調(diào)車作業(yè)分散自律控制系統(tǒng)的研究

宋宗瑩， 王建英

（1.神華集團有限責任公司 運輸管理部，北京 100011；2.中國鐵道科學(xué)研究院 通信信號研究所，北京 100081）

調(diào)車作業(yè)分散自律控制系統(tǒng)的研究

宋宗瑩1， 王建英2

（1.神華集團有限責任公司 運輸管理部，北京 100011；2.中國鐵道科學(xué)研究院 通信信號研究所，北京 100081）

通過分析我國鐵路車站調(diào)車作業(yè)流程，提出調(diào)車作業(yè)分散自律控制系統(tǒng)模型，指出其實質(zhì)就是將車站值班員的經(jīng)驗、知識和各種規(guī)章制度進行計算機形式化描述。通過空間沖突法和時間沖突法對列調(diào)車作業(yè)相互干擾問題進行智能疏解，得到列車進路指令序列和調(diào)車進路指令序列。根據(jù)實際列車運行位置、調(diào)車作業(yè)申請和當前時刻，自動匹配進路指令序列，生成列車進路命令序列和調(diào)車進路命令序列，自動下達車站聯(lián)鎖系統(tǒng)執(zhí)行。采用多智能體技術(shù)和面向服務(wù)技術(shù)構(gòu)建車站分散自律控制邏輯單元，實現(xiàn)調(diào)車作業(yè)以車站為自治域的分散自律控制。

分散自律控制系統(tǒng)；調(diào)車作業(yè)； 調(diào)度集中； 多智能體

multi-agent

目前我國鐵路沿線車站的調(diào)車作業(yè)由車站統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，保證按照調(diào)度所的要求及時準確完成調(diào)車作業(yè)，實現(xiàn)車流掛線。無論大型車站還是中間站，其調(diào)車作業(yè)工程的實質(zhì)基本一致，即車站調(diào)度員（值班員）按照調(diào)度所調(diào)度員下達的列車調(diào)整計劃、裝卸車計劃、摘掛列車作業(yè)計劃、機車交路計劃等為依據(jù)，結(jié)合當前車站實際情況，編制車站調(diào)度作業(yè)計劃，適時辦理調(diào)車進路，指揮調(diào)車作業(yè)人員按計劃完成調(diào)車作業(yè)。

車站調(diào)車作業(yè)的基本依據(jù)是《車站作業(yè)細則（簡稱站細）》，核心是調(diào)車作業(yè)不得影響列車作業(yè)，如果列調(diào)車作業(yè)在空間上無法隔開，則調(diào)車作業(yè)應(yīng)在車站接發(fā)列車作業(yè)間隙進行，其業(yè)務(wù)流程如圖1所示。

車站作業(yè)調(diào)度自動化研究的核心就是將圖1中值班員的知識和經(jīng)驗，通過提煉、分析和綜合，形成計算機能夠識別的形式化語言，為實現(xiàn)調(diào)車作業(yè)分散自律控制系統(tǒng)提供基礎(chǔ)保障，其實質(zhì)就是通過綜合應(yīng)用計算機軟硬件技術(shù)、職能控制技術(shù)、通信信號技術(shù)，研究調(diào)車作業(yè)計劃計算機輔助編制、調(diào)車鉤計劃自動生成和調(diào)車進路自動辦理等技術(shù)原理和實現(xiàn)方式，為車站調(diào)車作業(yè)提供高效、安全和可靠的技術(shù)支撐，進而實現(xiàn)車站調(diào)車作業(yè)和列車作業(yè)的有機協(xié)調(diào)，提高車站作業(yè)效率和安全度。

圖1 調(diào)車作業(yè)流程及其抽象示意圖

1 主要模型和關(guān)鍵算法

1.1 基本定義

定義1：進路元素集合是指構(gòu)成車站站場的各種信號元素的抽象集合，是道岔、信號機、軌道區(qū)段以及接近離去區(qū)段、股道的抽象表示集合，記為：的調(diào)整計劃，記為：

其中，Noi為第i列車車次號；

tbi為第i列車在指定車站的到達時刻；

tei為第i列車在指定車站的出發(fā)時刻；

gi為第i列車在指定車站的停車股道；

di為第i列車在指定車站的運行方向；

ki為第i列車的屬性，例如，通過客車、到開客車、貨車、超限列車等。

定義4：列車進路集合指指定車站可供列車運行的徑路集合，記為：

RL={rli}, i=1, 2, 3,…, m ，其中，rli為列車進路。

定義5：列車進路是指該站單條列車進路，記為：

其中，gi為第i條列車進路對應(yīng)的接發(fā)車股道；

di為第i條列車進路的接發(fā)車方向；

eij為組成第i條列車進路的進路元素；

rdq為禁止辦理的調(diào)車進路集合，是調(diào)車進路集合RD的子集。

ebi為第i鉤調(diào)車作業(yè)起始位置所對應(yīng)的進路元素；

eei為第i鉤調(diào)車作業(yè)終止位置所對應(yīng)的進路元素。

定義9：調(diào)車進路集合是指指定車站可供調(diào)車車列運行的徑路，記為：

定義10：調(diào)車進路是指該站單條調(diào)車進路，記為：

其中，ebi為第i條調(diào)車進路起始位置所對應(yīng)的進路元素；

eei為第i條調(diào)車進路終止位置所對應(yīng)的進路元素；

eij為組成第i條調(diào)車進路的進路元素；

rlk為禁止辦理的列車進路集合，是列車進路集合RL的子集；

c為純調(diào)車進路屬性，c=1表示獨立調(diào)車進路，與任何列車進路無關(guān)；

其中， tsi為第i鉤調(diào)車作業(yè)進路占用時分。

1.2 車站列調(diào)車計劃時序隊列求解算法

車站列車、調(diào)車計劃時序隊列的形成主要有兩個關(guān)鍵算法：（1）空間沖突判決法；（2）時間沖突判決法。

將接收到的列車作業(yè)計劃和調(diào)車作業(yè)計劃進行空間沖突判決。如果空間不沖突，則調(diào)車作業(yè)計劃隨時執(zhí)行；如果空間沖突，再進行時間沖突判決。

1.2.1 空間沖突判決法

依據(jù)調(diào)車鉤計劃si生成調(diào)車進路rdi，進行如下判斷：

（1）若對應(yīng)的rdi中屬性值c=1，則為純調(diào)車進路，與任何列車進路都不沖突，只要調(diào)車作業(yè)需要，可立即辦理；

（2）若對應(yīng)的rdi中屬性值c≠1，則為該調(diào)車進路和列車進路存在共用進路元素E的情況，必須進行時間沖突判別。

1.2.2 時間沖突判決法

依據(jù)單列車計劃pi生成的列車進路rli和調(diào)車鉤計劃si生成調(diào)車進路rdi（此時c≠1），以及當前時刻tcur，對rli所有進路元素屬性elij和rdi所有進路元素edij進行如下判斷：

（1）若tbiΔ≤tcur+tsj≤teijΔ，且edij=elij，則表示當前時間段列車進路rli和調(diào)車進路rdi爭用同一進路元素，存在交叉轉(zhuǎn)（5）；

（2）若tbiΔ≤tcur≤teijΔ，且edij=elij，則表示當前時間段列車進路rli和調(diào)車進路rdi爭用同一進路元素，存在交叉轉(zhuǎn)（5）；

（3）若tcur+tsj＜tbiΔ，且edij=elij，則表示當前時間段列車進路rli和調(diào)車進路rdi不存在交叉，即列車作業(yè)間隔滿足調(diào)車作業(yè)鉤時分tsj的要求，設(shè)置該調(diào)車鉤計劃si和調(diào)車進路rdi的屬性值tci=tcur，及edij=1；取下一個調(diào)車鉤計劃sj及其對應(yīng)的調(diào)車進路rdj轉(zhuǎn)（1）進行判決，直到所有調(diào)車鉤計劃 S找到合理的開始作業(yè)時間；

（4）若tcur＞teijΔ，且edij=elij，則選取下一條單列車計劃pj及其對應(yīng)的列車進路rlj轉(zhuǎn)（1）進行判斷，直到遍歷完所有的列車計劃P，找到合理的調(diào)車作業(yè)開始時間；

（5）令tcur=tcur+teijΔ，即調(diào)整當前時刻向后推遲，選取下一條單列車計劃pj及其對應(yīng)的列車進路rlj轉(zhuǎn)（1）進行判斷，直到遍歷完所有的列車計劃P，找到合理的調(diào)車作業(yè)開始時間；

（6）若edij≠elij，即調(diào)車進路rdi和列車進路rli不存在交叉，則選取下一條單列車計劃pj及其對應(yīng)的列車進路rlj進行判斷，直到遍歷完所有的列車計劃P，如果所有的列車進路和當前的調(diào)車進路都不存在爭用進路元素的情況，則，設(shè)置該調(diào)車鉤計劃si和調(diào)車進路rdi的屬性值tci=tcur，及edij=1；否則轉(zhuǎn)（1），繼續(xù)判斷。

1.2.3 算法流程

調(diào)車作業(yè)分散自律控制算法主要由列車計劃進路指令序列化、調(diào)車作業(yè)計劃進路指令序列化、列車進路自動辦理及調(diào)車進路自動辦理組成。

列車計劃進路指令序列化是指將該站接收到的列車運行調(diào)整計劃P逐條與列車進路集合RL進行匹配，得到每條計劃對應(yīng)的列車進路，并將對應(yīng)的進路元素征用屬性和起始結(jié)束時間按列車運行計劃規(guī)定的時間進行設(shè)置而形成的待執(zhí)行的指令序列，記為：

其中，qli={pi, rlu, ωlv, tlv, flv} 為單條列車計劃進路指令；

rlu為單條列車運行計劃pi匹配成功的唯一列車進路，是一個確定的值；

wlv={Nov, kv, gv, dv, evj} (v=1, 2, …, a; j=1, 2,…, c)為預(yù)設(shè)的不同列車種類進路辦理位置，根據(jù)“車站作業(yè)細則”相關(guān)規(guī)定預(yù)先定義，通常為車站接近離去區(qū)段和區(qū)間閉塞分區(qū)的組合，記其全集為 WL。

調(diào)車作業(yè)計劃進路指令序列化是指將該站編制的調(diào)車作業(yè)計劃S逐條與列車進路集合RD進行匹配，得到每條調(diào)車鉤計劃對應(yīng)的調(diào)車進路，并通過時間和空間沖突法判別后，得到該調(diào)車鉤計劃可以辦理的起始時刻，同時設(shè)置對應(yīng)的進路元素征用屬性和起始結(jié)束時間而形成的待執(zhí)行的指令序列，記為：

其中，qdj={sj, rdu, fdv} 為單條調(diào)車作業(yè)計劃進路指令；

rdu為單條調(diào)車計劃sj對應(yīng)的唯一調(diào)車進路，是一個確定的值。

fdv為該條調(diào)車計劃sj對應(yīng)的觸發(fā)辦理條件，符合該條件時自動觸發(fā)辦理。其值根據(jù)當前時刻、調(diào)車鉤允許開始作業(yè)時刻和人工申請調(diào)車作業(yè)開始命令自動計算，周期性更新，是一個動態(tài)變化的值，取值為：

列車進路自動辦理是指逐一判斷列車進路指令集合QL的每一條進路指令qli，當滿足觸發(fā)條件flv時，將進路指令轉(zhuǎn)化為底層執(zhí)行設(shè)備可識別的命令，進行“車站作業(yè)細則”相關(guān)約束條件和車站信號聯(lián)鎖關(guān)系約束條件檢查后，自動辦理列車接發(fā)車進路的過程。

調(diào)車進路自動辦理是指逐一判斷調(diào)車進路指令集合QD的每一條進路指令qdj，當滿足觸發(fā)條件fdv時，將進路指令轉(zhuǎn)化為底層執(zhí)行設(shè)備可識別的命令，進行“車站作業(yè)細則”相關(guān)約束條件和車站信號聯(lián)鎖關(guān)系約束條件檢查后，自動辦理車站調(diào)車進路的過程。

調(diào)車作業(yè)分散自律控制算法流程如下所述：

（1）接收列車運行計劃，形成列車計劃進路指令序列QL。

以pi中的{gi, di}為匹配特征，依次遍歷列車進路集合RL。若第u條進路rlu的{gu, du}滿足gi=gu且di=du，則匹配成功，即計劃pi對應(yīng)的列車進路為rlu。同時以pi中的{Noi, ki, di, gi}為判別元素，依次遍歷觸發(fā)條件集合WL和TL。若第v個集合元素{Nov, kv, dv, gv}滿足Noi=Nov且ki=kv，di=dv，gi=gv，則匹配成功，最后設(shè)置pi對應(yīng)的列車進路指令qli中的各元素，flv由計算得到，并保存到隊列QL中。

（2）接收調(diào)車作業(yè)計劃，形成調(diào)車作業(yè)進路指令序列QD。

以sj中的{ebj, eej}匹配特征，依次遍歷調(diào)車進路集合RD。若第u條進路rdu的{ebu, eeu}滿足ebj=ebu且eej=eeu，則匹配成功，即計劃sj對應(yīng)的列車進路為rdu。同時以rdu、sj和列車計劃P中的每條列車計劃進行空間和沖突判別處理，得到每個rdu對應(yīng)的單鉤調(diào)車計劃允許開始作業(yè)的時刻tcu，最后設(shè)置sj對應(yīng)的調(diào)車進路指令qdj中的各元素，fdv由計算得到，并保存到隊列QD中。

（3）循環(huán)判斷QL中的所有指令qli，計算其對應(yīng)的符合觸發(fā)條件flv的值。若flv≠0，則立即執(zhí)行該指令，自動辦理列車接發(fā)車進路；否則繼續(xù)等待。

（4）循環(huán)判斷QD中的所有指令qdj，計算其對應(yīng)的符合觸發(fā)條件fdv的值。若fdv≠0，則立即執(zhí)行該指令，自動辦理調(diào)車進路；否則繼續(xù)等待。

2 分散自律調(diào)車控制邏輯單元

以車站為一個自治域，以多智能體理論作為基礎(chǔ)，構(gòu)建車站建立分散自律控制邏輯單元，如圖2所示，劃分為通信層、控制層和功能實現(xiàn)層。

圖2 分散自律控制邏輯單元示意圖

通信層主要完成與相鄰車站、調(diào)度中心分散自律控制邏輯單元之間的信息交換，與車站聯(lián)鎖、列控等車站信號系統(tǒng)之間的信息交換，提供消息隊列（MQ）、服務(wù)調(diào)用（Service）、遠程函數(shù)調(diào)用（API）和多種適配器方式（Adapt），實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效、可靠和安全交換。

控制層主要功能是根據(jù)業(yè)務(wù)流程和數(shù)據(jù)處理流程，通過合理調(diào)配各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、處理規(guī)則和具體業(yè)務(wù)任務(wù)模塊，自動、高效、實時、安全和可靠實現(xiàn)調(diào)車作業(yè)的分散自律控制。控制層根據(jù)通信層傳遞的不同信息和用戶需求，采用企業(yè)服務(wù)總線（ESB）、業(yè)務(wù)流程總線（BPM）、定時器觸發(fā)和事件觸發(fā)等方式，通過提供消息隊列（MQ）、服務(wù)調(diào)用（Service）、遠程函數(shù)調(diào)用（API）、多種適配器（Adapt）和數(shù)據(jù)庫訪問（ODBC）等方式調(diào)用功能層的具體任務(wù)模塊，協(xié)調(diào)一致地實現(xiàn)車站調(diào)車作業(yè)的分散自律控制。

功能實現(xiàn)層由多個獨立的任務(wù)模塊組成，主要包括車次號自動追蹤、列車計劃進路指令序列化、調(diào)車作業(yè)計劃進路指令序列化、列車進路自動辦理及調(diào)車進路自動辦理等任務(wù)模塊，功能層根據(jù)任務(wù)的實時性、數(shù)據(jù)量、安全性等要求，分類設(shè)計與控制層、規(guī)則庫和數(shù)據(jù)庫的信息交換和調(diào)用方式，保證車站分散自律控制邏輯單元的安全、可靠和高效運轉(zhuǎn)。

規(guī)則庫中主要保存“技規(guī)”、“行規(guī)”、“調(diào)規(guī)”、“站細”和通信信號系統(tǒng)技術(shù)條件股道應(yīng)用規(guī)則、列調(diào)車進路辦理限制條件、接發(fā)列車作業(yè)規(guī)則、調(diào)車作業(yè)規(guī)則、信聯(lián)閉系統(tǒng)相關(guān)的列調(diào)車作業(yè)限制規(guī)則以及業(yè)務(wù)流程規(guī)則等形式化數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

本文所述的車站分散自律控制邏輯單元已在FZy-CTC分散自律調(diào)度集中系統(tǒng)工程投入實際應(yīng)用，取得了預(yù)期的效果，主要結(jié)論如下：

（1）按空間沖突判別法和時間沖突判別法建立列車和調(diào)車進路控制指令是有效的，能夠滿足現(xiàn)場實際調(diào)車作業(yè)的需求。

（2）列車和調(diào)車進路命令自動觸發(fā)辦理算法能夠滿足現(xiàn)場實際需要，自動辦理成功率達95%以上，極大地減輕了車務(wù)人員的勞動強度，提高了作業(yè)效率。

（3）采用多智能體技術(shù)構(gòu)建車站調(diào)車作業(yè)分散自律邏輯控制單元，功能實用，架構(gòu)可行、可靠，能夠適應(yīng)車站調(diào)車作業(yè)分散自律控制的需要。

[1]中華人民共和國鐵道部. 分散自律調(diào)度集中系統(tǒng)（CTC）技術(shù)條件[S].2008，8.

[2]黃 溢，鄧煜陽. CTC條件下的車站調(diào)車作業(yè)優(yōu)化研究[J].交通與運輸，2008（5）.

[3]劉朝英，李 萍.中國鐵路分散自律調(diào)度集中系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[4]李 焱，林 磊，陳德旺.面向構(gòu)件的可復(fù)用列控中心研究[J].鐵路計算機應(yīng)用，2012，21（12）.

責任編輯 楊利明

Research on Decentralized Autonomous Control System for shunting operation

SONG Zongying1, WANG Jianying2

( 1. Department of Transportation Management, Shenhua Group Corporation Limited, Beijing 100011, China;
2. Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

This paper proposed a new model of Decentralized Autonomous Control System for the shunting operation. The essence of this model was to describe the knowledge, the experience of the station attendant and the associated regulation by the computer language, and resolve the interference between the train and the shunting operation using the time clash method and space clash method based on the multi-agent logical control unit of decentralized autonomous. The whole work could be described as the follow three steps, it was firstly constructed the orders of the train route and the shunting route, and then automatically checked the train position, the shunting operation and its application processing time to generate the final route orders, finally transmitted these orders to the station interlocking system to execute.

Decentralized Autonomous Control System; shunting operation; centralized traffic control;

U292.2∶TP39

A

2013-10-11

宋宗瑩，助理研究員；王建英，研究員。

1005-8451（2014）01-0022-05