摘 要： 阐述了城市轨道交通中列车运行图编制与验证评估系统研究的必要性。详细介绍了城市轨道交通中列车运行图编制与验证评估系统的系统结构、功能实现方式和系统功能演示结果情况。研究了运行图编制中运营成本、客流数据、车辆数据和站场数据之间的相互制约关系，并采用不同的优化算法，得出较优化的运行图。
0 引言
据统计，截止2014年底我国开通的地铁（含轻轨）接近100条。从客运量来看，北京地铁单日峰值超过 1 000万人次。随着国民经济的快速发展，我国城市现代化进程进一步加快，城市规模不断扩大，城市人口和外来人员不断增加，由此造成的交通拥挤堵塞和环境污染等问题已经成为妨碍城市经济发展、影响社会经济活动正常秩序以及居民日常出行的重要问题。因此只有采用大运量的交通运输方式，才能从根本上解决城市公共交通问题。城市轨道交通具有运量大、速度快、安全、准时、舒适等优点，并能带动城市土地资源综合开发利用，对城市长远发展具有重要意义。因此，近年来中国各城市对地铁的渴望也越来越强烈。然而地铁建设周期长、投资大，给地方财政造成很大的负担，为减轻财政压力，国家提倡公私合营模式PPP（Public-Private-Partnership），鼓励民营资本参与地铁项目建设，促进轨道交通行业和谐、健康、持续发展。
线路开通运营后能否产生一定的收益，是吸引民营资本投资的主要因素。整个轨道交通建设中，初期要考虑轨道交通系统建设规模、设计方案、车辆选型等成本因素；建设后期为降低运营维护成本，需快速编制高效的列车运行图，提高运营效率，保障轨道交通系统高效安全运营。从而产生一定的经济效益和社会效益，进而吸引社会资本积极参与轨道交通建设，推动轨道交通繁荣发展。
1 研究目的和意义
本系统在城市轨道交通建设前期，可以依据线路规模、运营密度、客流、线路、车辆等要素变化，以及信号的随机故障、临时限速等随机事件，进行系统的运营模拟仿真和指标计算，能够提前得出系统重要的时间参数和技术经济运营指标，为轨道交通建设和运营提供指导性意见。在线路建设的初期，以实际线路的基础数据为输入，通过仿真系统模拟列车实际运行，对生成的运行图和信号系统的性能进行验证和评估，可提前发现信号系统的设计不足，以便及时改进，减少上线后问题的发生，提高系统的可用性；同时能提高实际线路上列车动调的效率，缩短系统调试周期，降低系统联调的成本。
在线路开通运营后，根据不同的运营需求，为用户快速编制运行图，并根据实际线路数据进行运行图的仿真验证评估，以编制出高效、稳定、安全的运行图，从而降低运营人员的工作强度，提高运营维护效率，降低运营维护费用。
2 国内外发展状况
国外对该类系统的研究起步较早，主要以西门子公司研制的“Falko”为代表。Falko是德语“Fahrplan-Validierung and Konstruktioni”的缩略语，相应的英文译文是“Timetable Validation and Timetable Construction”[1]。它主要用于铁路系统运行图的创建和仿真验证。它使用高度自动化的创建功能，可以优化车辆调度，在（部分的）进路区段的精度上创建可运行的运行图，应用基于事件的仿真器，可以逼真地模拟被创建的运行图在铁路系统上的运行结果。此外，阿尔斯通、通用电气、阿尔卡特等信号系统提供商也有各自配套的时刻表系统。北美的TPC系统、RailSim系统，欧洲的TrainStar系统以及日本的 UTRAS系统在列车运行仿真与评估领域也有一定的经验和影响力。
国内对该方向的研究落后于国外，主要代表为同济大学研制的TPM编图软件，实现了运行图的计算机编制与调整，使运营部门摆脱了Excel等第三方工具，提高了生产效率[2]。在牵引计算、列车运行仿真、运输计划优化等方向，国内学者做出了一定贡献。总体而言，国内研究成果覆盖面较广，但缺乏深度，也缺少有影响力的产品[3]。
目前该领域的国内市场主要被国外公司占据。但国外公司产品往往与自身信号系统绑定，不提供兼容国内信号系统的接口，人机交互方式不适应国内用户习惯，而且价格过高、软件系统结构固化、后期维护成本高、变通性与灵活性不足，很难满足国内用户的要求。因此研发自主知识产权的运行图编制与验证评估系统，打破国外产品的垄断地位，是一项紧迫而又富有挑战的任务。
3 系统方案
3.1 系统结构
如图1所示，列车运行图编制与验证评估系统主要由运力计划方案、运行图人工离线编辑、线路基础数据管理、运行图自动优化创建、系统仿真验证评估以及运行图保存和输出等功能模块组成。根据以上系统结构，分不同模块实现了运行图编制管理的图形化、可视化、智能化、交互式和网络化，以及结果输出的多样化。
线路基础数据管理是运行图编制和验证的基础，该模块完成线路基础数据的管理。线路基础数据主要由线路站场数据、车辆数据、线路数据字典和客流预测数据组成。线路站场数据包括站场图分布、信号设备布局、车辆段分布、进路数据等。车辆数据包括列车类型、数量、长度、重量、编组、列车最大速度、加速度和牵引性能等。线路数据字典包括接发车股道、折返轨道、区间运行时间、站停时间、折返交路、折返时间、列车追踪间隔和出入库时间等。客流预测数据是城市轨道交通设计的基础，其预测结果直接影响运营后的经济效益和社会效益，主要体现在时间和空间分布，预测结果包括：各期站间表；全日、高峰小时客流表、客流图；全日客流量的时段分布。客流预测不确定因素太多，需要长期的调查和模型优化[4]。
运力计划方案是对不同运力需求计划的描述。根据不同时段的运营需求，每年可按照平日、节假日、不同季节、每天不同时段、临时事件等不同交通状况制定相应的运行计划方案。运力计划方案包括创建方案和载入方案。创建方案指依据线路基础数据，设计运力计划方案。载入方案指对已存在的方案进行读取和打开。
运行图人工离线编辑是系统提供的对已生成的运行图的人工编辑功能，分为添加列车、删除列车、复制列车和修改列车等操作。添加列车功能指人工创建单个或多个列车计划，可设置停站时间、接发股道、到达时分、出发时分、列车折返等信息；删除列车功能指人工删除某单个或多个列车的运行计划；修改列车功能指修改列车的接发车股道和停站时间等信息；复制列车功能指对列车运行计划的重复添加。
运行图自动优化创建是本系统的核心功能之一，分为时刻表扩展、车辆计划优化、运行计划和进路设置四步完成。时刻表扩展是生成运行计划的第一步，根据运力计划方案生成单个的运行线计划。车辆计划优化是生成运行计划的第二步，以使用最少的车辆为优化目标，为每个运行计划分配一辆列车。运行计划是生成运行计划的第三步，将车辆计划精确到站台股道，该功能考虑折返策略、出入段策略等运行条件。进路设置是生成运行计划优化的最后一步，生成运行计划和进路的对应关系，同时考虑敌对进路计划冲突因素。
系统仿真验证评估模块用来模拟线路信号系统实际运行情况，以验证运行计划的合理性和可用性，以及信号系统的性能。包括车载ATO/ATP系统、联锁系统、仿真模拟器和牵引计算模型。车载ATO/ATP系统用来实现模拟列车运行模式；联锁系统用来实现进路、道岔和信号按一定条件和制约关系的控制功能；仿真模拟器用来模拟信号设备的状态和故障情况；牵引计算模型用来模拟列车重量、列车加速度和线路坡度等列车运行参数。
运行图保存和输出功能主要实现上传数据库和输出多种形式的运行图数据，以适应不同厂家列车自动监控ATS系统的需求。包括运行图保存数据库和运行图数据输出。运行图保存数据库是将生成的运行图数据上传到远端数据库；运行图数据输出指本地生成多种形式的运行图数据。目前，以北京地铁为例，该系统主要输出车底时刻表、车站时刻表和车次时刻表。车底时刻表指同一车底关联的所有车次，按车次顺序输出各车次经过各站的时间情况；车站时刻表指以车站为单位，按车次先后顺序经过同一车站的时间情况；车次时刻表指按车次顺序输出各车次经过各站的时间情况。
3.2 系统功能实现
本系统主要实现运行图自动化创建、运行图人工离线编辑和系统仿真验证评估功能。具体实现如下。
3.2.1 运行图自动化创建
运行图自动化创建流程如图2。系统启动时，根据用户选择，加载相应线路的站场图分布、车辆牵引计算数据、客流数据、区间运行时间、追踪间隔、折返时间和出入库时间等线路基础数据，并校验数据的合法性。然后，提示用户选择已有的方案或创建新方案，若用户选择已有的方案，依次进行执行时刻表扩展、车辆计划、运行计划和进路设置，即可生成运行图；若用户选择创建方案，则要求用户依次进行线路设计、车次设计、车辆段设计、周转设计等，然后才能开始运行图的生成。
线路设计是对单条运行线起始车站路径的设计；车次设计是以开始时间、结束时间和追踪间隔为参数对一段时间内运行计划的描述；车辆段设计是指对车辆段容量、列车停留车辆段时间等情况约束的描述；周转设计是指依据不同的车次（如车速不同），建立车辆和车次的对应关系。
考虑运营成本，在自动创建运行图时，要求单车满载率尽可能高；减少旅客等待时间和换乘次数，即发车频率尽可能高且尽量开行长交路；根据不同的线路，车辆段的数目、分布和车辆段配置的车辆类型和数量不同，车辆计划的优化目标为车辆使用数最小化。综合考虑各种约束，分别建立客流、时间模型和车辆模型等制约条件，考虑采用分步优化和多种优化算法结合的策略，自动优化运力配置，创建较优的运行图计划，供调度员使用，取得了较好的效果，从而节省了运行人员的计划编制时间，提高了运营效率。
3.2.2 运行图人工离线编辑
系统通过创建“人工编辑”菜单，实现运行图离线编辑的人机交互功能。系统启动后，载入线路基础数据，同时将该线路基础数据对应的已经生成的时刻表数据导入到系统中，系统能自动打开已保存的运行图。根据系统提供的操作选项，用户可以对相应的列车计划进行增加、删除、修改、复制等操作，并对修改完的运行图进行折返时间、区间运行时间、站停时间及列车追踪间隔、列车到发时序冲突、站台股道占用冲突、折返轨运用冲突等约束条件的冲突检测，检测成功后才能上传到数据库。
3.2.3 系统仿真验证评估
为了对整个信号系统的性能进行验证评估，系统根据实际线路基础数据搭建联锁模型、车载ATO/ATP模型、仿真模拟器模型和车辆牵引计算模型等用来模拟列车实际运行。利用菜单操作的方式模拟信号设备故障，如在区段限速和股道封锁等故障行车情况下进行模拟跑车，对系统已编制的运行图的可用性和信号系统设计的合理性进行验证评估，从而能为运营人员提供决策依据，为及早发现信号系统设计不足，并及时修改提供基础。最后，将数据库中经过验证的运行图导入到ATS系统中，便能供调度员行车指挥使用。
4 系统功能演示
以北京地铁8号线为例，对该系统运行图自动优化创建功能和仿真验证功能进行演示。首先，系统启动后，选择载入线路结构数据，然后新建方案，依次如图2中的操作，生成的运行图如图3所示。并进行仿真验证评估，模拟信号系统运行，仿真验证过程如图4所示。
5 结论
列车运行图编制优化属NP难解问题，存在“组合爆炸”，是当前运输发展的重大技术难题[5]。本文以单条线路为基础，对运行图自动优化编制和系统验证功能，尝试多种优化算法解决，取得了较好的效果。然而，随着城市交通网络化发展，对路网能力评估方法、路网运行计划协调性评估方法、路网运营安全评估方法、多车辆段多车型的车辆调度优化策略、折返作业计划优化方法、快慢车混跑下的运行线规划优化方法以及客流预测方法和多种信号制式下的进路级运行计划编制方法还有待进一步研究。
参考文献
[1] 曾志伦.城市轨道交通FALKO软件的研究与设计[D].成都：西南交通大学，2011.
[2] 徐瑞华，江志彬，朱效洁，等．城市轨道交通列车运行图计算机编制的关键问题研究[J]．城市轨道交通研究，2005，8（5）：31-35．
[3] 胡亚峰.列车运行计划编制与验证系统研究[J].铁路通信信号工程技术（RSCE），2013，10（1）：62-66.
[4] 郭进.铁路信号基础[M].成都：中国铁道出版社，2010.
[5] 倪少权.列车运行图编制系统研究[J].中国科技奖励，2008（6）：40.