基于實(shí)時(shí)客流的城市軌道交通 列車自動(dòng)調(diào)整方法

黃柒光，李建全

（1.卡斯柯信號(hào)有限公司 城軌系統(tǒng)部，上海 200070；2.卡斯柯信號(hào)有限公司 城軌運(yùn)輸指揮系統(tǒng) 開發(fā)部，上海 200070)

0 引言

智能調(diào)度是“智慧地鐵”的組成部分，是新一代城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的核心建設(shè)部分?；趯?shí)時(shí)客流的列車自動(dòng)調(diào)整功能可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)能與運(yùn)量的精確匹配，體現(xiàn)“以乘客出行服務(wù)為核心”的城市軌道交通運(yùn)營(yíng)理念，提升乘客的出行體驗(yàn)。目前，上海、成都、鄭州等城市正在建設(shè)城市軌道交通智慧調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)調(diào)整功能。列車調(diào)整主要基于事先編制的計(jì)劃時(shí)刻表，而由于突發(fā)事件、大客流等因素，列車實(shí)際運(yùn)行時(shí)間與計(jì)劃運(yùn)行時(shí)間往往存在一定偏差。因此，在制定計(jì)劃時(shí)刻表時(shí)，會(huì)為列車在車站的停站時(shí)間和區(qū)間的運(yùn)行時(shí)分預(yù)留一定余量，為列車運(yùn)行調(diào)整提供條件。列車可以充分利用這些余量調(diào)整運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)正點(diǎn)到發(fā)和站臺(tái)停站時(shí)間靈活調(diào)整。

針對(duì)城市軌道交通列車自動(dòng)調(diào)整問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了研究。閔鵬[1]研究根據(jù)早、晚點(diǎn)情況調(diào)整列車停站時(shí)間和區(qū)間運(yùn)行時(shí)分。欒文波等[2]、魏博[3]研究基于客流變化的行車組織，其中沒(méi)有涉及基于實(shí)時(shí)客流的列車自動(dòng)調(diào)整。韋永佳等[4]、陳旻瑜[5]研究基于實(shí)時(shí)客流的城市軌道交通運(yùn)營(yíng)調(diào)整方法，但這些研究較少基于實(shí)時(shí)客流實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)調(diào)整。隨著城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的升級(jí)，采用更加先進(jìn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)調(diào)整成為發(fā)展趨勢(shì)[6-8]。為此，研究基于實(shí)時(shí)客流的城市軌道交通列車自動(dòng)調(diào)整方法的關(guān)鍵技術(shù)，包括實(shí)時(shí)客流數(shù)據(jù)獲取、列車運(yùn)行計(jì)劃編制、列車運(yùn)行調(diào)整策略制訂，提出基于實(shí)時(shí)客流的城市軌道交通列車自動(dòng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)方式，可以提升列車的準(zhǔn)點(diǎn)率，改善停站時(shí)間與客流量的匹配度，提高乘客滿意度，對(duì)提升城市軌道交通服務(wù)水平具有較大意義。

1 基于實(shí)時(shí)客流的城市軌道交通列車自動(dòng)調(diào)整方法

1.1 功能需求

基于通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)包含自動(dòng)列車控制子系統(tǒng)(ATC)、聯(lián)鎖子系統(tǒng)(CI)、自動(dòng)列車監(jiān)控子系統(tǒng)(ATS)、維護(hù)支持子系統(tǒng)(MSS)、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)(DCS)等子系統(tǒng)。在基于通信的列車控制系統(tǒng)下，結(jié)合站臺(tái)實(shí)時(shí)客流情況，對(duì)列車的停站時(shí)間、區(qū)間運(yùn)行時(shí)分進(jìn)行調(diào)整，在盡可能滿足列車正點(diǎn)運(yùn)行的同時(shí)，使列車在車站的停站時(shí)間滿足客流上、下車需要。為了實(shí)現(xiàn)基于實(shí)時(shí)客流的城市軌道交通列車自動(dòng)調(diào)整，在列車運(yùn)行前，計(jì)劃編輯員需要根據(jù)列車的旅行速度、追蹤間隔時(shí)間、折返時(shí)間、出庫(kù)時(shí)間等條件，制訂列車運(yùn)行計(jì)劃(時(shí)刻表)。在制訂列車運(yùn)行計(jì)劃時(shí)，需要為區(qū)間運(yùn)行時(shí)分和停站時(shí)間預(yù)留冗余，為列車自動(dòng)調(diào)整保留一定的余量。列車運(yùn)行計(jì)劃編制完成后，需要上傳至信號(hào)系統(tǒng)的軌旁ATS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。列車運(yùn)行時(shí)，軌旁ATS系統(tǒng)比較列車計(jì)劃到站時(shí)刻與實(shí)際到站時(shí)刻，以判斷列車是否準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行。系統(tǒng)根據(jù)列車運(yùn)行情況，自動(dòng)制訂列車運(yùn)行調(diào)整策略，調(diào)整列車停站時(shí)間或區(qū)間運(yùn)行時(shí)分，并將調(diào)整后的列車運(yùn)行計(jì)劃下發(fā)至相關(guān)設(shè)備執(zhí)行。因此，基于實(shí)時(shí)客流進(jìn)行列車自動(dòng)調(diào)整，需要研究實(shí)時(shí)客流數(shù)據(jù)獲取、列車運(yùn)行計(jì)劃編制、列車運(yùn)行調(diào)整策略制訂、列車運(yùn)行調(diào)整策略下發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 實(shí)時(shí)客流數(shù)據(jù)獲取

實(shí)時(shí)客流數(shù)據(jù)主要有2種獲取方式。一種是利用城市軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)(Automatic Fare Collection System，AFC)獲取進(jìn)出站客流信息。該方法可以獲取實(shí)時(shí)旅客進(jìn)出站量信息，但在客流高峰期乘客在站臺(tái)上存在留乘的情況，僅利用AFC數(shù)據(jù)不能清楚地了解乘客是否上車。另一種是通過(guò)在站臺(tái)布置攝像頭，進(jìn)行人體識(shí)別。當(dāng)前的人體識(shí)別技術(shù)比較成熟，識(shí)別實(shí)時(shí)客流狀態(tài)更準(zhǔn)確、更及時(shí)，可以比較準(zhǔn)確地獲取特定區(qū)域的客流量，以支持基于實(shí)時(shí)客流的列車自動(dòng)調(diào)整。同時(shí)，客流信息可以通過(guò)綜合監(jiān)控系統(tǒng)與軌旁ATS接口傳遞給軌旁ATS系統(tǒng)。

1.3 列車運(yùn)行計(jì)劃編制

計(jì)劃編輯員在編制計(jì)劃時(shí)采用的區(qū)間運(yùn)行時(shí)分不能采用最高速度運(yùn)行下的區(qū)間運(yùn)行時(shí)分，需要考慮一定的調(diào)整余量；計(jì)劃的站臺(tái)停站時(shí)間也需要在線路規(guī)定的最小停站時(shí)間的基礎(chǔ)上，考慮一定調(diào)整余量。調(diào)整站臺(tái)停站時(shí)間必須介于最小停站時(shí)間與最大停站時(shí)間之間。最小停站時(shí)間與最大停站時(shí)間可通過(guò)系統(tǒng)配置設(shè)置；最小停站時(shí)間是指車門、屏蔽門開關(guān)門和上、下客必須的時(shí)間。

1.4 列車運(yùn)行調(diào)整策略制訂

基于實(shí)時(shí)客流的列車運(yùn)行調(diào)整是根據(jù)列車運(yùn)行情況，結(jié)合站臺(tái)客流信息，對(duì)列車的停站時(shí)間及區(qū)間運(yùn)行時(shí)分進(jìn)行合理調(diào)整，使列車在車站的實(shí)際到達(dá)和出發(fā)時(shí)刻與計(jì)劃時(shí)間盡量一致。當(dāng)車上乘客較多，增加停站時(shí)間也無(wú)法滿足乘客上、下車的要求時(shí)，可以通過(guò)在ATS界面關(guān)閉基于實(shí)時(shí)客流調(diào)整，改為僅根據(jù)早晚點(diǎn)情況進(jìn)行列車調(diào)整。調(diào)整策略可以在當(dāng)前既有信號(hào)系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)上新增一個(gè)實(shí)時(shí)客流消息接口實(shí)現(xiàn)，不需要對(duì)當(dāng)前信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行大幅度的改變，對(duì)運(yùn)營(yíng)影響較小。

信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)早晚點(diǎn)及客流情況調(diào)整列車具體方案如圖1所示。基于實(shí)時(shí)客流的列車運(yùn)行調(diào)整采取以下關(guān)鍵策略：當(dāng)客流量較小時(shí)，應(yīng)盡量降低列車在區(qū)間的運(yùn)行速度，以縮短加、減速過(guò)程，減少列車運(yùn)行能耗；當(dāng)客流量較大時(shí)，應(yīng)延長(zhǎng)列車的停站時(shí)間，充分滿足乘客上、下車時(shí)間需要，減少乘客被車門或屏蔽門擠壓現(xiàn)象。采用該策略可以提高系統(tǒng)的安全性和可用性，減少運(yùn)營(yíng)事故。

圖1 信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)早晚點(diǎn)及客流情況調(diào)整列車具體方案Fig.1 Adjustment scheme for the signal system based on passenger flow as well as early and delay information

1.4.1 列車晚點(diǎn)時(shí)的調(diào)整策略

在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，當(dāng)列車發(fā)生晚點(diǎn)時(shí)，存在以下幾種常見(jiàn)的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景，可以采用對(duì)應(yīng)的調(diào)整方法。

（1）晚點(diǎn)且客流較大。優(yōu)先通過(guò)提高區(qū)間運(yùn)行速度縮短區(qū)間運(yùn)行時(shí)分，再考慮縮短列車停站時(shí)間，以盡可能保證乘客上、下車時(shí)間。

（2）晚點(diǎn)且客流較小。優(yōu)先縮短停站時(shí)間，再考慮減少區(qū)間運(yùn)行時(shí)分，盡量不縮短列車在區(qū)間的運(yùn)行時(shí)分，避免由于額外的加、減速過(guò)程導(dǎo)致列車牽引能耗上升。

（3）晚點(diǎn)且客流適中。可以綜合考慮調(diào)整停站時(shí)間和列車在區(qū)間的運(yùn)行時(shí)分。

1.4.2 列車早點(diǎn)時(shí)的調(diào)整策略

當(dāng)列車發(fā)生早點(diǎn)時(shí)，存在以下幾種常見(jiàn)的場(chǎng)景，可以采用對(duì)應(yīng)的調(diào)整方法。

（1）早點(diǎn)且客流較大。首先考慮增大停站時(shí)間，其次是延長(zhǎng)區(qū)間運(yùn)行時(shí)分，盡量滿足乘客上、下車時(shí)間要求。

（2）早點(diǎn)且客流較小。首先考慮通過(guò)降低區(qū)間運(yùn)行速度以延長(zhǎng)區(qū)間運(yùn)行時(shí)分，再考慮增大列車停站時(shí)間。延長(zhǎng)區(qū)間運(yùn)行時(shí)分，降低列車區(qū)間運(yùn)行速度，可以減少區(qū)間加、減速過(guò)程，降低列車運(yùn)行能耗。

（3）早點(diǎn)且客流適中。綜合考慮調(diào)整停站時(shí)間和區(qū)間運(yùn)行時(shí)分。

1.4.3 列車準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)的調(diào)整策略

當(dāng)列車運(yùn)行準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，存在以下幾種常見(jiàn)的場(chǎng)景，可以采用對(duì)應(yīng)的調(diào)整方法。

（1）準(zhǔn)點(diǎn)且客流較大?？梢酝ㄟ^(guò)延長(zhǎng)停站時(shí)間，盡量使所有乘客上車。同時(shí)，可以通過(guò)提高區(qū)間運(yùn)行速度，以縮短區(qū)間運(yùn)行時(shí)分，彌補(bǔ)由于停站時(shí)間延長(zhǎng)導(dǎo)致的列車晚點(diǎn)。

（2）準(zhǔn)點(diǎn)且客流較小?？梢酝ㄟ^(guò)縮短列車停站時(shí)間，同時(shí)降低列車在區(qū)間的運(yùn)行速度，在保持列車準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行的條件下，降低列車運(yùn)行能耗。

（3）準(zhǔn)點(diǎn)且客流適中?？筛鶕?jù)計(jì)劃時(shí)間安排列車停站和區(qū)間運(yùn)行。

1.5 列車運(yùn)行調(diào)整計(jì)劃下發(fā)

調(diào)整后的時(shí)間(包含停站時(shí)間、區(qū)間運(yùn)行時(shí)分)通過(guò)車地?zé)o線通信發(fā)送給車載ATC設(shè)備。結(jié)合從軌旁ATC設(shè)備獲取的移動(dòng)授權(quán)終點(diǎn)及軌旁設(shè)備狀態(tài)信息，以及列車、車載ATC相關(guān)參數(shù)，車載ATC設(shè)備自動(dòng)駕駛(ATO)模塊計(jì)算列車區(qū)間運(yùn)行速度曲線，實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)調(diào)整。

2 基于實(shí)時(shí)客流的城市軌道交通列車自動(dòng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)

2.1 列車自動(dòng)調(diào)整流程

基于實(shí)時(shí)客流的信號(hào)系統(tǒng)列車自動(dòng)調(diào)整流程圖如圖2所示。

圖2 基于實(shí)時(shí)客流的信號(hào)系統(tǒng)列車自動(dòng)調(diào)整流程圖Fig.2 Flow chart of automatic adjustment of the signal system according to real-time passenger flow

（1）列車出發(fā)前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。首先，計(jì)劃編輯員根據(jù)線路要求旅行速度、列車間隔時(shí)間、列車折返時(shí)間、列車出庫(kù)時(shí)間等編制基本計(jì)劃運(yùn)行圖，同時(shí)需要考慮一定的區(qū)間運(yùn)行時(shí)分及停站時(shí)間的余量，作為后續(xù)的調(diào)整空間?；居?jì)劃運(yùn)行圖編制完成后，上傳至軌旁ATS系統(tǒng)；運(yùn)營(yíng)調(diào)度員基于已上傳至ATS系統(tǒng)的基本計(jì)劃運(yùn)行圖，創(chuàng)建當(dāng)天計(jì)劃圖；列車出庫(kù)時(shí)，自動(dòng)領(lǐng)取當(dāng)天計(jì)劃車次號(hào)，或由調(diào)度員設(shè)置列車計(jì)劃車次號(hào)。

（2）列車運(yùn)行過(guò)程中的調(diào)整。①列車到站時(shí)刻報(bào)告。對(duì)于CBTC裝備列車，軌旁ATS通過(guò)接收車載ATC設(shè)備報(bào)告的列車位置信息、停穩(wěn)信息，判斷列車是否到站；對(duì)于非CBTC裝備列車，軌旁ATS通過(guò)接收CI傳遞的占用信息判斷列車是否到站。②列車早晚點(diǎn)判別。根據(jù)列車實(shí)際到站時(shí)間與計(jì)劃時(shí)間的差異，判斷當(dāng)前列車早點(diǎn)、晚點(diǎn)、準(zhǔn)點(diǎn)情況。早點(diǎn)、晚點(diǎn)、準(zhǔn)點(diǎn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)(對(duì)應(yīng)的列車實(shí)際到站時(shí)刻與計(jì)劃時(shí)刻的差值)可根據(jù)不同線路的情況進(jìn)行定義和修改，如與計(jì)劃相差15 s內(nèi)為準(zhǔn)點(diǎn)。③列車區(qū)間運(yùn)行時(shí)分、停站時(shí)間調(diào)整。軌旁ATS通過(guò)判斷早點(diǎn)、晚點(diǎn)、準(zhǔn)點(diǎn)，并結(jié)合綜合監(jiān)控傳遞的站臺(tái)客流信息，計(jì)算站臺(tái)停站時(shí)間、區(qū)間運(yùn)行時(shí)分，發(fā)送給車載ATC設(shè)備；車載ATC設(shè)備接收軌旁ATC設(shè)備的移動(dòng)授權(quán)終點(diǎn)及軌旁設(shè)備狀態(tài)，以及接收軌旁ATS調(diào)整后的停站時(shí)間和區(qū)間運(yùn)行時(shí)分。車載ATC設(shè)備ATO模塊根據(jù)調(diào)整后的發(fā)車時(shí)間控制列車出發(fā)，并計(jì)算列車區(qū)間運(yùn)行速度曲線，根據(jù)計(jì)算的速度曲線自動(dòng)運(yùn)行。

2.2 列車區(qū)間運(yùn)行時(shí)分及停站時(shí)間計(jì)算方法

為了表示列車運(yùn)行調(diào)整中的各項(xiàng)時(shí)間，設(shè)計(jì)劃區(qū)間運(yùn)行時(shí)分為CurT，s；最小區(qū)間運(yùn)行時(shí)分為MinT，s；最大區(qū)間運(yùn)行時(shí)分為MaxT，s；計(jì)劃停站時(shí)間StopT，s；系統(tǒng)定義的最大停站時(shí)間MaxStopT，s；系統(tǒng)定義的最小停站時(shí)間MinStopT，s。列車運(yùn)行時(shí)分及停站時(shí)間的具體計(jì)算方法如下。

（1）列車晚點(diǎn)。當(dāng)列車晚點(diǎn)，且晚點(diǎn)的時(shí)間為Ts時(shí)，如果通過(guò)站臺(tái)攝像頭人體識(shí)別發(fā)現(xiàn)當(dāng)前客流較多，優(yōu)先采用減少區(qū)間運(yùn)行時(shí)分的調(diào)整策略。ATS首先獲取事先由計(jì)劃編輯員上傳到ATS系統(tǒng)的最大、最小區(qū)間運(yùn)行時(shí)分及站臺(tái)停站時(shí)間，然后根據(jù)最小區(qū)間運(yùn)行時(shí)分MinT與計(jì)劃區(qū)間運(yùn)行時(shí)分CurT比較。如果CurT-T≥MinT，那么區(qū)間運(yùn)行時(shí)分調(diào)整為CurT-T；如果CurT-T＜MinT，那么區(qū)間運(yùn)行時(shí)分調(diào)整為MinT。最后，再計(jì)算站臺(tái)停站時(shí)間為StopT-[T-(CurT-MinT)]。如該數(shù)值介于系統(tǒng)定義的最大停站時(shí)間MaxStopT與最小停站時(shí)間MinStopT之間，那么將該數(shù)值作為調(diào)整后的停站時(shí)間直接發(fā)送至車載ATC設(shè)備；如果該數(shù)值小于系統(tǒng)定義的最小停站時(shí)間MinStopT，那么將最小系統(tǒng)停站時(shí)間MinStopT作為調(diào)整后的停站時(shí)間發(fā)送至車載ATC設(shè)備，剩下的列車運(yùn)行過(guò)程置入后續(xù)路程調(diào)整。

（2）列車早點(diǎn)。當(dāng)列車早點(diǎn)，且早點(diǎn)的時(shí)間為Ts時(shí)，如果通過(guò)站臺(tái)攝像頭人體識(shí)別發(fā)現(xiàn)當(dāng)前客流較多，優(yōu)先采用增加站臺(tái)停站時(shí)間的調(diào)整策略。ATS首先獲取事先由計(jì)劃編輯員上傳到ATS系統(tǒng)的最大、最小區(qū)間運(yùn)行時(shí)分及站臺(tái)停站時(shí)間，然后根據(jù)最大停站時(shí)間MaxStopT與計(jì)劃停站時(shí)間StopT比較。如果MaxStopT≥StopT+T，那么列車在站臺(tái)停站時(shí)間調(diào)整為StopT+T；如果MaxStopT＜StopT+T，那么站臺(tái)停站時(shí)間調(diào)整為MaxStopT。最后，再計(jì)算區(qū)間運(yùn)行時(shí)分為CurT+[T-(StopT+T-MaxStopT)]。如果該數(shù)值介于最小區(qū)間運(yùn)行時(shí)分MinT與最大區(qū)間運(yùn)行時(shí)分MaxT之間，那么將該數(shù)值作為調(diào)整后的區(qū)間運(yùn)行時(shí)分發(fā)送至車載ATC設(shè)備，如該數(shù)值大于最大區(qū)間運(yùn)行時(shí)分MaxT，那么將最大區(qū)間運(yùn)行時(shí)分MaxT作為調(diào)整后的區(qū)間運(yùn)行時(shí)分發(fā)送至車載ATC設(shè)備，剩下的列車運(yùn)行過(guò)程置入后續(xù)路程調(diào)整。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于CBTC信號(hào)系統(tǒng)的特點(diǎn)，研究基于實(shí)時(shí)客流的列車自動(dòng)調(diào)整方法，以調(diào)整列車區(qū)間運(yùn)行時(shí)分和站臺(tái)停站時(shí)間，可以使城市軌道交通的運(yùn)能投放與實(shí)時(shí)客流需求相匹配。通過(guò)基于實(shí)時(shí)客流列車自動(dòng)調(diào)整方法可以支撐城市軌道交通智能調(diào)度的實(shí)現(xiàn)，保障列車正點(diǎn)運(yùn)行，優(yōu)化列車運(yùn)行能耗，還可以避免因乘客過(guò)多，停站時(shí)間不足引起乘客被車門、屏蔽門擠壓現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)安全性。將來(lái)還需要進(jìn)一步研究客流和運(yùn)能的互動(dòng)關(guān)系，制訂更加系統(tǒng)、全面的列車調(diào)整策略。