应急场景条件下的城市轨道交通行车调度演练系统设计

王智永 赖一鸣 江志彬

摘 要：应急场景条件下的城市轨道交通行车调度演练系统可以较为真实地模拟各类设备故障或突发事件条件下的列车运行方案调整优化，是提高行车调度员应急技能的重要技术手段。在分析演练系统建设必要性和建设目标的基础上，对行车调度演练系统进行设计，从运行图管理、演练场景管理、ATS 操作模拟、列车运行模拟和演练结果评估 5 个方面分析系统功能。以苏州市轨道交通 4 号线为例，对系统的实施与应用效果进行评价，结果表明系统的设计方案可以满足行车调度员对常见故障及大型综合性突发事件应急处置的演练需求，能有针对性地提升行车调度员的业务水平。

关键词：城市轨道交通;行车调度;演练仿真;应急场景;行车组织

中图分类号：U292.4+2

1 研究背景

我国已进入城市轨道交通快速发展时期，较多城市已经形成网络化运营格局，客流压力、运营突发事件发生概率上升，对应急处置能力及响应效率的要求也日益提高。行车调度员作为城市轨道交通运营的“指挥官”，主要负责行车调度指挥、突发情况下的应急处置等工作，必须具备高效处置各类突发事件的能力，才能为广大乘客提供安全优质的运营服务[1-2]。以往行车调度员的培训演练通常采用桌面演练、占线板人工挪车或者口头虚拟列车等方式进行，场景仿真度较低，无法锻炼行车调度员的实际行车调整能力。目前针对城市轨道交通列车自动监控（ATS）操作的演练系统较多，且大多是面向车站值班员层面的仿真平台[3-5]。随着新技术的发展，三维展现、虚拟现实等技术应用也日趋成熟[6-8]，但缺乏系统的、有针对性覆盖各类应急场景的行车调度演练系统，无法实现应急场景自定义、列车按图自动运行、列车运行过程干预、列车运行延误传播、多故障同时触发以及演练效果的定量化评估等需求，尤其是对于行车调度员的综合行车调整能力的提升帮助有限[9-10]。本文对行车调度演练系统进行设计，针对系统各功能模块展开分析，并以苏州市轨道交通4号线为实例进行验证。

2 行车调度演练系统设计

2.1 系统总体架构

行车调度演练系统是利用计算机运行概念模型代替物理模型，结合不同应急预案、演练方案场景设置，随时进行模拟演练的系统。系统主要目标是结合实际运行图方案，通过模拟设置不同的故障场景，训练调度员的信号操作、应急处置和统筹协调能力。因此，系统的总体架构应包括观摩与评价区、应急场景管理与配合区、实训操作区和演练展示区4个部分（图1）。

从系统功能架构上，演练系统包括运行图管理、演练场景管理、ATS操作模拟、列车运行模拟、演练结果评估5个模块（图2）。

2.2 系统功能模块分析

2.2.1 运行图管理

系统可实现列车计划运行图查询与加载功能，直观显示列车运行情况并铺画实际运行图。计划运行图可支持第三方编图工具，如：同济大学研发的城市轨道交通列车运行图计算机编制系统（TPM）[11]，支持生成的数据文件或规格化的时刻表csv文件自动导入。可自动存储演练过程的实际运行图;支持查看、打印和调阅计划、实际运行图和车底周转图;可生成线路或车站时刻表;可计算计划或实际运行图的相关指标。

2.2.2 演练场景管理

系统具备预定义故障场景功能，预定义故障场景时，可提前编制演练脚本，包括：①故障类型、发生时间、地点;②故障动态发展情况、故障修復时间等。演练脚本可随时调阅和打印，便于演练配合人员根据场景查看演练进度。故障设置后，可以满足无法修复、完全修复、降级运行等仿真要求，可暂停正在模拟的运营场景，并具备一键复位功能。系统的演练场景覆盖城市轨道交通系统常见故障类型，对于不同演练场景类型，可设置不同的故障级别、场景模式和对应的训练技能要求。部分常见场景与训练技能要求如下。

（1）弓网故障。场景模式为“运营中断、轨道区段故障或占用、列车动力故障”。训练弓网故障情况下的调度应急处置流程，包括行车调整方案的制定和执行、乘客区间疏散组织、公交接驳组织、中断抢修组织等。主要训练调度员的抢修组织和行车调整能力。

（2）大面积紫光带故障。场景模式为“轨道区段计轴受扰”。训练大面积紫光带故障情况下的调度应急处置流程，包括行车调整方案的制定和执行、列车降级越红灯运行的组织。主要训练调度员的行车调整能力。

（3）列车挤岔。场景模式为“运营中断，轨道区段故障或占用”。训练列车挤岔情况下的调度应急处置流程，包括行车调整方案的制定和执行、乘客区间疏散组织、公交接驳组织、中断抢修组织等。主要训练调度员的抢修组织和行车调整能力。

（4）列车冲突、设备侵限、断轨等线路中断。场景模式为“运营中断、轨道区段故障或占用”。训练列车冲突、设备侵限、断轨等情况的调度应急处置流程，包括行车调整方案的制定和执行、乘客区间疏散组织、公交接驳组织、中断抢修组织等。主要训练调度员的抢修组织和行车调整能力。

（5）轨旁故障。场景模式为“故障区域列车动力故障、故障区域列车降级模式运行”。训练轨旁信号故障情况下的调度应急处置流程，包括行车调整方案的制定和执行、公交接驳组织、边运营边抢修组织等。主要训练调度员的抢修组织和行车调整能力。

（6）区间列车火灾。场景模式为“运营中断、轨道区段故障或占用、列车动力故障”。训练区间列车火灾情况下的调度应急处置流程，包括行车调整方案的制定和执行、乘客区间疏散组织、公交接驳组织、中断抢修组织等。主要训练调度员的抢修组织和行车调整能力。

（7）区间发生人车冲突。场景模式为“运营中断、轨道区段故障或占用、列车动力故障”。训练区间发生人车冲突情况下的调度应急处置流程，包括行车调整方案的制定和执行、乘客区间疏散组织、公交接驳组织、中断抢修组织等。主要训练调度员的抢修组织和行车调整能力。

（8）信号系统联锁故障。场景模式为“故障区域列车动力故障、故障区域列车降级模式运行”。训练信号系统联锁故障情况下的调度应急处置流程，包括行车调整方案的制定和执行。主要训练调度员的抢修组织和行车调整能力。

（9）道岔短闪。场景模式为“运营中断、道岔故障”。训练道岔短闪应急处置流程，包括行车调整方案的制定和执行、边运营边抢修组织等。主要训练调度员边运营边抢修组织能力。

（10）车辆故障救援。场景模式为“运营中断、列车动力故障、故障救援”。训练车辆情况下的调度应急处置流程，包括行车调整方案的制定和执行、列车救援组织。主要训练调度员列车救援组织能力。

（11）信号机故障。场景模式为“信号机故障、改变运营方案”。训练信号机故障调度处置流程，检验调度员降级行车组织能力。

（12）屏蔽门故障。场景模式为“屏蔽门故障”。训练屏蔽门故障调度处置流程，检验调度员降级行车组织能力。

2.2.3 ATS 操作模拟

系统能实现线路对应的ATS系统功能的模拟，对正常、非正常行车及故障等各种情况实现较为全面的仿真，故障导致的影响符合列车运行延误传播原理。教练机可以设置故障，并配合模拟车站、司机的操作。非信号类故障场景，可在教练机显示紫光带，作为故障点，提示配合人员。模拟终端只具备行车调度员日常使用的人机界面（HMI）主要功能，演练系统设置多名行车调度员岗位，配备信号模拟操作终端，各角色及相应信号功能需求如下。

（1）行车调度员岗位配置模拟终端，具备站（遥）控转换、列车自动折返按钮、排列进路、取消进路、转换道岔、信号重开、开放或关闭信号机自排、单独锁定道岔、封锁区段、封锁道岔、设置区段限速、修改车次、跳停、扣车、设置停站时间、设置运行等级等ATS系统功能。

（2）司机、车站值班员岗位配置教练机，具备限速特开、开放引导、解锁道岔、解封区段、解封道岔、区故解、总人解、轨道切除、列车多停、设置列车限速、提前发车、设置列车驾驶模式、设置列车运行模式、越红功能，及模拟终端具备的所有功能。

2.2.4 列车运行模拟

列车运行模拟可自动模拟不同故障模式下的列车自动运行过程，该模式下的列车运行完全遵守计划运行图，仅具备延误条件下的赶点等基本调整功能。系统还能支持对列车进行信号层级（CBCT级红光带、降级列车紫光带）、运行方向（上、下行方向）、车次号（添加、删除、编辑）、限速等状态的修改。可模拟多停、早发、限速运行等现场对行车调度员指令执行的反馈结果。可对单列车进行设置，对小交路折返、单线双向运行等调整方式进行模拟，也可在中间站完成完全小交路折返的模拟。

2.2.5 演练结果评估

对于演练结果的评估，包括定性与定量2种评估手段，传统的演练评估多是通过专家打分的方式，具有一定的主观性。系统具备对演练过程产生的行车指标客观统计分析的功能，可在一定程度上实现演练结果的定量分析。同时可在选择的演练方案中进行指标管理，预设参考指标。演练结束保存运行图后，通过对比预设指标和实际指标，或对比列车实际运行图与计划运行图，系统可自动统计出晚点、最大行车间隔、小交路折返、清客、加开、抽线、下线等实际发生的运营行车指标。同时引入操作熟练程度、应急反应能力、综合协调能力和违章违纪等定性指标，设定相关的权重，最后的成绩由定性和定量2类指标综合给定（表1）。在定量指标中，首次引入“站列次”统计概念，即指标统计不以终点站为统计点，一列次在2个站实际发车时间比照计划时间超过2 min，记为2 min以上2个“站列次”晚点。

3 行车调度演练系统的应用

3.1 苏州市轨道交通基本情况

截至2020年1月1日，苏州市轨道交通已开通运营1号、2号、3号、4号线，总运营里程210.1 km，总车站数135座，日均客流超过100万人次。预计到2024年，运营里程将达到350 km，日均客流近400万人次，行车密度和客流强度进一步增加，给行车组织和应急指挥带来巨大的压力和挑战。目前苏州市轨道交通在岗行车调度员普遍调龄较短，业务技能与当前网络化发展需求仍存在一定差距，另外随着线网扩张，将有大批量行调学员前来报到，后期必须通过经常性地开展应急演练来提高调度员的应急处置能力。

3.2 系统应用情况

苏州市轨道交通行车调度演练系统由苏州市轨道交通集团与同济大学合作，以4号线卡斯柯信号系统界面为基础，保留车站、轨道区段、道岔、信号机等主要元素显示，可以实现对于轨道区段、道岔、信号机、列车、站台等的操作，显示界面及操作步骤与4号线人机交互界面基本一致，仿真度高，支持单机、多联机2种运行方式，且能够实现电脑、投影同步显示。该系统可模拟列车按照列车运行图自动运行，并能够人工干预任何列车运行功能。当发生故障或突发事件时，还能较为逼真地模拟列车运行延误传播情况，系统运行界面如图3所示。

3.2.1 系统功能

系统可以模拟信号机故障、道岔故障、轨道计轴故障、列车故障等多种故障类型，系统具备运行图管理功能、场景设置功能，演练场景采用清单管理，根据不同故障类型及影响范围大小，设置3個难易度等级，对应场景编制演练脚本。预设演练场景覆盖19个运营应急预案、27个设备故障，场景覆盖面近100%，针对每个预案、故障，根据不同故障点和影响面，设置了5～10个难易不同的应急场景。系统实现了对演练结果的评估，在保证客观公正的同时，可以建立调度员个人数据库，线性记录和分析调度员个人业务能力变化状况。

3.2.2 调度演练实训平台

配合行车调度演练系统的上线，苏州市轨道交通搭建了一个调度演练实训平台（图4），配置了教练机工作站、行车调度员工作台，对相应岗位配置了通讯电话、无线对讲机，该平台应用于调度员的日常培训、在岗实操演练、上岗证考试等多个方面。

自苏州市轨道交通行车调度演练系统上线以来，共开展了114次演练仿真培训，共计230人次，模拟了27个场景，在信息收集与研判、同岗位及跨岗位之间沟通协作、行车调整措施、线路大局观培养等方面取得了良好效果。经验证，系统可以满足行车调度员对常见故障及大型综合性突发事件应急处置的演练需求，能有针对性地提升行车调度员的业务水平。

4 结束语

在城市轨道交通快速发展的背景下，行车调度演练系统的开发应用，将极大地提升调度员的培训质量。未来将以西门子、泰雷兹等信号系统为基础，进一步研究开发不同信号系统环境下的调度演练系统，同时在演练系统中考虑引入无人值守的自动驾驶模式（Unattended Train Operation，UTO），将更加广泛地提升系统适用性，为整体有效提高调度员应急能力、提升城市轨道交通线网运营服务水平提供保障。

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收稿日期 2019-12-03

责任编辑 胡姬