列车运行图综合分析评价系统技术方案设计

Technical Scheme Design for Comprehensive Analysis and Evaluation System of Train Working Diagram

摘要

列车运行图是铁路运输组织的基础和核心，直接影响全路列车运输组织以及路网运力资源运用效率，通过分析评价提升其编制质量十分重要。通过总结列车运行图分析评价中存在的分专业、分区域的人工为主的现状，以及在路网能力运用、列车开行品质、信息沟通效率等方面的问题，梳理列车运行图编制/调整之前、过程中以及发布实施后不同阶段的分析评价需求，从系统架构、数据架构、技术架构等方面研究技术方案，设计列车运行图综合分析评价系统功能，主要包括多源数据融合、自动统计分析、指标变化监测、执行效果评价功能模块。通过技术方案设计指导列车运行图综合分析评价系统研发，进而支撑运行图编制质量和效率的提升。

Abstract

As the foundation and core of railway transportation organization, the train working diagram directly affects the overall train transportation organization and the efficiency of transportation resource utilization in the railway network. It is very important to improve the quality of its compilation through analysis and evaluation. By summarizing the current manual labor-dominated situation based on specialties and regions in the analysis and evaluation of train working diagram, as well as issues related to the railway network capacity utilization, train operational quality, and information communication efficiency, the analysis and evaluation requirements for different stages before, during, and after the compilation/adjustment and implementation of the train working diagram were sorted out. Technical solutions were studied from the perspectives of system architecture, data architecture, and technical architecture. The functions of the comprehensive analysis and evaluation system for train working diagram were designed, mainly including multi-source data fusion, automatic statistical analysis, indicator change monitoring, and execution effectiveness evaluation function modules. Through technical solution design, the development of a comprehensive analysis and evaluation system for train working diagram was guided to support the improvement of the quality and efficiency of train working diagram compilation.

Graphical abstract

关键词

列车运行图 / 分析评价 / 系统技术方案 / 运力资源 / 运输组织

Key words

Train Working Diagram / Analysis and Evaluation / System Technical Solution / Transportation Resources / Transportation Organization

随着我国社会和经济的快速发展，铁路客货运输量逐年增长。高速和普速铁路已经成网运行，大量的动车组列车、普速旅客列车、货物列车、机车车辆投入使用，如何充分利用现有的路网基础设施和移动装备资源，满足日益增长的运输需求十分重要^[1]。列车运行图是铁路运输组织的基础，不断对其进行优化并提升编制质量，是提高运力资源运用效率的有效途径^[2]。开展列车运行图分析评价工作，不仅有利于发现目前存在的问题，而且可以挖掘客货运输需求与运力匹配的内在规律，是提升运行图编制质量的有效手段^[3]。然而，目前列车运行图分析评价仍面临多专业数据融合难、多源异构数据处理难、多因素耦合量化评价难、海量数据综合分析难等问题^[4]。因此，如何对列车运行图进行快速、全面、综合、系统、科学地分析评价以支撑全路运行图调整工作至关重要。

1　列车运行图分析评价现状

目前，大规模复杂路网覆盖了全国主要城市，大量列车的开行服务了沿线旅客和货物的运输。列车运行图在其中发挥着重要作用，其编制和调整因需要整合工务、机辆、供电、电务、运输、客运、货运等多专业海量信息，致使综合分析评价面临系统性挑战^[5]，现阶段仍以分专业、分区域的人工分析评价方式为主。

由于铁路运输涉及专业多，目前各专业主要负责自身与运行图相关情况分析评价^[6]。工务部门主要分析线路和车站基础设施，根据技术变化和运输需求不断优化线路和车站条件，提出施工天窗设置和优化建议。电务部门主要负责通信信号及列车运行控制系统设备的分析及优化，提出相关设备及系统的优化方案。机辆部门主要负责高速动车组和普速客车、货车、机车的运用及检修、乘务人员排班计划、运行标尺测算等，提出移动装备和相关人员的运用优化建议。供电部门主要负责电气化区段供电方式、牵引变电所、分相等设置和管理，提出维修天窗设置方案。客运部门主要负责客流预测、客运组织、列车开行效益评估等，不断根据市场变化优化列车开行方案。货运部门主要负责普通货车的编组计划、车流径路以及班列开行方案分析及优化工作。运输部门综合各专业信息，确定间隔时间标准，结合客货列车开行方案和路网能力运用，开展列车运行图的全面分析评价。目前这种分专业的分析评价模式导致信息沟通、能力运用、方案落实不充分的情况。

各铁路局集团公司按照其管辖区域，使用列车运行图编制系统^[7]中指标统计模块的列车、车站、区间、分界口等信息的计算和展示功能，但由于列车运行图编制系统不满足复杂多维度的分析评价需求，因此以人工分析评价为主。从列车开行、线路能力运用、客货运输需求、调度指挥执行、移动装备运用、列车客座率及收入等方面，针对管辖范围内运力资源运用中存在的问题，结合客运列车开行方案、货运班列开行方案、编组计划、车流径路、天窗设置等提出优化建议。中国铁路上海局集团有限公司研发了列车运行图综合评价系统，主要包括基础数据管理、综合评价体系、执行效果分析、多版本对比分析等功能，但是主要限于对其管内列车进行分析评价，对于全路范围的列车运行图优化支撑不足。当前分区域分析评价模式，使得跨区域运行的列车在开行品质、到达出发时刻(简称“到发时刻”)、服务范围、能力运用等方面存在优化空间。

2　列车运行图综合分析评价系统方案设计

2.1　需求分析

列车运行图分析评价需求主要分为3个阶段，分别为确定目标阶段、查找问题阶段、提出建议阶段，列车运行图分阶段分析评价需求示意图如图1所示。其中，查找问题又可以分为列车运行图编制/调整过程中(简称“调图中”)和列车运行图发布实施后(简称“实施后”)2个部分，提出建议主要是列车运行图编制/调整之前(简称“调图前”)。

列车运行图分析评价以效率提高和效益提升为目标^[8]，其中，效率方面包括线路、枢纽、车站、移动装备等运力资源运用效率^[9]，效益方面包括客货运输效益和社会效益。

查找问题主要是针对调图中和实施后，可以分为分析评价角度确定、指标选取、问题析出。调图中，针对从不同种类列车，如：普速铁路的直达、特快、快速列车等，高速铁路的G字头、D字头、C字头等，选取旅行时间(简称“旅时”)、旅行速度(简称“旅速”)、停站时间、停站次数、到发时刻等指标^[10]，形成品质较低列车库；从线路的区段列车数量、平均旅速、总停站次数、总走行公里等指标，以及从车站的接发列车数量、枢纽列车开行总数等指标，监测能力未提升的线路或车站；从铁路局集团公司的列车开行数量以及整体技术指标对其调整情况进行监测；从服务国家战略角度中区域间列车数量、重点城市间旅时变化等指标，监测重要战略落实情况。实施后，从开行兑现角度利用调度数据选取实际开行天数、列车晚点情况、图外列车增开情况等相关指标^[11]，形成兑现率较低列车库；从开行效益方面利用客运数据选取客座率、列车收入、单位移动装备收入、单位座席收入等指标进行评价^[12]，形成效益较低列车库；针对移动装备运用效率方面选取走行公里、旅时、折返时间、上线时间等指标进行评价^[13]，形成效率较低移动装备库。

提出建议主要是针对调图前。优化措施方面包括：移动装备运用优化措施^[14]，如调整移动装备类型或等级、调整移动装备担当、调整交路运用等；路网能力利用优化措施^[15]，如列车开行结构优化、天窗优化等；列车开行品质及效益优化措施，如停站优化、到发时刻优化、更改列车运行区段等。建议方案是根据上述的措施，具备优化调整条件的，提出具体的移动装备运用优化建议方案、线路运行图方案、列车运行线方案等，需进行移动装备升级、路网基础设施改造、运输组织技术优化的，提出相应建议。

2.2　系统架构方案

系统部署在铁路主数据中心，架构分为基础平台层和业务支撑层。基础平台层包括运输专业的运输管理系统、客运专业的客运管理系统、货运专业的货运管理系统、调度专业的调度指挥系统、工务和电务专业的固定设施管理系统、机辆专业的移动装备管理系统，这些系统向铁路主数据中心传输运行图分析评价所需的各专业数据构成数据底座。业务支撑层是列车运行图综合分析评价系统，主要包括多源数据融合、自动统计分析、指标变化监测、执行效果评价等功能模块，系统通过汇集和处理各专业数据，提供列车运行图的统计、分析、评价结果。系统架构如图2所示。

2.3　数据架构方案

系统数据架构以外部系统提供的数据为基础，系统内部划分为基础数据层、指标数据层、分析评价层，数据架构如图3所示。固定设施管理系统提供路网数据，结合线路、区段、车站的列车数据，支撑路网能力运用分析。运输管理系统提供运行图数据，形成速度类、停站类、时刻类数据，用来分析列车开行品质。移动装备管理系统提供交路数据，转换为移动装备型号、数量、运用时间等数据，支持移动装备运用效率分析。客运管理系统提供客运效益数据，基于起讫点(Origin-Destination，OD)数据、客座率、收入、候补等数据，用于运行图的客运执行效果评价。调度指挥系统提供调度基础数据，根据列车实际到发时刻、晚点情况、停站时长、开行天数等数据，支撑运行图的调度执行效果评价。社会经济系统提供行政区域、人口、GDP等数据，结合区域间列车开行数量、时间、停站等数据，为服务国家战略分析提供支撑。

2.4　技术架构方案

技术架构如图4所示，分为6层。基础资源层是铁路主数据中心的虚拟化云平台，包含内存、硬盘、处理器、网络设备、操作系统、应用软件等。专业数据层主要包括客运、货运、调度、机辆、工务、运输、电务、社会经济等业务系统数据。技术支撑层包括内外部接口、数据挖掘方法、模式识别技术、大数据技术、可视化技术等。数据处理层包括数据整理、清洗、归约、变换、提取、分组、集成等。业务应用层主要包括数据解析和融合、线路能力分析、车站能力分析、列车开行品质分析、移动装备运用效率分析、技术指标变化监测、客运执行效果评价、调度执行效果评价等。展示层主要是通过Web浏览器和应用软件进行访问。

3　列车运行图综合分析评价系统功能设计

系统功能应满足列车运行图编制质量和效率提升的需求，围绕调图前、调图中、实施后的全过程进行全面和系统的分析评价，为不同层级和阶段提供决策支撑。因此，针对多源异构多业务系统数据融合、大量运行图相关数据的快速统计和分析、动态实时变化的运行图快速监测、新图实施后的执行情况分析等需求，形成多源数据融合管理、自动统计分析、指标变化监测、执行效果评价模块，功能架构如图5所示。

3.1　多源数据融合管理

多源数据融合模块对接入所有系统的数据进行标准化、规范化、统一化处理，形成相互关联且准确映射的可分析数据。路网数据管理集成所有系统的线路、区间、车站、车场、股道等信息，形成统一的基础路网。此外，基于列车运行图数据，将交路、调度、客运、货运等涉及的列车到发时刻、停站、走行径路、移动装备、技术参数等数据进行一致性处理。以此形成一套以路网和运行图为核心的数据底座，为列车运行图综合分析评价提供基础。

3.2　指标自动统计分析

自动统计分析主要针对调图前的情况。一是实现路网能力运用分析，包括通道能力、多径路能力、线路能力、区间能力、车站能力等分析功能。二是实现列车开行品质分析，包括到发时刻合理性、旅时、旅速、停站分布及均衡性等分析功能。三是实现移动装备运用效率分析，包括移动装备走行公里、运用时间、周转时间等分析功能。四是列车开行效益，包括列车收入、单位移动装备日均收入、单位座席日均收入、客座率等分析功能。通过自动统计和分析，发现运行图中存在的问题和规律，为列车运行图调整提供参考。

3.3　指标变化监测

指标变化监测针对调图中的情况，主要对动态变化的运行图的列车指标、线路指标、车站指标、服务国家战略相关指标、各铁路局集团公司技术指标等进行监测，及时了解客运方案兑现情况以及取得的效果。针对重点调整的列车，从到发时刻、旅时、旅速、停站分布及时间、覆盖范围变化等方面进行监测。针对重点调整的线路，从各区段列车开行数量、平均速度、平均停站次数及时间、总走行公里等方面开展监测，对于未实现能力提升及效率优化的情况及时提醒。针对重点调整的枢纽，从各车站不同方向接发列车数量、整体枢纽能力运用及效果方面开展监测，实时展示枢纽优化情况。针对服务国家战略，从服务县域及乡村振兴、各区域及地区发展、运输能力提升、覆盖范围变化等角度开展监测。针对各铁路局集团公司技术指标变化，从其管内的列车速度、停站、旅时、走行公里等方面进行监测。

3.4　执行效果评价

执行效果评价对实施后的列车运行图从各专业的角度进行全面评价。基于客票数据的评价，从客流和列车收益数据等方面对客流需求的满足和客运收入进行评价，从旅客运输能力提升、移动装备运用效益提升的角度开展评价并提出优化建议。基于调度数据的评价是指根据列车车次、车站实际到发时刻、晚点时间、股道占用等，从调度执行效果的角度，对区间运行标尺、间隔时间、停站时间等开展兑现情况评价。基于货运数据的评价是指根据班列开行、区段货物列车开行数量等数据对重点列车开行效果和繁忙区段能力运用进行评价。基于交路数据的评价是指根据交路中列车组成、乘务担当、车辆担当、移动装备运用组数及型号等，同时结合收入和客座率等数据对整个交路中移动装备运用情况进行评价。

4　结束语

列车运行图分析评价对于提升其编制的质量和效率具有重要意义。通过梳理列车运行图分析评价现状以及各阶段的优化调整需求，设计列车运行图综合分析评价系统架构、数据架构、技术架构、功能架构等方案，主要实现多源数据融合、调图前的指标自动统计分析、调图中的指标变化监测、实施后的执行效果评价等功能，这些技术方案有助于系统的研发，进而支撑后续列车运行图快速分析及辅助决策。列车运行图数据规模庞大、信息错综复杂，如何将大数据技术、数据挖掘方法、人工智能技术应用于系统，以实现列车开行规律挖掘，需要继续进行深入研究。

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基金资助

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(P2023X011)

中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目(2023YJ322)