城市軌道交通列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)模塊分析

【摘要】　在對(duì)城市軌道交通ATS (列車自動(dòng)監(jiān)控) 系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)營(yíng)需求分析的基礎(chǔ)上, 對(duì)系統(tǒng)的功能模塊組成進(jìn)行了初步的劃分, 并對(duì)ATS 系統(tǒng)的基本特性進(jìn)行了闡述。
關(guān)鍵詞: 城市軌道交通, 列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng), 時(shí)刻表, 進(jìn)路
1　概述
現(xiàn)代城市軌道交通系統(tǒng)是一個(gè)在高載客量、高密度下運(yùn)行的自動(dòng)控制系統(tǒng), 列車之間的運(yùn)行間隔甚至已經(jīng)縮短至2m in 以下。對(duì)這樣的系統(tǒng)已經(jīng)完全無法采取人工方式進(jìn)行調(diào)度和管理。列車自動(dòng)監(jiān)控(A utom atic T rain Supervision ) 系統(tǒng)正是為了滿足這樣的需求而開發(fā)的一種基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的、智能化自動(dòng)控制系統(tǒng)。
A T S 系統(tǒng)是整個(gè)城市軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)核心, 它負(fù)責(zé)監(jiān)視和控制線路中所有列車的運(yùn)行狀態(tài)。A TS 由一個(gè)位于控制中心的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)以及每個(gè)車站的現(xiàn)地設(shè)備(現(xiàn)地A TS) 組成。在通常情況下,A T S 系統(tǒng)自動(dòng)負(fù)責(zé)運(yùn)行列車的進(jìn)路控制、列車跟蹤、運(yùn)行圖編制以及列車運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整, 只有在系統(tǒng)或設(shè)備故障時(shí)才需要監(jiān)控人員的人工介入, 因此可極大地降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度, 并提高系統(tǒng)運(yùn)行效率和自動(dòng)化程度。
2　系統(tǒng)的主要功能
A T S 系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)主要包括進(jìn)路控制、列車跟蹤與顯示、運(yùn)行圖管理、運(yùn)行調(diào)整、設(shè)備管理和旅客向?qū)У确矫妗?BR>2. 1　進(jìn)路控制
系統(tǒng)需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)營(yíng)需求以及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)采取不同的進(jìn)路選擇方式。進(jìn)路可由系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行圖、列車識(shí)別號(hào)或者列車接近條件自動(dòng)設(shè)置, 也可通過控制中心或車站值班員手動(dòng)設(shè)置。
2. 2　列車跟蹤與顯示
系統(tǒng)通過跟蹤列車對(duì)軌道區(qū)間的占用情況和區(qū)間內(nèi)道岔的實(shí)際位置自動(dòng)完成對(duì)控制區(qū)段內(nèi)的列車身份確認(rèn), 并對(duì)由現(xiàn)場(chǎng)傳來的列車識(shí)別號(hào)進(jìn)行校核。相應(yīng)列車的識(shí)別號(hào)將顯示在占用軌道旁的識(shí)別號(hào)顯示窗口, 以將所有運(yùn)營(yíng)列車的實(shí)際位置通知監(jiān)控人員。
2. 3　運(yùn)行圖管理
系統(tǒng)可根據(jù)當(dāng)日的運(yùn)營(yíng)需求自動(dòng)排出每日的運(yùn)行計(jì)劃。系統(tǒng)應(yīng)具有10 種以上基本運(yùn)行圖, 通過調(diào)用這些基本運(yùn)行圖并在進(jìn)行必要的參數(shù)設(shè)置以后, 監(jiān)控人員可很方便地獲得當(dāng)天的實(shí)施運(yùn)行圖。列車運(yùn)行后獲得的實(shí)跡運(yùn)行圖由機(jī)器實(shí)時(shí)記錄保存, 需要時(shí)可輸出查看。所有基本運(yùn)行圖和實(shí)施運(yùn)行圖均可由監(jiān)控人員進(jìn)行離線修改和維護(hù)。
2. 4　運(yùn)行調(diào)整
當(dāng)列車運(yùn)行偏離運(yùn)行圖時(shí), 系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)整列車的停站時(shí)間、區(qū)間走行時(shí)間。當(dāng)偏離誤差較大時(shí), 可由調(diào)度員人工介入, 指定列車的停站時(shí)間和區(qū)間走行時(shí)間, 或?qū)ο到y(tǒng)實(shí)施運(yùn)行圖進(jìn)行調(diào)整。
2. 5　設(shè)備管理A T S 系統(tǒng)具備對(duì)列車和所有信號(hào)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理的能力。系統(tǒng)中的設(shè)備出現(xiàn)故障后能向系統(tǒng)操作員發(fā)出報(bào)警信息并進(jìn)行相應(yīng)的記錄。
2. 6　旅客向?qū)?BR> 系統(tǒng)可在每個(gè)車站的旅客信息顯示牌中顯示相關(guān)列車的到發(fā)站時(shí)間和行駛目標(biāo), 并能根據(jù)需要顯示特定的警告信息。
3　系統(tǒng)模塊分析
根據(jù)以上這些系統(tǒng)特定的運(yùn)營(yíng)需求, 一個(gè)基本的A TS 系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包括以下8 個(gè)主要功能模塊。
3. 1　控制和顯示模塊控制和顯示模塊負(fù)責(zé)操作員和計(jì)算機(jī)之間的人機(jī)接口問題。
控制和顯示功能形象化地向操作員顯示了系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)信息、歷史操作信息以及受控鐵路系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。在操作員由鍵盤或其它類似設(shè)備輸入指令后, 列車控制和顯示功能驅(qū)動(dòng)CRT 顯示屏和模擬顯示屏。列車控制和顯示將動(dòng)態(tài)地刷新列車顯示器、檢查由現(xiàn)場(chǎng)返回的所有狀態(tài)數(shù)據(jù), 并根據(jù)需要刷新顯示和警報(bào)信息。列車控制和顯示也將處理所有操作員的輸入指令并協(xié)調(diào)這些輸入指令的執(zhí)行。
3. 2　運(yùn)行圖管理模塊
運(yùn)行圖是系統(tǒng)運(yùn)行的依據(jù)與核心。運(yùn)行圖管理模塊包括以下子功能:
·運(yùn)行圖編輯: 系統(tǒng)提供修改基本運(yùn)行圖的實(shí)用工具, 可以十分方便地生成每日的運(yùn)營(yíng)計(jì)劃。
·實(shí)跡運(yùn)行圖記錄: 列車在每一車站的到、發(fā)時(shí)刻均作為數(shù)據(jù)庫(kù)的一條記錄, 并可在此基礎(chǔ)上生成列車的實(shí)跡運(yùn)行圖。
·運(yùn)行記錄訪問: 管理人員可通過檢索所有的運(yùn)營(yíng)記錄數(shù)據(jù), 對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)狀況加以分析、比照, 以指定更為合理有效的運(yùn)行計(jì)劃。

3. 3　列車跟蹤模塊
列車跟蹤模塊的主要功能是將軌道區(qū)段的占用同特定的列車識(shí)別號(hào)聯(lián)系起來, 以便操作員準(zhǔn)確了解列車在區(qū)間運(yùn)行中的具體位置。列車跟蹤模塊包括以下子模塊:
·列車初始化: 列車在投入運(yùn)營(yíng)之前需對(duì)該列車進(jìn)行身份確認(rèn)和登記。處于發(fā)車轉(zhuǎn)換軌中的列車通過車地通信系統(tǒng)( T rain to W ayside Comm unication System) 將該列車的有關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)往控制中心, 控制中心將運(yùn)行時(shí)刻表中下一列車的車次號(hào)賦予該列車。
·列車號(hào)刪除: 對(duì)于脫離正常運(yùn)營(yíng)線路進(jìn)入車輛段或維修廠的列車將停止跟蹤, 并從運(yùn)行時(shí)刻表中刪除該車次號(hào)。
·列車號(hào)移動(dòng): 列車在系統(tǒng)中的移動(dòng)導(dǎo)致軌道電路占用狀態(tài)的變化。A TS 系統(tǒng)采集軌道顯示、道岔、進(jìn)路、列車運(yùn)行等數(shù)據(jù), 通過列車跟蹤算法推算出列車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài), 列車識(shí)別號(hào)自動(dòng)地跟隨列車移動(dòng)而移動(dòng)。
·正確列車識(shí)別( Positive T rain Identification): PT I 功能可改善A TS 系統(tǒng)的列車跟蹤算法精度。當(dāng)列車在車站停靠時(shí), 車載信息通過車地通信系統(tǒng)發(fā)往控制中心。A TS 系統(tǒng)確認(rèn)接收數(shù)據(jù)與系統(tǒng)跟蹤的列車號(hào)數(shù)據(jù)的一致性, 以確保對(duì)列車的正確跟蹤。

3. 4　進(jìn)路控制模塊
城市軌道交通運(yùn)營(yíng)具有很強(qiáng)的規(guī)律性, 進(jìn)路的控制條件相對(duì)來說較為簡(jiǎn)單。為了最大限度地提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率, 在不同情況下可靈活地采取不同的進(jìn)路控制策略:
·自動(dòng)控制: 分兩種情況加以考慮: 對(duì)于列車常規(guī)運(yùn)行方向上的緊急渡線道岔入口, 由聯(lián)鎖系統(tǒng)根據(jù)車輛的通過情況自動(dòng)排列進(jìn)路,A TS 系統(tǒng)無須給出進(jìn)路設(shè)置指令; 對(duì)于終端站、維修場(chǎng)和交叉點(diǎn)的道岔入口, 必須由A TS 系統(tǒng)根據(jù)列車識(shí)別號(hào)中包含的目的地代碼生成進(jìn)路控制指令, 交由現(xiàn)地聯(lián)鎖系統(tǒng)執(zhí)行。
·手動(dòng)控制: 當(dāng)列車需通過常規(guī)運(yùn)行方向的反向渡線時(shí), 必須由A TS 系統(tǒng)通過人工設(shè)置進(jìn)路。

對(duì)于一個(gè)高度自動(dòng)化的列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)來說, 當(dāng)系統(tǒng)中的所有運(yùn)營(yíng)列車均依照事先編制好的實(shí)施運(yùn)行圖正點(diǎn)運(yùn)行時(shí), 可按照運(yùn)行圖中規(guī)定的每輛列車在線路中通過的具體時(shí)間和運(yùn)行方向自動(dòng)設(shè)置道岔位置和信號(hào)燈狀態(tài)。
通常情況下, 系統(tǒng)按照列車的接近條件自動(dòng)設(shè)置進(jìn)路。系統(tǒng)通過由列車跟蹤系統(tǒng)獲得的列車識(shí)別信息和列車所處的軌道區(qū)段, 自動(dòng)生成前方道岔區(qū)段的進(jìn)路控制指令。
3. 5　運(yùn)行調(diào)整模塊
當(dāng)系統(tǒng)中列車的運(yùn)行狀態(tài)同預(yù)先排定的列車時(shí)刻表發(fā)生偏差時(shí), 需對(duì)該列車的運(yùn)行加以調(diào)整, 最大限度地減少這種偏差對(duì)后續(xù)列車運(yùn)行的影響。
運(yùn)行調(diào)整可手動(dòng)或自動(dòng)完成, 具體調(diào)整策略包括: 改變運(yùn)行等級(jí); 改變停站時(shí)間; 增減車次; 時(shí)刻表偏移。運(yùn)行調(diào)整模塊根據(jù)列車偏離時(shí)刻表的程度自動(dòng)決定所采用的調(diào)整策略。由于車輛性能、線路條件和站停時(shí)間等約束, 當(dāng)這種誤差較大時(shí), 往往不可能一次性調(diào)整到位。系統(tǒng)可采取彈性的調(diào)整策略, 通過改變前后多輛列車的運(yùn)行狀態(tài), 逐步消除當(dāng)前列車的運(yùn)行偏差對(duì)系統(tǒng)總體的影響。
3. 6　培訓(xùn)與仿真模塊
該模塊通過模擬一系列信號(hào)狀態(tài)數(shù)據(jù)和列車移動(dòng)數(shù)據(jù), 可生成各種不同情況下的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)并對(duì)操作人員的動(dòng)作做出響應(yīng), 由此可對(duì)所編制的運(yùn)行計(jì)劃和控制算法進(jìn)行測(cè)試, 也可向受訓(xùn)人員提供仿真的列車控制環(huán)境。
3. 7　監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)管理模塊
ATS 系統(tǒng)管理全部車輛的信息和交通狀況信息,ATS 可提供以下報(bào)告或記錄: 列車信息管理; 車輛運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)營(yíng)里程; 正點(diǎn)統(tǒng)計(jì); 交通狀態(tài); 操作記錄; 重大事件記錄; 設(shè)備故障。
3. 8　乘客向?qū)K
系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)行時(shí)刻表設(shè)定的信息和運(yùn)行中的列車交通狀況, 通過乘客信息系統(tǒng)向乘客提供自動(dòng)、實(shí)時(shí)和可視的告示。
4　系統(tǒng)的運(yùn)行模式
ATS 系統(tǒng)是城市軌道交通系統(tǒng)的指揮中樞, 在保證運(yùn)營(yíng)效率的同時(shí)還必須具備高的可用性。當(dāng)系統(tǒng)中的某些單元出現(xiàn)故障或運(yùn)營(yíng)過程中出現(xiàn)異常情況時(shí), 系統(tǒng)必須具備相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略。也就是說, 系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備可降級(jí)運(yùn)行的功能。即使在最惡劣的情況下,ATS 系統(tǒng)也可通過人工指揮運(yùn)營(yíng)。通常, 我們考慮系統(tǒng)可在以下幾種不同的模式下運(yùn)行:
·自動(dòng)調(diào)整模式: 這是自動(dòng)化程度最高的模式, 在此模式下, 系統(tǒng)的運(yùn)行最為平穩(wěn)。ATS 系統(tǒng)完成所有的自動(dòng)進(jìn)路和自動(dòng)列車調(diào)整功能。
·未調(diào)整的自動(dòng)模式: 在此模式下, 系統(tǒng)自動(dòng)完成所有的自動(dòng)進(jìn)路和調(diào)度功能, 但不具備自動(dòng)運(yùn)行調(diào)整能力。運(yùn)營(yíng)列車將一直使用預(yù)先設(shè)置的運(yùn)行等級(jí)和站停時(shí)間。
·人工調(diào)度模式: 在此模式下,ATS 系統(tǒng)只負(fù)責(zé)執(zhí)行部分自動(dòng)進(jìn)路設(shè)置功能, 列車投入運(yùn)行和退出系統(tǒng)都由操作員人工完成。列車在運(yùn)營(yíng)過程中也一直使用預(yù)先設(shè)置的運(yùn)行等級(jí)和站停時(shí)間。
·完全人工模式: 在此模式下,ATS 系統(tǒng)不能執(zhí)行自動(dòng)功能, 進(jìn)路設(shè)置、站停及運(yùn)行控制等級(jí)由列車調(diào)度員負(fù)責(zé)。
系統(tǒng)運(yùn)行模式的切換由調(diào)度員人工完成。調(diào)度員需保證系統(tǒng)具備適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行條件。在任何情況下, 人工控制都具有最高的控制優(yōu)先級(jí), 以保證在系統(tǒng)故障時(shí)調(diào)度人員可隨時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)。
5　系統(tǒng)特性
由于控制對(duì)象的特殊性,ATS 系統(tǒng)在某些方面具有不同于其他監(jiān)控系統(tǒng)的特性。
5. 1　系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性
ATS 系統(tǒng)的監(jiān)控對(duì)象主要是列車和信號(hào)設(shè)備, 列車的位置、信號(hào)燈的顯示、道岔位置等數(shù)據(jù)隨時(shí)都在變化, 因而ATS 系統(tǒng)需要具有很高的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理能力。ATS 系統(tǒng)由位于OCC(控制中心) 的中心ATS 和位于各聯(lián)鎖站的現(xiàn)地ATS 組成。各現(xiàn)地ATS 設(shè)備負(fù)責(zé)所監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)采集和預(yù)先處理, 并將所有變化的數(shù)據(jù)發(fā)往控制中心。采用分散控制可大大減輕中心ATS 系統(tǒng)的通信和運(yùn)算負(fù)擔(dān), 提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。以下為ATS 系統(tǒng)主要系統(tǒng)速度指標(biāo)的參考數(shù)據(jù):
系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間: 從發(fā)出選擇命令到系統(tǒng)完整的顯示輸出: < 2s;
顯示更新時(shí)間: 從接收到變化的信號(hào)到選定的
顯示更新: 1～ 2s;
主備切換時(shí)間: 10～ 30s;
現(xiàn)場(chǎng)掃描時(shí)間: 3～ 4s。

5. 2　系統(tǒng)的可靠性
盡管ATS 系統(tǒng)無須對(duì)列車的安全運(yùn)行負(fù)責(zé), 但其可靠性對(duì)于整個(gè)交通系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)效率卻是至關(guān)重要的。ATS 系統(tǒng)使用高可靠性的硬件和軟件, 并采取冗余手段保證系統(tǒng)的可靠性。在控制中心, 兩套ATS 系統(tǒng)同時(shí)工作。當(dāng)其中的一個(gè)系統(tǒng)在線時(shí), 另一個(gè)熱備系統(tǒng)也在不斷更新其系統(tǒng)數(shù)據(jù), 隨時(shí)準(zhǔn)備接替當(dāng)前系統(tǒng)的工作。在故障切換的同時(shí), 系統(tǒng)必須在很短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)軌旁信息的掃描, 以保證獲取系統(tǒng)的最新數(shù)據(jù)。
中心ATS 工作站具有相同的軟硬件配置, 在功能上互為備份。當(dāng)其中某個(gè)工作站發(fā)生故障時(shí), 可由其他工作站接替其業(yè)務(wù)。
A TS 系統(tǒng)的可靠性主要通過這樣一些措施加以保證: 采用基于工作站或工控機(jī)的計(jì)算機(jī)設(shè)備; 冗余的A TS 主服務(wù)器; 通用的監(jiān)控工作站; 冗余的通信接口; 冗余的雙以太網(wǎng); 采用基于UN IX 或
W INDOW S N T 的操作系統(tǒng)。
5. 3　系統(tǒng)的可擴(kuò)展性
A TS 系統(tǒng)必須適應(yīng)城市軌道交通系統(tǒng)的不斷延伸和擴(kuò)展。A TS 系統(tǒng)的軟硬件均具有模塊化的結(jié)構(gòu)特性, 為今后系統(tǒng)的硬件擴(kuò)展和軟件升級(jí)提供了便利的條件。系統(tǒng)的可擴(kuò)展能力主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
·可擴(kuò)展的A TS 服務(wù)器:A TS 服務(wù)器的運(yùn)算和處理能力直接關(guān)系到系統(tǒng)的總體性能水平。可通過增加硬件數(shù)量(如內(nèi)存數(shù)量和硬盤容量) 和提高硬件性能(提高處理器、內(nèi)存的運(yùn)算速度)的方式對(duì)A TS 服務(wù)器進(jìn)行擴(kuò)展, 以適應(yīng)系統(tǒng)今后運(yùn)營(yíng)能力的變化。
·可擴(kuò)展的A TS 監(jiān)控工作站: 可通過增加硬件數(shù)量(如內(nèi)存數(shù)量和硬盤容量) 和提高硬件性能(提高處理器、內(nèi)存的運(yùn)算速度) 的方式擴(kuò)大A TS 工作站的可管理區(qū)域。A TS 監(jiān)控工作站的通用性允許系統(tǒng)增加操作員的位置, 以擴(kuò)大A TS 系統(tǒng)的控制范圍。
·可擴(kuò)展的局域網(wǎng)(LAN ): 網(wǎng)絡(luò)可連接的接點(diǎn)數(shù)量是可擴(kuò)展的。
6　結(jié)束語(yǔ)
從經(jīng)濟(jì)角度來看,A TS 系統(tǒng)僅僅只占據(jù)城市軌道交通系統(tǒng)總體造價(jià)的很小一部分。但該系統(tǒng)的性能卻直接體現(xiàn)了整個(gè)城市軌道交通系統(tǒng)的現(xiàn)代化水平, 并影響到其今后的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)和管理成本。列車運(yùn)行調(diào)整算法和系統(tǒng)仿真是其中的技術(shù)難點(diǎn), 只有解決了這兩個(gè)方面的問題, 才能真正實(shí)現(xiàn)先進(jìn)、高度自動(dòng)化的城市軌道交通A TS 系統(tǒng)。
參　考　文　獻(xiàn)
1　吳汶麒. 城市軌道交通信號(hào)與通信系統(tǒng). 北京: 中國(guó)鐵道出版社, 1998: 159～ 160