城市轨道交通应急调度指挥系统的现状及发展趋势

刘志钢 胡 华 黄远春 陈颖雪

(上海工程技术大学城市轨道交通学院，201620，上海∥第一作者，教授)

在城市客运公共交通系统中，城市轨道交通的重要功能定位是高运量骨干运输网，因此，其突发事件不但会导致沿换乘站传递的大客流突变、网络服务水平骤降等系统内部问题，而且可能导致城市局部区域内道路交通系统服务水平的剧烈波动甚至人员伤亡、财产损失和不良社会影响等严重后果。为此，在城市轨道交通突发事件下，如何快速、准确地实施故障处置与救援并维持事件持续期间的运营安全，以尽可能地将突发事件损失降低到最低限度，已成为城市轨道交通运营安全与应急管理领域亟待解决的重大研究课题。

在城市轨道交通突发事件下，行车调度指挥作为整个应急处置系统的“大脑中枢”，其应急调度决策的准确性、高效性直接关系到系统应急处置的时效性及事件影响期间运营的安全性。在国内外，由于轨道交通应急调度决策失误导致了多起重大安全事故:2003年2月18日韩国大邱地铁纵火事故导致198人死亡、146人受伤，造成的财产损失高达47亿韩元;2009年12月22日上海轨道交通1号线列车相撞事故，导致周边道路交通全面瘫痪，105辆大巴连运6 h才疏散滞积乘客;2011年9月27日上海轨道交通10号线列车追尾事故导致260余人受伤［1］。这一系列的重大事故在世界各国都引起了强烈的社会反响。城市轨道交通的应急调度指挥已引起全社会的广泛关注和普遍重视。城市轨道交通应急调度理论及决策支持系统研发已成为亟待解决的重大课题。

1 城市轨道交通应急调度的现状

城市轨道交通具有专业多、系统多、管理层次多等特点，在运营组织中特别强调各部门各单位的协同性和联动性，使各专业、各子系统和管理层达到准确、高效的协同，并提高服务质量和应急联动效率。这是城市轨道交通运营组织的总体目标。在此总体目标的指导下，集中控制和统一指挥成为城市轨道交通运营组织的必要原则，而行车调度员则是该原则的主要执行者。行车调度工作主要体现在“中枢神经”的作用上，即体现其监督、控制、协调、指挥等功能。行车调度水平直接关系到城市轨道交通运营的效率与安全［2］。其工作的特殊性主要体现在远程监控和控制的作业特性，以及必须通过通信工具来发布命令的方式上。从运营生产的角度，城市轨道交通行车调度员的主要职责包含了2个方面的内容:在常态情况下，确保列车按运行计划有序运行;在异常态情况下(突发事件发生时)，协调指挥处理突发事件，确保行车安全，并尽快恢复运营。

1.1 常态情况下行车调度职责及流程方法

在正常运营中，行车调度的主要职责是监督列车运行情况，按列车运行图的要求指挥行车;并根据客流变化及时调整运力安排，合理使用生产资源，实行昼夜指挥、协调、监督与控制，保障运营安全与质量，确保运营生产的顺利实施。围绕“指挥列车按图行车”的核心目标，以上海轨道交通为例，常态情况下行车调度的作业流程如图1所示。

图1 常态情况下行车调度员行车指挥作业流程

由图1可见，在常态情况下，行车调度员以CATS(中央自动列车监控系统)的工作站、大显示屏、CCTV(闭路电视)等监控设备为基础，监督线路、列车、信号等子系统的运行状态;在及早发现或通过CATS工作站提醒获得关于列车运行偏离计划运行图的情况(如早、晚点)后，行车调度员需要根据基本的专业知识和经验做出运行调整决策(如调整列车停站时间、扣车、催发车、加开备车、载客通过等);然后通过行车调度电话、行车无线控制台/对讲机等通信工具，向车站行车值班员和驾驶员发布相关调度命令，以尽快恢复列车按图行车。

1.2 异常态情况下行车调度职责及流程方法

在异常态情况下，行车调度员的主要职责是负责运营事故以及其他运营突发事件的处置、抢险指挥与协调工作，以确保行车安全、减少突发事件的影响与损失、迅速恢复列车正常运行为目标，及时采取一切有效措施控制事件的发展态势。围绕“指挥列车安全行车”的核心目标，以上海轨道交通为例，异常态情况下行车调度的作业流程如图2所示。

图2 异常态情况下行车调度员行车指挥作业流程

由图2可见，在异常态情况下，由于远程监控的作业特性，行车调度员无法依靠CATS监控设备获得十分全面的事件信息，必须借助行车调度电话等通信工具与行车值班员、驾驶员等现场人员进行沟通，获得详尽的事故故障信息;然后在对大量信息进行融合判断的基础上，依靠其储备的应急处置知识和经验作出应急调度决策，并通过行车调度电话发布相关调度命令。

1.3 存在问题分析

由图1和图2的对比可见，目前行车调度员的压力主要来自于如何确保突发事件下应急指挥调度决策的正确性和高效性。应急调度决策是以行车调度员、行车值班员、驾驶员等运营管理人员对大量人工或自动化信息的采集和交互反馈为基础的。由于受“人”、“设备”、“社会自然环境”等复杂因素的影响，城市轨道交通突发事件类型多种多样，对应着应急调度决策的差异化信息需求以及大量繁琐的应急处置预案。这样的应急调度决策过程对行车调度员而言是一个非常复杂而困难的过程，且重复劳动较多。目前的人工应急调度指挥模式中存在的问题主要体现在以下几方面。

1)行车调度人员方面:根据国内外行业经验，行车调度员的培养需要一个较长的周期。突发事件下的人工应急调度对行车调度员的专业应变能力(应急处置知识或经验)、生理(如疲劳、注意力集中度、分配能力)及心理素质(情绪的紧张性)都有着较高要求，对行车调度员的培养周期和培养质量也相应提出了更高要求。但是，目前我国大城市行车调度员的质量和数量都不能满足快速发展的轨道交通系统运营管理的需求，人员技术“摊薄”是运营方面临的重大问题之一。目前，人工应急调度在不借助自动调度决策支持系统的情况下，主要凭借过去的经验进行决策操作，使调度员个人劳动强度和精神压力过大，易受人为及外部环境的影响，会导致应急处置决策效率低下、不够合理，甚至盲目。

2)信息的交换量及交换方式:在突发事件下，行车调度员为了获得应急处置决策所需要的信息，需要进行多层次、多流向、多信息点的信息交换。这种信息交换频繁且复杂，在交换时间和方式上都有严格的要求。应急调度系统的效率及安全，在很大程度上取决于信息传递和反馈的及时性、可靠性。目前，我国大城市的行车调度人员主要依靠行车调度电话、对讲机等通信工具发布调度命令或获取现场信息。在突发事件下，这种电话交互方式一方面导致行车调度工作强度大，另一方面容易造成通信阻塞、信息遗漏或误判(错报或错记)等风险，也容易导致应急调度决策的不可靠或失误。

因此，目前的纯人工应急调度指挥模式已难以满足突发事件下对轨道交通高运营安全和应急处置效率的要求，迫切需要面向行业重大现实需求，设计与开发一套自动应急调度指挥系统来辅助调度人员在突发事件下储存与管理海量事故故障信息和快速做出处置决策。

2 城市轨道交通应急调度系统研究现状

为满足突发事件下行车调度的辅助决策支持需求，城市轨道交通自动化应急调度指挥系统应具备以下功能:基于特征数据的事故故障类型划分及风险等级判别功能;基于历史统计或实时数据的事故故障预警功能;应急调度预案信息化存储和管理功能;应急调度信息可视化采集与发布功能。相关的研究内容可以归纳为系统后台技术、系统逻辑与物理架构设计、调度信息发布终端产品等3个方面。

1)城市轨道交通应急调度指挥系统后台技术。城市轨道交通应急调度指挥后台系统的主要功能应包括事故故障的类型划分、风险判别及事故故障预警。目前，对运营安全事故的类型划分及危险源的分析集中于重大事故方面［3－4］，大部分研究停留在理论分析阶段，企业对实际运营事故日志的记录、统计与分析研究尚处于初级阶段。对于事故风险等级的研究，一般采用初步危险分析(PHA)、事故树分析(FTA)、事件树分析(ETA)、因果分析图法、运行危险分析，以及潜通电路分析(SCA)、动态事件树法、动态故障树法、Petri网法等分析方法进行风险分级，或从车辆可靠性测试、维修与风险评价、司机操作安全评估、火灾评估、地下结构的风险评价等方面进行安全评估研究［5－9］。针对事故预警技术，在美国、日本以及欧洲一些发达国家，城市轨道交通发展较早，信息化程度也很高，大多数已经建成集行车指挥、安全监控、资源调配为一体的综合运营管理系统，并进一步朝着人性化、智能化、多功能化的方向发展。其成果对于我国的城市轨道交通运营管理及事故预警系统的建设具有很好的参考价值。国内对于事故预警的研究多停留在理论分析阶段，真正能够结合轨道交通运营数据输出预警和防范功能的系统并不多［10］。

2)城市轨道交通应急调度系统逻辑物理构架设计与开发。国外轨道交通发达的国家已经充分认识到应急管理的重要性，并已经形成了良好的应急救援管理体制和较为成熟的应急管理辅助系统。国内轨道交通运营企业也逐渐认识到了突发事件管理的重要性，开展了建立专职部门、制定应急处置规范、开发应急管理系统等一系列积极有效的工作。文献［11］对国外铁路应急管理体系进行了研究，指出在国外铁路领域，应急救援指挥已成为维持铁路管理能够正常运行的重要支撑体系之一;文献［12］提出建设轨道交通综合运营协调中心(COCC)和应急处置中心(ETC)，负责各种运营状态下的运营指挥协调;文献［13］介绍了城市轨道交通应急指挥体系结构和应急处置工作流程，提出了城市轨道交通应急处置辅助决策系统框架。由分析可见，现有的轨道交通应急处置辅助支持系统无论是理论还是系统开发均存在涉及面广、涉及岗位不明确等问题，针对某一关键岗位，如针对行车调度的突发事件应急处置辅助支持系统的研究和开发极少。

3)调度信息发布终端设备研发。国外的乘客信息系统(PIS)可以将已知的延误时间、预计到达时间和发车时间等信息提供给列车长和乘客，同时这些数据还可以通过移动终端设备、掌上电脑、手机等进行实时查询。在国内，文献［14］提出城市轨道交通应非常注重乘客信息系统的建设［14］。文献［15］指出，PIS中子系统负责的主要业务有:控制中心负责信息源的采集、接收、处理、分发工作;网络子系统提供的控制中心负责与各个车站、隧道AP(无线网络接入点)、列车的网络连通;车站子系统接收到中心下发到车站的多媒体信息后，由车站服务器进行处理并发送到各个终端控制器［15］。可见，目前城市轨道交通信息发布的终端产品研发主要面向乘客，调度员为实现运营调整而面向行车值班员和司机发布的指令主要通过对讲机，缺乏可视设备。

综上所述，目前国内外针对轨道交通突发事件下的应急调度指挥辅助决策系统的理论研究与终端产品研发虽已有成果，但呈现出分散化、局部化的特征，亟需整合与完善。

3 城市轨道交通自动化应急调度系统框架体系设计

城市轨道交通应急调度指挥系统的框架体系设计如图3所示。通过该设计，可实现事故故障类型及风险等级自动判别、事故故障预警、应急调度预案信息化管理等功能。

图3 城市轨道交通应急调度指挥系统框架体系设计

3.1 城市轨道交通应急调度后台技术研究

城市轨道交通应急调度后台系统的研究是以上海城市轨道交通事故故障日志资料为基础，运用数据挖掘理论的关联规则算法和聚类分析算法，研究城市轨道交通事故故障类别划分及风险等级智能判定方法;基于对各类事故故障的发生频次及概率统计，分析辨识高频次、高风险等级事故故障，建立高频高危故障数据库;针对高频高危数据库，研究不同类型等级的城市轨道交通应急调度预案信息化管理技术和面向调度管理人员的城市轨道交通事故故障预警技术，从事前防控和事后处置2个层面提高城市轨道交通应急调度的安全和效率。城市轨道交通应急调度后台系统构架如图4所示。

图4 城市轨道交通应急调度后台系统构架

3.2 城市轨道交通应急调度软件系统设计与开发

以上述后台理论技术体系为指导，运用系统软件设计与开发技术研发包含事故故障自学习管理、事故故障时空影响范围预估、事故故障预警、事故故障分类处置、无纸化人工调度等集成功能的城市轨道交通应急调度指挥软件平台，其子系统及功能构架如图5所示。

由图5可见，城市轨道交通应急调度系统应该具备故障信息自学习功能。自学习是指系统在不断重复的工作中对自身能力的增强或改进，使得系统在下一次执行同样的或类似的任务时，比现在做得更好或效率更高［16］。上海轨道交通进入网络化运营阶段后，对城市轨道交通应急调度事故故障信息管理系统的自学习能力提出了巨大需求。一方面，行车调度员的培养需要一个较长的周期，目前行车调度员的质量和数量都不能满足快速发展的城市轨道交通系统的需求;另一方面，各条线路因建设施工和系统设备等方面的差异，导致在历史事故故障、主要或重大事故故障及潜在风险源等方面存在信息差异。因此，传统单一、静态的事故故障信息管理系统已无法满足对应急调度安全和效率的需求，需要管理系统通过日常操作案例来获取老调度人员的丰富经验、各线事故故障特有属性等知识和规则，使系统具备自适应学习能力，从而很好地满足大量新调度人员自主学习和各线个性化事故故障管理的需求。

图5 城市轨道交通应急调度软件系统功能设计

3.3 城市轨道交通应急调度硬件体系架构及终端产品研发

针对城市轨道交通应急调度系统的功能实现，分网络层、线路层和车站层设计城市轨道交通应急调度硬件体系原型构架。在此基础上研发具有调度命令管理、故障处置提示与监控、电子签名及打印功能的智能调度手持终端。城市轨道交通应急调度硬件框架体系如图6所示。

图6 城市轨道交通应急调度硬件框架体系

4 结语

城市轨道交通系统由于线路运行相对独立，并且运行过程与人和环境交互，对机电自动化设施及设备高度依赖，因此其运营过程具备高可靠性的同时又存在遭遇突发事件的脆弱性。在突发事件下，行车调度指挥作为整个应急处置系统的“大脑中枢”，其应急调度决策的准确性及高效性直接关系到系统应急处置的时效性及突发事件影响期间的运营安全性。为实现城市轨道交通应急调度决策的准确化、高效化、无纸化，目前的应急调度指挥模式由“人工”向“自动化”的转变不可避免。本文从理论与实践的层面总结与分析城市轨道交通应急调度现状流程、问题及发展需求，在此基础上设计城市轨道交通自动化应急调度指挥系统的软、硬件框架结构，为下一步系统的开发和实现提供理论思路与方法依据。

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