项目名称基于群体协同的铁路列车运行图编制系统

1、项目名称：基于群体协同的铁路列车运行图编制系统推荐单位：西南交通大学项目简介：主要技术内容：列车运行图是铁路运输的综合性作业计划，是铁路行车组织的基础，在很大程度上决定了铁路运输质量和服务水平。过去，我国铁路只能依赖手工方式编制列车运行图，劳动强度大、效率低、周期长，每四年才能进行一次大的调整。后来，逐渐研制开发了一系列计算机编图软件，减轻了繁重的手工劳动，提高了编图效率，但只能适应局部路网的编图工作，无法从根本上满足全路列车运行图编制信息化的需要。随着我国社会经济快速发展以及铁路提速和高铁建设，再加上高铁与既有线贯通成网运营，编图的难度和频度与过去相比不可同日而语，而且，无论是手工编图，还是

2、局部采用计算机编图，本质上是一种封闭作业编图方式，不能有效地进行协同作业，编图质量、效率受到制约，无法满足铁路建设快速发展和市场变化的需要。本项目研究目标是：一，实现全路列车运行图编制和管理的信息化，开发一个编图软件来解决全国铁路列车运行图编制一体化的问题，研究建立以全路网为基础的列车运行图信息系统；二，打破现有的编图模式，构建全路列车运行图编制的协同工作平台，建立支持群体协同工作的编图方式，编图人员能够协同配合和方便灵活地调整运行图，从路网出发进行整体协调优化。项目研制开发了基于群体协同的铁路列车运行图编制系统，主要由列车运行图数据管理、技术资料管理、列车运行计划、车底（动车组）交路计划、机

3、车周转计划、车站作业计划、列车牵引计算、列车运行仿真等子系统组成，可以支持全路基于局域网、广域网和单机编制列车运行图。项目建立了“单双线合一”的计算机自动编图技术，攻破了计算机编制路网列车运行图的技术难关；提出了基于分层决策和满意优化的铁路列车运行图编制智能化解决方案；建立了群体协同工作的编图模式，打破了传统个体封闭作业的编图模式，自主研制开发了全路一体化的列车运行图编制系统；构建了集列车运行图相关作业计划编制于一体的信息平台，实现了系统集成创新；系统开发实现了基于64位的技术升级，大大提升了系统的处理能力和生命周期。本项目研制开发的系统软件成为我国铁路列车运行图编制的工具软件，实现了以计算机

4、编图取代传统手工编图的变革，实现了以计算机联网群体协同编图的协同作业编图方式取代传统手工编图或单机编图的封闭作业编图方式的变革，取得了我国铁路计算机编制列车运行图研究的历史性突破，为我国铁路既有线提速和高铁运营提供了技术支撑，是我国铁路运输科技发展的重要成就之一。技术经济指标:项目研究成果为全路列车运行图编制提供了技术支持，大大缩短了编图周期，提高了编图质量，提升了铁路适应市场变化的能力，社会和经济效益显著。应用推广情况：本项目研究成果成为铁路列车运行图编制的技术手段，并实现了我国铁路列车运行图编制系统的更新换代。近10年来，中国铁路总公司（原铁道部）运输局和各铁路局广泛应用本项目成果进行铁路

5、列车运行图编制和管理。主要完成单位：西南交通大学、中国铁路总公司运输局创新：建立了“单双线合一”的计算机自动编图技术，攻破了计算机编制路网列车运行图的技术难关（属学科分类1；附件2评价证明1-2，附件4其他证明,代表性论著1,4-7）全路列车运行图编制系统必须满足路网条件下各种不同类型铁路线路的编图需要，不同铁路线路之间编图条件的最大差异体现为行车组织方式的不同，主要是单线线路的双向行车和双线线路的单向行车模式。从路网的需求而言，编图自动化的首要问题就是要解决单线和双线列车运行图编制算法的统一性问题。 项目提出将单线和双线列车运行图的编制问题综合起来统一考虑，提出了“单双线合一”的编图算法思想

6、，其实质是：将路网条件下不同线路的编图问题都归结为单线和双线的编图问题，其次，将单线和双线线路所有的编图约束条件归并在一起，形成系统完整、统一的约束条件集，在此基础上，建立包含单线和双线条件在内的统一编图算法。即在统一的系统约束条件和编图算法基础上，对路网列车运行图编制问题进行求解。项目提出的技术思路解决了在路网中不同线路交织状况下列车运行线的自动编制问题，攻克了路网条件下计算机编图的难关，是一个基础性的重大技术突破。提出了基于分层决策和满意优化的铁路列车运行图编制智能化解决方案（属学科分类1-2；见附件1知识产权证明，国家发明专利1，软著1-7，附件2评价证明1-2，附件4其他证明,代表性论

7、著1-14）列车运行图编制问题是一个多目标规划问题，采用传统的搜索和数学优化方法难以在有限时间内求解该问题，列车运行图编制系统的目标就是以采用计算机编图代替传统的手工作业，纯粹依靠人机交互难以有效提高系统运行效率，系统必须达到较高的自动化编图水平。 项目提出了基于分层决策和满意优化的铁路列车运行图编制问题解决方案，把列车运行图编制问题看成是由多个子问题构成的集合，将该问题按层次分解成一个子任务系列，从而，可以通过求解一系列相对简单的子问题来达到求解列车运行图编制这样一个复杂问题的目标，构建了列车运行图编制问题的分层决策模型和满意优化模型及方法，并建立了基于状态空间法和启发式搜索技术的列车运行计

8、划编制智能方法。项目研究建立了铁路列车运行图编制智能化解决方案，这种尝试和探索具有创新性，实践证明是可行的。建立了列车运行图编制群体协同技术，实现了全路联网编制列车运行图的突破（属学科分类1-2；见附件1知识产权证明，国家发明专利1，软著1-7，附件2评价证明1-2，附件3主要应用证明 1-15，附件4其他证明,代表性论著1-8）深入研究了基于群体协同的列车运行图编制系统特点和技术难点，对列车运行图编制系统共享控制结构、协作机制、并发控制方法和访问控制策略等一系列关键技术进行了研究。提出采用集中与分布相结合的混合式结构，一方面，基于集中服务器的集中控制方式，服务器集中了系统全部的数据，一致性控

9、制问题可通过集中服务器来处理，而且，服务器可以方便地实现对各客户端编图人员的控制，易于解决列车运行图编制的集中统一性问题；另一方面，基于全复制的分布式系统结构，即各编图客户机上都存有一份共享文档的完整拷贝，各编图成员对共享文档的合法操作都可立即在本地执行，有利于提高系统的响应速度和支持自然的协同工作方式，保持编图人员个体操作的相对独立性，同时，将本地成员的操作或操作结果广播给其它站点，便于实现编图人员的协同感知。提出编图协作模式包含“集中控制下的协作”和“平等协作”两种模式，首先，就全国铁路而言，列车运行图的编制需要进行总体部署，集中合理安排，必须进行统一组织领导，也就是说，在列车运行图的群体

10、协同编制工作中，有一个处于顶层的集中控制方，代表铁路总公司行使全路编图工作统一的组织指挥权力，协调其他编图人员的工作；其次，除了处于顶层的决策人员以外，就其他编图人员来说，他们之间是平等的，在整个编图过程中，既需要相互联系，又存在各自的独立性。编图成员包括上级与下级之间、不同专业工种之间、同一单位相同专业工种之间、同一级别的不同单位相同专业工种之间的协作关系，上下级之间属于集中控制下的协作关系，其它属于平等协作关系。提出系统并发控制应采用改进的全序集中控制法、加锁法和基于操作变换的并发控制法等多种方法综合运用的混合控制策略和技术解决方案。以运行效率为前提，提出了若干策略和改进方法：对于某些特定

11、操作引发的并发控制问题采用改进的加锁法处理；对于系统数据对象的关键属性值的修改，如：数据对象的编号问题，采用改进的全序集中控制法进行处理；对于系统数据对象的非关键属性值的修改操作，借鉴“基于操作变换的并发控制算法”思想，本地操作在本地立即执行，然后，将其运行结果直接传送至服务器并转发给其它成员；对于将导致数据变化量较大的操作或难以通过传递操作结果而直接进行赋值的操作，先在本地执行，然后，将其操作命令传送至服务器并转发给其他成员，远程操作在到达本地站点之后，首先将其做合适的转换，然后再在本地执行。对于权限控制，通过增加主体和客体的区域属性以及虚拟权限，提出了一种改进的基于角色的列车运行图访问控制

12、方法。在该方法中，描述了对带有区域参数和客体有关的操作权限，在进行访问请求时，对于客体的操作根据角色和客体的区域属性计算出具体的权限。项目研究建立了铁路列车运行图编制网络化协同成套技术，这方面的技术研究在我国铁路计算机编图工作中，完全是一种创新性的探索，并且系统性强，得到了实践的检验。建立了全路列车运行图数据管理技术方法体系（属学科分类1；附件2评价证明1-2，附件4其他证明,代表性论著1,4-8）数据管理是列车运行图编制系统的一个重要组成部分，项目构建了基于单机和网络运行模式下的数据管理技术方法体系，对列车运行图各项基础数据和编图数据进行了透明化管理，数据设计适应性、通用性强，提出了基于铁路

13、区间的列车运行图主要数据结构设计方法，提出了基于共性提炼的铁路线路行车特征数据设计方法以及基于铁路站场布局的列车进路间隔的数据结构设计方法，建立了基于用户角色管理权限的数据维护功能，支持联网状态下各级计划编制人员对所管辖范围各类数据进行维护，数据一致性维护功能强大，建立了基于管辖区域和业务部门的列车运行图数据合并和分解功能，支持联网状态下列车运行图数据的上报、下载，实现了全路列车运行图的动态管理。列车运行图逻辑上关联性强，列车运行图编制系统属于紧耦合系统，项目采用了将系统所有数据一次性读入计算机内存的解决方案，运行效率高。项目研究建立了铁路列车运行图数据管理技术体系方法，具有探索性和创新性，并

14、经受了实践的考验，功能完善，实用性强，方便快捷。自主研制开发了全路一体化的列车运行图编制系统，取得了计算机编制全路列车运行图的突破（属学科分类1；见附件1知识产权证明，国家发明专利1-3，软著1-7，附件2评价证明1-2，附件3主要应用证明 1-15，附件4其他证明,代表性论著1-14）我国从20世纪60年代开始研究计算机编制铁路列车运行图，许多高校和科研机构都先后进行了大量研究工作，对计算机编制双线区段、单线区段、铁路线路、枢纽地区、铁路局、全路直通客车运行图进行了研究，只能满足局部或部分的编图需要，不能实现全路列车运行图的编制和管理。本项目以全国铁路网为研究对象，从内存占用、数据通用性设计

15、方法、自动编图算法等关键环节入手，对全路列车运行图编制系统总体技术方案、数据结构设计技术与方法、列车运行图编制自动化方法等进行了系统化研究，研制开发了编制和管理全国铁路列车运行图的系统软件，并成为我国铁路列车运行图编制的工具软件，实现了全路列车运行图编制和管理的信息化，填补了我国计算机编制全路列车运行图研究的空白，本项目研究具有开创性，取得了研究和运用计算机编制全路列车运行图的历史性突破。与国外相比，我国铁路客货密度大，能力紧张，在路网条件下客货列车进行跨线运输，单双线交织，以引进的德国西门子FALKO系统为例，国外软件不能适应我国铁路路网和运输组织的复杂性要求。就国内情况而言，在本项目研究开

16、展之前，我国铁路列车运行图编制系统达到的最高水平是能够基于局域网编制全路客车运行图，本项目进行了系统技术、方法和系统功能开发的深化研究，实现了基于群体协同的全路列车运行图编制和管理。建立了群体协同工作编图模式，打破了传统的封闭作业编图模式，实现了我国铁路编图的革命（属学科分类1-2；见附件1知识产权证明，国家发明专利1，软著1-7，附件2评价证明1-2，附件3主要应用证明 1-15，附件4其他证明,代表性论著1-8）过去，我国铁路在手工编图和单机编图时，采用的是封闭作业编图方式。由于在技术上无法实现全国路网列车运行图的一体化编制，就必须由铁道部先编制和固化全路直通客车运行方案图，然后，每个编图

17、人员必须以全路直通客车运行方案图为骨架，在铁路局管辖范围内编制客货列车运行图。由于信息交换不畅，导致信息不透明，一方面，容易造成人为的“藏点”现象，降低了列车运行图的编制质量；另一方面，由于很难变更直通客车运行方案，大大地增加了列车运行图编制过程中的试探和反复次数，降低了编图效率。全路直通客车运行方案图的编制在很大程度上决定了全路列车运行图的编制质量和效率，手工和非全路联网编图方式下进行列车运行方案图编制和调整的难度较大，并随着铁路发展其难度越来越大，甚至于非常难以完成。正是基于本项目研究成果，我国铁路打破了传统的在固化直通客车运行方案图基础上编制客车二分格详图的编图模式，由于构建了基于群体协

18、同的铁路列车运行图编制系统，实现了对全路列车运行图数据的一体化管理，每个客户机与服务器都保持了数据同步，全路的信息对于每个人都是透明的，编图人员可以直接基于整个路网进行列车运行线的调整，打破了过去固化局间分界口车站列车时刻的做法，克服了局间分界口车站列车时刻不能兑现时难于调整的困难。本项目研究成果的成功应用，使得我国铁路实现了以计算机联网群体协同编图的协同作业编图方式取代传统手工编图或单机编图的封闭作业编图方式的革命，取得了我国铁路编图工作方式的突破，无疑是一个非常了不起的技术成就。建立了集列车运行图相关作业编制一体化的信息平台，实现了系统集成创新，提高了列车运行图编制的精细化程度（属学科分类

19、1-2；见附件1知识产权证明，国家发明专利1-3，软著1-7，附件2评价证明1-2，附件3主要应用证明 1-15，附件4其他证明,代表性论著1-14）本项目研制开发了基于群体协同的铁路列车运行图编制系统（包括3.0和4.0版），主要由列车运行图数据管理、技术资料管理、列车运行计划、车底（动车组）交路计划、机车周转计划、车站作业计划、列车牵引计算、列车运行仿真等子系统组成，系统在物理框架上是一个整体，可不分割，构建了列车运行图各相关业务计划编制的协同信息化平台，系统集成化程度高，有利于列车运行图编制的综合优化。系统实现了基于车站电子地图的车站咽喉冲突疏解和接发列车进路安排，解决了人工编图无法安排

20、列车进路的问题，提高了列车运行图编制的精细化程度，为确保铁路行车安全增强了技术解决途径。本项目在列车运行图编制系统的集成化和精细化方面大大迈进了一步，在系统集成方面是一个创新。系统开发实现了基于64位的技术升级，大大提升了系统的处理能力和生命周期（属学科分类1；见附件1知识产权证明，国家发明专利1，附件2评价证明1-2，附件3主要应用证明 1-15，附件4其他证明,论文1-8）如前所述，由于列车运行图逻辑上关联性强，列车运行图编制系统具有紧耦合特点，项目采用将所有数据一次性读入计算机内存的解决方案，以解决系统运行效率的问题，所以，系统内存占用大。由于我国铁路的不断建设发展，路网规模和列车开行数

21、量不断扩大，系统容量成为了列车运行图编制系统的瓶颈。列车运行图编制系统4.0版实现了基于64位的技术升级，解决了基于32位的列车运行图编制系统3.0版在数据管理方面的容量限制，有利于提升全路列车运行图编制和动态管理的支持水平，有利于实现列车运行图多方案比选，有利于实现不同版本列车运行图中列车参数的重复利用，可有效降低数据录入强度。系统的内存容量得到大幅度提升，大大增强了系统的处理能力，提高了系统对铁路发展的适应能力，系统的生命周期可以大幅度延长。系统采用基于64位的技术进行开发在国内还是首次，具有创新性，而且具有很高的实用价值。推广贡献、推广应用情况：本项目研究成果成为铁路列车运行图编制的技术

22、手段，并实现了我国铁路列车运行图编制系统的更新换代。近10年来，中国铁路总公司（原铁道部）运输局和各铁路局广泛应用本项目成果进行铁路列车运行图编制和管理。曾获科技奖励情况：获奖项目名称获奖时间奖项名称奖励等级授奖部门（单位）基于群体协同的铁路列车运行图编制系统20160201铁道科技奖一等中国铁道学会高速铁路列车间隔时间理论及应用2016.12铁道科技奖一等中国铁道学会铁路信息化标准体系研究2016.12铁道科技奖一等中国铁道学会胶济客运专线扩能提效研究2014.09铁道科技奖一等中国铁道学会京津城际客运专线列车运行图编制系统2011.12铁道科技奖二等中国铁道学会高速铁路车务应急值守人员仿真实训系统2016.02铁道科技奖三等中国铁道学会主要知识产权证明目录：主要完成人情况表。成果完成人员名单（此表涉及到的知识产权问题由填报单位负责）序号姓名性别出生年月技术职称文化程度是否留学归国工作单位对成果创造性贡献1倪少权男1967.09正高博士研究生否西南交通大学项目负责人，负责项目组织、系统总体方案设计，在系统功能需求分析、功能模块设计和推广应用方面做出重要贡献。2孟昭明男1962.06中级硕士研究生否中国铁路总公司运输局参与系统总体方案设计及系统需求，在项目的组织实施及系统推广方面做出重要贡献。3吕红霞女1969.10正高