城市軌道交通ATP 仿真系統(tǒng)的初步研究
摘 要:基于我國目前城市軌道交通發(fā)展的需求分析以及列車超速防護(hù)ATP 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析,提出ATP 仿真系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)與指導(dǎo)原則,以及A TP 仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能.
關(guān)鍵詞:城市軌道交通;列車超速防護(hù);
近年來,隨著北京地鐵擴(kuò)建、上海和廣州地鐵的相繼建成投運以及北京輕軌線路的即將開工,我國城市軌道交通的發(fā)展規(guī)模越來越大,然而我國的列車自動控制A TC(Automatic Train Control) 水平還處于起步階段,車地一體的成套系統(tǒng)設(shè)備尚需從國外引進(jìn). 跟蹤國外A TC 系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展,研制國產(chǎn)化A TC 系統(tǒng)的任務(wù)已迫在眉睫.
城市交通A TC 系統(tǒng)通常包括列車超速防護(hù)A TP(Automatic Train Protection) 、列車自動駕駛A TO(Automatic Train Operation) 和列車自動監(jiān)控A TS(Automatic Train Supervision) 3 個子系統(tǒng),其中A TP 子系統(tǒng)采用故障安全設(shè)計,完成列車運行的間隔控制、進(jìn)路控制和超速防護(hù)等功能,對于保證列車運行安全和提高行車效率起著很重要的作用[ 1 ].
與單項產(chǎn)品的開發(fā)不同,城市軌道交通A TP 是一個復(fù)雜系統(tǒng),涉及機車車輛、地車通信、信號聯(lián)鎖、行車指揮以及司機駕駛等諸多因素,系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計中的疏漏乃至錯誤都在所難免, 所研制設(shè)備的性能測試與改進(jìn)也不可能一蹴而就,應(yīng)用計算機仿真技術(shù)、研究建立A TP 仿真系統(tǒng)是進(jìn)行A TP 系統(tǒng)開發(fā)的必要條件和必然選擇.
1 ATP 仿真系統(tǒng)目標(biāo)與開發(fā)原則
1. 1 系統(tǒng)目標(biāo)
(1) 建立輔助開發(fā)平臺 在ATP 系統(tǒng)研發(fā)期間,應(yīng)用數(shù)字仿真與半實物仿真相結(jié)合的手段,對所研制的ATP 設(shè)備進(jìn)行仿真測試,以便及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計疏漏,縮短新產(chǎn)品的研制周期;同時還可以進(jìn)行設(shè)備參數(shù)優(yōu)化設(shè)計.
(2) 建立自動測試平臺 對ATP 系統(tǒng)的整體性能以及各個子系統(tǒng)的各項性能進(jìn)行測試, 檢驗所設(shè)計的ATP 系統(tǒng)的可靠性、可用性和可維護(hù)性指標(biāo),給出性能測試報告.
(3) 提供方案的評價手段 應(yīng)用數(shù)字仿真對ATP 系統(tǒng)方案的可行性進(jìn)行預(yù)測和評估.
(4) 建立系統(tǒng)演示與人員培訓(xùn)環(huán)境 利用多媒體手段對ATP 系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)、功能和運行過程進(jìn)行生動的展示,并提供ATP 仿真系統(tǒng)工作人員以及現(xiàn)場信號工作人員的業(yè)務(wù)培訓(xùn)環(huán)境,包括設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)、安裝、調(diào)試和維護(hù)等.
1. 2 系統(tǒng)開發(fā)原則
(1) 通用性與開放性 從適用范圍方面,考慮擴(kuò)展為地面鐵路ATP 仿真系統(tǒng)的需求;從系統(tǒng)功能方面,預(yù)留擴(kuò)展為ATS 與ATO 仿真系統(tǒng)的接口.
(2) 數(shù)字仿真與半實物仿真相結(jié)合.
(3) 組態(tài)化建模 適應(yīng)不同模式的ATP 系統(tǒng),保證仿真對象某一部分不同時,僅通過組態(tài)將基本部分加以重新組合就可獲得新的仿真模型,而不必修改仿真的原程序.
(4) 優(yōu)越的人機交互性能.
1. 3 仿真對象描述城市軌道交通ATP 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示,各部分的主要功能為:
(1) 區(qū)域控制中心 是ATP 系統(tǒng)的核心. 一方面,向ATS 系統(tǒng)提供由軌道電路子系統(tǒng)、進(jìn)路控制子系統(tǒng)采集來的實時狀態(tài)信息;另一方面,從ATS 系統(tǒng)接收調(diào)度命令,產(chǎn)生進(jìn)路控制命令并傳遞給進(jìn)路控制子系統(tǒng)實現(xiàn)進(jìn)路控制, 同時產(chǎn)生軌道電路編碼信息, 由軌道電路子系統(tǒng)傳遞給車載ATP 子系統(tǒng),實現(xiàn)對列車的實時控制.
(2) 安全數(shù)據(jù)網(wǎng) 是指區(qū)域控制中心與其它ATP 子系統(tǒng)實時交換信息的傳輸通道.
(3) 車載ATP 子系統(tǒng) 接收軌道電路傳遞的各種信息,生成列車速度控制曲線,并與實測車速進(jìn)行比較,監(jiān)督列車運行. 當(dāng)列車運圖1 城市交通ATP 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖行速度超過允許速度時,對列車實施制動.
(4) 軌道電路子系統(tǒng) 不僅向車載ATP 子系統(tǒng)提供列車控制信息、定位信息,同時還完成列車占用檢測、斷軌檢查等功能.
(5) 進(jìn)路控制子系統(tǒng) 根據(jù)區(qū)域控制中心的命令,實時控制站內(nèi)信號機與道岔.
2 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能
2. 1 ATP 仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
A TP 仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示. A TP 仿真系統(tǒng)是一個分布式仿真大系統(tǒng),系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器向各個仿真子系統(tǒng)提供大量共享的數(shù)據(jù),例如:線路數(shù)據(jù)庫、車站數(shù)據(jù)庫、列車牽引制動模型、列車運行圖等,以及各種硬件共享設(shè)備,如打印機、大屏幕投影等. 區(qū)域控制中心仿真子系統(tǒng)、車載A TP 仿真子系統(tǒng)、進(jìn)路控制仿真子系統(tǒng)和軌道電路仿真子系統(tǒng)通過局域網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器連接,共享網(wǎng)絡(luò)資源.
圖2 城市軌道交通ATP 仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖
2. 2 區(qū)域控制中心仿真子系統(tǒng)區(qū)域控制中心仿真子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3 所示. 圖3 中,區(qū)域控制中心仿真主機的功能是:
(1) 模擬生成各種A TS 信息;
(2) 設(shè)置各通信鏈路模擬器的參數(shù);
(3) 接收被測設(shè)備輸出的軌道電路編碼信息與進(jìn)路控制信息,并對這些信息正確性、實時性、抗干擾性等進(jìn)行評價,給出評價結(jié)果及統(tǒng)計信息;
(4) 通過局域網(wǎng)共享網(wǎng)絡(luò)打印機、大屏幕投影等設(shè)備,實現(xiàn)子系統(tǒng)功能演示與系統(tǒng)培訓(xùn).
圖3 中的輸入、輸出接口可能是模擬量接口,也可能是數(shù)字量的;各通信鏈路模擬器可程控設(shè)置其模擬通信鏈路的類型(如串行或并行) 、鏈路長度、參數(shù)、故障模式等;被測區(qū)域控制中心機接收A TS 控制信息,輸出軌道電路編碼與進(jìn)路控制信息.
圖3 區(qū)域控制中心仿真子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖
2. 3 進(jìn)路控制仿真子系統(tǒng)如圖4 所示[2 ] ,進(jìn)路控制仿真主機的功能是:
(1) 自動生成測試方案,模擬生成一系列的操作命令與當(dāng)前狀態(tài)輸出;
(2) 通過局域網(wǎng)獲取站場數(shù)據(jù),并動態(tài)顯示站場情況的變化;
(3) 接收被測設(shè)備輸出的表示信息與控制信息,并對這些信息正確性、實時性等進(jìn)行評價;
(4) 通過局域網(wǎng)共享網(wǎng)絡(luò)資源,實現(xiàn)子系統(tǒng)功能演示與培訓(xùn).
圖4 進(jìn)路控制仿真子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2. 4 車載ATP 仿真子系統(tǒng)車載A TP 仿真子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5 所示[3 ,4 ]. 圖5 中,車載A TP 仿真子系統(tǒng)仿真主機的功能是:
(1) 根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)以及通過局域網(wǎng)查詢線路數(shù)據(jù)、列車運行模型、列車制動模型等,生成測試方案;
(2) 通過與駕駛仿真微機的通信,獲取列車操縱與狀態(tài)信息;在脫離駕駛仿真系統(tǒng)時,也可自行生成這些信息;
(3) 根據(jù)仿真要求,直接生成未經(jīng)調(diào)制的地面軌道電路信息或點式信息;或者通過遠(yuǎn)程訪問軌道電路子系統(tǒng),由其提供原始信息;
(4) 根據(jù)仿真測試結(jié)果,進(jìn)行測試結(jié)果統(tǒng)計分析、控制效率分析、安全性分析與評價;
(5) 通過局域網(wǎng)共享網(wǎng)絡(luò)資源,實現(xiàn)子系統(tǒng)功能演示與培訓(xùn).
圖5 車載ATP 仿真子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖
2. 5 軌道電路仿真子系統(tǒng)如圖6 所示[5 ] ,軌道電路仿真主機的功能是:
(1) 根據(jù)仿真任務(wù)的需求,通過控制VXI 總線測試子系統(tǒng)與臺式儀器子系統(tǒng),獲取仿真建模測試數(shù)據(jù)、信號分析數(shù)據(jù)等;
(2) 提供軌道電路工作特性分析、工作狀態(tài)仿真、軌道電路參數(shù)優(yōu)化、測試數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計、系統(tǒng)性能評價等的軟件平臺;
(3) 通過局域網(wǎng)共享網(wǎng)絡(luò)資源,實現(xiàn)子系統(tǒng)功能演示與培訓(xùn).
圖6 軌道電路仿真子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖
3 結(jié)論
(1) 由于城市軌道交通具有與地面鐵路相區(qū)別的一些顯著特征,城市軌道交通ATP 系統(tǒng)特別強調(diào)設(shè)備的自動化、系統(tǒng)化程度以及車地信息傳輸與設(shè)備的在線監(jiān)控和維修的重要性. 在ATP 仿真系統(tǒng)設(shè)計時,應(yīng)對這些區(qū)別給予充分考慮.
(2) 城市交通ATP 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能較復(fù)雜,各仿真子系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計有待于進(jìn)一步研究.
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