高鐵晚點(diǎn)列車智能調(diào)度系統(tǒng)的研究與開發(fā)

陳 珺，苗 茁

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081；2. 中國國家鐵路集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸調(diào)度指揮中心，北京 100844）

列車正點(diǎn)運(yùn)行是旅客關(guān)注的焦點(diǎn)，提高旅客列車正點(diǎn)率一直是運(yùn)輸調(diào)度工作的重點(diǎn)。隨著鐵路客運(yùn)需求和運(yùn)能的不斷增長，鐵路旅客列車日開行列數(shù)日益增加，高峰期每日已近萬余列，調(diào)度員面臨著越來越大的工作壓力和挑戰(zhàn)。

目前，中國國家鐵路集團(tuán)有限公司（簡稱：國鐵集團(tuán)）和鐵路局集團(tuán)公司調(diào)度員對在途列車運(yùn)行晚點(diǎn)情況的掌握主要通過查詢列車運(yùn)行圖，缺少可快速、全面獲取全路或管內(nèi)所有晚點(diǎn)列車信息的工具。在全路推廣應(yīng)用的旅客列車正晚點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析及考核系統(tǒng)[1]已取得良好效果，但只能提供滯后的晚點(diǎn)列車統(tǒng)計(jì)及晚點(diǎn)原因分析，不能實(shí)時(shí)地提供全路運(yùn)行列車晚點(diǎn)信息。中國鐵路太原局集團(tuán)有限公司研發(fā)的旅客列車正晚點(diǎn)實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)[2]可實(shí)時(shí)地提供本局集團(tuán)公司管內(nèi)列車晚點(diǎn)信息，但不具備晚點(diǎn)列車調(diào)整功能，對調(diào)度工作的輔助支持不夠充分。為此，研究開發(fā)高鐵晚點(diǎn)列車智能調(diào)度系統(tǒng)（簡稱：系統(tǒng)），以圖形化方式直觀顯示晚點(diǎn)列車實(shí)時(shí)分布狀況[3]，方便調(diào)度員對運(yùn)行列車晚點(diǎn)情況隨時(shí)跟進(jìn)，同時(shí)提供重點(diǎn)監(jiān)控晚點(diǎn)列車運(yùn)營信息查詢、晚點(diǎn)時(shí)間自動(dòng)估算、晚點(diǎn)列車智能調(diào)整等功能。目前，系統(tǒng)1.0 版本已在全路正式應(yīng)用，效果良好，可大幅提升調(diào)度員工作效率。

1 系統(tǒng)主要功能

1.1 列車晚點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控

提供雷達(dá)圖和GIS 地圖2 種圖形化的列車運(yùn)行晚點(diǎn)監(jiān)控界面，讓調(diào)度員能夠?qū)υ谕就睃c(diǎn)列車的總體分布狀況做到一目了然。

在雷達(dá)圖形式的全路高鐵晚點(diǎn)列車實(shí)時(shí)監(jiān)控界面上，平面極坐標(biāo)系被分為18 等份，每20 度極角范圍代表一個(gè)鐵路局集團(tuán)公司，極徑范圍與列車晚點(diǎn)程度關(guān)聯(lián)，距離中心越近表示晚點(diǎn)程度越高，需調(diào)度員重點(diǎn)關(guān)注。如圖1 所示，圖上每個(gè)圓點(diǎn)代表一列晚點(diǎn)列車，根據(jù)列車運(yùn)行當(dāng)前局集團(tuán)公司和列車晚點(diǎn)時(shí)長，可確定圓點(diǎn)在雷達(dá)圖上的顯示位置。

圖1 全路高鐵晚點(diǎn)列車實(shí)時(shí)監(jiān)控界面（雷達(dá)圖）

在GIS 地圖形式的全路高鐵晚點(diǎn)列車實(shí)時(shí)監(jiān)控界面上，根據(jù)晚點(diǎn)運(yùn)行列車的經(jīng)緯度確定列車的顯示位置，以不同顏色區(qū)分其晚點(diǎn)程度，如晚點(diǎn)1 h 以上的列車用紅色表示，晚點(diǎn)30 min 以上、1 h 以內(nèi)的列車用黃色表示，晚點(diǎn)30 min 以下的列車用綠色表示。

1.2 重點(diǎn)監(jiān)控列車晚點(diǎn)預(yù)警

對于晚點(diǎn)超過20 min 的晚點(diǎn)列車將作為重點(diǎn)監(jiān)控列車，要求調(diào)度員予以重點(diǎn)關(guān)注，優(yōu)先制定調(diào)整方案。針對這類重點(diǎn)監(jiān)控列車的晚點(diǎn)預(yù)警，系統(tǒng)通過調(diào)用數(shù)據(jù)服務(wù)接口，自動(dòng)獲取和整合調(diào)度員需要關(guān)注的重點(diǎn)監(jiān)控列車相關(guān)運(yùn)營信息，在數(shù)據(jù)表格形式的重點(diǎn)監(jiān)控列車晚點(diǎn)預(yù)警清單中集中顯示，包括車次、類型（直通/管內(nèi)）、始發(fā)站、終到站、始發(fā)時(shí)刻、終到時(shí)刻、晚點(diǎn)時(shí)間、當(dāng)前局集團(tuán)公司、途經(jīng)局集團(tuán)公司、擔(dān)當(dāng)局集團(tuán)公司、后續(xù)車次、折返時(shí)間、編組、車型、定員、車上人數(shù)等。借助重點(diǎn)監(jiān)控列車晚點(diǎn)預(yù)警清單，調(diào)度員無需再費(fèi)時(shí)費(fèi)力從不同系統(tǒng)收集晚點(diǎn)列車的相關(guān)信息，作業(yè)效率可大幅提升。

1.3 列車晚點(diǎn)原因分析

列車晚點(diǎn)原因可分為自然災(zāi)害、鐵路交通事故、設(shè)備故障和其他原因4 個(gè)大類，每個(gè)大類的晚點(diǎn)原因還可進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)分[4]。列車發(fā)生晚點(diǎn)后，調(diào)度員首先需要核實(shí)列車晚點(diǎn)原因，通過系統(tǒng)記錄晚點(diǎn)原因，便于列車晚點(diǎn)信息的傳遞溝通與統(tǒng)計(jì)分析。對各種列車晚點(diǎn)原因進(jìn)行統(tǒng)一分類，并在系統(tǒng)維護(hù)功能模塊中完成設(shè)置，調(diào)度員錄入晚點(diǎn)列車原因時(shí)，僅需選擇相應(yīng)選項(xiàng)即可；另外，統(tǒng)一設(shè)置列車晚點(diǎn)原因類別，也有利于系統(tǒng)快速自動(dòng)生成統(tǒng)計(jì)結(jié)果。調(diào)度員可通過分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)常性導(dǎo)致晚點(diǎn)的慣性晚點(diǎn)原因類別，對慣性晚點(diǎn)原因進(jìn)行重點(diǎn)處置，制定針對性的晚點(diǎn)應(yīng)急預(yù)案。今后還可借助數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，進(jìn)一步研究不同類別晚點(diǎn)原因造成晚點(diǎn)時(shí)長的趨勢，實(shí)現(xiàn)對列車未來晚點(diǎn)時(shí)長的預(yù)測。

1.4 調(diào)整方案協(xié)同制定

國鐵集團(tuán)、列車擔(dān)當(dāng)局集團(tuán)公司和列車終到局集團(tuán)公司的調(diào)度員可在系統(tǒng)支持下，協(xié)同完成晚點(diǎn)列車調(diào)整方案的制定。系統(tǒng)根據(jù)晚點(diǎn)調(diào)整規(guī)則模型，自動(dòng)選用調(diào)整策略，并同步推送給國鐵集團(tuán)及相關(guān)鐵路局集團(tuán)公司調(diào)度員；鐵路局集團(tuán)公司調(diào)度員可直接采納系統(tǒng)推薦的調(diào)整策略，或自行手動(dòng)調(diào)整；國鐵集團(tuán)調(diào)度員匯集相關(guān)鐵路局集團(tuán)公司調(diào)度員的調(diào)整策略，形成最終裁定的調(diào)整策略；系統(tǒng)根據(jù)最終裁定的調(diào)整策略，自動(dòng)生成調(diào)度命令，下發(fā)給相關(guān)鐵路局集團(tuán)公司的有關(guān)部門；鐵路局集團(tuán)公司列車調(diào)度員依據(jù)調(diào)度命令，完成對列車運(yùn)行計(jì)劃的調(diào)整。

2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)采用“平臺(tái)+應(yīng)用”分層架構(gòu)[5]，基于LayUI、Spring Boot、Spring Cloud 等 技 術(shù) 框 架，采 用Java、Html5 和JavaScript 語言編碼實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)合Oracle 和Hadoop 數(shù)據(jù)庫，采用Spark 框架完成數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖2 所示。

2.1 前端UI 層

系統(tǒng)采用B/S 應(yīng)用模式，網(wǎng)頁版操作界面基于LayUI 框架實(shí)現(xiàn)，提供雷達(dá)圖和GIS 地圖2 種方式的晚點(diǎn)列車實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控和預(yù)警界面；其中，雷達(dá)圖方式的監(jiān)控界面使用Html5 Canvas 技術(shù)繪制，GIS 地圖方式的監(jiān)控界面基于SuperMap 組件繪制。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)示意

2.2 服務(wù)層

包括基礎(chǔ)服務(wù)、業(yè)務(wù)服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)3 個(gè)模塊，利用SpringCloud 微服務(wù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)服務(wù)治理；基礎(chǔ)服務(wù)模塊包括身份認(rèn)證、權(quán)限管理、日志管理、GIS 服務(wù)、微服務(wù)配置等功能；業(yè)務(wù)服務(wù)模塊包括列車運(yùn)行晚點(diǎn)監(jiān)控、列車晚點(diǎn)時(shí)間推算、重點(diǎn)監(jiān)控列車晚點(diǎn)預(yù)警、列車運(yùn)營信息查詢、調(diào)整策略智能推薦、調(diào)整方案協(xié)同制定、列車晚點(diǎn)原因分析等功能；數(shù)據(jù)服務(wù)模塊負(fù)責(zé)從外部系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)處理后提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

2.3 數(shù)據(jù)層

主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，采用Oracle 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和Hadoop 分布式文件系統(tǒng)2 種類型數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，利用不同類型數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢提升數(shù)據(jù)訪問效率；其中，Oracle 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫是基于行的存儲(chǔ)方式，適用于需要獲取或更新單行值的事務(wù)處理，用于實(shí)時(shí)交互的系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Oracle 數(shù)據(jù)庫中；基于分布式架構(gòu)的Hadoop 文件系統(tǒng)是基于列處理的存儲(chǔ)方式，適用于存儲(chǔ)和計(jì)算海量數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)及從外部采集的數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)在Hadoop 分布式文件系統(tǒng)中，以利用不同數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式的優(yōu)勢來提升數(shù)據(jù)訪問效率。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 晚點(diǎn)時(shí)間估算

列車運(yùn)行圖上顯示的列車晚點(diǎn)時(shí)間是當(dāng)前運(yùn)行列車在通過最近一個(gè)車站時(shí)的晚點(diǎn)時(shí)間[6]。當(dāng)列車因故障或某種特殊情況在車站或者運(yùn)行區(qū)間長時(shí)間停留時(shí)，列車運(yùn)行圖上顯示的晚點(diǎn)時(shí)間就會(huì)不準(zhǔn)確。為此，研究列車晚點(diǎn)時(shí)間估算算法，按照列車區(qū)間停留和在站停留2 種場景分別進(jìn)行估算。

（1）列車區(qū)間停留晚點(diǎn)時(shí)間估算

假設(shè)高鐵列車GX在A 站至B 站區(qū)間由于故障停車，計(jì)劃到達(dá)B 站時(shí)間為TB，從故障停車點(diǎn)到B 站的區(qū)間運(yùn)行時(shí)分為TB?T。若當(dāng)前時(shí)間TC下列車故障仍未修復(fù)，則列車當(dāng)前預(yù)計(jì)的晚點(diǎn)時(shí)間Ws可由式（1）計(jì)算得到：

式（1）成立的假設(shè)條件是列車在停車點(diǎn)至B 站之間不再發(fā)生運(yùn)行晚點(diǎn)，且區(qū)間運(yùn)行時(shí)分已知。

若區(qū)間運(yùn)行時(shí)分暫不可知，則由式（2）估算大致的晚點(diǎn)時(shí)間為：

（2）列車在站停留晚點(diǎn)時(shí)間推算

假設(shè)高鐵列車GX在C 站由于故障停車，計(jì)劃從C 站出發(fā)的時(shí)間為TFC；若當(dāng)前時(shí)間TC下列車故障仍未修復(fù)，則列車當(dāng)前預(yù)計(jì)的晚點(diǎn)時(shí)間WS可由式（3）計(jì)算得到：

通過上述列車晚點(diǎn)時(shí)間推算算法，計(jì)算出的晚點(diǎn)時(shí)間可更加準(zhǔn)確地反映晚點(diǎn)列車在站或區(qū)間停留晚點(diǎn)的真實(shí)情況，為后續(xù)的調(diào)度調(diào)整提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。

3.2 晚點(diǎn)列車調(diào)整

目前，當(dāng)調(diào)度員需要對晚點(diǎn)列車進(jìn)行調(diào)整時(shí)，主要以電話溝通的方式，協(xié)商確定晚點(diǎn)列車的調(diào)整方案，工作效率較低。為此，將調(diào)度員處置晚點(diǎn)列車的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為若干晚點(diǎn)列車調(diào)整規(guī)則，以晚點(diǎn)列車的終到晚點(diǎn)時(shí)間、后續(xù)折返列車、終到局集團(tuán)公司、擔(dān)當(dāng)局集團(tuán)公司等相關(guān)信息作為輸入條件，系統(tǒng)自動(dòng)判斷和選用合適的調(diào)整規(guī)則，形成推薦的晚點(diǎn)列車調(diào)整策略提供給調(diào)度員，調(diào)度員可直接確認(rèn)采納，也可手工修改。

目前，系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)以下4 種晚點(diǎn)列車調(diào)整策略的自動(dòng)推薦[7-8]。

3.2.1 不予調(diào)整策略（晚到晚開）

（1）終到晚點(diǎn)時(shí)間WZD小于等于1 h；

（2）終到晚點(diǎn)時(shí)間WZD大于1 h，且當(dāng)日沒有后續(xù)折返列車TRz f；

（3）終到晚點(diǎn)WZD大于1 h，且列車終到局BZD不是列車擔(dān)當(dāng)局BDD；

對以上任意一種晚點(diǎn)列車均不進(jìn)行調(diào)整，實(shí)行晚到晚開。

3.2.2 優(yōu)先放行策略

（1）直通動(dòng)車組相較于管內(nèi)動(dòng)車組優(yōu)先放行，將直通動(dòng)車組加權(quán)值Type設(shè)為2，管內(nèi)動(dòng)車組加權(quán)值Type設(shè)為1；

（2）動(dòng)車組終到晚點(diǎn)時(shí)間WZD大于3 h，且后續(xù)交路車次預(yù)計(jì)終到時(shí)間NTTimeZD在次日凌晨1：00（Time1）以后；

（3）預(yù)計(jì)終到時(shí)刻TTimeZD晚于次日凌晨2：00（Time2），嚴(yán)重影響天窗；

對（2）、（3）兩種情況，根據(jù)輸入?yún)?shù)，由式（4）計(jì)算V值：

若V值為true，則推薦實(shí)行優(yōu)先放行，并根據(jù)不同列車類型加權(quán)值大小，確定列車優(yōu)先放行順序。

3.2.3 交路調(diào)整策略

當(dāng)前運(yùn)行晚點(diǎn)時(shí)間WYX大于1 h，且列車擔(dān)當(dāng)局集團(tuán)公司BDD與終到局集團(tuán)公司BZD一致，可考慮啟用熱備動(dòng)車組，生成交路調(diào)整建議；即由式（5）根據(jù)輸入?yún)?shù)計(jì)算VCL值：

若VCL值為true，則推薦采用交路調(diào)整策略。

3.2.4 后續(xù)停運(yùn)策略

晚點(diǎn)動(dòng)車組后續(xù)交路車次預(yù)計(jì)始發(fā)晚點(diǎn)WNTS F大于3 h，或當(dāng)前運(yùn)行動(dòng)車組途中折返時(shí)，推薦采用后續(xù)交路停運(yùn)策略。

4 系統(tǒng)應(yīng)用與完善

高鐵晚點(diǎn)列車智能調(diào)度系統(tǒng)1.0 版本于2019 年10 月在國鐵集團(tuán)和全路各鐵路局集團(tuán)公司調(diào)度所投入試用。國鐵集團(tuán)調(diào)度指揮中心高鐵調(diào)度員和鐵路局集團(tuán)公司調(diào)度所高鐵相關(guān)崗位參加系統(tǒng)的試用。在系統(tǒng)試用期間，根據(jù)用戶反饋意見與建議，對系統(tǒng)進(jìn)行多次完善。目前，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，應(yīng)用效果良好，顯著提升了調(diào)度員處理高鐵晚點(diǎn)列車的工作效率，推進(jìn)智能運(yùn)輸調(diào)度技術(shù)在高鐵行車組織中的應(yīng)用。

5 結(jié)束語

高鐵晚點(diǎn)列車智能調(diào)度系統(tǒng)采用“平臺(tái)+應(yīng)用”的架構(gòu)設(shè)計(jì)，在建立數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，可快速實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能開發(fā)。采用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，為調(diào)度員實(shí)時(shí)監(jiān)控晚點(diǎn)列車動(dòng)態(tài)提供直觀、便捷的手段；基于列車晚點(diǎn)時(shí)間估算算法和晚點(diǎn)列車調(diào)整策略，可較為準(zhǔn)確地估算列車當(dāng)前晚點(diǎn)時(shí)間，以及根據(jù)晚點(diǎn)列車的不同情況，向調(diào)度員推薦合適的晚點(diǎn)列車調(diào)整策略，系統(tǒng)功能具有一定的智能化水平，有助于減輕調(diào)度員的工作強(qiáng)度。

系統(tǒng)1.0版本已實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行晚點(diǎn)監(jiān)控、重點(diǎn)監(jiān)控列車晚點(diǎn)預(yù)警、列車晚點(diǎn)原因分析、晚點(diǎn)列車調(diào)整方案協(xié)同制定4項(xiàng)主要功能，后續(xù)將開發(fā)列車晚點(diǎn)調(diào)整調(diào)度命令自動(dòng)生成下發(fā)、晚點(diǎn)列車統(tǒng)計(jì)分析、列車晚點(diǎn)預(yù)測等功能；同時(shí)，深入研究歷史晚點(diǎn)事件分析，從外部系統(tǒng)收集更多相關(guān)信息，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)等智能技術(shù)，對列車未來晚點(diǎn)時(shí)間進(jìn)行更精準(zhǔn)的估算。