京張高鐵智能綜合調(diào)度系統(tǒng)方案設計研究

張宏杰， 馮小芳， 孔慶瑋

（1. 中國鐵路北京局集團有限公司 調(diào)度所，北京 100860；2. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

0 引言

京張高鐵是我國“八縱八橫”京蘭通道的東段，是北京冬奧會的重要配套工程。自京張高鐵開通運營以來，運行安全穩(wěn)定、市場需求旺盛，得到了廣大旅客和社會的一致好評，但在運營管理方面還需要進一步提升［1?2］。高標準、高質(zhì)量做好京張高鐵運營管理工作，打造中國高鐵品牌新標桿，是貫徹落實習近平總書記重要指示精神的具體行動，是踐行交通強國、鐵路先行的重要舉措。為提升京張高鐵的運營水平和運輸智能化能力，實現(xiàn)“精品工程、智能京張”，需按照京張高鐵智能化工程目標，研究和設計京張高鐵智能綜合調(diào)度系統(tǒng)方案。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 國外現(xiàn)狀

在調(diào)度信息化建設領域，國際比較成功的調(diào)度系統(tǒng)有日本新干線COSMOS 系統(tǒng)、加拿大國家鐵路公司的SRS系統(tǒng)和瑞士聯(lián)邦鐵路（SBB）的調(diào)度指揮控制系統(tǒng)（RCS）與列車運行調(diào)整系統(tǒng)（ADL）［3］。COSMOS系統(tǒng)是根據(jù)新干線鐵路的特點和運營要求，對列車開行、車輛運用、乘務員運用、列車長運用等業(yè)務，自動編制各自的基本計劃、波動計劃、臨時作業(yè)計劃，系統(tǒng)設計充分考慮了高速行車所帶來的高風險性及行車安全對調(diào)度指揮的依賴性，突出管控一體化，強化運行管理與運行控制的結合，實現(xiàn)一級指揮、上下聯(lián)動，以良好的設備運營狀態(tài)保證運行計劃得到完全執(zhí)行［4］。SRS 的核心為“服務可靠性戰(zhàn)略”，系統(tǒng)采用面向市場營銷服務的“精確運營方式”，根據(jù)客戶訂單和鐵路運輸能力明確貨物的行程計劃，以貨物行程計劃制定列車運行計劃，按列車運行計劃組織內(nèi)部生產(chǎn)，實現(xiàn)對客戶的承諾。通過分析運輸智能化數(shù)據(jù)和實際運輸情況，制定差異化運輸策略，保證在承諾時間內(nèi)完成運輸。瑞士聯(lián)邦鐵路（SBB）從2014 年開始應用自適應列車運行調(diào)整系統(tǒng)（ADL）［5］，對列車運行進行精確預測，并生成無運行沖突的調(diào)度決策，該系統(tǒng)為瑞士提高路網(wǎng)利用效率和運輸服務質(zhì)量作出了重要貢獻。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

我國調(diào)度系統(tǒng)信息化起步較早，包括中國國家鐵路集團有限公司（簡稱國鐵集團）、鐵路局集團公司、站段3級系統(tǒng)。2015年，原中國鐵路總公司在全路推廣實施了TDMS5.0，系統(tǒng)以鐵路局集團公司級調(diào)度為核心，涵蓋值班主任、客調(diào)、貨調(diào)、計劃調(diào)、機調(diào)、動調(diào)、軍特調(diào)、施工調(diào)等工種應用，基本支撐了調(diào)度人員制定并下達運輸計劃和調(diào)度命令、跟蹤計劃執(zhí)行情況并進行計劃調(diào)整，以及對運輸生產(chǎn)總體情況進行統(tǒng)計匯總［6］。

既有調(diào)度系統(tǒng)技術架構形成于2000 年，其主要問題如下：（1）缺乏面向客運生產(chǎn)全過程的頂層設計；（2）系統(tǒng)可擴展性和開放性不強，存在數(shù)據(jù)不準確、不及時和不完整的問題，跨崗位使用困難、耦合度不高［7］，導致各調(diào)度工種獨立作業(yè)，協(xié)同性不強；（3）與外部各運輸生產(chǎn)信息系統(tǒng)間未能實現(xiàn)數(shù)據(jù)充分共享，不能很好地支撐調(diào)度人員及時、全面、準確地獲取運輸全過程各環(huán)節(jié)實時信息，因此數(shù)據(jù)驅(qū)動業(yè)務的能力不強，無法實現(xiàn)計劃編制、調(diào)整和執(zhí)行的閉環(huán)管理；（4）系統(tǒng)功能不夠完善，自動化、智能化程度較低，對于應急調(diào)度的應對能力不足，不能充分支撐調(diào)度業(yè)務的精細化、精益化和智能化需求。

2020 年，國鐵集團提出“強基達標、節(jié)支降耗、改革創(chuàng)新、提質(zhì)增效”的工作目標，并提出發(fā)揮市場對運力資源配置的決定性作用，協(xié)調(diào)高效地實施運輸集中統(tǒng)一指揮和效益導向機制，常態(tài)化實現(xiàn)“一季一圖”“一日一圖”。研究智能綜合調(diào)度系統(tǒng)總體方案，旨在運用運籌學、大數(shù)據(jù)、人工智能、計算機仿真、網(wǎng)絡優(yōu)化等技術，基于對運輸需求、設施設備狀態(tài)、所處環(huán)境狀態(tài)、生產(chǎn)動態(tài)的實時自動獲取，實現(xiàn)客貨運輸計劃、列車開行計劃、機車車輛運用計劃、乘務計劃和生產(chǎn)作業(yè)計劃的一體化編制，實現(xiàn)計劃的自動下達和執(zhí)行過程的動態(tài)監(jiān)控。

2 系統(tǒng)方案設計

2.1 系統(tǒng)目標

京張高鐵智能綜合調(diào)度系統(tǒng)在充分借鑒國內(nèi)外高速鐵路調(diào)度系統(tǒng)建設、運營理念和成功經(jīng)驗的基礎上，考慮北京冬奧會旅客出行需要，依據(jù)智能高鐵體系框架規(guī)范展開設計。系統(tǒng)以滿足客運運輸需求、運力資源合理運用和服務奧運為目標，實現(xiàn)對運輸需求、設施設備狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)、生產(chǎn)動態(tài)的實時信息進行及時、準確、完整地獲取，通過對業(yè)務功能的深層次加工，實現(xiàn)“運輸調(diào)度一體化、站段生產(chǎn)一體化”。

（1）系統(tǒng)面向客運運輸生產(chǎn)全過程進行頂層設計。為實現(xiàn)運力資源的合理運用與分配，設計運輸綜合計劃協(xié)同管理平臺，通過運輸計劃閉環(huán)、專業(yè)作業(yè)協(xié)同、生產(chǎn)信息互融，實現(xiàn)運輸生產(chǎn)全過程管理和高質(zhì)量的計劃編制與執(zhí)行，為提升運輸安全和經(jīng)營管理質(zhì)量提供保障。

（2）基于運輸綜合計劃協(xié)同管理平臺，實現(xiàn)京張高鐵運輸計劃綜合編制。以列車開行計劃為核心，統(tǒng)領施工維修計劃、車底運用計劃、站段作業(yè)計劃、三乘計劃，形成有機整體，完成高鐵運輸綜合計劃的編制?；诟鲗I(yè)信息互融的特點，維修、機務、客運、車站作業(yè)等工作都圍繞一項計劃開展。計劃變化時，相關工作將同步調(diào)整，可實現(xiàn)客運生產(chǎn)全過程的工作協(xié)同。

（3）運輸計劃閉環(huán)管理，計劃作業(yè)協(xié)同執(zhí)行，作業(yè)實績動態(tài)反饋。利用“平臺+應用”的一體化構建技術，實現(xiàn)國鐵集團、鐵路局集團公司、站段、車間的計劃一體化貫通；基本計劃、開行計劃、車底運用計劃、站段作業(yè)計劃協(xié)同閉環(huán)管理；同時國鐵集團、鐵路局集團公司與站段信息資源優(yōu)勢互補，使計劃的編制與執(zhí)行之間形成閉環(huán)，計劃、作業(yè)協(xié)同執(zhí)行，作業(yè)實績動態(tài)反饋，為計劃動態(tài)調(diào)整提供支撐，便于提高運輸調(diào)度決策質(zhì)量，實現(xiàn)提質(zhì)增效目標。

（4）智能化能力提升。從智能感知、智能決策、智能操控和智能評價4 個方面進行系統(tǒng)智能化能力提升。應急輔助決策方面主要實現(xiàn)應急現(xiàn)場可視可控和列車運行方案自動調(diào)整，提升應急安全監(jiān)測、應急輔助決策能力。施工維修管理方面可實現(xiàn)集成化數(shù)據(jù)采集、可視化施工現(xiàn)場管理、自動化沖突檢測和智能化影響評估。在調(diào)度命令管理方面，實現(xiàn)調(diào)度命令內(nèi)容自動草擬、自動比對、自動沖突檢測和安全卡控，實現(xiàn)命令、計劃無縫銜接，根據(jù)命令形成動態(tài)調(diào)整計劃，并向相關崗位進行傳輸和發(fā)布。

（5）運輸調(diào)度綜合監(jiān)控與評價。設計客運計劃執(zhí)行過程中的評價方法，通過計算客運及運輸相關指標變化情況，及時預警運輸指標偏離狀態(tài)，提供考核評價標準，自動給出優(yōu)化的調(diào)度輔助調(diào)整建議。構建沖突檢測模型，監(jiān)測客運生產(chǎn)全過程中的數(shù)據(jù)信息沖突、業(yè)務流程沖突、需求能力沖突等，并推送沖突檢測結果，顯性提醒沖突，給出消解策略。通過綜合協(xié)同監(jiān)控，對長期的運輸方案調(diào)整提供輔助決策依據(jù)，對動態(tài)的運輸計劃調(diào)整提供輔助決策建議方案。

2.2 系統(tǒng)總體結構

京張高鐵智能綜合調(diào)度系統(tǒng)采用一級集中部署，功能覆蓋中國鐵路北京局集團有限公司（簡稱北京局集團公司）、站段、動車段所、車間等。通過構建運輸綜合計劃協(xié)同管理平臺，設計包括綜合計劃協(xié)同編制、客運基礎資料管理、列車運行管理、車輛管理、施工維修管理、應急輔助決策、調(diào)度命令管理等七大功能模塊，提供與運輸、客運、機輛、工電供等相關專業(yè)信息系統(tǒng)的功能集成和數(shù)據(jù)交互接口。京張高鐵智能綜合調(diào)度系統(tǒng)與CTC3.0 系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)交互，與綜合維修生產(chǎn)管理系統(tǒng)、客票系統(tǒng)、客運站段旅客服務與生產(chǎn)管控平臺、動車組管理系統(tǒng)、TDMS5.0系統(tǒng)、列車運行圖編制系統(tǒng)等通過數(shù)據(jù)服務平臺實現(xiàn)信息共享、流程協(xié)作，實現(xiàn)北京局集團公司調(diào)度系統(tǒng)與站段系統(tǒng)間的信息透明、閉環(huán)管理，與運輸、工電供、客運、機輛以及其他相關部門的業(yè)務系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)專業(yè)貫通、業(yè)務協(xié)作。其系統(tǒng)總體結構見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體結構

運輸綜合計劃協(xié)同管理平臺分為統(tǒng)一資源描述、信息動態(tài)采集、業(yè)務流程卡控、綜合監(jiān)控等4個層級進行管理［8］，在統(tǒng)一資源描述和信息動態(tài)采集之上實現(xiàn)運輸綜合計劃一體化協(xié)同管理和編制。系統(tǒng)通過運輸綜合計劃協(xié)同管理平臺進行橫向各專業(yè)系統(tǒng)間的信息融合和縱向各專業(yè)系統(tǒng)之間的流程貫通，實現(xiàn)過程閉環(huán)、計劃協(xié)同、專業(yè)聯(lián)動。

2.3 系統(tǒng)技術架構

京張高鐵智能綜合調(diào)度系統(tǒng)圍繞微服務治理體系，依托分布式消息服務、數(shù)據(jù)庫集群等中間件，打造“強平臺，富組件”的集成架構應用。使用SpringBoot、SpringCloud 微服務架構體系，形成統(tǒng)一應用開發(fā)框架，定義標準開發(fā)測試規(guī)范、版本管理規(guī)范；構建持續(xù)部署、持續(xù)集成、持續(xù)測試、持續(xù)發(fā)布、持續(xù)改進的自動化交付機制。技術架構見圖2。

圖2 技術架構

3 系統(tǒng)功能設計

京張高鐵智能綜合調(diào)度系統(tǒng)涵蓋北京局集團公司（鐵路局集團公司）、站段、動車段所、車間等多級功能。系統(tǒng)采用B/S架構，用戶通過統(tǒng)一的登錄入口訪問系統(tǒng)，根據(jù)崗位權限管理完成相關的業(yè)務操作。

系統(tǒng)依托運輸綜合計劃協(xié)同管理平臺，實現(xiàn)客運調(diào)度管理、綜合計劃協(xié)同編制、車輛調(diào)度管理、施工維修調(diào)度管理、列車運行管理、調(diào)度命令管理和應急輔助決策等核心功能。系統(tǒng)功能見圖3。

圖3 系統(tǒng)功能結構

系統(tǒng)的運輸綜合計劃協(xié)同管理平臺提供統(tǒng)一資源描述，為實現(xiàn)信息全面共享和專業(yè)協(xié)同提供基礎；信息動態(tài)采集和流程卡控，為實現(xiàn)流程貫通、應用一體化提供支撐；綜合監(jiān)控實現(xiàn)綜合處理沖突提醒、流程執(zhí)行、動態(tài)指標運算、考核評價等。

3.1 客運調(diào)度管理及綜合計劃協(xié)同編制

客運調(diào)度管理主要功能包括基本計劃管理、交路編組管理、交路單元管理和客運開行方案管理等?；居媱澒芾硖峁┗居媱澗C合展示、基本列車運行圖編輯和調(diào)整、基本圖評估和仿真等功能。交路編組管理提供客運列車交路編組管理、圖定交路單元和臨時交路單元管理等功能?？瓦\開行方案管理提供客運開行方案集中展示、臨客加開方案輔助決策、動態(tài)調(diào)整相關功能。基于客運調(diào)度管理進行綜合計劃協(xié)同編制，其功能結構見圖4。

圖4 綜合計劃協(xié)同編制功能結構

綜合計劃協(xié)同編制功能包括長期綜合計劃滾動編制、次日綜合計劃編制、動態(tài)調(diào)整計劃3個階段；在編制內(nèi)容上，以列車開行計劃為統(tǒng)領，將列車交路計劃、開行調(diào)整、交路調(diào)整、車底運用計劃、三乘計劃、股道占用計劃等作為有機整體，進行協(xié)同編制；當某一計劃變化時，所有相關工作都進行同步調(diào)整，并將計劃編制和調(diào)整結果共享給相關系統(tǒng)。

3.2 車輛調(diào)度及施工維修調(diào)度管理

車輛調(diào)度管理主要功能包括車底運用計劃管理和車底交路變更管理。提供高鐵車底運用計劃審批、校核，以及車底變更申請、卡控和變更沖突管理等功能。

施工維修管理主要功能包括路網(wǎng)建模、計劃編制和遠程登銷記。提供信號機、股道、道岔等路網(wǎng)設備的數(shù)字化建模，提供施工維修月計劃、日計劃的滾動編制和審批落成功能，提供遠程登銷記和施工現(xiàn)場一體化管理相關功能。

3.3 調(diào)度命令管理

調(diào)度命令管理主要功能包括命令編制管理、命令審批管理、命令安全卡控、命令發(fā)布管理等階段，其具體的功能結構見圖5。

圖5 調(diào)度命令管理子模塊功能結構

圍繞鐵路調(diào)度命令管理業(yè)務，基于統(tǒng)一的基礎數(shù)據(jù)管理，構建國鐵集團、鐵路局集團公司、站段三級一體化貫通的調(diào)度命令智能管控體系，主要包含調(diào)度基礎數(shù)據(jù)管理、命令模板管理、命令編制管理、命令審批管理、安全卡控、命令發(fā)布、調(diào)度命令即時通、系統(tǒng)管理等功能模塊。

3.4 列車運行管理及應急輔助決策

列車運行管理主要功能包括動態(tài)運行圖、行調(diào)臺運行圖、正晚點分析與預警等功能。通過采集列車實際運行信息，跟蹤列車運行位置、列車速度、列車正晚點情況。提供行調(diào)臺運行圖、動態(tài)區(qū)段定制運行圖、航空線圖展示，以及列車運行計劃顯示與查詢、鄰站信息顯示、調(diào)度命令顯示、維修車輛徑路計劃等查詢和檢索功能。

應急輔助決策主要功能包括運輸方案調(diào)整、應急預案智能匹配、列車計劃自動調(diào)整等模塊。在應急情況下，對限速、封鎖情況下的停運方案、熱備車啟用、在途車和后續(xù)列車的開行計劃等給出調(diào)整建議，并提供格式化、數(shù)字化的應急預案管理和智能化匹配功能。

4 系統(tǒng)創(chuàng)新總結

京張高鐵智能綜合調(diào)度系統(tǒng)通過需求適配、數(shù)據(jù)融合、模擬仿真、實時推演、安全計算、規(guī)則管理、應急預案匹配等技術，實現(xiàn)調(diào)度組織過程的數(shù)字化貫通、專業(yè)化協(xié)同、流程化互控和面向客運生產(chǎn)全過程的更安全、更高效、更可靠的高鐵運輸調(diào)度管理。相較于既有的TDMS5.0 系統(tǒng)，系統(tǒng)在新理念、新技術、數(shù)字化、智能化方面都有很多創(chuàng)新。

（1）在新理念方面，從既有調(diào)度系統(tǒng)缺少面向運輸生產(chǎn)全過程的頂層設計的問題中汲取經(jīng)驗，京張高鐵智能綜合調(diào)度系統(tǒng)創(chuàng)新如下：一是采用面向全過程一體化貫通的設計，實現(xiàn)從列車路網(wǎng)能力管理、基本運行圖編制、旅客運輸需求獲取、計劃綜合編制到生產(chǎn)作業(yè)執(zhí)行、反饋評價的一體化專業(yè)貫通；二是采用面向全業(yè)務數(shù)字化融合設計，面向各專業(yè)業(yè)務特征，提供業(yè)務領域模型、流程適配技術和事件驅(qū)動架構，為作業(yè)流程互控、專業(yè)協(xié)同、執(zhí)行跟蹤和評價提供支撐。

（2）在新技術應用方面，既有調(diào)度系統(tǒng)受限于傳統(tǒng)架構，不能對業(yè)務需求的快速變化進行及時響應，京張高鐵智能綜合調(diào)度系統(tǒng)創(chuàng)新如下：一是采用集中部署，靈活重構新技術，可快速響應業(yè)務需求變化，實現(xiàn)系統(tǒng)資源動態(tài)調(diào)度，提升資源利用率和應急互備能力，促進區(qū)域協(xié)同和崗位靈活設置；二是通過“平臺+應用”的模式，兼容既有應用系統(tǒng)，同時提供開放的標準和平臺，便于集中優(yōu)勢力量，持續(xù)提升調(diào)度管理系統(tǒng)建設水平。

（3）在全面數(shù)字化管理方面，為了解決既有調(diào)度系統(tǒng)與其他專業(yè)系統(tǒng)間信息交互不暢，數(shù)據(jù)不準確、不及時、不完整的問題，京張高鐵智能綜合調(diào)度系統(tǒng)進行了如下創(chuàng)新：一是進行全要素數(shù)據(jù)集成，建立與基本圖、客票、動車組管理、客運站段管控平臺等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成接口，打通與防災、異物侵限、天氣預報、地震、綜合視頻等系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互通道；二是進行全過程數(shù)據(jù)融合，與客運需求、售票收入、乘務超勞、車底運用等業(yè)務數(shù)據(jù)進行融合校驗和統(tǒng)一發(fā)布。

（4）智能化提升方面，京張高鐵智能綜合調(diào)度系統(tǒng)在滿足既有調(diào)度系統(tǒng)的功能之外，從智能感知、智能決策、智能執(zhí)行、智能評價等方面，設計了相關的應用功能。具體創(chuàng)新如下：一是通過客流變化分析功能，感知運輸供給側(cè)和需求側(cè)的矛盾；二是通過列車運行狀態(tài)跟蹤，實現(xiàn)晚點狀態(tài)、限速運行、異常停車感知；三是從列車開行調(diào)整決策、車底交路和車底運用安排決策、基本計劃仿真、次日計劃仿真、調(diào)整計劃仿真等方面提升智能決策能力；四是通過應急“一事一圖”調(diào)整、應急影響預估、應急預案智能匹配和應急處置案例精準推送，提升智能操控能力。