城市軌道交通行車調度智能模擬演練系統研究

豆 飛，呂 楠，劉 潔，徐曉波，杜 恒，謝 輝

（1. 北京市地鐵運營有限公司，北京 100044；2. 地鐵運營安全保障技術北京市重點實驗室，北京 100044；3. 北京大象科技有限公司，北京 100070）

1 引言

在城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）突發事件中，行車調度員作為組織城軌系統“大腦中樞”運行的指揮官，其應急指揮調度決策的準確性及高效性直接關系到應急處置的效率及突發事件影響期間的運營安全。隨著新技術、新設備的投入使用，城軌系統運行的可靠性、穩定性以及自動化水平均有所提高，發生突發事件概率降低，各崗位人員的實戰經驗也隨之減少；但同時，我國城軌網絡化發展對安全運營的要求逐步提升，這說明城軌網絡化運營要求增高和調度員實戰經驗減少之間的矛盾日益加劇，提高城軌行車調度的應急處置水平迫在眉睫。目前，針對城市軌道交通行車調度相關崗位的培訓研究主要分為2個方面：一是突發事件發生后的應急處置預案研究，從應急處置流程方面提升應急處置水平[1-5]；二是建立仿真系統模擬應急場景，在貼近實際的訓練中提升應急處置水平[6-9]。第1種情況更加強調預案的理論研究，經常導致行車調度處置的靈活性不足；第2 種情況雖然模擬了演練場景，但是演練過程固化且需要多崗位的人員互動。

本文通過預案數字化、虛擬崗位聯動等關鍵技術構建了行車調度智能模擬演練系統，實現了虛擬多崗位配合聯動、多故障場景下城軌行車調度員的模擬演練，可以有效提升行車調度員的應急處置能力。

2 應急預案數字化

現有的應急預案大多是文檔化的流程文件，對人而言易于閱讀和理解，但對計算機系統而言并不能直接使用，需要按照一定的規則將流程文件轉為計算可以處理的數字信息輸入。應急預案流程文件腳本化過程如圖 1 所示。

通過將所有腳本化文件中調度員的標準化調度命令、標準化調度系統操作、標準化通信系統操作等進行打散、分類歸集，形成可獨立執行的基元（基元指將調度語音命令、調度系統操作和標準化通信系統操作各項細化分解，形成的最小執行單元），創建腳本化文件數據庫，如圖2所示。

通過設置各基元的觸發條件、標準動作、預期結果狀態等屬性，將各類基元的觸發事件和動作進行計算機可識別的數字化編碼和數據化定義。根據應急演練場景的腳本設定將單元化的語音調度命令、調度人員操作以及通信系統故障設定和恢復等進行組合，形成一套完整的模擬應急場景和應急預案處置的標準化作業。以列車救援場景為例，應急預案的數字化過程如圖3所示。

3 基于人工智能的多崗位應急聯動技術

研究調度員標準化語音命令元素（包括調度員屬性、動作、狀態等）、語意分析智能化解讀、語音合成專業化表達、城軌專業術語語音識別準確率提升等人工智能技術，通過與信號仿真系統深度融合，主線任務與非主線任務疊加，研究真實崗位與計算機虛擬崗位的人機協同技術，支持虛擬崗位與真實崗位的切換，支持行車調度員單人演練培訓和多人團隊演練考核，解決傳統桌面推演場景復用性差、靈活性低、耗時長的問題。

3.1 行車調度模擬演練虛擬崗位設計

城軌行車調度相關崗位包括總調、行調、電調、環調、設備調、車站值班員、車站站務員、乘務員、信號維修工等。行車調度模擬演練虛擬崗位主要包括行調、車站值班員、站務員、乘務員等，虛擬崗位的設計與聯動是將日常或緊急情況下的運營場景進行分解，分系統分專業按照聯動的先后順序依次觸發相應作業，還原真實線路運營中各崗位的業務處理流程和崗位間協同合作。設計調度命令語音輸入功能，當用戶通過語音采集設備發布調度命令后，通信系統通過內置的城軌專業術語識別能力將調度命令識別為準確的文字，并將文字根據調度命令基元定義的關鍵詞進行拆解，將關鍵詞重新構建成計算機可識別的內部命令單元，發送給智能核心系統（MCTS）。MCTS作為虛擬崗位的大腦，主要包括聯鎖子系統（CI）、區域控制器（ZC）、數據存儲單元（FTM）、車載控制器（VOBC）、軌旁電子單元（LEU），負責決策每一個輸入應匹配的動作和事件，通知信號系統以及各虛擬崗位對應的仿真系統執行相關操作。MCTS系統根據反饋的操作結果，通知通信系統通過語音合成技術向用戶發送語音通知，同時根據輸入信息的嚴重程度、緊迫性等控制語音合成播放的語速和朗讀情緒，給調度員一種真實崗位人員溝通的真實感。具體聯動設計流程如圖4所示。

3.2 基于虛擬崗位的多崗位應急聯動流程

多崗位聯動系統選擇要考核的應急演練場景注入后，仿真信號系統將數據庫中保存的場景狀態同步更新到仿真列車自動監控系統（ATS）和核心后臺系統中，學員接收到場景注入成功后選擇開始考核，聯動系統將根據演練場景自動生成乘務、站務等虛擬崗位。接收到場景指令后，虛擬崗位根據場景中注入的故障類型通過通信系統予以上報，調度員根據故障類型將調度語音命令和操作指令下達到相應的虛擬崗位，虛擬崗位根據調度命令予以執行并將結果實時同步到仿真信號系統中，同時通過教員系統同步展示故障場景，最終形成一套虛擬多崗位聯動應急演練平臺的閉環，如圖5所示。

4 行車調度智能模擬演練與評估系統功能

4.1 系統總體架構

整個培訓系統應參照行車調度員在實際工作中的崗位數量配置、操作終端設備種類、設備數量等進行設置，并增加智能化交互、智能化評估、教員工作站等演練與考評的關鍵設備，采用與正線系統一致的軟件架構、用戶數據報通信協議（UDP）和標準接口，設計城軌行車調度培訓系統架構（圖6），實現對正線信號系統高精度仿真。

4.2 系統功能架構

基于應急預案數字化、虛擬崗位聯動等關鍵技術研發行車調度智能模擬演練系統，實現虛擬多崗位配合聯動、多故障場景下城軌行車調度員的模擬演練。整個系統按照不同功能可分為行車調度、智能交互、智能評測、教員管理4個子系統，如圖7所示。

4.3 行車調度子系統

行車調度子系統是行車調度智能模擬演練與評估系統的核心功能，主要用于實現行車調度員培訓訓練的調度模擬功能，因此應具備的功能包括以下方面。

（1）運行信息顯示。模擬全線的信號設備狀態，詳細顯示正線車站、區間的信號設備狀態和列車運行狀態，顯示內容與ATS系統保持一致。

（2）進路控制。可以設置進路的人工/自動（含車隊、追蹤模式）屬性，可對信號機執行“關閉信號”“開放信號”操作，能夠按聯鎖原則進行進路設置、取消（含強解區段）培訓。

（3）設備操作時因違反基本的信號邏輯或其他原因導致操作失敗時系統能檢測到沖突并給出提示。

（4）提供基于通信的列車自動控制系統（CBTC）級別及降級模式下的進路控制和列車控制培訓。

（5）控制權限轉換培訓。提供中央控制和本地控制2種級別下的操作培訓，可以實現控制級別的切換。

（6）能進行創建、刪除、編輯車次窗操作。通信列車運行管理方面，可進行扣車、終止站停、發車請求、站停時間、跳停、站間運行等級的設置操作；非通信列車運行管理方面，可模擬和仿真非通信列車由限制條件下的駕駛模式（RM）向點式駕駛模式（ITC）、連續通信駕駛模式（CTC）升級。

（7）列車運行識別培訓。系統采用列車識別號的移動和有關信號設備的狀態變化來自動模擬和描述在線列車的實際運行。

（8）運行圖編輯、加載、預設、變更激活時刻表等相關培訓。系統能夠模擬列車按照運行圖跑車，模擬列車在區間的運行時分及停站時分，與輸入的時刻表一致。按照輸入的時刻表或操作員意圖可模擬最小間隔的列車追蹤運行及最小間隔的列車折返運行。

（9）發車計時器顯示。行車調度培訓工作站提供發車計時器的實際狀態信息顯示功能。

（10）列車運行信息查詢。ATS仿真培訓允許學員查詢在線列車的實際運行信息，包括列車位置、早晚點情況，顯示列車停站、扣車、跳停、站停時間、列車運行方向、列車運行模式等信息。

（11）信號設備操作培訓。培訓行車調度基本的信號設備操作技能。

（12）故障報警。通過故障場景設置的方式，培訓行車調度常見故障的報警識別及確認操作，能夠模擬和仿真列車火災、車站火災、站廳火災、區間火災、人防門報警、乘客緊急手柄、車門狀態丟失、區間水位報警、軌行區人員非法闖入報警、周界防護報警、軌道障礙物/脫軌檢測、防淹門請求關閉/狀態丟失等異常場景及信號聯動防護。

（13）提供ATS系統管理操作培訓，如調度人員登錄、退出等。（14）能夠進行某站清客設置及取消培訓。（15）能夠進行遠程開關門的操作培訓。

4.4 智能交互子系統

智能交互子系統能夠智能識別調度員的調度命令，實現與虛擬列車司機、車站值班員進行智能交互。應具備的功能包括以下方面。

（1）采集并智能識別調度員發布的語音調度命令，實現學員與系統的人機交互。應準確識別行車調度專業術語，將語音調度命令動態翻譯成文字，對調度命令進行智能語義分析，完整識別調度命令要素，將正確的指令在培訓仿真系統內自動執行。

（2）模擬調度員與司機之間的語音交互。應支持與單輛列車進行通信；支持列車組呼功能，包括多選、派接；列車呼叫調度員時應實現一般呼叫和緊急呼叫；能夠顯示調度與列車之間的通話記錄。

（3）模擬調度員與車站值班員之間的語音交互。應正確顯示全線所有車站、不同調度崗位；調度員與行車值班員之間通信能夠實現組呼和全呼功能。

（4）支持不同崗位調度員之間的實時通信。

（5）發布書面的調度命令。

（6）支持呼叫等待。當出現多個呼叫時，按照優先級和呼叫順序進行呼叫等待。

4.5 智能評測子系統

智能評測子系統對行車調度學員在考核過程中的操作、運營結果進行評分。應具備的功能包括以下方面。

（1）對學員操作進行計算機自動評分，包括語音命令準確性、命令發布時長、重復次數等。

（2）正確顯示當前執行的任務明細，如得分、扣分及錯誤原因等。

（3）對列車的運營情況進行計算機評分，包括列車晚點、列車迫停、列車停運等。

（4）對學員所有操作進行統計，包括得分操作、扣分操作等。

（5）支持對不同崗位分別評分，包括對團隊進行評分。

（6）實現學員歷史成績查詢，歷史成績保存不低于360天。

（7）學員可以打印歷史成績。

4.6 教員管理子系統

教員管理子系統用于實現教員對各學員進行訓練的管理功能，應能承擔系統的全方位監管、控制和系統維護任務。該模塊可實現從仿真系統的運行前準備到培訓結束后的數據管理；從培訓課程設計到培訓過程的監控和干預；從基礎數據準備到系統狀態檢測與故障診斷；從操作過程回放到培訓記錄管理。應具備的功能包括以下方面。

（1）實時獲取其他各子系統的信息并可同步顯示。

（2）對其他各子系統進行控制。

（3）支持教員進行主場景、副場景中故障點編輯，包括設備故障、通信故障、列車故障等。

（4）教員可以對場景自由組合，包括主場景、副場景進行自由組合。

（5）具有用戶管理功能，能對各種人員的責權范圍、工作站控制范圍進行設定及轉換，可實現工作人員身份鑒別、進入和退出系統的登記及注銷等。

（6）實現特定時間點場景文件的保存，包括站場元素狀態和列車運行狀態。

（7）保存操作人員處理應急故障后的歷史實際運行圖，可用于考核指標的復審（包括列車停站時間指標、列車早晚點等指標）。

4.7 應用實例

根據對城軌行車調度模擬演練系統的功能分析，結合北京地鐵應急預案處置流程，研發了北京地鐵行車調度智能模擬演練及評估系統（圖8），系統模擬了道岔故障、列車救援、區間疏散等城軌運營最常見的應急場景。該系統基于行車調度員口述命令為主的崗位特點，研發了智能語音交互技術，以主場景貫穿，可隨機疊加副場景的任務調度關鍵技術，融合主線任務和非主線任務的設計，提高了系統的靈活性和處置過程的多變性，支持計算機自動評分，可考核調度員在信息收集與方案制定、調度命令發布、列車自動監控系統操作等多方面的調度指揮能力。

自北京地鐵行車調度模擬演練及評估系統應用以來，開展了重溫培訓、專項培訓20余次，累計培訓行車調度員400余人次，在行車調度崗位的培訓方面取得了良好效果。經過實踐證明，主副場景的隨機疊加增加了調度處置的靈活性，提高了行車調度員突發事件的應對能力；虛擬崗位的聯動配合可以大幅減少行車調度崗位培訓的配合人數；自動評估考核在減少教員工作量的同時，考核結果更加客觀公正。

5 結論

搭建多崗位應急聯動、多故障場景靈活疊加、智能化的行車調度模擬演練系統可有效提高城軌行車調度員技能水平和實戰經驗。根據北京地鐵行車調度模擬演練系統的培訓經驗，未來可在調度命令和調度指令的語音識別方面進一步優化，提高系統的靈活反應能力；同時針對新線路以全自動運行系統（FAO）為主的特點，在系統中兼容CBTC和FAO系統，以適用于不同信號系統的行車調度員培訓。通過該系統可助力城軌運營企業更早地介入并服務于行業實訓基地的規劃和建設，促進行業培訓工作的良性發展。