城市軌道交通管控一體實驗平臺設(shè)計與研究

王順利, 鄔芝權(quán), 孫景冬, 朱翠翠

(1. 西南交通大學(xué) 峨眉校區(qū)交通運輸系, 四川 峨眉 614202；2. 西南交通大學(xué) 峨眉校區(qū)計算機與通信工程系, 四川 峨眉 614202)

城市軌道交通管控一體實驗平臺設(shè)計與研究

王順利1, 鄔芝權(quán)2, 孫景冬1, 朱翠翠1

(1. 西南交通大學(xué) 峨眉校區(qū)交通運輸系, 四川 峨眉 614202；2. 西南交通大學(xué) 峨眉校區(qū)計算機與通信工程系, 四川 峨眉 614202)

城市軌道交通管控實驗平臺由硬件平臺和控制系統(tǒng)兩部分組成,運用仿真技術(shù)及遠程控制技術(shù),構(gòu)建出城市軌道交通接近真實的運營環(huán)境。通過城市軌道交通車輛段、ATS、ZC、模擬駕駛、沙盤、仿真列車之間的聯(lián)動,實現(xiàn)城市軌道交通主要作業(yè)流程的仿真。

城市軌道交通; 管控一體; ATS

城市軌道交通具有運量大、速度快、安全、準(zhǔn)點、舒適性高、保護環(huán)境、節(jié)約能源和用地等特點。為了從根本上解決城市擁擠問題,需大力發(fā)展城市軌道交通,形成以城市軌道交通為主體,多種形式城市交通工具共存的多層次、多平面的立體交通體系[1]。預(yù)計至2020年,我國城市軌道交通累計投入運營歷程將達到7 000 km,覆蓋全國主要大中城市[2]。根據(jù)國際上城市軌道交通管理人才的配備標(biāo)準(zhǔn),每建成1 km城市軌道交通線路,至少需要60名專門的管理及技術(shù)人才[1]。城市軌道企業(yè)自身培訓(xùn)能力比較弱,如果僅僅依靠自身,城市軌道交通管理人才的缺口將越來越大。城市軌道交通行業(yè)存在自身的特點,為確?，F(xiàn)場運行安全,現(xiàn)場設(shè)備又不能納入人員培訓(xùn)的環(huán)節(jié),但城市軌道交通人才有需要有現(xiàn)場設(shè)備的操作技能,這是一個矛盾的問題,為解決這一問題只有構(gòu)建與現(xiàn)場一致的城市軌道交通仿真運行平臺[3-4]。

隨著城市軌道交通的高速發(fā)展,很多高校開設(shè)了城市軌道交通相關(guān)專業(yè),考慮到城市軌道交通行業(yè)的特殊性,為保證人才培養(yǎng)的質(zhì)量,需要革新人才培養(yǎng)計劃,增加實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。考慮到資金投入與教學(xué)效果,一般都是采用計算機仿真手段,構(gòu)建城市軌道交通綜合實驗室,達到培養(yǎng)城市軌道交通各工種專業(yè)技能。

1 城市軌道交通管控一體實驗平臺總體介紹

城市軌道交通管控一體實驗平臺(見圖1)要建成城市軌道交通信號、通信、運營指揮等管理與控制于一體化的綜合實驗平臺[5]。

城市軌道交通管控實驗室以體現(xiàn)現(xiàn)代軌道交通技術(shù)設(shè)備特征和運用水平為藍本,構(gòu)建出城市軌道交通接近真實的技術(shù)設(shè)備硬環(huán)境及運行狀態(tài)軟環(huán)境,體現(xiàn)運輸指揮、技術(shù)設(shè)備運用控制及信息溝通處理等環(huán)節(jié)的主要過程及各環(huán)節(jié)的內(nèi)在互動關(guān)系[2]。

圖1 城市軌道交通管控一體實驗平臺結(jié)構(gòu)圖

城軌管控實驗平臺結(jié)合城市軌道交通現(xiàn)場運營情況,由硬件系統(tǒng)(沙盤子系統(tǒng)、仿真列車)、控制系統(tǒng)(ZC仿真子系統(tǒng)、ATS仿真子系統(tǒng)、車輛段仿真子系統(tǒng)、集中站仿真子系統(tǒng)、列車模擬駕駛子系統(tǒng))、通信及接口子系統(tǒng)組成。

2 沙盤子系統(tǒng)

2.1 沙盤線路規(guī)劃

為體現(xiàn)線路的層次感,沙盤線路規(guī)劃在400 m2房間內(nèi),按照上、下兩層進行設(shè)計,地面層一部分線路延伸至地下層。地面層有高鐵線和地鐵線,高鐵線以成都至峨眉城際高鐵為原型,以體現(xiàn)高鐵與城軌的換乘。在沙盤中部以成都地鐵1號線皂角樹車輛段為原型,設(shè)置10條停車線、1條洗車線、1條檢修線、1條試車線城軌車輛段。車輛段兩段分別連以成都地鐵1號線、2號線為原型的城軌1號線、2號線。沙盤城軌道線路有地面線、地下線等多種形式。在城軌沙盤上,由于城軌線路大多是地下的,即使在車站位置做透明處理,也不便于了解城軌整體運行情況,故把城軌1號線從沙盤上層引入地下層,使車站的折返形式、區(qū)間正線與車站的配合運行等能直觀體現(xiàn)。沙盤地面層線路如圖2所示,沙盤地下層線路如圖3所示。

圖2 沙盤地面層線路

圖3 沙盤地下層線路

(1) 信號機仿真。按照城軌、高鐵線路運行實際,按照1∶48比例制作沙盤矮柱調(diào)車信號機、高柱列車信號機。為保證沙盤信號顯示穩(wěn)定、可靠、便于維護,信號機采用發(fā)光二極管為電源,色片選擇不同顏色,以實現(xiàn)信號機的不同顯示。信號機采用MCP201芯片為總線收發(fā)器,把信號燈的控制設(shè)備做成一張微型電路板[6]。

(2) 道岔轉(zhuǎn)轍機仿真。沙盤上的可控電動轉(zhuǎn)轍機以ZD6電動轉(zhuǎn)轍機為原型,道岔轉(zhuǎn)轍機控制電路采用PIC16F688芯片,控制電路如圖4所示,通過對控制電路通不同方向的電流,產(chǎn)生電磁力,實現(xiàn)道岔尖軌的轉(zhuǎn)換。為確保道岔尖軌能轉(zhuǎn)換到規(guī)定位置,道岔轉(zhuǎn)轍機控制電路有道岔定、反位檢測裝置[7]。

(3) 列車定位設(shè)備。成都地鐵1號線、2號線實際運營時按CBTC(communication based train control system)方式運行,列車將位置信息通過無線通信方式實時報告給軌旁,前行列車與后續(xù)列車通過無線移動閉塞,前后列車的追蹤間隔可以最小。沙盤線路上列車比較小,沙盤線路比較復(fù)雜,如果以無線的方式對仿真列車進行定位則難度比較大,故沙盤線路上對列車定位采用射頻卡技術(shù)。在沙盤線路上鋪設(shè)射頻卡,并對射頻卡進行編號,仿真列車設(shè)有射頻卡讀卡器,列車運行在線路上時,通過讀卡器讀取列車位置,并把列車位置信息發(fā)送給運營控制系統(tǒng),實現(xiàn)仿真列車按照CBTC的方式運行[8]。

圖4 道岔轉(zhuǎn)轍機控制電路

3 仿真列車

仿真列車以成都地鐵1號線B型車為原型,按照1∶48比例制作,采用4節(jié)編組,中間2節(jié)為動車,頭尾兩節(jié)為拖車,仿真列車如圖5所示。

仿真列車控制模塊由1個車輛控制模塊、2個電源模塊、1個無線通信模塊、1個信標(biāo)檢測模塊、2個車輛可控電機組成。

車輛控制模塊為控制系統(tǒng)核心,接收及傳達控制系統(tǒng)的命令；無線控制模塊實現(xiàn)仿真列車與軌旁設(shè)備的無線通信；信標(biāo)檢測模塊即射頻卡讀卡器,確定列車位置；可控電機實現(xiàn)仿真列車的加速、減速以及多速度模式的平穩(wěn)運行。

4 通信及接口子系統(tǒng)

通信子系統(tǒng)通過有線及無線的通信網(wǎng)絡(luò),把各個子系統(tǒng)連成一個整體,實現(xiàn)沙盤系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間聯(lián)動。接口系統(tǒng)主要是把城軌管控實驗室的硬件設(shè)備與控制系統(tǒng)連接成一個整體,實現(xiàn)管控一體的設(shè)計理念。

2.2 測定方法 用卷尺測定樹高、冠幅、干高，用角度尺測量枝條開張角度；處理組和對照組骨干枝上選取飽滿度一致的側(cè)芽134個，調(diào)查萌發(fā)率、抽生新梢類型；處理組和對照組各選取134條中短枝，調(diào)查頂花芽數(shù)量；全樹采果測定產(chǎn)量。

5 控制系統(tǒng)

5.1 ZC仿真子系統(tǒng)

如圖6所示,ZC(Zone Controller)仿真子系統(tǒng)實現(xiàn)列車管理,創(chuàng)建、刪除列車；考慮到控制系統(tǒng)的各個系統(tǒng)在不同的工作站上運行,ZC子系統(tǒng)還實現(xiàn)控制系統(tǒng)各個子系統(tǒng)之間的時鐘同步,以及提高仿真運行的時間倍率(以縮短培訓(xùn)環(huán)節(jié)中的時間,達到滿意的培訓(xùn)效果)；城軌管控實驗室不但仿真城軌正常情況下的運營,還要考慮故障情況下的運營,故ZC子系統(tǒng)還具有故障設(shè)置的功能,主要故障類型有ZC故障、列車故障、軌旁故障、PSD故障等。

5.2 列車模擬駕駛子系統(tǒng)

(1) 對多個仿真列車進行管理。在ZC子系統(tǒng)創(chuàng)建好列車后,列車在車輛段或正線運行,需要在列車模擬駕駛子系統(tǒng)內(nèi)對多個列車進行管理,如圖7所示,點擊右上角黃色箭頭,選擇要仿真列車的運行方向(上、下行)、運行模式(自動模式,列車按ATO自動運行；人工模式,列車進站要開關(guān)對應(yīng)車門,按“ATO運行”按鈕后才發(fā)車)等。

(2) 駕駛模式轉(zhuǎn)換。仿真列車在不同位置及不同的運行條件下,需要按不同的駕駛模式運行,如圖7所示,設(shè)有駕駛模式手柄和列車牽引制動手柄,實現(xiàn)駕駛模式轉(zhuǎn)換。比如列車在車輛段內(nèi)按RMF駕駛模式運行,駕駛模式手柄位于“向前”位,牽引制動手柄位于“牽引”位,仿真列車運行,到規(guī)定位置后牽引制動手柄置于“制動”位停車。列車在正線按ATO方式運行時,牽引制動手柄位于“ATC”位,牽引制動手柄位于“0”位。

圖6 ZC仿真子系統(tǒng)界面

(3) 駕駛信息顯示。在司機駕駛顯示單元內(nèi)顯示列車運行速度、停站距離信息、門信息、車站信息、駕駛模式信息、當(dāng)前駕駛模式及停站信息等[9]，見圖7。

圖7 列車模擬駕駛子系統(tǒng)界面

5.3 ATS仿真子系統(tǒng)

列車自動監(jiān)督系統(tǒng)ATS(automatic train supervision)指揮并監(jiān)督列車運行,根據(jù)CBTC基本原理完成進路請求、列車運行圖管理、列車自動折返、列車跳停、實時顯示正線及車站列車運行情況,為運營指揮人員提供工作支持及決策指揮參考,ATS仿真界面如圖8所示,ATS集中站界面與ATS相類似,只是集中站只能控制本站的信號設(shè)備[10]。

圖8 ATS仿真界面

(1) 列車運行圖管理。為保證列車運行秩序,城市軌道交通指揮列車按照運行圖行車,列車運行圖能直觀表達各次列車在各個區(qū)間運行、停站以及通過等運行狀態(tài),如圖9所示。在城市軌道交通運行圖采用的秒格圖,每格的單位為1 s,縱軸為各車站之間的運行間隔。

列車運行圖的編制有多種辦法,最簡單的辦法是確定相鄰兩站之間的到、發(fā)時間點,兩點即可確定該條運行線,這種方法簡單是簡單,但要繪制多條列車運行線就顯的太繁瑣。本系統(tǒng)繪制列車運行線時,可直接繪制某次列車上行或下行方向的整條運行線,如果停站時間與系統(tǒng)給定的不同,則可進行人工微調(diào),如此使運行線的繪制相對變得簡單。

圖9 列車運行圖

列車運行的交路有多種,并不是只要確定起點站和終點站就可以繪制出該方向運行線,ATS系統(tǒng)有交路判斷功能,在確定終點站時,要檢查該站的折返線的布置形式能否滿足交路條件,如果不滿足交路條件則終點站選擇無效,需要重新選擇終點站進行繪制。

(2) 進路控制。城軌管控實驗平臺列車按CBTC方式運行,ATS仿真系統(tǒng)根據(jù)列車運行圖的指揮,確定列車運行計劃,根據(jù)前后仿真列車間隔的距離,由ZC仿真子系統(tǒng)為仿真列車進行移動授權(quán),分配列車進路。在移動授權(quán)時,ATS仿真子系統(tǒng)檢查移動授權(quán)范圍內(nèi)道岔、區(qū)段占用情況,如區(qū)段空閑,則進行檢查道岔位置,對道岔位置不正確的道岔由ATS子系統(tǒng)對ZC子系統(tǒng)發(fā)布道岔轉(zhuǎn)換命令,使道岔轉(zhuǎn)換到指定位置。

(3) 列車自動折返。仿真列車根據(jù)列車運行圖對應(yīng)運行線的安排,根據(jù)折返站的類型,確定列車的折返形式,實現(xiàn)列車自動折返。城市軌道交通列車的車次號也對應(yīng)自動生成,車次號由3部分組成,第1部分為ZC系統(tǒng)創(chuàng)建的列車號如01、02…；第2部分為運行圖繪制運行線時的列車編號(列車編號從車輛段出段到最后運行完畢入段結(jié)束),如101、102…；第3部分為列車在某上行或下行運行線時的目的站,如157J(沙盤線路中的某個車站的站名“157階站”)。某次車次號為01_102_157J,即為01號列車102車底編號,該次列車在此次運行線目的站為157階站。

(4) 列車跳停及站臺扣車。在城市軌道交通列車運營過程中,根據(jù)作業(yè)需求要使某次列車在某站不停車,進行趕點。在ATS仿真子系統(tǒng)內(nèi),選中列車,在彈出對話框內(nèi)確定跳停的車站,即可實現(xiàn)。如果根據(jù)作業(yè)需要,要使用站臺進行扣車,則選中站臺,可實現(xiàn)站臺扣車功能。

5.4 車輛段仿真子系統(tǒng)

如圖10所示,車輛段仿真子系統(tǒng)是基于軌道電路的仿真子系統(tǒng),其仿真原理與國鐵普速鐵路車站的仿真相類似。依據(jù)車輛段內(nèi)設(shè)備情況,編制整個車站的聯(lián)鎖圖表,根據(jù)聯(lián)鎖關(guān)系實現(xiàn)車輛段仿真子系統(tǒng)各種作業(yè)。主要有出段列車進路、入段列車進路、調(diào)車進路的辦理,道岔的定位操作、道岔反位操作、道岔單鎖、道岔單解,進路取消、進路人工解鎖、進路故障解鎖,引導(dǎo)進路、引導(dǎo)總鎖進路辦理等[3，11]。

圖10 車輛段仿真子系統(tǒng)界面圖

6 結(jié)束語

本城軌管控實驗平臺結(jié)合成都地鐵現(xiàn)場運營實際確定沙盤線路規(guī)劃,對沙盤線路上的硬件設(shè)備信號機、道岔轉(zhuǎn)轍機、列車定位設(shè)備、仿真列車等的仿真控制進行設(shè)計,確保仿真運行安全穩(wěn)定可靠?；凇熬€路運營控制中心(OCC)—車站—車輛段—仿真列車”的運營指揮框架構(gòu)建運營控制系統(tǒng),實現(xiàn)仿真列車按CBTC運行模式運行。城軌管控實驗室綜合了信號、運營指揮、仿真技術(shù)等于一體,為城市軌道交通提供了一個綜合性技能訓(xùn)練平臺,為西南交大峨眉校區(qū)城軌相關(guān)專業(yè)提供了實驗基礎(chǔ)。

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Design and study of simulation and experimental platform of urban rail transit integrated control and management

Wang Shunli1, Wu Zhiquan2, Sun Jingdong1, Zhu Cuicui1

(1. Department of Traffic and Transportation,Emei Campus,Southwest Jiaotong University, Emei 614202, China; 2. Department of Computer and Communication Engineering,Emei Campus,Southwest Jiaotong University, Emei 614202, China)

The experimental platform of urban rail transit control and management is composed of hardware platform and control system.By using simulation and remote-control technology,this article establishes a modern urban rail transit transportation nearly true of transportation engineering environment.It also can realize the simulation of the main urban rail transit operational process with the linkage of the metro vehicle depot,automatic train supervision,zone controller,the train driving simulation platform,sand table and the simulation train.

urban rail transit; management and control integration; automatic train supervision(ATS)

2014- 12- 11 修改日期：2015- 01- 29

春暉計劃項目(Z2011118);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(SWJTU2011BR047EM)

王順利(1979—)，男，江蘇豐縣，工學(xué)碩士，高級實驗師，主要從事軌道交通實驗教學(xué)與研究工作.

E-mail：shunliem@163.com

U283.1

A

1002-4956(2015)7- 0086- 05