城市軌道交通行車組織計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究*

鄒明輝

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司交通運(yùn)輸規(guī)劃研究院,300308，天津 ∥ 高級(jí)工程師)

在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革浪潮的推動(dòng)下，城市軌道交通行業(yè)信息化建設(shè)步入快速發(fā)展階段，其建設(shè)模式、服務(wù)手段和經(jīng)營(yíng)方式都發(fā)生了巨大變化。城市軌道交通行車組織設(shè)計(jì)工作涉及內(nèi)容繁雜、工作量大、業(yè)務(wù)邏輯復(fù)雜。由于當(dāng)前這方面的信息化手段還不夠完善，使得大部分工作仍依靠手工完成，效率低下且容易出現(xiàn)問題。因此，亟需研發(fā)相應(yīng)專業(yè)化設(shè)計(jì)軟件，將大量重復(fù)性工作利用集成化思想進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，提高工作效率、統(tǒng)一工作標(biāo)準(zhǔn)、提高設(shè)計(jì)工作的可靠性。部分學(xué)者已針對(duì)輔助系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，以及客流統(tǒng)計(jì)分析、車輛選型與編組、列車運(yùn)行交路、全日行車計(jì)劃、折返能力仿真計(jì)算等方面進(jìn)行了一定程度研究[2-6]。本文在理清城市軌道交通行車組織各項(xiàng)基本業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)的需求分析、總體架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)問題等方面進(jìn)行了論述，并采用C#語言在Visual Studio 2017環(huán)境下完成了行車組織的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng)的開發(fā)。

1 城市軌道交通行車組織CAD系統(tǒng)需求

一方面，隨著許多大城市的軌道交通逐漸成網(wǎng)，基于互聯(lián)互通要求的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)模式正逐漸成為未來發(fā)展的主要方向。由此，在行車組織設(shè)計(jì)工作中，針對(duì)每一項(xiàng)指標(biāo)的選取、技術(shù)方案的確定，除考慮項(xiàng)目自身的運(yùn)營(yíng)要求外，還要綜合考慮既有規(guī)劃線網(wǎng)及其設(shè)施的影響。另一方面，對(duì)于客流斷面、車輛選型編組、列車運(yùn)行交路設(shè)計(jì)、配線設(shè)計(jì)、全日行車計(jì)劃生成、折返能力計(jì)算等方面的設(shè)計(jì)工作依然還借助Excel、CAD等比較分散的辦公軟件來完成。這種缺乏專業(yè)性的集成系統(tǒng)使得工作效率低下，且非常容易出錯(cuò)。城市軌道交通行車組織CAD系統(tǒng)集成行車組織設(shè)計(jì)工作各環(huán)節(jié)于一體，體現(xiàn)行車組織全過程設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)使設(shè)計(jì)工程師從大量重復(fù)性、反復(fù)性工作中解脫出來，且?guī)椭O(shè)計(jì)人員方便、快捷、準(zhǔn)確地完成各項(xiàng)工作，從而規(guī)范設(shè)計(jì)流程，提高工作效率。

1) 城市軌道交通行車組織資料管理：城市軌道交通行車組織CAD系統(tǒng)通過對(duì)國(guó)內(nèi)外各城市軌道交通行車組織設(shè)計(jì)工作需要的資料進(jìn)行結(jié)構(gòu)化整理、儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)分城市、分線路、分系統(tǒng)制式等的數(shù)據(jù)查詢以及集約化顯示，方便用戶快速找到所需資料。

2) 客流數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)：設(shè)計(jì)人員既可以對(duì)客流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，以及圖形表現(xiàn)；又可以根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，利用先進(jìn)客流預(yù)測(cè)方法來對(duì)研究年度的客流數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3) 車輛選型與列車編組：對(duì)車輛數(shù)據(jù)進(jìn)行集中化管理。用戶根據(jù)項(xiàng)目的具體要求，綜合考慮客流數(shù)據(jù)和線網(wǎng)車輛類型等因素確定合適的車輛類型以及制定列車編組方案。

4) 列車運(yùn)行交路設(shè)計(jì)：根據(jù)項(xiàng)目客流的預(yù)測(cè)結(jié)果、車輛選型與編組等情況，綜合考慮線網(wǎng)服務(wù)水平，以形成交路方案，并實(shí)現(xiàn)交路里程的自動(dòng)化計(jì)算，最后以圖形形式輸出。

5) 全日行車計(jì)劃：基于各時(shí)段最大客流斷面，自動(dòng)計(jì)算列車開行對(duì)數(shù)，生成全日行車計(jì)劃。該計(jì)劃是編制列車運(yùn)行圖、計(jì)算運(yùn)輸工作量和確定車輛運(yùn)用的基礎(chǔ)資料。

6) 配線設(shè)計(jì)：以往利用CAD等辦公軟件進(jìn)行配線圖設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)行一點(diǎn)一線鋪畫，而且在設(shè)計(jì)工作中由于方案經(jīng)常反復(fù)變動(dòng)而必須對(duì)配線圖進(jìn)行大規(guī)模改動(dòng)，造成工作效率低下。因而迫切需要開發(fā)集成化設(shè)計(jì)軟件，提高繪圖效率與質(zhì)量。

7) 折返能力仿真計(jì)算：基于車輛選型、配線形式及各項(xiàng)線路參數(shù)，對(duì)折返能力進(jìn)行仿真計(jì)算，從而檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的合理性。

2 城市軌道交通行車組織CAD系統(tǒng)架構(gòu)

城市軌道交通行車組織CAD系統(tǒng)的開發(fā)是在大量數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)針對(duì)性的邏輯算法，以及友好的操作界面。該系統(tǒng)架構(gòu)的搭建需要考慮便于開發(fā)及易于擴(kuò)展。本文基于“高內(nèi)聚、低耦合”的思想，搭建了3層系統(tǒng)架構(gòu)模式，將系統(tǒng)劃分為界面層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。各層之間通過接口相互訪問。此外，為了滿足海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)安全，需專門配置硬件設(shè)備及工作網(wǎng)絡(luò)。

城市軌道交通行車組織CAD系統(tǒng)3層架構(gòu)及硬件設(shè)備關(guān)系，如圖1所示。

圖1 城市軌道交通行車組織CAD系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 城市軌道交通行車組織CAD系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流程

基于需求分析，城市軌道交通行車組織CAD系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化管理、客流分析預(yù)測(cè)、車輛選型與編組、列車運(yùn)行交路、全日行車計(jì)劃、配線設(shè)計(jì)、折返能力仿真計(jì)算等7大主要功能模塊。

3.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化管理模塊

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)技術(shù)資料數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行維護(hù)管理，是城市軌道交通行車組織CAD系統(tǒng)中對(duì)提高工作效率有顯著作用的1個(gè)模塊。為方便用戶查詢并集約顯示，基于業(yè)務(wù)邏輯，構(gòu)建資料統(tǒng)計(jì)指標(biāo)體系，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化儲(chǔ)存。用戶可按城市、線路、系統(tǒng)制式、車型、客流斷面規(guī)模等1個(gè)或多個(gè)指標(biāo)迅速獲得查詢數(shù)據(jù)，以提高工作效率。

3.2 客流分析預(yù)測(cè)模塊

客流分析預(yù)測(cè)模塊可以根據(jù)輸入數(shù)據(jù)繪制區(qū)間斷面客流圖、車站換乘客流圖、全日客流分時(shí)段比例圖、車站上下客流圖、乘坐站數(shù)客流圖及出行距離客流圖等；同時(shí)還集成了時(shí)間序列法、彈性系數(shù)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種預(yù)測(cè)方法，以預(yù)測(cè)研究年度的客流數(shù)據(jù)，為城市軌道交通建設(shè)項(xiàng)目的線網(wǎng)規(guī)劃、預(yù)可行性研究、可行性研究等各階段的設(shè)計(jì)工作提供支撐。此外，該模塊還會(huì)結(jié)合線路數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算研究年度周轉(zhuǎn)量。

3.3 車輛選型與編組模塊

車輛選型模塊根據(jù)車型數(shù)據(jù)資料中的年度客流預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、線路系統(tǒng)制式、速度目標(biāo)值以及相關(guān)線網(wǎng)車型選擇、檢修設(shè)備共享等因素來選擇恰當(dāng)車型。編組模塊根據(jù)各研究年度高峰小時(shí)最大客流斷面、站立標(biāo)準(zhǔn)等確定列車編組備選方案，然后根據(jù)運(yùn)能、投資等指標(biāo)對(duì)備選方案進(jìn)行分析比較，最終確定合理編組，并計(jì)算列車定員。

3.4 列車運(yùn)行交路模塊

列車運(yùn)行交路模塊需要針對(duì)客流預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷全線客流的均衡程度。當(dāng)全線客流較為均衡，宜采用單一交路形式，此形式運(yùn)營(yíng)簡(jiǎn)單、服務(wù)水平高；當(dāng)線路兩端客流出現(xiàn)明顯下降時(shí)，宜采用大小交路套跑形式，這種形式可以節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本，確定交路形式后可按要求格式輸出。

3.5 全日行車計(jì)劃模塊

全日行車計(jì)劃模塊需要根據(jù)列車定員以及各時(shí)段的最大客流斷面來計(jì)算開行對(duì)數(shù)，然后結(jié)合服務(wù)水平確定全日行車計(jì)劃。

3.6 配線設(shè)計(jì)模塊

配線設(shè)計(jì)模塊根據(jù)線路數(shù)據(jù)與車站信息生成線路圖形，再根據(jù)運(yùn)行交路標(biāo)記折返車站，最后結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范依次確定各車站是否需要設(shè)置配線，如需布設(shè)再確定何種配線。在布設(shè)配線時(shí)，用戶只需要選擇何種配線，系統(tǒng)將根據(jù)用戶選擇，調(diào)用相應(yīng)配線的繪制模塊實(shí)現(xiàn)目標(biāo)配線的自動(dòng)化鋪畫，最后按用戶要求格式輸出。該功能省去了以往在CAD上一點(diǎn)一線的圖形繪制過程，極大地提高了工作效率。

3.7 折返能力仿真計(jì)算模塊

折返能力仿真計(jì)算模塊是在線路配線布設(shè)完成后，針對(duì)折返站的配線形式，基于線路參數(shù)、列車參數(shù)、折返流程等，通過計(jì)算機(jī)仿真模擬來確定最終折返能力。

城市軌道交通行車組織CAD系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 城市軌道交通行車組織CAD系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

以上各模塊間的數(shù)據(jù)調(diào)用邏輯為：在進(jìn)行客流預(yù)測(cè)、確定車輛選型與編組時(shí)需要分別調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的客流資料、相鄰線路的車輛類型等數(shù)據(jù)，同時(shí)在確定車輛選型與編組方案時(shí)還需要以客流預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)；列車運(yùn)行交路的確定需要以客流預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和列車定員為前提進(jìn)行計(jì)算，全日行車計(jì)劃是在全日分時(shí)段客流預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上結(jié)合服務(wù)水平綜合確定；配線設(shè)計(jì)模塊需要調(diào)用線路數(shù)據(jù)、客流預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)以及列車運(yùn)行交路方案，按照設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行鋪畫；折返能力仿真計(jì)算需要根據(jù)折返站配線布置形式、線路參數(shù)、車輛參數(shù)及折返流程等進(jìn)行模擬計(jì)算。

城市軌道交通行車組織CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

圖3 城市軌道交通行車組織CAD系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

4 關(guān)鍵技術(shù)

城市軌道交通行車組織CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)定位為運(yùn)輸組織全流程的設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)客流預(yù)測(cè)，以及對(duì)該系統(tǒng)能力分析各個(gè)環(huán)節(jié)的輔助設(shè)計(jì)。本文重點(diǎn)針對(duì)目前仍沒有有效計(jì)算方法的配線設(shè)計(jì)和折返能力計(jì)算兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行專門探討，闡述相關(guān)的模型構(gòu)建和技術(shù)原理。

4.1 配線鋪畫模型構(gòu)建

配線設(shè)計(jì)模塊開發(fā)的目標(biāo)是為了提高工作效率、統(tǒng)一工作標(biāo)準(zhǔn)。該模塊的開發(fā)是基于模塊化思想，用戶通過選擇配線形式即可實(shí)現(xiàn)配線的自動(dòng)鋪畫及智能識(shí)別。為了實(shí)現(xiàn)此效果，城市軌道交通行車組織CAD系統(tǒng)建立了車站配線鋪畫模型。配線鋪畫模型構(gòu)建過程如下：

1) 按站臺(tái)布置形式將車站分為島式站臺(tái)、側(cè)式站臺(tái)、兩島三線等類型；

2) 按各種車站類型分別梳理所有可能的配線形式，并標(biāo)記各形式配線的控制點(diǎn)；

3) 按照控制點(diǎn)最少且兼顧配線形式美觀的原則，對(duì)各類型車站所有可能配線的控制點(diǎn)進(jìn)行合并；

4) 合并后形成的控制點(diǎn)陣即為該類型車站的配線繪制控制點(diǎn)陣；

5) 以歐氏距離確定控制點(diǎn)陣中每一控制點(diǎn)相對(duì)于車站中心的位置。

控制點(diǎn)陣的位置集合即為對(duì)應(yīng)車站類型的配線鋪畫模型。以島式站臺(tái)為例，其配線鋪畫模型如圖4所示。

圖4中顯示的島式站臺(tái)配線鋪畫控制點(diǎn)共計(jì)120個(gè)，包含了各種形式的配線，如單渡線、交叉渡線、停車線、出入段線等。

圖4 城市軌道交通行車組織CAD系統(tǒng)配線鋪畫模型

當(dāng)用戶鋪畫配線時(shí)，城市軌道交通行車組織CAD系統(tǒng)會(huì)根據(jù)鼠標(biāo)所在位置自動(dòng)獲取目標(biāo)車站中心位置，進(jìn)而調(diào)用相應(yīng)的配線鋪畫模型進(jìn)行計(jì)算，確定目標(biāo)車站的配線鋪畫控制點(diǎn)陣的所有控制點(diǎn)位置，最后通過選擇配線形式，通過圖形繪制模塊實(shí)現(xiàn)配線的鋪畫。

4.2 折返仿真模型構(gòu)建

折返能力仿真計(jì)算模塊是基于元胞自動(dòng)機(jī)建立折返仿真模型。采用將上下行軌道和折返配線劃分為大小相同的元胞。每個(gè)元胞具有兩種狀態(tài)，被列車占據(jù)或空閑。在該模型中，需要標(biāo)記列車所在的位置與列車運(yùn)行速度，第n列列車的位置和速度分別用xn、vn表示，第n列列車的加速度用an表示，第n列列車的長(zhǎng)度用ln表示。為了便于仿真計(jì)算，需要為每一元胞賦予限速值vx，該值根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)動(dòng)態(tài)發(fā)生變化。為了使仿真過程顯示清晰，以元胞長(zhǎng)度與道岔限速之比作為模型的時(shí)間更新步長(zhǎng)。列車在區(qū)間運(yùn)行時(shí)，其運(yùn)行策略受到前方車輛位置影響；而列車進(jìn)行折返作業(yè)時(shí)，其運(yùn)行策略還應(yīng)遵守折返作業(yè)流程。列車折返仿真實(shí)質(zhì)就是在一定的規(guī)則下，不斷地更新列車的速度和位置。

列車的速度、位置更新表達(dá)式如下：

xn+1=xn+(vn+vn+1)/2

(1)

vn=vn+1

(2)

其中，vn+1為n+1列列車的速度,xn+1為n+1列列車的位置。對(duì)于vn+1的計(jì)算比較復(fù)雜，需要根據(jù)實(shí)際作業(yè)過程進(jìn)行計(jì)算。

4.2.1 判斷列車運(yùn)行是否符合安全距離

若列車距前車距離大于最小追蹤距離，則：

vn=min{vn+ant0,vmax}

(3)

其中，t0為步長(zhǎng)時(shí)間；vmax為線路允許最大速度。

若列車距前車距離等于最小追蹤距離，則：

vn=vn+1

(4)

若列車距前車距離小于最小追蹤距離，則：

vn=max{vn-ant0,0}

(5)

4.2.2 判斷列車所處位置限速

列車運(yùn)行過道岔時(shí)要求列車在道岔點(diǎn)的運(yùn)行速度符合相關(guān)限速規(guī)定。本系統(tǒng)將這些限速轉(zhuǎn)化為每一元胞的限速，這就需要根據(jù)下一元胞的限速來預(yù)判列車的運(yùn)行策略。

若列車速度大于下一元胞的限速，則：

vn=min{vn-ant0,vx}

(6)

若列車速度小于下一元胞的限速，則：

vn=min{vn+ant0,vx}

(7)

若列車速度等于下一元胞的限速，則：

vn=vn+1

(8)

其中，vx會(huì)隨著系統(tǒng)狀態(tài)的改變而變化。如列車過道岔時(shí)，該位置元胞限速的取值需要考慮信號(hào)機(jī)限速要求；列車進(jìn)站時(shí)，若信號(hào)機(jī)未開放，列車會(huì)在信號(hào)機(jī)前停車，這時(shí)就需要列車提前降速，信號(hào)機(jī)前的若干元胞的限速取值就需要考慮停車限速；若信號(hào)機(jī)已開放，則信號(hào)機(jī)前元胞限速取值則不用考慮停車限速。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，該值會(huì)隨著系統(tǒng)時(shí)間步長(zhǎng)而實(shí)時(shí)更新。

5 結(jié)語

本文針對(duì)城市軌道交通行車組織的設(shè)計(jì)需求，對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)、功能、設(shè)計(jì)理念進(jìn)行分析，并對(duì)系統(tǒng)開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。本系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用，對(duì)提高城市軌道交通行車組織設(shè)計(jì)工作效率、統(tǒng)一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范設(shè)計(jì)流程等具有重要意義。