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列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展

所屬分類:電子論文 閱讀次 時(shí)間:2019-10-09 10:31

本文摘要:摘要:隨著新一批大城市和特大城市的出現(xiàn),我國(guó)的城鎮(zhèn)化進(jìn)程又向前邁進(jìn)了一大步。隨之而來(lái)的是擁堵的公共交通和日益增加的出行成本。城市軌道交通是緩解大城市交通問(wèn)題的有效方法,為提高運(yùn)輸效率,傳統(tǒng)的人工駕駛方式已難以滿足需求,基于無(wú)線通信的列車運(yùn)

  摘要:隨著新一批大城市和特大城市的出現(xiàn),我國(guó)的城鎮(zhèn)化進(jìn)程又向前邁進(jìn)了一大步。隨之而來(lái)的是擁堵的公共交通和日益增加的出行成本。城市軌道交通是緩解大城市交通問(wèn)題的有效方法,為提高運(yùn)輸效率,傳統(tǒng)的人工駕駛方式已難以滿足需求,基于無(wú)線通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)成為城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的首選。近年來(lái),現(xiàn)有城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,正在發(fā)展出兩個(gè)新的技術(shù)方向,即無(wú)人駕駛和互聯(lián)互通。

  關(guān)鍵詞:城市軌道交通,信號(hào)系統(tǒng),列車運(yùn)行控制系統(tǒng),無(wú)人駕駛,互聯(lián)互通

西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)

  1列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

  自20世紀(jì)60年代起,國(guó)外開始了對(duì)CBTC(CommunicationBasedTrainControl)的理論研究。我國(guó)的城市軌道交通起步較晚,但經(jīng)過(guò)了探索和試驗(yàn)階段,一二線城市已經(jīng)快速地邁入了軌道交通的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)階段。1965年中國(guó)第一條地鐵在北京開工建設(shè),1969年建成通車,1981年正式對(duì)外運(yùn)營(yíng)。

  目前,全國(guó)共有34個(gè)城市已經(jīng)開通了軌道交通,運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到近5000km。截至2017年12月31日,新增4個(gè)運(yùn)營(yíng)城市,33條運(yùn)營(yíng)線,新增運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)度達(dá)868.9km新增線路再創(chuàng)歷史新高,比2016年新增線路534.8km增加334.1km,增幅達(dá)62.5%。其中,上海是目前中國(guó)城市軌道交通通車?yán)锍套铋L(zhǎng)的城市,地鐵里程總計(jì)長(zhǎng)度為636.37km[2]。

  因此,我國(guó)的信號(hào)供應(yīng)商已經(jīng)從引進(jìn)國(guó)外技術(shù),到吸收消化核心技術(shù),走向了自主研發(fā)國(guó)產(chǎn)化信號(hào)系統(tǒng)的道路。國(guó)內(nèi)各大城市的地鐵業(yè)主也從一味地接受,到如今提出需求,緊跟甚至帶領(lǐng)著技術(shù)發(fā)展的方向。在供應(yīng)商與業(yè)主雙方的共同作用下,CBTC從傳統(tǒng)的IEEE1474標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu),開拓出了新的城市軌道交通列車運(yùn)行控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展方向。下面將詳述其中的兩個(gè)主要發(fā)展方向:全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)和互聯(lián)互通方向的車-車通信系統(tǒng)。

  2基于無(wú)線通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)

  在傳統(tǒng)CBTC的IEEE1474標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)中,有三大子系統(tǒng):車載控制器VOBC(VehicleOnBoardController)、區(qū)域處理器ZC(ZoneController)和自動(dòng)列車監(jiān)控子系統(tǒng)ATS(AutomaticTrainSupervision)。

  VOBC是位于列車司機(jī)室內(nèi)的控制設(shè)備,主要對(duì)列車進(jìn)行測(cè)速、定位和控制,接受來(lái)自ZC的信息,根據(jù)ZC提供的移動(dòng)授權(quán)來(lái)計(jì)算安全防護(hù)曲線,并與列車目前的速度進(jìn)行比較,監(jiān)督列車運(yùn)行狀態(tài),并及時(shí)發(fā)出制動(dòng)命令。ZC接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、列車監(jiān)控子系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖等的各種數(shù)據(jù)信息,集中獲取系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

  對(duì)區(qū)域管轄區(qū)內(nèi)的列車進(jìn)行移動(dòng)授權(quán)和臨時(shí)限速,監(jiān)控道岔、信號(hào)機(jī)、應(yīng)答器等軌旁設(shè)備。ATS對(duì)列車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,提供報(bào)警顯示、進(jìn)路排列、運(yùn)行圖調(diào)整和數(shù)據(jù)查詢等功能,可為調(diào)度人員提供監(jiān)控和旁路系統(tǒng)功能的操作。以上各個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)同工作,共同完成了CBTC的功能。此外,CBTC系統(tǒng)中通常還包括:數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)DCS(DataCommunicationSystem)、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖CI(ComputerInterlocking)、維護(hù)診斷子系統(tǒng)MMS(MaintenanceManagementSystem)。

  3全自動(dòng)無(wú)人駕駛的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)

  全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)UTO(UnattendedTrainOperation)減少了正線運(yùn)營(yíng)以及車輛場(chǎng)段中列車司機(jī)的角色,實(shí)現(xiàn)了由控制中心調(diào)度人員集中化的遠(yuǎn)程操作、運(yùn)營(yíng)控制和調(diào)度管理的模式。因此,在繼哥本哈根、新加坡、迪拜等城市開通無(wú)人駕駛信號(hào)系統(tǒng)后,北京、上海、廣州等國(guó)內(nèi)一線城市也開始投入全自動(dòng)無(wú)人駕駛CBTC系統(tǒng)。

  全自動(dòng)無(wú)人駕駛架構(gòu)與典型CBTC架構(gòu),在各子系統(tǒng)的核心功能上,沒(méi)有較大區(qū)別。相比現(xiàn)有CBTC系統(tǒng),UTO在運(yùn)營(yíng)工作流程上有了較大的變化。取消列車司機(jī)的角色,但新增了多職能隊(duì)員的崗位,負(fù)責(zé)所有運(yùn)營(yíng)車站和列車的巡視,并負(fù)責(zé)列車故障處置、人工駕駛、設(shè)施設(shè)備一級(jí)維修等業(yè)務(wù)。

  日常的運(yùn)營(yíng)工作流程為:列車停在車輛段或停車場(chǎng),系統(tǒng)根據(jù)出入庫(kù)派班計(jì)劃,分批次自動(dòng)喚醒列車;當(dāng)列車喚醒成功后進(jìn)入列車綜合自檢,自檢通過(guò)的列車按計(jì)劃班次等待發(fā)車指令;同時(shí),車站工作人員對(duì)車站內(nèi)所有設(shè)備進(jìn)行運(yùn)營(yíng)前測(cè)試并開啟;列車由出入場(chǎng)段線,根據(jù)時(shí)刻表進(jìn)入正線運(yùn)行;列車在無(wú)人駕駛模式下自動(dòng)在區(qū)間運(yùn)行,并且完成進(jìn)站、停車、發(fā)車;根據(jù)時(shí)刻表,列車在折返站臺(tái)自動(dòng)進(jìn)行控制端轉(zhuǎn)換并匹配運(yùn)行計(jì)劃;列車完成時(shí)刻表計(jì)劃,到達(dá)終點(diǎn)站后清客并下線;列車按回庫(kù)派班計(jì)劃規(guī)定的股道自動(dòng)運(yùn)行至停車庫(kù)指定股道,上傳數(shù)據(jù)后自動(dòng)休眠。

  此外,全自動(dòng)無(wú)人駕駛架構(gòu)與現(xiàn)有CBTC系統(tǒng)相比在功能、按鈕、設(shè)備和接口上有較多的升級(jí)。主要的新增功能包括自動(dòng)喚醒功能、自動(dòng)休眠功能、自動(dòng)存車功能、自動(dòng)進(jìn)入或退出運(yùn)營(yíng)功能、自動(dòng)鳴笛功能、場(chǎng)段內(nèi)自動(dòng)運(yùn)行功能、自動(dòng)洗車功能、站臺(tái)停車窗口校準(zhǔn)對(duì)位功能、站臺(tái)清客功能、列車狀態(tài)監(jiān)督功能、工況管理、蠕動(dòng)功能、應(yīng)急報(bào)警功能、遠(yuǎn)程控制功能等。主要的新增按鈕包括洗車按鈕、緊急關(guān)閉按鈕、自動(dòng)折返按鈕、站臺(tái)操作車門按鈕、站臺(tái)請(qǐng)客確認(rèn)按鈕、人員防護(hù)開關(guān)、全自動(dòng)運(yùn)行列車禁止出發(fā)按鈕等。

  信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)部主要的新增設(shè)備包括冗余的測(cè)速脈沖電機(jī)和雷達(dá)等。信號(hào)系統(tǒng)與外部系統(tǒng)之間,主要的新增接口包括ATS遠(yuǎn)程控制命令接口、脫軌檢測(cè)接口、火災(zāi)聯(lián)動(dòng)接口、列車控制管理系統(tǒng)接口等。

  4互聯(lián)互通的車-車通信列車運(yùn)行控制系統(tǒng)

  阿爾斯通在法國(guó)里爾1號(hào)線進(jìn)行了車-車通信CBTC系統(tǒng)的試驗(yàn),與傳統(tǒng)的IEEE1474典型架構(gòu)相比,這種架構(gòu)簡(jiǎn)化了聯(lián)鎖子系統(tǒng)和區(qū)域子系統(tǒng),ATO/ATP的主要功能將從軌旁移至車載。ATS將進(jìn)路計(jì)劃發(fā)送至VOBC,VOBC將直接控制道岔的轉(zhuǎn)動(dòng)、進(jìn)路的開放和移動(dòng)授權(quán)的計(jì)算等功能。

  因此前后列車之間的通信也更為直接,無(wú)需由軌旁子系統(tǒng)計(jì)算后再發(fā)送給車載,交互性能將大大提高。這與國(guó)內(nèi)地鐵運(yùn)營(yíng)公司越來(lái)越多提及的互聯(lián)互通系統(tǒng)需求是相通的,可見(jiàn)簡(jiǎn)化軌旁設(shè)備有可能成為CBTC發(fā)展的新方向。車車通信的架構(gòu)中包括監(jiān)控子系統(tǒng)ATS、通信子系統(tǒng)DCS、目標(biāo)控制器OC(ObjectController)和車載子系統(tǒng)VOBC。中心設(shè)備ATS和無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)DCS與CBTC典型架構(gòu)中的功能并無(wú)過(guò)多差異,只是ATS將直接通過(guò)DCS與車載子系統(tǒng)進(jìn)行通信,并將進(jìn)路信息發(fā)送給VOBC。

  目標(biāo)控制器或稱對(duì)象控制子系統(tǒng),布置在軌旁或設(shè)備集中站,可以將其看作為簡(jiǎn)化后的區(qū)域子系統(tǒng)。OC接收VOBC和ATS的命令,執(zhí)行對(duì)軌旁設(shè)備的操作,并反饋對(duì)象的狀態(tài)。車載子系統(tǒng)是車車通信架構(gòu)中的核心子系統(tǒng),集成了主要的ATP/ATO功能。除了原有的列車定位、速度控制、車地通信、列車完整性檢查和人機(jī)交互等功能外,新增了進(jìn)路控制、車車通信和行車許可功能。

  進(jìn)路控制功能實(shí)現(xiàn)了列車通過(guò)車地通信,直接接受ATS的進(jìn)路命令,計(jì)算進(jìn)路計(jì)劃所需的道岔和信號(hào)機(jī),通過(guò)OC查詢區(qū)段占用情況,并判斷是否辦理該進(jìn)路。車車通信功能實(shí)現(xiàn)了VOBC根據(jù)ATS中的列車信息,篩選出進(jìn)路范圍內(nèi)的列車,并確定作為目標(biāo)追蹤的前車,并與之建立通信。行車許可功能根據(jù)進(jìn)路命令、前車位置信息、臨時(shí)限速和OC反饋的軌旁設(shè)備狀態(tài),生成行車許可。因此從CBTC典型架構(gòu)向車車通信架構(gòu)作延伸和兼容時(shí),需要將原本計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖和區(qū)域控制器的進(jìn)路控制、車車通信和行車許可等功能模塊遷移到VOBC中,而ZC則需簡(jiǎn)化為僅支持對(duì)軌旁資源的執(zhí)行和分配,以防搶占導(dǎo)致的死鎖發(fā)生。

  5結(jié)語(yǔ)

  無(wú)論是從技術(shù)的實(shí)現(xiàn),還是運(yùn)營(yíng)的實(shí)際需求來(lái)說(shuō),全自動(dòng)無(wú)人駕駛將會(huì)是目前更容易實(shí)現(xiàn)的一步,既可以為既有線CBTC做升級(jí),也可以為新線規(guī)劃全自動(dòng)無(wú)人駕駛制式。而車車通信,則是互聯(lián)互通或者簡(jiǎn)化軌旁設(shè)備的最好解決辦法,一旦車車通信技術(shù)發(fā)展起來(lái),將會(huì)是對(duì)傳統(tǒng)CBTC較大的革新。

  參考文獻(xiàn)

  [1]孫章,蒲琪.城市軌道交通概論[M].北京:人民交通出版社,2010.

  [2]2017年中國(guó)內(nèi)地城軌交通線路概況[J].城市軌道交通,2018(1):16-21.

  [3]陳榮武.CBTC系統(tǒng)列車運(yùn)行仿真與優(yōu)化策略[D].成都:西南交通大學(xué),2011.

  [4]王淑偉.城市軌道交通CBTC仿真系統(tǒng)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2014.

  [5]劉暢.基于移動(dòng)閉塞原理的列控車載仿真系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都:西南交通大學(xué),2014.

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