城市軌道交通列車運行控制系統(tǒng)集成技術(shù)的研究

高紅巖

（武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道機車車輛系，湖北 武漢430205）

0 引 言

在建設(shè)城市軌道交通的過程中，必須對通信信號設(shè)施進行規(guī)劃和建設(shè)，進而確保其能夠與客流量相適應(yīng)。信號系統(tǒng)是確保城市軌道交通列車正常、穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)，還能夠保障乘客的安全，在保障列車穩(wěn)定、安全運行的基礎(chǔ)上，滿足了列車對運營性能的需求[1]。城市軌道交通列車的運行控制系統(tǒng)采用的技術(shù)主要包括自動駕駛、自動控制、自動防護和自動監(jiān)控等，各項技術(shù)之間相互作用、相互協(xié)調(diào)，共同構(gòu)成了一個以安全設(shè)備為基礎(chǔ)，集運行調(diào)整、行車指揮等多項功能于一體的列車自動控制系統(tǒng)。

1 列車自動防護技術(shù)

對于列車自動防護技術(shù)來說，列車移動授權(quán)權(quán)限是重要的組成部分，指的是從該輛列車的車尾直至列車前方障礙物的路線。障礙物可能是另一輛列車，也可能是軌道區(qū)段的分界點等。列車的移動授權(quán)權(quán)限需要考慮障礙物的相關(guān)特性，通常情況下會向前延伸，僅在特殊情況下才會向后退。列車的移動授權(quán)權(quán)限會依據(jù)相關(guān)規(guī)定進行重建，且該種重建過程具有規(guī)律性，基礎(chǔ)條件是線路資源的可用性分析，而線路資源的可用性又能反映該段線路的具體狀況。列車自動防護的基本原理在于，地面設(shè)備通過感應(yīng)環(huán)線、無線電臺、應(yīng)答器和軌道電路等，實現(xiàn)地面與列車之間的通信。列車的自動防護技術(shù)能夠向列車發(fā)送地面的各項信息，如移動授權(quán)、臨時限速等信息。該項技術(shù)能夠依據(jù)收集的信息，對列車緊急制動曲線進行計算、確定和調(diào)整，再依據(jù)相關(guān)信息計算列車運行最大安全速度，進而為列車運行提供全面安全信息。不僅能夠滿足正向行車的行車間隔，還能夠確保正向行車的折返間隔，一旦列車出現(xiàn)超速情況，會對列車進行緊急制動，并為列車提供預(yù)告報警信息。在準(zhǔn)移動、固定兩個閉塞系統(tǒng)中，列車位置的探測以軌道電路為基礎(chǔ)，進而開展地面與列車之間的信息傳輸。列車與列車之間的間隔則通過軌道電路區(qū)段實現(xiàn)，自動防護技術(shù)的防護點是軌道區(qū)段的分界點。對于自動防護技術(shù)的防護點來說，本質(zhì)上就是零速度限制點，簡單來說就是運行控制系統(tǒng)給出的相關(guān)限制條件[2-5]。

自動防護技術(shù)是保障列車能夠安全、穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)列車的間隔控制，還能夠?qū)崿F(xiàn)對列車的超速防護。軌道旁自動防護系統(tǒng)的一個安全功能就是列車追蹤，能夠計算和區(qū)分列車的運行狀態(tài)，進而確定列車所處位置，通過地面與列車之間的通信設(shè)備向列車發(fā)送目標(biāo)距離、限制速度和線路狀況等信息，以便列車在其行車過程中進行參考。此外，自動防護技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)列車定位、列車測速、軌道末端防護以及緊急制動等功能。

2 列車自動駕駛技術(shù)

列車自動駕駛技術(shù)對列車進行自動駕駛控制的原理在于：軌道旁自動駕駛本身并不具備物理設(shè)備，而是要通過連續(xù)式通信來實現(xiàn)，只有裝備了自動駕駛設(shè)備的列車，才能夠使用自動駕駛模式。車載自動駕駛依據(jù)車載自動防護技術(shù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)自動輸出相關(guān)命令，進而對車輛制動、牽引等進行控制。同時，控制列車自動駕駛還需結(jié)合列車自動監(jiān)控系統(tǒng)傳輸?shù)目刂泼?，進而控制列車自動調(diào)整命令。自動駕駛的閉環(huán)控制原理見圖1。測速系統(tǒng)將列車實際所處位置通過自動防護技術(shù)傳輸給自動駕駛系統(tǒng)，而在輸入?yún)⒖嘉恢脮r需要將來自于應(yīng)答器等定位系統(tǒng)所提供的位置信息填入，因此自動駕駛系統(tǒng)才能夠提供相關(guān)數(shù)據(jù)，對列車進行牽引和制動。

圖1 閉環(huán)控制與自動駕駛

列車自動駕駛技術(shù)實現(xiàn)的功能包括自動速度調(diào)整、車站精確停車、列車區(qū)間運行時間控制、安全門控制、屏蔽門控制、向車載乘客信息系統(tǒng)提供信息及實現(xiàn)節(jié)能運行等。自動駕駛是對列車運行進行自動控制的設(shè)備，其功能并非安全，在自動防護功能的安全保障基礎(chǔ)上，才能夠?qū)崿F(xiàn)列車的自動駕駛功能，而自動駕駛技術(shù)對于列車運行效率的提高、運行狀態(tài)的自動調(diào)整及列車的節(jié)能運行等均有重要作用。對于城市軌道交通列車的正常運行來說，它建立在安全啟動列車的基礎(chǔ)上。而在啟動列車、調(diào)節(jié)列車速度和停止列車時，均需要得到相關(guān)指令才能夠完成。精確停車的實現(xiàn)主要依靠測速電機、地面信標(biāo)以及測速雷達(dá)等設(shè)備，列車區(qū)間運行時間的控制則是依據(jù)相關(guān)調(diào)整指令來實現(xiàn)。對于車門、安全門和屏蔽門的安全控制，既可由人工控制，又能夠依靠系統(tǒng)自動控制，進而提高控制安全性[6]。依據(jù)自動駕駛技術(shù)完成的相應(yīng)功能，可將其分為不同的功能模塊，如圖2所示。

圖2 典型自動駕駛技術(shù)的主要軟件功能模塊

3 列車自動監(jiān)控技術(shù)

列車自動監(jiān)控技術(shù)是為運行控制系統(tǒng)提供全面性、系統(tǒng)性管理的重要工具。它作為系統(tǒng)與控制中心調(diào)度員、車站值班員之間的接口，為運行控制系統(tǒng)提供了必需的自動控制功能。該項技術(shù)擁有一個內(nèi)部局域網(wǎng)，每臺PC之間均配備了2個以上的網(wǎng)絡(luò)適配器，而控制中心的所有設(shè)備均連接在交換機上，再由交換機連接至骨干網(wǎng)交換機。列車自動監(jiān)控技術(shù)在自動防護和自動駕駛等多項技術(shù)的支持下，對列車行車計劃進行編制和管理，進而自動調(diào)整全線列車運行的自動監(jiān)控。

列車自動監(jiān)控技術(shù)實現(xiàn)的主要功能包括列車識別號追蹤、識別號傳遞、識別號顯示、運行圖編制、運行圖管理、運行圖調(diào)整、統(tǒng)計與報告及監(jiān)視功能等。列車識別號追蹤、傳輸和顯示功能的實現(xiàn)，即列車從出發(fā)點占用轉(zhuǎn)換軌時對其進行追蹤，直至列車達(dá)到終點站離開轉(zhuǎn)換軌的追蹤范圍。列車識別號可由列車自動監(jiān)控系統(tǒng)自動生成，也能夠由調(diào)度員對其進行人工設(shè)定和修改。該系統(tǒng)具有自動跟蹤列車的能力，并能夠在追蹤列車的過程中對各項信息進行輸入和保存，將所有列車的識別號、位置和時刻表等各項數(shù)據(jù)顯示于用戶界面[7]。運行圖的編制應(yīng)當(dāng)依據(jù)行車組織要求、線路參數(shù)等各項數(shù)據(jù)，由編制人員手動輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括各個運行區(qū)間的運行間隔、運行時間、線路數(shù)據(jù)、客流量和停站時間等信息，由計算機輔助自動編制和生成運行圖，并在編制運行圖的過程中對各項沖突進行自動檢查，并給出運行沖突的原因及具體解決方法。在編制基本運行圖后，依據(jù)不同種類將其存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，便于調(diào)度員隨時調(diào)取使用。對于運行圖的調(diào)整，自動監(jiān)控系統(tǒng)能夠依據(jù)時刻表對區(qū)域列車的運行狀態(tài)進行自動監(jiān)測和調(diào)整。列車計劃與實際的軌跡運行圖之間的功能比較，由調(diào)度員對時間偏差標(biāo)準(zhǔn)值進行設(shè)置，并在列車運行過程中發(fā)生偏差時自動生成和發(fā)送偏差預(yù)警，依據(jù)列車的實際運行狀況自動生成運行調(diào)整計劃，以便調(diào)度員進行參考[8]。除此之外，自動監(jiān)控技術(shù)可自動開展運行統(tǒng)計工作，包括車次號報告、車站報告和列車報告等，可將各項數(shù)據(jù)自行制作成表格。工作人員僅需對相關(guān)數(shù)據(jù)進行查閱，即可自行制表。

4 計算機聯(lián)鎖技術(shù)

計算機聯(lián)鎖設(shè)備是實現(xiàn)信號機、道岔、軌道區(qū)段之間正確聯(lián)鎖關(guān)系及進路控制的安全設(shè)備。進路的設(shè)定命令由列車監(jiān)控系統(tǒng)傳給軌旁聯(lián)鎖系統(tǒng)，再由軌旁聯(lián)鎖系統(tǒng)實現(xiàn)進路排列，而進路設(shè)定指令包括帶進路號碼的進路取消請求、帶進路號碼的進路請求和道岔單操命令。在自動控制技術(shù)中，有一張依據(jù)線路及車站配線而編制的“路徑”表，每一條“路徑”均由一條或多條進路組成。進路均有著明確方向，且由一組列成運行、按序排列的區(qū)段組成。當(dāng)列車占用了接近車站的區(qū)域時，自動監(jiān)控系統(tǒng)會發(fā)送進路請求。通常情況下，計算機聯(lián)鎖技術(shù)具有“預(yù)辦”功能，即它可將不能夠立即執(zhí)行的進路請求進行整理和歸納，并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行排序，一旦聯(lián)鎖條件符合相關(guān)要求，就將對進路進行自動排列。該項技術(shù)采用了進路鎖閉、區(qū)段鎖閉和道岔監(jiān)控等技術(shù)措施，實現(xiàn)了安全聯(lián)鎖。

聯(lián)鎖設(shè)備是列車運行控制系統(tǒng)的一項重要環(huán)節(jié)，也是自動防護系統(tǒng)的重要組成部分，能夠保障列車的行車安全性。計算機聯(lián)鎖技術(shù)主要實現(xiàn)了以下功能：（1）依據(jù)正確聯(lián)鎖關(guān)系、列車位置及運行計劃等，對列車進路進行自動設(shè)定和排序；（2）對敵對進路、列車進路、延續(xù)進路等進行防護；（3）正常防護進路的同時，依據(jù)相關(guān)安全要求對列車進路實施保護，建立保護區(qū)段，進而為列車行車提供防護；（4）可在現(xiàn)地工作站上單獨操縱設(shè)備集中站所控制范圍內(nèi)的所有道岔，并對其進行單獨鎖閉，還可發(fā)放給列車引導(dǎo)信號，進而對各項信號控制元素如軌道區(qū)段和道岔等實施封鎖；（5）可依據(jù)現(xiàn)地工作站對軌道、道岔區(qū)段的臨時限速等進行控制，并給出具體的狀態(tài)；（6）可為自動防護系統(tǒng)提供信號機狀態(tài)、保護區(qū)段建立、列車進路設(shè)置情況及軌道區(qū)段臨時限速等條件；（7）在聯(lián)鎖控制工作站上，對不同操作人員賦予不同職責(zé)、權(quán)利等，進而確保其能夠正確控制相關(guān)設(shè)備[9]。

5 服務(wù)和診斷技術(shù)

除以上技術(shù)外，城市軌道交通列車運行控制系統(tǒng)還應(yīng)當(dāng)具備完善的遠(yuǎn)程故障自行診斷功能，實時監(jiān)控全線車站設(shè)備、車載設(shè)備、中央設(shè)備和軌旁設(shè)備等，并對各種設(shè)備的故障進行預(yù)警，將報警精度精確至能夠快速確定可更換單元或插拔件，便于相關(guān)人員及時更換設(shè)備。服務(wù)和診斷技術(shù)是聯(lián)鎖系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的診斷系統(tǒng)，在列車運行過程中基于數(shù)據(jù)接口交換數(shù)據(jù)。因此，它可有效分布于現(xiàn)場各個區(qū)域。整個聯(lián)鎖系統(tǒng)可連接一個或多個診斷計算機，進而滿足應(yīng)用要求。服務(wù)和診斷技術(shù)具有故障電子日志功能，可用于一套聯(lián)鎖系統(tǒng)，同時該計算機也能夠同時應(yīng)用于多套聯(lián)鎖系統(tǒng)，并對聯(lián)鎖系統(tǒng)當(dāng)前的故障情況進行顯示和預(yù)警。需注意，它能夠顯示各項故障的細(xì)節(jié)信息，如故障位置、故障元件等，進而為維修人員提供指導(dǎo)。

應(yīng)用服務(wù)與診斷技術(shù)可得到更多的故障信息，并對這些信息進行存儲、鑒別和檢查等，再依據(jù)這些信息幫助維修人員快速了解故障點，查詢故障原因。除此之外，服務(wù)和診斷技術(shù)還可對故障單元進行識別，同時報告聯(lián)鎖系統(tǒng)的故障情況，以減少維修時間，提高維修效率，進一步提高整個運行控制系統(tǒng)的可用性，降低系統(tǒng)運行成本。

6 結(jié) 論

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，列車信號控制技術(shù)由傳統(tǒng)的多信息移頻軌道電路的固定閉塞技術(shù)發(fā)展至準(zhǔn)移動閉塞技術(shù)，現(xiàn)階段已發(fā)展至基于通信技術(shù)的移動閉塞技術(shù)。對列車運行控制系統(tǒng)的集成技術(shù)進行分析，有利于相關(guān)操作人員更加了解這一系統(tǒng)，進而提高操作人員的操作效率。