高鐵調(diào)度車務(wù)一體化仿真實訓(xùn)平臺設(shè)計應(yīng)用

劉 俊，丁治敏，烏 崢，張 濤，張洪杰

（1．中國國家鐵路集團有限公司，北京 100848;

2．北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070；

3．中國鐵路北京局集團有限公司，北京 100860；

4．中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司，北京 100081）

1 概述

隨著國內(nèi)鐵路事業(yè)的發(fā)展，列車運行密度越來越大，運行速度也越來越快，行車安全壓力逐漸增加。在現(xiàn)場設(shè)備故障或者其他突發(fā)情況下，存在由于行車調(diào)度指揮人員經(jīng)驗匱乏而導(dǎo)致的列車大量滯留、晚點，甚至危及行車安全的情況。行車調(diào)度指揮人員的理論學(xué)習(xí)、技能訓(xùn)練以及考核成為運輸安全管理的重要內(nèi)容。近年來隨著中國國家鐵路集團有限公司、各鐵路局對調(diào)度、運輸培訓(xùn)工作的重視，部分調(diào)度所、車務(wù)站（段）陸續(xù)裝備了調(diào)度、車務(wù)等實作演練系統(tǒng)。然而總體上全路范圍內(nèi)調(diào)度、車務(wù)實作演練系統(tǒng)仍存在著如下問題。

1）既有實訓(xùn)系統(tǒng)與生產(chǎn)系統(tǒng)脫節(jié)

目前很多實訓(xùn)系統(tǒng)以模仿現(xiàn)場調(diào)度臺、車務(wù)終端等界面為主，沒有構(gòu)建與現(xiàn)場一致的底層邏輯，造成實訓(xùn)系統(tǒng)與生產(chǎn)系統(tǒng)脫節(jié)，不能復(fù)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)中的各種場景，使得實訓(xùn)系統(tǒng)投資與回報不成比例。分析2021年7月19日拉日線CTC操作錯誤事故的一個重要原因就是調(diào)度所CTC實訓(xùn)平臺和生產(chǎn)系統(tǒng)脫節(jié)，無法實現(xiàn)和現(xiàn)場無差別演練。

2）實訓(xùn)及考評方式單一

在全路范圍內(nèi)，調(diào)度、車務(wù)實訓(xùn)系統(tǒng)配備還不到位，很多地方缺乏實訓(xùn)手段，還停留在“紙上談兵”的階段，對關(guān)鍵人員的培訓(xùn)重知識灌輸，輕技能培養(yǎng)。另外在培訓(xùn)過程中，缺乏有效的驗證方法和手段，忽視培訓(xùn)效果的反饋。

3）調(diào)度和車務(wù)人員實訓(xùn)與演練割裂

調(diào)度和車務(wù)人員作為運輸指揮作業(yè)的主要參與者，兩者之間的溝通配合十分重要，而現(xiàn)階段兩者之間的實訓(xùn)和演練割裂，無法構(gòu)建和現(xiàn)場調(diào)度指揮完全一致的演練場景。

4）教學(xué)考核標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，教學(xué)數(shù)據(jù)不能共享

在全路已安裝的調(diào)度、車務(wù)實訓(xùn)系統(tǒng)中，由于生產(chǎn)廠家不同，還不能達到統(tǒng)一的教學(xué)考核標(biāo)準(zhǔn)，僅僅作為教學(xué)的輔助手段。教學(xué)數(shù)據(jù)展現(xiàn)及存儲方式各有不同，無法數(shù)據(jù)共享，不能作為建立全路統(tǒng)一教學(xué)數(shù)據(jù)庫的輸入素材。

5）實訓(xùn)系統(tǒng)在職工職業(yè)技能評估中無法提供客觀評價

上述不足之處造成了實訓(xùn)系統(tǒng)只能用作日常演練的輔助系統(tǒng)，不能作為職工職業(yè)技能評估和考核的主要手段，實訓(xùn)系統(tǒng)的投資與回報比例不理想。因此，以現(xiàn)場CTC系統(tǒng)為基礎(chǔ)，研究開發(fā)一套滿足調(diào)度、運輸人員實際工作需求、符合實際工作場景具備智能化考核評分的調(diào)度車務(wù)一體化仿真實訓(xùn)平臺非常有意義。

2 整體設(shè)計

調(diào)度車務(wù)一體化仿真實訓(xùn)平臺站在全路調(diào)度、車務(wù)仿真實訓(xùn)的角度，以滿足調(diào)度、車務(wù)演練場景為手段，以建立全路考評演練大數(shù)據(jù)平臺、實現(xiàn)職工職業(yè)技能評估為目的。設(shè)計思路如公式所示：仿真實訓(xùn)平臺=CTC生產(chǎn)系統(tǒng)+信號基礎(chǔ)設(shè)備仿真+ 考評系統(tǒng)。

調(diào)度車務(wù)仿真實訓(xùn)平臺以現(xiàn)場CTC生產(chǎn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以信號基礎(chǔ)設(shè)備仿真（CTCS系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)）為后臺支撐，以考評演練為核心。實訓(xùn)系統(tǒng)源于生產(chǎn)系統(tǒng)并且專注于職工技能評估，源于生產(chǎn)系統(tǒng)可實現(xiàn)真實場景一比一復(fù)現(xiàn)，專注于職工技能評估可實現(xiàn)對學(xué)員能力的客觀評價，實現(xiàn)智能化、自動化及多場景演練，構(gòu)建全局演練數(shù)據(jù)大平臺。

仿真系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)從上到下分別為場景應(yīng)用層、表示層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)支撐層及基礎(chǔ)設(shè)備層。各個層的功能和設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall system architecture

2.1 應(yīng)用場景

應(yīng)用場景需求來源于職教管理需要以及調(diào)度指揮業(yè)務(wù)需要。業(yè)務(wù)應(yīng)用場景包括調(diào)度實訓(xùn)室內(nèi)多調(diào)度臺單獨和聯(lián)動演練；車站實訓(xùn)室內(nèi)單個車站演練；車務(wù)段遠程管理下的多車站聯(lián)合演練；調(diào)度、車務(wù)一體化聯(lián)合演練。應(yīng)用場景在業(yè)務(wù)層基礎(chǔ)上具備如下特點：

1）形式真：調(diào)度臺和車站實訓(xùn)系統(tǒng)布局、學(xué)員日常演練及應(yīng)急處置考核操作方式、流程與生產(chǎn)系統(tǒng)一致；

2）內(nèi)容真：核心數(shù)據(jù)如運行圖軟件、調(diào)度命令模板、助調(diào)臺軟件、車務(wù)系統(tǒng)等與生產(chǎn)系統(tǒng)一致；

3）場景切換便捷：各種演練場景之間動態(tài)切換快，可快速切換單個車站演練、車務(wù)段統(tǒng)一組織下多站聯(lián)合演練以及調(diào)度、車務(wù)一體化聯(lián)合演練。

2.2 表示層

表示層是仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的用戶操作界面。實現(xiàn)教師發(fā)布命令，學(xué)員執(zhí)行學(xué)習(xí)、考核、演練功能。具體包括CTC界面、聯(lián)鎖界面、教師機、學(xué)員機、3D仿真界面、FAS調(diào)度通信系統(tǒng)、電子登記簿等。界面的部署和展示會根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用層的不同場景而切換。

2.3 業(yè)務(wù)層

業(yè)務(wù)層是實訓(xùn)平臺的核心。業(yè)務(wù)層實現(xiàn)了調(diào)度、車務(wù)實訓(xùn)中多場景切換、智能化考評、演練大數(shù)據(jù)生成功能。業(yè)務(wù)層由仿真支撐層、平臺服務(wù)層、業(yè)務(wù)驅(qū)動層構(gòu)成，如圖1所示。仿真支撐層按照鐵路行車相關(guān)生產(chǎn)系統(tǒng)邏輯搭建實現(xiàn)與現(xiàn)場無異的演練環(huán)境。平臺服務(wù)層實現(xiàn)多業(yè)務(wù)場景切換。業(yè)務(wù)驅(qū)動層采用數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)，列車數(shù)據(jù)、狀態(tài)交互數(shù)據(jù)的重組和運算。業(yè)務(wù)層以真實數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)相結(jié)合，驅(qū)動仿真設(shè)備的正常運行和考核場景再現(xiàn)。

2.3.1 仿真支撐層

仿真支撐層按照信號系統(tǒng)的整體邏輯構(gòu)造進行設(shè)計。仿真支撐設(shè)備包括4個部分，分為CTC和CTCS中心設(shè)備仿真、車站設(shè)備仿真、車載設(shè)備仿真以及對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)仿真。仿真支撐層采用現(xiàn)場CTC軟件，以軟件建模和實際現(xiàn)場數(shù)據(jù)注入的手段，將無線閉塞中心、臨時限速服務(wù)器、計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)、列控中心、區(qū)間閉塞系統(tǒng)、車載系統(tǒng)、無線車次號校核系統(tǒng)、無線調(diào)度命令傳輸系統(tǒng)進行重構(gòu)，并仿真搭建模擬調(diào)度集中網(wǎng)、GSM-R網(wǎng)、信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)和基礎(chǔ)信號仿真網(wǎng)，從而將CTC系統(tǒng)、CTCS系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)以及其他信號設(shè)備有機地結(jié)合起來，做到邏輯真實、接口標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)完備，滿足信號系統(tǒng)和調(diào)度系統(tǒng)融合的需求。仿真支撐層邏輯架構(gòu)如圖2所示。

圖2 仿真支撐層的邏輯架構(gòu)Fig.2 Logic structure of simulation supporting layer

2.3.2 平臺服務(wù)層

仿真支撐層從設(shè)備仿真的角度提供了調(diào)度、車務(wù)演練的實訓(xùn)設(shè)備，而平臺服務(wù)層實現(xiàn)了調(diào)度、車務(wù)多種模式演練。不同場景下各實訓(xùn)系統(tǒng)既可單獨運行互不干擾，又可統(tǒng)一運行，將調(diào)度、車務(wù)兩個工種聯(lián)合起來，實現(xiàn)和現(xiàn)場無異的演練場景。

平臺服務(wù)層以適配器和消息處理中心為核心，設(shè)置聯(lián)鎖適配器、列控適配器、CTC適配器、ATP適配器、TSRS適配器、RBC適配等，每種適配器連接同一種設(shè)備，數(shù)量動態(tài)增減，設(shè)備之間通過消息分發(fā)機制通信，每對需要通信的設(shè)備之間建立一個網(wǎng)絡(luò)連接。消息處理中心為設(shè)備屏蔽了底層網(wǎng)絡(luò)細(xì)節(jié)，使得設(shè)備發(fā)送方只需提供接收方身份就能實現(xiàn)消息的收發(fā)。正是有了適配器和消息處理中心，才能適配下文提到的各種演練場景。

1）調(diào)度所一級聯(lián)動

在調(diào)度所內(nèi)實現(xiàn)多調(diào)度臺單獨及聯(lián)合演練。演練模式如圖3所示，其中主、助調(diào)度員作為演練的主體，其他崗位自動配合。圖3中實體車站1、車站2、車站N表示分布在車站（段）演練室的車務(wù)演練環(huán)境，車站1′、車站2′、車站N′表示在調(diào)度演練環(huán)境中的車站支撐系統(tǒng)。 此場景下，車站1、車站2、車站N以車站1′,車站2′，車站N′互斥啟動。黃色設(shè)備為最小啟動方案。多調(diào)度臺的業(yè)務(wù)驅(qū)動和仿真支撐層通過平臺服務(wù)層連接，具備列車在不同的線路上跨線運行，鄰臺之間調(diào)度命令、階段計劃交互、列車移交等功能。演練功能包含調(diào)度員日常操作培訓(xùn)、行車指揮實訓(xùn)、實操練習(xí)、應(yīng)急演練、故障模擬處置、技能競賽、操作考評等。

圖3 調(diào)度所一級聯(lián)動演練場景描述Fig.3 Description of first-level associated practice scene in dispatching office

2）調(diào)度、車務(wù)二級聯(lián)動

中心調(diào)度員和車站值班員實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)演練，模擬和實際現(xiàn)場完全一致的調(diào)度指揮過程。其中主、助調(diào)度員、車站值班員作為演練的主體。在此種模式下，調(diào)度仿真實訓(xùn)系統(tǒng)和車務(wù)仿真實訓(xùn)系統(tǒng)既可互相獨立，又可聯(lián)合演練。車站1、車站2、車站N以及車站1′、車站2′、車站N′需同時存在，由適配器和消息處理中心進行仲裁，負(fù)責(zé)消息轉(zhuǎn)發(fā)或是丟棄。當(dāng)兩個工種聯(lián)合演練時，車站1、車站2、車站N的消息作為CTC調(diào)度臺信息的來源，此時車站1′、車站2′、車站N′的信息被屏蔽。當(dāng)兩個工種獨立演練時，車站1、車站2、車站N同時存在，分別作為調(diào)度業(yè)務(wù)以及車務(wù)業(yè)務(wù)的仿真支撐，如圖4所示。

圖4 調(diào)度所二級聯(lián)動演練場景描述Fig.4 Description of second-level joint-practice scene in dispatching office

3）車務(wù)站段一體化仿真

a.相同場景聯(lián)合演練

車站1、車站2、車站N使用同一個場景，站場圖完全一致，由段中心的教師機統(tǒng)一管理，多個學(xué)員單獨演練，可以形成橫向?qū)Ρ?。這種模式一般用于車務(wù)段定期舉行的技能比武中。段中心教師機可以下達階段計劃和調(diào)度命令。

b.多個車站聯(lián)合演練

車站1、車站2、車站N是有邏輯關(guān)系的3個車站，演練在同一個路網(wǎng)下，列車運行可以跨越不同車站全局運行，一個故障的處理需要多個車站的協(xié)同配合，比如區(qū)間設(shè)備故障、改方、救援等場景，邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 車務(wù)站段一體化仿真場景描述Fig.5 Description of integrated simulation scene in train operation depot

2.4 業(yè)務(wù)驅(qū)動層

業(yè)務(wù)驅(qū)動層通過信號基礎(chǔ)設(shè)備以及列車運行的仿真設(shè)備，驅(qū)動CTC系統(tǒng)、列控系統(tǒng)和聯(lián)鎖系統(tǒng)的正常運行，構(gòu)建一個自助的演練環(huán)境。與此同時通過對于故障場景構(gòu)建技術(shù)、智能崗位配合技術(shù)和自動考評技術(shù)的研究，實現(xiàn)針對不同應(yīng)急場景下的智能考評，具體包含如下模塊。

1）信號基礎(chǔ)設(shè)備仿真

信號基礎(chǔ)仿真設(shè)備模擬實際的線路數(shù)據(jù)，在虛擬環(huán)境中建設(shè)與實際位置一致的車站、橋梁，并繪制與真實站場站型一致的線路拓?fù)?，模擬調(diào)度區(qū)段內(nèi)列車的動態(tài)運行情況，自動按順序產(chǎn)生列車占用、出清以及信號關(guān)閉狀態(tài)，模擬站內(nèi)碼位變化信息、區(qū)間碼位變化信息，從而為列車運行以及調(diào)度、車務(wù)仿真的搭建奠定基礎(chǔ)。

2）列車運行仿真

模擬列車牽引制動模型進行開發(fā)，接受來自信號基礎(chǔ)模擬環(huán)境中的軌道電路和信號機數(shù)據(jù)，實時生成目標(biāo)距離速度連續(xù)控制曲線，采用常用制動和緊急制動監(jiān)控列車速度，防止列車超速。當(dāng)模擬列車運行遇到信號關(guān)閉、軌道電路紅光帶等情形時，列車自動在關(guān)閉的信號機或占用的軌道電路前停車。

3）場景自動構(gòu)建技術(shù)

依據(jù)近年來對應(yīng)急演練考核的統(tǒng)計分析、對各場景涵蓋的相應(yīng)規(guī)章制度的梳理，對考核場景進行數(shù)據(jù)編制和處理流程計算。

調(diào)度集中應(yīng)急場景由操作步驟、故障類型、故障持續(xù)時長、影響范圍等因素共同決定，如表1、2所示。場景設(shè)置和應(yīng)急場景處置通過數(shù)據(jù)注入，設(shè)置自然災(zāi)害及設(shè)備和列車的故障狀態(tài)，模擬對列車運行和調(diào)度控制過程的影響。綜合類事故的處理，可將處理流程抽象為基于故障類型、故障時長（時間因素）、影響范圍（空間因素）的函數(shù)（見公式（1））。

表1 故障類型簡表Tab.1 Table of failure types

表2 故障處置方法簡表Tab.2 Table of failure types and solutions

公式（1）中：o為應(yīng)急處置操作流程，?為故障類型，β為故障時常，γ為影響范圍。

?故障類型分為設(shè)備故障、列車故障和災(zāi)害。設(shè)備故障包括信號機斷絲、道岔失表、區(qū)段紅光帶、區(qū)段分路不良、股道停電、供電臂故障、接觸網(wǎng)掛異物等；列車故障包括列車車載設(shè)備故障、列車突發(fā)事故等；災(zāi)害包括雨雪、大風(fēng)等。故障都由數(shù)據(jù)注入生成，可以實時注入，也可延時注入。

β故障時長為故障存在時長，故障時長的數(shù)據(jù)注入由考核人員人為設(shè)定。如設(shè)備故障修復(fù)后消失，設(shè)備故障暫不能修復(fù)，故障持續(xù)、風(fēng)雨雪災(zāi)害持續(xù)發(fā)生等。

γ影響范圍為故障發(fā)生所影響的區(qū)域范圍。信號機故障，具體范圍指信號機接近區(qū)段列車，信號機所在進路；風(fēng)雨雪災(zāi)害，受災(zāi)范圍內(nèi)區(qū)段、相鄰車站接發(fā)車等。

4）智能崗位機器人

為了實現(xiàn)自動化考評，智能崗位機器人的配合至關(guān)重要。故障場景以及相關(guān)崗位的匯報信息是行車指揮人員做決策時的重要依據(jù)，而故障處置的過程也是動態(tài)決策的過程，不是一成不變的。智能崗位機器人需要根據(jù)列車位置信息、故障場景、故障限制條件、FAS通知、調(diào)度命令、階段計劃等條件，通過建模生成各種智能角色，包括司機、工務(wù)聯(lián)絡(luò)人員、電務(wù)聯(lián)絡(luò)人員、車站、值班主任、供電人員、應(yīng)急值守人員等，并且模擬各個智能崗位的實際動作。

5）自動考核評分

系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度員和車站值班員的操作步驟、通知用語、配合能力、處置失效幾個方面對調(diào)度員、車務(wù)人員進行技能評估。系統(tǒng)能夠根據(jù)行車場景，實時記錄信號操作終端、運行圖操作終端、調(diào)度命令操作終端的操作記錄，自動記錄行車人員聯(lián)絡(luò)用語、自動完成行車崗位間配合，自動判別行車憑證、運統(tǒng)表薄填記內(nèi)容，能夠依據(jù)試題標(biāo)準(zhǔn)自動評分，自動化考核過程不受人為因素影響，真正做到公平公正。另外系統(tǒng)對調(diào)度命令模板及其參數(shù)的準(zhǔn)確性、階段調(diào)整計劃的及時性、按鈕操作的準(zhǔn)確性、場景處理的合理性亦進行考核。

2.5 數(shù)據(jù)支撐層

數(shù)據(jù)支撐層由結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)構(gòu)成。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括主題庫、知識庫、歷史考評庫、考核狀態(tài)庫、仿真模型庫、故障案例庫、業(yè)務(wù)專題演練庫等；半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括日志以及數(shù)據(jù)查詢API；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括規(guī)章、文檔以及考核過程的音頻、視頻。針對培訓(xùn)考核的所有結(jié)果，實訓(xùn)平臺進行統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)存儲和管理。實訓(xùn)平臺通過聚類和相關(guān)性分析，梳理學(xué)員們普遍存在的實操易錯點，確立考核實訓(xùn)的共性問題，構(gòu)建學(xué)員職業(yè)技能評估模型，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)和綜合技能評估相結(jié)合，實現(xiàn)智能化的學(xué)員職業(yè)技能素質(zhì)管理。

3 應(yīng)用

目前調(diào)度車務(wù)一體化仿真實訓(xùn)平臺已經(jīng)在寧啟、滬昆、京張、京雄、京沈、陽大等多條線路上線試用。作為調(diào)度員和車站值班員日常演練的平臺，實現(xiàn)了調(diào)度、車務(wù)聯(lián)合演練，段中心與多車站的聯(lián)合演練。此平臺除了用于新線開通前的適應(yīng)性培訓(xùn)以及日常非正常情況下應(yīng)急處置演練，實現(xiàn)培訓(xùn)數(shù)據(jù)信息化、電子化，未來還可結(jié)合大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，對職工的業(yè)務(wù)能力進行綜合評估分析，為考核管理部門呈現(xiàn)職工業(yè)務(wù)素質(zhì)能力報告，起到針對性強化短板的作用。

4 結(jié)語

本文研究支持不同演練考核模式的調(diào)度車務(wù)一體化仿真實訓(xùn)平臺應(yīng)如何設(shè)計及其應(yīng)用，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動仿真的技術(shù)，實現(xiàn)了生產(chǎn)設(shè)備模擬、列車運行模擬、應(yīng)急場景復(fù)現(xiàn)以及應(yīng)急操作處置自動考核等功能，對全面提高運輸指揮人員技能素養(yǎng)、協(xié)同配合及應(yīng)急場景處置能力具有重要推進作用。