Automatic projection system for occupied line program diagram of railway passenger station
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摘要:
为改善铁路客运站基于计算机手动绘制占线程序图的现状，提高客运站日常工作绘图效率，确保客运站到发线运用方案编制的合理性，设计了铁路客运站占线程序图自动化推演系统。构建占线程序图动态绘制算法及仿真流程，实现占线程序图动态绘制、到发线运用方案实时评价及机车车辆作业过程推演。在中国铁路沈阳局集团有限公司大连站的仿真应用表明，该系统简化了占线程序图绘制过程，可实时判断并量化评价方案中存在的冲突，为客运站工作人员编制、优化到发线运用方案提供参考。
Abstract:In order to improve the current situation of manually drawing occupied line program diagrams based on computers at railway passenger stations, improve the efficiency of daily work diagram drawing, and ensure the rationality of the operation scheme for arrival and departure lines, this paper designed an automated projection system for occupied line program diagram of railway passenger station. The paper constructed a dynamic drawing algorithm and simulation process for occupied line program diagrams, implemented dynamic drawing of occupied line program diagrams, real-time evaluation of operation scheme for arrival and departure lines, and projection of locomotive and vehicle operation processes. The simulation application at Dalian Station of China Railway Shenyang Group Co. Ltd. shows that the system simplifies the process of drawing occupied line program diagrams, can judge and quantify conflicts in the evaluation plan in real time, and provide reference for passenger station staff to prepare and optimize the operation scheme of arrival and departure lines.
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铁路局集团公司通常在每季度初及节假日期间向客运站下发新的列车运行图，客运站技术科基于此编制到发线运用方案，车辆段编制库线运用方案后再由客运站技术科根据这两种运用方案绘制占线程序图、整理旅客列车时刻表并下达调图通知。目前，占线程序图采用在AutoCAD中人工绘制的方法，耗时长、效率低且容易出错。当客运站作业受到干扰，需要在短时间内绘制新的占线程序图时，该方法无法满足客运站的工作需求。随着高速铁路“一日一图”的逐渐普及，客运站对绘图效率的要求不断提高，利用计算机技术绘制占线程序图可在运输组织作业推演、提高生产作业效率、保障行车组织安全等方面发挥重要作用。
随着计算机技术的迅猛发展，计算机仿真技术得到普及和推广，通过仿真模型模拟实际系统的运行来认识其规律，具有高效、安全、受环境约束少等优点，可应用于铁路设备性能优化、设备状况监测、铁路行车仿真、数字孪生等方面的研究[1]。目前，国内外学者主要将该项技术应用于列车调车作业计划仿真分析[2-3]、客运站到发线运用方案仿真分析[4-5]、列车运行仿真模拟等方向[6-7]，关于利用仿真技术动态绘制客运站占线程序图的研究较少。
综上，本文设计铁路客运站占线程序图自动化推演系统（简称：占线程序图自动化推演系统），自动读取旅客列车时刻表，实现铁路客运站占线程序图动态绘制、到发线运用方案实时评价及机车车辆作业过程推演。
1 系统设计
1.1 系统总体架构
占线程序图自动化推演系统总体架构如图1所示。
（1）采集层：基于Anylogic内置数据库，分计划采集数据内容并存储。采集内容包括到发线运用计划、库线运用计划及调车作业计划。
（2）数据层：基于已采集的数据，设计占线程序图动态绘制算法，进行数据标准化、数据转换等操作。
（3）展示层：构建站场结构模型、占线程序图动态绘制模型，实现占线程序图的实时动态绘制及机车车辆作业过程推演。
1.2 系统功能
根据客运站技术人员工作内容及实际需要，设计占线程序图自动化推演系统的功能。
（1） 机车车辆作业过程推演功能：提供俯视站场角度的机车车辆走行过程，用户可清楚明了地观察站场内部各条线路的占用情况及列车车次等相关的列车信息。
（2）占线程序图动态绘制功能：自动读取并分析数据库内容，随时间线移动、逐步铺画占线程序图并显示提示信息，自动生成符合客运站生产要求的占线程序图，绘制用时短、准确度高，可替代基于计算机手动绘制的方法，提高工作效率。
（3）到发线运用方案实时评价功能：绘制过程中，基于到发线运用方案对占线程序图绘制内容进行实时评价，并对方案中存在的冲突进行预判，甄别方案编制的合理性、可取性，量化评价占线程序图，具有输出图表、自动检查及提醒等功能， 为工作人员修改、优化到发线运用方案提供参考。
2 占线程序图的绘制与评价
2.1 占线程序图动态绘制
占线程序图的绘制内容包含折线及列车车次、列车始发站、列车终到站等文本内容，实现原理如图2所示。
每间隔1 min更新一次占线程序图绘制状态及相应的评价指标数值，在绘制的同时，自动对下1 min即将绘制的计划内容进行安全间隔时间的冲突预判，若存在冲突，则自动停止绘制并进行报错提醒。
2.2 到发线运用方案评价
为了满足到达同一到发线的2列列车在作业时间间隔上应不小于最小安全时间间隔的要求，设置到发线作业的安全间隔时间约束，对当前到发线运用方案的可取性进行判断。同时，为在保障铁路运输工作安全的同时，合理使用到发线资源，提高客运站工作的作业效率及抗干扰能力，采用股道利用率、到发线使用时间方差对当前到发线运用方案进行实时评价[8]，评价指标计算如下。
到发线作业的安全间隔时间约束可表示为
$$ t_{{l_2}}^a - t_{{l_1}}^a \geqslant T $$ (1) 股道利用率
$ \eta $ 可表示为$$ {x}_{li}=\left\{\begin{array}{l}\begin{array}{cc}1& 列车l占用到发线i\end{array}\\ \begin{array}{cc}0& 否则\end{array}\end{array}\right. $$ (2) $$ \eta =\frac{{T}_{l}^{a}\cdot {x}_{li}}{1\;440} $$ (3) 到发线使用时间方差
$ D $ 可表示为$$ D=\frac{1}{n}{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}\Biggr({\displaystyle \sum _{l=1}^{m}{T}_{l}^{a}}\cdot {x}_{li}-\frac{1}{n}{\displaystyle \sum _{l=1}^{m}{T}_{l}^{a}}\Biggr)}}^{2} $$ (4) 式（1）～式（4）中，
$ L $ 为列车集合，$ l $ 为列车按照到站顺序排列的编号，$ l_2 > l_1且l\in L $ ；$ m $ 为列车总数；$ t_{{l_1}}^a $ 为股道$ a $ 第$ {l_1} $ 列列车开放发车进路的时刻，$ t_{{l_2}}^a $ 为股道$ a $ 第$ {l_2} $ 列列车开放接车进路的时刻；$ T $ 为最小安全时间间隔，单位为min；$ T_l^a $ 为第$ l $ 列列车占用股道$ a $ 的时长，单位为min；$ I $ 为到发线集合，用编号$ i $ 表示，$ i\in I $ ；n为到发线总数。3 占线程序图动态绘制算法及仿真流程
由于各个客运站的站型、作业车辆种类存在不同，因此占线程序图之间存在差异。针对本文的研究实例，旅客列车占线程序图大致可分为到发线图示模块、库线图示模块及调车机动态模块。在填充逻辑前，构建包含时间及股道的占线程序图物理框架作为绘图的坐标参照点，将到发线运用方案、库线运用方案、调车作业计划随时间图形化呈现，快速输出符合客运站生产要求的客运站占线程序图，并通过评价指标判断计划的可取性、合理性。
3.1 到发线图示模块
到发线图示模块共包含5类图形，图形以折线的方式呈现，如图3所示，分别表示立折列车、出库列车、入库列车、临时入库列车及临时出库列车。其中，立折列车的注释内容包含到达车次、出发车次、始发站、终到站；出库列车及临时出库列车的注释内容包含出发车次和终到站；入库列车及临时入库列车的注释内容包含到达车次和始发站。
为了建立图形形状与时间之间的强联系，设计图形绘制的计算方法。
折线及文本的横坐标
$ {X_1} $ 可表示为$$ {X_1} = \frac{{{t_0} \cdot h}}{{1\;440}} + a $$ (5) 折线的长度
$ d $ 可表示为$$ d = \frac{{(t - {t_0}) \cdot h}}{{1\;440}} $$ (6) 式（5）、式（6）中，
$ {t_0} $ 为列车占用股道的初始时刻，单位为min；$ h $ 为占线程序图物理框架的长度，用像素表示；$ a $ 为占线程序图物理框架原点的横坐标，用像素表示；$ t $ 为模型当前时间，单位为min。绘制过程中采取的折线类型由模型基于数据库数据自动判断，图形的纵坐标根据列车占用股道判断选取相应参数。到发线图示模块的仿真流程如图4所示。
实时读取列车相关信息数据，每间隔1 min判断一次当前时间是否存在列车到达，若存在，则读取
$ {X_1} $ 及列车对应的到达股道、到达车次等信息，调用股道对应的纵坐标参数，判断列车类型并生成相应类型的折线和文本，当列车离开股道时，折线绘制结束。3.2 库线图示模块
库线图示模块包含3类图形，如图5所示，图形以折线的方式呈现，分别表示跨夜出库列车、跨夜入库列车、出/入库列车，注释内容包含入库车次及出库车次。
库线图示模块的绘制算法参考到发线图示模块的内容。不同的是，采用的折线类型取决于列车是否为跨夜列车，同时，须考虑夜间的库内转线作业并将相关内容在相应位置呈现出来。库线图示模块的仿真流程如图6所示。
每间隔1 min判断一次当前时间是否存在列车入库，若存在，则读取
$ {X_1} $ 及列车对应的入库库线、入库车次，调用入库库线对应的纵坐标参数，判断列车是否夜晚停留在库线，以及列车中是否包含临时旅客列车。如该条库线夜晚无列车停留，则在当前时间等于入库时间时在对应位置生成相应类型的折线，并在对应位置生成包含入库车次的文本，在当前时间等于出库时间时结束绘制，并在对应位置生成包含出库车次的文本。
当库线存在夜晚停留列车，判断库线是否存在列车转线，如需要转线则在零点读取转线车次并开始绘制图形，在当前时间等于该列车出库时间时结束该折线的绘制，并在对应位置生成包含出库车次的文本，然后进行上段的绘制操作；如不需要转线则在零点读取入库车次。
3.3 调车机动态模块
调车机动态模块通过矩形来呈现，注释内容包含调车机车作业车次，图形的纵坐标通过列车连挂车辆入库或出库来进行区分。当出现临时旅客列车，需要对其进行额外的图形处理。
图形绘制的计算方法如下。
矩形的横坐标
$ {X_2} $ 可表示为$$ {X_2} = \frac{{{t_1} \cdot h}}{{1\;440}} + a - 10 $$ (7) 矩形的长度
$ m $ 可表示为$$ m = \frac{{(t - {t_1}) \cdot h}}{{1\;440}} $$ (8) 文本的横坐标
$ x $ 可表示为$$ x = \frac{m}{2} + {X_2} - 10 $$ (9) 式（7）～式（9）中，
$ {t_1} $ 为调车机车开始作业的初始时刻，单位为min。调车机动态图示模块的仿真流程如图7所示。
实时读取调机作业的相关信息数据，每间隔1 min判断一次调机作业状态。当调机开始作业，读取
$ {X_2} $ 及调机作业类型，根据作业类型判断矩形生成的纵坐标，随着作业进行，矩形长度$ m $ 及表示作业车次的文本的横坐标$ x $ 不断变化；当调机作业结束，则矩形绘制完成。4 系统应用
基于前文对占线程序图动态绘制的算法设计及仿真流程，在Anylogic环境下，以中国铁路沈阳局集团有限公司大连站为例，进行相应的模型构建。根据计划内容对大连站机车车辆作业过程进行仿真推演，展示了实际场景中到发线运用方案、库线运用方案的执行内容；基于列车运行须满足的安全时间间隔，实时对方案进行冲突判断，并实时更新到发线股道利用率及到发线使用时间方差，实现了对方案的实时评价，达到了“提质增效”的工作目标。
4.1 可视化展示
占线程序图自动化推演系统将车场线路及旅客列车占线程序图的到发线图示模块作为动态绘制界面的主视图，通过机车车辆的动画移动模拟展示了到发线运用方案及库线运用方案的现场运营效果。为了给客运站工作人员提供更细致的观察视角，本系统设置了多角度的客运站局部视图，解决了纵列式车场视图狭长的问题。
由于占线程序图内容繁杂，为方便工作人员输出完整的占线程序图并对细节进行审核，本系统分别设置了占线程序图的整体视图，以及到发线图示模块、库线图示模块、调车机动态模块的局部视图，完整地还原了现已投入使用的占线程序图绘制效果，符合客运站日常工作要求。其界面布局如图8所示。
本系统界面内容包括主菜单、列车作业进路显示面板及旅客列车占线程序图绘制面板，其中，主菜单包括主界面、占线程序图、逻辑界面、推演起止时间、3D视图、多角度视图等6部分，占线程序图功能区可显示大连站旅客列车占线程序图绘制的整体效果。
4.2 统计信息实时提醒
（1）方案评价指标
为对当前绘制方案进行定量实时评价，本系统设置了方案实时评价指标，包括股道利用率和到发线使用时间方差。当股道利用率趋向于同一数值、到发线使用时间方差越小时，表明当前方案越符合均衡利用到发线的编制目标。均衡利用到发线能有效提高客运站作业效率，增强客运站作业抗干扰能力。
（2）方案冲突判断
为了满足列车运行安全时间间隔要求，本系统在动态绘制占线程序图的过程中实时逐条判断下一条计划内容是否存在冲突，若存在冲突则停止运行并进行冲突提示，提示内容精确到错误所在的股道位置及错误原因。该功能的设置可帮助运转车间工作人员对初步制定的到发线运用方案进行预判，甄别方案内容是否存在冲突错误。
5 结束语
本文设计开发的铁路客运站占线程序图自动化推演系统，实现了占线程序图的动态绘制、到发线运用方案的实时评价、冲突判定及机车车辆走行过程的推演仿真，便于直观掌控与审核客运站到发线运用方案编制情况，推动客运站生产计划图表自动化发展。未来，将从自动化编制到发线运用方案并基于此铺画占线程序图的角度出发，实现到发线运用方案的编制、铺画一体化智能化转变，最终实现占线程序图的智能实时调整。
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