地铁平行交通管理系统

地铁平行交通管理与控制系统

摘要

地铁的日常管理与控制过于复杂，传统方法难以应对。基于人工系统、计算实验和平行执行（ACP）方法，提出了地铁平行交通管理与控制系统（PTMS‐地铁）。首先，构建了地铁动态状态感知与管理平台（SPMP‐地铁），设计并构建了人工地铁系统（ASS），并通过SPMP‐地铁的实时数据进行验证。然后，开展计算实验平台的设计内容与建设过程。最后，通过实际地铁系统与其ASS之间的平行执行系统交互，可对一系列实用的管理与控制算法进行验证和优化。PTMS‐地铁能够实现诸如实时监控、预警、预测、调度优化、事件管理等先进功能，从而提高其可靠性、效率、安全性和服务水平。SPMP‐地铁和PTMS‐地铁已在苏州中国地铁1号线和2号线上进行试点，成功实现了预期成果和效益。

索引术语

地铁，ACP方法，状态感知，人工地铁系统，计算实验平台，平行执行系统。

一、引言

地铁已成为越来越多城市缓解交通问题的首选。然而，地铁潜在地是一种危险的交通工具。通常情况下，地铁一般在地下封闭空间或高架桥上运行，存在诸多弊端特征包括紧密性、抗阻塞性以及高度密集的人员和设备。一旦发生突发事件，地铁往往伴随着不可预测的伤亡事件和财产损失。近年来，全球各地地铁发生了多起伤亡事件。因此，如何提高并保障地铁的安全性和可靠性是一个挑战性研发课题。

而且，地铁的运营是一个非常复杂的过程，受到多种因素的影响。传统仿真平台主要基于物理地铁系统的数学模型开发，但遗憾的是，很少考虑社会和人员因素的影响。此外，地铁系统的复杂结构本质上容易受到人为疏忽对其运营和管理的影响，以及局部小规模损坏和事故带来的随机干扰。为了应对这些人因导致的事故，对复杂地铁系统的人为因素进行建模、分析和管理是自然且重要的要求。

本文基于ACP方法，设计与开发了地铁平行交通管理与控制系统（PTMS‐地铁）。其余内容组织如下：第二节介绍PTMS‐地铁的主要内容和功能；第三节为试点案例研究；最后在第四节得出一些结论。

II. 平行交通管理与控制系统（地铁）(PTMS‐地铁)

ACP方法是一种针对难以甚至无法通过传统方法建模或控制的复杂系统进行建模、分析与控制的全新方法。基于该方法，设计与开发了地铁平行交通管理与控制系统（PTMS‐地铁），以解决复杂地铁系统的管理与控制问题。首先，设计了状态感知与管理平台（SPMP‐Subway），该平台不仅为日常运营提供监控工具和自动参数测量功能，还为PTMS‐地铁的构建提供动态数据。然后，综合考虑实际地铁系统的多种因素，采用智能体建模方法和大规模计算机建模技术，构建人工地铁系统(ASS)。接着，基于ASS构建计算实验平台(CEP)，用于开展多种实验，从而获取地铁系统在正常与非正常状态下的演化特性。

可以被理解，并且能够生成和评估更优的管理与控制方法以供可能的应用。最后，构建并行执行系统（PES），实现实际地铁系统与ASS之间的交互执行，利用ASS和CEP发现的演化特性及更优的管理与控制方法，对实际地铁系统进行自适应优化。

A. 动态状态感知与管理平台(SPMP-地铁)

地铁的动态数据可通过SPMP‐地铁（图1）进行采集和测量，该平台也是PTMS‐地铁的基础组成部分。借助该平台，可自动测量和分析地铁站内外及列车内的大量乘客流动态参数，包括行人计数以及人群流量、密度与速度。平台还能检测拥堵、袭击、斗殴、非法聚集和遗留的可疑物品等异常事件。这些分析结果将被存入中央历史数据库，定量参数可在监控屏幕上显示，并可用于构建、验证和优化PTMS‐地铁。

一种基于部件的新型行人检测方法结合随机语法模型被应用于处理地铁站或列车内行人的外观和姿态变化。同时引入了一种新的随机语法模型——与或图模型，用于将人体表示为可组合且可重构部件的集合，这些部件通过其几何构型以及类型属性进行描述。因此，检测任务被转化为人体解析问题，该过程是一个贝叶斯推理过程。该外观模型通过主动基模型（ABM）对梯度方向直方图（HoG）映射进行增强，主动基模型是一种描绘物体显著结构的稀疏可变形模板。然后，部件之间的几何约束由高斯分布描述。最后，通过聚合得分进行自下而上的解析推理，以获得行人检测响应。

B. 人工地铁系统(ASS)

通过考虑地铁的人员、列车、轨道、车站等要素，构建了ASS，包括：

• 地铁的相关静态数据可以归纳如图2所示，这些数据经过测量后，可预先保存到数据库和规则库中。
• 代理模型库管理器（图3）具有注册管理、库管理和应用管理等功能。
• 基础设施管理器具有城市管理、地铁站及线路图形编辑器、信号机和应答器管理、车站管理、轨旁设备管理、地铁屏蔽门管理等功能。
• 乘客管理器具有乘客进出站、出行、换乘和疏散的过程建模等功能。
• 列车管理器包括列车类型、线路及参数、动车组(EMU)、运行参数等。

• 列车调度管理器管理列车时刻表、停站时间和列车编组信息等。

• 环境管理器（图4）包括社会、自然、故障和科技环境。

• 场景管理器是特定的实验场景管理器，包含50多个场景。
• 监控管理器对地铁列车、车站、线路等进行监控，提供运营、列车运行图、车链与轨道占用、线路负荷、车站与线路故障等相关参数。
• 分析与评估管理器对实验数据进行分析，并在不同计算段评估统计指标。
• 应急管理器管理设备故障、大客流疏散及其他紧急情况。

ASS 可主要用于需求分析与规划、线路与车站运营能力分析、列车时刻表分析与优化、系统故障仿真与分析、应急响应分析以及列车运行评估等领域。

C. 计算实验平台（CEP）

CEP 是基于 ASS 构建的可重复模拟平台，同时也是一个能够同步生成实际与虚拟实验场景的场景生成器。CEP 可评估不同方案的测试结果，包括在不同客流分布下运营方案的有效性、应急管理方案的合理性以及地铁线路规划的盈利性。CEP 还可在正常情况下优化实际地铁系统并避免事故，在异常情况下提升应急管理能力。它能提供强有力的指导，显著提高地铁的管理效率、列车运行安全和乘客服务质量。图5模拟了一个地铁站的情况，其中黄点和蓝点分别代表进出该车站的乘客。

CEP 可以离线或在线运行。在离线模式下，CEP（计算实验平台）提供一个虚拟的学习和培训环境。在在线模式下，地铁管理者可以快速有效地掌握地铁的运行状态，并实时采取适当响应。

1) CEP设计与开发：

CEP被设计与开发为一个可重复测试平台。所有实验程序、计算数据和评估参数均被记录归档，以构建相应的库、数据库和数据库管理系统，为后续重复试验提供数据支持。CEP直接接收来自终端用户或场景库的场景输入。在实例化相关场景交互机制和控制规则后，所需数据将被转发至事件驱动仿真引擎以执行计算实验。实验结果按时间顺序保存，以便于对触发事件与被触发事件之间的关系进行分析。具体而言，CEP包含以下三个模块。

a) 环境设置模块：

它在实验前准备环境设置的基本组件。主要内容包括：
- 城市规划生成器可设置交通基础设施、基础设施规划、人口信息等。
- 管理生成器可设置地铁时刻表、发车间隔、列车调度、临时限速等交通管理信息等。
- 环境生成器可设置天气、事故、大型活动等。
- 实验场景生成器可根据上述生成器设置不同的实验场景。

b) 实验模拟器模块：

该模块用于生成具有所需实验条件的不同实验场景。主要内容包括：
- 选择实验类型。
- 生成并选择实验场景。
- 选择实验方法。
- 生成实验列表并显示实验数据。
- 启动并执行实验，并显示每个进度。
- 信息统计和动画回放。

c) 实验结果评估与分析模块：

该模块包括：评价指标体系规定了不同的评估类型及其综合指标体系。

D. 并行执行系统（PES）

PES（平行执行系统）可以帮助实际地铁系统执行通过ASS和CEP（计算实验平台）获得的管理与控制算法，并将实际结果与期望效果之间的差距（误差）反馈给ASS和CEP，用于下一轮管理与控制算法的优化（图7）。通过反复进行平行执行过程，可实现对实际地铁系统的自适应优化。借助SPMP‐地铁，PES能够监控实际地铁系统，实时掌握其状态变化，持续调整在ASS上运行的最优解，在CEP上测试和评估该最优解，最终生成适用于实际地铁系统当前运行状态的新管理与控制算法。通过PES，可实现对实际地铁系统的实时、有效管理和控制，从而提升其安全与效率。

1) 并行管理系统（PMS）：

PMS（并行管理系统）能够高效地管理和控制实际地铁系统中的各个独立单元（如图8所示）。它以分解后的独立单元为对象，例如供电单元、控制单元和通信单元。它还可以高效地管理和控制地铁的子系统，例如列车控制系统、设备单元、车站信号系统和车站人员管理。PMS（并行管理系统）能够对地铁线路或地铁网络进行调度和管理，实现对运行中的列车、设备以及所有相关人员（管理人员、司机和乘客）的高效管理和控制，以达成安全、高效和节能的运营目标。

2) 并行培训系统（PTS）：

用于人员培训，包括地铁正常运营中的管控优化，以及地铁异常情况下的应急响应方案。

3) 并行评估系统（PES）：

用于员工管理，包括地铁的运行优化以及地铁管控的生成、评估、显示、执行、分析和优化。

4) 并行应急管理系统（PEMS）：

PEMS用于应急培训、验证、评估、管理与控制。通过在CEP上生成的不同应急场景，PEMS可对各类人员进行培训并提升其所需能力，帮助他们熟悉突发事件的发现、处理以及自身的职责与任务。通过反复重现场景，PEMS提高人员处理突发事件的能力水平，使其能够有效应对各类紧急情况。通过在ASS和CEP中设置场景，可验证应急预案在各类极端情况下的可行性与有效性，为选择合适的应急预案提供参考。借助CEP，PEMS可评估应急预案的完整性、可操作性、有效性，指定应急方案的经济效率。PEMS还可以实现实际地铁系统与其ASS之间的交互与协作，以提高危机管理水平，减少生命和财产损失。

III. SPMP‐地铁与PTMS‐地铁试点案例

SPMP‐地铁和PTMS‐地铁已在中国苏州地铁1号线（24个车站）和2号线（22个车站）的管理和控制中进行试点。

SPMP‐地铁由三层构成，即城市地铁公安总站、派出所和各站的警务室。每个地铁站均建立一个终端，用于管理约10个球形拾音摄像头和15个固定摄像头。通过自动检测与智能分析管理平台，所有摄像头可随时实现统一集成与控制，从而实现全面、全天候、定量且自动化的监控、跟踪、自动记录、报警和分析（图9）。借助SPMP‐地铁，地铁管理方面节省了30%以上的人员，并可实现多项管理功能，例如从地铁视频中自动测量这些关键参数，为PTMS‐地铁及其他用途提供所需的状态数据。过去人工测量这些关键参数通常每6‐12小时进行一次，而现在自动测量可每1‐5分钟进行一次。因此，地铁的管理效率和智能化水平得到了显著提升。

PTMS‐地铁为地铁系统提供了一个先进的管理与控制平台。它应用于复杂地铁系统的日常管理、规划、建设、运营、预测、优化及其他方面，以提高其安全性和效率：

a) 它能够实现对地铁站及其周边交通环境的管理、预测和优化，包括不同地铁线路之间的换乘、地铁站与其他交通工具（公交车站、火车站、机场和港口）之间的换乘，以及地铁与其他交通工具的协同优化。这样，每位乘客均可节省超过30%至50%，并可进一步减少超过50%至100%的乘客在这些车站的滞留。

b) 它能够实现对地铁线路的管理、预测和优化，包括各站点在不同时段的客流预测、发车间隔、超速防护、运行优化、应急预案评估、客流监控与报警、能力评估、安全与可靠性评估及报警、设备单元和信号系统的管理与优化，以及实时调度。地铁线路的运营效率可提高约30%‐50%。

c) 它能够实现地铁网络的管理、预测和优化，包括各线路在不同时段的客流预测、地铁线路间的换乘、运行优化、能力评估、安全与可靠性评估及预警，以及实时协同调度。地铁网络的运营效率可提升约50%‐80%。

d) 对于应急管理与培训，PTMS‐地铁可实现应急预案分析与优化、应急演练以及异常情况下的三维虚拟场景，以提升地铁管理者定量和科学决策的水平，使异常情况发生率降低60%以上。

总之，PTMS‐地铁可以提高地铁员工的工作效率，为乘客提供更好的服务，并提高复杂地铁系统的可靠性和安全水平。

IV. 结论

日常运营管理与危机管理是复杂地铁系统最重要的课题。基于ACP方法，本文提出、设计、开发并试点了PTMS‐地铁，其包括SPMP‐地铁、ASS、CEP和PES等组件。PTMS‐地铁提供了监控、预测、预警、事件管理以及实时调度等强大功能，可用于提升复杂地铁系统的可靠性、效率、安全性和服务水平。