城市轨道交通列车自动监控系统模块分析
【摘要】 在对城市轨道交通ATS (列车自动监控) 系统进行运营需求分析的基础上, 对系统的功能模块组成进行了初步的划分, 并对ATS 系统的基本特性进行了阐述。
关键词: 城市轨道交通, 列车自动监控系统, 时刻表, 进路
1 概述
现代城市轨道交通系统是一个在高载客量、高密度下运行的自动控制系统, 列车之间的运行间隔甚至已经缩短至2m in 以下。对这样的系统已经完全无法采取人工方式进行调度和管理。列车自动监控(A utom atic T rain Supervision ) 系统正是为了满足这样的需求而开发的一种基于计算机网络的、智能化自动控制系统。
A T S 系统是整个城市轨道交通系统的运营核心, 它负责监视和控制线路中所有列车的运行状态。A TS 由一个位于控制中心的远程监控系统以及每个车站的现地设备(现地A TS) 组成。在通常情况下,A T S 系统自动负责运行列车的进路控制、列车跟踪、运行图编制以及列车运行状态的调整, 只有在系统或设备故障时才需要监控人员的人工介入, 因此可极大地降低工作人员的劳动强度, 并提高系统运行效率和自动化程度。
2 系统的主要功能
A T S 系统的核心业务主要包括进路控制、列车跟踪与显示、运行图管理、运行调整、设备管理和旅客向导等方面。
2. 1 进路控制
系统需要根据实际运营需求以及系统运行状态采取不同的进路选择方式。进路可由系统根据运行图、列车识别号或者列车接近条件自动设置, 也可通过控制中心或车站值班员手动设置。
2. 2 列车跟踪与显示
系统通过跟踪列车对轨道区间的占用情况和区间内道岔的实际位置自动完成对控制区段内的列车身份确认, 并对由现场传来的列车识别号进行校核。相应列车的识别号将显示在占用轨道旁的识别号显示窗口, 以将所有运营列车的实际位置通知监控人员。
2. 3 运行图管理
系统可根据当日的运营需求自动排出每日的运行计划。系统应具有10 种以上基本运行图, 通过调用这些基本运行图并在进行必要的参数设置以后, 监控人员可很方便地获得当天的实施运行图。列车运行后获得的实迹运行图由机器实时记录保存, 需要时可输出查看。所有基本运行图和实施运行图均可由监控人员进行离线修改和维护。
2. 4 运行调整
当列车运行偏离运行图时, 系统可自动调整列车的停站时间、区间走行时间。当偏离误差较大时, 可由调度员人工介入, 指定列车的停站时间和区间走行时间, 或对系统实施运行图进行调整。
2. 5 设备管理A T S 系统具备对列车和所有信号设备进行实时监控和管理的能力。系统中的设备出现故障后能向系统操作员发出报警信息并进行相应的记录。
2. 6 旅客向导
系统可在每个车站的旅客信息显示牌中显示相关列车的到发站时间和行驶目标, 并能根据需要显示特定的警告信息。
3 系统模块分析
根据以上这些系统特定的运营需求, 一个基本的A TS 系统应当包括以下8 个主要功能模块。
3. 1 控制和显示模块控制和显示模块负责操作员和计算机之间的人机接口问题。
控制和显示功能形象化地向操作员显示了系统当前的状态信息、历史操作信息以及受控铁路系统的状态数据。在操作员由键盘或其它类似设备输入指令后, 列车控制和显示功能驱动CRT 显示屏和模拟显示屏。列车控制和显示将动态地刷新列车显示器、检查由现场返回的所有状态数据, 并根据需要刷新显示和警报信息。列车控制和显示也将处理所有操作员的输入指令并协调这些输入指令的执行。
3. 2 运行图管理模块
运行图是系统运行的依据与核心。运行图管理模块包括以下子功能:
·运行图编辑: 系统提供修改基本运行图的实用工具, 可以十分方便地生成每日的运营计划。
·实迹运行图记录: 列车在每一车站的到、发时刻均作为数据库的一条记录, 并可在此基础上生成列车的实迹运行图。
·运行记录访问: 管理人员可通过检索所有的运营记录数据, 对系统的运营状况加以分析、比照, 以指定更为合理有效的运行计划。
3. 3 列车跟踪模块
列车跟踪模块的主要功能是将轨道区段的占用同特定的列车识别号联系起来, 以便操作员准确了解列车在区间运行中的具体位置。列车跟踪模块包括以下子模块:
·列车初始化: 列车在投入运营之前需对该列车进行身份确认和登记。处于发车转换轨中的列车通过车地通信系统( T rain to W ayside Comm unication System) 将该列车的有关数据发往控制中心, 控制中心将运行时刻表中下一列车的车次号赋予该列车。
·列车号删除: 对于脱离正常运营线路进入车辆段或维修厂的列车将停止跟踪, 并从运行时刻表中删除该车次号。
·列车号移动: 列车在系统中的移动导致轨道电路占用状态的变化。A TS 系统采集轨道显示、道岔、进路、列车运行等数据, 通过列车跟踪算法推算出列车的运动状态, 列车识别号自动地跟随列车移动而移动。
·正确列车识别( Positive T rain Identification): PT I 功能可改善A TS 系统的列车跟踪算法精度。当列车在车站停靠时, 车载信息通过车地通信系统发往控制中心。A TS 系统确认接收数据与系统跟踪的列车号数据的一致性, 以确保对列车的正确跟踪。
3. 4 进路控制模块
城市轨道交通运营具有很强的规律性, 进路的控制条件相对来说较为简单。为了最大限度地提高系统的运行效率, 在不同情况下可灵活地采取不同的进路控制策略:
·自动控制: 分两种情况加以考虑: 对于列车常规运行方向上的紧急渡线道岔入口, 由联锁系统根据车辆的通过情况自动排列进路,A TS 系统无须给出进路设置指令; 对于终端站、维修场和交叉点的道岔入口, 必须由A TS 系统根据列车识别号中包含的目的地代码生成进路控制指令, 交由现地联锁系统执行。
·手动控制: 当列车需通过常规运行方向的反向渡线时, 必须由A TS 系统通过人工设置进路。
对于一个高度自动化的列车自动监控系统来说, 当系统中的所有运营列车均依照事先编制好的实施运行图正点运行时, 可按照运行图中规定的每辆列车在线路中通过的具体时间和运行方向自动设置道岔位置和信号灯状态。
通常情况下, 系统按照列车的接近条件自动设置进路。系统通过由列车跟踪系统获得的列车识别信息和列车所处的轨道区段, 自动生成前方道岔区段的进路控制指令。
3. 5 运行调整模块
当系统中列车的运行状态同预先排定的列车时刻表发生偏差时, 需对该列车的运行加以调整, 最大限度地减少这种偏差对后续列车运行的影响。
运行调整可手动或自动完成, 具体调整策略包括: 改变运行等级; 改变停站时间; 增减车次; 时刻表偏移。运行调整模块根据列车偏离时刻表的程度自动决定所采用的调整策略。由于车辆性能、线路条件和站停时间等约束, 当这种误差较大时, 往往不可能一次性调整到位。系统可采取弹性的调整策略, 通过改变前后多辆列车的运行状态, 逐步消除当前列车的运行偏差对系统总体的影响。
3. 6 培训与仿真模块
该模块通过模拟一系列信号状态数据和列车移动数据, 可生成各种不同情况下的系统运行状态并对操作人员的动作做出响应, 由此可对所编制的运行计划和控制算法进行测试, 也可向受训人员提供仿真的列车控制环境。
3. 7 监控数据库管理模块
ATS 系统管理全部车辆的信息和交通状况信息,ATS 可提供以下报告或记录: 列车信息管理; 车辆运行时间和运营里程; 正点统计; 交通状态; 操作记录; 重大事件记录; 设备故障。
3. 8 乘客向导模块
系统可根据现行时刻表设定的信息和运行中的列车交通状况, 通过乘客信息系统向乘客提供自动、实时和可视的告示。
4 系统的运行模式
ATS 系统是城市轨道交通系统的指挥中枢, 在保证运营效率的同时还必须具备高的可用性。当系统中的某些单元出现故障或运营过程中出现异常情况时, 系统必须具备相应的应对策略。也就是说, 系统应当具备可降级运行的功能。即使在最恶劣的情况下,ATS 系统也可通过人工指挥运营。通常, 我们考虑系统可在以下几种不同的模式下运行:
·自动调整模式: 这是自动化程度最高的模式, 在此模式下, 系统的运行最为平稳。ATS 系统完成所有的自动进路和自动列车调整功能。
·未调整的自动模式: 在此模式下, 系统自动完成所有的自动进路和调度功能, 但不具备自动运行调整能力。运营列车将一直使用预先设置的运行等级和站停时间。
·人工调度模式: 在此模式下,ATS 系统只负责执行部分自动进路设置功能, 列车投入运行和退出系统都由操作员人工完成。列车在运营过程中也一直使用预先设置的运行等级和站停时间。
·完全人工模式: 在此模式下,ATS 系统不能执行自动功能, 进路设置、站停及运行控制等级由列车调度员负责。
系统运行模式的切换由调度员人工完成。调度员需保证系统具备适当的运行条件。在任何情况下, 人工控制都具有最高的控制优先级, 以保证在系统故障时调度人员可随时进行人工干预。
5 系统特性
由于控制对象的特殊性,ATS 系统在某些方面具有不同于其他监控系统的特性。
5. 1 系统的实时性
ATS 系统的监控对象主要是列车和信号设备, 列车的位置、信号灯的显示、道岔位置等数据随时都在变化, 因而ATS 系统需要具有很高的实时数据采集和处理能力。ATS 系统由位于OCC(控制中心) 的中心ATS 和位于各联锁站的现地ATS 组成。各现地ATS 设备负责所监控区域内的数据采集和预先处理, 并将所有变化的数据发往控制中心。采用分散控制可大大减轻中心ATS 系统的通信和运算负担, 提高系统的运行效率。以下为ATS 系统主要系统速度指标的参考数据:
系统响应时间: 从发出选择命令到系统完整的显示输出: < 2s;
显示更新时间: 从接收到变化的信号到选定的
显示更新: 1～ 2s;
主备切换时间: 10～ 30s;
现场扫描时间: 3～ 4s。
5. 2 系统的可靠性
尽管ATS 系统无须对列车的安全运行负责, 但其可靠性对于整个交通系统的运营效率却是至关重要的。ATS 系统使用高可靠性的硬件和软件, 并采取冗余手段保证系统的可靠性。在控制中心, 两套ATS 系统同时工作。当其中的一个系统在线时, 另一个热备系统也在不断更新其系统数据, 随时准备接替当前系统的工作。在故障切换的同时, 系统必须在很短时间内完成对轨旁信息的扫描, 以保证获取系统的最新数据。
中心ATS 工作站具有相同的软硬件配置, 在功能上互为备份。当其中某个工作站发生故障时, 可由其他工作站接替其业务。
A TS 系统的可靠性主要通过这样一些措施加以保证: 采用基于工作站或工控机的计算机设备; 冗余的A TS 主服务器; 通用的监控工作站; 冗余的通信接口; 冗余的双以太网; 采用基于UN IX 或
W INDOW S N T 的操作系统。
5. 3 系统的可扩展性
A TS 系统必须适应城市轨道交通系统的不断延伸和扩展。A TS 系统的软硬件均具有模块化的结构特性, 为今后系统的硬件扩展和软件升级提供了便利的条件。系统的可扩展能力主要体现在以下几个方面:
·可扩展的A TS 服务器:A TS 服务器的运算和处理能力直接关系到系统的总体性能水平。可通过增加硬件数量(如内存数量和硬盘容量) 和提高硬件性能(提高处理器、内存的运算速度)的方式对A TS 服务器进行扩展, 以适应系统今后运营能力的变化。
·可扩展的A TS 监控工作站: 可通过增加硬件数量(如内存数量和硬盘容量) 和提高硬件性能(提高处理器、内存的运算速度) 的方式扩大A TS 工作站的可管理区域。A TS 监控工作站的通用性允许系统增加操作员的位置, 以扩大A TS 系统的控制范围。
·可扩展的局域网(LAN ): 网络可连接的接点数量是可扩展的。
6 结束语
从经济角度来看,A TS 系统仅仅只占据城市轨道交通系统总体造价的很小一部分。但该系统的性能却直接体现了整个城市轨道交通系统的现代化水平, 并影响到其今后的长期运营和管理成本。列车运行调整算法和系统仿真是其中的技术难点, 只有解决了这两个方面的问题, 才能真正实现先进、高度自动化的城市轨道交通A TS 系统。
参 考 文 献
1 吴汶麒. 城市轨道交通信号与通信系统. 北京: 中国铁道出版社, 1998: 159～ 160
