摘 要： 闡述了城市軌道交通中列車運行圖編制與驗證評估系統研究的必要性。詳細介紹了城市軌道交通中列車運行圖編制與驗證評估系統的系統結構、功能實現方式和系統功能演示結果情況。研究了運行圖編制中運營成本、客流數據、車輛數據和站場數據之間的相互制約關系，并采用不同的優化算法，得出較優化的運行圖。
0 引言
據統計，截止2014年底我國開通的地鐵（含輕軌）接近100條。從客運量來看，北京地鐵單日峰值超過 1 000萬人次。隨著國民經濟的快速發展，我國城市現代化進程進一步加快，城市規模不斷擴大，城市人口和外來人員不斷增加，由此造成的交通擁擠堵塞和環境污染等問題已經成為妨礙城市經濟發展、影響社會經濟活動正常秩序以及居民日常出行的重要問題。因此只有采用大運量的交通運輸方式，才能從根本上解決城市公共交通問題。城市軌道交通具有運量大、速度快、安全、準時、舒適等優點，并能帶動城市土地資源綜合開發利用，對城市長遠發展具有重要意義。因此，近年來中國各城市對地鐵的渴望也越來越強烈。然而地鐵建設周期長、投資大，給地方財政造成很大的負擔，為減輕財政壓力，國家提倡公私合營模式PPP（Public-Private-Partnership），鼓勵民營資本參與地鐵項目建設，促進軌道交通行業和諧、健康、持續發展。
線路開通運營后能否產生一定的收益，是吸引民營資本投資的主要因素。整個軌道交通建設中，初期要考慮軌道交通系統建設規模、設計方案、車輛選型等成本因素；建設后期為降低運營維護成本，需快速編制高效的列車運行圖，提高運營效率，保障軌道交通系統高效安全運營。從而產生一定的經濟效益和社會效益，進而吸引社會資本積極參與軌道交通建設，推動軌道交通繁榮發展。
1 研究目的和意義
本系統在城市軌道交通建設前期，可以依據線路規模、運營密度、客流、線路、車輛等要素變化，以及信號的隨機故障、臨時限速等隨機事件，進行系統的運營模擬仿真和指標計算，能夠提前得出系統重要的時間參數和技術經濟運營指標，為軌道交通建設和運營提供指導性意見。在線路建設的初期，以實際線路的基礎數據為輸入，通過仿真系統模擬列車實際運行，對生成的運行圖和信號系統的性能進行驗證和評估，可提前發現信號系統的設計不足，以便及時改進，減少上線后問題的發生，提高系統的可用性；同時能提高實際線路上列車動調的效率，縮短系統調試周期，降低系統聯調的成本。
在線路開通運營后，根據不同的運營需求，為用戶快速編制運行圖，并根據實際線路數據進行運行圖的仿真驗證評估，以編制出高效、穩定、安全的運行圖，從而降低運營人員的工作強度，提高運營維護效率，降低運營維護費用。
2 國內外發展狀況
國外對該類系統的研究起步較早，主要以西門子公司研制的“Falko”為代表。Falko是德語“Fahrplan-Validierung and Konstruktioni”的縮略語，相應的英文譯文是“Timetable Validation and Timetable Construction”[1]。它主要用于鐵路系統運行圖的創建和仿真驗證。它使用高度自動化的創建功能，可以優化車輛調度，在（部分的）進路區段的精度上創建可運行的運行圖，應用基于事件的仿真器，可以逼真地模擬被創建的運行圖在鐵路系統上的運行結果。此外，阿爾斯通、通用電氣、阿爾卡特等信號系統提供商也有各自配套的時刻表系統。北美的TPC系統、RailSim系統，歐洲的TrainStar系統以及日本的 UTRAS系統在列車運行仿真與評估領域也有一定的經驗和影響力。
國內對該方向的研究落后于國外，主要代表為同濟大學研制的TPM編圖軟件，實現了運行圖的計算機編制與調整，使運營部門擺脫了Excel等第三方工具，提高了生產效率[2]。在牽引計算、列車運行仿真、運輸計劃優化等方向，國內學者做出了一定貢獻。總體而言，國內研究成果覆蓋面較廣，但缺乏深度，也缺少有影響力的產品[3]。
目前該領域的國內市場主要被國外公司占據。但國外公司產品往往與自身信號系統綁定，不提供兼容國內信號系統的接口，人機交互方式不適應國內用戶習慣，而且價格過高、軟件系統結構固化、后期維護成本高、變通性與靈活性不足，很難滿足國內用戶的要求。因此研發自主知識產權的運行圖編制與驗證評估系統，打破國外產品的壟斷地位，是一項緊迫而又富有挑戰的任務。
3 系統方案
3.1 系統結構
如圖1所示，列車運行圖編制與驗證評估系統主要由運力計劃方案、運行圖人工離線編輯、線路基礎數據管理、運行圖自動優化創建、系統仿真驗證評估以及運行圖保存和輸出等功能模塊組成。根據以上系統結構，分不同模塊實現了運行圖編制管理的圖形化、可視化、智能化、交互式和網絡化，以及結果輸出的多樣化。
線路基礎數據管理是運行圖編制和驗證的基礎，該模塊完成線路基礎數據的管理。線路基礎數據主要由線路站場數據、車輛數據、線路數據字典和客流預測數據組成。線路站場數據包括站場圖分布、信號設備布局、車輛段分布、進路數據等。車輛數據包括列車類型、數量、長度、重量、編組、列車最大速度、加速度和牽引性能等。線路數據字典包括接發車股道、折返軌道、區間運行時間、站停時間、折返交路、折返時間、列車追蹤間隔和出入庫時間等。客流預測數據是城市軌道交通設計的基礎，其預測結果直接影響運營后的經濟效益和社會效益，主要體現在時間和空間分布，預測結果包括：各期站間表；全日、高峰小時客流表、客流圖；全日客流量的時段分布。客流預測不確定因素太多，需要長期的調查和模型優化[4]。
運力計劃方案是對不同運力需求計劃的描述。根據不同時段的運營需求，每年可按照平日、節假日、不同季節、每天不同時段、臨時事件等不同交通狀況制定相應的運行計劃方案。運力計劃方案包括創建方案和載入方案。創建方案指依據線路基礎數據，設計運力計劃方案。載入方案指對已存在的方案進行讀取和打開。
運行圖人工離線編輯是系統提供的對已生成的運行圖的人工編輯功能，分為添加列車、刪除列車、復制列車和修改列車等操作。添加列車功能指人工創建單個或多個列車計劃，可設置停站時間、接發股道、到達時分、出發時分、列車折返等信息；刪除列車功能指人工刪除某單個或多個列車的運行計劃；修改列車功能指修改列車的接發車股道和停站時間等信息；復制列車功能指對列車運行計劃的重復添加。
運行圖自動優化創建是本系統的核心功能之一，分為時刻表擴展、車輛計劃優化、運行計劃和進路設置四步完成。時刻表擴展是生成運行計劃的第一步，根據運力計劃方案生成單個的運行線計劃。車輛計劃優化是生成運行計劃的第二步，以使用最少的車輛為優化目標，為每個運行計劃分配一輛列車。運行計劃是生成運行計劃的第三步，將車輛計劃精確到站臺股道，該功能考慮折返策略、出入段策略等運行條件。進路設置是生成運行計劃優化的最后一步，生成運行計劃和進路的對應關系，同時考慮敵對進路計劃沖突因素。
系統仿真驗證評估模塊用來模擬線路信號系統實際運行情況，以驗證運行計劃的合理性和可用性，以及信號系統的性能。包括車載ATO/ATP系統、聯鎖系統、仿真模擬器和牽引計算模型。車載ATO/ATP系統用來實現模擬列車運行模式；聯鎖系統用來實現進路、道岔和信號按一定條件和制約關系的控制功能；仿真模擬器用來模擬信號設備的狀態和故障情況；牽引計算模型用來模擬列車重量、列車加速度和線路坡度等列車運行參數。
運行圖保存和輸出功能主要實現上傳數據庫和輸出多種形式的運行圖數據，以適應不同廠家列車自動監控ATS系統的需求。包括運行圖保存數據庫和運行圖數據輸出。運行圖保存數據庫是將生成的運行圖數據上傳到遠端數據庫；運行圖數據輸出指本地生成多種形式的運行圖數據。目前，以北京地鐵為例，該系統主要輸出車底時刻表、車站時刻表和車次時刻表。車底時刻表指同一車底關聯的所有車次，按車次順序輸出各車次經過各站的時間情況；車站時刻表指以車站為單位，按車次先后順序經過同一車站的時間情況；車次時刻表指按車次順序輸出各車次經過各站的時間情況。
3.2 系統功能實現
本系統主要實現運行圖自動化創建、運行圖人工離線編輯和系統仿真驗證評估功能。具體實現如下。
3.2.1 運行圖自動化創建
運行圖自動化創建流程如圖2。系統啟動時，根據用戶選擇，加載相應線路的站場圖分布、車輛牽引計算數據、客流數據、區間運行時間、追蹤間隔、折返時間和出入庫時間等線路基礎數據，并校驗數據的合法性。然后，提示用戶選擇已有的方案或創建新方案，若用戶選擇已有的方案，依次進行執行時刻表擴展、車輛計劃、運行計劃和進路設置，即可生成運行圖；若用戶選擇創建方案，則要求用戶依次進行線路設計、車次設計、車輛段設計、周轉設計等，然后才能開始運行圖的生成。
線路設計是對單條運行線起始車站路徑的設計；車次設計是以開始時間、結束時間和追蹤間隔為參數對一段時間內運行計劃的描述；車輛段設計是指對車輛段容量、列車停留車輛段時間等情況約束的描述；周轉設計是指依據不同的車次（如車速不同），建立車輛和車次的對應關系。
考慮運營成本，在自動創建運行圖時，要求單車滿載率盡可能高；減少旅客等待時間和換乘次數，即發車頻率盡可能高且盡量開行長交路；根據不同的線路，車輛段的數目、分布和車輛段配置的車輛類型和數量不同，車輛計劃的優化目標為車輛使用數最小化。綜合考慮各種約束，分別建立客流、時間模型和車輛模型等制約條件，考慮采用分步優化和多種優化算法結合的策略，自動優化運力配置，創建較優的運行圖計劃，供調度員使用，取得了較好的效果，從而節省了運行人員的計劃編制時間，提高了運營效率。
3.2.2 運行圖人工離線編輯
系統通過創建“人工編輯”菜單，實現運行圖離線編輯的人機交互功能。系統啟動后，載入線路基礎數據，同時將該線路基礎數據對應的已經生成的時刻表數據導入到系統中，系統能自動打開已保存的運行圖。根據系統提供的操作選項，用戶可以對相應的列車計劃進行增加、刪除、修改、復制等操作，并對修改完的運行圖進行折返時間、區間運行時間、站停時間及列車追蹤間隔、列車到發時序沖突、站臺股道占用沖突、折返軌運用沖突等約束條件的沖突檢測，檢測成功后才能上傳到數據庫。
3.2.3 系統仿真驗證評估
為了對整個信號系統的性能進行驗證評估，系統根據實際線路基礎數據搭建聯鎖模型、車載ATO/ATP模型、仿真模擬器模型和車輛牽引計算模型等用來模擬列車實際運行。利用菜單操作的方式模擬信號設備故障，如在區段限速和股道封鎖等故障行車情況下進行模擬跑車，對系統已編制的運行圖的可用性和信號系統設計的合理性進行驗證評估，從而能為運營人員提供決策依據，為及早發現信號系統設計不足，并及時修改提供基礎。最后，將數據庫中經過驗證的運行圖導入到ATS系統中，便能供調度員行車指揮使用。
4 系統功能演示
以北京地鐵8號線為例，對該系統運行圖自動優化創建功能和仿真驗證功能進行演示。首先，系統啟動后，選擇載入線路結構數據，然后新建方案，依次如圖2中的操作，生成的運行圖如圖3所示。并進行仿真驗證評估，模擬信號系統運行，仿真驗證過程如圖4所示。
5 結論
列車運行圖編制優化屬NP難解問題，存在“組合爆炸”，是當前運輸發展的重大技術難題[5]。本文以單條線路為基礎，對運行圖自動優化編制和系統驗證功能，嘗試多種優化算法解決，取得了較好的效果。然而，隨著城市交通網絡化發展，對路網能力評估方法、路網運行計劃協調性評估方法、路網運營安全評估方法、多車輛段多車型的車輛調度優化策略、折返作業計劃優化方法、快慢車混跑下的運行線規劃優化方法以及客流預測方法和多種信號制式下的進路級運行計劃編制方法還有待進一步研究。
參考文獻
[1] 曾志倫.城市軌道交通FALKO軟件的研究與設計[D].成都：西南交通大學，2011.
[2] 徐瑞華，江志彬，朱效潔，等．城市軌道交通列車運行圖計算機編制的關鍵問題研究[J]．城市軌道交通研究，2005，8（5）：31-35．
[3] 胡亞峰.列車運行計劃編制與驗證系統研究[J].鐵路通信信號工程技術（RSCE），2013，10（1）：62-66.
[4] 郭進.鐵路信號基礎[M].成都：中國鐵道出版社，2010.
[5] 倪少權.列車運行圖編制系統研究[J].中國科技獎勵，2008（6）：40.