城市轨道交通行车突发事件应急处置辅助决策系统研究与实现

王祥进，唐金金，张仲恺，陈明喜

（1.北京交通大学 交通运输学院， 北京 100044；2. 成都智元汇信息技术股份有限公司， 成都 610000）

近年来，城市轨道交通快速发展，许多大型城市的轨道交通都已进入网络化运营时代。然而对于城市轨道交通日常运营来说，行车突发事件可能造成行车事故、乘客伤亡事件的发生，使得轨道交通运营的可靠性降低，给轨道交通的运营带来负面影响。因此，如何应对和处理城市轨道交通行车突发事件，已经成为各城市轨道交通运营管理部门急需解决的问题。

对于城市轨道交通行车突发事件的研究，目前主要有如下两类：（1）对于行车突发事件发生后的应急处置预案研究[1-4]；（2）行车突发事件发生后的客流预测研究[5-6]或者突发事件发生后的乘客出行仿真研究[7-9]。前者在处理行车突发事件时偏重于理论研究，后者在客流预测计算速度上也很难满足实时性要求，难以协助运营管理者实时应对行车突发事件。

在这样的背景之下，本文以行车突发事件发生时运营管理者的视角为切入点，研究并开发了城市轨道交通行车突发情况应急处置辅助决策系统，协助运营管理者降低行车突发事件带来的损失与影响。

1 行车突发事件应急处置辅助决策系统设计

针对城市轨道交通行车突发事件，设计城市轨道交通行车突发情况应急处置辅助决策系统，旨在协助运营管理，降低行车突发事件对乘客出行带来的影响。

1.1 设计目标

系统旨在协助城市轨道交通运营管理者合理应对行车突发事件，保证行车突发事件下乘客与列车运转顺畅，系统设计目标如下：

（1）在行车突发事件发生时，工作人员输入突发事件的参数，系统能够迅速生成从该突发事件开始起未来一段时间内的列车运行调整计划，协助行车调度员对事故线路的列车运行计划进行合理调整，保证列车周转顺畅；

（2）在生成列车运行调整计划后，能根据该列车计划来预测从行车突发事件发生起未来一段时间内的客流情况，并以图形化的方式展示在线网图上，使工作人员能够直观、快速地把控行车突发事件发生一段时间内线网的客流分布状态以及客流变化趋势，从而做出针对性的客运组织以及运力调配，降低行车突发事件给乘客出行带来的影响。

1.2 系统功能与结构设计

1.2.1 系统架构设计

系统架构设计的主要技术特点是把应用系统的显示层、逻辑层和数据层分离，具备易开发、易扩展、易维护和支持分布式计算等技术优点。本系统采用三层架构设计，系统架构设计示意图如图1所示。基于满足应用扩展需要，三层架构模式可以很容易地扩展到多层构架模式。

1.2.2 系统逻辑功能结构设计

系统逻辑功能结构设计能够表示系统与外部系统数据接口、内部各子系统之间的功能变迁、数据传递等依赖关系。依据城市轨道交通行车突发事件应急处置辅助决策系统的层次架构，系统的逻辑功能流程图如图2所示。

图1 系统三层架构示意图

图2 系统逻辑功能结构图

1.3 系统接口与数据库设计

1.3.1 系统接口设计

（1）与实时自动售检票（AFC）系统刷卡数据接口

系统与AFC刷卡数据采集部门实现物理接口。接口通过文件传输协议（FTP）形式进行数据交互，具体接口方式如图3所示。

通过该接口传输的数据为实时AFC进出站刷卡交易数据，传输的数据内容包括进站车站编码、进站日期、进站时间、出站车站编码、出站日期、出站时间、数据创建时间、卡号、卡类型、交易代码、闸机号、数据更新时间。

（2）列车自动监控（ATS）系统列车实时运行状态数据接口

图3 与AFC实时刷卡数据接口示意图

ATS数据即列车实时运行状态数据，数据内容包含线网上列车的实时运行轨迹数据与运行状态数据。系统与ATS数据采集部门建立数据传输专线以实现物理接口。双方以Socket的形式进行数据传输，系统接收数据后进行解析并存入数据库中，具体接口形式如图4所示。

图4 与ATS实时列车运行状态数据接口示意图

通过该接口传输的数据为ATS列车实时运行状态数据，数据内容包括：线路编码、车次号、列车到站时间、列车出发时间、计划偏离时间、列车所在位置（轨道号）、列车状态、车次号变化状态、数据更新时间。

1.3.2 系统数据库设计

由于本系统的功能实现以大量数据为依托，因此选择合理的数据解决方案非常关键。Oracle Database可移植性好、使用方便，并且在大数据处理方面极具优势，SQL语句使用灵活性极强。Oracle的高效性和可靠性，以及其广泛的适用性，使它成为本系统理想的关系数据库管理系统。

使用者在使用此数据库时，程序内部可以直接访问，也可通过一般Oracle工具进行数据访问。系统通过数据库进行权限管理，为不同的访问者设定不同的登录账号，并且每一个账号都有其对应的密码（初始密码可由访问者修改），通过数据库的访问权限设置，使数据的安全性得到了保证。

2 系统实现

2.1 行车突发事件自动判断功能实现

系统通过接入ATS列车实时运行状态数据，能够自动对行车突发事故进行自动判断，判断方式有如下2种。

2.1.1 列车延误

系统根据接入的实时ATS数据，将每列车到达车站的实际时间与计划运行图的到站时间对比，如果某列车的实际到站时间超过计划到站时间2 min及以上时，系统自动触发行车突发事件。

2.1.2 列车间隔

系统根据实时ATS，持续计算每两列车之间的实际运行间隔，一旦出现两列车运行间隔超过正常间隔的1.5倍，系统会自动触发行车突发事件。

2.2 行车突发事件下列车运行计划调整功能实现

在系统自动触发行车突发事件后或者手动进行事故注入后，系统能够获取突发事件的基本参数，自动生成行车突发事件期间的列车运行计划，图5为系统自动生成的行车突发事件期间的列车运行计划，紫色线表示扣车列车线，红色线表示折返列车线。

图5 列车运行计划调整展示图

2.3 行车突发事件下线网客流预测及展示功能实现

系统在列车运行计划调整之后会紧接着进行行车突发事件期间客流状态预测，预测列车计划调整起始点（事故开始时间点）后一段时间内的线网客流情况，预测得到的客流指标，包括车站进站量、车站出站量、换乘站换乘量、断面客流量、断面拥挤度，以及线网、线路的客运量，时间粒度为5 min。系统会以线网图的形式将线网客流分布状态直观地展示出来，为用户进行行车突发事件下的客流组织与疏导提供支持。图6～图9分别展示了行车突发情况下线网、线路、区间和车站的客流情况。

3 关键技术

系统的实现运用了基于机器学习的列车运行计划调整技术、基于集计模型的客流分配技术及其他算法与编程技术。

3.1 基于机器学习的列车运行计划调整技术

系统采用简单机器学习技术，通过对历史行车突发事件的调度结果采集与分析，充分学习调度员的实际调度指挥经验，从而使系统列车运行计划调整贴近于调度员的实际操作。

3.1.1 机器学习技术

机器学习[10]是根据生理学、认知科学等对人类学习机理的了解，建立人类学习过程的计算模型或认识模型。系统通过长期对地铁调度部门的实地调研，建立一个学习的过程，通过非线性分析，引入核函数，形成系统的调度经验记忆，在遵循突发列车处理的原则下，根据实际情况灵活运用列车调整方法，包括扣车、降级、设置折返、加开、停运等5种方式，对行车突发情况下的列车运行计划进行自动调整。

3.1.2 基于机器学习的突发列车处理原则

系统通过机器学习方法，在学习大量的列车调整结果的同时，结合可设定的列车处理原则，得到系统的突发列车处理方法。具体有：突发事故发生时间之前的运行图不变，按时间顺序，根据学习经验判断，对运行线进行调整，尽量保持列车周转，设置扣车为第一优先措施，其次考虑列车是否能够通过降级驾驶或者电话闭塞进行周转，但是突发事件时间在20 min以上造成车辆可能积压时，在另一行别（上行或下行）畅通且不影响其行车的前提下可以折返，事故解决后恢复计划运行图行车。

图6 行车突发事件下线网客流展示图

图7 行车突发事件下线路客流展示图

图8 行车突发事件下区间客流展示图

图9 行车突发事件下车站客流展示图

3.2 基于集计模型的客流分配技术

在交通规划中，通常将研究的对象区域划分成若干个小区，并将掌握的数据按照小区统计之后再建立预测模型。在建立模型或将样本放大时，需要以这一类的集合体为单位对数据进行集计处理。按照小区统计之后的数据称为集计数据，而用集计数据所建立的模型称为集计模型[11]。

在本系统中，系统根据K短路算法[12]计算得到突发事件发生后线网各交通起止点（OD）之间的K短径路，并将预测得到的各OD之间的客流量，以5 min为单位时间统计成集计数据，并按照一定的比例分配到相对应OD的K短路之上，得到系统所需输出的相应客流指标。采用集计的方式使系统运算速度大大加快，满足了行车突发情况下的实时性要求。

4 案例分析

本文以成都地铁3号线为例，假定某日3号线发生行车突发事件情况，假定事故发生的时间为上午8：15早高峰阶段，事故区间为红星桥–市二医院上行方向，持续时间为10 min。通过本系统对行车突发事件进行处理，得到以下结果：

在获知行车突发事件消息后，打开系统，切换至手动并进行事故输入，输入的事故信息如图10所示。

点击确定按钮，系统生成行车突发事件期间列车运行调整计划，同时系统在后台进行线网客流预测，正常情况下的列车计划运行图如图11所示，系统调整后的结果如图12所示（红框内的紫色运行线为系统自动调整的运行线）。

图10 行车突发事件信息手动输入框

在系统客流预测完成后，点击客流展示按钮，得到如图13所示的线网图界面，用户能够通过区间颜色来获取区间拥挤度信息，同时能够拖动下方时间轴来获取未来时间内的线网客流信息。此外，用户能点击相应区间、车站得到如图14、图15的界面，分别获取区间以及车站的客流信息。

图11 正常情况下的计划列车运行图

图12 系统自动生成行车突发事件期间的列车运行计划

图13 行车突发事件下线网客流展示

图14 行车突发事件下区间客流展示

5 结束语

本文针对城市轨道交通日常运营过程中发生的行车突发事件，从行车与客流两方面入手，以保证列车运行安全为前提，以协助客运、行车调度员进行突发事件下的行车调度、客流把控与组织为目的，研究并开发了突发事件下城市轨道交通突发情况应急处置辅决策系统，协助轨道交通运营部门合理应对行车突发事件。

图15 行车突发事件下车站客流信息展示

目前，本系统主要是提供突发事件下的列车运行计划调整参考与事故期间的客流数据信息展示，主要的优势在于行车与客流信息的展示层面，而具体采取何种措施还是需要运营管理者根据系统展示的数据自行判断。因此系统下一步的发展则是要针对这一点，在已有数据信息展示的前提下，为运营管理者提供具体的行车措施建议（如为行车调度员提供加开列车或停运列车建议）、客运组织措施建议（如建议某车站限流等），实现对突发事件的全方位、多层次的应对与处理。