高铁晚点列车智能调度系统的研究与开发

陈 珺，苗 茁

（1. 中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081；2. 中国国家铁路集团有限公司 运输调度指挥中心，北京 100844）

列车正点运行是旅客关注的焦点，提高旅客列车正点率一直是运输调度工作的重点。随着铁路客运需求和运能的不断增长，铁路旅客列车日开行列数日益增加，高峰期每日已近万余列，调度员面临着越来越大的工作压力和挑战。

目前，中国国家铁路集团有限公司（简称：国铁集团）和铁路局集团公司调度员对在途列车运行晚点情况的掌握主要通过查询列车运行图，缺少可快速、全面获取全路或管内所有晚点列车信息的工具。在全路推广应用的旅客列车正晚点统计分析及考核系统[1]已取得良好效果，但只能提供滞后的晚点列车统计及晚点原因分析，不能实时地提供全路运行列车晚点信息。中国铁路太原局集团有限公司研发的旅客列车正晚点实时分析系统[2]可实时地提供本局集团公司管内列车晚点信息，但不具备晚点列车调整功能，对调度工作的辅助支持不够充分。为此，研究开发高铁晚点列车智能调度系统（简称：系统），以图形化方式直观显示晚点列车实时分布状况[3]，方便调度员对运行列车晚点情况随时跟进，同时提供重点监控晚点列车运营信息查询、晚点时间自动估算、晚点列车智能调整等功能。目前，系统1.0 版本已在全路正式应用，效果良好，可大幅提升调度员工作效率。

1 系统主要功能

1.1 列车晚点实时监控

提供雷达图和GIS 地图2 种图形化的列车运行晚点监控界面，让调度员能够对在途晚点列车的总体分布状况做到一目了然。

在雷达图形式的全路高铁晚点列车实时监控界面上，平面极坐标系被分为18 等份，每20 度极角范围代表一个铁路局集团公司，极径范围与列车晚点程度关联，距离中心越近表示晚点程度越高，需调度员重点关注。如图1 所示，图上每个圆点代表一列晚点列车，根据列车运行当前局集团公司和列车晚点时长，可确定圆点在雷达图上的显示位置。

图1 全路高铁晚点列车实时监控界面（雷达图）

在GIS 地图形式的全路高铁晚点列车实时监控界面上，根据晚点运行列车的经纬度确定列车的显示位置，以不同颜色区分其晚点程度，如晚点1 h 以上的列车用红色表示，晚点30 min 以上、1 h 以内的列车用黄色表示，晚点30 min 以下的列车用绿色表示。

1.2 重点监控列车晚点预警

对于晚点超过20 min 的晚点列车将作为重点监控列车，要求调度员予以重点关注，优先制定调整方案。针对这类重点监控列车的晚点预警，系统通过调用数据服务接口，自动获取和整合调度员需要关注的重点监控列车相关运营信息，在数据表格形式的重点监控列车晚点预警清单中集中显示，包括车次、类型（直通/管内）、始发站、终到站、始发时刻、终到时刻、晚点时间、当前局集团公司、途经局集团公司、担当局集团公司、后续车次、折返时间、编组、车型、定员、车上人数等。借助重点监控列车晚点预警清单，调度员无需再费时费力从不同系统收集晚点列车的相关信息，作业效率可大幅提升。

1.3 列车晚点原因分析

列车晚点原因可分为自然灾害、铁路交通事故、设备故障和其他原因4 个大类，每个大类的晚点原因还可进一步进行细分[4]。列车发生晚点后，调度员首先需要核实列车晚点原因，通过系统记录晚点原因，便于列车晚点信息的传递沟通与统计分析。对各种列车晚点原因进行统一分类，并在系统维护功能模块中完成设置，调度员录入晚点列车原因时，仅需选择相应选项即可；另外，统一设置列车晚点原因类别，也有利于系统快速自动生成统计结果。调度员可通过分析，发现经常性导致晚点的惯性晚点原因类别，对惯性晚点原因进行重点处置，制定针对性的晚点应急预案。今后还可借助数据挖掘技术，进一步研究不同类别晚点原因造成晚点时长的趋势，实现对列车未来晚点时长的预测。

1.4 调整方案协同制定

国铁集团、列车担当局集团公司和列车终到局集团公司的调度员可在系统支持下，协同完成晚点列车调整方案的制定。系统根据晚点调整规则模型，自动选用调整策略，并同步推送给国铁集团及相关铁路局集团公司调度员；铁路局集团公司调度员可直接采纳系统推荐的调整策略，或自行手动调整；国铁集团调度员汇集相关铁路局集团公司调度员的调整策略，形成最终裁定的调整策略；系统根据最终裁定的调整策略，自动生成调度命令，下发给相关铁路局集团公司的有关部门；铁路局集团公司列车调度员依据调度命令，完成对列车运行计划的调整。

2 系统技术架构

系统采用“平台+应用”分层架构[5]，基于LayUI、Spring Boot、Spring Cloud 等 技 术 框 架，采 用Java、Html5 和JavaScript 语言编码实现。数据存储结合Oracle 和Hadoop 数据库，采用Spark 框架完成数据处理，系统技术架构如图2 所示。

2.1 前端UI 层

系统采用B/S 应用模式，网页版操作界面基于LayUI 框架实现，提供雷达图和GIS 地图2 种方式的晚点列车实时动态监控和预警界面；其中，雷达图方式的监控界面使用Html5 Canvas 技术绘制，GIS 地图方式的监控界面基于SuperMap 组件绘制。

图2 系统架构示意

2.2 服务层

包括基础服务、业务服务和数据服务3 个模块，利用SpringCloud 微服务架构实现服务治理；基础服务模块包括身份认证、权限管理、日志管理、GIS 服务、微服务配置等功能；业务服务模块包括列车运行晚点监控、列车晚点时间推算、重点监控列车晚点预警、列车运营信息查询、调整策略智能推荐、调整方案协同制定、列车晚点原因分析等功能；数据服务模块负责从外部系统采集数据，完成数据处理后提供数据服务。

2.3 数据层

主要负责数据存储，采用Oracle 关系型数据库和Hadoop 分布式文件系统2 种类型数据库存储数据，利用不同类型数据库的优势提升数据访问效率；其中，Oracle 关系型数据库是基于行的存储方式，适用于需要获取或更新单行值的事务处理，用于实时交互的系统内部数据存储在Oracle 数据库中；基于分布式架构的Hadoop 文件系统是基于列处理的存储方式，适用于存储和计算海量数据，历史数据及从外部采集的数据均存储在Hadoop 分布式文件系统中，以利用不同数据库数据存储方式的优势来提升数据访问效率。

3 关键技术

3.1 晚点时间估算

列车运行图上显示的列车晚点时间是当前运行列车在通过最近一个车站时的晚点时间[6]。当列车因故障或某种特殊情况在车站或者运行区间长时间停留时，列车运行图上显示的晚点时间就会不准确。为此，研究列车晚点时间估算算法，按照列车区间停留和在站停留2 种场景分别进行估算。

（1）列车区间停留晚点时间估算

假设高铁列车GX在A 站至B 站区间由于故障停车，计划到达B 站时间为TB，从故障停车点到B 站的区间运行时分为TB−T。若当前时间TC下列车故障仍未修复，则列车当前预计的晚点时间Ws可由式（1）计算得到：

式（1）成立的假设条件是列车在停车点至B 站之间不再发生运行晚点，且区间运行时分已知。

若区间运行时分暂不可知，则由式（2）估算大致的晚点时间为：

（2）列车在站停留晚点时间推算

假设高铁列车GX在C 站由于故障停车，计划从C 站出发的时间为TFC；若当前时间TC下列车故障仍未修复，则列车当前预计的晚点时间WS可由式（3）计算得到：

通过上述列车晚点时间推算算法，计算出的晚点时间可更加准确地反映晚点列车在站或区间停留晚点的真实情况，为后续的调度调整提供更准确的依据。

3.2 晚点列车调整

目前，当调度员需要对晚点列车进行调整时，主要以电话沟通的方式，协商确定晚点列车的调整方案，工作效率较低。为此，将调度员处置晚点列车的经验总结为若干晚点列车调整规则，以晚点列车的终到晚点时间、后续折返列车、终到局集团公司、担当局集团公司等相关信息作为输入条件，系统自动判断和选用合适的调整规则，形成推荐的晚点列车调整策略提供给调度员，调度员可直接确认采纳，也可手工修改。

目前，系统已实现以下4 种晚点列车调整策略的自动推荐[7-8]。

3.2.1 不予调整策略（晚到晚开）

（1）终到晚点时间WZD小于等于1 h；

（2）终到晚点时间WZD大于1 h，且当日没有后续折返列车TRz f；

（3）终到晚点WZD大于1 h，且列车终到局BZD不是列车担当局BDD；

对以上任意一种晚点列车均不进行调整，实行晚到晚开。

3.2.2 优先放行策略

（1）直通动车组相较于管内动车组优先放行，将直通动车组加权值Type设为2，管内动车组加权值Type设为1；

（2）动车组终到晚点时间WZD大于3 h，且后续交路车次预计终到时间NTTimeZD在次日凌晨1：00（Time1）以后；

（3）预计终到时刻TTimeZD晚于次日凌晨2：00（Time2），严重影响天窗；

对（2）、（3）两种情况，根据输入参数，由式（4）计算V值：

若V值为true，则推荐实行优先放行，并根据不同列车类型加权值大小，确定列车优先放行顺序。

3.2.3 交路调整策略

当前运行晚点时间WYX大于1 h，且列车担当局集团公司BDD与终到局集团公司BZD一致，可考虑启用热备动车组，生成交路调整建议；即由式（5）根据输入参数计算VCL值：

若VCL值为true，则推荐采用交路调整策略。

3.2.4 后续停运策略

晚点动车组后续交路车次预计始发晚点WNTS F大于3 h，或当前运行动车组途中折返时，推荐采用后续交路停运策略。

4 系统应用与完善

高铁晚点列车智能调度系统1.0 版本于2019 年10 月在国铁集团和全路各铁路局集团公司调度所投入试用。国铁集团调度指挥中心高铁调度员和铁路局集团公司调度所高铁相关岗位参加系统的试用。在系统试用期间，根据用户反馈意见与建议，对系统进行多次完善。目前，系统运行稳定，应用效果良好，显著提升了调度员处理高铁晚点列车的工作效率，推进智能运输调度技术在高铁行车组织中的应用。

5 结束语

高铁晚点列车智能调度系统采用“平台+应用”的架构设计，在建立数据服务平台的基础上，可快速实现应用功能开发。采用数据可视化技术，为调度员实时监控晚点列车动态提供直观、便捷的手段；基于列车晚点时间估算算法和晚点列车调整策略，可较为准确地估算列车当前晚点时间，以及根据晚点列车的不同情况，向调度员推荐合适的晚点列车调整策略，系统功能具有一定的智能化水平，有助于减轻调度员的工作强度。

系统1.0版本已实现列车运行晚点监控、重点监控列车晚点预警、列车晚点原因分析、晚点列车调整方案协同制定4项主要功能，后续将开发列车晚点调整调度命令自动生成下发、晚点列车统计分析、列车晚点预测等功能；同时，深入研究历史晚点事件分析，从外部系统收集更多相关信息，运用大数据分析处理、数据挖掘、机器学习等智能技术，对列车未来晚点时间进行更精准的估算。