天津地鐵智慧化運行圖系統功能及技術方案研究

趙疆昀

（天津軌道交通運營集團有限公司，天津 300392）

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發展，多個城市已形成放射與環狀結構相結合的地鐵運營網絡。從線網統籌協調的角度來看，各線路列車運行計劃應不僅滿足本線路的客流運輸需求及運營車公里要求，還應重點保障線網首末班車及大客流換乘站良好的列車換乘接續關系。由于各地鐵線路建設開通時間不同，不同供貨商提供的運行圖編輯工作站功能、邏輯差異較大，采用傳統模式人工編制運行圖、核對時刻表的弊端已逐漸凸顯。為滿足日常運營、新線開通及大客流等情況下不同線路間列車運行的協調運作需求，亟需研發各線協調統一、合理規劃運輸銜接、高效疏解全網客流的線網列車運行圖編制系統。以天津城市軌道交通智慧化運行圖編制系統研究開發為例，闡述網絡化列車運行圖編制系統的功能及技術方案。

1 建設背景

天津軌道交通近年積極引入社會資本參與軌道交通建設運營，預計截至2021年底開通運營線路8條、運營車站164 座、運營里程達265km，形成了多家運營主體共同參與的網絡化運營新格局。在列車運行計劃編制方面，早期開通的部分線路不具備專用編制軟件，需要人工鋪畫運行圖、制作時刻表，運行計劃的編制和導入周期較長。其他線路普遍通過信號系統的運行圖編輯工作站編制，但不同供貨商提供的產品在系統功能、邏輯方面差異較大，學習培訓周期長，不具有良好的延續性。在線間列車銜接方面，隨著運營線路的增加，換乘站列車銜接還存在精細度不足的問題。目前投入運營的換乘站共計19 座，其中腫瘤醫院站、天津賓館站、文化中心站為5 號線、6 號線的同臺換乘車站，換乘行走距離短，易出現客流沖突現象，另外天津站、西站屬于綜合交通樞紐，換乘銜接關系復雜。為保障運營安全及服務質量，有必要協調優化各線路列車在換乘站的銜接關系。

從智慧城軌發展的角度，線路運力配置應靈活匹配不同時段客流分布情況，避免運力浪費，因此有必要根據客流分布及預測情況實現運行圖編制的自動化、智慧化、智能化。從決策層為運行計劃編制者提供決策的依據和建議，實現各線協調、合理運輸、高效疏解全網客流的線網列車運行圖編制功能。

2 建設目標

網絡化運行圖編制系統應具備客流分析及預測功能，充分考慮線路設備配置，編制的列車運行計劃信息與線路客流特征相匹配，并設置便捷、靈活的查詢、輸出界面。主要功能目標描述如下。

2.1 線網運輸計劃評估

客流預測數據是指基于歷史客流及行車數據，對未來一個時段內的客流進行預測，包括應用客流預測工具得到的預測客流量和統計分析平臺的歷史同類型客流量數據。客流量數據主要包括分時分方向的斷面客流量、客流量總量、分方向換乘量，已知大客流的持續時間等。根據客流預測結果，結合歷史行車數據及當前行車條件，評估確定交路方案、站停方案分時段開行對數、首末車時間方案、運力配置計劃等運行圖要素。交路方案主要根據高峰分時線路斷面客流量的預測結果，確定線路的交路形式，包括單一列車交路、大小列車交路、共線列車交路等。在交路方案確定后，根據可運用車組數、線路通過能力和最小開行間隔的約束條件分別為每交路設置站停方案。結合換乘站的換乘客流量、線路運輸服務要求、線路可運用車組數、車輛定員數據，結合客流預測及歷史行車數據，確定全線網運力配置的分時段開行對數。

2.2 線網列車運行圖編制

建立地鐵線網列車運行圖編制的基礎數據，包括線網基礎參數、車站信息、列車運行標尺、列車開行方案、運行圖接口信息等，完成地鐵線網單條、多條及全網所有線路列車運行圖的自動編制與調整。其中，列車運行圖管理包括運行圖參數及版本管理，不同時刻表及計劃線類型的導出功能等。

2.3 列車運行銜接評估

提供線網列車運行圖銜接評估功能，通過評估產生評估分析結果,根據分析結果得到線網列車運行圖調整策略，對線網列車運行圖進行優化編制調整，調整結果又可以進行評估分析，形成“編制—評估—調整”閉環，實現優化的地鐵線網列車運行結果見圖1。

圖1 系統功能目標

3 技術方案

3.1 技術總體架構

網絡化運行圖編制系統體系架構主要由“三個體系”和“三個層次”構成。其中，三個體系指標準規范體系、業務管理體系和安全保障體系，即將管理形式和技術手段結合，提供各種標準規范保障、組織與管理保障、安全措施與安全技術保障等。三個層次指計算機網絡平臺層、數據資源層和應用層。在體系架構中，每個層次的結構和功能相對獨立，下一層為上一層提供支持和服務。計算機網絡平臺層主要是系統運行所需的軟硬件平臺。根據應用需要和資源需求，主要包括網絡通信平臺、服務器及存儲平臺、系統軟件/數據庫平臺。數據資源層的核心任務是進行城市軌道交通運行圖涉及的資源利用和開發。按照業務系統的實際需求，在標準規范體系的指導下，進行資源建設，主要包括資源獲取、資源分類、資源管理、資源整合等。應用層是城市軌道交通系統業務邏輯應用系統的集合。根據業務需要，整合構建各類應用系統，包括線數據管理子系統、線網運輸計劃評估子系統、線網列車運行圖編制子系統、線網列車運行圖評估子系統及線網列車運行計劃發布子系統及接口子系統等。系統建設過程中建立統一的應用集成平臺，提高各業務數據的共享度，簡化業務處理過程，使各種處理過程自動化以及優化現有的業務流程。

3.2 系統網絡架構設計

采用C/S 網絡架構，由運行圖服務器、運行圖客戶端組成。服務器包含整個城市所有地鐵線路的運行圖數據，將負責各線路或區域的地鐵線網列車運行圖編制人員作為客戶端，可查看全局范圍的所有數據，包括地鐵線網列車運行圖的所有要素：線路、車站、區間、運行標尺、顯示分段、車輛交路等。用戶根據各自負責的管轄范圍對權限進行了限定，僅對自己管轄范圍內的運行圖具備管理和編制權限。為適應局域網條件下和廣域網條件下城市軌道交通運行圖編制系統的網絡傳輸可靠性，采用TUXEDO 通信中間件完成網絡通信，各運行圖客戶端通過該服務器與運行圖服務器之間完成數據通信，如圖2所示。

圖2 系統網絡架構

3.3 組網操控方式

對于服務器端，需要進行組網設置，對于客戶端，僅需要簡單的設置即可完成組網，進行地鐵線網列車運行計劃的協同化編制。

3.3.1 服務器端

服務器端提供網絡服務配置助手工具，運行配置工具后所有參數均自動采集，無需人工設置，選擇“生成配置文件”即可生成服務器端的TUXEDO 配置文件。在首次運行TUXEDO 服務器時，需要選擇該按鈕生成配置文件，若已經生成則不用再生成配置文件。選擇“啟動服務”按鈕啟動TUXEDO 服務器，如果需要重啟服務，則先選擇“停止服務”然后再啟動服務。啟動運行圖服務器，載入整個地鐵線網運行圖數據庫，切換至服務器狀態。至此，服務器端準備就緒。

3.3.2 客戶端

地鐵線網運行圖管理人員登錄客戶端進行列車運行計劃的編制及管理工作。在客戶端設置好服務器IP 地址，切換至客戶端模式，可從服務器端同步地鐵線網運行圖數據，根據用戶角色分配操控權限[1]。

3.4 系統部署方案

系統提供單機運用、網絡協同運用兩種模式。單機運用模式指所有運行圖的管理、編制工作均在單一電腦設備上完成，通過系統提供的接口功能導出ATS系統接口數據文件。網絡協同運用模式配置了運行圖服務器、備份服務器、繪圖儀、若干客戶端。客戶端中有地鐵線網運行圖管理人員客戶端、線路運行圖管理人員客戶端、運行圖查詢用戶客戶端及其他用戶客戶端（比如生成指標、生成時刻表等），可根據需求進行靈活配置。網絡協同運用模式部署方案見圖3。

圖3 網絡協同運用模式部署方案

4 應用系統內容

4.1 線網運輸計劃評估

線網運輸計劃評估主要包含客流計劃管理和交路與站停等方案制定，即根據客流情況，制定線網運輸計劃，據此調整優化線網運行計劃，實現全網范圍各線協調、合理運輸，為快速、安全、高效疏解全網客流提供技術支持。

4.1.1 客流計劃管理

客流計劃是指計劃期間城市軌道交通線路客流的規劃，是編制其他計劃的基礎和依據。對新建線路根據客流預測資料編制客流計劃。對既有線路，根據歷史同類型客流量統計和調查資料編制。客流計劃的數據源分為新線客流預測資料和歷史客流及行車數據。歷史客流數據需從ACC 系統獲取，歷史行車數據需從各線路ATS 系統獲取，客流預測數據需從系統外部的客流預測工具獲取。客流計劃的主要內容包括沿線各站到發客流數量（車站上下客）、各站分方向發送人數（OD）、分時分方向斷面客流量、換乘站客流量、客流量總量、已知大客流的持續時間[2]。

4.1.2 交路與站停方案制定

根據高峰分時線路斷面客流量的預測結果，確定線路的交路形式，包括單一列車交路、大小列車交路等。在交路方案確定后，用戶根據可運用車組數、線路通過能力和最小開行間隔的約束條件分別為每交路設置站停方案。研發線網運力配置計劃編制模型，考慮換乘站的換乘客流量、線路運輸服務要求，加載客流預測數據、歷史參考數據以及線路可運用車組數、車輛定員數據，運用線網運力配置計劃編制模型，生成全線網（或局部線網）運力配置計劃的分時開行對數表。針對新線開通，需要制定新線接入的首末車時間方案；針對既有線，需要根據線路在線網中的銜接情況，換乘站的主要換乘方向（換乘量較大或者首末班車時段的銜接要求），優化調整全局的首末車時間方案。線網運力配置計劃的管理包括計劃的生成、存儲、查詢和更新維護。

4.2 線網列車運行圖編制

線網列車運行圖編制是基于對基礎數據的處理，實現列車運行圖的自動編制及調整，并對列車運行圖相關指標進行統計、計算，同時對列車運行圖進行管理。基礎數據管理功能主要是運行圖編制的參數管理，并可進行參數的修改，以此重新生成列車運行圖。基礎參數主要包括但不限于線網線路基礎參數、列車運行計劃參數、線網換乘時間標準、列車運行圖時間要素、車輛段使用情況、乘務人員配備參數、供電區段能力參數、車輛屬性參數等。模塊功能包括線網信息管理、車站屬性數據管理、車站圖形拓撲數據管理、區間數據管理、列車運行標尺信息管理、列車運行參數管理、車底信息管理、列車交路管理、列車開行方案管理、列車運行圖框架生成等。

4.3 列車銜接評估

地鐵線網各線采取分線運行的模式，乘客需在換乘站換乘實現跨線出行。列車銜接評估是評估線網各線路列車運行銜接情況的重要方法，并為乘客提供路徑查詢、檢索和路徑可達性服務的支持。對乘客在車站的集聚情況、區間運力運量匹配情況、換乘站各方向列車的銜接情況進行展示。主要功能包括首車銜接信息查詢、末車銜接信息查詢、常規時間銜接查詢、出行路徑信息查詢、換乘服務水平評估等。

圖4 應用系統各版塊內容

5 結語

通過建設網絡化運行圖編制系統，可實現線網運輸計劃評估、列車運行圖自動編制與調整、銜接評估功能，有效解決網絡化運營帶來的運力與客流匹配不足、換乘站列車銜接不暢等問題。在接口設置方面，系統應具備與清分系統的數據接口，確保數據實時性、可靠性。由于運行圖文件最終通過各線路信號ATS 工作站加載后執行，因此系統還應與各線路信號集成商ATS 設置接口。在招標階段充分考慮接口要求。為滿足各線路運營單位、各設備專業的使用需要，提高執行效率，系統還應具備多種運行圖數據輸出形式，包括車站時刻表、司機輪乘表、始發站發車時刻表等數據表及不同種類的文件格式。