多系統數據融合的智能調度集中系統方案研究

宋鵬飛,趙宏濤,王 濤,周曉昭

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所,北京 100081； 2.國家鐵路智能運輸系統工程技術研究中心,北京 100081)

隨著2019年底京張高鐵的正式開通運營，智能調度集中系統首次在國內鐵路上線應用，列車調度集中的方式進入智能1.0階段。智能調度集中系統(Intelligent Centralized Traffic Control system，以下簡稱“智能CTC”)，是由中國國家鐵路集團有限公司(簡稱“國鐵集團”)工電部按照“智能京張”的規劃[1-4]，組織各鐵路局與CTC系統廠家深入研討后，確立了技術標準，并于2019年頒布了適合京張高鐵的智能CTC技術條件。其中智能CTC先于2019年上半年在京雄城際(大興機場段)試運用，之后2019年下半年在京張高鐵中正式開通使用。按照國鐵集團的部署和規劃，智能CTC屬于1.0起步階段，需要在推廣使用中持續地迭代優化升級。為此，基于當前CTC系統的技術特點，分析智能CTC的定義特征及功能規格，對智能CTC1.0的框架結構設計、數據邏輯處理等進行研究，同時結合在京張高鐵運用時面臨的問題，提出智能CTC下一步的推進方向。

1 國內鐵路調度集中現狀

目前調度集中系統(簡稱“CTC系統”)廣泛應用于高鐵線路，是高鐵線路列車調度指揮的必備信號系統。CTC系統以底層聯鎖、列控等信號系統為基礎，依據調度員編制的列車運行計劃，實現列車自動排路、沖突監測、安全卡控等功能。隨著更多客專、高鐵線路的建設開通，針對鐵路運輸指揮中安全保障、智能輔助、調度指揮效率、應急處置等方面，調度指揮人員提出了更多需求。為提升鐵路調度指揮的智能化水平，國鐵集團以京張高鐵為契機，提出了智能調度集中的總體要求，確定智能調度集中1.0的目標。

2 智能CTC1.0功能定義及特征

2.1 功能定義

智能調度集中，是在現有調度集中系統的基礎上，引入人工智能技術及算法，實現列車運營計劃的智能調整，對列車調度人員提供更高級的安全檢查、更高效的輔助辦理的技術手段[5]。智能CTC的目標是實現列車調度指揮的智能輔助化、智能協同控制、應急處置的輔助決策化等功能，從而整體上提高列車調度指揮效率及運營效率。按照當前鐵路的技術現狀，現智能CTC屬于1.0階段，重點實現列車調整計劃的輔助智能調整、列車安全卡控、CTC與多系統聯動融合等功能[6-7]。

2.2 系統特征

基于既有CTC系統的技術路線，結合調度指揮人員對既有CTC升級為智能CTC的需求，智能CTC主要特征有以下幾個方面。

(1)列車調度調整的智能化

當前調度指揮人員的一部分工作壓力，是在列車運行調整方面。在某趟列車因列車作業超時、線路條件異常等出現晚點后，需對整個調度臺的列車運行計劃重新調整，此工作是調度員的重點工作之一。在高鐵線路列車計劃調整時，列車的調度沖突較少，更多是如何保障列車整點兌現率問題。為此，調度指揮人員希望依靠既有CTC系統平臺，增加智能調整功能，實現列車調度智能調整、協調決策等目標，降低列車晚點率，減輕調度人員工作壓力。

(2)多系統數據融合

CTC需要與更多的系統進行數據交互及融合，拓寬系統的數據來源，增強調度集中控制的安全檢查。其中，京張高鐵CTC系統與列控系統C3+ATO系統之間是新增的一個重要接口[8-9]，雙方之間的信息安全交互、數據融合處理需高度關注。此外，CTC與其他系統之間的數據融合及處理，比如災害監測系統、供電管理PDMS等，對列車安全運行引入了新的信息來源和安全檢查手段。

(3)列車安全卡控的多樣化

當前CTC系統能夠對列車安全運行進行一系列的重點卡控，防止錯誤的進路排列，比如可以實現車站股道封鎖、區間封鎖、站臺檢查、超限列車交匯等各種情況下的列車運行安全卡控。智能CTC需要更多層次、更多方面的列車安全卡控，包括與供電系統聯動實現線路上接觸網停供電的流程控制及供電臂狀態共享；與防災系統聯動實現對線路上風、雨、雪、地震、異物侵限等自然環境或異常情況的自動報警與防范；與客運客票系統實現對旅客乘降、客票組織等方面的聯動；與TDMS(運輸調度管理系統)聯動實現列車作業包括上水、吸污、換乘、車底整備、交令、列檢、交票、列尾司機加餐等作業時接發列車的安全卡控。只有加強行車作業的安全檢查和流程控制，才能提高列車的保障運行等級。

3 智能CTC1.0系統方案框架

按照系統功能定義及特征，智能CTC需分2個方面進行提升。

(1)對外融合其他系統的數據，與其他系統進行信息共享，數據協同處理。

(2)對內數據挖掘及智能算法引入，對行車指揮的數據進行統一整體綜合運算。

3.1 外部接口的聯動融合

“智能”是基于數據的智能，CTC須與其他系統聯動，統籌協同處理，才能做到初步的智能；同樣，只有與其他系統結合，融合其他系統的數據，才能做到更多的列車運行安全卡控。既有CTC系統已經與聯鎖、列控、TSRS(臨時限速服務器)、RBC(無線閉塞中心)、TDMS、GSM-R(數字移動通信系統)等系統進行了數據交互，為了提高集中控制的精細化，需要CTC系統與更多的外部系統進行接口，融合共享數據，實現更高一級的安全卡控、智能調整。目前國鐵集團也在積極推動，打破各專業信息壁壘，實現信息共享。京張智能CTC新引入的接口如圖1所示。

圖1 智能CTC系統擴充接口示意

新引入的接口系統包括4個方面。

(1)C3+ATO接口：CTC與C3+ATO按照RSSP-II安全協議進行接口，CTC將列車調度員的實時調整計劃發送至車載設備，計劃上車后，車載ATO能夠實現精準地自動按計劃行車、自動站臺停車等功能[10]。

(2)災害監測系統接口：CTC與災害監測系統通信，能夠從災害監測中獲得線路的風雨雪異常、異物侵限等故障告警，從而有效地指導調度員調整列車運行計劃。

(3)供電及電調PDMS/PSCADA系統：與供電系統接口，打通列車調度與電力調度之間的壁壘，實現線路供電臂的停供電等流程管理及電力安全防護[11-12]。

(4)DMS系統：列控系統動態監測系統接口，實現CTC對列車底層車載狀態的獲取，方便調度員掌握列車配屬、列車運行C2/C3等級等詳細信息。

預留接口系統包括2個方面。

(1)客票系統接口：CTC獲得高鐵列車旅客上座情況，從而為特殊晚點情況下的列車智能調整提供依據，提供“減少對旅客影響”的調整策略，同時為在極端情況下運行圖“抽線”及列車停運提供指導意義[13]。

(2)現車及AEI系統接口：CTC與現車系統交互，獲取現車系統中調車作業、AEI車號信息等，實現對動車組列車位置的追蹤識別及處理。

3.2 設計原則

(1)數據安全使用原則

列車安全運行是智能CTC最基礎的要求。CTC融合了其他系統的數據后，對影響列車安全運行的接口系統獲取的數據，比如供電臂停供電、災害監測等，需要優先進行卡控處理，并按照故障導向安全的準則進行處理。對非安全系統的接口數據，必須進行智能化篩選過濾、信息權重再分配。

(2)效率原則

鐵路行車的調度指揮，受多個約束限制及多因素影響，列車智能調整是追求綜合最優的NP群決策調優運算。針對調度人員需要高實時性的調整結果，智能CTC的調整需以快速引導為主，部分場景下的調整無需最優解，次優解也是可以接受的。設計時，以降低調度工作的差錯率，減輕調度人員的勞動強度為主要目標；調整時，對調度員的決策進行輔助，對設備故障、其他系統故障時匯總可能影響行車的分析，充分利用外部數據保障設備安全，必要時需人工介入。

(3)接口原則

在與其他系統進行融合時，智能CTC按照“統一CTC信息平臺”架構進行統一規劃實施，從系統底層預留架構層面及功能層面提供平臺功能模塊與擴展機制，為后續更多的接口做預留、擴展及功能適配。在與其他系統進行數據聯動時，智能CTC按照數據優先級進行分層處理，把數據挖掘、信息發布、信息管理等功能綜合起來，實現數據整合及綜合管理。

3.3 智能CTC方案設計3.3.1 智能調整設計

當前鐵路局對列車管理是以調度指揮區段劃分管轄范圍，為此，智能CTC設計時以單個調度臺為最小調整單位。在調度區段范圍內，對涉及本調度臺內部車站比較常規的調整規劃(如股道封鎖、區間封鎖、區間降速)，結合調度區段的特點，給出一些次優的路徑，加入到檢索結果中，供給用戶選擇，可不必深度調整規劃。通過使用過程中的積累，逐漸建立專家數據庫、歷史學習庫，這樣符合用戶需求的路徑規劃結果更新入庫后，后續同樣的場景調整則可直接使用已經存儲好的專家經驗規劃結果進行路徑優化調整。另外，在調整時必須設定權重，引入權重法，目標優化時進行數據約束。在應用中，一般的爬山算法、模擬退火算法選出局部最優解或次優解，基本能滿足調度區段的使用[14-15]。

從一條線路(一般會劃分為多個調度臺)至整個鐵路網來說，智能CTC的調整規劃較為復雜，每個調度臺對接入交出站列車的智能調整，其影響將穿透本調度臺，直接影響到下一個調度臺，乃至傳播到更遠的線路范圍。這種調整造成的擾動，需要高一級別的調整服務器進行統一設計，為此需設立路局總調整服務器進行統籌調整。在這種情況下，單純的數學算法不能很好地解決此類問題，實際中發現，進化算法可以取得較好的效果，作為一種模擬生物進化過程的算法，典型的進化算法有遺傳算法(GA)，粒子群算法(PSO)，蟻群算法(ACO)等[16-20]。

總體設計結構如圖2所示。

圖2 智能調度集中系統智能調整架構

3.3.2 數據融合及安全卡控設計

智能CTC系統對安全卡控在設計時主要有2個方面：(1)作業流程上的卡控；(2)突發情況下的卡控。在與其他系統聯動融合處理時，可按照這2個方面進行分類處理，見表1。

表1 接口系統數據融合處理方式

上述的數據分類是以大類進行總體劃分，在實際中首先應對融合的數據進行篩選、清洗、過濾，防止調度人員被太多的數據所淹沒；之后對數據進行細顆粒度的甄別，再引入到智能CTC的安全卡控模塊進行分類處理。

4 運行分析

由北京鐵路局運營管理的京張高鐵線路由2個調度臺組成：京昌臺(北京北至昌平，共計4站1線路所)；京包臺(八達嶺長城至懷安段以及崇禮支線段，共計10站)。按照上述智能CTC的結構方案，2個調度區段均部署了鐵科院智能調度集中CTC1.0系統，與其他系統接口實現數據融合，于2019年12月正式開通運行。運營中發現，在多系統聯動方面，智能CTC與C3+ATO接口效果較為突出，智能CTC將列車運行計劃發送至C3+ATO，實現了列車按計劃作業及股道精準停車；與災害監測系統接口時，CTC能夠準確地獲得線路的風雨雪災害信息，并對當前調度區段的運行圖智能調整；與供電系統接口，打通了列調與電調的壁壘，優化了線路的停供電邏輯。

目前仍有部分功能需要繼續優化調整，包括以下方面。

(1)在特殊場景時，調度員希望能夠粗略地復視晚點列車的ATO目標運行曲線，以便根據線路情況決定列車盡可能地向前追趕。

(2)跨調度臺之間的智能調整有較大的優化空間。當前鐵路局范圍的運輸考核規則，一般是以單個調度臺的列車正點率(運行圖兌現率)為目標。跨臺調整時如何打破臺間統計早晚點的壁壘，需要進一步將算法優化升級。

(3)列調與電調之間的停送電邏輯及步驟需簡潔化。由于兩個系統之間的用戶認證方式不同，雙方交互時步驟較為繁瑣，需針對既有工作流程設計新的作業流程。

(4)完善智能調整的結果展示及精細化預測。目前CTC設置了一個專門的智能調整終端進行調整結果展示，下一步需考慮提供類似地圖路徑導航式，將多種調整的結果分屏展示，供用戶選擇。另外，針對運行圖局部精細化的調優也是需要優化的方向。

(5)進一步推進與其他系統的數據接口融合。CTC與客票、現車等系統間的數據融合，仍需要國鐵集團層面強有力地推動。

5 結語

本文按照智能CTC技術路線及需求，明確了智能調度集中系統的定義及特征，設計并驗證了智能CTC與其他系統數據融合的總體邏輯框架，確定了智能CTC多個調度區段下的智能調整結構及算法選擇，并對多系統的數據如何融合處理進行科學分類，有針對地引入CTC列車安全卡控模塊中，提高了調度指揮的安全檢查水平。目前智能CTC仍處于螺旋式的開發迭代過程，新的接口數據仍在擴充推進中，根據京張高鐵運行發現的問題，如何優化融合數據的處理邏輯及規則，優化多區段的智能調整策略，是下一步智能CTC的發展方向。