城市軌道交通列車自動監(jiān)控系統(tǒng)模塊分析

【摘要】　在對城市軌道交通ATS (列車自動監(jiān)控) 系統(tǒng)進行運營需求分析的基礎(chǔ)上, 對系統(tǒng)的功能模塊組成進行了初步的劃分, 并對ATS 系統(tǒng)的基本特性進行了闡述。
關(guān)鍵詞: 城市軌道交通, 列車自動監(jiān)控系統(tǒng), 時刻表, 進路
1　概述
現(xiàn)代城市軌道交通系統(tǒng)是一個在高載客量、高密度下運行的自動控制系統(tǒng), 列車之間的運行間隔甚至已經(jīng)縮短至2m in 以下。對這樣的系統(tǒng)已經(jīng)完全無法采取人工方式進行調(diào)度和管理。列車自動監(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)的一種基于計算機網(wǎng)絡(luò)的、智能化自動控制系統(tǒng)。
A T S 系統(tǒng)是整個城市軌道交通系統(tǒng)的運營核心, 它負責監(jiān)視和控制線路中所有列車的運行狀態(tài)。A TS 由一個位于控制中心的遠程監(jiān)控系統(tǒng)以及每個車站的現(xiàn)地設(shè)備(現(xiàn)地A TS) 組成。在通常情況下,A T S 系統(tǒng)自動負責運行列車的進路控制、列車跟蹤、運行圖編制以及列車運行狀態(tài)的調(diào)整, 只有在系統(tǒng)或設(shè)備故障時才需要監(jiān)控人員的人工介入, 因此可極大地降低工作人員的勞動強度, 并提高系統(tǒng)運行效率和自動化程度。
2　系統(tǒng)的主要功能
A T S 系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)主要包括進路控制、列車跟蹤與顯示、運行圖管理、運行調(diào)整、設(shè)備管理和旅客向?qū)У确矫妗?BR>2. 1　進路控制
系統(tǒng)需要根據(jù)實際運營需求以及系統(tǒng)運行狀態(tài)采取不同的進路選擇方式。進路可由系統(tǒng)根據(jù)運行圖、列車識別號或者列車接近條件自動設(shè)置, 也可通過控制中心或車站值班員手動設(shè)置。
2. 2　列車跟蹤與顯示
系統(tǒng)通過跟蹤列車對軌道區(qū)間的占用情況和區(qū)間內(nèi)道岔的實際位置自動完成對控制區(qū)段內(nèi)的列車身份確認, 并對由現(xiàn)場傳來的列車識別號進行校核。相應(yīng)列車的識別號將顯示在占用軌道旁的識別號顯示窗口, 以將所有運營列車的實際位置通知監(jiān)控人員。
2. 3　運行圖管理
系統(tǒng)可根據(jù)當日的運營需求自動排出每日的運行計劃。系統(tǒng)應(yīng)具有10 種以上基本運行圖, 通過調(diào)用這些基本運行圖并在進行必要的參數(shù)設(shè)置以后, 監(jiān)控人員可很方便地獲得當天的實施運行圖。列車運行后獲得的實跡運行圖由機器實時記錄保存, 需要時可輸出查看。所有基本運行圖和實施運行圖均可由監(jiān)控人員進行離線修改和維護。
2. 4　運行調(diào)整
當列車運行偏離運行圖時, 系統(tǒng)可自動調(diào)整列車的停站時間、區(qū)間走行時間。當偏離誤差較大時, 可由調(diào)度員人工介入, 指定列車的停站時間和區(qū)間走行時間, 或?qū)ο到y(tǒng)實施運行圖進行調(diào)整。
2. 5　設(shè)備管理A T S 系統(tǒng)具備對列車和所有信號設(shè)備進行實時監(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)出報警信息并進行相應(yīng)的記錄。
2. 6　旅客向?qū)?BR> 系統(tǒng)可在每個車站的旅客信息顯示牌中顯示相關(guān)列車的到發(fā)站時間和行駛目標, 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)特定的運營需求, 一個基本的A TS 系統(tǒng)應(yīng)當包括以下8 個主要功能模塊。
3. 1　控制和顯示模塊控制和顯示模塊負責操作員和計算機之間的人機接口問題。
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CRT 顯示屏和模擬顯示屏。列車控制和顯示將動態(tài)地刷新列車顯示器、檢查由現(xiàn)場返回的所有狀態(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　運行圖管理模塊
運行圖是系統(tǒng)運行的依據(jù)與核心。運行圖管理模塊包括以下子功能:
·運行圖編輯: 系統(tǒng)提供修改基本運行圖的實用工具, 可以十分方便地生成每日的運營計劃。
·實跡運行圖記錄: 列車在每一車站的到、發(fā)時刻均作為數(shù)據(jù)庫的一條記錄, 并可在此基礎(chǔ)上生成列車的實跡運行圖。
·運行記錄訪問: 管理人員可通過檢索所有的運營記錄數(shù)據(jù), 對系統(tǒng)的運營狀況加以分析、比照, 以指定更為合理有效的運行計劃。

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別號聯(lián)系起來, 以便操作員準確了解列車在區(qū)間運行中的具體位置。列車跟蹤模塊包括以下子模塊:
·列車初始化: 列車在投入運營之前需對該列車進行身份確認和登記。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, 控制中心將運行時刻表中下一列車的車次號賦予該列車。
·列車號刪除: 對于脫離正常運營線路進入車輛段或維修廠的列車將停止跟蹤, 并從運行時刻表中刪除該車次號。
·列車號移動: 列車在系統(tǒng)中的移動導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、進路、列車運行等數(shù)據(jù), 通過列車跟蹤算法推算出列車的運動狀態(tài), 列車識別號自動地跟隨列車移動而移動。
·正確列車識別( 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。當列車在車站停靠時, 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)確認接收數(shù)據(jù)與系統(tǒng)跟蹤的列車號數(shù)據(jù)的一致性, 以確保對列車的正確跟蹤。

3. 4　進路控制模塊
城市軌道交通運營具有很強的規(guī)律性, 進路的控制條件相對來說較為簡單。為了最大限度地提高系統(tǒng)的運行效率, 在不同情況下可靈活地采取不同的進路控制策略:
·自動控制: 分兩種情況加以考慮: 對于列車常規(guī)運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排列進路,A TS 系統(tǒng)無須給出進路設(shè)置指令; 對于終端站、維修場和交叉點的道岔入口, 必須由A TS 系統(tǒng)根據(jù)列車識別號中包含的目的地代碼生成進路控制指令, 交由現(xiàn)地聯(lián)鎖系統(tǒng)執(zhí)行。
·手動控制: 當列車需通過常規(guī)運行方向的反向渡線時, 必須由A TS 系統(tǒng)通過人工設(shè)置進路。

對于一個高度自動化的列車自動監(jiān)控系統(tǒng)來說, 當系統(tǒng)中的所有運營列車均依照事先編制好的實施運行圖正點運行時, 可按照運行圖中規(guī)定的每輛列車在線路中通過的具體時間和運行方向自動設(shè)置道岔位置和信號燈狀態(tài)。
通常情況下, 系統(tǒng)按照列車的接近條件自動設(shè)置進路。系統(tǒng)通過由列車跟蹤系統(tǒng)獲得的列車識別信息和列車所處的軌道區(qū)段, 自動生成前方道岔區(qū)段的進路控制指令。
3. 5　運行調(diào)整模塊
當系統(tǒng)中列車的運行狀態(tài)同預先排定的列車時刻表發(fā)生偏差時, 需對該列車的運行加以調(diào)整, 最大限度地減少這種偏差對后續(xù)列車運行的影響。
運行調(diào)整可手動或自動完成, 具體調(diào)整策略包括: 改變運行等級; 改變停站時間; 增減車次; 時刻表偏移。運行調(diào)整模塊根據(jù)列車偏離時刻表的程度自動決定所采用的調(diào)整策略。由于車輛性能、線路條件和站停時間等約束, 當這種誤差較大時, 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行狀態(tài), 逐步消除當前列車的運行偏差對系統(tǒng)總體的影響。
3. 6　培訓與仿真模塊
該模塊通過模擬一系列信號狀態(tài)數(shù)據(jù)和列車移動數(shù)據(jù), 可生成各種不同情況下的系統(tǒng)運行狀態(tài)并對操作人員的動作做出響應(yīng), 由此可對所編制的運行計劃和控制算法進行測試, 也可向受訓人員提供仿真的列車控制環(huán)境。
3. 7　監(jiān)控數(shù)據(jù)庫管理模塊
ATS 系統(tǒng)管理全部車輛的信息和交通狀況信息,ATS 可提供以下報告或記錄: 列車信息管理; 車輛運行時間和運營里程; 正點統(tǒng)計; 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)行時刻表設(shè)定的信息和運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、實時和可視的告示。
4　系統(tǒng)的運行模式
ATS 系統(tǒng)是城市軌道交通系統(tǒng)的指揮中樞, 在保證運營效率的同時還必須具備高的可用性。當系統(tǒng)中的某些單元出現(xiàn)故障或運營過程中出現(xiàn)異常情況時, 系統(tǒng)必須具備相應(yīng)的應(yīng)對策略。也就是說, 系統(tǒng)應(yīng)當具備可降級運行的功能。即使在最惡劣的情況下,ATS 系統(tǒng)也可通過人工指揮運營。通常, 我們考慮系統(tǒng)可在以下幾種不同的模式下運行:
·自動調(diào)整模式: 這是自動化程度最高的模式, 在此模式下, 系統(tǒng)的運行最為平穩(wěn)。ATS 系統(tǒng)完成所有的自動進路和自動列車調(diào)整功能。
·未調(diào)整的自動模式: 在此模式下, 系統(tǒng)自動完成所有的自動進路和調(diào)度功能, 但不具備自動運行調(diào)整能力。運營列車將一直使用預先設(shè)置的運行等級和站停時間。
·人工調(diào)度模式: 在此模式下,ATS 系統(tǒng)只負責執(zhí)行部分自動進路設(shè)置功能, 列車投入運行和退出系統(tǒng)都由操作員人工完成。列車在運營過程中也一直使用預先設(shè)置的運行等級和站停時間。
·完全人工模式: 在此模式下,ATS 系統(tǒng)不能執(zhí)行自動功能, 進路設(shè)置、站停及運行控制等級由列車調(diào)度員負責。
系統(tǒng)運行模式的切換由調(diào)度員人工完成。調(diào)度員需保證系統(tǒng)具備適當?shù)倪\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, 以保證在系統(tǒng)故障時調(diào)度人員可隨時進行人工干預。
5　系統(tǒng)特性
由于控制對象的特殊性,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)的實時性
ATS 系統(tǒng)的監(jiān)控對象主要是列車和信號設(shè)備, 列車的位置、信號燈的顯示、道岔位置等數(shù)據(jù)隨時都在變化, 因而ATS 系統(tǒng)需要具有很高的實時數(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)備負責所監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)采集和預先處理, 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)的通信和運算負擔, 提高系統(tǒng)的運行效率。以下為ATS 系統(tǒng)主要系統(tǒng)速度指標的參考數(shù)據(jù):
系統(tǒng)響應(yīng)時間: 從發(fā)出選擇命令到系統(tǒng)完整的顯示輸出: < 2s;
顯示更新時間: 從接收到變化的信號到選定的
顯示更新: 1～ 2s;
主備切換時間: 10～ 30s;
現(xiàn)場掃描時間: 3～ 4s。

5. 2　系統(tǒng)的可靠性
盡管ATS 系統(tǒng)無須對列車的安全運行負責, 但其可靠性對于整個交通系統(tǒng)的運營效率卻是至關(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)同時工作。當其中的一個系統(tǒng)在線時, 另一個熱備系統(tǒng)也在不斷更新其系統(tǒng)數(shù)據(jù), 隨時準備接替當前系統(tǒng)的工作。在故障切換的同時, 系統(tǒng)必須在很短時間內(nèi)完成對軌旁信息的掃描, 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。當其中某個工作站發(fā)生故障時, 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的計算機設(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)的硬件擴展和軟件升級提供了便利的條件。系統(tǒng)的可擴展能力主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
·可擴展的A TS 服務(wù)器:A TS 服務(wù)器的運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)存的運算速度)的方式對A TS 服務(wù)器進行擴展, 以適應(yīng)系統(tǒng)今后運營能力的變化。
·可擴展的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)存的運算速度) 的方式擴大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, 以擴大A TS 系統(tǒng)的控制范圍。
·可擴展的局域網(wǎng)(LAN ): 網(wǎng)絡(luò)可連接的接點數(shù)量是可擴展的。
6　結(jié)束語
從經(jīng)濟角度來看,A TS 系統(tǒng)僅僅只占據(jù)城市軌道交通系統(tǒng)總體造價的很小一部分。但該系統(tǒng)的性能卻直接體現(xiàn)了整個城市軌道交通系統(tǒng)的現(xiàn)代化水平, 并影響到其今后的長期運營和管理成本。列車運行調(diào)整算法和系統(tǒng)仿真是其中的技術(shù)難點, 只有解決了這兩個方面的問題, 才能真正實現(xiàn)先進、高度自動化的城市軌道交通A TS 系統(tǒng)。
參　考　文　獻
1　吳汶麒. 城市軌道交通信號與通信系統(tǒng). 北京: 中國鐵道出版社, 1998: 159～ 160