列車運行計劃編制與驗證系統研究

胡亞峰

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

隨著我國城市化進程加快，城市交通堵塞和環境污染也日益嚴重。只有采用大客運量的軌道交通系統，才能從根本上解決城市公共交通問題。截至2011年底，我國大陸已有北京、上海、南京等13個城市建成軌道交通系統[1]，另有蘇州、寧波等22個城市在建或通過審批。

列車運行計劃規定了列車運行的時間與空間關系，是鐵路運營組織的基礎。該計劃包含列車在各車站的起停時間、作業方式、折返方式及所用車輛、出入庫路徑等。通過列車運行計劃，整個鐵路網的生產活動聯成一個整體，并有秩序地進行作業。與長距離軌道交通相比，城市軌道交通具有客流量大、客流時空分布不均衡、站間距短、車站配線少等特點，這給其列車運行計劃的編制帶來了諸多挑戰。

在城市軌道交通系統建設初期，需要考慮軌道交通系統建設規模、建設方案、車輛選型和系統建成以后的各種運營指標等，以指導軌道交通系統的建設；在系統建設后期，需要快速編制高效的列車運行計劃，以適應客流變化及線路改造，保障軌道交通系統高效和安全運營。這些都需要高效的列車運行計劃編制與驗證系統，以提升城市軌道交通網絡的運營效率和安全性。

本文結合北京全路通信信號研究設計院有限公司在該領域的研究成果，回顧當前國內外研究進展，介紹系統總體結構和功能組成，詳細研究若干關鍵問題。需要指出的是，本文的研究背景為城市軌道交通，但相關研究成果對長距離軌道交通同樣具有借鑒意義。

2 研究進展

自上世紀50年代始，國外學者即開始研究利用計算機編制列車運行計劃[2]。日本注重人工智能方法，將計算機自動生成的解作為原始方案，再采用人機交互方式進行修正。前蘇聯著眼運輸生產上的實用性，應用計算機代替人工運算。荷蘭基于列車周期時刻表模型，開發了運行計劃編制的決策支持系統[3]。此外，美國、德國等國家也先后進行相關研究與實驗，取得了一些成果。我國自上世紀60年代也開始研究列車運行計劃編制問題。鐵道部科學研究院率先于1962年利用計算機鋪劃非平行運行圖。西南交通大學引入專家系統，研究了運行計劃編制中的人工智能問題，并設計了全路運行圖編制系統[4]。

在城市軌道交通領域，國外對列車運行計劃編制的研究起步較早，且有較成熟的軟件產品。西門子公司于1998年開始研制名為“Falko”的軟件[5]，用于鐵路系統時刻表的建立、驗證和運營仿真。它以完整的閉環交通控制系統為模型，提供實際運營過程的真實模擬，是高質量、有效的時刻表編制與驗證系統。阿爾卡特、通用電氣、阿爾斯通等信號系統提供商也有各自配套的時刻表系統。國內對該方向的研究落后于國外，但近幾年發展速度很快。同濟大學研制的TPM編圖軟件[6]，實現了運行計劃的計算機編制與調整，使運營部門擺脫了Excel等第三方工具，提高了生產效率。在牽引計算、列車運行仿真、運輸計劃優化等方向，國內學者做出了一定貢獻?？傮w而言，國內研究成果覆蓋面較廣，但缺乏深度，也缺少有影響力的產品。

該領域國內市場基本被國外信號公司主導，但國外公司產品往往與自身信號系統綁定，不提供基礎數據配置接口，且人機交互方式不適應國內用戶習慣[7]。國內公司的一些相關軟件產品也在地鐵運營公司和鐵路設計院有應用，但幾乎都集中于人工編制與人工調整等功能，在運行計劃優化和高精度仿真驗證方面鮮有突破。

構建具有自主知識產權的列車運行計劃編制與驗證系統，是一項緊迫而又富有挑戰的任務。該系統涉及的客流預測與分析、列車運行計劃優化、運營評估等依托于軌道交通運輸專業，而列車牽引建模與計算、信號系統仿真等又依托于信號控制專業。北京全路通信信號研究設計院有限公司組織各相關專業團隊，借鑒國內外成功經驗與先進技術，依托北京地鐵8號線等工程項目，對該領域進行了長期和深入的研究，取得了一些成果。

3 系統結構

列車運行計劃編制與驗證系統由基礎數據管理、運行計劃優化編制、運行計劃人工編輯、仿真驗證和運行計劃輸出等5大模塊構成，總體結構和主界面分別如圖1、2所示。

3.1 基礎數據管理

基礎數據是列車運行計劃編制的基礎和依據，包括客流數據、線路數據、車輛數據、信號參數和時間標尺等。

客流數據指未來某一日期范圍內的線路客流量預測數據，主要包括分時分方向斷面客流量、分時起訖點客流分布、分時分方向換乘量等。線路數據包括線路平面圖、平縱斷面、站場圖、車輛段分布等。車輛數據包括可用車輛的型號、數量、編組、牽引性能、初始分布等。信號參數描述了進路、保護區段、限速區段、ATC類型、聯鎖類型等信號細節信息。時間標尺規定了區間運行時間、停站時間、折返時間、出入庫時間、追蹤間隔時間等時間參數的默認值。

3.2 運行計劃優化編制

運行計劃優化編制是本系統的核心模塊。列車運行計劃按精細度可分為運力配置計劃、車輛計劃、運行計劃和進路計劃。

運力配置計劃編制是計劃優化編制的第一步，主要依據客流預測結果和具體線路的折返站情況設置交路形式、停車方案和分時開行密度。車輛計劃是計劃優化編制的第二步，以車輛使用數最小化為目標，考慮車輛種類及初始分布等約束條件，為每個單車次分配一輛列車，同時生成所需的出庫和入庫車次。運行計劃是計劃優化編制的第三步，將車輛計劃精確到車站軌道，并確定具體的折返路徑。進路計劃是計劃優化編制的最后一步，將運行計劃精細到進路區段，并考慮各進路區段間的互斥來保證計劃的合理性。

3.3 運行計劃人工編輯

運行計劃人工編輯貫穿于計劃編制全過程，通過一系列人機交互界面方便用戶修改編制結果。該模塊按功能可分為添加列車、修改列車、刪除列車、復制列車、交路合并和交路分拆等6部分。

添加列車功能供用戶人工增加單輛完整列車，可配置運行交路、運行時間、折返路徑等信息。修改列車功能供用戶修改已有列車的信息。刪除列車功能供用戶刪除已有的單輛或多輛列車。復制列車功能以已有列車為模板，單次增加多輛相似列車。交路合并和交路分拆功能分別用于兩輛列車合并和單輛列車分拆。通過以上功能，用戶可對運行計劃做出全面且合理的修改。

3.4 仿真驗證

該模塊對軌道交通各運行要素建模，并設置各類運行故障，以驗證列車運行計劃的合理性。運行要素包括客流、ATC、聯鎖和車輛牽引系統。

客流仿真用于模擬旅客在車站的動態行為，包括到站、安檢、過閘機、行走、排隊、等待、上車、下車和離站等行為。ATC仿真包括列車自動防護模擬和晚點情形下的自動調整策略模擬。聯鎖仿真指模擬信號機、道岔和進路間的相互制約關系。牽引計算指根據車輛牽引性能、線路平縱斷面及限速信息，動態計算列車的運行速度。模擬驗證過程中，列車運行情況和信號系統狀態同步顯示于圖形窗口上。

3.5 運行計劃輸出

運行計劃輸出模塊以多種形式輸出運行計劃，以滿足不同部門的使用需求。這些形式包括車底時刻表、車站時刻表、車次時刻表、進路計劃和運營評估結果。

車底時刻表指按車底編號輸出的時刻表，同一車底關聯的所有單車次按時間先后次序排列。車站時刻表指按車站輸出的時刻表，同一車站經過的所有單車次按時間先后次序排列。車次時刻表指按單車次號次序輸出的時刻表。進路計劃包含了列車運行所需的詳細進路信息，供信號系統使用。運營評估結果指系統對運行計劃的分析評估信息，如列車運行計劃協調性、可實施性和安全性等。

4 關鍵問題研究

4.1 運力配置計劃優化編制方法

運力配置計劃規定了線路的旅客輸送任務，其編制基礎是客流預測結果和線路信息。交路的起訖站依據客流空間分布密度和具體折返站情況設置，其形式包括單一列車交路、大小列車交路和共線列車交路等。各交路的站停方案和站停時間依據各站的斷面客流密度而定。交路的開行密度依據客流時間分布密度而定，需考慮追蹤間隔時間約束。

運力配置計劃的優化目標可分為兩個層面，分別為面向運營單位和面向旅客。對于運營單位，需考慮運營成本與收益，這要求單車滿載率盡可能高。對于旅客，需考慮等待時間和換乘次數等服務質量問題，這要求發車頻率盡可能高且盡量開行長交路。綜合考慮線路運營成本、旅客等待時間和旅行時間，定量分析三者間的關系，構建了多目標優化模型，并應用啟發式算法處理和求解該模型，取得了較好的結果。

4.2 多車輛段的車輛計劃優化策略

車輛計劃指為滿足運力配置計劃而制定的車輛使用計劃。單條線路可含多個車輛段（含停車場），各車輛段配置的車輛種類和數量也不一樣，這給車輛調度帶來了一定復雜性。車輛計劃的優化目標為車輛使用數最小化，約束條件包括各車輛段存車線數、存車種類、存車數、最小出入庫時間、最小檢修周期、各折返站最小折返時間和各車站最大存車數等。此外，如車輛需在指定車輛段檢修，則需該車輛段的出庫車輛與入庫車輛一致；如要求各車輛段車輛均衡使用，則需要設置各車輛段的最小用車數。

針對該優化問題，分別建立了車輛同向銜接模型、異向銜接模型、車站存車模型和出入庫模型。優化方法上采取分步優化策略。首先只考慮折返時間和車站最大存車數約束，同時增加必要的單車次，以最小化車輛使用數。其次考慮車輛段相關的各項約束關系，增加出庫車次和入庫車次。最后對車輛使用數進一步優化，合并同一車輛段滿足最小檢修周期約束的車輛，并對同向車次間隔時間作平滑處理。對北京地鐵多條線路實施該優化策略，在優化效果和求解時間上都有一定優勢，如圖3所示。

4.3 折返站作業流程建模與分析

列車運行計劃需進一步精確到軌道，并確定具體的折返路徑。折返站一般配置多條渡線或折返線。列車在折返站也相應存在多條折返路徑，可分為站前折返和站后折返兩大類。根據使用渡線或折返線的不同，各大類又可細分為若干小類。折返站的折返能力是影響線路運輸能力的主要因素之一。運行計劃編制中，需要通過優化折返路徑與折返時機來實現列車正線運營與折返的有效銜接。

通過對列車在折返站的作業過程分析和分解，本系統自動提取關鍵位置點。分析各作業子過程間的關系可知，同一列車不同子過程在時間上存在接續關系，在空間上存在接續關系和選擇關系；不同列車子過程間的約束關系可分為相容、部分互斥和完全互斥3類關系。如此，折返站作業可視為離散事件驅動的動態系統，可建立基于事件驅動的狀態空間模型。如圖4所示，基于該模型，設計面向折返調度的遞推式算法，可有效確定運行計劃中各列車的占用軌道和折返路徑。

4.4 面向路網的運行計劃優化方法

與單線路相比，軌道交通網絡的客流將呈現不同的特征，其運行計劃優化問題也更復雜。從路網運營角度，必須進一步提高路網客流預測的準確性、各線路運力配置的均衡性和運行計劃的協調性。路網形成后，客流的產生、時間分布和空間分布特性都會發生變化。建立更準確有效的預測模型和分析技術，才能得到精準的網絡客流數據。運力配置的均衡性主要考慮換乘站，包括不同線路在換乘站的客流高峰時段不同時到達、延續時間不等及線路間換乘客流不均衡等情況。運行計劃的協調性主要考慮換乘旅客的方便和快捷，各線首末班車次發車時刻及各線列車在換乘站的到發時刻需協調，以盡可能減少乘客的換乘時間。

4.5 面向路網的運營仿真技術

軌道交通運營仿真按空間可分為車站、線路和路網等3個層次。車站仿真需模擬旅客到站、安檢、過閘機、行走、等待、排隊、上車、下車和離站全過程，需構建旅客模型、車站環境與設備模型和列車模型。線路仿真需模擬不同情形下列車在線路上的運行狀態及車流與客流的聯動關系，需構建客流模型、ATC模型、聯鎖模型和車輛牽引模型。路網仿真需模擬車站、線路和路網3層人流、車流和信號系統的集成聯動關系。

對客流、既有信號系統和車輛牽引系統建模，基于列車運行計劃，本系統可實現車站和線路仿真。系統可設置臨時限速、客流擁塞、車門故障和信號設備故障等各類運營場景，以多種速率進行反復試驗，從而對運行計劃與運行結果的內在關系進行評估。實際運營中很難實施的極限實驗和突發情況可以在此系統上得以復現和研究。

4.6 運營評估理論與方法

運營評估從車站、線路和網絡等不同層面上對軌道交通路網運營能力進行分析與評估。運營評估的數據來源于歷史運營數據和列車運行計劃的仿真結果。評估方法包括線路運輸能力、路網運輸能力、列車運行計劃協調性和可實施性、換乘站銜接、首末車銜接、實際運營效果和運營安全性等。通過研究運營評估理論和方法，可為高效配置路網資源、保障安全運營和提高服務水平提供科學依據，為運營部門提供決策支持，實現路網整體效益的提升。

5 結語

隨著城市軌道交通路網的逐步建成，列車運行計劃編制與驗證系統將對路網安全高效運營發揮日益重要的作用。本文結合北京全路通信信號研究設計院有限公司研究成果，回顧了國內外研究進展，介紹了系統總體結構和功能組成，詳細分析了其中幾個關鍵問題。研制具有自主知識產權的列車運行計劃編制與驗證系統，是一項緊迫而又富有挑戰的任務，需要更多研究團體和相關企業的參入。

[1]顧保南.2011年中國城市軌道交通運營線路及里程統計[J].城市軌道交通研究, 2012, 15（2）：31-32.

[2]黎新華.單線區段列車運行圖鋪劃與運行調整優化方法研究[D].長沙，中南大學, 2005.

[3] Schrijver, A.and Steenbeek,A.Timetable Construction for Railned[R].Technical report, CWI, Amsterdam, The Netherlands, 1994.

[4]倪少權,呂紅霞,楊明倫.全路列車運行圖編制系統設計的研究[J].西南交通大學學報，2003，38（3）：332-335.

[5] Borger E., Pappinghaus P.and Schmid J.Report on a Practical Application of ASMs in Software Design[J].Lecture Notes in Computer Science, 2000, 1912：361-366.

[6]徐瑞華,江志彬,朱效潔,等.城市軌道交通列車運行圖計算機編制的關鍵問題研究[J].城市軌道交通研究, 2005,8（5）：31-35.

[7]汪洋,張倫.京津城際列車運行圖編制系統研究[J].鐵道運輸與經濟, 2011, 33（7）：72-74.