多系统数据融合的智能调度集中系统方案研究

宋鹏飞,赵宏涛,王 涛,周晓昭

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所,北京 100081； 2.国家铁路智能运输系统工程技术研究中心,北京 100081)

随着2019年底京张高铁的正式开通运营，智能调度集中系统首次在国内铁路上线应用，列车调度集中的方式进入智能1.0阶段。智能调度集中系统(Intelligent Centralized Traffic Control system，以下简称“智能CTC”)，是由中国国家铁路集团有限公司(简称“国铁集团”)工电部按照“智能京张”的规划[1-4]，组织各铁路局与CTC系统厂家深入研讨后，确立了技术标准，并于2019年颁布了适合京张高铁的智能CTC技术条件。其中智能CTC先于2019年上半年在京雄城际(大兴机场段)试运用，之后2019年下半年在京张高铁中正式开通使用。按照国铁集团的部署和规划，智能CTC属于1.0起步阶段，需要在推广使用中持续地迭代优化升级。为此，基于当前CTC系统的技术特点，分析智能CTC的定义特征及功能规格，对智能CTC1.0的框架结构设计、数据逻辑处理等进行研究，同时结合在京张高铁运用时面临的问题，提出智能CTC下一步的推进方向。

1 国内铁路调度集中现状

目前调度集中系统(简称“CTC系统”)广泛应用于高铁线路，是高铁线路列车调度指挥的必备信号系统。CTC系统以底层联锁、列控等信号系统为基础，依据调度员编制的列车运行计划，实现列车自动排路、冲突监测、安全卡控等功能。随着更多客专、高铁线路的建设开通，针对铁路运输指挥中安全保障、智能辅助、调度指挥效率、应急处置等方面，调度指挥人员提出了更多需求。为提升铁路调度指挥的智能化水平，国铁集团以京张高铁为契机，提出了智能调度集中的总体要求，确定智能调度集中1.0的目标。

2 智能CTC1.0功能定义及特征

2.1 功能定义

智能调度集中，是在现有调度集中系统的基础上，引入人工智能技术及算法，实现列车运营计划的智能调整，对列车调度人员提供更高级的安全检查、更高效的辅助办理的技术手段[5]。智能CTC的目标是实现列车调度指挥的智能辅助化、智能协同控制、应急处置的辅助决策化等功能，从而整体上提高列车调度指挥效率及运营效率。按照当前铁路的技术现状，现智能CTC属于1.0阶段，重点实现列车调整计划的辅助智能调整、列车安全卡控、CTC与多系统联动融合等功能[6-7]。

2.2 系统特征

基于既有CTC系统的技术路线，结合调度指挥人员对既有CTC升级为智能CTC的需求，智能CTC主要特征有以下几个方面。

(1)列车调度调整的智能化

当前调度指挥人员的一部分工作压力，是在列车运行调整方面。在某趟列车因列车作业超时、线路条件异常等出现晚点后，需对整个调度台的列车运行计划重新调整，此工作是调度员的重点工作之一。在高铁线路列车计划调整时，列车的调度冲突较少，更多是如何保障列车整点兑现率问题。为此，调度指挥人员希望依靠既有CTC系统平台，增加智能调整功能，实现列车调度智能调整、协调决策等目标，降低列车晚点率，减轻调度人员工作压力。

(2)多系统数据融合

CTC需要与更多的系统进行数据交互及融合，拓宽系统的数据来源，增强调度集中控制的安全检查。其中，京张高铁CTC系统与列控系统C3+ATO系统之间是新增的一个重要接口[8-9]，双方之间的信息安全交互、数据融合处理需高度关注。此外，CTC与其他系统之间的数据融合及处理，比如灾害监测系统、供电管理PDMS等，对列车安全运行引入了新的信息来源和安全检查手段。

(3)列车安全卡控的多样化

当前CTC系统能够对列车安全运行进行一系列的重点卡控，防止错误的进路排列，比如可以实现车站股道封锁、区间封锁、站台检查、超限列车交汇等各种情况下的列车运行安全卡控。智能CTC需要更多层次、更多方面的列车安全卡控，包括与供电系统联动实现线路上接触网停供电的流程控制及供电臂状态共享；与防灾系统联动实现对线路上风、雨、雪、地震、异物侵限等自然环境或异常情况的自动报警与防范；与客运客票系统实现对旅客乘降、客票组织等方面的联动；与TDMS(运输调度管理系统)联动实现列车作业包括上水、吸污、换乘、车底整备、交令、列检、交票、列尾司机加餐等作业时接发列车的安全卡控。只有加强行车作业的安全检查和流程控制，才能提高列车的保障运行等级。

3 智能CTC1.0系统方案框架

按照系统功能定义及特征，智能CTC需分2个方面进行提升。

(1)对外融合其他系统的数据，与其他系统进行信息共享，数据协同处理。

(2)对内数据挖掘及智能算法引入，对行车指挥的数据进行统一整体综合运算。

3.1 外部接口的联动融合

“智能”是基于数据的智能，CTC须与其他系统联动，统筹协同处理，才能做到初步的智能；同样，只有与其他系统结合，融合其他系统的数据，才能做到更多的列车运行安全卡控。既有CTC系统已经与联锁、列控、TSRS(临时限速服务器)、RBC(无线闭塞中心)、TDMS、GSM-R(数字移动通信系统)等系统进行了数据交互，为了提高集中控制的精细化，需要CTC系统与更多的外部系统进行接口，融合共享数据，实现更高一级的安全卡控、智能调整。目前国铁集团也在积极推动，打破各专业信息壁垒，实现信息共享。京张智能CTC新引入的接口如图1所示。

图1 智能CTC系统扩充接口示意

新引入的接口系统包括4个方面。

(1)C3+ATO接口：CTC与C3+ATO按照RSSP-II安全协议进行接口，CTC将列车调度员的实时调整计划发送至车载设备，计划上车后，车载ATO能够实现精准地自动按计划行车、自动站台停车等功能[10]。

(2)灾害监测系统接口：CTC与灾害监测系统通信，能够从灾害监测中获得线路的风雨雪异常、异物侵限等故障告警，从而有效地指导调度员调整列车运行计划。

(3)供电及电调PDMS/PSCADA系统：与供电系统接口，打通列车调度与电力调度之间的壁垒，实现线路供电臂的停供电等流程管理及电力安全防护[11-12]。

(4)DMS系统：列控系统动态监测系统接口，实现CTC对列车底层车载状态的获取，方便调度员掌握列车配属、列车运行C2/C3等级等详细信息。

预留接口系统包括2个方面。

(1)客票系统接口：CTC获得高铁列车旅客上座情况，从而为特殊晚点情况下的列车智能调整提供依据，提供“减少对旅客影响”的调整策略，同时为在极端情况下运行图“抽线”及列车停运提供指导意义[13]。

(2)现车及AEI系统接口：CTC与现车系统交互，获取现车系统中调车作业、AEI车号信息等，实现对动车组列车位置的追踪识别及处理。

3.2 设计原则

(1)数据安全使用原则

列车安全运行是智能CTC最基础的要求。CTC融合了其他系统的数据后，对影响列车安全运行的接口系统获取的数据，比如供电臂停供电、灾害监测等，需要优先进行卡控处理，并按照故障导向安全的准则进行处理。对非安全系统的接口数据，必须进行智能化筛选过滤、信息权重再分配。

(2)效率原则

铁路行车的调度指挥，受多个约束限制及多因素影响，列车智能调整是追求综合最优的NP群决策调优运算。针对调度人员需要高实时性的调整结果，智能CTC的调整需以快速引导为主，部分场景下的调整无需最优解，次优解也是可以接受的。设计时，以降低调度工作的差错率，减轻调度人员的劳动强度为主要目标；调整时，对调度员的决策进行辅助，对设备故障、其他系统故障时汇总可能影响行车的分析，充分利用外部数据保障设备安全，必要时需人工介入。

(3)接口原则

在与其他系统进行融合时，智能CTC按照“统一CTC信息平台”架构进行统一规划实施，从系统底层预留架构层面及功能层面提供平台功能模块与扩展机制，为后续更多的接口做预留、扩展及功能适配。在与其他系统进行数据联动时，智能CTC按照数据优先级进行分层处理，把数据挖掘、信息发布、信息管理等功能综合起来，实现数据整合及综合管理。

3.3 智能CTC方案设计3.3.1 智能调整设计

当前铁路局对列车管理是以调度指挥区段划分管辖范围，为此，智能CTC设计时以单个调度台为最小调整单位。在调度区段范围内，对涉及本调度台内部车站比较常规的调整规划(如股道封锁、区间封锁、区间降速)，结合调度区段的特点，给出一些次优的路径，加入到检索结果中，供给用户选择，可不必深度调整规划。通过使用过程中的积累，逐渐建立专家数据库、历史学习库，这样符合用户需求的路径规划结果更新入库后，后续同样的场景调整则可直接使用已经存储好的专家经验规划结果进行路径优化调整。另外，在调整时必须设定权重，引入权重法，目标优化时进行数据约束。在应用中，一般的爬山算法、模拟退火算法选出局部最优解或次优解，基本能满足调度区段的使用[14-15]。

从一条线路(一般会划分为多个调度台)至整个铁路网来说，智能CTC的调整规划较为复杂，每个调度台对接入交出站列车的智能调整，其影响将穿透本调度台，直接影响到下一个调度台，乃至传播到更远的线路范围。这种调整造成的扰动，需要高一级别的调整服务器进行统一设计，为此需设立路局总调整服务器进行统筹调整。在这种情况下，单纯的数学算法不能很好地解决此类问题，实际中发现，进化算法可以取得较好的效果，作为一种模拟生物进化过程的算法，典型的进化算法有遗传算法(GA)，粒子群算法(PSO)，蚁群算法(ACO)等[16-20]。

总体设计结构如图2所示。

图2 智能调度集中系统智能调整架构

3.3.2 数据融合及安全卡控设计

智能CTC系统对安全卡控在设计时主要有2个方面：(1)作业流程上的卡控；(2)突发情况下的卡控。在与其他系统联动融合处理时，可按照这2个方面进行分类处理，见表1。

表1 接口系统数据融合处理方式

上述的数据分类是以大类进行总体划分，在实际中首先应对融合的数据进行筛选、清洗、过滤，防止调度人员被太多的数据所淹没；之后对数据进行细颗粒度的甄别，再引入到智能CTC的安全卡控模块进行分类处理。

4 运行分析

由北京铁路局运营管理的京张高铁线路由2个调度台组成：京昌台(北京北至昌平，共计4站1线路所)；京包台(八达岭长城至怀安段以及崇礼支线段，共计10站)。按照上述智能CTC的结构方案，2个调度区段均部署了铁科院智能调度集中CTC1.0系统，与其他系统接口实现数据融合，于2019年12月正式开通运行。运营中发现，在多系统联动方面，智能CTC与C3+ATO接口效果较为突出，智能CTC将列车运行计划发送至C3+ATO，实现了列车按计划作业及股道精准停车；与灾害监测系统接口时，CTC能够准确地获得线路的风雨雪灾害信息，并对当前调度区段的运行图智能调整；与供电系统接口，打通了列调与电调的壁垒，优化了线路的停供电逻辑。

目前仍有部分功能需要继续优化调整，包括以下方面。

(1)在特殊场景时，调度员希望能够粗略地复视晚点列车的ATO目标运行曲线，以便根据线路情况决定列车尽可能地向前追赶。

(2)跨调度台之间的智能调整有较大的优化空间。当前铁路局范围的运输考核规则，一般是以单个调度台的列车正点率(运行图兑现率)为目标。跨台调整时如何打破台间统计早晚点的壁垒，需要进一步将算法优化升级。

(3)列调与电调之间的停送电逻辑及步骤需简洁化。由于两个系统之间的用户认证方式不同，双方交互时步骤较为繁琐，需针对既有工作流程设计新的作业流程。

(4)完善智能调整的结果展示及精细化预测。目前CTC设置了一个专门的智能调整终端进行调整结果展示，下一步需考虑提供类似地图路径导航式，将多种调整的结果分屏展示，供用户选择。另外，针对运行图局部精细化的调优也是需要优化的方向。

(5)进一步推进与其他系统的数据接口融合。CTC与客票、现车等系统间的数据融合，仍需要国铁集团层面强有力地推动。

5 结语

本文按照智能CTC技术路线及需求，明确了智能调度集中系统的定义及特征，设计并验证了智能CTC与其他系统数据融合的总体逻辑框架，确定了智能CTC多个调度区段下的智能调整结构及算法选择，并对多系统的数据如何融合处理进行科学分类，有针对地引入CTC列车安全卡控模块中，提高了调度指挥的安全检查水平。目前智能CTC仍处于螺旋式的开发迭代过程，新的接口数据仍在扩充推进中，根据京张高铁运行发现的问题，如何优化融合数据的处理逻辑及规则，优化多区段的智能调整策略，是下一步智能CTC的发展方向。