城市軌道交通應急調度指揮系統的現狀及發展趨勢

劉志鋼 胡 華 黃遠春 陳穎雪

(上海工程技術大學城市軌道交通學院，201620，上?！蔚谝蛔髡撸淌?

在城市客運公共交通系統中，城市軌道交通的重要功能定位是高運量骨干運輸網，因此，其突發事件不但會導致沿換乘站傳遞的大客流突變、網絡服務水平驟降等系統內部問題，而且可能導致城市局部區域內道路交通系統服務水平的劇烈波動甚至人員傷亡、財產損失和不良社會影響等嚴重后果。為此，在城市軌道交通突發事件下，如何快速、準確地實施故障處置與救援并維持事件持續期間的運營安全，以盡可能地將突發事件損失降低到最低限度，已成為城市軌道交通運營安全與應急管理領域亟待解決的重大研究課題。

在城市軌道交通突發事件下，行車調度指揮作為整個應急處置系統的“大腦中樞”，其應急調度決策的準確性、高效性直接關系到系統應急處置的時效性及事件影響期間運營的安全性。在國內外，由于軌道交通應急調度決策失誤導致了多起重大安全事故:2003年2月18日韓國大邱地鐵縱火事故導致198人死亡、146人受傷，造成的財產損失高達47億韓元;2009年12月22日上海軌道交通1號線列車相撞事故，導致周邊道路交通全面癱瘓，105輛大巴連運6 h才疏散滯積乘客;2011年9月27日上海軌道交通10號線列車追尾事故導致260余人受傷［1］。這一系列的重大事故在世界各國都引起了強烈的社會反響。城市軌道交通的應急調度指揮已引起全社會的廣泛關注和普遍重視。城市軌道交通應急調度理論及決策支持系統研發已成為亟待解決的重大課題。

1 城市軌道交通應急調度的現狀

城市軌道交通具有專業多、系統多、管理層次多等特點，在運營組織中特別強調各部門各單位的協同性和聯動性，使各專業、各子系統和管理層達到準確、高效的協同，并提高服務質量和應急聯動效率。這是城市軌道交通運營組織的總體目標。在此總體目標的指導下，集中控制和統一指揮成為城市軌道交通運營組織的必要原則，而行車調度員則是該原則的主要執行者。行車調度工作主要體現在“中樞神經”的作用上，即體現其監督、控制、協調、指揮等功能。行車調度水平直接關系到城市軌道交通運營的效率與安全［2］。其工作的特殊性主要體現在遠程監控和控制的作業特性，以及必須通過通信工具來發布命令的方式上。從運營生產的角度，城市軌道交通行車調度員的主要職責包含了2個方面的內容:在常態情況下，確保列車按運行計劃有序運行;在異常態情況下(突發事件發生時)，協調指揮處理突發事件，確保行車安全，并盡快恢復運營。

1.1 常態情況下行車調度職責及流程方法

在正常運營中，行車調度的主要職責是監督列車運行情況，按列車運行圖的要求指揮行車;并根據客流變化及時調整運力安排，合理使用生產資源，實行晝夜指揮、協調、監督與控制，保障運營安全與質量，確保運營生產的順利實施。圍繞“指揮列車按圖行車”的核心目標，以上海軌道交通為例，常態情況下行車調度的作業流程如圖1所示。

圖1 常態情況下行車調度員行車指揮作業流程

由圖1可見，在常態情況下，行車調度員以CATS(中央自動列車監控系統)的工作站、大顯示屏、CCTV(閉路電視)等監控設備為基礎，監督線路、列車、信號等子系統的運行狀態;在及早發現或通過CATS工作站提醒獲得關于列車運行偏離計劃運行圖的情況(如早、晚點)后，行車調度員需要根據基本的專業知識和經驗做出運行調整決策(如調整列車停站時間、扣車、催發車、加開備車、載客通過等);然后通過行車調度電話、行車無線控制臺/對講機等通信工具，向車站行車值班員和駕駛員發布相關調度命令，以盡快恢復列車按圖行車。

1.2 異常態情況下行車調度職責及流程方法

在異常態情況下，行車調度員的主要職責是負責運營事故以及其他運營突發事件的處置、搶險指揮與協調工作，以確保行車安全、減少突發事件的影響與損失、迅速恢復列車正常運行為目標，及時采取一切有效措施控制事件的發展態勢。圍繞“指揮列車安全行車”的核心目標，以上海軌道交通為例，異常態情況下行車調度的作業流程如圖2所示。

圖2 異常態情況下行車調度員行車指揮作業流程

由圖2可見，在異常態情況下，由于遠程監控的作業特性，行車調度員無法依靠CATS監控設備獲得十分全面的事件信息，必須借助行車調度電話等通信工具與行車值班員、駕駛員等現場人員進行溝通，獲得詳盡的事故故障信息;然后在對大量信息進行融合判斷的基礎上，依靠其儲備的應急處置知識和經驗作出應急調度決策，并通過行車調度電話發布相關調度命令。

1.3 存在問題分析

由圖1和圖2的對比可見，目前行車調度員的壓力主要來自于如何確保突發事件下應急指揮調度決策的正確性和高效性。應急調度決策是以行車調度員、行車值班員、駕駛員等運營管理人員對大量人工或自動化信息的采集和交互反饋為基礎的。由于受“人”、“設備”、“社會自然環境”等復雜因素的影響，城市軌道交通突發事件類型多種多樣，對應著應急調度決策的差異化信息需求以及大量繁瑣的應急處置預案。這樣的應急調度決策過程對行車調度員而言是一個非常復雜而困難的過程，且重復勞動較多。目前的人工應急調度指揮模式中存在的問題主要體現在以下幾方面。

1)行車調度人員方面:根據國內外行業經驗，行車調度員的培養需要一個較長的周期。突發事件下的人工應急調度對行車調度員的專業應變能力(應急處置知識或經驗)、生理(如疲勞、注意力集中度、分配能力)及心理素質(情緒的緊張性)都有著較高要求，對行車調度員的培養周期和培養質量也相應提出了更高要求。但是，目前我國大城市行車調度員的質量和數量都不能滿足快速發展的軌道交通系統運營管理的需求，人員技術“攤薄”是運營方面臨的重大問題之一。目前，人工應急調度在不借助自動調度決策支持系統的情況下，主要憑借過去的經驗進行決策操作，使調度員個人勞動強度和精神壓力過大，易受人為及外部環境的影響，會導致應急處置決策效率低下、不夠合理，甚至盲目。

2)信息的交換量及交換方式:在突發事件下，行車調度員為了獲得應急處置決策所需要的信息，需要進行多層次、多流向、多信息點的信息交換。這種信息交換頻繁且復雜，在交換時間和方式上都有嚴格的要求。應急調度系統的效率及安全，在很大程度上取決于信息傳遞和反饋的及時性、可靠性。目前，我國大城市的行車調度人員主要依靠行車調度電話、對講機等通信工具發布調度命令或獲取現場信息。在突發事件下，這種電話交互方式一方面導致行車調度工作強度大，另一方面容易造成通信阻塞、信息遺漏或誤判(錯報或錯記)等風險，也容易導致應急調度決策的不可靠或失誤。

因此，目前的純人工應急調度指揮模式已難以滿足突發事件下對軌道交通高運營安全和應急處置效率的要求，迫切需要面向行業重大現實需求，設計與開發一套自動應急調度指揮系統來輔助調度人員在突發事件下儲存與管理海量事故故障信息和快速做出處置決策。

2 城市軌道交通應急調度系統研究現狀

為滿足突發事件下行車調度的輔助決策支持需求，城市軌道交通自動化應急調度指揮系統應具備以下功能:基于特征數據的事故故障類型劃分及風險等級判別功能;基于歷史統計或實時數據的事故故障預警功能;應急調度預案信息化存儲和管理功能;應急調度信息可視化采集與發布功能。相關的研究內容可以歸納為系統后臺技術、系統邏輯與物理架構設計、調度信息發布終端產品等3個方面。

1)城市軌道交通應急調度指揮系統后臺技術。城市軌道交通應急調度指揮后臺系統的主要功能應包括事故故障的類型劃分、風險判別及事故故障預警。目前，對運營安全事故的類型劃分及危險源的分析集中于重大事故方面［3－4］，大部分研究停留在理論分析階段，企業對實際運營事故日志的記錄、統計與分析研究尚處于初級階段。對于事故風險等級的研究，一般采用初步危險分析(PHA)、事故樹分析(FTA)、事件樹分析(ETA)、因果分析圖法、運行危險分析，以及潛通電路分析(SCA)、動態事件樹法、動態故障樹法、Petri網法等分析方法進行風險分級，或從車輛可靠性測試、維修與風險評價、司機操作安全評估、火災評估、地下結構的風險評價等方面進行安全評估研究［5－9］。針對事故預警技術，在美國、日本以及歐洲一些發達國家，城市軌道交通發展較早，信息化程度也很高，大多數已經建成集行車指揮、安全監控、資源調配為一體的綜合運營管理系統，并進一步朝著人性化、智能化、多功能化的方向發展。其成果對于我國的城市軌道交通運營管理及事故預警系統的建設具有很好的參考價值。國內對于事故預警的研究多停留在理論分析階段，真正能夠結合軌道交通運營數據輸出預警和防范功能的系統并不多［10］。

2)城市軌道交通應急調度系統邏輯物理構架設計與開發。國外軌道交通發達的國家已經充分認識到應急管理的重要性，并已經形成了良好的應急救援管理體制和較為成熟的應急管理輔助系統。國內軌道交通運營企業也逐漸認識到了突發事件管理的重要性，開展了建立專職部門、制定應急處置規范、開發應急管理系統等一系列積極有效的工作。文獻［11］對國外鐵路應急管理體系進行了研究，指出在國外鐵路領域，應急救援指揮已成為維持鐵路管理能夠正常運行的重要支撐體系之一;文獻［12］提出建設軌道交通綜合運營協調中心(COCC)和應急處置中心(ETC)，負責各種運營狀態下的運營指揮協調;文獻［13］介紹了城市軌道交通應急指揮體系結構和應急處置工作流程，提出了城市軌道交通應急處置輔助決策系統框架。由分析可見，現有的軌道交通應急處置輔助支持系統無論是理論還是系統開發均存在涉及面廣、涉及崗位不明確等問題，針對某一關鍵崗位，如針對行車調度的突發事件應急處置輔助支持系統的研究和開發極少。

3)調度信息發布終端設備研發。國外的乘客信息系統(PIS)可以將已知的延誤時間、預計到達時間和發車時間等信息提供給列車長和乘客，同時這些數據還可以通過移動終端設備、掌上電腦、手機等進行實時查詢。在國內，文獻［14］提出城市軌道交通應非常注重乘客信息系統的建設［14］。文獻［15］指出，PIS中子系統負責的主要業務有:控制中心負責信息源的采集、接收、處理、分發工作;網絡子系統提供的控制中心負責與各個車站、隧道AP(無線網絡接入點)、列車的網絡連通;車站子系統接收到中心下發到車站的多媒體信息后，由車站服務器進行處理并發送到各個終端控制器［15］?？梢姡壳俺鞘熊壍澜煌ㄐ畔l布的終端產品研發主要面向乘客，調度員為實現運營調整而面向行車值班員和司機發布的指令主要通過對講機，缺乏可視設備。

綜上所述，目前國內外針對軌道交通突發事件下的應急調度指揮輔助決策系統的理論研究與終端產品研發雖已有成果，但呈現出分散化、局部化的特征，亟需整合與完善。

3 城市軌道交通自動化應急調度系統框架體系設計

城市軌道交通應急調度指揮系統的框架體系設計如圖3所示。通過該設計，可實現事故故障類型及風險等級自動判別、事故故障預警、應急調度預案信息化管理等功能。

圖3 城市軌道交通應急調度指揮系統框架體系設計

3.1 城市軌道交通應急調度后臺技術研究

城市軌道交通應急調度后臺系統的研究是以上海城市軌道交通事故故障日志資料為基礎，運用數據挖掘理論的關聯規則算法和聚類分析算法，研究城市軌道交通事故故障類別劃分及風險等級智能判定方法;基于對各類事故故障的發生頻次及概率統計，分析辨識高頻次、高風險等級事故故障，建立高頻高危故障數據庫;針對高頻高危數據庫，研究不同類型等級的城市軌道交通應急調度預案信息化管理技術和面向調度管理人員的城市軌道交通事故故障預警技術，從事前防控和事后處置2個層面提高城市軌道交通應急調度的安全和效率。城市軌道交通應急調度后臺系統構架如圖4所示。

圖4 城市軌道交通應急調度后臺系統構架

3.2 城市軌道交通應急調度軟件系統設計與開發

以上述后臺理論技術體系為指導，運用系統軟件設計與開發技術研發包含事故故障自學習管理、事故故障時空影響范圍預估、事故故障預警、事故故障分類處置、無紙化人工調度等集成功能的城市軌道交通應急調度指揮軟件平臺，其子系統及功能構架如圖5所示。

由圖5可見，城市軌道交通應急調度系統應該具備故障信息自學習功能。自學習是指系統在不斷重復的工作中對自身能力的增強或改進，使得系統在下一次執行同樣的或類似的任務時，比現在做得更好或效率更高［16］。上海軌道交通進入網絡化運營階段后，對城市軌道交通應急調度事故故障信息管理系統的自學習能力提出了巨大需求。一方面，行車調度員的培養需要一個較長的周期，目前行車調度員的質量和數量都不能滿足快速發展的城市軌道交通系統的需求;另一方面，各條線路因建設施工和系統設備等方面的差異，導致在歷史事故故障、主要或重大事故故障及潛在風險源等方面存在信息差異。因此，傳統單一、靜態的事故故障信息管理系統已無法滿足對應急調度安全和效率的需求，需要管理系統通過日常操作案例來獲取老調度人員的豐富經驗、各線事故故障特有屬性等知識和規則，使系統具備自適應學習能力，從而很好地滿足大量新調度人員自主學習和各線個性化事故故障管理的需求。

圖5 城市軌道交通應急調度軟件系統功能設計

3.3 城市軌道交通應急調度硬件體系架構及終端產品研發

針對城市軌道交通應急調度系統的功能實現，分網絡層、線路層和車站層設計城市軌道交通應急調度硬件體系原型構架。在此基礎上研發具有調度命令管理、故障處置提示與監控、電子簽名及打印功能的智能調度手持終端。城市軌道交通應急調度硬件框架體系如圖6所示。

圖6 城市軌道交通應急調度硬件框架體系

4 結語

城市軌道交通系統由于線路運行相對獨立，并且運行過程與人和環境交互，對機電自動化設施及設備高度依賴，因此其運營過程具備高可靠性的同時又存在遭遇突發事件的脆弱性。在突發事件下，行車調度指揮作為整個應急處置系統的“大腦中樞”，其應急調度決策的準確性及高效性直接關系到系統應急處置的時效性及突發事件影響期間的運營安全性。為實現城市軌道交通應急調度決策的準確化、高效化、無紙化，目前的應急調度指揮模式由“人工”向“自動化”的轉變不可避免。本文從理論與實踐的層面總結與分析城市軌道交通應急調度現狀流程、問題及發展需求，在此基礎上設計城市軌道交通自動化應急調度指揮系統的軟、硬件框架結構，為下一步系統的開發和實現提供理論思路與方法依據。

［1］ 交通運輸部道路運輸司.國內外城市軌道交通事故案例評析［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［2］ 廉銘，江志彬.城市軌道交通行車調度中存在的問題與對策［J］.城市軌道交通研究，2010(10):53.

［3］ 趙惠祥.城市軌道交通系統的運營安全性與可靠性研究［D］.同濟大學，2006.

［4］ 陳菁菁.城市軌道交通重大運營事故和災害分析［J］.城市軌道交通研究，2010(5):41.

［5］ Vanderperre E J，Makhanov S S.Risk analysis of a robot-safety device system［J］.International Journal of Reliability，Quality and Safety Engineering，2002，9(1):79.

［6］ FranCois，Daniel Noyes.Evaluation of a maintenance strategy by the analysis of the rate of repair［J］.Quality and Reliability Engineering International，2003，19(2):129.

［7］ Eliza Chiang，Tim Menzies.Simolations for very early lifeeycle quality evaluations［J］.Software Process:Improvement and Practice，2002，7(3):141.

［8］ Angela A，David H.Failure and safety assessment of systems using Petri nets［C］∥IEEE International Conference on Robotics and Automation.Washington DC:Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc，2002:465.

［9］ 付新生.城軌車輛運營技術故障風險綜合評價方法的研究［D］.北京交通大學，2007.

［10］ 馬穎，佘廉，王超.我國城市交通突發事件預警管理系統的構建與運行［J］.武漢理工大學學報，2006，28(1):67.

［11］ 秦勇，王卓，賈利民.軌道交通應急管理系統體系框架及應用研究［J］.中國安全科學學報，2007，17(1):57.

［12］ 邵偉中，徐瑞華.城市軌道交通網絡運營協調及應急處置輔助決策技術［J］.城市軌道交通研究，2008，11(6):17.

［13］ 王志強.城市軌道交通應急決策輔助技術研究［D］.上海:同濟大學，2008.

［14］ 吳闖龍.城市軌道交通乘客信息系統的發展［J］.鐵路通信信號工程技術，2007，4(5):46.

［15］ 張軼.地鐵 PIS系統建設分析［J］.市政技術，2010(增刊2):390.

［16］ 王青，祝世虎，董朝陽，等.自學習智能決策支持系統［J］.系統仿真學報，2006，18(4):924.