如何應(yīng)對(duì)列車控制系統(tǒng)革新？

Hideo Nakamura

如何應(yīng)對(duì)列車控制系統(tǒng)革新？

Hideo Nakamura

Department of Computer Engineering, College of Science and Technology, Nihon University, Funabashi, Chiba 274-8501, Japan

a r t i c l e i n f o

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Received 30 June 2016

Revised form 19 August 2016

Accepted 5 September 2016

Available online 21 September 2016

列車控制系統(tǒng)

鐵路信號(hào)

基于無線通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)

列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)

閉塞系統(tǒng)

列車控制系統(tǒng)的作用是確保鐵路的安全。本文首先總結(jié)了日本、歐洲通用的列車控制系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，筆者根據(jù)現(xiàn)有列車控制系統(tǒng)，提出以下問題：應(yīng)該采用什么方法來提高列車控制系統(tǒng)的功能性、安全性和可靠性，并協(xié)助鐵路的商業(yè)運(yùn)營(yíng)？其次，筆者提出了一個(gè)有助于基于當(dāng)前信息和通信技術(shù)對(duì)新型列車控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)的理想架構(gòu)；同時(shí)，還提出了一種新的統(tǒng)一列車控制系統(tǒng)(UTCS)，它能有效地提高列車控制系統(tǒng)的魯棒性和競(jìng)爭(zhēng)力。UTCS的最終架構(gòu)僅由基本設(shè)備組成，如鐵軌中的轉(zhuǎn)轍機(jī)和鐵路道口控制設(shè)備。最后討論了UTCS在應(yīng)用中的處理方式。

? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1.引言

至今為止，許多不同類型的列車控制系統(tǒng)已經(jīng)被開發(fā)出來并投入使用。雖然這些系統(tǒng)是按照不同國(guó)家和鐵路線的要求所設(shè)計(jì)發(fā)明，而且在某種程度上受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)程度，但它們都具有共同的基本架構(gòu)。更具體地說，這些系統(tǒng)是由基本的模塊部件所構(gòu)成的，包括控制站間列車間行進(jìn)空間的閉塞系統(tǒng)，控制單軌道交通方向的閉塞系統(tǒng)，屬于閉塞系統(tǒng)的列車自動(dòng)防護(hù)(ATP)系統(tǒng)，以及用于執(zhí)行站內(nèi)路線控制的聯(lián)鎖裝置。

系統(tǒng)的差異性取決于它們?nèi)绾螌?duì)列車進(jìn)行檢測(cè)以及如何實(shí)現(xiàn)ATP。從僅僅具有自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)(AWS)的低級(jí)安全系統(tǒng)，到最先進(jìn)的無線電列車控制系統(tǒng)[基于無線通信的列車自動(dòng)控制(CBTC)系統(tǒng)]，它們都裝配有相同的聯(lián)鎖裝置，用于負(fù)責(zé)列車站內(nèi)行進(jìn)的路線控制和安全保證。

列車控制系統(tǒng)在經(jīng)歷長(zhǎng)期的不斷革新和改進(jìn)之后，當(dāng)前的系統(tǒng)已經(jīng)構(gòu)成了由許多硬件設(shè)備和子系統(tǒng)組成的穩(wěn)定系統(tǒng)。剩下的關(guān)鍵問題是：應(yīng)采用什么方法來提高列車控制系統(tǒng)的功能性、安全性和可靠性，并協(xié)助鐵路的商業(yè)運(yùn)營(yíng)？筆者并沒有刻意堅(jiān)持傳統(tǒng)的架構(gòu)，而是基于當(dāng)前已有的信息和通信技術(shù)，花大量的時(shí)間來構(gòu)思有助于開發(fā)新型列車控制系統(tǒng)的理想架構(gòu)。在所有的理想架構(gòu)中，提出了一種新的統(tǒng)一列車控制系統(tǒng)(UTCS)。此系統(tǒng)將所有安全裝置用來確保列車運(yùn)行線的安全，以便通過中心的公共處理器的統(tǒng)一處理來通知列車的可用線路。UTCS的背景故事和優(yōu)勢(shì)如下。

2.日本列車控制系統(tǒng)的發(fā)展

在日本的ATP系統(tǒng)中，列車自動(dòng)停止(ATS)系統(tǒng)與列車自動(dòng)控制(ATC)系統(tǒng)不同。前者中，駕駛員的制動(dòng)操作享有優(yōu)先權(quán)，以便危險(xiǎn)情況發(fā)生時(shí)，列車可以被強(qiáng)制停止。而后者中，制動(dòng)操作本身就是自動(dòng)的，它通過系統(tǒng)控制來防止因駕駛員疏忽所造成的列車事故。本文通過對(duì)日本和歐美ATP系統(tǒng)的演變歷程進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查和比較，以確保新提出的UTCS系統(tǒng)滿足所有設(shè)計(jì)要求。

2.1. 從自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)(AWS)到列車自動(dòng)停止(ATS)系統(tǒng)

ATS系統(tǒng)的早期原型是AWS系統(tǒng)，AWS系統(tǒng)被用于向駕駛員提示停車信號(hào)以預(yù)防制動(dòng)器處理方面的疏忽。1962年的三河島列車相撞事件是由于駕駛員違規(guī)操作而造成的大規(guī)模事故。駕駛員不僅沒有按照信號(hào)燈提示停車，而且列車還撞破安全隔離帶，最后脫軌，從而造成相鄰線路的阻塞和160人的傷亡。為預(yù)防此類事故，開發(fā)出了ATS系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用地面的停止信號(hào)來提示列車，列車接到信號(hào)后，會(huì)通過警報(bào)聲(鈴)來引起駕駛員的注意，駕駛員需要在5 s內(nèi)進(jìn)行響應(yīng)確認(rèn)操作，否則列車會(huì)采取自動(dòng)緊急制動(dòng)，緊急制動(dòng)與已經(jīng)發(fā)出的警報(bào)聲無關(guān)。這種S型ATS系統(tǒng)設(shè)備可以認(rèn)為是從AWS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的、功能最少的備份設(shè)備。日本國(guó)家鐵路公司(JNR)決定在所有鐵路線上安裝這種S型ATS系統(tǒng)，并于1966年全部安裝完成。雖然這種裝置大大減少了事故的數(shù)量，但ATS遠(yuǎn)非一套完美的系統(tǒng)，因?yàn)樗匀徊荒芊乐乖诖_認(rèn)操作之后，由于制動(dòng)器延遲等引起的事故(注意，“確認(rèn)操作”是指將制動(dòng)手柄轉(zhuǎn)換到制動(dòng)位置，并且按下確認(rèn)按鈕。) 。

2.2. 交通運(yùn)輸部的指令以及私營(yíng)鐵路的高級(jí)ATS系統(tǒng)

在JNR報(bào)道所有鐵路線路都已安裝S型ATS系統(tǒng)一年后，即1967年1月，日本交通運(yùn)輸部(目前為國(guó)土交通省)發(fā)出通知(政府第十一號(hào)公告)，要求公共部門和私營(yíng)部門的所有鐵路公司安裝新的ATS系統(tǒng)。與已經(jīng)安裝的S型ATS系統(tǒng)不同的是，這款新的ATS系統(tǒng)能夠提供列車速度檢測(cè)功能。在該公告的影響下，ATS系統(tǒng)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，具體表現(xiàn)在駕駛員只要符合正規(guī)操作就不會(huì)有警報(bào)響起，同時(shí)，只有當(dāng)測(cè)速功能提示存在危險(xiǎn)時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)才會(huì)啟動(dòng)。

為了響應(yīng)交通運(yùn)輸部的公告，公共部門和私營(yíng)部門的鐵路公司根據(jù)自身的情況，開發(fā)并引進(jìn)了ATS系統(tǒng)。公共部門和私營(yíng)部門所使用的典型的ATS測(cè)速方法如下[1]：

(1)根據(jù)計(jì)算列車通過放置在地面上的兩個(gè)接地線圈所花費(fèi)的時(shí)間，來測(cè)算列車速度。

(2)根據(jù)接地線圈的信息，選擇連續(xù)測(cè)速模式，用來連續(xù)檢查列車速度，直到列車停止。

(3)將相當(dāng)于被測(cè)速度的調(diào)制信號(hào)發(fā)送到軌道電路，并根據(jù)列車速度進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)。

(4)根據(jù)被測(cè)速度，軌道電路電流瞬間中斷一段時(shí)間，用來檢測(cè)列車運(yùn)行速度。

2.3. 可傳送列車性能的ATS系統(tǒng)

在JNR的S型ATS系統(tǒng)備受在確認(rèn)操作后因駕駛員的人為失誤所導(dǎo)致的事故困擾的同時(shí)，為了響應(yīng)交通運(yùn)輸部的公告，公共部門和私營(yíng)部門鐵路公司研發(fā)了各種ATS系統(tǒng)。數(shù)據(jù)表明這些ATS系統(tǒng)并沒有出現(xiàn)嚴(yán)重事故，顯示出了它們良好的效果。在這種歷史背景下，20世紀(jì)70年代初，JNR開始研究如何實(shí)現(xiàn)在功能上和私營(yíng)鐵路公司使用的系統(tǒng)一樣有效的ATS 系統(tǒng)。然而，最困難的任務(wù)是研發(fā)一種可以普遍適用于非單一列車運(yùn)行的鐵路線的ATS系統(tǒng)，因?yàn)閺南拗谱屯＼囌镜奶乜炝熊嚨截涍\(yùn)列車，列車的制動(dòng)性能差別很大，并且不同制動(dòng)性能的列車會(huì)同時(shí)在鐵路線上高密度地運(yùn)行。相反，在公共部門和私營(yíng)部門的鐵路線中，運(yùn)行的列車的制動(dòng)性能幾乎相同，即使以同一速度來檢測(cè)和控制不同列車也不會(huì)引起重大問題。

JNR為了解決這一難題，研發(fā)出能應(yīng)對(duì)同一鐵路線上檢測(cè)和控制不同制動(dòng)性能列車的ATS系統(tǒng)。新的系統(tǒng)提供了列車到停止信號(hào)之間的距離信息，而不是從地面上進(jìn)行速度控制。這在當(dāng)時(shí)是一個(gè)創(chuàng)新，因?yàn)榛诘孛婢嚯x信息的速度檢測(cè)模式考慮了列車的制動(dòng)性能。這種系統(tǒng)被命名為P型ATS系統(tǒng)。

由于P型ATS系統(tǒng)可以根據(jù)制動(dòng)性能產(chǎn)生速度檢測(cè)模式，不僅可以為每個(gè)列車實(shí)現(xiàn)最合理的速度檢測(cè)，而且可以避免不必要的制動(dòng)。此外，P型ATS系統(tǒng)使用能夠雙向發(fā)送多項(xiàng)數(shù)據(jù)的應(yīng)答器。雙向應(yīng)答器的使用使得P 型ATS系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)如下三項(xiàng)功能：

(1)響應(yīng)停止信號(hào)執(zhí)行防護(hù)；

(2)根據(jù)速度控制點(diǎn)，給列車提示相關(guān)信息來進(jìn)行控制；

(3)使用列車的通過/停止信息進(jìn)行詳細(xì)的鐵路道口交叉控制。

此外， P型ATS系統(tǒng)中使用的概念(就是將地面控制信息，譬如行駛限速地點(diǎn)信息存儲(chǔ)在列車上，通過對(duì)存儲(chǔ)在列車上的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，來執(zhí)行高效的列車控制)，極大地影響了后續(xù)的列車控制系統(tǒng)，如數(shù)字ATC系統(tǒng)。數(shù)字ATC系統(tǒng)和P型ATS系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要升級(jí)就可以應(yīng)用到速度顯著提高的列車上。

UTCS開發(fā)中的一個(gè)關(guān)鍵因素是，什么信息應(yīng)該被傳送到列車數(shù)據(jù)系統(tǒng)中。 UTCS系統(tǒng)應(yīng)該在P型ATS系統(tǒng)和數(shù)字ATC系統(tǒng)相結(jié)合所帶來的技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，充分地發(fā)揮列車性能。

2.4. 列車自動(dòng)控制(ATC)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展

ATS系統(tǒng)很大程度上依賴于駕駛員根據(jù)警報(bào)信號(hào)來操作列車，并且在危險(xiǎn)情況下使用制動(dòng)器。但在地鐵和新干線火車上，難以安裝檢測(cè)地面信號(hào)的設(shè)備。ATC系統(tǒng)在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生，使得制動(dòng)系統(tǒng)的控制完全機(jī)械化和自動(dòng)化，不再依賴于駕駛員的判斷和操作。第一個(gè)ATC系統(tǒng)采用的方法是用車載天線接收通過軌道的速度信號(hào)(ATC信號(hào))，然后車載ATC設(shè)備通過實(shí)際速度與速度信號(hào)的值來自動(dòng)控制制動(dòng)器，將車速調(diào)節(jié)到指定速度。因此，ATC系統(tǒng)通過機(jī)器主導(dǎo)控制車速來規(guī)避人為失誤操作帶來的安全問題。

ATC系統(tǒng)中，列車駕駛室顯示屏上顯示的是ATC限速信號(hào)，而不再是傳達(dá)軌道旁側(cè)標(biāo)志的信號(hào)。ATC也被安裝在難以看到標(biāo)志信號(hào)的地鐵區(qū)間以及傳統(tǒng)的高密度鐵路線中，并且都表現(xiàn)出了極高的安全性。然而，因?yàn)樵摲椒ㄐ韪鶕?jù)ATC信號(hào)強(qiáng)制執(zhí)行速度檢測(cè)，所以它的不足之處在于需新增信號(hào)進(jìn)行加速。這樣所導(dǎo)致的結(jié)果是，在列車完全停止之前，由于制動(dòng)器的重復(fù)被制動(dòng)和釋放，會(huì)降低乘客的乘坐舒適度。

通過應(yīng)用P型ATS系統(tǒng)的控制思想，給出通過給定地段停車信號(hào)點(diǎn)信息來取代從地面發(fā)送用于安全控制的速度信號(hào)，提供了解決上述問題的可行方法。如果根據(jù)列車的制動(dòng)性能等其他因素，并且考慮列車到停車點(diǎn)的距離，就可以產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的單一速度檢測(cè)模式。因?yàn)閿?shù)字電報(bào)被用來將信息從地面?zhèn)鬏數(shù)搅熊嚕栽撓到y(tǒng)后來就被稱為數(shù)字ATC系統(tǒng)。

CBTC系統(tǒng)通過無線電波向列車發(fā)送控制電報(bào)，并從列車獲取運(yùn)行位置。該系統(tǒng)于2011年10月被引進(jìn)到日本仙石線上，被稱作高級(jí)列車管理和通信系統(tǒng)(ATACS)，有著穩(wěn)定的運(yùn)行表現(xiàn)[2]。ATACS建立了一個(gè)具有鐵路道口控制器的無線電閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過確認(rèn)鐵路道口匝道已關(guān)閉且不存在其他障礙物后，控制器會(huì)發(fā)送通行信號(hào)允許列車通過。這個(gè)控制系統(tǒng)不僅增強(qiáng)了安全性，同時(shí)也使得閉環(huán)控制反應(yīng)的時(shí)間縮短了10 s?？紤]到UTCS的功能性，還有必要探討有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)如接口信息檢測(cè)和鐵路道口控制的智能解決方案。圖1顯示了ATP系統(tǒng)在日本的發(fā)展歷程。

圖1.日本列車自動(dòng)防護(hù)(ATP)系統(tǒng)的發(fā)展。AF:音頻；ATACS:高級(jí)列車管理和通信系統(tǒng)；ATC:列車自動(dòng)控制；ATS:列車自動(dòng)停止；AWS:自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)；CARAT:計(jì)算機(jī)和無線電輔助列車控制系統(tǒng)；JNR:日本國(guó)家鐵路公司；MFS:多頻移。

2.5. 歐洲列車控制系統(tǒng)的特征

歐洲典型的列車控制系統(tǒng)包括法國(guó)TVM(transmission voie-machine)系統(tǒng)(TVM-300和TVM-400)、德國(guó)LZB(Linienzugbeeinflussung)系統(tǒng)和歐洲列車控制系統(tǒng)(ETCS)。雖然這些系統(tǒng)對(duì)于確保現(xiàn)代高速鐵路的安全性至關(guān)重要，但是TVM-300、TVM-400和ETCS(級(jí)別1和2)這些系統(tǒng)的安全控制方法仍然基于常規(guī)軌道電路的列車位置檢測(cè)信息。此外，TVM-300系統(tǒng)采用步進(jìn)式速度檢測(cè)，在此基礎(chǔ)上研發(fā)的TVM-430采用平滑速度檢測(cè)模式，單速度檢測(cè)模式是用于速度檢測(cè)的主流方法。平滑速度限制模式的速度檢測(cè)也用于ETCS的自動(dòng)列車防護(hù)。以上每個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)見表1。

表1.洲典型ATP系統(tǒng)

然而，對(duì)于日本的數(shù)字ATC、ATACS等系統(tǒng)來說，它們將固定的鐵路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在列車上，比如彎道和坡道的速度限制、列車制動(dòng)性能的數(shù)據(jù)等，以此在列車上產(chǎn)生一個(gè)合理的速度檢測(cè)模式。相比之下，歐洲許多系統(tǒng)從地面接收諸如制動(dòng)曲線等數(shù)據(jù)，使用車載邏輯來進(jìn)行ATP控制。這是在考慮未來列車控制系統(tǒng)的形式時(shí)需要進(jìn)一步研究的一個(gè)問題，包括車輛傾斜控制和安全數(shù)據(jù)收集。

3.統(tǒng)一列車控制系統(tǒng)(UTCS)的提案

3.1. UTCS提出的背景

列車控制系統(tǒng)的基本功能是閉塞功能和聯(lián)鎖功能。除了路線安排的作用，這兩個(gè)功能最重要的任務(wù)是避免列車相撞以及列車追尾之類的事故。因此，如在前面部分中所討論的，ATP的原理是基于排他性控制而構(gòu)建的，目的是避免與另一輛列車發(fā)生碰撞。自從火車問世以來， ATP的各種機(jī)理都是通過積累每次事故的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)發(fā)展而來。ATP技術(shù)進(jìn)步的歷史代表了列車控制系統(tǒng)的整個(gè)發(fā)展過程，也顯示了目前最先進(jìn)的技術(shù)。換言之，復(fù)雜完整的閉塞系統(tǒng)和聯(lián)鎖設(shè)備，是通過自下而上的方式不斷反復(fù)改進(jìn)而發(fā)展的。

在諸多設(shè)備的開發(fā)中，包含很多通用的開發(fā)過程，這些通用過程會(huì)在許多單個(gè)設(shè)備的開發(fā)中得到迅速發(fā)展。而那些隨著系統(tǒng)進(jìn)步有一天終將被淘汰的技術(shù)流程也都會(huì)公之于眾。此外，為了解決列車運(yùn)行問題，包括防止發(fā)生鐵路道口事故，一些系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行徹底的革新，來讓鐵路管理系統(tǒng)變得更加有效。在現(xiàn)有的信號(hào)系統(tǒng)中，雖然列車控制是通過信號(hào)、指示牌和指示器來實(shí)現(xiàn)的，但是列車操作本身還需要通過路線和閉塞信號(hào)的信息來執(zhí)行，同時(shí)也要參考如限速等其他補(bǔ)充信息。其中，路線和閉塞信號(hào)的信息傳遞到列車的信息格式，與其他信號(hào)和ATC信號(hào)發(fā)送到列車的格式是相同的。因此，可以對(duì)這些信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化處理。筆者建議采用這種思維模式的UTCS系統(tǒng)。 UTCS不僅要處理路徑分配，而且還要在分配路徑時(shí)，控制轉(zhuǎn)轍機(jī)以及各個(gè)鐵路道口。

3.2. UTCS的體系架構(gòu)

圖2展示了UTCS的系統(tǒng)架構(gòu)。UTCS是一種分層列車控制系統(tǒng)，它由位于中心的中央處理器(功能層)、位于地面的設(shè)備接口單元(終端層)以及用于前兩層信息交互的傳輸單元(網(wǎng)絡(luò)層)組成。在UTCS中，位于功能層的中央處理器主要用于協(xié)調(diào)整合聯(lián)鎖裝置、閉塞系統(tǒng)和ATP裝置等設(shè)備并進(jìn)行邏輯處理。因此，就不再需要位于終端層的處理器了。另外，UTCS整合處理的結(jié)果是，多個(gè)設(shè)備中功能相似的部分也會(huì)被統(tǒng)一管理，如列車跟蹤系統(tǒng)，這樣在系統(tǒng)邏輯上就會(huì)得到簡(jiǎn)化。

圖2.統(tǒng)一列車控制系統(tǒng)（UTCS）的架構(gòu)。

3.3. UTCS進(jìn)程概述

在UTCS中，引入了“路徑”(在圖3中標(biāo)為“Authorized route”)的概念，用來標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)列車行駛過程。路徑是指“列車能夠行駛的極限位置”，是根據(jù)轉(zhuǎn)轍機(jī)、每輛列車所在的鐵路道口以及前一輛列車的狀態(tài)推導(dǎo)得出。為此，列車跟蹤、路徑搜索(或者路線搜索)以及路徑搜索過程中的控制過程，實(shí)現(xiàn)了使用聯(lián)合處理器管理列車行駛過程，進(jìn)一步有效地控制了鐵路道口和轉(zhuǎn)轍機(jī)。

圖3.UTCS流程概述。

一旦列車路徑被確定(圖3中的Train k和Train j)，含有路徑和相應(yīng)的限速信息的指令(Authorized commandk/j)就會(huì)發(fā)送到對(duì)應(yīng)終端層的終端設(shè)備上。

路徑搜索是尋找在列車運(yùn)行方向上可能到達(dá)的極限位置。然而，列車在車站內(nèi)的情況下，路徑的制定則要根據(jù)功能層上的行駛控制裝置(或稱為“交通控制系統(tǒng)”)的預(yù)定路線來搜索極限位置。此時(shí)的路徑取決于行駛路徑終點(diǎn)，而路徑終點(diǎn)由位于前一輛列車尾部或者存在于兩輛列車之間的轉(zhuǎn)轍機(jī)的狀態(tài)來決定(包括安全邊界)。

另外一種情況，當(dāng)列車位于車站間中途點(diǎn)時(shí)，前一列車的尾部或現(xiàn)有鐵路道口的狀態(tài)(在圖3中標(biāo)記為“Status”)將用來確定路徑的方向。 如果鐵路道口由相關(guān)列車控制，并且狀態(tài)指示“通過”，那么就意味鐵路道口匝道關(guān)閉且沒有障礙物，搜索范圍會(huì)延伸到下一個(gè)更遠(yuǎn)的位置。

盡管車載設(shè)備用于負(fù)責(zé)車載安全的檢測(cè)和處理，但是基于某種模式的連續(xù)測(cè)速也同時(shí)在列車上得以實(shí)現(xiàn)。此外，在CBTC中，可以通過在列車上安裝終端設(shè)備而不是在地面上提供ATP終端設(shè)備來實(shí)現(xiàn)高級(jí)測(cè)速功能。

4.互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層

在實(shí)現(xiàn)UTCS的過程中，網(wǎng)絡(luò)層扮演著重要的角色。IP網(wǎng)絡(luò)被用作UTCS的網(wǎng)絡(luò)。而IP網(wǎng)絡(luò)的性能要求則取決于不同的鐵路線。由于在高密度鐵路區(qū)間中，需要快速且可靠性高的傳輸方式來保證信息傳輸時(shí)間，因此需要專門為列車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)以性能為中心的網(wǎng)絡(luò)。而在低密度鐵路區(qū)間中，信息傳輸要可靠性高且同時(shí)引入費(fèi)用和維護(hù)成本不能太高，此時(shí)需要考慮以成本為中心的通用網(wǎng)絡(luò)。此外，在含有高密度鐵路區(qū)間和低密度鐵路區(qū)間的鐵路線中，不同的IP網(wǎng)絡(luò)可以非常簡(jiǎn)單地連接起來。

4.1. 高密度鐵路線的IP網(wǎng)絡(luò)

用于高密度鐵路線路的IP網(wǎng)絡(luò)，通過光纖線路將列車控制的發(fā)送節(jié)點(diǎn)進(jìn)行環(huán)路連接。然后，每個(gè)設(shè)備和傳輸節(jié)點(diǎn)經(jīng)由以太網(wǎng)線路連接。該IP網(wǎng)絡(luò)還可以保證發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的通信時(shí)間和短時(shí)間周期內(nèi)的最長(zhǎng)通信時(shí)間不大于中繼時(shí)間的1/10。因此，每個(gè)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)和中繼接口同等速度和更快的響應(yīng)處理，而不考慮設(shè)備到設(shè)備之間的物理距離。

盡管IP網(wǎng)絡(luò)基本上都是單獨(dú)配置，但是可以冗余地配置兩個(gè)或更多的IP網(wǎng)絡(luò)，用來增強(qiáng)可用性。因?yàn)楦鱾€(gè)IP網(wǎng)絡(luò)之間是完全獨(dú)立的，構(gòu)成并行雙重配置，中央處理器和終端設(shè)備可以自由地選擇通信的路由。又因?yàn)镮P網(wǎng)絡(luò)的可用性與系統(tǒng)可用性直接相關(guān)，所以還必須注意網(wǎng)絡(luò)的可靠性。在信號(hào)局域網(wǎng)(LAN)技術(shù)成功應(yīng)用在包括東海道新干線列車在內(nèi)的許多系統(tǒng)之后，傳輸節(jié)點(diǎn)的硬件也正在研發(fā)中。

4.2. 地方鐵路的IP網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于地方鐵路部門來說，控制引入和維護(hù)IP 網(wǎng)絡(luò)的成本十分重要。所以，如蜂窩電話線路之類的技術(shù)也可以用作IP網(wǎng)絡(luò)。盡管蜂窩電話線路可以減少昂貴的電纜布線成本、設(shè)施成本和維護(hù)成本，但是通信時(shí)間難以保證，而且通信成本依然很高的問題也沒有得到解決。

當(dāng)在地方鐵路中使用蜂窩電話線路時(shí)，連續(xù)通信就會(huì)變得困難。然而，即使在單個(gè)線路段中，某一點(diǎn)與中央處理器的信息交互被局限在相鄰站臺(tái)，仍然可以實(shí)現(xiàn)超過當(dāng)前水平的列車控制系統(tǒng)。列車自動(dòng)防護(hù)和閉塞(ATPB)系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)證實(shí)了這一點(diǎn)[3]。

5.UTCS充當(dāng)高級(jí)系統(tǒng)

UTCS用簡(jiǎn)單的方式不僅可以低成本地實(shí)現(xiàn)CBTC，而且可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的信號(hào)系統(tǒng)，如數(shù)字ATC。因此，先通過UTCS暫時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)字ATC，然后再切換到CBTC的高級(jí)策略變得可行。

5.1. 通過UTCS將數(shù)字ATC轉(zhuǎn)變?yōu)镃BTC

到目前為止，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字ATC，就必須在現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備設(shè)備間，為設(shè)備間配備大型數(shù)字ATC地面設(shè)備，并通過網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備間。為了之后能將數(shù)字ATC轉(zhuǎn)變?yōu)镃BTC，CBTC的邏輯單元需要被單獨(dú)安裝，而且車載設(shè)備之間需要通過無線電波進(jìn)行信息交換。如果是這種情況，那么大多數(shù)數(shù)字ATC地面設(shè)備(包括機(jī)房中的邏輯單元)和互鎖設(shè)備(包括數(shù)字ATC的接口)都會(huì)被淘汰。

另外，考慮到未來向CBTC過渡的設(shè)計(jì)，有必要對(duì)具有模式化的安全控制處理功能的車載設(shè)備進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。換句話說，這種車載設(shè)備通常用于處理數(shù)據(jù)，無論是接收器收到的ATC電報(bào)，還是車載無線電設(shè)備收到的電報(bào)。

相反，在UTCS中，列車的行駛指令是由中央處理器通過統(tǒng)一處理產(chǎn)生的。如果要在UTCS下實(shí)現(xiàn)數(shù)字ATC，那么ATC終端單元應(yīng)該根據(jù)中央處理器發(fā)出的列車行駛指令來放大ATC電報(bào)，將這些電報(bào)傳送到各個(gè)軌道電路上，并執(zhí)行列車位置檢測(cè)。

為了能在這些條件下，在未來將數(shù)字ATC轉(zhuǎn)變到CBTC，接入IP網(wǎng)絡(luò)的無線電單元將通過安裝在列車上的終端設(shè)備與車載設(shè)備進(jìn)行通信，并且可以從功能層收發(fā)運(yùn)行命令和列車位置信息。因此，除了ATC終端單元之外，其他即將淘汰的終端單元還包括每個(gè)軌道電路的放大器(AMP)和列車檢測(cè)(TD)。

5.2. 引入U(xiǎn)TCS系統(tǒng)的效果

UTCS可以減少大量設(shè)施，這不僅可以降低列車控制系統(tǒng)所需的設(shè)備成本和運(yùn)行成本，而且還可以提高可維護(hù)性、可靠性和安全性。對(duì)于邏輯單元的集成而言，隨著功能改變和功能增加的時(shí)間變化，革新都是基于中央處理器的。因此，可以很容易地將列車控制系統(tǒng)改變?yōu)榭伸`活地適應(yīng)不斷變化和需求的自我升級(jí)的系統(tǒng)。盡管可以將目前的信號(hào)防護(hù)裝置的控制配置放在UTCS系統(tǒng)中，但是在列車上安裝終端設(shè)備，使轉(zhuǎn)變?yōu)镃BTC系統(tǒng)更加容易。

由UTCS實(shí)現(xiàn)的CBTC，線路旁邊沒有基點(diǎn)控制裝置，因此不需要基點(diǎn)控制器之間的列車切換(切換處理)。簡(jiǎn)而言之，UTCS作為引入下一代CBTC的策略，有著CBTC所有的優(yōu)勢(shì)。

例如，為了實(shí)現(xiàn)在當(dāng)前信號(hào)系統(tǒng)下，可以在軌道和道路上運(yùn)行的雙模式車輛(DMV)和軌道巴士的概念，需要通過在輪和軸上使用夾軌器的軌道電路法來與UTCS系統(tǒng)相協(xié)調(diào)。而對(duì)于可同時(shí)在新干線和常規(guī)鐵路線上自由運(yùn)行的軌距可變列車而言，用軌道電路法進(jìn)行穩(wěn)定列車檢測(cè)又是必不可少的。UTCS本身則不依賴于軌道電路，它在消除這些約束的同時(shí)，為DMV和軌道巴士的實(shí)現(xiàn)提供了可行的設(shè)想。

另外，為了用當(dāng)前信號(hào)系統(tǒng)來增強(qiáng)運(yùn)行密度和運(yùn)行速度，就需要采用對(duì)閉塞區(qū)間進(jìn)行劃分、增加信號(hào)種類、改變標(biāo)號(hào)系統(tǒng)、改變鐵路道口的控制器的位置等措施。然而，根據(jù)目前鐵路狀況，是不可能實(shí)施這些增強(qiáng)措施的，這也阻礙了提高鐵路運(yùn)輸和車輛運(yùn)輸?shù)鹊母?jìng)爭(zhēng)力。幸運(yùn)的是，列車位置檢測(cè)技術(shù)、不依賴于軌道電路的駕駛室信號(hào)技術(shù)以及鐵路道口的無線電控制等技術(shù)將同時(shí)消除這些困難，以達(dá)到增加鐵路運(yùn)行速度和密度，并且實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)交通系統(tǒng)性能的目的。

UTCS系統(tǒng)作為列車自主系統(tǒng)，能夠涵蓋車載連續(xù)位置檢測(cè)等基本功能。使用這種基本功能技術(shù)，可以收集商業(yè)車輛跟蹤診斷信息，為現(xiàn)代化的維護(hù)工作開辟了一條道路[4,5]。

與現(xiàn)有的列車控制系統(tǒng)相比，UTCS的使用可以減少現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施，比如，消除了站臺(tái)的互鎖裝置。與此同時(shí)，UTCS的結(jié)構(gòu)也使接口數(shù)量進(jìn)一步減少，比如，移除了信號(hào)裝置和ATP組件之間的接口單元，以及閉塞系統(tǒng)和ATP系統(tǒng)的集成。這些設(shè)備的節(jié)省將大大增強(qiáng)可靠性和可維護(hù)性。此外，由于人為失誤在接口端引起的故障概率降低，安全優(yōu)勢(shì)將會(huì)提高。因此，UTCS將有助于鐵路系統(tǒng)的魯棒性的提高。

UTCS的最終架構(gòu)將僅包括安裝在鐵路現(xiàn)場(chǎng)的轉(zhuǎn)轍機(jī)和鐵路道口控制裝置等基本元件。這種方法被概括為“基本控制”的設(shè)想。它的應(yīng)用毫無疑問可以提高可靠性、安全性和可維護(hù)性，并且能夠以低成本來修建鐵路系統(tǒng)。

6.總結(jié)

本文提出了一種新型的UTCS系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過功能層、網(wǎng)絡(luò)層和終端層的分層結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)列車控制，同時(shí)討論了系統(tǒng)以及各層之間信號(hào)的處理方式。事實(shí)證明，現(xiàn)有的信號(hào)系統(tǒng)可以靈活地發(fā)展成不需要基點(diǎn)控制器的理想CBTC系統(tǒng)。CBTC系統(tǒng)和ATP閉塞系統(tǒng)組合構(gòu)成最小系統(tǒng)的方式將應(yīng)用在地方鐵路。為了說明這種方式的優(yōu)勢(shì)，筆者會(huì)努力盡快實(shí)現(xiàn)這一方案，因?yàn)樗鼤?huì)有效地提高鐵路系統(tǒng)的魯棒性和競(jìng)爭(zhēng)力。ATP閉塞系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)基本控制概念的一個(gè)很好的例子。

致謝

感謝京都電氣制造有限公司和日本大學(xué)的工作人員共同開發(fā)和研究UTCS。

[1] Akita K, editor. Railway signal. Tokyo: Japan Railway Electrical EngineeringAssociation; 2015. Japanese.

[2] Yamazaki I, Uchida D. Start of using ATACS level crossing control function. JREA 2015;58(8):22–5. Japanese.

[3] Nakamura H. Notification of “ATP Block system” test completion. Kyosan Circular 2015;66(1):8–9. Japanese.

[4] Nakamura H, Takahashi S, Hiramoto T, Mochizuki H, Mizuma T. Onboard measurement method for signaling equipment on Probe Train. In: Allan J, Brebbia CA, Rumsey AF, Scuitto G, Sone S, Goodman CJ, editors Computers in railways X: computer system design and operation in the railway and other transit systems. Ashurst: WIT Press; 2006. p. 945?54.

[5] Nakamura H. Advances in signalling systems and the outlook for next-generation train control systems in Japan [presentation]. In: 3rd Asia-Pacific Control Command and Signalling (CCS) Workshop; 2014 Oct 22–23; Tokyo, Japan. 2014.

E-mail address: nakamura.hideo@nihon-u.ac.jp

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英文原文: Engineering 2016, 2(3):380–386

Hideo Nakamura. How to Deal with Revolutions in Train Control Systems. Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.03.015