，包括對數(shù)據(jù)的錄入、刪除、修改、查詢。借助云平臺的高帶寬并通過自主設(shè)計數(shù)據(jù)格式，使全路庫數(shù)據(jù)下載和加載時間縮短一倍；通過設(shè)計超高速哈希檢查算法，使全路編圖數(shù)據(jù)準確性檢查時間從分鐘級減少到10 s以內(nèi)；通過大規(guī)模復(fù)雜路網(wǎng)條件下的快速徑路搜索算法[16]實現(xiàn)毫秒級的徑路搜索；增加了數(shù)據(jù)差異化對比、數(shù)據(jù)拆分合并等功能，以適應(yīng)用戶對數(shù)據(jù)管理的多樣化需求，為整個編圖系統(tǒng)提供強有力的數(shù)據(jù)支撐。

4.3 人工編圖與聯(lián)網(wǎng)編圖子系統(tǒng)

人工編圖與聯(lián)網(wǎng)編圖子系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)圖面編輯和運行線操作，根據(jù)功能不同，可以分為運行圖顯示操作、運行線調(diào)整操作、停站股道調(diào)整操作、交路關(guān)系調(diào)整操作、天窗調(diào)整操作等。在高并發(fā)條件下，編圖系統(tǒng)全圖顯示、圖面切換等圖面功能的響應(yīng)速度提升10 倍以上，平移運行線、全線推線等運行線功能平均響應(yīng)時間小于0.01 s。同時由于股道信息和交路信息通過云平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時同步，得以實現(xiàn)到發(fā)線自動立折等自動化功能。

4.4 指標統(tǒng)計與分析子系統(tǒng)

指標統(tǒng)計與分析子系統(tǒng)面向全路各專業(yè)輸出數(shù)據(jù)指標，目前主要包括列車明細匯總、分界口列車數(shù)、區(qū)間列車數(shù)、主要客運站對數(shù)、車站對數(shù)統(tǒng)計、車站作業(yè)時段分布6 大類共100 余項統(tǒng)計指標。依托高性能平臺，可以對多對象、多維度指標實時分析計算，數(shù)據(jù)加載速度、指標統(tǒng)計速度提升數(shù)十倍以上，并實現(xiàn)多數(shù)據(jù)庫指標對比等新增功能，不斷提升操作便捷性，擴充篩選維度，聚焦關(guān)鍵問題，結(jié)合數(shù)據(jù)可視化，顯著提升工作效率。

4.5 接口與數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)

接口與數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)編圖系統(tǒng)與生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享與數(shù)據(jù)傳輸，目前已借助云平臺的互聯(lián)互通實現(xiàn)與鐵路客票、調(diào)度、機車交路編制等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)24 小時實時共享，打破各鐵路業(yè)務(wù)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸壁壘，有力支撐運輸生產(chǎn)整體運轉(zhuǎn)效率。

4.6 智能輔助編制子系統(tǒng)

智能輔助編制子系統(tǒng)主要用于提高人工編圖的編制效率。在云平臺的加持下，動車組交路方案輔助編制、區(qū)段運行線輔助編制和車站股道運用計劃輔助編制等大型智能化功能有了充足的數(shù)據(jù)和算力支撐，已完成案例初步測試[17]，預(yù)計2023 年底可以交付使用，屆時在相關(guān)場景可以大幅縮短編圖時間，提升編圖質(zhì)量。

5 結(jié)束語

編圖系統(tǒng)的成功研發(fā)是基于云平臺技術(shù)的一次創(chuàng)新實踐，標志著鐵路運輸信息化、智能化水平的全面提升。編圖系統(tǒng)架構(gòu)更加優(yōu)化，功能根據(jù)國鐵集團及各鐵路局集團公司需求研發(fā)至 1256 項，響應(yīng)時間平均縮短10 倍左右，打通了與上下游系統(tǒng)的數(shù)據(jù)壁壘，具備完全自主知識產(chǎn)權(quán)，實現(xiàn)了國鐵集團和各鐵路局集團公司間一級部署兩級應(yīng)用策略。編圖系統(tǒng)從2022 年三季度列車運行圖調(diào)整編制工作開始正式應(yīng)用，在提高工作效率、降低作業(yè)人員勞動強度等方面取得顯著成效，已完全具備支撐全路列車運行圖編制工作的能力。在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，編圖系統(tǒng)將持續(xù)完善和優(yōu)化系統(tǒng)功能、創(chuàng)新智能編圖理論與技術(shù)、做好運行圖綜合評價和調(diào)整優(yōu)化等工作，聚焦提質(zhì)增能創(chuàng)效，邁向推進列車運行圖編制管理與技術(shù)創(chuàng)新的新征程。