摘  要： 闡述了城市軌道交通中列車運(yùn)行圖編制與驗(yàn)證評估系統(tǒng)研究的必要性。詳細(xì)介紹了城市軌道交通中列車運(yùn)行圖編制與驗(yàn)證評估系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),、功能實(shí)現(xiàn)方式和系統(tǒng)功能演示結(jié)果情況,。研究了運(yùn)行圖編制中運(yùn)營成本、客流數(shù)據(jù),、車輛數(shù)據(jù)和站場數(shù)據(jù)之間的相互制約關(guān)系,，并采用不同的優(yōu)化算法，得出較優(yōu)化的運(yùn)行圖,。

　　關(guān)鍵詞： 運(yùn)行圖,；ATS；ATO,；ATP,；聯(lián)鎖

0 引言

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2014年底我國開通的地鐵（含輕軌）接近100條,。從客運(yùn)量來看,，北京地鐵單日峰值超過  1 000萬人次。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,，我國城市現(xiàn)代化進(jìn)程進(jìn)一步加快,，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市人口和外來人員不斷增加,，由此造成的交通擁擠堵塞和環(huán)境污染等問題已經(jīng)成為妨礙城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展,、影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)正常秩序以及居民日常出行的重要問題。因此只有采用大運(yùn)量的交通運(yùn)輸方式,，才能從根本上解決城市公共交通問題,。城市軌道交通具有運(yùn)量大、速度快,、安全,、準(zhǔn)時(shí)、舒適等優(yōu)點(diǎn)，并能帶動(dòng)城市土地資源綜合開發(fā)利用,，對城市長遠(yuǎn)發(fā)展具有重要意義,。因此，近年來中國各城市對地鐵的渴望也越來越強(qiáng)烈,。然而地鐵建設(shè)周期長,、投資大，給地方財(cái)政造成很大的負(fù)擔(dān),，為減輕財(cái)政壓力,，國家提倡公私合營模式PPP（Public-Private-Partnership），鼓勵(lì)民營資本參與地鐵項(xiàng)目建設(shè),，促進(jìn)軌道交通行業(yè)和諧,、健康、持續(xù)發(fā)展,。

　　線路開通運(yùn)營后能否產(chǎn)生一定的收益,，是吸引民營資本投資的主要因素。整個(gè)軌道交通建設(shè)中,，初期要考慮軌道交通系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模,、設(shè)計(jì)方案、車輛選型等成本因素,；建設(shè)后期為降低運(yùn)營維護(hù)成本,，需快速編制高效的列車運(yùn)行圖，提高運(yùn)營效率,，保障軌道交通系統(tǒng)高效安全運(yùn)營,。從而產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，進(jìn)而吸引社會(huì)資本積極參與軌道交通建設(shè),，推動(dòng)軌道交通繁榮發(fā)展,。

1 研究目的和意義

　　本系統(tǒng)在城市軌道交通建設(shè)前期，可以依據(jù)線路規(guī)模,、運(yùn)營密度,、客流、線路,、車輛等要素變化,，以及信號(hào)的隨機(jī)故障、臨時(shí)限速等隨機(jī)事件,，進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)營模擬仿真和指標(biāo)計(jì)算,，能夠提前得出系統(tǒng)重要的時(shí)間參數(shù)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)運(yùn)營指標(biāo)，為軌道交通建設(shè)和運(yùn)營提供指導(dǎo)性意見,。在線路建設(shè)的初期,，以實(shí)際線路的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為輸入,，通過仿真系統(tǒng)模擬列車實(shí)際運(yùn)行，對生成的運(yùn)行圖和信號(hào)系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證和評估,，可提前發(fā)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不足,，以便及時(shí)改進(jìn)，減少上線后問題的發(fā)生,，提高系統(tǒng)的可用性；同時(shí)能提高實(shí)際線路上列車動(dòng)調(diào)的效率,，縮短系統(tǒng)調(diào)試周期,，降低系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的成本。

　　在線路開通運(yùn)營后,，根據(jù)不同的運(yùn)營需求,，為用戶快速編制運(yùn)行圖，并根據(jù)實(shí)際線路數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)行圖的仿真驗(yàn)證評估,，以編制出高效,、穩(wěn)定、安全的運(yùn)行圖,，從而降低運(yùn)營人員的工作強(qiáng)度,，提高運(yùn)營維護(hù)效率，降低運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用,。

2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

　　國外對該類系統(tǒng)的研究起步較早,，主要以西門子公司研制的“Falko”為代表。Falko是德語“Fahrplan-Validierung and Konstruktioni”的縮略語,，相應(yīng)的英文譯文是“Timetable Validation and Timetable Construction”[1],。它主要用于鐵路系統(tǒng)運(yùn)行圖的創(chuàng)建和仿真驗(yàn)證。它使用高度自動(dòng)化的創(chuàng)建功能,，可以優(yōu)化車輛調(diào)度,，在（部分的）進(jìn)路區(qū)段的精度上創(chuàng)建可運(yùn)行的運(yùn)行圖，應(yīng)用基于事件的仿真器,，可以逼真地模擬被創(chuàng)建的運(yùn)行圖在鐵路系統(tǒng)上的運(yùn)行結(jié)果,。此外，阿爾斯通,、通用電氣,、阿爾卡特等信號(hào)系統(tǒng)提供商也有各自配套的時(shí)刻表系統(tǒng)。北美的TPC系統(tǒng),、RailSim系統(tǒng),，歐洲的TrainStar系統(tǒng)以及日本的 UTRAS系統(tǒng)在列車運(yùn)行仿真與評估領(lǐng)域也有一定的經(jīng)驗(yàn)和影響力。

　　國內(nèi)對該方向的研究落后于國外,，主要代表為同濟(jì)大學(xué)研制的TPM編圖軟件,，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行圖的計(jì)算機(jī)編制與調(diào)整,，使運(yùn)營部門擺脫了Excel等第三方工具，提高了生產(chǎn)效率[2],。在牽引計(jì)算,、列車運(yùn)行仿真、運(yùn)輸計(jì)劃優(yōu)化等方向,，國內(nèi)學(xué)者做出了一定貢獻(xiàn),。總體而言,，國內(nèi)研究成果覆蓋面較廣,，但缺乏深度，也缺少有影響力的產(chǎn)品[3],。

　　目前該領(lǐng)域的國內(nèi)市場主要被國外公司占據(jù),。但國外公司產(chǎn)品往往與自身信號(hào)系統(tǒng)綁定，不提供兼容國內(nèi)信號(hào)系統(tǒng)的接口,，人機(jī)交互方式不適應(yīng)國內(nèi)用戶習(xí)慣,，而且價(jià)格過高、軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固化,、后期維護(hù)成本高,、變通性與靈活性不足，很難滿足國內(nèi)用戶的要求,。因此研發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的運(yùn)行圖編制與驗(yàn)證評估系統(tǒng),，打破國外產(chǎn)品的壟斷地位，是一項(xiàng)緊迫而又富有挑戰(zhàn)的任務(wù),。

3 系統(tǒng)方案

　　3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　如圖1所示,，列車運(yùn)行圖編制與驗(yàn)證評估系統(tǒng)主要由運(yùn)力計(jì)劃方案、運(yùn)行圖人工離線編輯,、線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理,、運(yùn)行圖自動(dòng)優(yōu)化創(chuàng)建、系統(tǒng)仿真驗(yàn)證評估以及運(yùn)行圖保存和輸出等功能模塊組成,。根據(jù)以上系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，分不同模塊實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行圖編制管理的圖形化、可視化,、智能化,、交互式和網(wǎng)絡(luò)化，以及結(jié)果輸出的多樣化,。

　　線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理是運(yùn)行圖編制和驗(yàn)證的基礎(chǔ),，該模塊完成線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理。線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要由線路站場數(shù)據(jù),、車輛數(shù)據(jù),、線路數(shù)據(jù)字典和客流預(yù)測數(shù)據(jù)組成,。線路站場數(shù)據(jù)包括站場圖分布、信號(hào)設(shè)備布局,、車輛段分布,、進(jìn)路數(shù)據(jù)等。車輛數(shù)據(jù)包括列車類型,、數(shù)量,、長度、重量,、編組,、列車最大速度、加速度和牽引性能等,。線路數(shù)據(jù)字典包括接發(fā)車股道,、折返軌道,、區(qū)間運(yùn)行時(shí)間,、站停時(shí)間、折返交路,、折返時(shí)間,、列車追蹤間隔和出入庫時(shí)間等?？土黝A(yù)測數(shù)據(jù)是城市軌道交通設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),，其預(yù)測結(jié)果直接影響運(yùn)營后的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，主要體現(xiàn)在時(shí)間和空間分布,，預(yù)測結(jié)果包括：各期站間表,；全日、高峰小時(shí)客流表,、客流圖,；全日客流量的時(shí)段分布?？土黝A(yù)測不確定因素太多,，需要長期的調(diào)查和模型優(yōu)化[4]。

　　運(yùn)力計(jì)劃方案是對不同運(yùn)力需求計(jì)劃的描述,。根據(jù)不同時(shí)段的運(yùn)營需求,，每年可按照平日、節(jié)假日,、不同季節(jié),、每天不同時(shí)段、臨時(shí)事件等不同交通狀況制定相應(yīng)的運(yùn)行計(jì)劃方案,。運(yùn)力計(jì)劃方案包括創(chuàng)建方案和載入方案,。創(chuàng)建方案指依據(jù)線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù),，設(shè)計(jì)運(yùn)力計(jì)劃方案。載入方案指對已存在的方案進(jìn)行讀取和打開,。

　　運(yùn)行圖人工離線編輯是系統(tǒng)提供的對已生成的運(yùn)行圖的人工編輯功能,，分為添加列車、刪除列車,、復(fù)制列車和修改列車等操作,。添加列車功能指人工創(chuàng)建單個(gè)或多個(gè)列車計(jì)劃，可設(shè)置停站時(shí)間,、接發(fā)股道,、到達(dá)時(shí)分、出發(fā)時(shí)分,、列車折返等信息,；刪除列車功能指人工刪除某單個(gè)或多個(gè)列車的運(yùn)行計(jì)劃；修改列車功能指修改列車的接發(fā)車股道和停站時(shí)間等信息,；復(fù)制列車功能指對列車運(yùn)行計(jì)劃的重復(fù)添加,。

　　運(yùn)行圖自動(dòng)優(yōu)化創(chuàng)建是本系統(tǒng)的核心功能之一，分為時(shí)刻表擴(kuò)展,、車輛計(jì)劃優(yōu)化,、運(yùn)行計(jì)劃和進(jìn)路設(shè)置四步完成。時(shí)刻表擴(kuò)展是生成運(yùn)行計(jì)劃的第一步,，根據(jù)運(yùn)力計(jì)劃方案生成單個(gè)的運(yùn)行線計(jì)劃,。車輛計(jì)劃優(yōu)化是生成運(yùn)行計(jì)劃的第二步，以使用最少的車輛為優(yōu)化目標(biāo),，為每個(gè)運(yùn)行計(jì)劃分配一輛列車,。運(yùn)行計(jì)劃是生成運(yùn)行計(jì)劃的第三步，將車輛計(jì)劃精確到站臺(tái)股道,，該功能考慮折返策略,、出入段策略等運(yùn)行條件。進(jìn)路設(shè)置是生成運(yùn)行計(jì)劃優(yōu)化的最后一步,，生成運(yùn)行計(jì)劃和進(jìn)路的對應(yīng)關(guān)系,，同時(shí)考慮敵對進(jìn)路計(jì)劃沖突因素。

　　系統(tǒng)仿真驗(yàn)證評估模塊用來模擬線路信號(hào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況,，以驗(yàn)證運(yùn)行計(jì)劃的合理性和可用性,，以及信號(hào)系統(tǒng)的性能。包括車載ATO/ATP系統(tǒng),、聯(lián)鎖系統(tǒng),、仿真模擬器和牽引計(jì)算模型。車載ATO/ATP系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)模擬列車運(yùn)行模式,；聯(lián)鎖系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)進(jìn)路,、道岔和信號(hào)按一定條件和制約關(guān)系的控制功能,；仿真模擬器用來模擬信號(hào)設(shè)備的狀態(tài)和故障情況；牽引計(jì)算模型用來模擬列車重量,、列車加速度和線路坡度等列車運(yùn)行參數(shù),。

　　運(yùn)行圖保存和輸出功能主要實(shí)現(xiàn)上傳數(shù)據(jù)庫和輸出多種形式的運(yùn)行圖數(shù)據(jù)，以適應(yīng)不同廠家列車自動(dòng)監(jiān)控ATS系統(tǒng)的需求,。包括運(yùn)行圖保存數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行圖數(shù)據(jù)輸出,。運(yùn)行圖保存數(shù)據(jù)庫是將生成的運(yùn)行圖數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫；運(yùn)行圖數(shù)據(jù)輸出指本地生成多種形式的運(yùn)行圖數(shù)據(jù),。目前,，以北京地鐵為例，該系統(tǒng)主要輸出車底時(shí)刻表,、車站時(shí)刻表和車次時(shí)刻表,。車底時(shí)刻表指同一車底關(guān)聯(lián)的所有車次，按車次順序輸出各車次經(jīng)過各站的時(shí)間情況,；車站時(shí)刻表指以車站為單位,，按車次先后順序經(jīng)過同一車站的時(shí)間情況；車次時(shí)刻表指按車次順序輸出各車次經(jīng)過各站的時(shí)間情況,。

　　3.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)行圖自動(dòng)化創(chuàng)建,、運(yùn)行圖人工離線編輯和系統(tǒng)仿真驗(yàn)證評估功能,。具體實(shí)現(xiàn)如下,。

　　3.2.1 運(yùn)行圖自動(dòng)化創(chuàng)建

　　運(yùn)行圖自動(dòng)化創(chuàng)建流程如圖2。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),，根據(jù)用戶選擇,，加載相應(yīng)線路的站場圖分布、車輛牽引計(jì)算數(shù)據(jù),、客流數(shù)據(jù),、區(qū)間運(yùn)行時(shí)間、追蹤間隔,、折返時(shí)間和出入庫時(shí)間等線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù),，并校驗(yàn)數(shù)據(jù)的合法性。然后,，提示用戶選擇已有的方案或創(chuàng)建新方案,，若用戶選擇已有的方案，依次進(jìn)行執(zhí)行時(shí)刻表擴(kuò)展,、車輛計(jì)劃,、運(yùn)行計(jì)劃和進(jìn)路設(shè)置，即可生成運(yùn)行圖,；若用戶選擇創(chuàng)建方案,，則要求用戶依次進(jìn)行線路設(shè)計(jì),、車次設(shè)計(jì)、車輛段設(shè)計(jì),、周轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)等,，然后才能開始運(yùn)行圖的生成。

　　線路設(shè)計(jì)是對單條運(yùn)行線起始車站路徑的設(shè)計(jì),；車次設(shè)計(jì)是以開始時(shí)間,、結(jié)束時(shí)間和追蹤間隔為參數(shù)對一段時(shí)間內(nèi)運(yùn)行計(jì)劃的描述；車輛段設(shè)計(jì)是指對車輛段容量,、列車停留車輛段時(shí)間等情況約束的描述,；周轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)是指依據(jù)不同的車次（如車速不同），建立車輛和車次的對應(yīng)關(guān)系,。

　　考慮運(yùn)營成本,，在自動(dòng)創(chuàng)建運(yùn)行圖時(shí)，要求單車滿載率盡可能高,；減少旅客等待時(shí)間和換乘次數(shù),，即發(fā)車頻率盡可能高且盡量開行長交路；根據(jù)不同的線路,，車輛段的數(shù)目,、分布和車輛段配置的車輛類型和數(shù)量不同，車輛計(jì)劃的優(yōu)化目標(biāo)為車輛使用數(shù)最小化,。綜合考慮各種約束,，分別建立客流、時(shí)間模型和車輛模型等制約條件,，考慮采用分步優(yōu)化和多種優(yōu)化算法結(jié)合的策略,，自動(dòng)優(yōu)化運(yùn)力配置，創(chuàng)建較優(yōu)的運(yùn)行圖計(jì)劃,，供調(diào)度員使用,，取得了較好的效果，從而節(jié)省了運(yùn)行人員的計(jì)劃編制時(shí)間,，提高了運(yùn)營效率,。

　　3.2.2 運(yùn)行圖人工離線編輯

　　系統(tǒng)通過創(chuàng)建“人工編輯”菜單，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行圖離線編輯的人機(jī)交互功能,。系統(tǒng)啟動(dòng)后,，載入線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)將該線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對應(yīng)的已經(jīng)生成的時(shí)刻表數(shù)據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)中,，系統(tǒng)能自動(dòng)打開已保存的運(yùn)行圖,。根據(jù)系統(tǒng)提供的操作選項(xiàng)，用戶可以對相應(yīng)的列車計(jì)劃進(jìn)行增加、刪除,、修改,、復(fù)制等操作，并對修改完的運(yùn)行圖進(jìn)行折返時(shí)間,、區(qū)間運(yùn)行時(shí)間,、站停時(shí)間及列車追蹤間隔、列車到發(fā)時(shí)序沖突,、站臺(tái)股道占用沖突,、折返軌運(yùn)用沖突等約束條件的沖突檢測，檢測成功后才能上傳到數(shù)據(jù)庫,。

　　3.2.3 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證評估

　　為了對整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證評估,，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)搭建聯(lián)鎖模型、車載ATO/ATP模型,、仿真模擬器模型和車輛牽引計(jì)算模型等用來模擬列車實(shí)際運(yùn)行,。利用菜單操作的方式模擬信號(hào)設(shè)備故障，如在區(qū)段限速和股道封鎖等故障行車情況下進(jìn)行模擬跑車,，對系統(tǒng)已編制的運(yùn)行圖的可用性和信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證評估,，從而能為運(yùn)營人員提供決策依據(jù)，為及早發(fā)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不足,，并及時(shí)修改提供基礎(chǔ),。最后，將數(shù)據(jù)庫中經(jīng)過驗(yàn)證的運(yùn)行圖導(dǎo)入到ATS系統(tǒng)中,，便能供調(diào)度員行車指揮使用,。

4 系統(tǒng)功能演示

　　以北京地鐵8號(hào)線為例，對該系統(tǒng)運(yùn)行圖自動(dòng)優(yōu)化創(chuàng)建功能和仿真驗(yàn)證功能進(jìn)行演示,。首先,，系統(tǒng)啟動(dòng)后,，選擇載入線路結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),，然后新建方案，依次如圖2中的操作,，生成的運(yùn)行圖如圖3所示,。并進(jìn)行仿真驗(yàn)證評估，模擬信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行,，仿真驗(yàn)證過程如圖4所示,。

5 結(jié)論

　　列車運(yùn)行圖編制優(yōu)化屬NP難解問題，存在“組合爆炸”,，是當(dāng)前運(yùn)輸發(fā)展的重大技術(shù)難題[5],。本文以單條線路為基礎(chǔ)，對運(yùn)行圖自動(dòng)優(yōu)化編制和系統(tǒng)驗(yàn)證功能，嘗試多種優(yōu)化算法解決,，取得了較好的效果,。然而，隨著城市交通網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展,，對路網(wǎng)能力評估方法,、路網(wǎng)運(yùn)行計(jì)劃協(xié)調(diào)性評估方法、路網(wǎng)運(yùn)營安全評估方法,、多車輛段多車型的車輛調(diào)度優(yōu)化策略,、折返作業(yè)計(jì)劃優(yōu)化方法、快慢車混跑下的運(yùn)行線規(guī)劃優(yōu)化方法以及客流預(yù)測方法和多種信號(hào)制式下的進(jìn)路級(jí)運(yùn)行計(jì)劃編制方法還有待進(jìn)一步研究,。

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