基于B/S 架構的列車運行圖智能編制系統設計與開發

潘偉健，胡鈺紳，李 偉，周 珺，羅 欽

（1. 深圳地鐵運營集團有限公司 調度中心，深圳 518053；2. 深圳技術大學 城市交通與物流學院，深圳 518118）

城市軌道交通系統中的列車運行圖和列車時刻表是運輸組織工作的基礎，對于城市軌道交通的列車運行組織和調整起著重要的作用。目前，城市軌道交通列車運行圖編制主要有人工編制及第三方工具編制等方式。然而，由于運行圖編制過程涉及的因素眾多、數據量龐大，編制工作耗時且繁瑣，因此，有必要開發一種高效、智能化的列車運行圖編制系統。

倪少權等人[1-2]對列車運行圖編制的規則提出了基本要求，并指出計算機編制運行圖技術的推廣應用在很大程度上取決于計算機編圖軟件的質量水平；張菡[3]指出，計算機編制運行圖技術仍存在數據準確度不高、數據實時性不強、數據共享性不足等問題。早期的列車運行圖編制系統一般采用Windows 平臺，利用Visual C++ 6.0 和數據庫Access 實現[4-5]。隨著計算機技術的發展，劉慶磊等人[6]基于SQLite 數據庫，運用Visual Studio 工具設計開發了基于C/S 架構的列車運行圖編制系統；廖志林等人[7]基于JavaEE 技術體系構建了鐵路調度工作質量評價及輔助決策系統；趙旭輝等人[8]使用VML+JSP 技術，通過讀取后臺的列車時刻表數據，動態生成運行圖，及時地反映出列車數據的動態變化；靳磊等人[9]提出基于 Web 技術棧的列車運行圖繪制方案，在服務端采用微服務架構及多線程并發技術，并在前端采用 HTML5 Canvas 圖形繪制技術，提高了繪圖性能及響應效率；李詩雅[10]則采用ASP.NET 技術，基于HTML5 和GDI+靜態圖片繪圖技術實現列車運行圖的編制。上述列車運行圖編制系統在系統架構、功能擴展性和定制化開發等方面存在限制，性能和效率也受到一定的制約。基于B/S 架構的列車運行圖智能編制系統具有跨平臺性、良好的可擴展性和靈活性，可集中管理和維護，能夠提供高效和智能化的編制等諸多優點。

基于上述研究，本文設計開發了基于B/S 架構的列車運行圖智能編制系統，實現列車運行圖的一鍵生成、自動鋪圖及動態可視等功能，以滿足城市軌道交通運營人員對編制效率和質量的要求。

1 系統架構

列車運行圖智能編制系統基于B/S 架構，前端負責列車運行圖的調整與展示，利用Web 技術實現，包括HTML、CSS 和JavaScript 等核心技術，創建一個直觀、動態交互的用戶界面；后端負責運行圖編制的智能算法與數據共享，通過ASP.NET 技術，利用C#開發平臺封裝運行圖智能編制的核心算法，實現系統的設計與開發。列車運行圖智能編制系統架構如圖1 所示。

圖1 列車運行圖智能編制系統架構

1.1 數據庫層

數據庫層用于存儲和管理運行圖編制所需要的各種數據，包括車站/區間/線路屬性相關數據、列車相關屬性數據、客流需求分析數據、開行方案參數設計依據、運行圖及時刻表數據等，為后續的數據處理和計算提供基礎。

1.2 后端層

后端層包含3 個主要模塊：客流分析、全日行車計劃和列車運行圖編制優化。其中，客流分析模塊用于分析和預測客流量；全日行車計劃模塊用于制定全日列車運行計劃，根據客流量、列車間隔、車輛資源等因素，生成合理的列車運行計劃；列車運行圖編制優化模塊根據客流分析和全日行車計劃的結果，進行列車運行圖的編制優化。該層的作用是數據處理、算法計算和生成列車運行圖。

1.3 前端層

前端層包含運行圖的展示和可視化界面，如客流分析結果、列車運行交路及列車運行圖等。該層的作用是將后端生成的數據和結果以直觀的方式呈現給用戶，便于用戶查看、分析和調整運行圖。

2 系統功能

基于B/S 架構的列車運行圖智能編制系統功能主要包括基礎數據及編圖參數確定、運行交路信息定義、全日行車計劃編制、運行圖鋪畫、運行圖調整優化、沖突檢查及驗證、結果輸出等。

2.1 基礎數據及編圖參數確定

列車運行圖編制的基礎是確定線路基礎信息和編圖參數。基礎信息包括車站信息、區間信息、停站標尺和運行標尺。車站信息涉及車站的名稱、位置和特征；區間信息涉及相鄰車站之間的距離和線路特性；停站標尺確定列車在每個車站停留的時間；運行標尺確定列車在區間之間的運行時間。編圖參數包括正線最小追蹤間隔、出入庫間隔和車站折返信息等。

2.2 運行交路信息定義

列車運行圖智能編制系統需要定義的運行交路信息有交路信息和交路股道信息。交路信息包括途徑車站、載客情況、運行方向、編組和定員等，確保運行圖準確反映列車路徑、載客情況和車輛配置；交路股道信息包括起始站點股道和途徑股道，確保列車按預定股道行駛，保障運行順暢和安全，有助于優化線路資源分配，為運行圖編制提供基礎依據。

2.3 全日行車計劃編制

全日行車計劃編制是列車運行圖智能編制系統中的關鍵步驟，包括確定列車首/末班車時間、高峰時段列車密度等，以滿足乘客出行需求，確保運行圖的合理性和可執行性。全日行車計劃編制界面如圖2 所示。

圖2 全日行車計劃編制示意

（1）根據線路規劃和運輸需求，選擇合適的運行交路，滿足運輸組織和乘客需求；

（2）根據實際客流量和運輸計劃，確定各運行交路的開行比例；

（3）綜合運行交路、使用標尺、開行計劃和折返時間等要素，確定全日行車計劃；

（4）確定折返時間，即列車在終點站進行折返的時間，以確保列車按時返回起始站點，實現運行圖的循環性和連續性。

通過編制全日行車計劃，系統能夠合理安排不同交路的開行數量和比例，規劃列車運行時間、頻次和交路順序，提高運輸效率、滿足乘客出行需求，確保運行圖的合理性和穩定性。

2.4 運行圖鋪畫

運行圖鋪畫是指根據編圖參數和交路信息，將列車運行時刻表和交路安排繪制在運行圖上的過程。通過該功能，可以直觀地展示列車運行路徑和時刻表，為后續檢查和調整提供基礎，如圖3 所示。

圖3 列車運行圖鋪畫示意

2.5 運行圖檢查與調整

運行圖的檢查與調整是列車運行圖智能編制系統中的重要環節，包括對列車運行沖突、列車折返沖突及折返股道占用等情況的檢查，如圖4 所示。

圖4 列車運行圖的檢查示意

（1）檢查列車之間是否存在運行沖突，即是否滿足區間或車站上下行列車的追蹤間隔；

（2）檢查列車折返時間，判斷折返股道的占用時間是否足夠列車完成折返操作，同時不影響其他列車的正常運行；

（3）檢查折返股道的占用情況，即分析列車折返時間和折返股道的占用情況，避免折返股道被其他列車占用而引發沖突。

通過對運行圖檢查，識別潛在的沖突，通過合理調整和優化，解決列車運行沖突、折返沖突及折返股道占用等問題。

2.6 編制結果輸出與發布

提供多種運行圖輸出與發布方式，包括：PNG格式列車運行圖、PDF 格式列車運行圖、列車運行時刻表、列車運行圖接口文件及列車運行圖技術指標。通過編制結果輸出與發布功能，滿足用戶對于不同格式和內容的運行圖信息的需求，方便運行圖的共享、查看和應用。

3 關鍵技術

3.1 可視化展示

既有的列車運行圖編制系統可視化展示的功能較弱，給運行圖的編制帶來了一些困難。列車運行圖智能編制系統通過引入B/S 架構和ZRender 框架，優化了其可視化展示能力。基于數據驅動的可視化展示能夠提供由列車運行時刻表到列車運行圖的直觀轉換，輔助編制人員生成運行圖，提高了編制效率和準確性。

利用ZRender 框架來增強對列車運行圖的繪制、展示和交互功能。ZRender 框架是一個基于HTML5 Canvas 的開源繪圖庫，其強大的二維繪圖引擎提供了輕量級的Canvas 類庫，使用MVC 封裝和數據驅動，提供類Dom 事件模型，只需要定義運行圖數據即可創建各種圖形元素，例如，可以利用線段、矩形等來表示軌道、車站和列車等元素，以展示列車在不同時間段的運行狀態和位置。同時，ZRender 框架也提供了完整的事件封裝和豐富的交互功能，用戶可以對運行圖進行縮放、拖拽、選中等操作，以便于查看和編輯運行圖。

3.2 數據處理和優化

B/S 架構下的列車運行圖智能編制系統，須解決大規模數據處理和優化問題。包括處理前后端龐大的數據交換、確保數據準確性及設計高效后臺算法和優化策略。為解決這些問題，采用B/S 架構和分布式計算技術進行數據分片處理和并行計算，同時，利用優化算法和數據壓縮技術減少存儲量和傳輸量，提高運行圖編制與展示的效率和準確性。

3.3 即時反饋和提示機制

基于B/S 架構的列車運行圖智能編制系統存在數據更新和反饋延遲的問題。為此，引入即時反饋和提示機制，利用ZRender 框架與網頁異步傳輸技術（Ajax，Asynchronous Javascript And XML），通過局部刷新與即時交互實現實時數據同步和更新，異步與服務器通信以縮短數據更新和反饋的延遲，提高運行圖編制的及時性和準確性，確保運行圖能夠及時地反映實際數據情況。

4 系統應用

基于B/S 架構的列車運行圖智能編制系統已在深圳地鐵12 號線、14 號線、16 號線、20 號線等多個工程項目中安裝使用。其基礎數據管理與可視化展示、全日行車計劃編制與調整優化、列車運行圖智能編制與調整、瀏覽與審核等多項功能運行平穩。此外，該系統還擁有靈活便捷的人機對話界面，能夠滿足地鐵各線路信號系統、復雜運營交路安排、快慢車運營、各線路之間的換乘接駁等約束條件，其技術指標滿足多種開行方案匹配、列車銜接優化、車底周轉均衡、實時智能調整等關鍵需求。應用結果表明，該系統能夠滿足編圖人員的運行圖策劃、編制與設計要求，取得了良好的實際應用效果。

5 結束語

面向地鐵智慧運輸和數字化轉型的需求，本文基于B/S 架構設計了列車運行圖智能編制系統，實現了基礎數據及參數確定、運行交路信息定義、全日行車計劃編制、運行圖鋪畫、運行圖調整優化等功能；通過引入B/S 架構和ZRender 框架，實現了列車運行圖的智能化編制；通過數據驅動和二維繪圖引擎，提高了運行圖編制系統的靈活性和可擴展性；同時，支持列車運行圖編制的網絡協作和業務審批，滿足不同用戶的需求和應用場景，提供更直觀、高效的編制方式，大幅降低了編圖人員人工編圖工作量，提升了列車運行圖的編制效率。該系統已在深圳地鐵多條線路實際應用，取得了良好的使用效果，具有推廣和應用價值。

由于本文設計的列車運行圖智能編制系統僅考慮傳統運營模式的軌道交通線路，尚未適配靈活編組運營、跨線運營等新型運營模式，同時，深度強化學習技術在列車運行圖編制領域備受關注，已成為研究的熱門方向。因此，后續將重點研究多運營模式的適配，以及基于人工智能的運行圖編制技術。