專業(yè)文章|智能調(diào)度集中系統(tǒng)研究
注：本文為期刊公眾號簡版，完整版已發(fā)群內(nèi)自取。
王建英，中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司通信信號研究所
智能診斷智能調(diào)度集中系統(tǒng)是以調(diào)度集中系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在不改變CTC3.0基本軟硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過增加硬件和軟件功能的方式，構(gòu)建的適用于智能高鐵的調(diào)度集中系統(tǒng)。系統(tǒng)經(jīng)過京沈綜合試驗段長達1年的試驗和試用，以及智能京張高鐵工程的實際應(yīng)用，進一步驗證了系統(tǒng)的功能和性能。
0 引言
智能高鐵是廣泛應(yīng)用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、人工智能、北斗導(dǎo)航等新技術(shù)，綜合高效利用現(xiàn)有資源，實現(xiàn)高鐵移動裝備、固定基礎(chǔ)設(shè)施及內(nèi)外部環(huán)境間信息的全面感知、泛在互聯(lián)、融合處理、主動學(xué)習(xí)和科學(xué)決策，實現(xiàn)全生命周期一體化管理的智能化高速鐵路系統(tǒng)。
按照智能化水平，iCTC分為3個層級：第1層級（iCTC1.0），實現(xiàn)列車運行計劃輔助調(diào)整、列調(diào)車作業(yè)綜合安全卡控等功能；第2層級（iCTC2.0），實現(xiàn)列車運行調(diào)整計劃自動調(diào)整、早晚點預(yù)測等功能；第3層級（iCTC3.0），實現(xiàn)行車調(diào)度信息大數(shù)據(jù)運用、列車運行計劃智能調(diào)整等功能。
目前正在研發(fā)和進行工程應(yīng)用的是iCTC1.0層級，其他2個層級的系統(tǒng)和功能正在研發(fā)中。本文主要針對iCTC1.0層級進行系統(tǒng)功能、結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)等方面的分析研究。
1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)
1.1 硬件
iCTC系統(tǒng)是以調(diào)度集中系統(tǒng)（符合Q/CR12016—168調(diào)度集中技術(shù)條件，以下簡稱“CTC3.0”）為基礎(chǔ)，在不改變CTC3.0基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過增加硬件和軟件功能構(gòu)建而成，其系統(tǒng)組成示意見圖1。與CTC3.0硬件組成相比，iCTC系統(tǒng)主要增加了列車運行計劃調(diào)整服務(wù)器、列車運行計劃調(diào)整終端、與ATO接口服務(wù)器、與供電調(diào)度系統(tǒng)接口服務(wù)器、與防災(zāi)信息系統(tǒng)接口服務(wù)器等，各設(shè)備的主要功能如下。
1）列車運行計劃調(diào)整服務(wù)器，主要完成列車運行計劃的實時自動調(diào)整，其列車運行計劃調(diào)整終端為調(diào)度員提供人工接入自動調(diào)整的手段。
2）與ATO接口服務(wù)器，主要完成列車運行調(diào)整計劃上傳車載ATO系統(tǒng)，接收車載ATO系統(tǒng)下發(fā)的列車運行狀態(tài)信息等功能。
3）與供電調(diào)度系統(tǒng)的接口，主要接收供電臂停/送電的實時信息，發(fā)送列車運行位置和狀態(tài)信息，互傳列車調(diào)度員和電力調(diào)度員之間的調(diào)度命令與確認簽收信息，實現(xiàn)接觸網(wǎng)停送電信息的自動顯示、標識和自律安全的卡控運算，以及調(diào)度命令互傳互鎖等功能。
4）與防災(zāi)信息系統(tǒng)的接口，主要實現(xiàn)風(fēng)雨雪自然災(zāi)害報警信息的實時接收，具備臨時限速調(diào)度命令和臨時限速控制命令的自動生成功能。
1.2 軟件
與CTC3.0軟件功能相比，iCTC系統(tǒng)主要增加或增強了列車運行計劃自動調(diào)整、列車作業(yè)綜合管控、列車調(diào)度指揮數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用、列車按圖行車控制和仿真測試實訓(xùn)等功能。
1）列車運行計劃自動調(diào)整功能，主要完成在風(fēng)雨雪自然災(zāi)害、動車組故障、車站信聯(lián)閉故障等特殊情況下導(dǎo)致的車站封鎖與限速、區(qū)間封鎖與限速、動車組區(qū)間折返，或限速運行等特殊運營場景下的列車運行趨勢預(yù)測推演和列車運行計劃自動調(diào)整，提高調(diào)度員在特殊情況下的調(diào)度指揮效率和水平。
2）列車作業(yè)綜合管控功能，主要完成列車在車站作業(yè)的全過程安全卡控，包括接發(fā)車股道、接發(fā)車口、上水、吸污、旅客乘降、列檢作業(yè)和司乘換乘等作業(yè)的閉環(huán)卡控；接發(fā)車進路無線預(yù)告，場間聯(lián)絡(luò)線、線路所、無配線車站、自動折返、列車重聯(lián)和分解等特殊場所的接發(fā)車進路自動控制功能；重聯(lián)列車、分解列車、自動折返列車、折角列車的車次號自動追蹤和機車交路的自動匹配生成等功能，進一步完善和增強調(diào)度集中系統(tǒng)的適用性。
3）列車指揮調(diào)度數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用功能，通過對列車調(diào)度指揮涉及的靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)進行重構(gòu)，建立綜合數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺，統(tǒng)一處理調(diào)度集中系統(tǒng)自身的數(shù)據(jù)以及與其他系統(tǒng)交換得來的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)一元化管理，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。
4）列車按圖行車控制功能，主要實現(xiàn)了列車運行計劃通過CTC與ATO接口服務(wù)器、GSM-R系統(tǒng)自動傳送到車載ATO系統(tǒng)，由ATO系統(tǒng)按列車運行計劃規(guī)定的區(qū)間運行時分、站停時分，自動控制列車運行。
5）仿真測試實訓(xùn)功能，主要解決智能調(diào)度集中系統(tǒng)功能性能測試、故障分析、使用和維護人員培訓(xùn)等實際應(yīng)用需求，具備計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)、列控系統(tǒng)、智能調(diào)度集中設(shè)備和功能模擬仿真，實現(xiàn)正常、非正常、應(yīng)急情況下的場景設(shè)置、故障注入等行車調(diào)度指揮業(yè)務(wù)流程和場景的仿真測試實訓(xùn)目標。
2 關(guān)鍵技術(shù)
2.1 列車運行計劃自動調(diào)整
通過對造成高速鐵路列車運行紊亂的原因和列車運行歷史實績數(shù)據(jù)的分析歸納，得出影響列車正常運行秩序的主要原因，包括但不限于：①風(fēng)雨雪等自然災(zāi)害引起的列車運行紊亂；②由旅客應(yīng)急事件等旅客運輸組織引起的列車運行紊亂；③固定設(shè)施和移動設(shè)備故障造成的列車運行紊亂；④突發(fā)事件引起的列車運行紊亂；⑤列車調(diào)度指揮失當引起的列車運行紊亂；⑥維修維護作業(yè)未能按時保質(zhì)保量完成等引起的列車運行紊亂；⑦上水、列檢等列車技術(shù)作業(yè)未能如期完成引起的列車運行紊亂。
歸納這些場景下的列車運行影響，最終為3個方面的限制條件，即影響程度、影響范圍和影響時間。所以列車運行計劃智能調(diào)整的核心之一，就是首先確定在特定場景下受影響的列車數(shù)量種類、線路區(qū)域范圍、正晚點程度和持續(xù)時間；然后在確定的調(diào)整規(guī)則和限制條件下，自動調(diào)整列車的區(qū)間運行時分、停站時分、越行待避車站、運行徑路、停運等因素，使列車恢復(fù)到日班計劃規(guī)定的運行秩序，或者給出當前場景下的最優(yōu)運行方案，并經(jīng)調(diào)度員人工確認后，下達各級執(zhí)行。最優(yōu)運行方案的評價目標通常為影響的列車總數(shù)最少、影響的列車總晚點時間最小。
根據(jù)現(xiàn)場目前需要首先解決的問題，iCTC1.0主要提供在風(fēng)雨雪等惡劣天氣或設(shè)備故障等應(yīng)急情況下列車運行計劃的智能和快速調(diào)整功能，以提高調(diào)度員應(yīng)急處置效率。列車運行計劃自動調(diào)整功能見圖2。
列車運行計劃智能調(diào)整模塊主要包括輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、調(diào)整算法和列車運行/作業(yè)實績等。
1）輸入數(shù)據(jù)主要包括列車運行日班計劃、上級指示、臨時命令和調(diào)度員人工干預(yù)命令，列車運行實績數(shù)據(jù)、其他作業(yè)實績數(shù)據(jù)，以及干擾列車運行和作業(yè)的故障、事故和事件，這些都作為列車運行調(diào)整計劃調(diào)整的輸入條件和調(diào)整目標。
2）輸出數(shù)據(jù)主要包括列車運行調(diào)整計劃、應(yīng)急處置方案和諸如臨時限速、緊急停車等列控命令或者調(diào)度命令，以此作為基層站段（所）作業(yè)的依據(jù)，同時作為列控車載設(shè)備和地面設(shè)備自動控制的基礎(chǔ)，控制動車組按列車運行計劃規(guī)定的時分自動運行，實現(xiàn)按計劃控車功能。
3）列車運行實績數(shù)據(jù)是指列車實際運行情況數(shù)據(jù)的采集，包括實際到發(fā)點、實際應(yīng)用的股道、接發(fā)車進路觸發(fā)時刻與觸發(fā)方式等數(shù)據(jù)，以此作為列車運行計劃智能調(diào)整的輸入數(shù)據(jù)，通過和日班計劃等原始數(shù)據(jù)的對比分析，來決定采用何種方式進行列車與運行計劃的調(diào)整。其它作業(yè)實績數(shù)據(jù)是指諸如旅客乘降、列車上水、調(diào)度命令交付、列檢技術(shù)作業(yè)等數(shù)據(jù)的采集。這些數(shù)據(jù)一方面作為列車運行計劃智能調(diào)整的輸入數(shù)據(jù)，通過和日班計劃等原始數(shù)據(jù)的對比分析，決定采用何種方式進行列車與運行計劃的調(diào)整；另一方面，作為行車調(diào)度指揮綜合管控的輸入數(shù)據(jù)，決定列車進路開放和預(yù)告信息的發(fā)送等功能的卡控條件，實現(xiàn)行車調(diào)度指揮與管理的閉環(huán)協(xié)同控制。干擾事件主要是指影響列車安全正點運行和列車作業(yè)安全正點完成的事件，包括但不限于旅客應(yīng)急事件、設(shè)備設(shè)施故障、自然災(zāi)害和突發(fā)事件等，其數(shù)據(jù)統(tǒng)一納入列車運行計劃智能調(diào)整模塊，實現(xiàn)列車運行計劃在特殊情況下、全局范圍內(nèi)的統(tǒng)一調(diào)整。
4）調(diào)整算法主要實現(xiàn)運行計劃的批量調(diào)整、智能調(diào)整功能，其核心是利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，采用專家問卷和知識挖掘技術(shù)相結(jié)合的方式，通過對造成高鐵列車運行計劃偏離的主要因素進行歸納分析，建立基于線路條件、設(shè)備故障、突發(fā)事件等應(yīng)急場景下的高鐵列車運行計劃調(diào)整模型、專家知識庫、列車運行規(guī)則庫、調(diào)整策略和目標等。調(diào)度集中系統(tǒng)根據(jù)運營場景的不同、折返站車組關(guān)聯(lián)關(guān)系以及預(yù)先設(shè)置的調(diào)整策略，為調(diào)度員提供智能調(diào)整的方案，實現(xiàn)列車運行計劃的快速和智能化調(diào)整。
2.2 列車運行計劃控車
列車自動駕駛（ATO）技術(shù)的應(yīng)用，使得列車按照調(diào)度員批準的列車運行調(diào)整計劃所規(guī)定的區(qū)間運行時分、站停時分、接發(fā)車股道、接發(fā)車方向等自動運行成為可能；使得列車調(diào)度員通過列車運行調(diào)整計劃自動控制列車運行，實現(xiàn)列車運行的精細化控制成為可能；同時對列車運行調(diào)整計劃的精準性和實時性提出了更高的要求。列車運行計劃控車方式見圖3。
通過列車運行/作業(yè)實績、干擾事件和日班計劃等對比分析，采用人工、自動的方式進行列車運行計劃實時智能調(diào)整，其調(diào)整結(jié)果（即列車運行調(diào)整計劃）經(jīng)調(diào)度員人工確認后，通過iCTC與ATO接口服務(wù)器發(fā)送到ATO系統(tǒng)。
列車運行調(diào)整計劃按三站二區(qū)間范圍，根據(jù)列車運行當前位置和列車運行方向，向ATO系統(tǒng)自動發(fā)送。如果列車運行調(diào)整計劃沒有變化，則按定時20 s的周期自動向ATO系統(tǒng)發(fā)送；反之，如果列車運行調(diào)整計劃有變化，則立即向ATO系統(tǒng)發(fā)送。
由于iCTC系統(tǒng)列車運行計劃信息量較大，同時也為了業(yè)務(wù)交互清晰和使故障相對隔離，在iCTC中新增ATO接口機，采用冗余以太網(wǎng)連接，并通過網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備隔離，應(yīng)用RSSP-Ⅱ安全通信協(xié)議，實現(xiàn)iCTC與ATO系統(tǒng)的可靠安全信息交換，包括列車運行調(diào)整計劃、ATO車載設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和列車運行狀態(tài)信息等。
2.3 列車調(diào)度指揮數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用
列車調(diào)度指揮涉及到多個鐵路專業(yè)、多個調(diào)度工種的協(xié)同調(diào)度，需綜合利用天、地、人、車、圖和機、車、工、電、輛等信息，實現(xiàn)列車精確調(diào)度、精準控制和精細化管理。為此采用列車調(diào)度指揮數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用技術(shù)，構(gòu)建行車信息綜合數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)多種信息融合應(yīng)用，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和應(yīng)用效率。行車調(diào)度指揮綜合數(shù)據(jù)平臺邏輯架構(gòu)見圖4。按照基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的來源不同，自動采集、系統(tǒng)間交換和人工錄入3種方式，采用不同的接口模式和交換方式，應(yīng)用標準的基于信息隊列、數(shù)據(jù)庫、文件、服務(wù)、RSSP安全協(xié)議等適配器，達到數(shù)據(jù)交換跨平臺、跨語言的目的，提高數(shù)據(jù)提供者的數(shù)據(jù)融合應(yīng)用和深度挖掘。
研究建立統(tǒng)一的標準格式，形成結(jié)構(gòu)化的事務(wù)處理或報文數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)iCTC系統(tǒng)與運輸信息集中平臺、聯(lián)鎖列控、防災(zāi)防地震等相關(guān)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換、信息共享，動態(tài)掌握影響列車安全正點運行的關(guān)鍵信息，實現(xiàn)各系統(tǒng)間的上下聯(lián)動，數(shù)據(jù)共享，進而達到精確調(diào)度和精細管理的目標。
采用分布式數(shù)據(jù)庫和分布式文件系統(tǒng)技術(shù)，實現(xiàn)列車作業(yè)相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的一元化管理，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，實現(xiàn)單點錄入自動全局同步更新啟用的功能。
根據(jù)高鐵列車運行調(diào)整模型和歷史調(diào)整信息，通過數(shù)據(jù)挖掘和機器學(xué)習(xí)等技術(shù)手段，建立高鐵列車運行調(diào)整專家知識庫，對不同因素造成的晚點和調(diào)整方案進行歸類，提供列車調(diào)度員對調(diào)整方案的學(xué)習(xí)和模擬演練功能，提高列車調(diào)度員的應(yīng)急處置水平。
綜合采用“鐵路＋互聯(lián)網(wǎng)＋大數(shù)據(jù)”相融合的一體化生態(tài)平臺技術(shù)，構(gòu)建行車信息綜合數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)行車作業(yè)人員全面掌握車、機、工、電、輛和天、地、人、車、圖等實時信息，為運輸生產(chǎn)組織和面向社會服務(wù)提供技術(shù)支撐，主要增加的功能如下。
1）通過iCTC系統(tǒng)與鐵路運輸信息集成平臺的深度結(jié)合，提高CTC與客運、供電、施工、防災(zāi)等系統(tǒng)聯(lián)動的信息共享和交互實時性，實現(xiàn)客票（旅客人數(shù)、座席）、司乘信息的展示，線路停送電的自動化卡控，施工命令符號自動上圖，防災(zāi)限速信息自動提取等功能。
2）增加調(diào)度員在日常行車指揮、應(yīng)急處置時需要的靜態(tài)信息，包括橋隧、疏散點、車站公里標、區(qū)間公里標等，并在列車運行信息綜合監(jiān)控畫面集中統(tǒng)一展示。
3）根據(jù)運輸管理部門的要求，內(nèi)置所有非正常情況下接發(fā)車應(yīng)急處理預(yù)案模板，根據(jù)人工選擇的設(shè)備、故障現(xiàn)象快速索引相關(guān)非正常處置模板和詳細方法，并以圖形化方式顯示。
2.4 行車調(diào)度指揮綜合管控協(xié)同
行車調(diào)度指揮的核心功能之一，就是自動控制車站聯(lián)鎖系統(tǒng)按列車運行調(diào)整計劃自動控制接發(fā)車進路，自動采集或通過智能終端采集人工錄入的列車作業(yè)狀態(tài)信息，按照正常、異常、應(yīng)急情況下的業(yè)務(wù)流程，控制列車進出站運行，實現(xiàn)列車車站接發(fā)車作業(yè)的閉環(huán)協(xié)同控制，將單純自動控制列車接發(fā)車進路，擴大到行車調(diào)度指揮業(yè)務(wù)閉環(huán)控制的全過程，涵蓋車站值班員、信號員、外勤值班員和其他作業(yè)管控人員。行車調(diào)度指揮綜合管控邏輯示意見圖5。
車站作業(yè)計劃編制完成車站列車、調(diào)車作業(yè)計劃的協(xié)同編制，并根據(jù)列車、調(diào)車作業(yè)實績進行自動調(diào)整，滾動優(yōu)化。
作業(yè)流程顯示與控制一是以業(yè)務(wù)流程的方式，實現(xiàn)列調(diào)車進路控制，以及與列調(diào)車作業(yè)相關(guān)的作業(yè)狀態(tài)設(shè)置和檢查；實現(xiàn)正常、異常、應(yīng)急情況下處置流程和預(yù)案的控顯；提供按占線板、始終端、列調(diào)車計劃自動觸發(fā)3種方式，實現(xiàn)列調(diào)車進路的自動控制。
室外列調(diào)車作業(yè)控顯與狀態(tài)獲取功能，主要實現(xiàn)室外列調(diào)車作業(yè)進度和完成狀態(tài)等數(shù)據(jù)的自動采集或手工錄入，為車站列調(diào)車作業(yè)閉環(huán)卡控提供技術(shù)支撐，實現(xiàn)真正意義上的行車調(diào)度指揮崗位和業(yè)務(wù)流程全覆蓋。
車站列調(diào)車業(yè)務(wù)流程管理邏輯檢查與安全卡控，主要依據(jù)預(yù)制的列調(diào)車作業(yè)標準流程，在列調(diào)車作業(yè)計劃的基礎(chǔ)上，結(jié)合列調(diào)車作業(yè)實績，進行安全卡控檢查，防止錯漏辦進路和錯漏辦相關(guān)計劃、業(yè)務(wù)流程、崗位規(guī)定的業(yè)務(wù)等，提高行車調(diào)度指揮的效率和安全性。
信號規(guī)則邏輯檢查、《站細》規(guī)則邏輯檢查和作業(yè)流程邏輯檢查，是指在列調(diào)車進路指令下達給聯(lián)鎖系統(tǒng)執(zhí)行之前，對進路指令進行信號規(guī)則、《站細》規(guī)定的各種作業(yè)限制條件和列調(diào)車計劃規(guī)定的作業(yè)內(nèi)容進行全方位的行車條件校驗，推算作業(yè)約束條件，檢查作業(yè)意圖的時效性和合理性，避免錯誤指令發(fā)往聯(lián)鎖系統(tǒng)，實現(xiàn)車站接發(fā)車作業(yè)的安全控制和流程管理。
與CTC3.0相比，iCTC系統(tǒng)主要增加了列車作業(yè)（上水、吸污、乘降等）卡控、列車滿線卡控、場聯(lián)進路自動辦理、無線發(fā)車預(yù)告、車次號有效性卡控等功能。
3 結(jié)語
iCTC系統(tǒng)從2018年6月初至9月底，在京沈綜合試驗段進行了綜合試驗，完成了列車運行計劃自動調(diào)整、列車進路和命令安全卡控、行車信息數(shù)據(jù)平臺、仿真培訓(xùn)、ATO接口和CTC3.0基礎(chǔ)功能全部場景等試驗，結(jié)果均符合智能調(diào)度集中系統(tǒng)暫行技術(shù)條件（TJ/DW 208—2018）和調(diào)度集中系統(tǒng)技術(shù)條件（Q/CR 518—2016）的要求，并隨后于2019年12月應(yīng)用于智能京張高速鐵路工程項目，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，符合智能調(diào)度集中系統(tǒng)暫行技術(shù)條件（TJ/DW 208—2019）的要求，能夠滿足智能京張高鐵行車調(diào)度指揮的實際需要。
來源：高速鐵路信號技術(shù)交流
