专业文章|智能调度集中系统研究
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王建英，中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所
智能诊断智能调度集中系统是以调度集中系统为基础，在不改变CTC3.0基本软硬件结构的基础上，通过增加硬件和软件功能的方式，构建的适用于智能高铁的调度集中系统。系统经过京沈综合试验段长达1年的试验和试用，以及智能京张高铁工程的实际应用，进一步验证了系统的功能和性能。
0 引言
智能高铁是广泛应用云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能、北斗导航等新技术，综合高效利用现有资源，实现高铁移动装备、固定基础设施及内外部环境间信息的全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策，实现全生命周期一体化管理的智能化高速铁路系统。
按照智能化水平，iCTC分为3个层级：第1层级（iCTC1.0），实现列车运行计划辅助调整、列调车作业综合安全卡控等功能；第2层级（iCTC2.0），实现列车运行调整计划自动调整、早晚点预测等功能；第3层级（iCTC3.0），实现行车调度信息大数据运用、列车运行计划智能调整等功能。
目前正在研发和进行工程应用的是iCTC1.0层级，其他2个层级的系统和功能正在研发中。本文主要针对iCTC1.0层级进行系统功能、结构、关键技术等方面的分析研究。
1 系统功能结构
1.1 硬件
iCTC系统是以调度集中系统（符合Q/CR12016—168调度集中技术条件，以下简称“CTC3.0”）为基础，在不改变CTC3.0基本结构的基础上，通过增加硬件和软件功能构建而成，其系统组成示意见图1。与CTC3.0硬件组成相比，iCTC系统主要增加了列车运行计划调整服务器、列车运行计划调整终端、与ATO接口服务器、与供电调度系统接口服务器、与防灾信息系统接口服务器等，各设备的主要功能如下。
1）列车运行计划调整服务器，主要完成列车运行计划的实时自动调整，其列车运行计划调整终端为调度员提供人工接入自动调整的手段。
2）与ATO接口服务器，主要完成列车运行调整计划上传车载ATO系统，接收车载ATO系统下发的列车运行状态信息等功能。
3）与供电调度系统的接口，主要接收供电臂停/送电的实时信息，发送列车运行位置和状态信息，互传列车调度员和电力调度员之间的调度命令与确认签收信息，实现接触网停送电信息的自动显示、标识和自律安全的卡控运算，以及调度命令互传互锁等功能。
4）与防灾信息系统的接口，主要实现风雨雪自然灾害报警信息的实时接收，具备临时限速调度命令和临时限速控制命令的自动生成功能。
1.2 软件
与CTC3.0软件功能相比，iCTC系统主要增加或增强了列车运行计划自动调整、列车作业综合管控、列车调度指挥数据综合应用、列车按图行车控制和仿真测试实训等功能。
1）列车运行计划自动调整功能，主要完成在风雨雪自然灾害、动车组故障、车站信联闭故障等特殊情况下导致的车站封锁与限速、区间封锁与限速、动车组区间折返，或限速运行等特殊运营场景下的列车运行趋势预测推演和列车运行计划自动调整，提高调度员在特殊情况下的调度指挥效率和水平。
2）列车作业综合管控功能，主要完成列车在车站作业的全过程安全卡控，包括接发车股道、接发车口、上水、吸污、旅客乘降、列检作业和司乘换乘等作业的闭环卡控；接发车进路无线预告，场间联络线、线路所、无配线车站、自动折返、列车重联和分解等特殊场所的接发车进路自动控制功能；重联列车、分解列车、自动折返列车、折角列车的车次号自动追踪和机车交路的自动匹配生成等功能，进一步完善和增强调度集中系统的适用性。
3）列车指挥调度数据综合应用功能，通过对列车调度指挥涉及的静态和动态数据进行重构，建立综合数据应用平台，统一处理调度集中系统自身的数据以及与其他系统交换得来的数据，实现数据一元化管理，提高数据质量。
4）列车按图行车控制功能，主要实现了列车运行计划通过CTC与ATO接口服务器、GSM-R系统自动传送到车载ATO系统，由ATO系统按列车运行计划规定的区间运行时分、站停时分，自动控制列车运行。
5）仿真测试实训功能，主要解决智能调度集中系统功能性能测试、故障分析、使用和维护人员培训等实际应用需求，具备计算机联锁系统、列控系统、智能调度集中设备和功能模拟仿真，实现正常、非正常、应急情况下的场景设置、故障注入等行车调度指挥业务流程和场景的仿真测试实训目标。
2 关键技术
2.1 列车运行计划自动调整
通过对造成高速铁路列车运行紊乱的原因和列车运行历史实绩数据的分析归纳，得出影响列车正常运行秩序的主要原因，包括但不限于：①风雨雪等自然灾害引起的列车运行紊乱；②由旅客应急事件等旅客运输组织引起的列车运行紊乱；③固定设施和移动设备故障造成的列车运行紊乱；④突发事件引起的列车运行紊乱；⑤列车调度指挥失当引起的列车运行紊乱；⑥维修维护作业未能按时保质保量完成等引起的列车运行紊乱；⑦上水、列检等列车技术作业未能如期完成引起的列车运行紊乱。
归纳这些场景下的列车运行影响，最终为3个方面的限制条件，即影响程度、影响范围和影响时间。所以列车运行计划智能调整的核心之一，就是首先确定在特定场景下受影响的列车数量种类、线路区域范围、正晚点程度和持续时间；然后在确定的调整规则和限制条件下，自动调整列车的区间运行时分、停站时分、越行待避车站、运行径路、停运等因素，使列车恢复到日班计划规定的运行秩序，或者给出当前场景下的最优运行方案，并经调度员人工确认后，下达各级执行。最优运行方案的评价目标通常为影响的列车总数最少、影响的列车总晚点时间最小。
根据现场目前需要首先解决的问题，iCTC1.0主要提供在风雨雪等恶劣天气或设备故障等应急情况下列车运行计划的智能和快速调整功能，以提高调度员应急处置效率。列车运行计划自动调整功能见图2。
列车运行计划智能调整模块主要包括输入数据、输出数据、调整算法和列车运行/作业实绩等。
1）输入数据主要包括列车运行日班计划、上级指示、临时命令和调度员人工干预命令，列车运行实绩数据、其他作业实绩数据，以及干扰列车运行和作业的故障、事故和事件，这些都作为列车运行调整计划调整的输入条件和调整目标。
2）输出数据主要包括列车运行调整计划、应急处置方案和诸如临时限速、紧急停车等列控命令或者调度命令，以此作为基层站段（所）作业的依据，同时作为列控车载设备和地面设备自动控制的基础，控制动车组按列车运行计划规定的时分自动运行，实现按计划控车功能。
3）列车运行实绩数据是指列车实际运行情况数据的采集，包括实际到发点、实际应用的股道、接发车进路触发时刻与触发方式等数据，以此作为列车运行计划智能调整的输入数据，通过和日班计划等原始数据的对比分析，来决定采用何种方式进行列车与运行计划的调整。其它作业实绩数据是指诸如旅客乘降、列车上水、调度命令交付、列检技术作业等数据的采集。这些数据一方面作为列车运行计划智能调整的输入数据，通过和日班计划等原始数据的对比分析，决定采用何种方式进行列车与运行计划的调整；另一方面，作为行车调度指挥综合管控的输入数据，决定列车进路开放和预告信息的发送等功能的卡控条件，实现行车调度指挥与管理的闭环协同控制。干扰事件主要是指影响列车安全正点运行和列车作业安全正点完成的事件，包括但不限于旅客应急事件、设备设施故障、自然灾害和突发事件等，其数据统一纳入列车运行计划智能调整模块，实现列车运行计划在特殊情况下、全局范围内的统一调整。
4）调整算法主要实现运行计划的批量调整、智能调整功能，其核心是利用大数据技术，采用专家问卷和知识挖掘技术相结合的方式，通过对造成高铁列车运行计划偏离的主要因素进行归纳分析，建立基于线路条件、设备故障、突发事件等应急场景下的高铁列车运行计划调整模型、专家知识库、列车运行规则库、调整策略和目标等。调度集中系统根据运营场景的不同、折返站车组关联关系以及预先设置的调整策略，为调度员提供智能调整的方案，实现列车运行计划的快速和智能化调整。
2.2 列车运行计划控车
列车自动驾驶（ATO）技术的应用，使得列车按照调度员批准的列车运行调整计划所规定的区间运行时分、站停时分、接发车股道、接发车方向等自动运行成为可能；使得列车调度员通过列车运行调整计划自动控制列车运行，实现列车运行的精细化控制成为可能；同时对列车运行调整计划的精准性和实时性提出了更高的要求。列车运行计划控车方式见图3。
通过列车运行/作业实绩、干扰事件和日班计划等对比分析，采用人工、自动的方式进行列车运行计划实时智能调整，其调整结果（即列车运行调整计划）经调度员人工确认后，通过iCTC与ATO接口服务器发送到ATO系统。
列车运行调整计划按三站二区间范围，根据列车运行当前位置和列车运行方向，向ATO系统自动发送。如果列车运行调整计划没有变化，则按定时20 s的周期自动向ATO系统发送；反之，如果列车运行调整计划有变化，则立即向ATO系统发送。
由于iCTC系统列车运行计划信息量较大，同时也为了业务交互清晰和使故障相对隔离，在iCTC中新增ATO接口机，采用冗余以太网连接，并通过网络安全设备隔离，应用RSSP-Ⅱ安全通信协议，实现iCTC与ATO系统的可靠安全信息交换，包括列车运行调整计划、ATO车载设备状态数据和列车运行状态信息等。
2.3 列车调度指挥数据综合应用
列车调度指挥涉及到多个铁路专业、多个调度工种的协同调度，需综合利用天、地、人、车、图和机、车、工、电、辆等信息，实现列车精确调度、精准控制和精细化管理。为此采用列车调度指挥数据综合应用技术，构建行车信息综合数据平台，实现多种信息融合应用，提高数据质量和应用效率。行车调度指挥综合数据平台逻辑架构见图4。按照基础数据的来源不同，自动采集、系统间交换和人工录入3种方式，采用不同的接口模式和交换方式，应用标准的基于信息队列、数据库、文件、服务、RSSP安全协议等适配器，达到数据交换跨平台、跨语言的目的，提高数据提供者的数据融合应用和深度挖掘。
研究建立统一的标准格式，形成结构化的事务处理或报文数据格式，实现iCTC系统与运输信息集中平台、联锁列控、防灾防地震等相关系统的数据交换、信息共享，动态掌握影响列车安全正点运行的关键信息，实现各系统间的上下联动，数据共享，进而达到精确调度和精细管理的目标。
采用分布式数据库和分布式文件系统技术，实现列车作业相关基础数据的一元化管理，提高数据质量，实现单点录入自动全局同步更新启用的功能。
根据高铁列车运行调整模型和历史调整信息，通过数据挖掘和机器学习等技术手段，建立高铁列车运行调整专家知识库，对不同因素造成的晚点和调整方案进行归类，提供列车调度员对调整方案的学习和模拟演练功能，提高列车调度员的应急处置水平。
综合采用“铁路＋互联网＋大数据”相融合的一体化生态平台技术，构建行车信息综合数据平台，实现行车作业人员全面掌握车、机、工、电、辆和天、地、人、车、图等实时信息，为运输生产组织和面向社会服务提供技术支撑，主要增加的功能如下。
1）通过iCTC系统与铁路运输信息集成平台的深度结合，提高CTC与客运、供电、施工、防灾等系统联动的信息共享和交互实时性，实现客票（旅客人数、座席）、司乘信息的展示，线路停送电的自动化卡控，施工命令符号自动上图，防灾限速信息自动提取等功能。
2）增加调度员在日常行车指挥、应急处置时需要的静态信息，包括桥隧、疏散点、车站公里标、区间公里标等，并在列车运行信息综合监控画面集中统一展示。
3）根据运输管理部门的要求，内置所有非正常情况下接发车应急处理预案模板，根据人工选择的设备、故障现象快速索引相关非正常处置模板和详细方法，并以图形化方式显示。
2.4 行车调度指挥综合管控协同
行车调度指挥的核心功能之一，就是自动控制车站联锁系统按列车运行调整计划自动控制接发车进路，自动采集或通过智能终端采集人工录入的列车作业状态信息，按照正常、异常、应急情况下的业务流程，控制列车进出站运行，实现列车车站接发车作业的闭环协同控制，将单纯自动控制列车接发车进路，扩大到行车调度指挥业务闭环控制的全过程，涵盖车站值班员、信号员、外勤值班员和其他作业管控人员。行车调度指挥综合管控逻辑示意见图5。
车站作业计划编制完成车站列车、调车作业计划的协同编制，并根据列车、调车作业实绩进行自动调整，滚动优化。
作业流程显示与控制一是以业务流程的方式，实现列调车进路控制，以及与列调车作业相关的作业状态设置和检查；实现正常、异常、应急情况下处置流程和预案的控显；提供按占线板、始终端、列调车计划自动触发3种方式，实现列调车进路的自动控制。
室外列调车作业控显与状态获取功能，主要实现室外列调车作业进度和完成状态等数据的自动采集或手工录入，为车站列调车作业闭环卡控提供技术支撑，实现真正意义上的行车调度指挥岗位和业务流程全覆盖。
车站列调车业务流程管理逻辑检查与安全卡控，主要依据预制的列调车作业标准流程，在列调车作业计划的基础上，结合列调车作业实绩，进行安全卡控检查，防止错漏办进路和错漏办相关计划、业务流程、岗位规定的业务等，提高行车调度指挥的效率和安全性。
信号规则逻辑检查、《站细》规则逻辑检查和作业流程逻辑检查，是指在列调车进路指令下达给联锁系统执行之前，对进路指令进行信号规则、《站细》规定的各种作业限制条件和列调车计划规定的作业内容进行全方位的行车条件校验，推算作业约束条件，检查作业意图的时效性和合理性，避免错误指令发往联锁系统，实现车站接发车作业的安全控制和流程管理。
与CTC3.0相比，iCTC系统主要增加了列车作业（上水、吸污、乘降等）卡控、列车满线卡控、场联进路自动办理、无线发车预告、车次号有效性卡控等功能。
3 结语
iCTC系统从2018年6月初至9月底，在京沈综合试验段进行了综合试验，完成了列车运行计划自动调整、列车进路和命令安全卡控、行车信息数据平台、仿真培训、ATO接口和CTC3.0基础功能全部场景等试验，结果均符合智能调度集中系统暂行技术条件（TJ/DW 208—2018）和调度集中系统技术条件（Q/CR 518—2016）的要求，并随后于2019年12月应用于智能京张高速铁路工程项目，系统运行稳定，符合智能调度集中系统暂行技术条件（TJ/DW 208—2019）的要求，能够满足智能京张高铁行车调度指挥的实际需要。
来源：高速铁路信号技术交流
