基于CTC的行車調度作業仿真培訓平臺

杜嘵旭, 何 濤

(蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院, 甘肅 蘭州 730070)

隨著我國鐵路事業的迅速發展,鐵路運輸已成為客貨運輸的主要手段。消除車站行車作業違章對鐵路全線行車安全具有重要意義[1]。

鐵路行車作業是車站遵照鐵道行業標準,根據實際情況作出部分調整的模板性作業。作業過程需要車站值班員、調度員、信號員、助理值班員等多工作崗位人員相互配合,也涉及數字調度臺、行車設備檢查登記簿、分散自律調度集中系統(centralized traffic control system,CTC)以及計算機聯鎖系統等多系統交互操作的業務網絡。

車站對于行車作業訓練的難點主要體現在：(1)鐵路設備全天候工作,工作人員學習時間少；(2)車站信號系統故障浮現率低,學習處理各種故障機會較少。目前鐵路行車作業訓練的方式主要是集中授課、車站聯合演練和采用行車作業調度仿真培訓軟件。第一種方式效果較差；第二種組織難度大,需要多車站、多單位、多實際設備聯合演練；第三種方案成本低、組織難度小、培訓效果好,是目前大多數車站采用的主要解決方案。

近年來,鐵路行車作業調度仿真培訓系統的開發取得很多成果[2-4]。例如北京交通大學設計的高速鐵路行車調度指揮一體化仿真實驗平臺,上海應用技術大學建設的軌道交通運行與安全實驗教學示范中心及行車調度指揮作業全方位的實驗,蘭州交通大學設計了高鐵計算機聯鎖仿真培訓系統。筆者以CTC為核心,結合業務流程控制、語音識別、語音合成等技術,設計了行車作業流程可管理、培訓崗位可配置、可對培訓過程進行管理與分析的行車作業流程仿真培訓平臺。

1 平臺的結構和功能設計

基于CTC的行車調度作業仿真培訓平臺摒除了與行車作業無關的軟硬件功能,僅涉及行車組織人員的操作,培訓場景與實際場景相一致。借鑒大秦線鐵路CTC系統功能結構[5],依據現有行車作業流程體系,將功能模塊進行了細分。平臺的功能結構如圖1所示。

圖1 平臺的功能結構

1.1 中心系統

中心系統包括流程控制中心子系統與數據庫兩部分。流程控制中心子系統主要包括CTC中心模擬模塊、環境初始化模塊、作業流程控制算法模塊、測試評判模塊。主要功能是：

(1) 實現CTC中心調度命令管理、運行圖管理、車站信號設備操作功能；

(2) 實現車站人員自由搭建行車模擬場景,包括行車作業流程網絡編輯管理、機車編組和速報信息編輯管理、行車計劃的編輯管理；

(3) 作業流程控制,監聽值班員對其他子系統的操作,判斷值班員操作是否正確,參與培訓人員通話用語是否標準,模擬行車組織調度員、鄰站、助理值班員等與值班員的通話,驅動非正常接發車作業流程的執行；

(4) 記錄培訓過程的全部操作并分析,給出詳細測試報告,將培訓人員測試情況存檔以備后續查閱以及用于崗位選拔；

(5) 數據庫存儲非正常接發車作業流程用例、值班員歷史測試記錄、行車計劃信息、機車信息、語音規則庫。

1.2 培訓人員操作系統

培訓人員操作系統包括數字調度臺子系統,CTC車務終端仿真子系統,聯鎖仿真子系統3部分,是培訓人員的操作平臺。

數字調度臺模擬值班員與鄰站、調度臺、助理值班員、值班站長、司機、列貨檢、工務電務等單位的語音交互,實現錄制值班員語音信息并通過自動語音識別(automatic speech recognition,ASR)技術轉化為文字信息。通過文字轉語音(text to speech,TTS)技術播放約定好的文本信息,模擬各工種、單位與值班員的語音交互信息。

CTC車務終端仿真子系統分為行車日志模塊、列車編組和速報模塊、調度命令模塊和電子行車檢查簿模塊,主要功能是：

(1) 對行車序列的增刪、觸發、發車預告、同意預告、拒絕接車、辦理直通、行車報點；

(2) 查詢、編制、上報各行車車次、型號、發報站、總重、輛數、長度、車號、到站等速報信息；

(3) 實現對路票、紅色許可證、綠色許可證的模擬仿真,實現向調度臺申請調度命令,向機車下發、轉發調度命令,接收流程控制中心子系統下發的調度命令；

(4) 實現值班員在行車設備故障情況下的故障登記、模擬相關檢修單位現場檢修、故障銷記等功能。

計算機聯鎖仿真子系統由站場模擬機、聯鎖判斷模塊、信號操作接口3部分組成。主要用來模擬現場信號設備運行情況,向流程控制中心提供信號設備的故障設置接口,實現聯鎖表讀取、聯鎖運算,提供信號設備操作接口。它是值班員的主要操作界面。

1.3 通信數據服務平臺

通信數據服務平臺采用微服務架構(micro service architecture,MSA),定義統一網絡通信接口協議,實現通信數據轉發、記錄、一包多發,分解數據包、合并數據包、數據編碼轉換,實現系統時間校準、子系統通信狀態報警等功能。

2 關鍵技術

2.1 微服務架構通信協議設計

為滿足現有系統的兼容性、穩定性要求,各鐵路車站可能使用不同調度系統和信號系統,以實現相似或相同功能。但是在培訓中執行不同車站行車作業流程時,存在不同信號系統或調度系統的兼容性問題。MSA是通過將應用服務API分解為細粒度的離散基礎服務,減弱子系統的關聯性[6],進而避免由于子系統變更所帶來的孤島效應。

MSA由基礎服務源、微服務容器、服務請求者組成。圖2是系統采用MSA與常規架構在子系統1發生變更時所帶來的系統影響對比。其中各子系統提供基礎服務API構成基礎服務源,服務請求者組合基礎服務源內部分API完成某項功能。當MSA在子系統發生變更時,系統需變更微服務容器內接口組合定義，以兼容更新后的子系統1。常規架構中需要變更與本功能相關的各子系統接口組合定義,即子系統發生變更時,前者架構需要的變更較少,具有更好的子系統兼容性。

微服務架構的實現方案如下：

在仿真系統通信數據服務平臺搭建微服務容器,提供進路辦理、語音處理、行車日志處理、調度命令處理、故障登/銷記、信號設備操作、站場狀態獲取、速報表處理、故障清單初始化等微服務接口。由各子系統提供目標按鈕點擊、信號設備選中、表序列選擇等細粒度基礎服務接口。各子系統通過輕量級socket消息包調用微服務接口以完成某項工作。

2.2 適應性關鍵字語音識別

在鐵路行車作業中,各工種間的信息交互采用標準化用語。但是在車站實際作業中,行車組織人員使用簡略化、地方化用語表述時,語音識別模式可能失效。

適應關鍵字語音識別是對語句中部分關鍵字識別,并對關鍵字-發音數據庫進行適應性更新的識別方式。圖3是某一場景下的適應性識別過程。系統在首次使用時錄入車站行車組織人員語音信息,以解決大部分特殊語句、詞匯識別問題。隨后系統投入使用,操作人員從數字調度臺錄入語音并識別為關鍵字序列,流程控制中心對該序列與標準序列對比。系統設定：當正確率高于一定閾值時,可自動將誤差項更新至語法規則庫,同時人工可干預評判,從而提高識別速度與識別準確性。

3 控制流程

3.1 行車作業流程網絡結構

行車調度作業仿真培訓平臺將非正常接發車作業流程抽象為網絡結構的操作指令序列,其中流程網絡節點代表了行車作業人員完成的每一步工作,主要包括3部分屬性：

(1) 操作觸發條件序列(Pin),表示執行該操作所需要完成的操作；

(2) 操作信息包括操作節點編號、操作時刻記錄、操作內容、分數詳情等信息。其中操作內容信息與通信數據服務平臺內微服務接口相對應,分為系統操作與培訓人員操作兩種,即系統設定某工種作為培訓對象時,則作業流程網絡中涉及該工種的操作由培訓人員操作,其他操作由系統自動驅動觸發；

(3) 操作響應事件序列(Pout)表示執行該操作后可執行的操作。

3.2 作業流程控制算法

系統作業流程控制主要是將測試人員操作與預先定義的標準操作進行比對,比對成功則進入后續操作流程。在正常行車條件下,鐵路行車作業網絡規模較小,不涉及復雜的并行業務結構,采用業務流程靜態配置容易實現業務監控；但在進行故障條件下行車作業時,會增加維修、安全防護、信息確認等額外工作，采用靜態配置業務網絡方式無法滿足非正常接發車作業業務靈活性。動態配置業務網絡是采用隱藏、阻斷或允許可配置業務過程模型中的某些片段,實現動態可配置的業務流程模型[7-8]。系統采用在行車作業主干網絡末端,根據節點類型動態生成后續業務流程網絡的方式,以實現行車作業流程網絡的自動擴展,提高培訓自由度。行車作業流程控制過程如圖4所示。

圖4 行車作業控制流程圖

鐵路行車作業流程網絡節點具有相同的或相似的業務內容和流程控制過程,故平臺采用多線程分治算法對并行業務網絡進行處理。借鑒CTC3.0接發列車作業流程安全卡控方案[9]以及鐵路行車作業自動揭示監控組建方案[10],控制過程如下:

(1) 從數據庫錄入非正常接發車作業流程圖數據,初始化語音庫、機車信息和各子系統。通信數據服務平臺檢測通信通道并校準各子系統時間。節點控制函數線程數目初始化為0。

(2) 置當前操作狀態為作業流程圖起點,建立節點控制函數,節點控制函數數目加1。

(3) 判斷當前操作觸發集是否全部滿足。是,則走向下一步；否,則繼續判斷(第一步沒有觸發集,故認為觸發集全部滿足)。

(4) 判斷當前操作是否是待測試工種操作類型。是,則判定為測試操作類型，執行下一步；否,則判定該步驟為系統操作類型,調用通信服務平臺開放API，完成操作,轉至步驟(8)。

(5) 阻塞監聽計算機聯鎖仿真子系統、CTC車務仿真子系統、數字調度臺以及電子行車設備檢查登記簿,直到檢測到值班員存在操作,執行下一步。

(6) 判斷該操作危險性,若危險性較大則直接中斷流程,執行步驟(11)。否則執行下一步。

(7) 判斷該操作是否為所需操作。是,則更新成績執行下一步；否,則警告扣分并執行步驟(5)。

(8) 結束當前節點控制函數線程,線程計數減1。根據節點類型動態生成后續網絡節點。

(9) 檢測該操作響應集是否為空。如不為空,則為該操作集合內每一操作建立節點控制函數,更新節點控制函數數目,執行步驟(3)；如為空,則執行下一步。

(10) 判斷當前節點控制函數線程數目是否為0。當線程計數為0時,行車作業流程執行完畢,執行下一步。

(11) 計算總成績。作業流程控制中心給出測試報告,結束非正常接發車作業測試。

4 系統應用效果

以哈爾濱南站Ⅵ場為例,采集該站客貨運高峰期3小時內行車信息。仿真路網包括哈爾濱南站Ⅵ調車場、上行方向Ⅱ調車場、下行王崗車站；行車作業流程業務網絡主要包括該站技術規范與故障行車實施細則所定義標準行車作業流程。

實驗平臺采用VS2012+SQL Server 2008開發,各子系統運行效果如圖5所示。圖5(c)是基于該站紙質版行車設備檢查登記簿的模擬仿真軟件以及對該站電話為主、手持設備為輔的通話設備群的仿真模擬軟件,涵蓋該站涉及行車作業的相關單位與工種。

圖5 子系統實現效果

行車調度作業仿真培訓平臺已在哈爾濱鐵路局、西安鐵路局、成都鐵路局等鐵路局的多個執教中心投入使用。主要用于車站行車作業聯合演練以及調度員、值班員、助理值班員、信號員等崗位培訓,在部分車站用于輔助選拔行車作業崗位人員。

5 結語

基于CTC的行車調度作業仿真培訓平臺呈現了車站行車作業全過程所需的模擬環境,實現了對行車調度運輸人員的全方位、全過程培訓,減少了行車作業違章現象的發生,對保障行車安全、提高鐵路運輸效率具有重要意義。