自動化智能技術在城軌運營管理及調度領域應用可行性分析

■　李　克

自動化智能技術在城軌運營管理及調度領域應用可行性分析

■李克

“工業4.0”的智能工廠、智能生產、智能物流三大主題概念，都與城市軌道交通運營生產及管理緊密結合。分析城市軌道交通運營管理及調度系統技術發展現狀，探討自動化智能技術在城軌交通運營管理及綜合調度系統的應用需求、必要性和可行性。

城軌交通；運營管理；調度；自動化；智能技術；綜合監控；可行性分析

1　城軌交通運營管理及調度系統技術發展現狀

城市軌道交通運營管理包含生產和管理2個層面，運營生產主要體現在站務、乘務、調度3個層面工作崗位發揮的作用，作為運營一線的生產業務，保障了城市軌道交通的順利安全運營。運營管理是城市軌道交通企業后臺行為，是對生產崗位活動的管控、分析和調整，以有力促進和保障城市軌道交通的運營生產作業。

在城市軌道交通運營管理環節中，有著重中之重特點的生產崗位是調度，其崗位安全重要性、效率高低直接影響著城市軌道交通的運營安全和運輸效率，而調度崗位及其配置的系統設備，也將城市軌道交通的全線信息實時收納、處理，以實現全線列車運行安全準點、客流輸送的有效暢通，并能確保應急指揮的事件/事故決斷處理中心地位。調度是運營生產環節的活動，其崗位重要程度和運營信息數據的匯聚，使運營管理的大數據分析、處理、共享與調度崗位活動及系統配設密不可分。

城市軌道交通運營是一個長時間、跨地域、多專業的運營管理體系，其崗位業務裝備系統的發展經過了站/所人工監控報表管理、中央分立監控機輔信息化管理、中央綜合監控信息自動化管理和自動化綜合調度及智能化運營管理等發展階段。

隨著城市軌道交通整體運營需求的發展，跨系統集成的綜合系統在我國城市軌道交通建設中呼之欲出。21世紀初，供電系統與機電系統率先整合為統一平臺的監控系統在我國地鐵領域首先應用，實現了以電調、環調為核心的綜合監控系統，并與廣播系統、閉路電視、火災自動報警系統、列車自動監控系統、時鐘系統、乘客信息顯示系統、自動售檢票系統、門禁系統進行了接口，實現信息互聯，很快成為地鐵建設的首選［1］。

近年來，隨著城軌運營生產組織適應快速聯動、高效應急、突發規避的運輸需求的運營功能及裝備系統發展的技術研究，以“行調”為核心的綜合監控系統逐漸進入城軌領域。該系統是在以電調、環調為核心的綜合監控系統基礎上，增加了對其他城軌運營系統的功能集成，特別是加入了列車監控系統（ATS），完成了對列車運行的監視。

集成方案是一個“動態”的監控系統，它集成了ATS子系統，確立了以行調為核心的整體概念，以列車帶動車站及線路設備的聯動，減少了以電調、環調為核心的集成方案的監控盲區，是綜合監控系統發展的一個新階段。以行調為核心的綜合監控系統見圖1。

作為現存運營生產及管理系統的技術平臺，該系統在平臺集成度建設及對全面提高運營管理效率和運營數據統計使用方面，尚存在以下不足：（1）對列車運行監控系統的集成，雖然完成了全部信息的交互，但是由于采用互聯的方式實現，對整個系統的統一性、聯動性有一定的影響。（2）由于對大多數系統的集成采用全面互聯的方式，雖然全面實現了城軌日常運營管理的功能，但是由于各個機電系統仍然獨立建設各自的管理系統，特別是那些非關鍵安全系統的重復建設，造成總體工程建設成本及使用維護成本居高不下。（3）與城軌信息管理系統的交互比較少。由于綜合監控系統產生大量的設備當前狀態信息，這些數據如果用于對設備維護的管理，將大大提高維護管理水平。（4）沒有為管理者提供更多的決策信息。綜合監控系統產生的大量數據，如能進行必要的數據挖掘，會對運營決策產生重大影響。（5）缺少應急指揮管理功能。地鐵的應急指揮是保障地鐵運營安全的重要手段，綜合監控系統的聯動遠遠不能滿足應急指揮管理的需要。

2　應用需求

借鑒國外先進的綜合監控系統研究經驗，完善上述現存系統的功能缺陷問題，采用合理標準的系統平臺設計，規劃出城軌領域自動化智能運營管理及綜合調度系統應用業務技術需求（見圖2）［2］。

其需求核心在于形成城軌運營管理及綜合調度的數據中心，將城軌交通運輸生產活動中的各項關聯信息容納于統一可共享存儲、調用及分析運算的平臺系統中。

自動化智能技術在城軌運營管理及綜合調度作業應用，實現的是交通運輸領域業務的“動態”監控及思考自學習功能，以行車指揮/客流運輸為功能核心，通過協調聯動、數據同臺共享、信息內循環自學習，加強對站、車、線、所、段各系統的監控管理以及與維護系統的協調，是軌道交通運營中的一個切實需求，也是運營自動化智能的必然方向，已成為軌道交通自動化技術發展的必然趨勢及必經過程，也是城軌運營管理提高效率、技術升級、實現現代化的必然需要。

圖2　城軌運營管理及綜合調度系統業務需求

3　必要性分析

3.1亟待解決的運營管理問題

客觀上我國需要大力發展城市軌道交通，但是軌道交通系統運營管理中存在的諸多問題卻制約著我國城市軌道交通的發展。對于我國人口眾多的具體國情，大中型城市的城市軌道交通運營管理都面臨著共性問題的挑戰。（1）網絡運營管理規模大；（2）系統運行關聯度高：包括網絡結構的關聯、運行模式的關聯、系統互通的關聯、資源共享的關聯、應急保障的關聯；（3）網絡客流換乘路徑多；（4）物流管理運作難度大；（5）維護管理的復雜性強：檢修體制與維修體制復雜，網絡維護設施分散設置、功能多樣；（6）突發事件影響范圍廣。

3.2日趨具體迫切的系統需求

（1）網絡化運營信息管理需要集成并實現信息共享；

（2）運營部門實現統一協調管理、以快速精準地應對客戶反應，提高乘客服務質量；

（3）運營維護實現專業、高效及自動化；

（4）突發事件應急實現迅捷響應、聯動處置的能力。

3.3城軌運營生產環節發展的必然

在城市軌道交通運營中，各專業機電系統之間的關系并不是孤立的，而是通過互相配合、聯合互動的方式共同完成運營管理工作，網絡化運營管理需要全面支持軌道交通運營中的各種聯動方案，實現各專業機電系統的有機結合。

城軌運營生產設備以行車調度、電力調度、設備監控、視頻監控、乘客疏導等生產作業緊密相關的機電系統為核心，需從運營調度的實際需求出發，對核心機電系統的功能實現全面支持并加以整合，以適應城軌網絡化運營管理的發展需求。全面的運營管理離不開對列車運行、客流動態、設備工況的監控，自動化智能運營管理及綜合調度系統在原有綜合監控系統基礎上，加入對列車運行、客流、車載的監控，實現車載設備與地面的數據交互，進而對車載設備實現監控，達到運營范圍的全息全程監視控制。

面向運營和維護，是自動化智能運營管理及綜合調度系統穩定運行的基礎。大量的控制數據，除了實現監控目的外，還應更廣泛地延伸到地鐵維護和管理系統中。因此，與維護系統的集成也是自動化智能系統的必然趨勢。

緊急事件的應急指揮是地鐵運營中的一個核心環節。自動化智能運營管理及綜合調度系統所包含的應急指揮管理功能，將提高應急指揮的自動化、智能化能力，減少應急指揮中人為干預因素，從指揮管理和實時多系統聯動控制兩方面入手，將中央調度、現場人員、城軌公司各級領導、市政各部門統籌為一個整體，從而提高應急指揮效率，減少緊急事件帶來的損失。

4　技術可行性分析

隨著網絡技術、計算機技術、數據分析工具的發展，在城市軌道交通領域實現自動化智能運營管理及綜合調度系統已經成為可實施的工程方案，將全監控功能的綜合監控系統提升為自動化智能系統，已經具備了實現的技術基礎和可行方案。

4.1集成行車指揮系統的可行性

在自動化智能運營管理及綜合調度系統中，集成行車指揮系統的方案具有可操作性，同時也是城市軌道交通運營管理的需求，其先進性不言而喻。可行與否的重點分析在于列控系統（信號系統）的安全完整度的損傷影響及有效保護措施。

（1）保護信號系統安全性的實現分析。信號系統由ATS、ATO、ATP設備構成，以行車調度指揮為核心的自動化智能運營管理及綜合調度系統只是將信號ATS子系統集成，而信號ATO、ATP系統的設備仍為獨立構成的完整系統。該方案沒有改變3個子系統原有的結構及接口關系，可以保障整個信號系統的完整性及安全性。根據國際及國內技術標準規范的要求，作為行車指揮系統的信號ATS系統的安全完整度等級定義為2級。自動化智能運營管理及綜合調度系統中ATS功能部分應由獨立研發團隊完成，研發的全部環節（如設計、開發、測試等）均遵循EN 50128標準進行，且要求自動化智能系統的ATS服務部分充分做到軟件模塊松耦合，支持物理隔離。因此，自動化智能運營管理及綜合調度系統集成行車指揮系統并不會降低整個城軌信號系統的安全性。

（2）對行車指揮系統可靠性及可用性的考慮。自動化智能運營管理及綜合調度系統由于集成了ATS及車載系統，在設計上應具有更高的可靠性及可用性。通過在自動化智能系統的物理層和應用層對ATS進行相對獨立和優先處理來實現，以更好地保證行車管理不受其他系統干擾，最大限度保障行車調度的可靠性及可用性。

4.2多系統集成的技術可行性

由于自動化智能系統整合了眾多的城軌運營管理系統，如何保證系統的高穩定性、保證系統之間相對松散的耦合性，即一個子系統的失效不至于導致系統癱瘓，特別是那些深度集成的系統，一旦自動化智能系統失效，將導致系統的操作無法執行。

規模系統集成已經在其他工業控制系統、軍事作戰指揮系統（C4）中得到廣泛應用。其中，廣泛采用了成熟的分散自律體系，使得軟件模塊保持松耦合性，即一個模塊的失效不能影響其他模塊的正常工作；在軟件、硬件上采用高可靠的模塊，多重冗余技術相結合，保證系統的高穩定性；采用分布式軟件架構，利用分布式系統數據分布采集、數據分布處理、功能集中整合等特性，確保綜合化集成系統的實時性、高效性、穩定性、可靠性、一致性。

這些成熟的大規模系統集成技術在國內其他行業及國外城軌綜合監控系統建設中，也早已被驗證是成熟的、可靠的。

4.3多系統集成功能設計的可行性

城軌自動化控制系統的分立監控系統的建設方式，在國內已有20年的歷史。各分立系統的建設已經很成熟，各系統完成的功能都很清晰。國外的綜合監控系統建設，基本容納了各分立系統的功能，也為自動化智能運營管理及綜合調度系統的建設提供了必要的建設經驗。

在多系統集成的技術保障之下，完成各整合系統的功能建設，不存在任何技術和專業知識的屏障。

4.4成熟的軟硬件組件平臺

時下擁有一套成熟的基于SOA（Service-Oriented Architecture）組件模型技術的軟件組件平臺并非難事，通過對城軌運營管理及綜合調度生產及管理環節的應用需求概括和提煉，依據技術和功能的通用性，進行層次化、模塊化的軟件結構設計，對核心要素進行封裝，構成系統建設的中間層以降低系統建設的復雜程度，使依托基礎平臺建設的系統具備滿足行業需求、綜合集成、松散耦合、“即插即用”的特點［1］。

綜上分析，將成熟的自動化智能技術平臺運用到城軌運營管理及綜合調度系統的建設方案，技術上成熟可行。

5　經濟可行性分析

城軌控制系統的建設包括2種模式：一種模式為各機電控制系統單獨建設監控系統；另一種模式為通過建設自動化智能運營管理及綜合調度系統，實現對各機電控制系統的集成建設。

在單獨分立建設模式下，為了實現中央監控，各機電系統建設內容包括：末端設備、接口設備、網絡傳輸設備、中央實時服務器、中央歷史服務器、監控終端。每個機電系統自成體系，使用通信專業的骨干網完成末端設備與遠端監控的數據交換。

在集成建設模式下，各機電系統僅需搭建末端設備，其他設備均由自動化智能運營管理及綜合調度系統完成。通常自動化智能系統會根據系統實際規模需求，對數據處理資源（實時服務器）、數據存儲資源（歷史服務器）進行整合，有效降低設備成本。單獨建設和集成建設模式下運算設備對比情況見表1。

此外，在集成建設模式下，由于系統結構相對簡化，且使用統一軟件平臺，系統軟件自身成本及系統安裝、調試所需人力及時間成本與單獨建設模式相比均大幅下降。

綜上所述，采取新技術集成建設方式所需系統總體工程造價約為采取傳統單獨分立建設方式的80%。

表1　類比系統的建設投入對比分析

6　結束語

自動化、智能化技術在城市軌道交通運營管理及綜合調度系統領域的應用是計算機技術、互聯網技術、高寬帶通信技術發展的必然［4］。2015年，在行業領域范疇，運營管理及調度的綜合自動化、智能控制的概念和相關應用系統如雨后春筍，破土而出。當前試驗型城軌運營綜合自動化系統（TIAS），多由不同專業系統集成公司的技術團隊融合研發而成，將運營調度、設備調度的系統平臺，由融合開發團隊以標準化計算機平臺統一開發，實現全面運營生產的系統管理。但作為計算機和互聯網技術的領域應用，運營信息數據的挖掘及共享是建設統一平臺的實質目的，如何完善運營大數據處理、數據安全傳遞、數據歸類及分析、成果共享，使運營數據服務于管理，創造安全與效率的城軌生產及管理環境，仍是需要不斷探索的研究方向。

［1］ 鐵道第三勘查設計院集團有限公司.城市軌道交通設備綜合監控系統［J］.都市快軌交通，2008（5）：96.

［2］ 陳磊.地鐵綜合監控系統（ISCS）綜述［J］.軌道時代，2010（11）：14-15.

［3］ 王同軍.基于BIM的鐵路工程管理平臺建設與展望［J］.鐵路技術創新，2015（3）：8-13.

［4］ 賈利民，秦勇，張媛.數字鐵路、智能鐵路與鐵路智能運輸系統［J］.中國鐵路，2012（3）：16-20.

李克：深圳地鐵集團深圳市市政設計研究院有限公司，高級工程師，廣東 深圳，518000

責任編輯盧敏

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1672-061X（2016）04-0067-04