基于城軌云平臺的都市圈智能調度系統設計

沈冬冬 景順利

摘要：隨著大數據和云計算技術的發展，軌道交通網絡化運行、“四網融合”成為都市圈軌道交通一體化發展的必然趨勢，因此作為調度指揮系統需要采用先進的科學技術，更大程度上實施智能化的行車調度，更好地滿足網絡化運行管理，更充分地發揮系統自動化功能，進一步提高調度效率和可靠度。文章提出了一種滿足都市圈城軌智能調度系統功能需求的設計方案，并從系統定位、系統方案、方案設計、系統交互等方面進行詳細介紹。

關鍵詞：軌道交通；都市圈；“四網融合”；智能調度

中圖分類號：U231.7? 文獻標志碼：A

0 引言

“十四五”時期，建設現代化都市圈成為我國新型城鎮化發展的必然要求［1-2］。推進城市群都市圈交通一體化，加快城際鐵路、市域（郊）鐵路建設，以城際鐵路和市域（郊）鐵路等軌道交通為骨干，推動市內市外交通有效銜接和軌道交通“四網融合”，提高都市圈基礎設施的連接性、貫通性，以便更好地適應都市圈發展要求、滿足人民出行需求，意義重大［3］。

我國都市圈尚在培育過程中，長三角、京津冀、大灣區等城市群和都市圈軌道交通規劃建設紛紛提上重要日程［4］。國外，巴黎、倫敦、法蘭克福等城市群都較早建立起軌道交通網絡，倫敦都市圈采用票務網與運輸組織分離的管理模式，法蘭克福S-BAHN線實現了與機場客流數據相匹配的運行圖調整等功能［5］。國內都市圈智慧城軌建設沒有可供參考的成熟案例［6］。隨著智慧城軌新技術和發展理念趨于成熟，都市圈智慧城軌建設將成為未來軌道交通行業的一個重點領域。

目前，都市圈智慧軌道交通面臨的問題及挑戰［7］：（1）主要承擔通勤、休閑等短途運輸，客流的潮汐性和向心性明顯；（2）客流主要為早晚高峰時期的通勤客流，波動性大；（3）客流主要集中于線路端點，大部分乘客平均運距較長，需要采用長短交路、快慢車、直達等靈活多樣的運營組織模式；（4）與乘客乘車體驗密切相關的發車間隔、正點率、列車擁擠度、換乘銜接等需進一步提升乘客出行體驗舒適性。

文章提出了一種基于城軌云平臺的都市圈智能調度系統設計方案，解決都市圈城軌智慧建設中面臨的問題及挑戰。本設計方案的特點為：（1）多源客流精準預測，滿足運能運量精準匹配，實現線網運輸組織自動規劃；（2）多專業大數據共享，實現調度指揮更高效、更精準；（3）大數據智能分析，為應急處理提供輔助決策支持，給出合理化建議；（4）大交通數據共享，智能乘客信息推送，實現網內換乘高效，助力乘客智慧出行。

1 功能定位及需求

建立都市圈城市軌道交通智能調度系統是軌道交通進入網絡化運營階段的需要，是協調多運營主體線路之間相互配合、快速應對各種突發事件、為乘客提供優質服務的必然要求，是提高軌道交通整體網絡運輸效率、確保行車安全、實現軌道交通指揮現代化和管理智能化的重要手段。

1.1 實現跨區域管理協同

都市圈軌道交通線路實現跨市域互通，突破原有行政區域內軌交線路的管理模式，部分線路可以由都市圈內的其他線網中心統籌管理或兩個線網中心協同管理，實現跨區域間的線路運營協同，及各層次網絡有序銜接。

1.2 實現調度保障協同

智能線網調度系統優化現有的線網中心“只監不可控”的運行模式，將線網不同線路有序接續，保證客流能夠在網絡間便捷通達的同時，合理調配運能，節省運營成本，提升運營管理水平。同時，城際鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通信息在智能調度線網中心融合，實現統一的運行顯示、統一的調度指揮和統一的應急指揮，快速應對各種突發事件、確保行車安全。

1.3 實現運輸組織融合

智能線網調度系統結合市域線路、城際線路特點，綜合采用多交路、不對稱交路、跳站運營、快慢車組合運營等多種調度策略，實現統一的運行組織，有效協調市域線路、城際交通與城市交通的順暢銜接和能力匹配，提高軌道交通整體網絡運輸效率，實現軌道交通指揮現代化和管理智能化。

面向都市圈的智能調度系統，以“綜合交通一體化樞紐”為中心，逐步實現與鐵路、公路、路面交通、共享單車等多種交通方式信息互聯共享和融合發展，體現高效性和便捷性，從“走得了”升級到“走得快”“走得好”，最大限度滿足乘客的獲得感和體驗感。同時，基于一體化樞紐及主要換乘站的多源客流數據，構建客流分析模型并融合智能化分析算法，逐步優化網絡化的列車運行計劃編制系統，最大限度提高運營的列車投入合理化度及乘客滿意度。

2 系統方案

2.1 系統架構

隨著大數據和云計算技術的發展，通過構建信息化網絡架構實現信息共享和軌道交通智能化。從滿足都市圈運營組織需求出發，從智能運輸組織、列車節能運行、智能乘客服務3個方面進行研究，實現線網運營管理的工作，將全線路集中管理，直接負責多線路的指揮和運營協調，同時具有綜合監控、應急指揮、信息共享、輔助決策等功能，達到都市圈網絡化運營的智能調度指揮、節能控制以及提高乘客出行效率等，助推都市圈可持續發展。系統總體架構如圖1所示。

本文設計的基于城軌云平臺的都市圈城軌智能調度系統，包括線網智能調度系統、線路智能調度系統，如圖2所示。線網智能調度系統、線路中央智能調度系統依托于城軌云平臺進行部署，線路本地智能調度系統采用傳統物理設備部署，其中：

（1）線網智能調度系統行車監視工作站、運行圖工作站、應用服務器及接口、大屏工作站采用城軌云平臺虛擬機方式部署，線網智能調度系統數據庫服務器采用城軌云平臺裸金屬方式部署。

（2）線路中央智能調度系統調度工作站、運行圖編制工作站、應用服務器及相關接口工作站采用城軌云平臺虛擬機方式部署，數據庫服務器采用城軌云平臺裸金屬方式部署。

（3）線網本地智能調度系統本地調度員工作站、本地應用服務器、本地時刻表管理器等設備采用傳統物理設備部署。

2.2 系統組成

基于城軌云平臺的都市圈城軌智能調度系統是

一個分布式系統，系統組成及功能描述如下：

（1）線路側接口服務器。負責存儲并轉發各線路車的消息數據，保證各線路側數據傳輸的準確、高效、實時展示。

（2）智能調度監視工作站。根據匯聚設備上報的軌旁元素狀態、列車狀態、計劃/歷史時刻表信息、故障信息、告警信息以及線網NCC系統獲取的故障信息等進行狀態實時顯示、數據融合處理，為調度的智能決策提供依據，并實時推送，便于調度員及時、準確地進行故障應急處理。

（3）線網智能調度應用服務器。接收線路上報的列車運行狀態、軌旁元素狀態、計劃/歷史時刻表等信息，進行智能數據分析、實時/非實時指標統計等智能輔助調度信息處理，并將相關推送信息、聯動信息、統計信息等在智能調度監視工作站進行展示。

（4）線網運輸編制服務器。從線網的角度綜合考慮全線網內客流、上線運營列車情況，基于獲取的實時、預測客流數據進行運力運量的動態匹配，實現線網運輸計劃的評估、編制及銜接，并將生產的線網運輸計劃下發到都市圈相關線路側，線路側基于線網的運輸計劃實現對線路的實時控制及調整。

（5）數據存儲服務器。用于將接收到的線路實時、非實時信息以及線網接收到的實時客流、預測客流、歷史客流以及故障等信息進行存儲，便于線網智能調度應用服務器進行智能分析、統計等。

2.3 系統交互

智能調度系統包括線網級智能調度系統和線路級智能調度系統。線路級智能調度系統與線網級智能調度系統進行直接交換，包括線路級行車、信號燈元素狀態上報以及接收線網運輸計劃、控制指令、調度命令等，實現線網、線路兩級聯動控制。

線網級智能調度系統主要包括調度指揮、運輸組織、輔助決策、態勢感知以及智能乘客服務等方面業務。線網級智能調度系統與線路級信號系統、NCC系統、綜合運維管控平臺進行信息交互，系統交互如圖2所示。

（1）與NCC系統交互信息：客流信息、視頻分析信息、設備狀態信息、應急指揮信息、大交通數據以及實現與大交通系統聯動。

（2）與綜合運維管控平臺交互信息：信號系統運維信息、車輛運維信息、每節車廂重量、每節車廂的滿載率等。

（3）與線路信號系統交互信息：一方面，接收線路信號系統的行車、信號狀態信息、調度反饋信息、運行計劃信息；另一方面，向線路信號系統發送運輸計劃、控制命令、調度命令等信息。

（4）與清分系統交互信息：線網智能調度系統接收清分系統提供的換乘客流數據（換入、換出客流）、客運量數據、斷面客流量、車站、線路、線網OD客流、分時進出站客流（車站、線路、線網）、分時斷面客流等。

（5）與AFC接口：線網智能調度系統接收AFC系統提供的閘機開關狀態、進站客流數據、出站客流數據等。

3 方案設計

3.1 智能輔助決策

基于運營數據統一存儲的大數據平臺，實現線網數據集中存儲，統一智能決策分析，統一指揮；結合線路設備資源情況，實現線路控制。以應急處置預案、調度日志等經驗規則和歷史數據為基礎，構建系統狀態與調度決策的反饋機制，輔助調度決策系統能夠根據專家知識決策故障或應急條件的影響范圍、影響時長、影響趨勢，并能根據歷史調度案例庫對專家知識的自學習，模擬調度員的思維決策，為調度提供決策支持，具體如圖3所示。

3.2 基于客流和運力資源的運行圖編制和評估

城市軌道交通具有行車間隔短、客流隨機性和流動性大的特征，特別是在綜合交通樞紐站，如南京南站，匯聚了軌道交通、高速鐵路、民航、市內公共交通、城際公共交通等交通出行方式，客流的隨機性、流動性更加明顯。通過軌道交通網絡多源客流數據融合的精準化計算、智能化分析、網絡化運營的列車運行計劃編制，實現網絡客流的監測預警、網絡運力資源的優化配置、運能運量的精準匹配和全自動列車運行的行車組織。實現基于歷史預測客流、實時預測客流等因素，對軌道交通運力進行評估，動態調整當天運行計劃，滿足實際客流運輸組織的需要。同時，考慮軌道交通網絡之間的銜接，進一步滿足乘客智慧出行的需要。

基于客流和運力資源的運行圖編制和評估實現基于歷史預測客流、實時預測客流等因素，對軌道交通運力進行評估，動態調整當天運行計劃和實時調整運行時間，滿足實際客流運輸組織的需要，達到以下功能：（1）通過網絡客流的監測預警，實現對當前能力分析；（2）通過網絡運力資源的優化配置，實現車輛匹配調整；（3）通過運能運量的精準匹配，實現列車發車間隔調整。基于客流和運力資源的運行圖評估系統架構如圖4所示。

3.3 區域協同的線網運輸銜接

依托于城市軌道交通都市圈建設，實現“四網融合”后，線網中客流量大、流向復雜，時空分布不均衡，不同線路、時段的列車開行交路、間隔也不相同。因此，對乘客在車站的集聚情況、區間運力運量匹配情況、換乘站各方向列車的銜接情況進行實時監測。從滿足乘客出行需求出發，在線網運輸計劃編制過程中應充分考慮都市圈內各線路有換乘站連接的其他線路的首末車時間，應用銜接評估計算線路各換乘站主要銜接方向首、末班車換乘等待時間和末班車換乘時間和換乘可達性。根據計算結果手動或者自動調整線路首末班車時間，得到優化的線路首末車時間方案，優化調整線網運力配置，如運能運量匹配、末班車換乘銜接、行車間隔銜接、換乘站銜接等。

由于線網中客流量大、流向復雜，時空分布不均衡，不同線路、時段的列車開行交路、間隔也不相同。因此，需借助該功能對乘客在車站的集聚情況、區間運力運量匹配情況、換乘站各方向列車的銜接情況進行展示，線網運輸銜接功能如圖5所示。

3.4 多樣化運輸組織模式

將結合市域線路、城市軌道交通等線路特點，綜合采用多交路、不對稱交路、快慢車組合運營、直通車運營、互聯互通運營、換乘運行模式、靈活編組等多種調度策略，實現統一的運營組織，綜合考慮客流特征和運輸能力，統籌安排多種列車運營組織模式和開行方案，有效協調干線鐵路、市域線路、城際交通與城市交通的順暢銜接和能力匹配，提高軌道交通整體網絡運輸效率，實現軌道交通指揮現代化和管理智能化，實現南京都市圈的“四網融合”運營調度指揮，如圖6所示。

3.5 多源數據融合及多層次信息推送

充分發揮都市圈軌道交通重要交通樞紐站作用，構建以“四網融合”為核心的覆蓋民航、有軌電車、公交等區域協同指揮調度體系，實現軌道交通與城際鐵路、市域（郊）鐵路、干線鐵路、有軌電車、民航、公交等信息共享及推送，提高運輸效率，滿足乘客智慧出行需求。

在共享數據平臺基礎上與各專業系統數據共享，進一步完善實時監測、信息采集，實現多源數據的融合處理、各專業系統的數據共享以及數據挖掘分析，構建基于多專業協同聯動控制的線路智能調度指揮。

（1）實現以調度為核心，進行信息篩選、推送及提示。例如，運營前檢查、運營偏差等級、列車阻塞、停站超時、調度指令互相確認、交接班管理、站場顯示動態控顯等，輔助調度人員運輸調度。

（2）實現以乘客為核心，進行高鐵、民航、有軌電車、公交等信息推送，如運行班次、時刻、早晚點信息及換乘方案、換乘時間，有軌電車及公共交通的運營時間、起始站、運營間隔等。

（3）實現以應急指揮為核心，進行乘客的應急疏散，在軌道交通換乘站等樞紐站發送大客流、應急故障時，及時向有軌電車、公共交通發布相關信息，引導乘客通過公共交通盡快疏散。

4 結語

隨著大數據和云計算技術的發展，軌道交通網絡化運行、“四網融合”成為必然趨勢，本文結合都市圈面臨的問題及挑戰，實現了一種基于城軌云平臺的都市圈智能調度系統，從智能運輸組織、列車節能運行、智能乘客服務三方面出發，實現線網運營管理、全線路集中管理，直接負責多線路的指揮和運營協調，同時具有綜合監控、應急指揮、信息共享、輔助決策等功能，達到都市圈網絡化運營的智能調度指揮、節能控制以及提高乘客出行效率等。另外，本系統與線網指揮中心NCC平臺進行交互，能夠獲取更多都市圈之外的客流信息、設備狀態、大交通等數據，實現對大數據的進一步挖掘和分析，提升智能化、智慧化程度，助推都市圈可持續發展。

參考文獻

［1］潘昭宇.都市圈軌道交通規劃建設關鍵問題研究［J］.都市快軌交通，2020（6）：7-14.

［2］禹丹丹，徐會杰，姚娟娟，等.國外都市圈軌道交通互聯互通運營對我國的啟示［J］.綜合運輸，2019（5）：115-120.

［3］潘昭宇.多層次軌道交通規劃研究［M］.北京：中國鐵道出版社，2021.

［4］潘昭宇，唐懷海，王亞潔，等.加快構建都市圈多層次軌道交通體系［J］.宏觀經濟管理，2020（11）：33-38.

［5］湯蓮花，徐行方.國外典型都市圈市域鐵路發展及啟示［J］.中國鐵路，2018（9）：107-113.

［6］彭其淵，羅潔，文雯.區域多制式軌道交通運輸組織協同模式研究［J］.交通運輸工程與信息學報，2020（4）：1-10.

［7］劉鵬.城市群區域城際軌道交通網絡運營系統遞階協調優化研究［J］.交通運輸工程與信息學報，2017（3）：109-115.

（編輯 姚 鑫）

Design of intelligent dispatching system for metropolitan area based on urban rail cloud platform

Shen Dongdong， Jing Shunli

（Nanjing NRIET Industrial Co.， Ltd.， Nanjing 211106， China）

Abstract： With the development of big data and cloud computing technology， the networked operation of rail transit and the “integration of four networks” have become the inevitable trend of the integrated development of rail transit in metropolitan areas. Therefore， as a dispatching and command system， advanced scientific and technological technologies should be adopted to implement intelligent train dispatching to a greater extent， better meet the networked operation management， give full play to the system automation function， and further improve the dispatching efficiency and reliability. This paper proposes a design scheme to meet the functional requirements of the urban rail intelligent dispatching system in the metropolitan area， and introduces in detail the system positioning， system scheme， scheme design， system interaction and other aspects.

Key words： rail transit; Urban rail; “integration of four networks”; intelligent dispatching