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    高速鐵路列車運(yùn)行控制與調(diào)度指揮一體化方案

    2022-09-06 09:14:14陳爾超
    關(guān)鍵詞:列控軌道電路列車運(yùn)行

    陳爾超

    (中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 電化電信工程設(shè)計(jì)研究院,天津 300308)

    隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展,至2021年12月底,其運(yùn)營里程已突破4 萬km。高速鐵路信號系統(tǒng)作為高速鐵路的神經(jīng)中樞,對保障運(yùn)行安全、提升運(yùn)營效率起著至關(guān)重要的作用。中國鐵路列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(CTCS,Chinese Train Control System)(簡稱:列控系統(tǒng))按照閉塞技術(shù)的發(fā)展劃分為CTCS-0~CTCS-4級,適應(yīng)我國鐵路的多類型線路,滿足多種速度需求[1-2]。2019年9月發(fā)布的《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》提出要打造一流設(shè)施、一流技術(shù)、一流管理、一流服務(wù)的交通強(qiáng)國,交通裝備先進(jìn)適應(yīng)、完全可控[3-4]。因此,對高速鐵路信號系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)與實(shí)踐應(yīng)用提出了更高的要求,研究高速鐵路列控與調(diào)度指揮一體化對鐵路運(yùn)營、技術(shù)創(chuàng)新具有重要意義。

    1 設(shè)計(jì)理念

    高速鐵路列控與調(diào)度指揮一體化系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制與調(diào)度指揮的有機(jī)統(tǒng)一,提高信號系統(tǒng)的智能化水平,提升鐵路整體的運(yùn)輸效率[5-7]。該一體化方案的設(shè)計(jì)理念包括以下6個方面。

    (1)高速鐵路信號系統(tǒng)從車站聯(lián)鎖、區(qū)間閉塞、調(diào)度監(jiān)督向列控與行車調(diào)度一體化轉(zhuǎn)化;列控從人的操作和確認(rèn)向設(shè)備的智能化運(yùn)行轉(zhuǎn)化;調(diào)度指揮從“列車調(diào)度—車站值班—司機(jī)”向列車調(diào)度直接控制列車轉(zhuǎn)化。

    (2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時應(yīng)充分考慮內(nèi)部資源共享,避免相同信息重復(fù)傳輸和采集,減少與外部系統(tǒng)的接口。

    (3)系統(tǒng)的運(yùn)營維護(hù)功能要全面,對站內(nèi)、區(qū)間、車載的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)督、準(zhǔn)確定位。

    (4)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)列控兼調(diào)度指揮的功能,單個模塊功能不宜太過復(fù)雜,否則會影響整個系統(tǒng)的安全性和可靠性。

    (5)系統(tǒng)應(yīng)充分考慮安全性和可靠性,聯(lián)鎖、列控模塊及其相關(guān)接口采取2乘2取2或2乘3取2的安全冗余結(jié)構(gòu)。

    (6)一體化并不意味著所有邏輯運(yùn)算處理均由同一個處理器完成,也可由多個處理單位構(gòu)成,分工協(xié)作,但需在系統(tǒng)功能和軟件設(shè)計(jì)方面統(tǒng)一考慮。

    2 列控與調(diào)度指揮一體化系統(tǒng)功能

    高速鐵路列控與調(diào)度指揮一體化系統(tǒng)預(yù)期實(shí)現(xiàn)以下5項(xiàng)基本功能。

    2.1 自動排列進(jìn)路

    根據(jù)列車的車次號信息,下載列車運(yùn)行時刻表,由系統(tǒng)自動完成進(jìn)路排列任務(wù),取代人工進(jìn)路辦理,避免人工處理的失誤。

    2.2 列車自動駕駛

    根據(jù)線路的曲線信息、坡度信息、列車運(yùn)行許可或軌道電路空閑信息等,不斷優(yōu)化速度—距離模式曲線,列車車載設(shè)備據(jù)此控制機(jī)車牽引和制動系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)自動運(yùn)行。

    2.3 自動跟蹤控制

    線路上有多種速度限制,包括線路速度限制、進(jìn)路允許速度、臨時速度限制、車輛構(gòu)造速度等,系統(tǒng)在正常情況下根據(jù)速度—距離模式曲線給出的推薦速度行駛。當(dāng)列車超過限制速度時,系統(tǒng)自動實(shí)施緊急制動或常用制動,從而保障運(yùn)行安全。列車靠近站臺時,系統(tǒng)實(shí)時采集和比較列車速度、站臺距離,不斷與牽引和制動系統(tǒng)交互,實(shí)時控制列車對標(biāo),精確對位停車。

    2.4 自動監(jiān)督和報(bào)警

    實(shí)時監(jiān)督全線列車的運(yùn)行狀況,集中顯示在控制中心大屏幕和調(diào)度工作站上,并自動記錄列車運(yùn)行全過程。自動監(jiān)督信號設(shè)備的運(yùn)行狀況,集中顯示在維護(hù)工作站上,并對故障設(shè)備信息進(jìn)行報(bào)警。

    2.5 列車自動調(diào)整

    列車自動調(diào)整包含列車自身的調(diào)整和時刻表的調(diào)整。列車自身可自動進(jìn)行速度調(diào)整,即在列車行駛過程中,系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行時刻表、追蹤間隔、臨時限速等,實(shí)時自動進(jìn)行速度調(diào)整;當(dāng)列車偏離計(jì)劃運(yùn)行時刻表時,系統(tǒng)也可自動調(diào)整時刻表,即系統(tǒng)通過調(diào)整運(yùn)行等級、停站時間、列車目的地等方式自動調(diào)整行車計(jì)劃。

    3 列控與調(diào)度指揮一體化系統(tǒng)架構(gòu)

    高速鐵路列控與調(diào)度指揮一體化系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示,系統(tǒng)由調(diào)度指揮子系統(tǒng)、列控聯(lián)鎖子系統(tǒng)、維護(hù)監(jiān)測子系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)內(nèi)部通過各類數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接,包括信號系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)、調(diào)度集中數(shù)據(jù)網(wǎng)、信號集中監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)。按物理位置劃分為中心設(shè)備層、車站設(shè)備層、軌旁與車載設(shè)備層。其中,軌旁與車載設(shè)備層與現(xiàn)行高速鐵路ATO(Automatic Train Operation)系統(tǒng)一致[8],本文著重描述中心設(shè)備層、車站設(shè)備層。在現(xiàn)行列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上,先進(jìn)行列控與聯(lián)鎖系統(tǒng)的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)列車控制與地面設(shè)備控制的統(tǒng)一;再將結(jié)合后的系統(tǒng)(即:列控聯(lián)鎖子系統(tǒng))與調(diào)度指揮子系統(tǒng)有機(jī)融合,實(shí)現(xiàn)列控與調(diào)度指揮的一體化設(shè)計(jì);并在維護(hù)監(jiān)測子系統(tǒng)的支持下,實(shí)現(xiàn)安全有序運(yùn)行。

    圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

    正常情況下,由列控與調(diào)度指揮一體化系統(tǒng)根據(jù)時刻表自動完成列控與調(diào)度指揮,列控聯(lián)鎖子系統(tǒng)實(shí)時向調(diào)度指揮子系統(tǒng)提供列車運(yùn)行狀態(tài)信息,維護(hù)監(jiān)測子系統(tǒng)實(shí)時采集信號設(shè)備的狀態(tài)信息;當(dāng)發(fā)生故障或遇到特殊情況時,調(diào)度員可介入進(jìn)行調(diào)度指揮,下達(dá)行車調(diào)度命令給列控聯(lián)鎖子系統(tǒng)。

    3.1 調(diào)度指揮子系統(tǒng)

    調(diào)度指揮子系統(tǒng)由調(diào)度集中( CTC,Centralized Traffic Control)中心設(shè)備、CTC站機(jī)設(shè)備、調(diào)度模塊、中心操作工作站、車站操作工作站組成,子系統(tǒng)架構(gòu),如圖2所示。

    圖2 調(diào)度指揮子系統(tǒng)架構(gòu)

    (1)CTC中心設(shè)備

    CTC中心設(shè)備主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、通信服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)組成。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于儲存系統(tǒng)數(shù)據(jù),如離線存儲的線路數(shù)據(jù)、軌道數(shù)據(jù),在線存儲的列車運(yùn)行計(jì)劃、到發(fā)時間等。應(yīng)用服務(wù)器安裝有應(yīng)用軟件,用于處理數(shù)據(jù)和功能執(zhí)行。通信服務(wù)器與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)用于實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)間的接口,通過以太網(wǎng)連接其他系統(tǒng)。

    (2)中心操作工作站

    中心操作工作站是CTC中心設(shè)備與調(diào)度中心人員的人機(jī)交互界面,可通過操作菜單欄完成調(diào)度功能,也可監(jiān)督和控制所管轄車站的聯(lián)鎖區(qū)段,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對列車的直接控制??砂淳€路控制范圍配置若干個中心操作工作站,實(shí)現(xiàn)精確控制。此外,中心操作工作站配有時刻表編輯功能,用于離線生成和在線記錄運(yùn)行時刻表。

    (3)車站操作工作站

    根據(jù)列控聯(lián)鎖設(shè)備的部署,每個列控聯(lián)鎖車站配置1套本地操作工作站,通過調(diào)度集中數(shù)據(jù)網(wǎng)與CTC中心設(shè)備進(jìn)行連接。一般情況下,車站僅進(jìn)行監(jiān)視功能;特殊情況下,可實(shí)現(xiàn)本站人員的人工介入控制。

    (4)調(diào)度模塊

    調(diào)度模塊實(shí)時收集列車運(yùn)行數(shù)據(jù),并與計(jì)劃時刻表進(jìn)行比較,若運(yùn)行數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差,則觸發(fā)調(diào)整指令,系統(tǒng)自動調(diào)整時刻表,并據(jù)此生成新的速度—距離模式曲線,指導(dǎo)列車運(yùn)行控制。

    3.2 列控聯(lián)鎖子系統(tǒng)

    列控聯(lián)鎖子系統(tǒng)采用列控聯(lián)鎖一體化設(shè)備方案,基于CTCS-3級列控系統(tǒng),結(jié)合計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備功能,實(shí)現(xiàn)兩者有機(jī)融合、聯(lián)動控制。列控聯(lián)鎖子系統(tǒng)主要包括列控聯(lián)鎖主處理單元、臨時限速模塊、應(yīng)答器模塊、軌道電路模塊,子系統(tǒng)架構(gòu),如圖3所示。

    圖3 列控聯(lián)鎖子系統(tǒng)架構(gòu)

    (1)列控聯(lián)鎖主處理單元

    列控聯(lián)鎖主處理單元采用安全冗余結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[9],用于聯(lián)鎖邏輯和行車許可的運(yùn)算,滿足車站和區(qū)間的聯(lián)鎖要求,控制列車的追蹤間隔。每個車站均配置列車聯(lián)鎖主處理單元,經(jīng)通信控制服務(wù)器與CTC設(shè)備進(jìn)行通信,向CTC中心設(shè)備提供列車運(yùn)行狀態(tài)信息,并接收CTC設(shè)備的控制命令。

    (2)臨時限速模塊

    臨時限速模塊負(fù)責(zé)校驗(yàn)、存儲、提示臨時限速命令,而臨時限速命令的設(shè)置和取消統(tǒng)一由CTC中心下達(dá),并由CTC中心統(tǒng)一管理。同時,將臨時限速命令傳輸給列控聯(lián)鎖主處理單元,列控聯(lián)鎖主處理單元據(jù)此計(jì)算行車許可。

    (3)應(yīng)答器模塊

    綜合考慮CTCS-3級列控系統(tǒng)兼容CTCS-2級列控系統(tǒng),配置應(yīng)答器模塊及進(jìn)站、出站、區(qū)間、定位、等級轉(zhuǎn)換等應(yīng)答器組。應(yīng)答器組包括有源應(yīng)答器和無源應(yīng)答器,有源應(yīng)答器提供臨時限速、進(jìn)路信息,無源應(yīng)答器提供線路信息、定位信息,有源應(yīng)答器的電源和報(bào)文由應(yīng)答器模塊提供。

    (4)軌道電路模塊

    軌道電路模塊用于實(shí)現(xiàn)區(qū)段的占用檢查,同時保障在CTCS-3降級后通過鋼軌傳遞信號編碼信息。軌道電路模塊考慮采用ZPW-2000系列軌道電路,區(qū)間設(shè)置無絕緣軌道電路,中間站設(shè)置相同的機(jī)械絕緣軌道電路,樞紐站設(shè)置25 Hz相敏軌道電路。按照區(qū)間、車站的配線統(tǒng)一設(shè)置軌道電路載頻,軌道電路編碼由列控聯(lián)鎖主處理單元控制完成。

    3.3 維護(hù)監(jiān)測子系統(tǒng)

    隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能的發(fā)展,高速鐵路列控與調(diào)度指揮一體化系統(tǒng)需要更全面、更精準(zhǔn)的監(jiān)測與感知設(shè)備,實(shí)現(xiàn)綜合監(jiān)測與智能分析。維護(hù)監(jiān)測子系統(tǒng)主要包括維護(hù)監(jiān)測服務(wù)器、維護(hù)監(jiān)測工作站、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、障礙物檢測設(shè)備,系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

    圖4 維護(hù)監(jiān)測子系統(tǒng)架構(gòu)

    (1)維護(hù)監(jiān)測服務(wù)器

    維護(hù)監(jiān)測服務(wù)器設(shè)置于中心設(shè)備層,用于集中處理和存儲維修信息,并通過模式識別、大數(shù)據(jù)等智能分析技術(shù)提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患、輔助現(xiàn)場維修、診斷故障原因、指導(dǎo)故障處理。

    (2)維護(hù)監(jiān)測工作站

    維護(hù)監(jiān)測工作站從維護(hù)監(jiān)測服務(wù)器得到信息并進(jìn)行展示,包括設(shè)備的狀態(tài)、列車的運(yùn)行數(shù)據(jù)、診斷報(bào)警信息等。

    (3)數(shù)據(jù)采集設(shè)備

    數(shù)據(jù)采集設(shè)備負(fù)責(zé)與被監(jiān)測設(shè)備、元件保持連接,連續(xù)收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。監(jiān)測內(nèi)容應(yīng)全面,如軌道電路的發(fā)送端和接收端的電壓監(jiān)測、轉(zhuǎn)轍機(jī)的動作曲線、道岔表示電壓監(jiān)測、信號機(jī)點(diǎn)燈電流監(jiān)測、電源漏泄電流監(jiān)測,以及調(diào)度指揮、列控聯(lián)鎖主機(jī)的監(jiān)測等。

    (4)障礙物檢測設(shè)備

    區(qū)間設(shè)置障礙物檢測設(shè)備,采用激光雷達(dá)探測、視頻聯(lián)動、感知技術(shù)等,實(shí)時監(jiān)測列車運(yùn)行前方及沿線障礙物。當(dāng)異物侵入時,實(shí)時報(bào)警,并發(fā)送至一體化系統(tǒng),為安全運(yùn)行提供保障。

    3.4 與外部系統(tǒng)的接口

    列控與調(diào)度指揮一體化系統(tǒng)充分考慮內(nèi)部資源共享,通過中心設(shè)備層統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)接口的集中設(shè)置與管理。

    (1)防災(zāi)系統(tǒng)接口

    一體化系統(tǒng)與防災(zāi)系統(tǒng)的接口通過CTC中心設(shè)備實(shí)現(xiàn),當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時,由防災(zāi)系統(tǒng)發(fā)送防災(zāi)信息給一體化系統(tǒng),并在中心操作工作站與大屏幕上顯示報(bào)警信息。

    (2)大屏幕系統(tǒng)接口

    一體化系統(tǒng)與大屏幕系統(tǒng)接口通過CTC中心設(shè)備實(shí)現(xiàn),并在中心操作工作站與大屏幕上顯示報(bào)警信息。

    (3)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)接口

    一體化系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SCADA,Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)的接口通過CTC中心設(shè)備實(shí)現(xiàn),接收接觸網(wǎng)系統(tǒng)的供電狀態(tài)信息,并進(jìn)行集中顯示。

    (4)鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)接口

    一體化系統(tǒng)與鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)(GSM-R,Globle System of Mobile for Railway)的接口是實(shí)現(xiàn)一體化系統(tǒng)車地間雙向?qū)崟r傳輸數(shù)據(jù)的關(guān)鍵,列車經(jīng)車載設(shè)備,通過IGSM-R接口接入GSM-R網(wǎng)絡(luò),地面經(jīng)列控聯(lián)鎖主處理單元,通過IFIX接口接入GSM-R網(wǎng)絡(luò)。

    4 結(jié)束語

    本文根據(jù)我國高速鐵路技術(shù)裝備智能化、信息化的建設(shè)目標(biāo),結(jié)合列車運(yùn)行控制與調(diào)度指揮一體化研究熱點(diǎn),從設(shè)計(jì)方案角度進(jìn)行了初步探討,給出了高速鐵路列車運(yùn)行控制與調(diào)度指揮一體化系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)與配置方案,為下一步研究工作提供了設(shè)計(jì)思路。

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