應急場景條件下的城市軌道交通行車調度演練系統設計

王智永 賴一鳴 江志彬

摘 要：應急場景條件下的城市軌道交通行車調度演練系統可以較為真實地模擬各類設備故障或突發事件條件下的列車運行方案調整優化，是提高行車調度員應急技能的重要技術手段。在分析演練系統建設必要性和建設目標的基礎上，對行車調度演練系統進行設計，從運行圖管理、演練場景管理、ATS 操作模擬、列車運行模擬和演練結果評估 5 個方面分析系統功能。以蘇州市軌道交通 4 號線為例，對系統的實施與應用效果進行評價，結果表明系統的設計方案可以滿足行車調度員對常見故障及大型綜合性突發事件應急處置的演練需求，能有針對性地提升行車調度員的業務水平。

關鍵詞：城市軌道交通;行車調度;演練仿真;應急場景;行車組織

中圖分類號：U292.4+2

1 研究背景

我國已進入城市軌道交通快速發展時期，較多城市已經形成網絡化運營格局，客流壓力、運營突發事件發生概率上升，對應急處置能力及響應效率的要求也日益提高。行車調度員作為城市軌道交通運營的“指揮官”，主要負責行車調度指揮、突發情況下的應急處置等工作，必須具備高效處置各類突發事件的能力，才能為廣大乘客提供安全優質的運營服務[1-2]。以往行車調度員的培訓演練通常采用桌面演練、占線板人工挪車或者口頭虛擬列車等方式進行，場景仿真度較低，無法鍛煉行車調度員的實際行車調整能力。目前針對城市軌道交通列車自動監控（ATS）操作的演練系統較多，且大多是面向車站值班員層面的仿真平臺[3-5]。隨著新技術的發展，三維展現、虛擬現實等技術應用也日趨成熟[6-8]，但缺乏系統的、有針對性覆蓋各類應急場景的行車調度演練系統，無法實現應急場景自定義、列車按圖自動運行、列車運行過程干預、列車運行延誤傳播、多故障同時觸發以及演練效果的定量化評估等需求，尤其是對于行車調度員的綜合行車調整能力的提升幫助有限[9-10]。本文對行車調度演練系統進行設計，針對系統各功能模塊展開分析，并以蘇州市軌道交通4號線為實例進行驗證。

2 行車調度演練系統設計

2.1 系統總體架構

行車調度演練系統是利用計算機運行概念模型代替物理模型，結合不同應急預案、演練方案場景設置，隨時進行模擬演練的系統。系統主要目標是結合實際運行圖方案，通過模擬設置不同的故障場景，訓練調度員的信號操作、應急處置和統籌協調能力。因此，系統的總體架構應包括觀摩與評價區、應急場景管理與配合區、實訓操作區和演練展示區4個部分（圖1）。

從系統功能架構上，演練系統包括運行圖管理、演練場景管理、ATS操作模擬、列車運行模擬、演練結果評估5個模塊（圖2）。

2.2 系統功能模塊分析

2.2.1 運行圖管理

系統可實現列車計劃運行圖查詢與加載功能，直觀顯示列車運行情況并鋪畫實際運行圖。計劃運行圖可支持第三方編圖工具，如：同濟大學研發的城市軌道交通列車運行圖計算機編制系統（TPM）[11]，支持生成的數據文件或規格化的時刻表csv文件自動導入。可自動存儲演練過程的實際運行圖;支持查看、打印和調閱計劃、實際運行圖和車底周轉圖;可生成線路或車站時刻表;可計算計劃或實際運行圖的相關指標。

2.2.2 演練場景管理

系統具備預定義故障場景功能，預定義故障場景時，可提前編制演練腳本，包括：①故障類型、發生時間、地點;②故障動態發展情況、故障修復時間等。演練腳本可隨時調閱和打印，便于演練配合人員根據場景查看演練進度。故障設置后，可以滿足無法修復、完全修復、降級運行等仿真要求，可暫停正在模擬的運營場景，并具備一鍵復位功能。系統的演練場景覆蓋城市軌道交通系統常見故障類型，對于不同演練場景類型，可設置不同的故障級別、場景模式和對應的訓練技能要求。部分常見場景與訓練技能要求如下。

（1）弓網故障。場景模式為“運營中斷、軌道區段故障或占用、列車動力故障”。訓練弓網故障情況下的調度應急處置流程，包括行車調整方案的制定和執行、乘客區間疏散組織、公交接駁組織、中斷搶修組織等。主要訓練調度員的搶修組織和行車調整能力。

（2）大面積紫光帶故障。場景模式為“軌道區段計軸受擾”。訓練大面積紫光帶故障情況下的調度應急處置流程，包括行車調整方案的制定和執行、列車降級越紅燈運行的組織。主要訓練調度員的行車調整能力。

（3）列車擠岔。場景模式為“運營中斷，軌道區段故障或占用”。訓練列車擠岔情況下的調度應急處置流程，包括行車調整方案的制定和執行、乘客區間疏散組織、公交接駁組織、中斷搶修組織等。主要訓練調度員的搶修組織和行車調整能力。

（4）列車沖突、設備侵限、斷軌等線路中斷。場景模式為“運營中斷、軌道區段故障或占用”。訓練列車沖突、設備侵限、斷軌等情況的調度應急處置流程，包括行車調整方案的制定和執行、乘客區間疏散組織、公交接駁組織、中斷搶修組織等。主要訓練調度員的搶修組織和行車調整能力。

（5）軌旁故障。場景模式為“故障區域列車動力故障、故障區域列車降級模式運行”。訓練軌旁信號故障情況下的調度應急處置流程，包括行車調整方案的制定和執行、公交接駁組織、邊運營邊搶修組織等。主要訓練調度員的搶修組織和行車調整能力。

（6）區間列車火災。場景模式為“運營中斷、軌道區段故障或占用、列車動力故障”。訓練區間列車火災情況下的調度應急處置流程，包括行車調整方案的制定和執行、乘客區間疏散組織、公交接駁組織、中斷搶修組織等。主要訓練調度員的搶修組織和行車調整能力。

（7）區間發生人車沖突。場景模式為“運營中斷、軌道區段故障或占用、列車動力故障”。訓練區間發生人車沖突情況下的調度應急處置流程，包括行車調整方案的制定和執行、乘客區間疏散組織、公交接駁組織、中斷搶修組織等。主要訓練調度員的搶修組織和行車調整能力。

（8）信號系統聯鎖故障。場景模式為“故障區域列車動力故障、故障區域列車降級模式運行”。訓練信號系統聯鎖故障情況下的調度應急處置流程，包括行車調整方案的制定和執行。主要訓練調度員的搶修組織和行車調整能力。

（9）道岔短閃。場景模式為“運營中斷、道岔故障”。訓練道岔短閃應急處置流程，包括行車調整方案的制定和執行、邊運營邊搶修組織等。主要訓練調度員邊運營邊搶修組織能力。

（10）車輛故障救援。場景模式為“運營中斷、列車動力故障、故障救援”。訓練車輛情況下的調度應急處置流程，包括行車調整方案的制定和執行、列車救援組織。主要訓練調度員列車救援組織能力。

（11）信號機故障。場景模式為“信號機故障、改變運營方案”。訓練信號機故障調度處置流程，檢驗調度員降級行車組織能力。

（12）屏蔽門故障。場景模式為“屏蔽門故障”。訓練屏蔽門故障調度處置流程，檢驗調度員降級行車組織能力。

2.2.3 ATS 操作模擬

系統能實現線路對應的ATS系統功能的模擬，對正常、非正常行車及故障等各種情況實現較為全面的仿真，故障導致的影響符合列車運行延誤傳播原理。教練機可以設置故障，并配合模擬車站、司機的操作。非信號類故障場景，可在教練機顯示紫光帶，作為故障點，提示配合人員。模擬終端只具備行車調度員日常使用的人機界面（HMI）主要功能，演練系統設置多名行車調度員崗位，配備信號模擬操作終端，各角色及相應信號功能需求如下。

（1）行車調度員崗位配置模擬終端，具備站（遙）控轉換、列車自動折返按鈕、排列進路、取消進路、轉換道岔、信號重開、開放或關閉信號機自排、單獨鎖定道岔、封鎖區段、封鎖道岔、設置區段限速、修改車次、跳停、扣車、設置停站時間、設置運行等級等ATS系統功能。

（2）司機、車站值班員崗位配置教練機，具備限速特開、開放引導、解鎖道岔、解封區段、解封道岔、區故解、總人解、軌道切除、列車多停、設置列車限速、提前發車、設置列車駕駛模式、設置列車運行模式、越紅功能，及模擬終端具備的所有功能。

2.2.4 列車運行模擬

列車運行模擬可自動模擬不同故障模式下的列車自動運行過程，該模式下的列車運行完全遵守計劃運行圖，僅具備延誤條件下的趕點等基本調整功能。系統還能支持對列車進行信號層級（CBCT級紅光帶、降級列車紫光帶）、運行方向（上、下行方向）、車次號（添加、刪除、編輯）、限速等狀態的修改。可模擬多停、早發、限速運行等現場對行車調度員指令執行的反饋結果。可對單列車進行設置，對小交路折返、單線雙向運行等調整方式進行模擬，也可在中間站完成完全小交路折返的模擬。

2.2.5 演練結果評估

對于演練結果的評估，包括定性與定量2種評估手段，傳統的演練評估多是通過專家打分的方式，具有一定的主觀性。系統具備對演練過程產生的行車指標客觀統計分析的功能，可在一定程度上實現演練結果的定量分析。同時可在選擇的演練方案中進行指標管理，預設參考指標。演練結束保存運行圖后，通過對比預設指標和實際指標，或對比列車實際運行圖與計劃運行圖，系統可自動統計出晚點、最大行車間隔、小交路折返、清客、加開、抽線、下線等實際發生的運營行車指標。同時引入操作熟練程度、應急反應能力、綜合協調能力和違章違紀等定性指標，設定相關的權重，最后的成績由定性和定量2類指標綜合給定（表1）。在定量指標中，首次引入“站列次”統計概念，即指標統計不以終點站為統計點，一列次在2個站實際發車時間比照計劃時間超過2 min，記為2 min以上2個“站列次”晚點。

3 行車調度演練系統的應用

3.1 蘇州市軌道交通基本情況

截至2020年1月1日，蘇州市軌道交通已開通運營1號、2號、3號、4號線，總運營里程210.1 km，總車站數135座，日均客流超過100萬人次。預計到2024年，運營里程將達到350 km，日均客流近400萬人次，行車密度和客流強度進一步增加，給行車組織和應急指揮帶來巨大的壓力和挑戰。目前蘇州市軌道交通在崗行車調度員普遍調齡較短，業務技能與當前網絡化發展需求仍存在一定差距，另外隨著線網擴張，將有大批量行調學員前來報到，后期必須通過經常性地開展應急演練來提高調度員的應急處置能力。

3.2 系統應用情況

蘇州市軌道交通行車調度演練系統由蘇州市軌道交通集團與同濟大學合作，以4號線卡斯柯信號系統界面為基礎，保留車站、軌道區段、道岔、信號機等主要元素顯示，可以實現對于軌道區段、道岔、信號機、列車、站臺等的操作，顯示界面及操作步驟與4號線人機交互界面基本一致，仿真度高，支持單機、多聯機2種運行方式，且能夠實現電腦、投影同步顯示。該系統可模擬列車按照列車運行圖自動運行，并能夠人工干預任何列車運行功能。當發生故障或突發事件時，還能較為逼真地模擬列車運行延誤傳播情況，系統運行界面如圖3所示。

3.2.1 系統功能

系統可以模擬信號機故障、道岔故障、軌道計軸故障、列車故障等多種故障類型，系統具備運行圖管理功能、場景設置功能，演練場景采用清單管理，根據不同故障類型及影響范圍大小，設置3個難易度等級，對應場景編制演練腳本。預設演練場景覆蓋19個運營應急預案、27個設備故障，場景覆蓋面近100%，針對每個預案、故障，根據不同故障點和影響面，設置了5～10個難易不同的應急場景。系統實現了對演練結果的評估，在保證客觀公正的同時，可以建立調度員個人數據庫，線性記錄和分析調度員個人業務能力變化狀況。

3.2.2 調度演練實訓平臺

配合行車調度演練系統的上線，蘇州市軌道交通搭建了一個調度演練實訓平臺（圖4），配置了教練機工作站、行車調度員工作臺，對相應崗位配置了通訊電話、無線對講機，該平臺應用于調度員的日常培訓、在崗實操演練、上崗證考試等多個方面。

自蘇州市軌道交通行車調度演練系統上線以來，共開展了114次演練仿真培訓，共計230人次，模擬了27個場景，在信息收集與研判、同崗位及跨崗位之間溝通協作、行車調整措施、線路大局觀培養等方面取得了良好效果。經驗證，系統可以滿足行車調度員對常見故障及大型綜合性突發事件應急處置的演練需求，能有針對性地提升行車調度員的業務水平。

4 結束語

在城市軌道交通快速發展的背景下，行車調度演練系統的開發應用，將極大地提升調度員的培訓質量。未來將以西門子、泰雷茲等信號系統為基礎，進一步研究開發不同信號系統環境下的調度演練系統，同時在演練系統中考慮引入無人值守的自動駕駛模式（Unattended Train Operation，UTO），將更加廣泛地提升系統適用性，為整體有效提高調度員應急能力、提升城市軌道交通線網運營服務水平提供保障。

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收稿日期 2019-12-03

責任編輯 胡姬