城軌交通運(yùn)行圖自動(dòng)編制及優(yōu)化系統(tǒng)的研究

高發(fā)琪，陳永生

（同濟(jì)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，上海 200331）

中國城市軌道交通正處于快速發(fā)展階段，尤其在上海，軌道交通已成為公共交通的主要方式。大量軌道交通 ATS（Automatic Train Supervision）系統(tǒng)的使用，有效地提高了地鐵調(diào)度效率，增強(qiáng)了軌道交通的安全性和準(zhǔn)確性。

而列車運(yùn)行圖是ATS系統(tǒng)的重要組成部分，一方面列車運(yùn)行圖是軌道交通運(yùn)輸部門實(shí)現(xiàn)列車安全、正點(diǎn)運(yùn)行的基礎(chǔ)，另一方面也是其經(jīng)濟(jì)有效地組織地鐵運(yùn)輸工作和列車運(yùn)行生產(chǎn)計(jì)劃的根據(jù)[1]。列車運(yùn)行圖自動(dòng)編制的實(shí)現(xiàn)，將有效地減輕編圖人員勞動(dòng)強(qiáng)度、縮小編圖周期、提高運(yùn)行圖編制質(zhì)量。而在此基礎(chǔ)上對運(yùn)行的優(yōu)化將進(jìn)一步提高列車的運(yùn)行效率，節(jié)約運(yùn)行成本。

1 列車運(yùn)行圖自動(dòng)編制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

城市軌道列車運(yùn)行圖的要素包括：列車區(qū)間運(yùn)行時(shí)分、列車停站時(shí)間、列車在折返站停留時(shí)間、列車折返出發(fā)間隔時(shí)間、列車出入車輛段作業(yè)時(shí)間、追蹤列車間隔時(shí)間和連發(fā)間隔時(shí)間[2]。

整個(gè)系統(tǒng)有兩個(gè)主要組成部分：數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)和運(yùn)行圖調(diào)圖子系統(tǒng)。其中數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)兩個(gè)模塊，它是編圖的基礎(chǔ)又是編圖的歸屬，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、組織、管理整個(gè)排布系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息。調(diào)圖子系統(tǒng)包括運(yùn)行圖自動(dòng)編制、運(yùn)行圖調(diào)整、運(yùn)行圖輸出模塊，它是系統(tǒng)的核心部分。根據(jù)地鐵運(yùn)營情況，通過求解模型中的函數(shù)，得到編制列車運(yùn)行圖的數(shù)據(jù)，自動(dòng)完成列車運(yùn)行圖的排布并經(jīng)人工介入調(diào)整后輸出使用。運(yùn)行圖自動(dòng)編制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 運(yùn)行圖自動(dòng)編制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 調(diào)圖子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 調(diào)圖子系統(tǒng)中的文檔/視圖結(jié)構(gòu)

微軟MFC的文檔/視圖結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)運(yùn)行圖自動(dòng)編制系統(tǒng)提供了方便、實(shí)用的框架結(jié)構(gòu)，便于程序的設(shè)計(jì)、分工、調(diào)試和系統(tǒng)維護(hù)，所以本系統(tǒng)采用文檔/視圖結(jié)構(gòu)[3]。所用到的幾個(gè)非常重要的成員函數(shù)如下：

（1）CView：：GetDocument函數(shù)： 該函數(shù)返回的是指向文檔的指針，利用它就可以對文檔類成員函數(shù)及公共數(shù)據(jù)成員進(jìn)行訪問。

（2）CView：：OnInitialUpdate 函數(shù)：對視圖對象進(jìn)行初始化。當(dāng)應(yīng)用程序啟動(dòng)或用戶從File菜單中選擇了New或Open時(shí)，該CView虛函數(shù)會(huì)被自動(dòng)調(diào)用。

（3）CDocument：：UpdateAllViews 函數(shù)：文檔數(shù)據(jù)改變時(shí)通知所有視圖對所顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的更新。

（4）CView：：OnUpdate 函數(shù)：對文檔進(jìn)行訪問、讀取文檔數(shù)據(jù)，然后對視圖的數(shù)據(jù)成員或控制進(jìn)行更新，以便文檔的變化。應(yīng)用程序調(diào)用CDocument：：UpdateAllViews時(shí)，應(yīng)用程序框架會(huì)相應(yīng)地調(diào)用該函數(shù)。

（5）CDocument：：OnNewDocument函數(shù)：當(dāng)用戶從 File菜單中選擇了New時(shí)，框架將首先構(gòu)造一個(gè)文檔對象，然后調(diào)用該虛函數(shù)，在此設(shè)置文檔數(shù)據(jù)成員的初始值。

2.2 文檔/視圖結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

主要圖形數(shù)據(jù)放在 CMTTDDoc類 （從 CDocument派生的文檔類）中，在CDynSplitView2視圖（運(yùn)行圖顯示與調(diào)圖視圖）中用圖形數(shù)據(jù)對象提供的接口對圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示輸出，即顯示/打印運(yùn)行圖。在CMTTDview視圖（站名與區(qū)間信息視圖）中，同樣調(diào)用圖形數(shù)據(jù)對象接口顯示車站和區(qū)間信息。

由于車站信息也是運(yùn)行圖的一部分，因此，兩視圖顯示的位置必須一致，二者都依賴于文檔類中的圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一。m_TrainGraph是一個(gè)CTrainGraph類的對象，而CTrainGraph類封裝了運(yùn)行圖的圖形數(shù)據(jù)，并提供操作接口，基本上所有的運(yùn)行圖操作都圍繞該類進(jìn)行。與CMTTDDoc類相關(guān)聯(lián)的有CMTTDview類和CDynSplitView2類兩個(gè)視圖類，后者用于運(yùn)行圖的顯示和調(diào)圖操作，而前者在與后者對應(yīng)的位置顯示車站和區(qū)間信息。OnLButtonDown（）等操作都必須做類似：CMTTDDoc*pDoc=GetDocument（）；的操作，最后通過 pDoc進(jìn)行操作。

實(shí)現(xiàn)時(shí)采用的結(jié)構(gòu)如圖2所示。；

圖2 調(diào)圖子系統(tǒng)中的文檔/視圖結(jié)構(gòu)

3 數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由于地鐵運(yùn)行圖的特點(diǎn)，開發(fā)時(shí)采用微軟的Access作為平臺(tái)，共分為三個(gè)數(shù)據(jù)庫：系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、基本數(shù)據(jù)庫及結(jié)果數(shù)據(jù)庫。其中系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包含了地鐵線路表和運(yùn)行參數(shù)表，如表1所示。該表決定了排哪一條線路的運(yùn)行圖以及對該線路運(yùn)行圖的基本要求；基本數(shù)據(jù)庫則可以存儲(chǔ)該線路的所有參數(shù)：車站、股道、道岔、區(qū)間、列車、上下行客流、車庫、日行車計(jì)劃等多個(gè)數(shù)據(jù)字典；而結(jié)果數(shù)據(jù)庫則保存了經(jīng)過計(jì)算后該線路的旅客時(shí)刻表、查錯(cuò)記錄表及質(zhì)量指標(biāo)表。

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的地鐵線路和運(yùn)行參數(shù)

由于本系統(tǒng)的所有重要數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在全局變量中，因此數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理工作主要是通過全局變量來傳遞窗口和界面的數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫，即要時(shí)時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)與全局變量的一致。如要更新某條記錄示例如下：

數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)操作簡便快捷，所用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入后便可自動(dòng)生成部分關(guān)鍵編圖的特點(diǎn)。不僅減少了部分輸入數(shù)據(jù)的工作量、提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，而且經(jīng)檢查、查詢、修改、保存，形成了比較準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行圖數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)。

4 運(yùn)行圖優(yōu)化方法的探討

在此重點(diǎn)探討由各折返段行車密度確定最少列車使用數(shù)的方法。

（1）單個(gè)區(qū)段

設(shè) m=1（m為折返區(qū)間數(shù)），高峰間隔時(shí)間為 d1（s）。最理想的情況下，列車在折返站的折返時(shí)間正好等于該站的最小折返時(shí)間標(biāo)尺，此時(shí)列車運(yùn)行一周的時(shí)間為：T周=t1上旅+t1下旅+t0折+t1折（s）。 ti上旅、ti下旅分別是上下行列車在第 I折返段的平均旅行時(shí)間 （s），ti折為列車在第I折返站的最少折返時(shí)間（s）。

若存在一個(gè)整數(shù) k，使得 t1上旅+t1下旅+t0折+t1折=k×d1，則總列車的運(yùn)行列車最少，如圖3所示。所需列車數(shù)為：

N=T周/d1=（t1上旅+t1下旅+t0折+t1折）/d1

圖3 一個(gè)區(qū)段的情形

（2）兩個(gè)區(qū)段

設(shè)m=2，在最理想的情況下，列車在車站的折返時(shí)間正好等于在該前些站最小折返時(shí)間標(biāo)尺，且大循環(huán)列車在中間站無多余停留時(shí)間，如圖4所示。則所需列車數(shù)為：

以此可以容易地推廣到m個(gè)折返區(qū)段以及環(huán)形路的情況，在此不再贅述。運(yùn)行圖的優(yōu)化可以從多個(gè)角度考慮，此處討論的只是其中的一種情況。

對運(yùn)行圖的優(yōu)化是有必要的，通過優(yōu)化可以確定最少的列車使用數(shù)，得到最優(yōu)的日班行車計(jì)劃，對提高地鐵運(yùn)能、節(jié)約運(yùn)輸成本起到積極的作用。

本研究以上海軌道交通8號(hào)線為原型，設(shè)計(jì)開發(fā)了供地鐵調(diào)度人員使用的運(yùn)行圖自動(dòng)編制及優(yōu)化系統(tǒng)。列車運(yùn)行圖自動(dòng)編制的實(shí)現(xiàn)將有效地減輕編圖人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、縮小編圖周期、提高運(yùn)行圖編制質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上對運(yùn)行的優(yōu)化將進(jìn)一步提高列車的運(yùn)行效率，節(jié)約運(yùn)行成本。該系統(tǒng)也可以作為ATS系統(tǒng)的一部分，可大量節(jié)省ATS系統(tǒng)二次開發(fā)的成本。

圖4 兩個(gè)區(qū)段情形

[1]BinarneStroutrup.The c++ programminglanguage[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]姜堅(jiān)華.上海軌道交通線ATC系統(tǒng)的比較[J].城市軌道交通研究，2003（2）：56-59.

[3]莊巍，陳永生.上海地鐵列車運(yùn)行圖自動(dòng)編制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程，2003，29（21）：11-16.