城市軌道交通行車突發(fā)事件應(yīng)急處置輔助決策系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

王祥進，唐金金，張仲愷，陳明喜

（1.北京交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院， 北京 100044；2. 成都智元匯信息技術(shù)股份有限公司， 成都 610000）

近年來，城市軌道交通快速發(fā)展，許多大型城市的軌道交通都已進入網(wǎng)絡(luò)化運營時代。然而對于城市軌道交通日常運營來說，行車突發(fā)事件可能造成行車事故、乘客傷亡事件的發(fā)生，使得軌道交通運營的可靠性降低，給軌道交通的運營帶來負面影響。因此，如何應(yīng)對和處理城市軌道交通行車突發(fā)事件，已經(jīng)成為各城市軌道交通運營管理部門急需解決的問題。

對于城市軌道交通行車突發(fā)事件的研究，目前主要有如下兩類：（1）對于行車突發(fā)事件發(fā)生后的應(yīng)急處置預(yù)案研究[1-4]；（2）行車突發(fā)事件發(fā)生后的客流預(yù)測研究[5-6]或者突發(fā)事件發(fā)生后的乘客出行仿真研究[7-9]。前者在處理行車突發(fā)事件時偏重于理論研究，后者在客流預(yù)測計算速度上也很難滿足實時性要求，難以協(xié)助運營管理者實時應(yīng)對行車突發(fā)事件。

在這樣的背景之下，本文以行車突發(fā)事件發(fā)生時運營管理者的視角為切入點，研究并開發(fā)了城市軌道交通行車突發(fā)情況應(yīng)急處置輔助決策系統(tǒng)，協(xié)助運營管理者降低行車突發(fā)事件帶來的損失與影響。

1 行車突發(fā)事件應(yīng)急處置輔助決策系統(tǒng)設(shè)計

針對城市軌道交通行車突發(fā)事件，設(shè)計城市軌道交通行車突發(fā)情況應(yīng)急處置輔助決策系統(tǒng)，旨在協(xié)助運營管理，降低行車突發(fā)事件對乘客出行帶來的影響。

1.1 設(shè)計目標

系統(tǒng)旨在協(xié)助城市軌道交通運營管理者合理應(yīng)對行車突發(fā)事件，保證行車突發(fā)事件下乘客與列車運轉(zhuǎn)順暢，系統(tǒng)設(shè)計目標如下：

（1）在行車突發(fā)事件發(fā)生時，工作人員輸入突發(fā)事件的參數(shù)，系統(tǒng)能夠迅速生成從該突發(fā)事件開始起未來一段時間內(nèi)的列車運行調(diào)整計劃，協(xié)助行車調(diào)度員對事故線路的列車運行計劃進行合理調(diào)整，保證列車周轉(zhuǎn)順暢；

（2）在生成列車運行調(diào)整計劃后，能根據(jù)該列車計劃來預(yù)測從行車突發(fā)事件發(fā)生起未來一段時間內(nèi)的客流情況，并以圖形化的方式展示在線網(wǎng)圖上，使工作人員能夠直觀、快速地把控行車突發(fā)事件發(fā)生一段時間內(nèi)線網(wǎng)的客流分布狀態(tài)以及客流變化趨勢，從而做出針對性的客運組織以及運力調(diào)配，降低行車突發(fā)事件給乘客出行帶來的影響。

1.2 系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的主要技術(shù)特點是把應(yīng)用系統(tǒng)的顯示層、邏輯層和數(shù)據(jù)層分離，具備易開發(fā)、易擴展、易維護和支持分布式計算等技術(shù)優(yōu)點。本系統(tǒng)采用三層架構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計示意圖如圖1所示。基于滿足應(yīng)用擴展需要，三層架構(gòu)模式可以很容易地擴展到多層構(gòu)架模式。

1.2.2 系統(tǒng)邏輯功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)邏輯功能結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠表示系統(tǒng)與外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口、內(nèi)部各子系統(tǒng)之間的功能變遷、數(shù)據(jù)傳遞等依賴關(guān)系。依據(jù)城市軌道交通行車突發(fā)事件應(yīng)急處置輔助決策系統(tǒng)的層次架構(gòu)，系統(tǒng)的邏輯功能流程圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)三層架構(gòu)示意圖

圖2 系統(tǒng)邏輯功能結(jié)構(gòu)圖

1.3 系統(tǒng)接口與數(shù)據(jù)庫設(shè)計

1.3.1 系統(tǒng)接口設(shè)計

（1）與實時自動售檢票（AFC）系統(tǒng)刷卡數(shù)據(jù)接口

系統(tǒng)與AFC刷卡數(shù)據(jù)采集部門實現(xiàn)物理接口。接口通過文件傳輸協(xié)議（FTP）形式進行數(shù)據(jù)交互，具體接口方式如圖3所示。

通過該接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為實時AFC進出站刷卡交易數(shù)據(jù)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容包括進站車站編碼、進站日期、進站時間、出站車站編碼、出站日期、出站時間、數(shù)據(jù)創(chuàng)建時間、卡號、卡類型、交易代碼、閘機號、數(shù)據(jù)更新時間。

（2）列車自動監(jiān)控（ATS）系統(tǒng)列車實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)接口

圖3 與AFC實時刷卡數(shù)據(jù)接口示意圖

ATS數(shù)據(jù)即列車實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容包含線網(wǎng)上列車的實時運行軌跡數(shù)據(jù)與運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)與ATS數(shù)據(jù)采集部門建立數(shù)據(jù)傳輸專線以實現(xiàn)物理接口。雙方以Socket的形式進行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)后進行解析并存入數(shù)據(jù)庫中，具體接口形式如圖4所示。

圖4 與ATS實時列車運行狀態(tài)數(shù)據(jù)接口示意圖

通過該接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為ATS列車實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：線路編碼、車次號、列車到站時間、列車出發(fā)時間、計劃偏離時間、列車所在位置（軌道號）、列車狀態(tài)、車次號變化狀態(tài)、數(shù)據(jù)更新時間。

1.3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

由于本系統(tǒng)的功能實現(xiàn)以大量數(shù)據(jù)為依托，因此選擇合理的數(shù)據(jù)解決方案非常關(guān)鍵。Oracle Database可移植性好、使用方便，并且在大數(shù)據(jù)處理方面極具優(yōu)勢，SQL語句使用靈活性極強。Oracle的高效性和可靠性，以及其廣泛的適用性，使它成為本系統(tǒng)理想的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

使用者在使用此數(shù)據(jù)庫時，程序內(nèi)部可以直接訪問，也可通過一般Oracle工具進行數(shù)據(jù)訪問。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫進行權(quán)限管理，為不同的訪問者設(shè)定不同的登錄賬號，并且每一個賬號都有其對應(yīng)的密碼（初始密碼可由訪問者修改），通過數(shù)據(jù)庫的訪問權(quán)限設(shè)置，使數(shù)據(jù)的安全性得到了保證。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 行車突發(fā)事件自動判斷功能實現(xiàn)

系統(tǒng)通過接入ATS列車實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，能夠自動對行車突發(fā)事故進行自動判斷，判斷方式有如下2種。

2.1.1 列車延誤

系統(tǒng)根據(jù)接入的實時ATS數(shù)據(jù)，將每列車到達車站的實際時間與計劃運行圖的到站時間對比，如果某列車的實際到站時間超過計劃到站時間2 min及以上時，系統(tǒng)自動觸發(fā)行車突發(fā)事件。

2.1.2 列車間隔

系統(tǒng)根據(jù)實時ATS，持續(xù)計算每兩列車之間的實際運行間隔，一旦出現(xiàn)兩列車運行間隔超過正常間隔的1.5倍，系統(tǒng)會自動觸發(fā)行車突發(fā)事件。

2.2 行車突發(fā)事件下列車運行計劃調(diào)整功能實現(xiàn)

在系統(tǒng)自動觸發(fā)行車突發(fā)事件后或者手動進行事故注入后，系統(tǒng)能夠獲取突發(fā)事件的基本參數(shù)，自動生成行車突發(fā)事件期間的列車運行計劃，圖5為系統(tǒng)自動生成的行車突發(fā)事件期間的列車運行計劃，紫色線表示扣車列車線，紅色線表示折返列車線。

圖5 列車運行計劃調(diào)整展示圖

2.3 行車突發(fā)事件下線網(wǎng)客流預(yù)測及展示功能實現(xiàn)

系統(tǒng)在列車運行計劃調(diào)整之后會緊接著進行行車突發(fā)事件期間客流狀態(tài)預(yù)測，預(yù)測列車計劃調(diào)整起始點（事故開始時間點）后一段時間內(nèi)的線網(wǎng)客流情況，預(yù)測得到的客流指標，包括車站進站量、車站出站量、換乘站換乘量、斷面客流量、斷面擁擠度，以及線網(wǎng)、線路的客運量，時間粒度為5 min。系統(tǒng)會以線網(wǎng)圖的形式將線網(wǎng)客流分布狀態(tài)直觀地展示出來，為用戶進行行車突發(fā)事件下的客流組織與疏導(dǎo)提供支持。圖6～圖9分別展示了行車突發(fā)情況下線網(wǎng)、線路、區(qū)間和車站的客流情況。

3 關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)的實現(xiàn)運用了基于機器學(xué)習(xí)的列車運行計劃調(diào)整技術(shù)、基于集計模型的客流分配技術(shù)及其他算法與編程技術(shù)。

3.1 基于機器學(xué)習(xí)的列車運行計劃調(diào)整技術(shù)

系統(tǒng)采用簡單機器學(xué)習(xí)技術(shù)，通過對歷史行車突發(fā)事件的調(diào)度結(jié)果采集與分析，充分學(xué)習(xí)調(diào)度員的實際調(diào)度指揮經(jīng)驗，從而使系統(tǒng)列車運行計劃調(diào)整貼近于調(diào)度員的實際操作。

3.1.1 機器學(xué)習(xí)技術(shù)

機器學(xué)習(xí)[10]是根據(jù)生理學(xué)、認知科學(xué)等對人類學(xué)習(xí)機理的了解，建立人類學(xué)習(xí)過程的計算模型或認識模型。系統(tǒng)通過長期對地鐵調(diào)度部門的實地調(diào)研，建立一個學(xué)習(xí)的過程，通過非線性分析，引入核函數(shù)，形成系統(tǒng)的調(diào)度經(jīng)驗記憶，在遵循突發(fā)列車處理的原則下，根據(jù)實際情況靈活運用列車調(diào)整方法，包括扣車、降級、設(shè)置折返、加開、停運等5種方式，對行車突發(fā)情況下的列車運行計劃進行自動調(diào)整。

3.1.2 基于機器學(xué)習(xí)的突發(fā)列車處理原則

系統(tǒng)通過機器學(xué)習(xí)方法，在學(xué)習(xí)大量的列車調(diào)整結(jié)果的同時，結(jié)合可設(shè)定的列車處理原則，得到系統(tǒng)的突發(fā)列車處理方法。具體有：突發(fā)事故發(fā)生時間之前的運行圖不變，按時間順序，根據(jù)學(xué)習(xí)經(jīng)驗判斷，對運行線進行調(diào)整，盡量保持列車周轉(zhuǎn)，設(shè)置扣車為第一優(yōu)先措施，其次考慮列車是否能夠通過降級駕駛或者電話閉塞進行周轉(zhuǎn)，但是突發(fā)事件時間在20 min以上造成車輛可能積壓時，在另一行別（上行或下行）暢通且不影響其行車的前提下可以折返，事故解決后恢復(fù)計劃運行圖行車。

圖6 行車突發(fā)事件下線網(wǎng)客流展示圖

圖7 行車突發(fā)事件下線路客流展示圖

圖8 行車突發(fā)事件下區(qū)間客流展示圖

圖9 行車突發(fā)事件下車站客流展示圖

3.2 基于集計模型的客流分配技術(shù)

在交通規(guī)劃中，通常將研究的對象區(qū)域劃分成若干個小區(qū)，并將掌握的數(shù)據(jù)按照小區(qū)統(tǒng)計之后再建立預(yù)測模型。在建立模型或?qū)颖痉糯髸r，需要以這一類的集合體為單位對數(shù)據(jù)進行集計處理。按照小區(qū)統(tǒng)計之后的數(shù)據(jù)稱為集計數(shù)據(jù)，而用集計數(shù)據(jù)所建立的模型稱為集計模型[11]。

在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)K短路算法[12]計算得到突發(fā)事件發(fā)生后線網(wǎng)各交通起止點（OD）之間的K短徑路，并將預(yù)測得到的各OD之間的客流量，以5 min為單位時間統(tǒng)計成集計數(shù)據(jù)，并按照一定的比例分配到相對應(yīng)OD的K短路之上，得到系統(tǒng)所需輸出的相應(yīng)客流指標。采用集計的方式使系統(tǒng)運算速度大大加快，滿足了行車突發(fā)情況下的實時性要求。

4 案例分析

本文以成都地鐵3號線為例，假定某日3號線發(fā)生行車突發(fā)事件情況，假定事故發(fā)生的時間為上午8：15早高峰階段，事故區(qū)間為紅星橋–市二醫(yī)院上行方向，持續(xù)時間為10 min。通過本系統(tǒng)對行車突發(fā)事件進行處理，得到以下結(jié)果：

在獲知行車突發(fā)事件消息后，打開系統(tǒng)，切換至手動并進行事故輸入，輸入的事故信息如圖10所示。

點擊確定按鈕，系統(tǒng)生成行車突發(fā)事件期間列車運行調(diào)整計劃，同時系統(tǒng)在后臺進行線網(wǎng)客流預(yù)測，正常情況下的列車計劃運行圖如圖11所示，系統(tǒng)調(diào)整后的結(jié)果如圖12所示（紅框內(nèi)的紫色運行線為系統(tǒng)自動調(diào)整的運行線）。

圖10 行車突發(fā)事件信息手動輸入框

在系統(tǒng)客流預(yù)測完成后，點擊客流展示按鈕，得到如圖13所示的線網(wǎng)圖界面，用戶能夠通過區(qū)間顏色來獲取區(qū)間擁擠度信息，同時能夠拖動下方時間軸來獲取未來時間內(nèi)的線網(wǎng)客流信息。此外，用戶能點擊相應(yīng)區(qū)間、車站得到如圖14、圖15的界面，分別獲取區(qū)間以及車站的客流信息。

圖11 正常情況下的計劃列車運行圖

圖12 系統(tǒng)自動生成行車突發(fā)事件期間的列車運行計劃

圖13 行車突發(fā)事件下線網(wǎng)客流展示

圖14 行車突發(fā)事件下區(qū)間客流展示

5 結(jié)束語

本文針對城市軌道交通日常運營過程中發(fā)生的行車突發(fā)事件，從行車與客流兩方面入手，以保證列車運行安全為前提，以協(xié)助客運、行車調(diào)度員進行突發(fā)事件下的行車調(diào)度、客流把控與組織為目的，研究并開發(fā)了突發(fā)事件下城市軌道交通突發(fā)情況應(yīng)急處置輔決策系統(tǒng)，協(xié)助軌道交通運營部門合理應(yīng)對行車突發(fā)事件。

圖15 行車突發(fā)事件下車站客流信息展示

目前，本系統(tǒng)主要是提供突發(fā)事件下的列車運行計劃調(diào)整參考與事故期間的客流數(shù)據(jù)信息展示，主要的優(yōu)勢在于行車與客流信息的展示層面，而具體采取何種措施還是需要運營管理者根據(jù)系統(tǒng)展示的數(shù)據(jù)自行判斷。因此系統(tǒng)下一步的發(fā)展則是要針對這一點，在已有數(shù)據(jù)信息展示的前提下，為運營管理者提供具體的行車措施建議（如為行車調(diào)度員提供加開列車或停運列車建議）、客運組織措施建議（如建議某車站限流等），實現(xiàn)對突發(fā)事件的全方位、多層次的應(yīng)對與處理。