全自動運(yùn)行系統(tǒng)下列車救援分析與決策

摘 ?要：全自動運(yùn)行系統(tǒng)在城市軌道交通建設(shè)中已取得了廣泛的推廣，系統(tǒng)自動化水平的提升也給運(yùn)營帶來新的挑戰(zhàn)，特別是因列車在區(qū)間內(nèi)迫停后的救援處置，更是應(yīng)急領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。文章首先分析了全自動運(yùn)行系統(tǒng)下列車救援的基本流程，進(jìn)一步深化分析GoA4運(yùn)行等級下，三種不同工況條件下救援策略的選擇。針對無法直觀進(jìn)行策略選擇的場景，該文基于動態(tài)規(guī)劃理論，引入多階段決策問題，提出了一種決策方法，并依據(jù)仿真案例進(jìn)行詳細(xì)分析。

關(guān)鍵詞：全自動運(yùn)行系統(tǒng);列車救援;動態(tài)規(guī)劃;多階段決策

中圖分類號：U283 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）04-0047-05

Abstract：The automatic operation system has been widely popularized in the construction of urban rail transit，and the improvement of the automation level of the system also brings new challenges to the operation，especially because the rescue and disposal of the train after the forced stop in the interval is the focus of the research in the field of emergency. First，this paper analyzes the basic flow of train rescue under the automatic operation system，and further deepens the analysis GoA4 the choice of rescue strategy under three different operating conditions under the operation grade. In view of the scenario which can not directly select the strategy，based on the dynamic programming theory，a multi-stage decision-making problem is introduced，and a decision-making method is proposed，and the simulation case is analyzed in detail.

Keywords：fully automatic operation system;train rescue;dynamic planning;multi-stage decision

0 ?引 ?言

國際公共交通協(xié)會（UITP）將列車運(yùn)行的自動化等級（grades of automation，簡稱GoA）劃分為5級，各等級簡要說明如下。

（1）GoA0：目視下列車運(yùn)行，司機(jī)負(fù)全責(zé)，無系統(tǒng)防護(hù);

（2）GoA1：非自動列車運(yùn)行（SCO），即ATP防護(hù)下的人工駕駛;

（3）GoA2：半自動列車運(yùn)行（STO），即司機(jī)監(jiān)督下的ATO駕駛;

（4）GoA3：有人值守下的列車自動運(yùn)行（DTO）;

（5）GoA4：無人值守下的列車自動運(yùn)行（UTO）。

GoA3（DTO）和GoA4（UTO）統(tǒng)稱為全自動運(yùn)行系統(tǒng)[1]（Fully Automatic Operation，簡稱FAO），已成為國際公認(rèn)的主流發(fā)展方向之一，在國內(nèi)外地鐵建設(shè)也取得了突飛猛進(jìn)的應(yīng)用，國內(nèi)如深圳地鐵四期建設(shè)將全面采用全自動運(yùn)行系統(tǒng)，預(yù)計(jì)2025年全球全自動運(yùn)行線路將達(dá)2 300 km[2]。

系統(tǒng)自動化水平的提升，會使傳統(tǒng)的人機(jī)功能得到重新分配，尤其是當(dāng)?shù)罔F運(yùn)營中出現(xiàn)緊急狀況，相關(guān)人員、設(shè)備采取的應(yīng)急處置會大有不同。由于在GoA4等級下列車上無司機(jī)這一特點(diǎn)，發(fā)生在區(qū)間內(nèi)的應(yīng)急場景無疑是對運(yùn)營人員最具挑戰(zhàn)性的一環(huán)，特別是因動力丟失等因素導(dǎo)致的列車區(qū)間迫停。因此，本文針對此場景對其救援策略進(jìn)行深入研究。

1 ?FAO下列車救援策略分析

1.1 ?列車救援基本流程

當(dāng)列車因嚴(yán)重故障無法行駛時，為了使故障列車行駛到維修區(qū)域，將人工駕駛救援列車救援故障列車。具體啟動以下救援流程：

（1）救援列車首先進(jìn)行清客作業(yè)，中心調(diào)度2名司機(jī)將救援車轉(zhuǎn)為人工駕駛模式;

（2）司機(jī)駕駛救援車至故障車前30.0 m處，進(jìn)行第一次停車，其中一名司機(jī)下車引導(dǎo)救援車，在距離5.0 m處再次停車，同時對車鉤狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn);

（3）繼續(xù)人工引導(dǎo)，距離0.5 m時第三次停車，對準(zhǔn)鉤位后，以不超過3 km/h的速度進(jìn)行撞擊連掛;

（4）在確認(rèn)故障車車體外指示燈為常亮，司機(jī)方可進(jìn)入故障列車并進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換;

（5）救援車進(jìn)行試?yán)收宪噧?nèi)的司機(jī)負(fù)責(zé)瞭望，其運(yùn)行限速為30 km/h[3]，救援成功，兩列車返回正線存車線或場段。

在GoA3等級下，因列車上設(shè)置司機(jī)，所以與GoA2運(yùn)行等級下的救援策略往往沒有差別，正線的列車在區(qū)間發(fā)生故障無法運(yùn)行時，應(yīng)首先遵循“順向救援”的原則[4]，即優(yōu)先后車推進(jìn)救援，特殊情況下選擇前車牽引救援。圖1為救援過程中各個參與者的動作時序交互描述。

在GoA4等級下，因列車上沒有司機(jī)，而救援過程必須切除列車自動駕駛模式，改為人工駕駛模式。因此在執(zhí)行救援過程中，車站值班員須安排至少2名司機(jī)上救援車作為救援車司機(jī)與被救援車司機(jī)。下文將針對GoA4運(yùn)行等級下不同工況條件的救援策略進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.2 ?GoA4運(yùn)行等級下的救援策略

1.2.1 ?故障列車的后方列車未出站

由于后方列車尚未駛出站臺，此場景下可與GoA3等級下的救援方案大體一致。唯一不同的是在救援列車清客后，需派2名司機(jī)上救援車，到達(dá)距離故障車30.0 m處，一名司機(jī)下車行走至故障車，進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換、瞭望、輔助連掛完成。

1.2.2 ?故障列車的后方有一列車已出站

如圖2所示，在站間距超過3 km的長大區(qū)間，同一區(qū)間會同時存在兩輛或三輛列車。當(dāng)列車迫停在區(qū)間，且其后車已駛離站臺時，應(yīng)立刻采取相應(yīng)措施。

對此分為兩種工況：

（1）列車1未通過車站B：

方案一：

列車3進(jìn)行制動并在安全距離外停車。

列車1運(yùn)行至車站B，并正常載客運(yùn)行。

車站A安排2名綜合乘務(wù)員（司機(jī)）通過疏散平臺到達(dá)列車3，進(jìn)行載客推進(jìn)救援。

方案二：

列車3進(jìn)行制動并在安全距離外停車。

列車1正常運(yùn)行至車站B，并正常載客運(yùn)行。

車站A安排2名綜合乘務(wù)員（司機(jī)）通過疏散平臺到達(dá)列車3，先將列車3退行至車站A，提前通知相關(guān)車站做好客運(yùn)組織和乘客服務(wù)引導(dǎo)，安排站務(wù)人員做好協(xié)助司機(jī)清客的準(zhǔn)備[5]，再駕駛空載列車3與故障車2連掛并進(jìn)行推進(jìn)救援。

方案三：

列車3進(jìn)行制動并在安全距離外停車。

列車1正常運(yùn)行至車站B，進(jìn)行疏散清客，再安排2名綜合乘務(wù)員（司機(jī)）上車，進(jìn)行空載牽引救援。

列車3在區(qū)間等待救援后恢復(fù)運(yùn)行。

方案四：

列車3進(jìn)行制動并在安全距離外停車。

列車1正常運(yùn)行至車站B，進(jìn)行疏散清客，再安排2名綜合乘務(wù)員（司機(jī)）上車，對故障車進(jìn)行空載牽引救援。

同時中心行調(diào)通過廣播與列車3的乘客進(jìn)行通話，引導(dǎo)乘客打開車門，自行進(jìn)行區(qū)間疏散至車站A。若此工況下無區(qū)間疏散平臺，則沿用方案三車內(nèi)等待。

針對方案三和四，若已選定運(yùn)用牽引救援策略，應(yīng)該最大限度地減少對正線其他列車運(yùn)營的影響[6]，對于不參與救援行動的列車（即列車3），一般不考慮讓其載客返回車站A。因?yàn)橐环矫鎸τ诹熊?的乘客而言，等待時間也較長，另一方面是在此高密度行車間隔下，車站A很有可能已經(jīng)有列車進(jìn)站或即將進(jìn)站，反向運(yùn)行反而會對其后續(xù)列車帶來“傳導(dǎo)式”影響。

以上4種方案，具體要考慮故障列車的迫停位置、區(qū)間長度、列車追蹤間隔以及各列車上的載客人數(shù)等因素，來最終確定救援方案。

（2）列車1已駛離車站B：當(dāng)列車1已駛離車站B，無法進(jìn)行前車牽引救援，因此只能在上述方案的一、二中進(jìn)行選擇。

1.2.3 ?故障列車的后方有兩列車已出站

故障列車后方有兩列車已出站的情況如圖3所示：

（1）列車1已通過車站B：

方案一：

列車3、4進(jìn)行制動并在安全距離外停車。

由車站B派出2名綜合站務(wù)人員（司機(jī)）到列車2上排查列車故障原因，嘗試啟動蠕動模式，盡量將列車2低速運(yùn)行到車站B。如無法移動，2名綜合站務(wù)人員中一名立刻行走至列車3，啟動載客推送救援。

列車4在區(qū)間等待救援后恢復(fù)運(yùn)行。

方案二：

列車3、4進(jìn)行制動并在安全距離外停車。

對于列車2、3的處置方式與上述方案一致。

中心行調(diào)通過廣播與列車4的乘客進(jìn)行通話，引導(dǎo)乘客打開車門，自行進(jìn)行區(qū)間疏散至車站A。

（2）列車1未通過車站B：此工況條件特殊，極少出現(xiàn)。在此工況下，若列車1已載客完畢，應(yīng)立即將列車1發(fā)車，清空車站B，再回到上述（1）下的方案一、二救援模式;若列車1剛進(jìn)入車站B，即收到列車2故障報(bào)警，也可考慮先將列車1清客，再利用空載列車1對列車2進(jìn)行牽引救援。具體救援策略依據(jù)實(shí)際情況采取靈活處理。

2 ?基于動態(tài)規(guī)劃的多階段救援決策

2.1 ?多階段決策問題的引入

上一節(jié)中介紹了在全自動運(yùn)行系統(tǒng)下，不同工況下救援策略的基本選擇方法，不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)在特定的運(yùn)行等級和特殊的迫停地點(diǎn)時，會同時出現(xiàn)多種可行的救援策略，如何針對具體的故障條件，找出一條最合適的救援策略，則是問題的關(guān)鍵。

日常生活中，存在著很多的多階段決策問題，如最短路問題、機(jī)器負(fù)荷的分配問題等[7]，這類活動可將其發(fā)生過程分成若干個互相聯(lián)系的階段，在它的每一階段都需要作出決策，當(dāng)前階段的決策既依賴于上一階段的狀態(tài)，又影響以后的發(fā)展。同樣，列車救援決策也是一類多階段決策問題，尤其在全自動運(yùn)行系統(tǒng)下，對于救援車和故障車的處理先后順序以及方式的不同，將直接影響救援效率。

2.2 ?基于動態(tài)規(guī)劃的多階段決策方案

針對于多階段救援決策問題，往往采用動態(tài)規(guī)劃方法，從系統(tǒng)總效應(yīng)即救援效率出發(fā)，按照不同的階段，有預(yù)見性地進(jìn)行動態(tài)決策，最終串聯(lián)完成全過程的最優(yōu)策略。此問題需明確階段、狀態(tài)、策略、評價函數(shù)四個概念。

（1）階段：針對救援過程，主要分為以下幾個階段：救援列車的處置、故障列車的處置以及區(qū)間內(nèi)受影響的無關(guān)列車的處置。

（2）狀態(tài)：最優(yōu)決策只取決于由前面決策所確定的當(dāng)前狀態(tài)，即以后的決策也是最優(yōu)的[8]。狀態(tài)是描述系統(tǒng)情況所必需的信息，如“先將列車3退行至車站A進(jìn)行疏散清客”，是“列車3空載救援”的依據(jù)，所以“列車3退行至車站A”是狀態(tài)。一般地，狀態(tài)可以用一個變量來描述，稱為狀態(tài)變量。記第k階段的狀態(tài)變量為xk，k=1，2，…，n。

（3）策略：多階段決策過程，決策的實(shí)質(zhì)是關(guān)于狀態(tài)的選擇，是決策者從給定階段狀態(tài)出發(fā)對下一階段狀態(tài)做出的選擇[9]。比如針對救援車與故障車的處理順序不同，會影響下個階段的決策。因此決策變量uk是狀態(tài)變量xk的函數(shù)，將第k階段狀態(tài)下的決策變量記為uk（xk）。而該過程的決策序列集合稱為策略，針對于列車救援過程，上節(jié)中的每一個救援方案就是一個策略。

（4）評價函數(shù)：在救援過程中，往往載客救援效率高，但會造成救援車內(nèi)乘客區(qū)間內(nèi)停留時間過長，導(dǎo)致出現(xiàn)恐慌。而如果先將后車退行至車站清客，又會造成救援時間過長。所以綜合考慮本文將評價函數(shù)定義如下：

F（k）=μ1·fpa+μ2·fres

μ1，μ2為權(quán)系數(shù)。

fpa為非故障車（含救援車）內(nèi)乘客救援評價函數(shù)，fres為故障車內(nèi)乘客救援評價函數(shù)，此評價函數(shù)根據(jù)運(yùn)營需求而定。

ti為非故障車內(nèi)乘客受影響的時間，ti′為故障車內(nèi)受影響乘客的時間（即全程救援時間）。

k1為非故障車內(nèi)乘客受影響的救援階段，k2為故障車內(nèi)乘客受影響的救援階段。

2.3 ?案例分析

筆者通過OpenTrack仿真軟件構(gòu)建救援場景，如圖4所示：列車1已經(jīng)駛離STA2，列車2發(fā)生故障迫停在STA1與STA2的區(qū)間內(nèi)，列車3已經(jīng)駛離STA1站臺。

A站與B站站間距3.62 km，列車選取6編組B型車，長度120 m，最高駕駛速度80.00 km/h，列車追蹤間隔90 s，列車分別載有乘客400人。列車2發(fā)生故障后，三車具體位置如圖5所示。

結(jié)合上節(jié)的動態(tài)規(guī)劃方法，根據(jù)此場景構(gòu)建決策樹如圖6所示，分為三種救援策略。

在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)救援過程中，涉及到乘客疏散的時間，利用AnyLogic仿真軟件模擬行人疏散過程，基于行人動力學(xué)模型，使仿真結(jié)果更具有真實(shí)性，如圖7所示。

（1）策略一：列車3的乘客從當(dāng)前迫停位置，打開車門自行疏散到A站臺的時間為72 s，列車乘務(wù)員上列車3的時間為58 s。

列車乘務(wù)員駕駛空載列車3與列車2（故障車）連掛的時間為142 s（包含救援列車到達(dá)故障車82 s與連掛過程60 s）。

故障列車2到達(dá)車站B的時間為117 s，清客時間30 s。

策略一的救援時間共計(jì)419 s。

（2）策略二：列車乘務(wù)員上列車3的時間為58 s，列車3退行至站臺A的時間為40 s，清客時間33 s。

列車乘務(wù)員駕駛空載列車3與列車2（故障車）連掛時間142 s（包含救援列車到達(dá)故障車82 s與連掛過程60 s）。

故障列車2到達(dá)車站117 s，清客時間30 s。

策略二的救援時間共計(jì)420 s。

（3）策略三：列車乘務(wù)員上列車3的時間為58 s。

列車乘務(wù)員駕駛載客列車3與列車2（故障車）連掛的時間為142 s，故障列車到達(dá)車站B的時間為117 s，兩車清客時間共計(jì)60 s。

策略三的救援時間共計(jì)377 s。

根據(jù)相關(guān)運(yùn)營人員經(jīng)驗(yàn)，針對評價函數(shù)中兩個指標(biāo)的子函數(shù)，本文設(shè)計(jì)的函數(shù)如表1所示，此函數(shù)值不唯一，可根據(jù)不同地區(qū)的運(yùn)營習(xí)慣進(jìn)行具體優(yōu)化。

根據(jù)上一節(jié)構(gòu)造的評價函數(shù)，權(quán)系數(shù)分別取0.5，策略評價結(jié)果如表2所示。

根據(jù)評價結(jié)果顯示，對于策略三，雖然載客救援的效率非常高，但同時會增加非故障車乘客的等待時間壓力，在高峰期時更容易造成恐慌，因此分值最低，不推薦采用。策略一的評分最高，因列車3剛駛離站臺不遠(yuǎn)，在列車無法自行退行并且疏散平臺范圍允許的情況下，中心行調(diào)可通過列車廣播引導(dǎo)乘客進(jìn)行區(qū)間疏散，同時對于故障列車來說，相比于策略二的救援車退行站臺后再進(jìn)行救援，對于列車3的乘客影響相對小一些。策略二的評價值雖然稍低于策略一，但我們運(yùn)營的首要原則是保證乘客的安全，乘客通過疏散平臺自行疏散時會增加風(fēng)險性，而且策略二的救援效率與策略一偏差非常小。所以在此工況下，本文認(rèn)為策略二最適合。

3 ?結(jié) ?論

本文針對全自動運(yùn)行系統(tǒng)下，列車區(qū)間迫停救援這一問題，首先分析了全自動運(yùn)行系統(tǒng)下列車救援的基本流程，進(jìn)一步深化分析GoA4運(yùn)行等級下，三種不同工況不同條件下救援策略的選擇。筆者在分析過程中，針對一些無法直觀進(jìn)行策略選擇的場景，結(jié)合動態(tài)規(guī)劃理論，將多階段決策問題引入，提出了一種新的救援決策方法，并引入詳細(xì)仿真案例進(jìn)行實(shí)際分析。本文所闡述的方法，對全自動運(yùn)行系統(tǒng)下的運(yùn)營者具有一定的借鑒作用。

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作者簡介：朱桐立（1993.06-），男，漢族，北京人，助理工程師，碩士研究生，研究方向：城市軌道交通信號系統(tǒng)。