轨道交通网的计算机辅助运营中断管理系统

摘要：SALTOS系统的核心是一个软件运营模型，它可以收集任何与网络控制有关的运营状态信息。运营模块根据网络运营水平同轨道交通内部的控制系统界面相连，并通过加载实时数据保证运营模型可以实时反映实际运营状况。

高客运密度的德国地铁（S-Bahn）和类似的区域快速轨道交通系统对运营控制系统的要求越来越高，特别是在发生运营中断的时候尤为突出，这是因为如果系统的层次较复杂（时间表、车站值勤人员和乘务人员），那就很难评估原始事件所带来的后果和处理该事件的措施是否得当。这就要求必须改善既有的短距离轨道交通计算机运营控制系统，在保证乘客满意和有效控制运营中断的前提下，添加干扰控制系统部件。笔者推荐使用SALTOS，它是一种控制方法，有助于改进既有控制系统。

目前区域快速轨道交通系统运营失衡。对运营的干扰往往对整个系统造成巨大的影响。当然除了通过改进系统部件来消除这些干扰的根源之外，还有就是要通过更好的控制整个运营来消除这些干扰所造成的影响。

那就要根据运营条件调整时间表、乘务人员和列车配置清单。然而，由于中断运营经常不能维持这种优化运营计划，因此服务水平达不到乘客的需求。一旦发生中断，路网调度员的主要任务就是采取措施调整列车的运营方式，以降低中断所带来的负面影响。当然，路网调度员一方面要考虑乘客的需要，另一方面还要预先考虑影响乘务人员和列车的若干因素（最大允许工作时或者是维修）。因此，在有限的时间内要达到这些预定目标，必然使路网调度员的工作非常复杂。

目前，主要是由人工来决定采取何种措施，其中最重要的因素就是调度员的个人经验。然而，如果情况比较复杂，就不能预测原始中断引起的后果以及所采取的措施。很明显，路网调度员需要计算机的协助。

到目前为止，计算辅助消除中断的方法主要是用于探测和校正不同列车配线之间的冲突。然而，目前即使已经将造成中断的根源消除，也不能将区域快速列车恢复到正常运营。

本文的目的不是要给出目前技术应用的细节，而是要描述一下SALTOS计算机辅助控制和配置方法的结构及模块。SALTOS也许不是一种最好的方法，但它是一种功能模块的集合体，可以添加到现有计算机控制中心系统中，提高处理区域快速轨道交通系统的能力。

SALTOS系统的核心就是一个软件运营模型，它可以收集任何与网络控制有关的运营状态信息。运营模块根据网络运营水平同轨道交通内部的控制系统界面相连，并通过加载实时数据（例如列车当前的位置和列车或者乘务人员编制）进行校正，这样就保证运营模型可以实时反映实际运营状况。

在实际应用时，SALTOS进行在线交互式的运营状态信息记录，研究可行的治理措施，预测和评估其所带来的影响。SALTOS通过不同的模块对这一过程提供支持，例如预测影响模块、研发措施模块和评价用户观点模块。由于负责相关功能的系统界面设计合理，就保证了控制网络相关数据的连续性。因此，可以为控制方面的案例提供决策基础，而不需要对运营状态或者所应采取措施进行口头交流。

不同的功能模块涉及运营模型的各个工作程序，可以为调度员提供技术支持。其中最重要的模块是预测运营模式模块、中断影响评估模块、应对措施模块、资源分配模块以及消除中断的措施模块（图1）。

图1  SALTOS的程序步骤（来源：所有的图片来自于作者的部门）

无论何时，运营模型都代表着运营的最新状态。在这个模型中添加仿真单元，可以预先评估运营如何进展，当遇到中断时会带来什么影响以及如何应对等等。模块还可以预测在实际情况下该如何进行运营。

决定预测准确性的因素通常包括：根据信号系统逻辑原则解决车－线之间的冲突，车与车之间的运行模式。预测工具还可以有效规划所应采取的措施，同纯线性推断相比，预测工具可以较为准确地向乘客提供关于他们到达不同站的时刻。

SALTOS有一个评价模块用来评价运营状态。这个模块主要从用户的角度来评价运营预测模式（需求为基础的评价）。评价的基础是一个点对点的运行矩阵，它在时空维上是不同的。

建立一个动态重分配图来代表预测时间表，并利用重分配法则来计算每列车的运行路线和运行时间。

重分配的结果就是要给列车控制人员提供一个评价指数，作为他们的决策基础。

同公布的时间表相比，可以计算列车在每一站究竟要晚点多少，这样既可以提供以需求为基础的评价指标，又可以提供一个以供应为基础的评价指标。

高密度的区域快速列车网络需要采取措施来规划整个系统，而且要摈弃车－线为基础的方法来控制单个路线，这样才可能解决车－线之间的冲突问题。因此，SALTOS的技术必须要提供一个强大的全方位的用户互动界面，用来显示与运营状态有关的数据，并开发一系列措施来使用列车的预测运行模式。虽然可以用人工来决策，但是在计算机的辅助下SALTOS提供了两个子模块来开发措施：

1）“运行方式适应”模块能够脱机工作，让计算机将预先设定并通过试错实验的措施（紧急程序）自动适应当前的运营状态，然后计算机预测采取措施所带来的影响，向列车控制人员提供一个合理的理由，帮助他们来决策该采用哪种紧急程序，因为实际情况的影响是可以预测的；

2）“自动－动态消除中断”子模块能够在找到中断原因之后立即自动开发一系列的措施来消除中断所带来的影响，并将其提供给列车控制人员。这个子模块以运营的实际状态为基础，而不考虑造成中断的事件性质。

许多仿真系统可以用于模拟轨道交通运输的运营方式，但是其中大多数用于中长距离规划。列车控制过程的模拟还有一些特殊的要求：

1）计算时间短；

2）动力学校正；

3）布局；

4）列车控制干涉措施整合；

5）解决动力学干扰。

SALTOS仿真模块的基础是一个目标模型，它可以在每一点实时模拟真实系统，其中包括所有与列车控制有关的因素（基础设施、列车位置、列车设备、乘务员清单、列车运营图等等），它将局部互锁系统的运营者和列车司机的标准行为相挂钩（例如他们如何选择车站轨道或者如果晚点的话，要在车站停多久）。

从技术上讲，预测模型是以目标、事件和过程导向为模拟核心的（图2）。siSimManager级管理着所有siSimulation级的仿真案例。它们负责控制仿真过程，而且只能运行siEvent型的事件目标，也可以组织siProcess级的过程目标。

图2  仿真核心目标模型

所有与运营模型相关的运营现象和过程都以这个仿真核心为基础进行模拟，并兼顾以上的各个要求。对计算旅行时间来说，例如对动态运营特性可以使用一种简化方法。计算旅行时间的通用方法（诸如过程或者过程）是提供精确值，但是这些都是理论化的。在实际运营中，还有一些差异（有些差异很大），它们往往是由乘客/照明时间以及司机的操作等因素造成的。因此，SALTOS选择一种半解析的方法（也可以用于计算），包括根据初始速度和梯度计算线路从一个驻点制动减速和加速的恒定值（图3）。

图3  动力运行特性：计算线路终点的允许速度

这些参数不能涵盖所有的列车，但是在仿真时可以单独采用，并不断进行修改。

对实时控制系统进行仿真的一个前提条件就是要保证模拟过程和实际系统的连续性。因此，必须对实时数据进行整合，并根据实际情况对模型进行校正。实时信息例如列车位置的信息，被处理转化成待校正案例，这对仿真是非常重要的。仿真循环进行，在计算时集合所有的校正信息，一边模拟列车的位置，一边对列车位置进行实测。

在列车运营中心的列车控制人员可以得到真实的运营情况报告（图4）。

图4  交互界面

除了不断显示列车走行位置和晚点情况之外，列车控制人员还可以将显示其他列车的走行信息，其中包括列车的编组数量、列车指令、数量、走行距离和预定的维修。而且由于独立列车特性的“视窗功能”包括了列车数量、当前的运行图或者行车路线的数量等等，因此通过它也可以得到司机和列车规划布置的信息。计算机还可以自动提醒司机注意即将发生的运营中断，诸如列车路线冲突或者列车超出维修限值。

我们认为有必要减轻列车控制人员由输入实时数据所带来工作量。因此，在模拟时可以通过动态自适应方式对数据进行整合，通过自动计算机和通用语言解析指令，对线路实施控制。操作向导还可以帮助用户输入数据，开发一系列措施，而且这种设计符合人类环境改造学的理念，满足了在线应用的要求。除此以外，所有列车运行的模拟，也包括其它运营商的列车模拟，都只需几秒钟，并将结果存入目标模型的缓冲区。如此迅捷的性能是使用在线仿真的前提条件。而且这些数据（即输出数据）在后处理阶段是可视化的，并可以动态显示当前和未来列车运行和运营情况。因此这种独立可视化模块可以不断更新运营情况，像电影胶片一样向前或者向后显示。

为了防止运营中断，可以使用自动动态消除中断模块，它可以帮助列车控制人员准确地找到中断根源，运营恢复到正常状态之后，该采取什么措施。这种模块考虑了运营在混合服务线上或者是专线上的区域快速列车系统的特性。

这种模型特别在有环放射的路网中显示出其强大的功能。

中断原因一旦被找到，路网控制人员就要根据其性质，对整个系统进行调整。如果列车不在其预定的位置，那么其它列车和站台将发生拥挤。因此列车控制人员必须采取措施将列车恢复到其预定状态。下面将给出可供借鉴的解决措施。

本次开发的目标就是要关注乘客的感受。然而问题就是在乘客需求和运营者的价值观方面存在冲突。要考虑到这些需求的分歧，在系统的大背景下对系统进行优化，从而在不同对象之间实现一种均衡。但在整个系统的背景下找出解决方法，时间有限，而且传统的优化程序只是要通过迭代过程减少或者增大质量功能，它不能取得理想的成果。

因此，必须寻求一种透明化的解决方法，不需要迭代过程，而且对列车控制人员来说，工作模式和输出都是透明化的，控制人员在使用时不要产生任何的疑虑。判断解决方法效果的参数是时间，因为时间是通过网络与乘客的旅行时间相关联的，因此解决的方案必须要保证整个运营恢复到预定的时间表。然而，还要调整其他一些参数来防止对乘客造成不便，特别是当乘客碰巧发现他们处在特殊的位置，以及处理运营特性方面或者是网络几何状态所造成的一些限制等等。

这种解决方案将仿真模型提升了一大步。在仿真过程中，通过决策提供解决措施，决策要根据特定的运营情况对仿真计算进行相应的调整。因此，不需要寻求整个的求解空间，因为这样将占用大量的计算机资源，也不必进行参数化，或者使用任何的数学技术。

决策的第一阶段就是要对既有系统与时间表之间的差异进行分析，然后给每一条线路分配优化路线，以便减少每一条线路同预定时间表之间的差异，使所有列车回到正常的运营状态。这一步缩小了运营者和乘客参考系统的差距，因为列车在某时可以转换到特定的线路参考系统中（阶段转换）。而且在特定路线上运行的列车被指定到时间表所分配的路线上运行，在进行阶段转换之后，要根据列车处于指定列车路线的前后位置来进行第二阶段的操作。

第二阶段主要是在固定位置插入调节器，它们在仿真过程中是交互的。这些调节器对每一列车采取相应的措施，并迅速而有效地减少路网分支点上同时间表的差异，并可以通过系统分析来证实这种方法的可靠性。在区域快速轨道交通网络的中心（例如它们的干线），不同的路线共享同一源头，因此要尽量减少中断源头的间隔时间，控制措施不能干扰这些中心地区，防止列车侵占其他列车的路线，阻碍列车运营。

要在路网外分支中预留采取措施的空间，在靠近中间站的位置设定调节器，因为在那里可以预先调配车辆。当模拟列车通过调节器时，就要根据中间站列车同时间表之间的差异和减少晚点的能力对其进行下一步措施：

1）等到时间表所规定的发车时间发车；

2）继续正常运行到终点；

3）直达运营（忽略规定的停靠站）；

4）结束运营，提前折返（放弃计划的下一段运营）；

5）忽略计划的折返点（到预定的折返点后继续运营到下一终点）。

然而，在目前的情况下，严格执行这个策略可能对使用路网外分支的乘客造成很大的不便。为了防止它发生，必须对调节器进行升级，以便使决策机构可以充分衡量决策前后列车的位置（例如只有当列车提前到达了线路终点，并且它同下一班列车的间隔小于x分钟时才能提前折返）等等。

由于推荐措施部分是相互依赖，并且同时间表的差距呈单调降低，因此只要不单独使用这些措施，它们作为整体的巨大意义是不容置疑。实际上，单个措施通常也不是相互依存的，可以根据具体运营情况灵活使用。

对SALTOS程序的评价主要是从乘客角度出发的，其中最重要的标准就是旅行时间。

为了计算乘客的旅行时间，SALTOS给出了一个三维网络图，可以通过仿真预先给出时间表。过去利用时间差分来脱机记录点对点的运行，以确认乘客的实际旅行路线，而现在利用网络图进行。

网络图包括了中断发生后列车的运行方式。它兼顾了受中断影响的乘客，以及中断发生后参与到该系统的乘客。

覆盖图的输出就是要在预测时间表的基础上对每一个点对点的运行预测运行时间，并将其同正常运营计算的运行时间或者其他运营方案而得到的运行时间相比，这样就可以给出一个就乘客角度讲的评价指标，而且这个技术也可以给出由于时间表的差异有多少乘客受到了影响。

覆盖图的其它输出结果还包括车辆超限或者是某个点对点运行晚点等等情况。

但是预测运营方案也引起了对运营限制的干扰。因此，要将与乘务人员和列车编组有关的相应限制同运营方案的仿真结合起来。列车控制人员还将这些信息显示出来，并从运营角度来判断预测的效果，预先采取措施来解决冲突。

SALTOS就是区域快速轨道交通系统“运营干扰”（图5）计算机辅助运营控制系统的列车控制模块。随着客运量的增长，系统越来越容易受到中断的影响，从而对列车控制人员的要求也越来越高，因此对这一领域进行研究是十分必要的。

图5 铁路运营控制系统单元

SALTOS可以结合其它系统处理数据，消除人工和非结构通信中的缺陷。这不仅改进了网络的直接运营控制，而且也改进了其它模块诸如乘客信息模块的功能。

SALTOS的列车控制模块为路网控制者提供了有价值的支持。计算机可以更快更可靠地处理数据，而把列车控制人员解放出来，去分析系统的状态，做出最合适的决定。因此这种人机分工可以使系统在中断后更快地恢复到正常的状态，从乘客的角度来说，质量更高。

例如，通过大量模拟现场实际条件的实验室实验证明：可以使用自动动态中断消除模块来分析该系统的巨大价值，它可以缩短恢复到正常状态的时间，对一些主要中断事件可以将时间缩短到原来的85％。

然而，不能仅仅将SALTOS的效果限制到自动动态中断消除系统上，因为它是一种全局性的模块。从用户的角度来说，如果使用该系统管理中断而不能达到预期的效果，那么这将极大地影响该系统的声誉。

但必须承认，与整个经济效益相比，运营商的盈利是次要的，而且对具体案例来说，他们往往是非直接的，长期的，很难将其量化。以下可能会对运营商带来积极的影响：

1）由于中断处理得当，使得乘客乐于选择轨道交通出行，因此增加了税收；

2）降低了被服务部门的处罚金；

3）降低了对乘客的赔偿金；

4）降低了对乘务人员的由于以下工作而得到的补助：①处理投诉；②人工撰写运营记录；③当列车没有按时到达维修地点时，重新安排；④由于中断运营造成的加班费；

5）建立网络控制标准（可以带来一个竞争优势）。

SALTOS已经成为MOBINET研究项目的一部分，这个项目受德国联邦教育部和研究部（BMBF）的资助，同时还开发了一个CRP来评估SALTOS的可行性。接下来，将同产业部门和一些用户（慕尼黑地铁运营商）联合研究其技术的可行性。至撰稿时止，已经开始准备开发一些成熟的产品投入使用，为研究SALTOS打下坚实的基础。

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