基于ATS系統(tǒng)的正線場(chǎng)段一體化管理在上海14號(hào)線的應(yīng)用與實(shí)踐

鄒小星

（上海電氣泰雷茲交通自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司，上海 201206）

0 引言

近些年，隨著國(guó)家城市地鐵網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)張，城市軌道交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了飛速發(fā)展。目前，全自動(dòng)無(wú)人駕駛在我國(guó)已有較成熟的應(yīng)用，使得正線的運(yùn)營(yíng)控制能力得到了顯著地提升，處于國(guó)際先進(jìn)水平。與之相比的作為投入運(yùn)營(yíng)前和退出運(yùn)營(yíng)后的場(chǎng)段區(qū)域運(yùn)營(yíng)，仍采用人工作業(yè)的車輛調(diào)度方式，自動(dòng)化水平比較低，運(yùn)營(yíng)水平很難與正線相匹配。

1 創(chuàng)新必要性

目前國(guó)內(nèi)場(chǎng)段運(yùn)營(yíng)管理仍采用人工管理的方式，列車出入庫(kù)效率和正線高度自動(dòng)化系統(tǒng)很難匹配，制約列車上線效率，庫(kù)內(nèi)作業(yè)需要人工編排，占用較多人力資源，加大運(yùn)營(yíng)管理難度，缺乏統(tǒng)籌預(yù)見(jiàn)性。

1.1 自動(dòng)化水平較低

傳統(tǒng)場(chǎng)段內(nèi)行車組織存在計(jì)劃編制效率不高、計(jì)劃下達(dá)及變更手續(xù)復(fù)雜、人為因素影響大等問(wèn)題。出入庫(kù)作業(yè)及其他場(chǎng)段作業(yè)仍采用手工作業(yè)方式，采用手工書寫調(diào)車作業(yè)通知單，通過(guò)人工操作控制臺(tái)辦理列車進(jìn)路。存在效率低下、容易出錯(cuò)等問(wèn)題的同時(shí)，極大的影響場(chǎng)段的生產(chǎn)組織[1]。

1.2 缺乏統(tǒng)籌性預(yù)見(jiàn)性

傳統(tǒng)場(chǎng)段出庫(kù)發(fā)車順序安排以及回庫(kù)股道的安排，由行調(diào)與檢調(diào)在每輛列車出庫(kù)發(fā)車前，以及回庫(kù)前臨時(shí)商議決定，場(chǎng)段任務(wù)具有一定的臨時(shí)性和風(fēng)險(xiǎn)性，由于沒(méi)有統(tǒng)籌安排，缺乏預(yù)見(jiàn)性，導(dǎo)致較晚回庫(kù)列車可能無(wú)法滿足車輛作業(yè)要求，極大程度的降低了場(chǎng)段的生產(chǎn)作業(yè)效率，任務(wù)完成度較低?？紤]洗車作業(yè)與檢修作業(yè)的綜合復(fù)雜作業(yè)要求度高，庫(kù)內(nèi)調(diào)車作業(yè)需求大大增加，復(fù)雜的作業(yè)要求依賴于人的經(jīng)驗(yàn)和反應(yīng)，制約了效率的提升[2]。

1.3 缺乏應(yīng)急靈活性

傳統(tǒng)場(chǎng)段一旦有臨時(shí)性事件發(fā)生時(shí)，很難通過(guò)臨時(shí)判斷采取合理有效的應(yīng)急措施，臨時(shí)的調(diào)整很難兼顧任務(wù)的派發(fā)，依賴于人的經(jīng)驗(yàn)和反應(yīng)，應(yīng)急能力有限。

2 工程背景

上海地鐵線路運(yùn)營(yíng)客流量比較大，每日車輛段列車的運(yùn)用率較高，早晚高峰時(shí)段列車派發(fā)率較高，因而具有檢修計(jì)劃的列車需要完成當(dāng)日高峰運(yùn)營(yíng)任務(wù)后回庫(kù)完成檢修作業(yè)。有指定檢修任務(wù)的列車要與相應(yīng)的正線回庫(kù)班次相匹配。當(dāng)車輛結(jié)束運(yùn)營(yíng)計(jì)劃退回到場(chǎng)段后，需對(duì)回庫(kù)車輛進(jìn)行股道分配，以滿足場(chǎng)段作業(yè)需求。列車回庫(kù)后的車輛檢修作業(yè)由車輛專業(yè)檢修人員負(fù)責(zé)，完成檢修流程修竣交車，而對(duì)于運(yùn)營(yíng)任務(wù)的派發(fā)工作是由場(chǎng)段調(diào)度專業(yè)實(shí)現(xiàn)的，這就需要兩個(gè)專業(yè)人員每天相互高度配合，人為保證運(yùn)營(yíng)和檢修任務(wù)的順利執(zhí)行。

典型的軌道交通作業(yè)過(guò)程，列車在場(chǎng)段內(nèi)包括喚醒、自檢、出庫(kù)、回庫(kù)及休眠，同時(shí)還應(yīng)考慮檢修和洗車等作業(yè)需求[3]。

圖1 城市軌道交通典型運(yùn)營(yíng)過(guò)程

由于檢修作業(yè)對(duì)于庫(kù)內(nèi)的檢修條件有要求[4]，停車場(chǎng)和車輛段相比，沒(méi)有較大修程的檢修條件，有相應(yīng)檢修計(jì)劃的列車在當(dāng)日結(jié)束運(yùn)營(yíng)后，只能前往有檢修條件的車輛段進(jìn)行檢修作業(yè)；其次，為滿足檢修的人員安排，和充足的檢修作業(yè)時(shí)間安排要求，因而相應(yīng)列車的回庫(kù)任務(wù)有要求。為了盡量減少場(chǎng)內(nèi)調(diào)車作業(yè)，將待檢列車回庫(kù)進(jìn)路直接辦理至有檢修條件的股道，并且將待檢列車均勻在早高峰時(shí)段回庫(kù)，和晚高峰時(shí)段回庫(kù)，將檢修作業(yè)均勻化；相較檢修計(jì)劃，洗車計(jì)劃由于與車輛運(yùn)營(yíng)性能和載客能力沒(méi)有關(guān)系，因而對(duì)于列車的洗車作業(yè)相較于檢修作業(yè)的優(yōu)先級(jí)較低。對(duì)于洗車作業(yè)的管理依照車輛專業(yè)定義的周期性均勻化的洗車計(jì)劃安排日歷。

結(jié)合上海14號(hào)線全自動(dòng)駕駛工程應(yīng)用，考慮借鑒人工管理的經(jīng)驗(yàn)，基于正線計(jì)劃的場(chǎng)段自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)的實(shí)現(xiàn)方式，全自動(dòng)運(yùn)行下，場(chǎng)段運(yùn)營(yíng)要實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)出庫(kù)、自動(dòng)分配車次、自動(dòng)回庫(kù)等，實(shí)現(xiàn)正線與場(chǎng)段的依照運(yùn)行計(jì)劃需要的協(xié)同管理，取締原有由人工保證業(yè)務(wù)流程，進(jìn)一步提升場(chǎng)段運(yùn)營(yíng)自動(dòng)化水平能力。

3 工程實(shí)踐

列車派班計(jì)劃自動(dòng)編制是地鐵場(chǎng)段綜合自動(dòng)化重要組成部分。本文結(jié)合上海14號(hào)線項(xiàng)目應(yīng)用，在分析現(xiàn)有人工編制方法存在效率低下、容易出錯(cuò)等問(wèn)題的基礎(chǔ)之上，以運(yùn)營(yíng)日計(jì)劃為例，結(jié)合檢修計(jì)劃任務(wù)的出車策略，建立了運(yùn)營(yíng)日計(jì)劃的優(yōu)化指派策略[5]，在綜合考慮實(shí)用性和效率的情況下，設(shè)計(jì)了基于策略的指派優(yōu)化。也實(shí)現(xiàn)了依照任務(wù)的回庫(kù)股道安排，設(shè)計(jì)了基于策略的多目標(biāo)優(yōu)化，并統(tǒng)籌兼顧檢修、洗車任務(wù)考慮的回庫(kù)安排。

圖2 檢修調(diào)度優(yōu)化模型基本策略

3.1 出庫(kù)作業(yè)管理

傳統(tǒng)場(chǎng)段管理模式下，車輛專業(yè)在早、晚高峰列車回庫(kù)后對(duì)計(jì)劃?rùn)z修的列車做一部分檢修工作，檢修完畢，車輛專業(yè)遞交一份交車單。場(chǎng)段調(diào)度員，需以車輛檢修人員提供的交車單為基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)日可運(yùn)用列車，及存在待檢修及待洗任務(wù)的列車，指派具有相應(yīng)屬性的運(yùn)營(yíng)班次。列車運(yùn)用計(jì)劃也會(huì)受到列車檢修計(jì)劃的影響，由于列車的檢修運(yùn)用具有一體化的特點(diǎn)，列車的運(yùn)用計(jì)劃和檢修計(jì)劃緊密耦合。

（1）列車運(yùn)用計(jì)劃。為了可以協(xié)調(diào)統(tǒng)籌安排列車的運(yùn)營(yíng)計(jì)劃以及檢修計(jì)劃，在本工程應(yīng)用實(shí)現(xiàn)中，ATS系統(tǒng)將提供統(tǒng)籌管理界面，提前將車輛專業(yè)檢修完成后的派遣可用車信息和高峰回庫(kù)后的檢修計(jì)劃信息錄入系統(tǒng)。系統(tǒng)依照派發(fā)的策略統(tǒng)籌安排列車任務(wù)的派班計(jì)劃。將計(jì)劃任務(wù)按照回庫(kù)時(shí)段和回庫(kù)目的地劃分定義劃分類型，利用運(yùn)營(yíng)計(jì)劃任務(wù)的派遣，使得列車可以在指定時(shí)段前往指定場(chǎng)段，滿足回庫(kù)后的檢修要求。系統(tǒng)依照派發(fā)策略統(tǒng)籌安排列車任務(wù)的派班計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)發(fā)車作業(yè)和回庫(kù)作業(yè)的自動(dòng)派發(fā)[6-7]。

ATS功能界面定義對(duì)話窗如下圖所示。用車計(jì)劃作為車輛維修人員與場(chǎng)段調(diào)度人員的接口，根據(jù)場(chǎng)段配車列表錄入收集列車當(dāng)日運(yùn)營(yíng)計(jì)劃基礎(chǔ)信息，包括：①配車計(jì)劃：可用車用于當(dāng)日運(yùn)營(yíng)計(jì)劃的指派；為考慮滿足當(dāng)日的運(yùn)營(yíng)計(jì)劃的需求，應(yīng)對(duì)列車不能正常依照指派計(jì)劃發(fā)車的突發(fā)狀況，配備幾列備用車，當(dāng)計(jì)劃用車臨時(shí)發(fā)生狀況，備用車可以第一時(shí)間替開(kāi)。②檢修計(jì)劃：列車當(dāng)日或次日是否有檢修任務(wù)，并且計(jì)劃在早、晚高峰回庫(kù)時(shí)段。③回庫(kù)目的地：為應(yīng)對(duì)有回庫(kù)目的地要求的列車，指派相應(yīng)的運(yùn)營(yíng)計(jì)劃任務(wù)。

圖3 列車運(yùn)用計(jì)劃編制界面示意圖

（2）列車自動(dòng)喚醒。為達(dá)到用需結(jié)合的目的，每天計(jì)劃投運(yùn)的列車（標(biāo)記成“可用車”），系統(tǒng)會(huì)依照發(fā)車順序提前發(fā)送“喚醒命令”，按時(shí)按需喚醒列車。為了實(shí)現(xiàn)場(chǎng)段列車依據(jù)運(yùn)營(yíng)需求自動(dòng)喚醒休眠，系統(tǒng)依據(jù)錄入的配車計(jì)劃列表喚醒列車，喚醒命令依照發(fā)車間隔依次發(fā)送，保證喚醒效率的同時(shí)，避免瞬時(shí)多列車同時(shí)上電耗電過(guò)猛。在列車出庫(kù)計(jì)劃時(shí)間以前，完成全部計(jì)劃運(yùn)營(yíng)載客列車全部自動(dòng)喚醒自檢動(dòng)作。成功喚醒后的列車，建立全自動(dòng)運(yùn)行模式，依照關(guān)聯(lián)的班次發(fā)車順序，完成列車的動(dòng)態(tài)出庫(kù)作業(yè)，前往正線運(yùn)營(yíng)。

（3）動(dòng)態(tài)出庫(kù)指派策略。依照項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)習(xí)慣訂制基本發(fā)車順序，上海14項(xiàng)目采用外側(cè)優(yōu)先的方式，“N字形”基本派發(fā)順序（A列位優(yōu)先順發(fā)，繼而B列位順發(fā)）。在基礎(chǔ)發(fā)車順序的基礎(chǔ)上，按照運(yùn)營(yíng)策略優(yōu)先級(jí)依次基于指派算法，依次為列車指派關(guān)聯(lián)計(jì)劃，決定了場(chǎng)段內(nèi)的發(fā)車順序?！癗字形”基礎(chǔ)發(fā)車順序策略：

圖4 發(fā)車策略

在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)將提供依照運(yùn)營(yíng)需求策略的智能算法，為有特定回庫(kù)任務(wù)的列車指派具有相應(yīng)回庫(kù)任務(wù)的班次。系統(tǒng)依據(jù)發(fā)車策略順序，動(dòng)態(tài)搜尋‘可用車’（完成自檢成功喚醒的可派遣列車），與正線計(jì)劃發(fā)生關(guān)聯(lián)；并且自動(dòng)屏蔽‘不可用車’的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)；并結(jié)合列車檢修屬性和回庫(kù)目的地屬性的定義，為列車關(guān)聯(lián)相應(yīng)屬性的班次。有特殊屬性要求的列車將優(yōu)先匹配具有相應(yīng)屬性的班次任務(wù)，有策略的實(shí)現(xiàn)列車班次指派問(wèn)題，使得庫(kù)內(nèi)列車按照匹配班次順序動(dòng)態(tài)有序的派發(fā)。

班次R屬性定義AR：

早高峰回庫(kù)班次（T）；

回庫(kù)目的地Destination（D）。

列車T屬性定義AT：

指定回庫(kù)目的地（D）；

早高峰回庫(kù)（T）；

具備檢修計(jì)劃（M）；

具備洗車計(jì)劃（W）；

無(wú)特殊任務(wù)需求（Null）。

指派列車關(guān)聯(lián)班次優(yōu)先級(jí)：T(D+T+M)>T(D+T)>T(D+M)>T (D)>T (W)>T (Null)。

列車任務(wù)指派編配結(jié)果Rn（AR）<->Tn(AT)。

例如：R1（D+T）<->T5(D+T+M)，班次R1具備（回庫(kù)目的地+早高峰回庫(kù)）屬性，與列車T5具備（回庫(kù)目的地+早高峰回庫(kù)+待檢）屬性，相互匹配，列車T5派遣給班次R1。

系統(tǒng)依照出庫(kù)策略算法動(dòng)態(tài)搜尋將列車與相應(yīng)班次相關(guān)聯(lián)，則在派班計(jì)劃信息列表里會(huì)有關(guān)聯(lián)列車信息以及庫(kù)內(nèi)部署點(diǎn)及發(fā)車時(shí)間。所展示信息示例如下：

圖5 派班計(jì)劃編制界面示意圖

依照關(guān)聯(lián)的班次發(fā)車順序，到達(dá)計(jì)劃發(fā)車時(shí)刻，ATS自動(dòng)派發(fā)出庫(kù)進(jìn)路，完成列車的動(dòng)態(tài)出庫(kù)作業(yè)，前往正線運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)段正線不停車轉(zhuǎn)換運(yùn)營(yíng)。

3.2 回庫(kù)作業(yè)管理

（1）回庫(kù)指派策略。系統(tǒng)會(huì)為從正線退出運(yùn)營(yíng)的列車，系統(tǒng)依據(jù)回庫(kù)策略順序，依據(jù)股道占用情況，為列車指派回庫(kù)進(jìn)路。系統(tǒng)提供基本回庫(kù)策略“N字形”回庫(kù)順序：內(nèi)側(cè)優(yōu)先（B列位優(yōu)先順序停靠，繼而A列位順序停靠）。

根據(jù)當(dāng)日回庫(kù)后場(chǎng)段作業(yè)計(jì)劃，當(dāng)列車到達(dá)正線最后一個(gè)運(yùn)營(yíng)站臺(tái)，ATS系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行動(dòng)態(tài)回庫(kù)指派策略，動(dòng)態(tài)為具有指定回庫(kù)作業(yè)需求的列車，分配相應(yīng)進(jìn)路，直接將列車動(dòng)態(tài)派遣到具有相應(yīng)作業(yè)功能的股道[8]，完成相應(yīng)場(chǎng)段作業(yè)：

停車列檢股道設(shè)有專用帶觸網(wǎng)檢修區(qū)域，專用檢修股道用于列車日常檢修。系統(tǒng)判斷回庫(kù)列車為當(dāng)日待檢列車，則將回庫(kù)進(jìn)路直接排入專用檢修股道Track(M)；洗車線無(wú)列車占用，并且洗車機(jī)狀態(tài)正常。系統(tǒng)判斷回庫(kù)列車為當(dāng)日待洗列車，則將回庫(kù)進(jìn)路直接偏離到洗車股道Track(W)，前往洗車，完成全自動(dòng)洗車流程。

圖6 回庫(kù)策略

圖7 場(chǎng)段自動(dòng)化區(qū)域劃分

其他，停車列檢股道Track（S），N字形順次回庫(kù)。

（2）列車自動(dòng)休眠。依照回庫(kù)策略停靠在停車列檢股道，無(wú)其他場(chǎng)段作業(yè)計(jì)劃的列車，結(jié)束運(yùn)營(yíng)后自動(dòng)休眠。在默認(rèn)偏移量時(shí)間段之后，向列車車載系統(tǒng)發(fā)送“休眠命令”，列車切斷電源進(jìn)入休眠狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)依照運(yùn)營(yíng)需求批量自動(dòng)休眠喚醒，充分考慮夜間非運(yùn)營(yíng)時(shí)段的節(jié)電節(jié)能要求。

4 工程目標(biāo)

為實(shí)現(xiàn)場(chǎng)段調(diào)度指揮管控結(jié)合，場(chǎng)段調(diào)度和正線運(yùn)營(yíng)協(xié)同編制的目標(biāo)，本工程實(shí)踐預(yù)計(jì)達(dá)成的業(yè)績(jī)效果如下：①實(shí)現(xiàn)在早高峰運(yùn)營(yíng)時(shí)段之前列車的自動(dòng)喚醒，完成自檢流程，系統(tǒng)可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備的上電和自檢流程，并將檢查結(jié)果進(jìn)行上報(bào)，減少司機(jī)疏忽上報(bào)問(wèn)題；②降低人工管理編制人力，提高工作效率；③系統(tǒng)可以在安排運(yùn)營(yíng)列車時(shí)，提前獲知列車狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整列車上線計(jì)劃，確保上線列車質(zhì)量和出車效率。實(shí)現(xiàn)場(chǎng)段內(nèi)的自動(dòng)喚醒、無(wú)人駕駛發(fā)車作業(yè)；④提供故障場(chǎng)景下的臨時(shí)自動(dòng)調(diào)整上線計(jì)劃的能力；⑤場(chǎng)段自動(dòng)化行車調(diào)度，較少人工調(diào)度作業(yè)，顯著降低勞動(dòng)強(qiáng)度；⑥進(jìn)路自動(dòng)辦理，提高行車列調(diào)的自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)，場(chǎng)段作業(yè)效率和質(zhì)量得到有效提高；⑦列車可以在停車列檢庫(kù)內(nèi)建立全自動(dòng)運(yùn)行模式，無(wú)需在轉(zhuǎn)換軌處停車轉(zhuǎn)換模式，一次性進(jìn)出正線，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換軌不停車運(yùn)營(yíng)，提高出入庫(kù)行車效率；⑧列車在結(jié)束正線運(yùn)營(yíng)后，返回場(chǎng)段，可依照段內(nèi)作業(yè)計(jì)劃，直接前往洗車股道、或者檢修股道，完成場(chǎng)段作業(yè)后，再回停車列檢股道休眠，節(jié)省庫(kù)內(nèi)調(diào)車作業(yè)次數(shù)，提升場(chǎng)段內(nèi)作業(yè)效率。

5 結(jié)語(yǔ)

車輛段綜合自動(dòng)化管理可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)段內(nèi)的行車自動(dòng)化、調(diào)度自動(dòng)化、結(jié)合場(chǎng)段檢修和洗車作業(yè)的系統(tǒng)安排考量派班任務(wù)。能夠顯著提高運(yùn)營(yíng)效率，提高行車安全水平，節(jié)省人力成本，發(fā)揮綜合自動(dòng)化效能。全自動(dòng)運(yùn)行下，場(chǎng)段要實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)出庫(kù)，以及自動(dòng)分配車次、正線與場(chǎng)段的運(yùn)行計(jì)劃協(xié)同編制。結(jié)合上海14號(hào)線項(xiàng)目實(shí)施為工程背景，本著“用修結(jié)合、運(yùn)用為主”的原則，以“運(yùn)營(yíng)檢修統(tǒng)籌安排、行車作業(yè)統(tǒng)一指揮”為目標(biāo)，通過(guò)ATS正線場(chǎng)段一體化管理建立進(jìn)一步整合并有效利用場(chǎng)段內(nèi)資源，提升場(chǎng)內(nèi)設(shè)施設(shè)備檢修力度，從而進(jìn)一步提升正線地鐵列車的安全性及可靠性，服務(wù)好正線運(yùn)營(yíng)，強(qiáng)化場(chǎng)段內(nèi)資源統(tǒng)籌利用率，使得運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化，并提高作業(yè)質(zhì)量和效率，對(duì)于今后的場(chǎng)段自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)水平提升有著長(zhǎng)足的效果及意義。