軌道交通是最節(jié)能的交通方式之一，然而，鐵路行業(yè)仍占到全球碳排放量的0.3%，人們正在努力實(shí)現(xiàn)鐵路行業(yè)碳中和。

　　最近，西交利物浦大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種計(jì)算地鐵列車時(shí)刻表的新方法，以優(yōu)化列車的能源消耗。該模型利用人工智能，將實(shí)時(shí)乘客數(shù)納入時(shí)刻表安排中，進(jìn)而計(jì)算出列車的推薦速度，不僅能避免延誤，還能防止能源消耗的大幅上漲。

　　畢業(yè)于西交利物浦大學(xué)土木工程系的郭一達(dá)博士是該論文的第一作者，他說(shuō)：“由于城市居民的流動(dòng)性增加，尤其是在節(jié)假日和高峰時(shí)段，客流變化很大。因此我們認(rèn)為需要一個(gè)新方法，可以接近實(shí)時(shí)地優(yōu)化列車時(shí)刻表，將能源消耗最小化?！?/p>

　　意外情況

　　為了最大限度減少地鐵列車消耗的能源，制定時(shí)刻表必須考慮到軌道的坡道、彎道、客流量大的站點(diǎn)、一天中的時(shí)段、站點(diǎn)之間的距離以及限速，還需要估計(jì)上下客人數(shù)，因?yàn)檫@會(huì)影響列車在每一站停留的時(shí)間，也需要考慮到影響能耗的列車重量。

　　目前的時(shí)刻表系統(tǒng)雖然關(guān)注到了能耗最小化，但是效果有限。這是因?yàn)楫?dāng)前系統(tǒng)主要使用“離線”信息，即乘客數(shù)和列車?？繒r(shí)間的歷史數(shù)據(jù)。

　　但是，這類時(shí)刻表在有意外干擾時(shí)無(wú)法及時(shí)重新調(diào)整。所以，當(dāng)列車延誤時(shí)，司機(jī)為了準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)下一站，便會(huì)在兩個(gè)站點(diǎn)之間加速行駛，導(dǎo)致能耗的增加。但這樣的加速也許又是不必要的，因?yàn)橄乱徽静⒉灰欢ㄓ谐丝秃蜍嚒?/p>

　　郭博士說(shuō)：“列車行駛途中，干擾是不可避免的。比如因?yàn)槌丝瓦^(guò)多，車在某一站停留的時(shí)間可能比預(yù)期長(zhǎng)，這就使得列車難以遵循基于離線信息而優(yōu)化的時(shí)刻表。因此我們的研究專注于在線優(yōu)化，也就是在列車遇到干擾時(shí)，用接近實(shí)時(shí)的方式重新優(yōu)化時(shí)刻表?！?/p>

　　克服限制

　　包含實(shí)時(shí)信息的少數(shù)現(xiàn)有模型需要花費(fèi)長(zhǎng)達(dá)兩分鐘的時(shí)間，才能計(jì)算出既讓列車保持準(zhǔn)點(diǎn)、又不消耗多余能源的速度。在此期間，列車可能至少已經(jīng)過(guò)了一個(gè)新的站點(diǎn)，并又因其他原因進(jìn)一步延誤了，所以此時(shí)計(jì)算出的結(jié)果已經(jīng)不再適用。

　　為了構(gòu)建能夠近乎實(shí)時(shí)優(yōu)化能耗的新模型，西浦學(xué)者將包括預(yù)計(jì)乘客數(shù)和軌道數(shù)據(jù)（如坡道和彎道）在內(nèi)的歷史離線數(shù)據(jù)，與包括刷卡數(shù)據(jù)在內(nèi)的客流量實(shí)時(shí)線上數(shù)據(jù)結(jié)合了起來(lái)。

　　他們還利用人工智能，從每個(gè)站臺(tái)上等待人群的圖像中識(shí)別出乘客數(shù)量，模型隨后計(jì)算出列車的預(yù)期重量變化。所有上述數(shù)據(jù)都被用以計(jì)算實(shí)現(xiàn)最優(yōu)能耗的所需速度和時(shí)刻表。

　　多次測(cè)試

　　研究團(tuán)隊(duì)利用假設(shè)的案例研究測(cè)試了他們的模型。

　　郭博士說(shuō)：“我們測(cè)試了模型在兩類干擾、三萬(wàn)多種場(chǎng)景中的表現(xiàn)，測(cè)試結(jié)果令人振奮。相比之前的模型在遇到干擾的情況下，我們的模型將能耗降低了50%以上，而計(jì)算信息所花的時(shí)間還不到一秒。”

　　雖然新模型在假設(shè)案例研究中表現(xiàn)出了極大的前景，但郭博士表示，在模型實(shí)際應(yīng)用之前，還需要進(jìn)行大量測(cè)試。

　　“將科研成果轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)用，需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C過(guò)程，特別是在軌道交通系統(tǒng)，有嚴(yán)格的安全要求。比如，需要測(cè)試列車收到模型計(jì)算結(jié)果的時(shí)間。實(shí)際測(cè)試結(jié)果將會(huì)用于計(jì)算使用該模型所需的安全保障速度，以確保乘客安全?！?/p>

　　研究論文《地鐵系統(tǒng)能源優(yōu)化近實(shí)時(shí)時(shí)刻表：基于客流和隨機(jī)延誤》發(fā)表于期刊《軌道交通規(guī)劃與管理》（Journal of Rail Transport Planning & Management），點(diǎn)擊此處閱讀。

　　論文作者

　　該論文第一作者郭一達(dá)博士于2021年在西交利物浦大學(xué)完成博士學(xué)業(yè)，導(dǎo)師為土木工程系副教授張澄博士。張澄博士為論文通訊作者。（記者：Catherine Diamond 翻譯：韓香音 中文編輯：張蔚）