高鐵調度車務一體化仿真實訓平臺設計應用

劉 俊，丁治敏，烏 崢，張 濤，張洪杰

（1．中國國家鐵路集團有限公司，北京 100848;

2．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；

3．中國鐵路北京局集團有限公司，北京 100860；

4．中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081）

1 概述

隨著國內鐵路事業的發展，列車運行密度越來越大，運行速度也越來越快，行車安全壓力逐漸增加。在現場設備故障或者其他突發情況下，存在由于行車調度指揮人員經驗匱乏而導致的列車大量滯留、晚點，甚至危及行車安全的情況。行車調度指揮人員的理論學習、技能訓練以及考核成為運輸安全管理的重要內容。近年來隨著中國國家鐵路集團有限公司、各鐵路局對調度、運輸培訓工作的重視，部分調度所、車務站（段）陸續裝備了調度、車務等實作演練系統。然而總體上全路范圍內調度、車務實作演練系統仍存在著如下問題。

1）既有實訓系統與生產系統脫節

目前很多實訓系統以模仿現場調度臺、車務終端等界面為主，沒有構建與現場一致的底層邏輯，造成實訓系統與生產系統脫節，不能復現生產系統中的各種場景，使得實訓系統投資與回報不成比例。分析2021年7月19日拉日線CTC操作錯誤事故的一個重要原因就是調度所CTC實訓平臺和生產系統脫節，無法實現和現場無差別演練。

2）實訓及考評方式單一

在全路范圍內，調度、車務實訓系統配備還不到位，很多地方缺乏實訓手段，還停留在“紙上談兵”的階段，對關鍵人員的培訓重知識灌輸，輕技能培養。另外在培訓過程中，缺乏有效的驗證方法和手段，忽視培訓效果的反饋。

3）調度和車務人員實訓與演練割裂

調度和車務人員作為運輸指揮作業的主要參與者，兩者之間的溝通配合十分重要，而現階段兩者之間的實訓和演練割裂，無法構建和現場調度指揮完全一致的演練場景。

4）教學考核標準不統一，教學數據不能共享

在全路已安裝的調度、車務實訓系統中，由于生產廠家不同，還不能達到統一的教學考核標準，僅僅作為教學的輔助手段。教學數據展現及存儲方式各有不同，無法數據共享，不能作為建立全路統一教學數據庫的輸入素材。

5）實訓系統在職工職業技能評估中無法提供客觀評價

上述不足之處造成了實訓系統只能用作日常演練的輔助系統，不能作為職工職業技能評估和考核的主要手段，實訓系統的投資與回報比例不理想。因此，以現場CTC系統為基礎，研究開發一套滿足調度、運輸人員實際工作需求、符合實際工作場景具備智能化考核評分的調度車務一體化仿真實訓平臺非常有意義。

2 整體設計

調度車務一體化仿真實訓平臺站在全路調度、車務仿真實訓的角度，以滿足調度、車務演練場景為手段，以建立全路考評演練大數據平臺、實現職工職業技能評估為目的。設計思路如公式所示：仿真實訓平臺=CTC生產系統+信號基礎設備仿真+ 考評系統。

調度車務仿真實訓平臺以現場CTC生產系統為基礎，以信號基礎設備仿真（CTCS系統、聯鎖系統）為后臺支撐，以考評演練為核心。實訓系統源于生產系統并且專注于職工技能評估，源于生產系統可實現真實場景一比一復現，專注于職工技能評估可實現對學員能力的客觀評價，實現智能化、自動化及多場景演練，構建全局演練數據大平臺。

仿真系統整體結構從上到下分別為場景應用層、表示層、業務層、數據支撐層及基礎設備層。各個層的功能和設計如圖1所示。

圖1 系統總體架構Fig.1 Overall system architecture

2.1 應用場景

應用場景需求來源于職教管理需要以及調度指揮業務需要。業務應用場景包括調度實訓室內多調度臺單獨和聯動演練；車站實訓室內單個車站演練；車務段遠程管理下的多車站聯合演練；調度、車務一體化聯合演練。應用場景在業務層基礎上具備如下特點：

1）形式真：調度臺和車站實訓系統布局、學員日常演練及應急處置考核操作方式、流程與生產系統一致；

2）內容真：核心數據如運行圖軟件、調度命令模板、助調臺軟件、車務系統等與生產系統一致；

3）場景切換便捷：各種演練場景之間動態切換快，可快速切換單個車站演練、車務段統一組織下多站聯合演練以及調度、車務一體化聯合演練。

2.2 表示層

表示層是仿真實訓系統的用戶操作界面。實現教師發布命令，學員執行學習、考核、演練功能。具體包括CTC界面、聯鎖界面、教師機、學員機、3D仿真界面、FAS調度通信系統、電子登記簿等。界面的部署和展示會根據業務應用層的不同場景而切換。

2.3 業務層

業務層是實訓平臺的核心。業務層實現了調度、車務實訓中多場景切換、智能化考評、演練大數據生成功能。業務層由仿真支撐層、平臺服務層、業務驅動層構成，如圖1所示。仿真支撐層按照鐵路行車相關生產系統邏輯搭建實現與現場無異的演練環境。平臺服務層實現多業務場景切換。業務驅動層采用數據驅動技術，實現設備數據，列車數據、狀態交互數據的重組和運算。業務層以真實數據與仿真數據相結合，驅動仿真設備的正常運行和考核場景再現。

2.3.1 仿真支撐層

仿真支撐層按照信號系統的整體邏輯構造進行設計。仿真支撐設備包括4個部分，分為CTC和CTCS中心設備仿真、車站設備仿真、車載設備仿真以及對應的網絡仿真。仿真支撐層采用現場CTC軟件，以軟件建模和實際現場數據注入的手段，將無線閉塞中心、臨時限速服務器、計算機聯鎖系統、列控中心、區間閉塞系統、車載系統、無線車次號校核系統、無線調度命令傳輸系統進行重構，并仿真搭建模擬調度集中網、GSM-R網、信號安全數據網和基礎信號仿真網，從而將CTC系統、CTCS系統、聯鎖系統以及其他信號設備有機地結合起來，做到邏輯真實、接口標準、系統完備，滿足信號系統和調度系統融合的需求。仿真支撐層邏輯架構如圖2所示。

圖2 仿真支撐層的邏輯架構Fig.2 Logic structure of simulation supporting layer

2.3.2 平臺服務層

仿真支撐層從設備仿真的角度提供了調度、車務演練的實訓設備，而平臺服務層實現了調度、車務多種模式演練。不同場景下各實訓系統既可單獨運行互不干擾，又可統一運行，將調度、車務兩個工種聯合起來，實現和現場無異的演練場景。

平臺服務層以適配器和消息處理中心為核心，設置聯鎖適配器、列控適配器、CTC適配器、ATP適配器、TSRS適配器、RBC適配等，每種適配器連接同一種設備，數量動態增減，設備之間通過消息分發機制通信，每對需要通信的設備之間建立一個網絡連接。消息處理中心為設備屏蔽了底層網絡細節，使得設備發送方只需提供接收方身份就能實現消息的收發。正是有了適配器和消息處理中心，才能適配下文提到的各種演練場景。

1）調度所一級聯動

在調度所內實現多調度臺單獨及聯合演練。演練模式如圖3所示，其中主、助調度員作為演練的主體，其他崗位自動配合。圖3中實體車站1、車站2、車站N表示分布在車站（段）演練室的車務演練環境，車站1′、車站2′、車站N′表示在調度演練環境中的車站支撐系統。 此場景下，車站1、車站2、車站N以車站1′,車站2′，車站N′互斥啟動。黃色設備為最小啟動方案。多調度臺的業務驅動和仿真支撐層通過平臺服務層連接，具備列車在不同的線路上跨線運行，鄰臺之間調度命令、階段計劃交互、列車移交等功能。演練功能包含調度員日常操作培訓、行車指揮實訓、實操練習、應急演練、故障模擬處置、技能競賽、操作考評等。

圖3 調度所一級聯動演練場景描述Fig.3 Description of first-level associated practice scene in dispatching office

2）調度、車務二級聯動

中心調度員和車站值班員實現聯網演練，模擬和實際現場完全一致的調度指揮過程。其中主、助調度員、車站值班員作為演練的主體。在此種模式下，調度仿真實訓系統和車務仿真實訓系統既可互相獨立，又可聯合演練。車站1、車站2、車站N以及車站1′、車站2′、車站N′需同時存在，由適配器和消息處理中心進行仲裁，負責消息轉發或是丟棄。當兩個工種聯合演練時，車站1、車站2、車站N的消息作為CTC調度臺信息的來源，此時車站1′、車站2′、車站N′的信息被屏蔽。當兩個工種獨立演練時，車站1、車站2、車站N同時存在，分別作為調度業務以及車務業務的仿真支撐，如圖4所示。

圖4 調度所二級聯動演練場景描述Fig.4 Description of second-level joint-practice scene in dispatching office

3）車務站段一體化仿真

a.相同場景聯合演練

車站1、車站2、車站N使用同一個場景，站場圖完全一致，由段中心的教師機統一管理，多個學員單獨演練，可以形成橫向對比。這種模式一般用于車務段定期舉行的技能比武中。段中心教師機可以下達階段計劃和調度命令。

b.多個車站聯合演練

車站1、車站2、車站N是有邏輯關系的3個車站，演練在同一個路網下，列車運行可以跨越不同車站全局運行，一個故障的處理需要多個車站的協同配合，比如區間設備故障、改方、救援等場景，邏輯結構如圖5所示。

圖5 車務站段一體化仿真場景描述Fig.5 Description of integrated simulation scene in train operation depot

2.4 業務驅動層

業務驅動層通過信號基礎設備以及列車運行的仿真設備，驅動CTC系統、列控系統和聯鎖系統的正常運行，構建一個自助的演練環境。與此同時通過對于故障場景構建技術、智能崗位配合技術和自動考評技術的研究，實現針對不同應急場景下的智能考評，具體包含如下模塊。

1）信號基礎設備仿真

信號基礎仿真設備模擬實際的線路數據，在虛擬環境中建設與實際位置一致的車站、橋梁，并繪制與真實站場站型一致的線路拓撲，模擬調度區段內列車的動態運行情況，自動按順序產生列車占用、出清以及信號關閉狀態，模擬站內碼位變化信息、區間碼位變化信息，從而為列車運行以及調度、車務仿真的搭建奠定基礎。

2）列車運行仿真

模擬列車牽引制動模型進行開發，接受來自信號基礎模擬環境中的軌道電路和信號機數據，實時生成目標距離速度連續控制曲線，采用常用制動和緊急制動監控列車速度，防止列車超速。當模擬列車運行遇到信號關閉、軌道電路紅光帶等情形時，列車自動在關閉的信號機或占用的軌道電路前停車。

3）場景自動構建技術

依據近年來對應急演練考核的統計分析、對各場景涵蓋的相應規章制度的梳理，對考核場景進行數據編制和處理流程計算。

調度集中應急場景由操作步驟、故障類型、故障持續時長、影響范圍等因素共同決定，如表1、2所示。場景設置和應急場景處置通過數據注入，設置自然災害及設備和列車的故障狀態，模擬對列車運行和調度控制過程的影響。綜合類事故的處理，可將處理流程抽象為基于故障類型、故障時長（時間因素）、影響范圍（空間因素）的函數（見公式（1））。

表1 故障類型簡表Tab.1 Table of failure types

表2 故障處置方法簡表Tab.2 Table of failure types and solutions

公式（1）中：o為應急處置操作流程，?為故障類型，β為故障時常，γ為影響范圍。

?故障類型分為設備故障、列車故障和災害。設備故障包括信號機斷絲、道岔失表、區段紅光帶、區段分路不良、股道停電、供電臂故障、接觸網掛異物等；列車故障包括列車車載設備故障、列車突發事故等；災害包括雨雪、大風等。故障都由數據注入生成，可以實時注入，也可延時注入。

β故障時長為故障存在時長，故障時長的數據注入由考核人員人為設定。如設備故障修復后消失，設備故障暫不能修復，故障持續、風雨雪災害持續發生等。

γ影響范圍為故障發生所影響的區域范圍。信號機故障，具體范圍指信號機接近區段列車，信號機所在進路；風雨雪災害，受災范圍內區段、相鄰車站接發車等。

4）智能崗位機器人

為了實現自動化考評，智能崗位機器人的配合至關重要。故障場景以及相關崗位的匯報信息是行車指揮人員做決策時的重要依據，而故障處置的過程也是動態決策的過程，不是一成不變的。智能崗位機器人需要根據列車位置信息、故障場景、故障限制條件、FAS通知、調度命令、階段計劃等條件，通過建模生成各種智能角色，包括司機、工務聯絡人員、電務聯絡人員、車站、值班主任、供電人員、應急值守人員等，并且模擬各個智能崗位的實際動作。

5）自動考核評分

系統根據調度員和車站值班員的操作步驟、通知用語、配合能力、處置失效幾個方面對調度員、車務人員進行技能評估。系統能夠根據行車場景，實時記錄信號操作終端、運行圖操作終端、調度命令操作終端的操作記錄，自動記錄行車人員聯絡用語、自動完成行車崗位間配合，自動判別行車憑證、運統表薄填記內容，能夠依據試題標準自動評分，自動化考核過程不受人為因素影響，真正做到公平公正。另外系統對調度命令模板及其參數的準確性、階段調整計劃的及時性、按鈕操作的準確性、場景處理的合理性亦進行考核。

2.5 數據支撐層

數據支撐層由結構化數據、半結構化數據、非結構化數據構成。結構化數據包括主題庫、知識庫、歷史考評庫、考核狀態庫、仿真模型庫、故障案例庫、業務專題演練庫等；半結構化數據包括日志以及數據查詢API；非結構化數據包括規章、文檔以及考核過程的音頻、視頻。針對培訓考核的所有結果，實訓平臺進行統一的大數據存儲和管理。實訓平臺通過聚類和相關性分析，梳理學員們普遍存在的實操易錯點，確立考核實訓的共性問題，構建學員職業技能評估模型，實現大數據和綜合技能評估相結合，實現智能化的學員職業技能素質管理。

3 應用

目前調度車務一體化仿真實訓平臺已經在寧啟、滬昆、京張、京雄、京沈、陽大等多條線路上線試用。作為調度員和車站值班員日常演練的平臺，實現了調度、車務聯合演練，段中心與多車站的聯合演練。此平臺除了用于新線開通前的適應性培訓以及日常非正常情況下應急處置演練，實現培訓數據信息化、電子化，未來還可結合大數據存儲技術，對職工的業務能力進行綜合評估分析，為考核管理部門呈現職工業務素質能力報告，起到針對性強化短板的作用。

4 結語

本文研究支持不同演練考核模式的調度車務一體化仿真實訓平臺應如何設計及其應用，通過數據驅動仿真的技術，實現了生產設備模擬、列車運行模擬、應急場景復現以及應急操作處置自動考核等功能，對全面提高運輸指揮人員技能素養、協同配合及應急場景處置能力具有重要推進作用。