区域多制式轨道交通复合系统调度指挥模式研究

李登辉，彭其渊，文 超，3

（1.西南交通大学 交通运输与物流学院，四川 成都 611756；2.西南交通大学 综合交通运输智能化国家地方联合工程实验室，四川 成都 611756；3. 滑铁卢大学 铁路研究中心，加拿大 滑铁卢 N2L3G1)

近年来，我国轨道交通发展迅速，高速铁路与城市轨道交通运营里程持续增加。截止2019年底，全国铁路营业里程达到13.9万km以上，其中高速铁路3.5万km；城市轨道交通运营里程达6 736.2 km。为满足人们不断增长的多层次、多元化的出行需求，区域内轨道交通呈现多制式、网络化、协同化的发展趋势。区域多制式轨道交通协同化是指通过有效整合区域内与轨道交通列车运营相关的资源，实现不同制式轨道交通间的协同运营，以充分发挥各自优势，提升网络化运营水平和服务质量，包括列车运行计划编制协同、组织指挥协同、资源配置协同及安全保障协同等多方面协同。目前在发展水平较高的区域已出现多制式轨道交通同步运营的局面，但网络化水平还不高，各制式间缺乏实际意义上的协同运营，其组合效益难以充分显现，而调度指挥正是解决该问题的关键。多制式轨道交通复合系统调度指挥采取何种模式直接决定了协同运输所能达到的效果，因而研究区域多制式轨道交通复合系统(Regional Multi-mode Rail Transit System，RMRTS)调度指挥模式，对区域多制式轨道交通的高度融合发展具有重要意义。

1 区域多制式轨道交通复合系统调度指挥模式分析

1.1 轨道交通调度指挥模式

区域多制式轨道交通包括地铁、轻轨、磁浮、有轨电车等不同制式组成的城市轨道交通和城际铁路、市域铁路、区域干线铁路等，目前多数有轨电车、轻轨等制式轨道交通由地铁运营公司运营管理，城际铁路多由当地铁路局集团公司运营管理，市域铁路多由地铁运营公司或铁路局集团公司运营管理。因此，城市轨道交通的调度指挥主要由地铁运营公司负责，其他轨道交通的调度指挥则主要由铁路局集团公司负责，因而轨道交通调度指挥模式可分为城市轨道交通调度指挥模式和国家铁路调度指挥模式2类。

（1）城市轨道交通调度指挥模式。目前国内共有40个城市开通了城市轨道交通，其中北京、上海、广州等城市的轨道交通已处于网络化运营阶段[1]，其调度指挥模式为其他城市轨道交通提供了借鉴[2-3]。城市轨道交通调度指挥模式如图1所示。图1中，线网层负责协调路网运力资源与运能、监控路网运营状态、应急指挥协调以及对外联系等；线路层负责各线路的具体调度指挥工作等；现场层主要负责执行上级下达的指令。

图1 城市轨道交通调度指挥模式Fig.1 Traffic control scheme of Urban Rail Transit

（2）国家铁路调度指挥模式。目前我国国家铁路高速铁路和既有线并存，而且二者采用不同的调度指挥模式[4]。高速铁路主要采用“中国国家铁路集团有限公司(以下简称“国铁集团”)调度处—铁路局集团公司调度所”二级调度指挥模式，同时在车站设有专门的应急值守人员，负责应急调度指挥系统失效等突发情况下的车站调度指挥工作；既有线采用“国铁集团调度处—铁路局集团公司调度所—站段调度室”三级调度指挥模式。国家铁路调度指挥模式如图2所示。

1.2 区域多制式轨道交通复合系统调度指挥模式

1.2.1 调度指挥模式提出

图2 国家铁路调度指挥模式Fig.2 Traffic control scheme of national railway

目前单制式轨道交通调度指挥模式的发展已较为成熟[5-7]，但随着不同制式轨道交通在客流需求、运营状态上时空关联性的日益增强，各制式轨道交通系统独立运营已不能满足当前区域轨道交通进一步发展的需要，为保证区域内不同制式轨道交通系统运输组织工作有序、高效进行，提出独立调度指挥模式、合作调度指挥模式、混合调度指挥模式和一体化调度指挥模式4种区域多制式轨道交通复合系统调度指挥模式。

（1）独立调度指挥模式。独立调度指挥模式是指区域内各制式轨道交通运营主体根据本制式轨道交通系统服务范围内的客流信息、设施设备运用状态等，独立负责系统内部列车运行计划、车底运用计划、乘务运用计划、施工计划等计划的编制与执行，且在整个计划编制与执行过程中，不依赖于系统外部其他制式轨道交通的运行信息等，不与系统外部其他制式轨道交通进行相关信息的交互与共享。在独立调度指挥模式下，各制式轨道交通运营主体只聚焦于优化本系统内部的运输组织来提高运输效率与服务质量，较少考虑和其他制式轨道交通系统之间的协同运营，不能充分发挥区域轨道交通复合系统的整体效能。

（2）合作调度指挥模式。合作调度指挥模式是指区域内各制式轨道交通运营主体相互合作，交互与共享需要协同的数据信息，并根据协同方的需求，接收相应的协同信息，将其作为本制式轨道交通计划编制和列车运行调整的输入参数，最终生成协同运输方案及调整方案，从而在一定程度上实现不同制式轨道交通间的运行计划协同、组织指挥协同。在该模式下，合作形式主要有主辅合作和均等合作，但无论采用何种形式，都应将合作制度化，这样才能保证该模式的顺利实施。此外，不同制式轨道交通间开行跨制式列车时，应首先解决好在衔接站调度指挥的衔接问题。在列车运行过程中，列车运行所在线路运营主体对列车应拥有调度指挥权，以保证列车安全运行。合作调度指挥模式如图3所示。

（3）混合调度指挥模式。混合调度指挥模式是将调度指挥层级分为2层，即在不同制式轨道交通调度指挥中心的顶层增加区域调度指挥协同中心层级，通过信息共享，收集并整理各制式轨道交通的协同数据(各制式轨道交通列车运行计划、客流信息、列车运行实时信息、应急信息等)，编制不同制式轨道交通间的协同运输计划及调整计划，并提供给各制式轨道交通调度指挥中心执行，同时还负责紧急情况下的应急指挥协调等。在混合调度指挥模式下，各制式轨道交通调度指挥中心，负责本制式的日常组织指挥工作。混合调度指挥模式实质上是以计划协同为主导的调度指挥模式。混合调度指挥模式如图4所示。

（4）一体化调度指挥模式。一体化调度指挥模式是指将不同制式轨道交通的调度指挥权有机整合，构建一个一体化的区域轨道交通调度指挥中心，负责区域内整个轨道交通的调度指挥工作，即统一编制区域内不同制式轨道交通的运输计划，统一调配资源，统一安排车站、车场等设施的使用，统一组织指挥工作等。在一体化调度指挥模式下，区域内各制式轨道交通融为一个整体，通过区域轨道交通调度指挥中心对区域内的列车、车站、乘务段、机务段、车辆段和综合设施段等直接调度指挥，以保证复合系统运输组织有序、高效进行。一体化调度指挥模式如图5所示。

图3 合作调度指挥模式Fig.3 Cooperative traffic control scheme

图4 混合调度指挥模式Fig.4 Mixed traffic control scheme

图5 一体化调度指挥模式Fig.5 Integrative traffic control scheme

1.2.2 调度指挥模式分析

（1）独立调度指挥模式。独立调度指挥模式能够很好地适应复合系统现阶段的运营管理体制，但存在以下问题。不同制式轨道交通间的协同性差，无法满足协同运输的需求；资源配置、计划管理也仅限于本制式轨道交通，虽然管理难度较小，但协同程度低；各制式轨道交通间信息共享程度低，跨制式乘客总出行时间较长。

（2）合作调度指挥模式。合作调度指挥模式的核心仍为独立调度指挥，因而对当前的运营管理体制也有较好的适应性。同时，由于增加了信息交互和共享，便利了跨制式旅客的出行，在一定程度上满足了协同运输的需求。此外，在合作调度指挥模式下，资源配置主要在单制式轨道交通内部进行，管理难度相对较小，但是由于涉及不同制式轨道交通间协同运输计划的编制与调整，计划管理难度较独立调度指挥模式难。

（3）混合调度指挥模式。混合调度指挥模式在下层保留了独立调度指挥模式的特性，因而能较好地适应当前的运营管理体制，同时上层区域调度指挥协同中心的职能保证了该模式能够较好地满足区域内不同制式轨道交通间的协同运输需求，同时也保证了较高的信息共享程度，便利了乘客的出行。在运输组织方面，由于混合调度指挥模式协同程度较合作调度指挥模式更高，对协同运输计划的依赖性更强，对不同制式轨道交通间开行跨制式列车进行直通运输或者站点有效接续换乘的需求更大、要求更高，资源配置协同程度较高，计划管理较为复杂。

（4）一体化调度指挥模式。一体化调度指挥模式是“完全协同”的模式，有着比其他3种模式更高的协同性，能够高度满足协同运输需求，但不能够适应当前的运营管理体制。这种模式始终从整体角度开展复合系统的调度指挥工作，资源配置高度协同，资源高度共享，计划管理高度协同，能够极大地便利旅客的出行，大幅度提升复合系统总体效能。但在这种模式下，跨制式列车常态化开行，交路计划复杂，停站方案多样，这也意味着资源与计划管理难度较其他3种模式大。

2 区域多制式轨道交通复合系统调度指挥模式选择

2.1 构建区域多制式轨道交通复合系统调度指挥模式选择指标体系

区域多制式轨道交通复合系统调度指挥模式选择主要受运营管理体制、协同运输需求、总体效能、服务质量与实施难度等因素影响。在运营管理体制方面，运营管理机构的不同设置形式往往导致调度指挥机构设置、权限划分等的差异，进而对调度指挥模式选择产生较大影响，如当前区域内不同制式轨道交通由若干运营主体独立运营，已形成较为完善的、适应于各制式轨道交通自身的运营管理体制，这种现状在短期内将一直存在且不会有根本改变，对当前调度指挥模式的选择有重大影响；在协同运输需求方面，当前不同制式轨道交通在换乘接续计划、客流组织方案、移动设备运用等方面急需一定程度的协同，以提高固定和移动设备运用效率，减少乘客出行时间；在总体效能和服务质量方面，不同调度指挥模式往往导致复合系统整体效能和服务质量的差异，能否在复合系统整体效能较高的同时较大程度地提升服务质量；在实施难度方面，能否以最小的代价获得复合系统最大限度的性能提升，都影响着调度指挥模式的选择。结合区域多制式轨道交通复合系统调度指挥模式选择的影响因素分析，构建区域多制式轨道交通复合系统调度指挥模式选择指标体系如表1所示。

表1 区域多制式轨道交通复合系统调度指挥模式选择指标体系Tab.1 Selection indicators of traffic control schemes of RMRTS

2.2 构建基于 VIKOR 的复合系统调度指挥模式选择法

多准则妥协解排序法(VIKOR)的核心内容是在确定正、负理想方案的基础上，通过计算最大群体效益值、最小个体遗憾值和利益比率值，比较各备选方案与理想方案之间的距离，最终对方案的优劣进行排序[8]。基于VIKOR，构建复合系统调度指挥模式选择法，具体步骤如下。

（1）构建初始评价矩阵X。令xij表示第i种调度指挥模式第j个指标的值，记m为调度指挥模式数量，n为评价指标个数。

（2）原始矩阵归一化，得到归一化矩阵Y=(yij)m×n为

式中：yij为归一化后的指标值；J1为正向型指标集；J2为负向型指标集。

（3）确定正理想方案和负理想方案为

（4）利用熵权确定指标权向量。第j个指标的信息熵Ej可以表示为

式中：fij为第j个指标下第i种调度指挥模式的指标值的比重。

第j个评价指标的权重wj可以表示为

（5）方案排序。计算各模式最大群体效益值Si为

计算最小个体遗憾值Ri为

计算各备选模式的利益比率值Qi为

式中：v∈[0，1]为决策系数，一般取0.5。

将得到的Si，Ri，Qi从小到大排列，遵循值越小越优先的原则，对各个方案进行排序。

2.3 区域多制式轨道交通复合系统调度指挥模式选择

采用基于VIKOR的复合系统调度指挥模式选择法对独立调度指挥模式、混合调度指挥模式、合作调度指挥模式和一体化调度指挥模式进行分析。

（1）构建初始评价矩阵X。记第1，2，3，4种调度指挥模式分别为独立调度指挥模式、合作调度指挥模式、混合调度指挥模式和一体化调度指挥模式。结合区域多制式轨道交通复合系统调度指挥模式选择指标体系，对4种调度指挥模式的各个指标进行打分，获得初始评价矩阵X为

（2）评价矩阵归一化。根据公式⑵计算评价矩阵X的归一化矩阵，计算各指标标准化值，得到归一化矩阵Y为

（3）正负理想方案确定。根据公式⑶，计算正负理想方案

（4）熵权计算及指标权向量确定。根据公式⑷—公式 ⑹，计算各指标的熵与权

（5）计算各模式最大群体效益值Si、最小个体遗憾值Ri及各备选模式的利益比率值Qi。根据公式 ⑺，公式 ⑻，计算各调度指挥模式的最大群体效益值S和最小个体遗憾值R。根据公式 ⑼，计算各调度指挥模式的利益比率值Q。依据S，R，Q值从小到大进行排序，得到各调度指挥模式排序结果如表2所示。

表2 各调度指挥模式排序结果Tab.2 Ranking results of traffic control schemes

根据表2中S，R，Q值的排序结果可知，无论哪种情况，排在第一位的模式都是混合调度指挥模式，因而现阶段区域多制式轨道交通复合系统调度指挥模式宜采用混合调度指挥模式。混合调度指挥模式既能较好适应当前的运营管理体制，又可满足不同制式间较高程度的协同运输需求，能够适应当前区域多制式轨道交通融合发展的要求。

目前，制约多制式轨道交通协同运营的瓶颈主要是各制式轨道交通路网制式标准和复合系统运营管理体制。随着区域多制式轨道交通路网规模的不断扩大及网络化运营水平的不断提高，对高度协同运输的需求将越来越大。同时，伴随可兼容多种制式标准列车的下线及大数据、人工智能等技术的发展与应用，一体化运营管理体制将逐步形成，在混合调度模式中下层的调度指挥职能也将逐步整合到顶层的区域调度协同中心，构成一体化的区域轨道交通调度指挥中心，对区域多制式轨道交通复合系统的运营活动进行统一组织指挥。

3 结束语

区域轨道交通已呈一体化发展趋势，区域多制式轨道交通复合系统的调度指挥模式应与复合系统的运营管理体制相适应，满足区域内不同制式轨道交通间协同运输的需求。混合调度指挥模式是现阶段区域多制式轨道交通复合系统调度指挥模式的首选，能够有力推动区域内多制式轨道交通的融合，从而促进区域总体运能与服务质量的提升，但在实现过程中仍然需要着重解决好实际中因管理体制等原因导致的不同制式轨道交通间信息交互与共享不畅的问题，应进一步深入研究不同制式轨道交通间调度指挥协同实现方法及应用。