城市軌道交通列車自動監控系統模塊分析
【摘要】 在對城市軌道交通ATS (列車自動監控) 系統進行運營需求分析的基礎上, 對系統的功能模塊組成進行了初步的劃分, 并對ATS 系統的基本特性進行了闡述。
關鍵詞: 城市軌道交通, 列車自動監控系統, 時刻表, 進路
1 概述
現代城市軌道交通系統是一個在高載客量、高密度下運行的自動控制系統, 列車之間的運行間隔甚至已經縮短至2m in 以下。對這樣的系統已經完全無法采取人工方式進行調度和管理。列車自動監控(A utom atic T rain Supervision ) 系統正是為了滿足這樣的需求而開發的一種基于計算機網絡的、智能化自動控制系統。
A T S 系統是整個城市軌道交通系統的運營核心, 它負責監視和控制線路中所有列車的運行狀態。A TS 由一個位于控制中心的遠程監控系統以及每個車站的現地設備(現地A TS) 組成。在通常情況下,A T S 系統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的調整, 只有在系統或設備故障時才需要監控人員的人工介入, 因此可極大地降低工作人員的勞動強度, 并提高系統運行效率和自動化程度。
2 系統的主要功能
A T S 系統的核心業務主要包括進路控制、列車跟蹤與顯示、運行圖管理、運行調整、設備管理和旅客向導等方面。
2. 1 進路控制
系統需要根據實際運營需求以及系統運行狀態采取不同的進路選擇方式。進路可由系統根據運行圖、列車識別號或者列車接近條件自動設置, 也可通過控制中心或車站值班員手動設置。
2. 2 列車跟蹤與顯示
系統通過跟蹤列車對軌道區間的占用情況和區間內道岔的實際位置自動完成對控制區段內的列車身份確認, 并對由現場傳來的列車識別號進行校核。相應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控人員。
2. 3 運行圖管理
系統可根據當日的運營需求自動排出每日的運行計劃。系統應具有10 種以上基本運行圖, 通過調用這些基本運行圖并在進行必要的參數設置以后, 監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控人員進行離線修改和維護。
2. 4 運行調整
當列車運行偏離運行圖時, 系統可自動調整列車的停站時間、區間走行時間。當偏離誤差較大時, 可由調度員人工介入, 指定列車的停站時間和區間走行時間, 或對系統實施運行圖進行調整。
2. 5 設備管理A T S 系統具備對列車和所有信號設備進行實時監控和管理的能力。系統中的設備出現故障后能向系統操作員發出報警信息并進行相應的記錄。
2. 6 旅客向導
系統可在每個車站的旅客信息顯示牌中顯示相關列車的到發站時間和行駛目標, 并能根據需要顯示特定的警告信息。
3 系統模塊分析
根據以上這些系統特定的運營需求, 一個基本的A TS 系統應當包括以下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當前的狀態信息、歷史操作信息以及受控鐵路系統的狀態數據。在操作員由鍵盤或其它類似設備輸入指令后, 列車控制和顯示功能驅動CRT 顯示屏和模擬顯示屏。列車控制和顯示將動態地刷新列車顯示器、檢查由現場返回的所有狀態數據, 并根據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調這些輸入指令的執行。
3. 2 運行圖管理模塊
運行圖是系統運行的依據與核心。運行圖管理模塊包括以下子功能:
·運行圖編輯: 系統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、發時刻均作為數據庫的一條記錄, 并可在此基礎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據, 對系統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段的占用同特定的列車識別號聯系起來, 以便操作員準確了解列車在區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。處于發車轉換軌中的列車通過車地通信系統( T rain to W ayside Comm unication System) 將該列車的有關數據發往控制中心, 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: 列車在系統中的移動導致軌道電路占用狀態的變化。A TS 系統采集軌道顯示、道岔、進路、列車運行等數據, 通過列車跟蹤算法推算出列車的運動狀態, 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發往控制中心。A TS 系統確認接收數據與系統跟蹤的列車號數據的一致性, 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: 對于列車常規運行方向上的緊急渡線道岔入口, 由聯鎖系統根據車輛的通過情況自動排列進路,A TS 系統無須給出進路設置指令; 對于終端站、維修場和交叉點的道岔入口, 必須由A TS 系統根據列車識別號中包含的目的地代碼生成進路控制指令, 交由現地聯鎖系統執行。
·手動控制: 當列車需通過常規運行方向的反向渡線時, 必須由A TS 系統通過人工設置進路。
對于一個高度自動化的列車自動監控系統來說, 當系統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置道岔位置和信號燈狀態。
通常情況下, 系統按照列車的接近條件自動設置進路。系統通過由列車跟蹤系統獲得的列車識別信息和列車所處的軌道區段, 自動生成前方道岔區段的進路控制指令。
3. 5 運行調整模塊
當系統中列車的運行狀態同預先排定的列車時刻表發生偏差時, 需對該列車的運行加以調整, 最大限度地減少這種偏差對后續列車運行的影響。
運行調整可手動或自動完成, 具體調整策略包括: 改變運行等級; 改變停站時間; 增減車次; 時刻表偏移。運行調整模塊根據列車偏離時刻表的程度自動決定所采用的調整策略。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整到位。系統可采取彈性的調整策略, 通過改變前后多輛列車的運行狀態, 逐步消除當前列車的運行偏差對系統總體的影響。
3. 6 培訓與仿真模塊
該模塊通過模擬一系列信號狀態數據和列車移動數據, 可生成各種不同情況下的系統運行狀態并對操作人員的動作做出響應, 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境。
3. 7 監控數據庫管理模塊
ATS 系統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; 正點統計; 交通狀態; 操作記錄; 重大事件記錄; 設備故障。
3. 8 乘客向導模塊
系統可根據現行時刻表設定的信息和運行中的列車交通狀況, 通過乘客信息系統向乘客提供自動、實時和可視的告示。
4 系統的運行模式
ATS 系統是城市軌道交通系統的指揮中樞, 在保證運營效率的同時還必須具備高的可用性。當系統中的某些單元出現故障或運營過程中出現異常情況時, 系統必須具備相應的應對策略。也就是說, 系統應當具備可降級運行的功能。即使在最惡劣的情況下,ATS 系統也可通過人工指揮運營。通常, 我們考慮系統可在以下幾種不同的模式下運行:
·自動調整模式: 這是自動化程度最高的模式, 在此模式下, 系統的運行最為平穩。ATS 系統完成所有的自動進路和自動列車調整功能。
·未調整的自動模式: 在此模式下, 系統自動完成所有的自動進路和調度功能, 但不具備自動運行調整能力。運營列車將一直使用預先設置的運行等級和站停時間。
·人工調度模式: 在此模式下,ATS 系統只負責執行部分自動進路設置功能, 列車投入運行和退出系統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 系統不能執行自動功能, 進路設置、站停及運行控制等級由列車調度員負責。
系統運行模式的切換由調度員人工完成。調度員需保證系統具備適當的運行條件。在任何情況下, 人工控制都具有最高的控制優先級, 以保證在系統故障時調度人員可隨時進行人工干預。
5 系統特性
由于控制對象的特殊性,ATS 系統在某些方面具有不同于其他監控系統的特性。
5. 1 系統的實時性
ATS 系統的監控對象主要是列車和信號設備, 列車的位置、信號燈的顯示、道岔位置等數據隨時都在變化, 因而ATS 系統需要具有很高的實時數據采集和處理能力。ATS 系統由位于OCC(控制中心) 的中心ATS 和位于各聯鎖站的現地ATS 組成。各現地ATS 設備負責所監控區域內的數據采集和預先處理, 并將所有變化的數據發往控制中心。采用分散控制可大大減輕中心ATS 系統的通信和運算負擔, 提高系統的運行效率。以下為ATS 系統主要系統速度指標的參考數據:
系統響應時間: 從發出選擇命令到系統完整的顯示輸出: < 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;
現場掃描時間: 3～ 4s。
5. 2 系統的可靠性
盡管ATS 系統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的運營效率卻是至關重要的。ATS 系統使用高可靠性的硬件和軟件, 并采取冗余手段保證系統的可靠性。在控制中心, 兩套ATS 系統同時工作。當其中的一個系統在線時, 另一個熱備系統也在不斷更新其系統數據, 隨時準備接替當前系統的工作。在故障切換的同時, 系統必須在很短時間內完成對軌旁信息的掃描, 以保證獲取系統的最新數據。
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生故障時, 可由其他工作站接替其業務。
A TS 系統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備; 冗余的A TS 主服務器; 通用的監控工作站; 冗余的通信接口; 冗余的雙以太網; 采用基于UN IX 或
W INDOW S N T 的操作系統。
5. 3 系統的可擴展性
A TS 系統必須適應城市軌道交通系統的不斷延伸和擴展。A TS 系統的軟硬件均具有模塊化的結構特性, 為今后系統的硬件擴展和軟件升級提供了便利的條件。系統的可擴展能力主要體現在以下幾個方面:
·可擴展的A TS 服務器:A TS 服務器的運算和處理能力直接關系到系統的總體性能水平。可通過增加硬件數量(如內存數量和硬盤容量) 和提高硬件性能(提高處理器、內存的運算速度)的方式對A TS 服務器進行擴展, 以適應系統今后運營能力的變化。
·可擴展的A TS 監控工作站: 可通過增加硬件數量(如內存數量和硬盤容量) 和提高硬件性能(提高處理器、內存的運算速度) 的方式擴大A TS 工作站的可管理區域。A TS 監控工作站的通用性允許系統增加操作員的位置, 以擴大A TS 系統的控制范圍。
·可擴展的局域網(LAN ): 網絡可連接的接點數量是可擴展的。
6 結束語
從經濟角度來看,A TS 系統僅僅只占據城市軌道交通系統總體造價的很小一部分。但該系統的性能卻直接體現了整個城市軌道交通系統的現代化水平, 并影響到其今后的長期運營和管理成本。列車運行調整算法和系統仿真是其中的技術難點, 只有解決了這兩個方面的問題, 才能真正實現先進、高度自動化的城市軌道交通A TS 系統。
參 考 文 獻
1 吳汶麒. 城市軌道交通信號與通信系統. 北京: 中國鐵道出版社, 1998: 159～ 160
