城市軌道交通故障處置輔助決策系統關鍵技術研究

李曉剛,王 偉,賈慶東

(1.北京軌道交通建設管理有限公司,北京 100068;2.交控科技股份有限公司,北京 100070)

0 引言

軌道交通是城市綜合交通客運系統中的重要組成部分,具有安全、高效、運量大、準時和節能等特點。在日常運營過程中,常會遇到一些不可預知的異常事件影響系統的正常運營。其中,設備故障是較為常見的異常事件類型,如列車故障、信號故障、供電系統故障、線路故障等[1]。而這些故障事件輕則造成若干列車延誤,重則導致乘客滯留、運營中斷等問題。如不及時處理或處理不當,將會造成線路乃至整個網絡運營秩序紊亂,甚至危及系統運營安全[2-3]。我國城市軌道交通網絡逐步擴大,列車運行間隔逐漸縮短,實際運營條件越來越復雜,故障處置管理的難度也不斷增大。因此,必須加強軌道交通運營過程中的故障處置管理,減少故障事件對系統運營的影響。

目前,故障事件處置大多依賴調度員經驗,采用人工處置的方式進行故障處置。為提高軌道交通系統運營的安全性和可靠性,運營部門結合豐富的故障處置經驗,制定了針對不同故障類型的故障處置預案,使得故障處置能夠有序地按照計劃和步驟進行[4-5]。但是故障處置預案較為粗放,僅對故障處置的原則、流程和注意事項進行定性化闡述,不能直接應用于實際故障處置。面對故障事件的復雜性以及不確定性,調度員依然面臨繁重的工作量,難以作出及時、有效的調整。未來城市軌道交通故障處置需要更加精準、高效、智能化的手段,為實際故障處置和運營調整提供有效支持,提升調度處置的效率和效果。

1 故障處置的過程和內容

故障發生后,調度員需要確定故障位置和影響,采取有效措施組織處理故障,合理調整列車運行,維持系統運營秩序,盡可能減少故障帶來的影響。故障處置流程可以分為三個階段[6]。

①故障發生階段。調度員可通過列車自動監控系統(automatic train superision,ATS)系統、綜合監控系統等發現故障,也可經由現場人員(如司機、站務等)得知故障信息。該階段是故障處置最困難的階段。調度員需要分析故障影響并快速進行調度決策,避免故障影響進一步擴散。

②故障持續階段:在這個階段故障尚未完全解除,調度員需要在列車、線路等資源受限的條件下進行合理的資源配置,在為故障處理提供條件的同時盡可能維持最大范圍的列車運營服務。

③故障恢復階段:這個階段故障已恢復,系統運行效率提升。調度員需要盡快恢復計劃運行圖,恢復正常運營秩序。在整個故障處置過程中,調度員主要工作內容包括針對原生故障的故障診斷和處理,以及相應的運營組織調整。

故障處置各階段主要調度任務如表1 所示。

表1 故障處置各階段主要調度任務Tab.1 Main scheduling tasks at each stage of fault handling

1.1 故障診斷和處理

故障診斷和處理主要發生在故障處置發生階段和故障持續階段。在發現故障后,調度員需要和現場人員反復確認故障信息和故障處置進展,包括故障發生位置、原因及狀態。根據現場收集到的信息,結合調度故障處置預案規定的原則、流程,判斷故障影響,并根據故障產生的原因、位置、影響范圍、可用資源等進行決策,以采取相應的調度策略。以運營期間發生的列車ATP 故障為例。在故障發生后,調度員會要求司機進行重啟:若列車恢復,則繼續恢復運行;當司機處理無效時,則需要啟動列車救援程序。由于故障類型、嚴重程度、影響范圍不同,故障處置工作的流程也存在著差異。調度策略的制定和生成需要協同各部門的資源。調度員需要通過司機、站務反饋的故障信息及故障處置情況,下達調度命令;必要時,還需通知維修人員前往現場進行處理,并配合他們進行故障處置;此外,應及時將故障信息和處置信息上報相關領導和部門。

1.2 運營組織調整

故障處置過程必然會使得列車運行偏離原有的計劃。因此,在故障處置過程中需要相應地調整列車運營計劃,維持運營秩序,并為故障處理提供條件。列車運營組織調整發生在故障處置的全過程,其調整目的和方式在不同故障處置階段不盡相同。在故障發生階段,故障的影響范圍較小,調度員需要扣停相關列車,將列車控制在故障影響范圍外,給故障診斷和初步處置預留時間和空間。隨著故障事件的持續,系統進入運輸能力較弱的狀態,即故障持續階段。調度員可采用加車、抽車、中途折返、降級通過等方式,在兼顧故障處理需求的同時盡可能地保證一定的運輸服務水平,以減少故障對乘客出行的影響。當故障對象離開系統或故障恢復時,系統恢復正常運輸能力。但是此時列車已偏離原有的運行計劃,系統運營秩序紊亂。調度員需要綜合考慮調度指標,調整列車運行使其盡快恢復按圖行車,以減少列車晚點數量。此外,故障處置可能會引起部分客流的積壓,調度員在恢復運行計劃時需要考慮積壓客流的疏散問題。

2 故障處置全過程關鍵問題分析

在故障條件下,調度員的主要職責包括信息收集、處置決策、運行調整以及后續信息報送及處理等。故障處置過程時間緊、任務重、影響大。面向故障處置的全過程,結合城市軌道交通的運營特點和故障處置現狀,本研究對于城市軌道交通應急處置面臨的關鍵問題進行歸納總結,得出以下結論。

2.1 協同多專業聯動難

城市軌道交通涉及線路、車輛、信號、供電、通信等多專業。在故障處置過程中,需要調度員、司機、站務、維修人員等多個專業人員和物資協作聯動、積極配合,信息的滯后、遺漏或錯誤都不便于應急故障的判斷和處置[7]。故障診斷階段,調度員需要和現場人員確定故障信息,及時通知相關維修人員到達現場處理故障。而故障處置過程中,調度員需要將調度決策下發給各專業人員,共同協作執行調度命令,并及時上報和發布相關故障信息。

道岔故障處置流程如圖1 所示。道岔故障處置過程中,需要調度、站務、司機、維修等部門之間協同合作。但是現有的故障處置組織架構復雜,各專業部門孤立作業,缺乏有效的信息共享、整體協調機制和技術等支持手段。經過案例復盤分析,故障處置過程中“故障應急信息分布”“現場設備、行車及客服等信息反饋”等環節的大量信息需要人工確認,嚴重影響故障處置效率[8]。為提高故障處置的時效性,需要突破多專業的壁壘,建立跨專業的故障處置管理架構,實現多方資源系統、信息協同、執行協同,最大程度減少突發事件的影響。

圖1 道岔故障處置流程Fig.1 Turnout fault handling process

2.2 故障影響預測難

城市軌道交通故障時間成因和場景復雜多樣,演化過程非常復雜。特別是在復雜網絡、高密度甚至是多個節點故障的情況下,調度員依靠經驗往往難以準確判斷故障造成的影響。此外,在故障處置的過程中,調度員需要和設備、人員之間進行大量的信息交互。這些信息的隨機性、模糊性和不確定性[9],加大了故障影響預測的難度。

2.3 故障處置方案決策難

故障處置方案制定不及時或不當將降低處置效率,甚至導致運營安全問題。實際運營過程中,故障處置方案的生成主要依靠調度員經驗和人工分析處理。然而,故障處置方案制定是一項復雜決策,需要考慮故障類型、故障影響范圍、故障處置所需時間、列車運行間隔等眾多因素。但是調度員能力參差不齊,部分調度員對設備熟悉程度較低,缺乏必要的故障處置經驗,容易出現反應不及時、處置不當等問題。因此,為調度員提供與故障處置相關的特征信息和決策依據以提高調度決策水平,對于避免調度決策不當意義重大。

2.4 行車組織調整復雜

列車運行調整方法主要有扣車、加車、抽車、跳停、調整發車時間、中途折返等[10]。調度員需要綜合考慮時空因素、可用資源以及調度命令下達的時間,平衡各種運營指標,在短時間內形成行車運行調整方案。隨著列車運行間隔的進一步減小,故障影響傳播速度加快,受影響的列車和乘客數量增多。在快速恢復運營秩序的緊張環境下,調度員很難在短時間內形成最優處置策略。因此,列車運行組織調整效率是故障處置的一個關鍵問題。

3 故障處置輔助決策系統的關鍵技術分析

大數據、人工智能等新一代技術的發展,為快速、集中處理這些復雜的信息提供了技術支撐,可以為調度員處理多專業聯動的復雜工作提供更多手段,輔助調度員完成處置決策,實現故障場景下多數人工處置過程的數字化、自動化、智能化,提高故障處置效率。

故障處置輔助決策系統關鍵技術如圖2 所示。

圖2 故障處置輔助決策系統關鍵技術示意圖Fig.2 Key technologies of fault handling auxiliary decision system

3.1 多專業協同技術

故障處置過程中操作繁多,容易造成信息遺漏、響應不及時等問題。多專業協同技術將以調度業務為基礎,對規章制度、應急故障處置預案,以及以往的故障處置案例進行深入分析,輔以調度員訪談,形成標準化的調度處置的流程及數據存儲規則。采用關聯規則挖掘方法,從中梳理出不同類型故障發生時各專業之間的聯動關系,構建聯動規則關系庫。充分利用數字化信息技術、網絡通信技術、人工智能技術和自動化手段,為調度員處置故障提供快速、準確的信息聯動、執行調度決策的支持,輔助調度員進行故障處置。多專業協同技術可以在減輕調度員工作強度的同時,一定程度地保證軌道交通運輸安全并提高運輸效率,同時避免故障處置規程中調度員操作失誤造成的影響和后果。

3.2 故障處置輔助決策技術

目前,行車調度故障處置仍然以經驗和人工分析為主,在實際調度過程中需要調度員進行大量的經驗知識關聯以確定調度方案,智能化程度相對較低。調度處置輔助決策技術以故障處置預案、調度日志等文本化的經驗規則和歷史調度數據為基礎,充分挖掘這些歷史數據的本質特征,明確系統狀態與調度決策的反饋機制,運用自然語言處理、深度神經網絡、強化學習等多種人工智能算法,采用“規則+數據”的訓練學習模式,建立智能化的學習引擎。通過對規則的理解、歷史數據的學習,訓練模擬調度員的思維決策,為制定調度方案提供決策支撐,從而提高調度決策的可靠性和有效性。故障處置輔助決策技術如圖3 所示。

圖3 故障處置輔助決策技術示意圖Fig.3 Schematic diagram of fault handling auxiliary decision technolgy

3.3 列車運行計劃調整模塊化處置方法

在運行調整時,調度員需根據線路拓撲條件、在線列車實時運行情況、客流情況等條件生成針對每個列車的具體調整方案。對于車站較多且行車間隔較小的線路,列車上線數量多,故障發生時可能出現因扣車不及時而使列車進入區間迫停的情況。需要中途折返的列車因為調度命令不能及時下發而錯過折返時機,會導致反向運行線路無列車服務時間加長。列車運行計劃調整模塊化處置方法可深入研究每種行車調整手段的應用場景和調整機制,構建針對不同行車調整手段的列車運行計劃調整模型和算法,同時加強各專業之間的聯動。在故障發生時,調度員可根據故障情況選擇相應的行車調整模塊,自動調整運行計劃并聯動相關專業執行,降低調度員在故障處理中的工作量,將更多的精力應用于調度決策。

3.4 運行圖動態調整技術

在故障恢復階段,系統運營效率恢復正常。調度員需要快速恢復當日運行計劃,疏散滯留乘客,恢復運營秩序。目前,調度員基于經驗,采用人工分析和決策的方法,很難形成最優調整方案。運行圖動態調整技術從全局最優化出發,研究時空網絡圖建模方法,構建面向線路、車輛、能源等多類資源綜合調度的運行調整模型,結合多種運行調整手段,從而減少晚點列車數量、盡快疏散乘客。在此基礎上,形成列車運行計劃動態調整方案,以達到快速恢復運營秩序、減少故障影響的目的。同時,列車運行動態調整技術可與多專業聯動結合,輔助行車調度員調度指揮,提高故障處置的效率和效果。

運行圖動態調整技術如圖4 所示。

圖4 運行圖動態調整技術示意圖Fig.4 Dynamic adjustment technology of running diagram

4 結論

城市軌道交通的故障處置因涉及多個專業、影響因素多、處置流程繁雜,具有相當的復雜性,提高調度處置效率是提高城市軌道交通服務可靠性需要解決的難題。目前,國內外故障處置主要依靠調度員的經驗,采用人工處置的方式,調度效率低且難以在第一時間形成最優調度方案。本研究在分析城市軌道交通故障處置全過程作業特點的基礎上,重點闡述故障處置輔助決策系統中的關鍵技術,能夠在故障及應急條件下使各專業綜合聯動,從故障處置、運行調整、方案執行及信息發布等多個環節大幅降低調度員的工作量、提高調度效率,對運營指揮部門故障處置有重要意義。