基于日班計劃的車流推算研究

龍 昭

(北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070)

基于日班計劃的車流推算研究

龍 昭

(北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070)

車流推算是技術(shù)站進行作業(yè)安排的關(guān)鍵手段，研究了基于CIPS系統(tǒng)日班計劃模塊的車流推算及推流算法，給出具體的推流過程，并且實現(xiàn)了相關(guān)功能，應(yīng)用于現(xiàn)場，獲得了良好的效果。

日班計劃；車流推算；技術(shù)站

1　問題與現(xiàn)狀

技術(shù)站的車流推算是調(diào)度員安排全站調(diào)車作業(yè)、接發(fā)車作業(yè)和機車出入段作業(yè)的主要手段。通過車流推算，調(diào)度員掌握全站的車流情況，合理安排車流接續(xù)，進而指導(dǎo)全站的技術(shù)作業(yè)，因此，車流推算在調(diào)度工作中處于非常關(guān)鍵的位置[1]。

1.1車流推算的特點

車流推算的本質(zhì)含義為如何通過推算，將本站現(xiàn)有和將要到來的車流快速有序的安排到出發(fā)列車中，正點發(fā)出，他是聯(lián)系到達列車和出發(fā)列車的一條紐帶。在車流推算過程中，必須考慮很多因素，如列車時刻表、編組計劃、重點車流、無調(diào)車流、車站解編能力、場上車流分布情況、預(yù)計到達車流情況等，這些都對車流推算產(chǎn)生很大的影響。

由于未到站車流對車流推算的影響很大，這就決定一次推算時間不可能很長，如車站基本上只能看到未來3 h的到達列車及其確報，那么，推算時間過長也沒有現(xiàn)實意義。這也使得調(diào)度人員需要根據(jù)車流情況反復(fù)推流，不斷調(diào)整作業(yè)計劃，以達到暢通的目標(biāo)。

由于本務(wù)機出段必須有提前通知的計劃，即列車沒有編組完成就要通知，所以推流結(jié)果必須保證其嚴(yán)肅性，保證其對全站的指導(dǎo)意義，不可能在執(zhí)行過程中隨意更改。

1.2目前車流推算的現(xiàn)狀

基于車流推算涉及因素的復(fù)雜度，編制一個完全自動化的推流系統(tǒng)是比較困難的?，F(xiàn)在還無法編制一個系統(tǒng)，完全自動安排技術(shù)站的調(diào)車作業(yè)、出發(fā)列車作業(yè)、出發(fā)列車的編組內(nèi)容、本務(wù)機的出入段等作業(yè)，而不需要人工參與，但仍然有很多同仁進行了這方面的研究和探討，提出很多有益的想法。

文獻[2]將車流推算看作商品交易行為，提出車流資源在編入出發(fā)列車時的虛擬價格概念及其確定方法，用來控制車流資源在車站的停留時間，最后用遺傳算法進行求解。文獻[3]建立了技術(shù)站階段計劃的車流推算模型，從尋找最優(yōu)的列車解體、編組順序出發(fā)，結(jié)合求解運輸問題的表上作業(yè)方法，設(shè)計了求解該模型的混合遺傳算法。文獻[4]運用組合數(shù)學(xué)原理構(gòu)造方案樹，提出最大可能剩余量概念，導(dǎo)出計算公式，并以此作為方案值控制樹的生長進而利用回溯算法搜索有利方案。

以上這些研究成果都是從數(shù)學(xué)上來解決推流問題，通過建模算法來得到優(yōu)化結(jié)果。

CIPS系統(tǒng)在全路編組站調(diào)度指揮系統(tǒng)中具有領(lǐng)先地位，其系統(tǒng)地管理全站的現(xiàn)車和各種技術(shù)作業(yè)。在CIPS系統(tǒng)中有班計劃管理子系統(tǒng)，它的主要功能是通過服務(wù)端的推流實時提供接發(fā)列車后的場內(nèi)車流以及各個整點的車流，為調(diào)度員進行推流組織提供車流數(shù)據(jù)參考。但由于其數(shù)據(jù)完全為靜態(tài)，并不能提供建議結(jié)果，再加上一些其他的功能缺陷，制約了班計劃子系統(tǒng)的運用，也沒有達到其作為調(diào)度常用工具的目的[5]。因此，完善推流系統(tǒng)，為調(diào)度員提供真正的決策支持就成為一項迫切的工作，這也是本文的研究內(nèi)容。

由于推流工作既處于車站工作的核心位置，又與各項工作息息相關(guān)，因此基于一個車流系統(tǒng)來推流，才能真正發(fā)揮推流的優(yōu)勢，讓調(diào)度員通過推流加調(diào)整的手段達到推流的目的。

2　車流推算過程

為調(diào)度員設(shè)計的推流過程如圖1所示。

1）計算班前車流和整點車流

打開日班計劃客戶端時，根據(jù)當(dāng)前場上的實時車流和06：00（18：00）到目前為止的到發(fā)列車情況計算06：00（18：00）時的車流，并從這個班前車流往后推，每個整點的車流顯示在客戶端上。

2）初始化可用車流

需要開始推流時，重新根據(jù)實時車流和到發(fā)列車情況計算每個車流的可用時間和使用權(quán)重，作為推流的原始數(shù)據(jù)。重新獲取原始車流而不是使用班前車流來推，也是為了進一步修正車流數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3）推流

有了可用車流就可以推算出發(fā)列車，為出發(fā)列車安排車流。在實際操作中，如果改變了將要到達列車的車流，或者增加、刪除、修改了出發(fā)列車，則會重新推流，改變出發(fā)列車的車流。當(dāng)然對于用戶已經(jīng)修改了車流的出發(fā)列車（默認(rèn)為用戶已經(jīng)確認(rèn)此車流），則不再為其重新安排車流。

4）下達計劃

調(diào)度員調(diào)整完計劃后，可以將計劃下達到上層的CIPS系統(tǒng)，作為場調(diào)、機調(diào)的作業(yè)依據(jù)。系統(tǒng)也會將所做計劃保存起來，用于以后查詢當(dāng)時做的計劃，與實際數(shù)據(jù)進行比較，評比計劃的兌現(xiàn)率。

3　原始車流和到發(fā)列車的確定

3.1原始車流切面的確定

在車流推算中，原始車流切面的確定是至關(guān)重要的，只有保證其準(zhǔn)確，推流結(jié)果才有可用性。

既有CIPS系統(tǒng)的做法是在服務(wù)端推流，即每次交接班時在服務(wù)端推定06：00（18：00）的結(jié)存車流，往后對于每列車都推定接發(fā)這列車后的可用車流，整點車流是根據(jù)整點前后的列車數(shù)據(jù)得到的。這樣做的好處是將所有的推流模塊放在服務(wù)端，從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上看比較優(yōu)化。但也會出現(xiàn)一些問題，首先可能出現(xiàn)的問題就是到開不對接，因為在CIPS系統(tǒng)中，現(xiàn)車和列車屬于不同的線程管理，雙方通過其他機制來保證數(shù)據(jù)一致性，那么如果以某一特定時刻的現(xiàn)車和列車數(shù)據(jù)作為推流基礎(chǔ)，就可能出現(xiàn)漏流和多流的情況。比如列車已經(jīng)調(diào)度核準(zhǔn)，由于數(shù)據(jù)不一致，可能現(xiàn)車還沒入線，這就可能產(chǎn)生漏流；如列車已經(jīng)發(fā)車報點，但現(xiàn)車還沒來得及消失，這就可能形成多流的情況。在既有系統(tǒng)中有相應(yīng)的措施在不斷調(diào)整原始數(shù)據(jù)，彌補漏流和多流引起的誤差。這樣做還有一個缺陷就是會引起累積誤差，如這個班有車流算錯了，由于是滾動推算原始車流切面，則其錯誤會帶到下一班中,引起誤差無法消除。而且這種做法無法管理非運用車，因為只能得到班初的非運用車，對于往后的運轉(zhuǎn)非、非轉(zhuǎn)用操作無法科學(xué)的表達，所以整個班的非運用車數(shù)是固定不變的，這樣推流肯定會出現(xiàn)誤差。

考慮到這些缺陷，本項目重新系統(tǒng)地考慮了原始車流切面的確定準(zhǔn)則，編制了新的規(guī)則。系統(tǒng)不再將原始切面的獲取放在服務(wù)端，而是放在客戶端。每次打開客戶端時，系統(tǒng)通過讀取數(shù)據(jù)庫方式來保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，這是因為雖然在程序?qū)用娆F(xiàn)車和列車的數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)不一致，但在數(shù)據(jù)庫層面上是一致的。打開客戶端時，讀取當(dāng)前場內(nèi)車流、當(dāng)前所有已經(jīng)入線的列車，然后根據(jù)接發(fā)車歷史往前推定原始車流。回溯時，對于已經(jīng)調(diào)度核準(zhǔn)但還沒有入線的列車，則不減去其車流，對于已經(jīng)發(fā)車報點但還沒有入線的列車，則不加上其車流，這樣每個車的流都不會多算和少算。

每次打開客戶端時，都重新推定其原始車流，肯定不會出現(xiàn)累積誤差的問題。由于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)保證了保存數(shù)據(jù)的一致性，那么不同機器在同一時間打開客戶端、相同機器在不同時間打開客戶端，也不會出現(xiàn)前存數(shù)據(jù)不一致的問題。

此前說的是打開客戶端界面時推定前存車流，那么對于調(diào)度人員觸發(fā)推流操作時，系統(tǒng)并不是用班前車流來推定當(dāng)前車流，而是又會以讀取數(shù)據(jù)庫的方式重新獲取一個當(dāng)前車流、將要到達的車流、非運用車數(shù)據(jù)，這個車流才作為安排出發(fā)列車的原始資源。這樣做的原因也是為了多一重保障，而且為了獲取每個車流的可用時刻，必須有這樣一個流程。

3.2 到發(fā)列車范圍的確定

推流過程中，對于已經(jīng)入線的到達列車以當(dāng)前車流為準(zhǔn)，對于還未到站的列車以階段計劃為準(zhǔn)。這是因為行調(diào)通過鄰臺的接續(xù)等操作對于到達列車的掌握很準(zhǔn)確，而列車時刻表和班計劃并不能做到這一點。所以車站能夠掌握未來3 h的到達列車情況，通過TMIS的原始確報進來以后，系統(tǒng)通過模糊匹配為到達列車匹配確報，得到車流，這個車流加上標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時間后，就可以作為可用車流，參與車流推算。對于階段計劃末車時刻以后的到達列車，以班計劃為準(zhǔn)。

在實際推流過程中，可能存在到達列車沒有匹配上原始確報，但這種情況屬于很少數(shù)，需要調(diào)度員人工挑報，為列車安上車流。對于實在沒有確報但確實已經(jīng)知道其車流的列車，可以修改其車流，讓其車流參與推算。

推流的目的就是安排出發(fā)列車并為其安排編組，出發(fā)列車的來源以列車時刻表為準(zhǔn)。這是因為編組站的技術(shù)作業(yè)比較復(fù)雜，行調(diào)無法實時掌握編組出發(fā)情況，因此出發(fā)列車的階段計劃并不準(zhǔn)確。而班計劃是對一天的工作安排，同樣存在這個問題，為了提高正點率，以列車時刻表為挑選范圍是比較合適的。每次推流時，挑選選定時間段的出發(fā)列車，根據(jù)其編組計劃判斷其是否夠流，如果夠流，則為其安排相應(yīng)的流。

4　車流推算原理

本系統(tǒng)建立了基于車流權(quán)重的推流模型，用特定的算法進行求解。算法最終用C#語言實現(xiàn)，每次推流時間在1 s以內(nèi)。

假設(shè)當(dāng)前在場車流為S0＝{S（1），S（2）……S（n）}，場上共有n支車流，Si＝{li，ti，λi，di}表示第i支車流的狀態(tài)，其中l(wèi)i表示車流所在股道，ti表示車流的列車狀態(tài)，λi表示車流可以用于出發(fā)列車的權(quán)重，di表示此車流的方向，每支車流都有唯一的方向號。

對于不在到達場的列車，由于其可用時間已經(jīng)與到達列車的狀態(tài)無關(guān)，所以ti為空，只有仍然在到達場的列車，其狀態(tài)不同，則可用時間就不同，如對于在相同到達場的車流，已經(jīng)列檢和已經(jīng)調(diào)度核準(zhǔn)其預(yù)計可用時間肯定不一樣。

對于同在場內(nèi)的車流，其可用的權(quán)重也不同，如編組場的車流肯定比到達場的車流有更高的可用概率，所以設(shè)置了權(quán)重參數(shù)，推流時，權(quán)重越高的車流能夠越優(yōu)先用于出發(fā)列車。對于非運用車，其權(quán)重為0。對于在出發(fā)場的車流，如果已經(jīng)轉(zhuǎn)確報，即已經(jīng)用于出發(fā)列車，則其權(quán)重為0。

假設(shè)在途車流為S1＝{S（1），S（2）……S（m）}，在途共有m支車流，Sj＝{tj，λj，dj}表示第j支車流的狀態(tài)，其中tj表示車流的列車狀態(tài)，主要是到達時間，λj表示車流可以用于出發(fā)列車的權(quán)重，對于所有在途車流，其可用權(quán)重相同，dj表示此車流的方向。

定義車流集合為：S＝{S0，S1}

假設(shè)推流時間段內(nèi)基本圖中無調(diào)列車集合為T0={t（1），t（2）……t（p）}，共有p列無調(diào)列車，Ti＝{di，ci，li}表示第i列車，di為規(guī)范化后的發(fā)車時間，ci表示此列車編組計劃，li表示列車發(fā)車系統(tǒng)。

由于基本圖中的發(fā)車日期都是固定的，需要將發(fā)車時間規(guī)范化到推流時間范圍內(nèi)。無調(diào)列車的編組為空，完全根據(jù)接續(xù)車次來為其安排編組，而有調(diào)列車的編組可以有多個方向，所以ci是個編組方向的集合，編組方向之間有先后順序。每個列車有其原始的發(fā)車系統(tǒng)，即從哪個系統(tǒng)發(fā)車，推流時可以判斷某支車流用于此列車時是否需要交換，但對于環(huán)發(fā)的情況需要特殊考慮，即可以改變列車的發(fā)車系統(tǒng)，這一點在下面的內(nèi)容中將詳細(xì)闡述。

假設(shè)推流時間段內(nèi)基本圖中有調(diào)列車集合為T1={t（1），t（2）……t（q）}，共有q列有調(diào)車列車，tj＝{dj，cj，lj}表示j列車，其含義與無調(diào)列車一致。

定義目標(biāo)列車集合為:T＝{T0，T1}

模型可以定義為得到一個優(yōu)化的方案，將資源S分配到T中，最終確定每列車的編組內(nèi)容，定義編組方案為O={o（1），o（2）……o（p＋q）}，共有p＋q列車，ok表示第k列車的編組內(nèi)容，包括此列車每支車流的來源，是車流來源S的子集，且任意兩個編組方案不相交。由于可能存在欠流，所以ok可能為空。

可以看出，建立的模型并不復(fù)雜，沒有必要用非常復(fù)雜的算法，系統(tǒng)設(shè)計了獨特的數(shù)學(xué)算法。

Step1：確定車流來源S和初始出發(fā)列車集合T，初始化空白的編組方案O′，S中所有車流的權(quán)重重新初始化。

Step2：遍歷T中所有已經(jīng)經(jīng)過用戶編輯車流的出發(fā)列車，將相應(yīng)列車的編組方案寫入O′中，由于編組方案包含了車流來源，從S中將O′已經(jīng)用掉的所有車流的權(quán)重設(shè)置為0。

Step3：為無調(diào)列車分配車流。對于T0中的所有列車，從S中查找車次為其接續(xù)車次，且接續(xù)時間能滿足發(fā)車條件的車流，如果能找到，則將此車流分配給此無調(diào)列車，權(quán)重置0。由于無調(diào)列車往往是源到源的，所以可以直接將整列車的所有車流統(tǒng)一分配。

Step4：為有調(diào)列車分配車流。對于T1中的所有列車，車流分配流程如圖2所示。

滿足時間條件是指車流從當(dāng)前線或者未到狀態(tài)到能夠發(fā)出所必需使用的標(biāo)準(zhǔn)時間，對于折角車流還必須加上一個交換時間。

Step5：形成優(yōu)化的編組方案O。

5　系統(tǒng)中特殊考慮之處

5.1非運用車的特殊考慮

推流時，非運用車不能作為出發(fā)車流發(fā)出，必須扣除。系統(tǒng)設(shè)計打開客戶端后，前存非運用車即為當(dāng)前的非運用車，由于在推流前可能有新的扣修，也可能被修峻，所以推流時不能以這個數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。系統(tǒng)設(shè)計為推流開始時重新獲取非運用車數(shù)據(jù)，保證推流時車流的準(zhǔn)確性。

5.2分系統(tǒng)推流

調(diào)度員在推流時，既需要全盤考慮車流，也需要分系統(tǒng)考慮，看本系統(tǒng)是否夠流和其車流分布情況?；谌瞻嘤媱澋能嚵魍扑阆到y(tǒng)在推流時詳細(xì)記錄了每個流的線路和方向，因此完全支持分系統(tǒng)推流。

5.3環(huán)發(fā)的特殊考慮

所謂環(huán)發(fā),是指車流不通過常規(guī)的車流徑路發(fā)出，而是經(jīng)過其相反方向從本站始發(fā)，然后繞行特定的車流徑路到達目的地。環(huán)發(fā)是影響車流推算準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵因素，對于有環(huán)發(fā)情況的車站，如果不考慮其特殊性，那么推流結(jié)果同樣不具實用性。

下面以武漢北編組站為例進行分析，武漢北下行出發(fā)場可以通過株洲發(fā)、麻城發(fā)兩條正線將下行車流發(fā)往鄰站灄口，但同時上行出發(fā)場也可以通過橫店發(fā)這條正線將下行車流發(fā)往橫店，然后到達灄口，形成環(huán)發(fā)的情況。

此時，上行系統(tǒng)通過橫店發(fā)車時，其車流實際上是存在于上行系統(tǒng)的下行車流，而車次是下行的車次，即所有經(jīng)過株洲發(fā)、麻城發(fā)的列車車次都有可能通過橫店發(fā)。時刻表中，橫店發(fā)車只有一條發(fā)車記錄，完全是用于加開列車用，實際上基本圖是沒有列車經(jīng)由橫店發(fā)車的，即這條記錄都是虛擬的。如果完全按照分系統(tǒng)推流，則所有存在于上行系統(tǒng)的下行流都將成為轉(zhuǎn)角流，必須轉(zhuǎn)角后從下行發(fā)出，這顯然是不對的，這些流實際上是通過橫店發(fā)出去的。

所以安排株洲、麻城發(fā)的基本圖列車時，首先看下行系統(tǒng)是否夠流，如果不夠流，就考慮以相同車次從上行系統(tǒng)發(fā)車，此時正線是橫店發(fā)，兩者都不夠條件時，才考慮折角。當(dāng)然也存在這種情況，下行系統(tǒng)的流非常充足，可以開行列車，那么就可能引起上行系統(tǒng)的橫店方向老是沒有安排列車發(fā)出，所以系統(tǒng)必須考慮上下行系統(tǒng)中下行流的具體情況，合理穿插安排橫店方向發(fā)出列車。

系統(tǒng)將這種情況作為配置寫在程序中，較好的解決了這個問題。

5.4到達確報的模糊匹配

由于行車車次和確報車次的不一致性，存在到達列車的階段計劃車次和原始確報車次上下行對不上，或者字母上有差異的情況，這種現(xiàn)象在武漢北尤其突出。如果不能解決此問題，則大部分的到達列車無法自動配報，必須由調(diào)度人員人工配報，增加其工作難度，影響系統(tǒng)使用。

因此，系統(tǒng)設(shè)計了一個模糊匹配模塊，對于上下行不一致的車次，用戶維護一個數(shù)據(jù)表，然后就能夠自動匹配。而對于字幕上有差異的車次，系統(tǒng)也做了改善，讓其能夠自動匹配上。通過修改，大大提高了到達列車的確報自動匹配率。

5.5調(diào)整出發(fā)列車發(fā)車時間的處理

推流操作后，系統(tǒng)根據(jù)基本圖自動安排出發(fā)列車，但根據(jù)實際情況，調(diào)度員會調(diào)整列車，系統(tǒng)對人工調(diào)整采取的策略如下：

刪除列車：刪除此列車，重新推流，將多出來的車流重新分配到新加開的其他出發(fā)列車中。

增加列車：增加一列車，重新推流，為此列車安排車流。

拖動列車：往后拖動列車線改變發(fā)車點，當(dāng)拖動時刻接近基本圖中下一個同編掛要求的運行線（圖定時間±15 min），且該運行線為空時，自動將車次改動到對應(yīng)該運行線；反之改回去。如若運行線不為空，則仍用拖動前運行線的車次。拖動完成后，重新推流。

修改列車車流：修改某出發(fā)列車的車流后，重新推流，但首先必須從原始流中將此列車的流減去，然后再將流分配到其他未人工配流的列車。

6　結(jié)論

基于日班計劃的車流推算系統(tǒng)在武漢北首次實施，經(jīng)過“調(diào)度員使用→提出問題→修改并重新試用”的階段。在此期間，調(diào)度員提出很多實用性的建議，進一步完善和擴展了推流系統(tǒng)，得到了很好的效果，解決了調(diào)度員盲目安排出發(fā)列車的問題。

[1]楊浩.鐵路運輸組織學(xué)[M].3版.北京:中國鐵道出版社，2011.

[2]徐杰,杜文,劉春煌.鐵路技術(shù)站車流推算模型和算法[J].中國鐵道科學(xué)，2005，（4）：120-123.

[3]王正彬,杜文,吳柏青,等.基于解編順序的階段計劃車流推算模型及算法[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2008，（1）：91-95.

[4]王慈光.編組站動態(tài)配流模型與算法研究[J].鐵道學(xué)報，2004，（1）：1-6.

[5]丁昆.鐵路編組站CIPS系統(tǒng)的研究[J].中國鐵路，2009，(11）：27-31.

Traffi c fl ow estimation is a key method for carrying out operation in technical stations. The paper studies traffi c fl ow estimation based on the traffi c daily plan module of the CIPS system from the algorithm and processes of traffic flow estimation. It is proved that the functions can be realized through on-site application of the method with well effect.

daily plan; traffi c fl ow estimation; technical station

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.03.003

2015-08-18）