城市軌道交通管控一體實(shí)驗(yàn)室方案設(shè)計(jì)

鄔芝權(quán)， 陳大玲， 靳 桅

(西南交通大學(xué)(峨眉校區(qū)) 計(jì)算機(jī)與通信工程系，四川 峨眉山 614202)

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城市軌道交通管控一體實(shí)驗(yàn)室方案設(shè)計(jì)

鄔芝權(quán)， 陳大玲， 靳 桅

(西南交通大學(xué)(峨眉校區(qū)) 計(jì)算機(jī)與通信工程系，四川 峨眉山 614202)

面向城市軌道交通運(yùn)營管理、通信、信號控制專業(yè)，構(gòu)建跨學(xué)科、多層次綜合實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)方案按理論學(xué)習(xí)、模擬實(shí)訓(xùn)、設(shè)備實(shí)操三個層次的建設(shè)思路，采用模擬與真實(shí)相結(jié)合的技術(shù)手段來進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)室建成后，各子系統(tǒng)能獨(dú)立運(yùn)行，即可以實(shí)現(xiàn)個性化訓(xùn)練，也能聯(lián)動運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)管控一體化實(shí)訓(xùn)。該方案功能實(shí)用、層次清晰，充分展現(xiàn)了城市軌道交通運(yùn)行機(jī)理和管控關(guān)系，為高校建設(shè)類似實(shí)驗(yàn)室提供參考。

管控一體； 聯(lián)動； 仿真； CBTC; ISCS

0 引 言

城市軌道交通具有運(yùn)量大、速度快、安全準(zhǔn)時、乘坐舒適、節(jié)約能源以及環(huán)保等多個優(yōu)點(diǎn)，是城市現(xiàn)代化發(fā)展的大趨勢。它是將先進(jìn)的控制系統(tǒng)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、鐵路信號技術(shù)溶為一體的行車指揮、控制、管理自動化系統(tǒng)。城市軌道交通在設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)控和系統(tǒng)試運(yùn)行上是一個系統(tǒng)的過程,涉及工程量大、投資高、系統(tǒng)復(fù)雜,而僅僅憑借經(jīng)驗(yàn),難以迅速發(fā)現(xiàn)掌握問題,因而不可能對已經(jīng)建成的某條線路進(jìn)行長期和全面的技術(shù)試驗(yàn)、改進(jìn)系統(tǒng)性能。城市軌道交通實(shí)驗(yàn)室在沙盤上動態(tài)展現(xiàn)城市軌道交通的各項(xiàng)技術(shù)和運(yùn)營環(huán)境，為列車控制系統(tǒng)研究人員提供方便的研究平臺,為線路控制系統(tǒng)評估提供高可信的數(shù)據(jù),為控制系統(tǒng)改進(jìn)提供強(qiáng)有力支持,為鐵路現(xiàn)場培養(yǎng)急需人才，因此具有十分重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)思路

西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)城市軌道交通管控一體實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目以源于現(xiàn)場、高于現(xiàn)場、滿足學(xué)校與現(xiàn)場人才培養(yǎng)需要為建設(shè)理念，以培養(yǎng)高級技術(shù)應(yīng)用型、復(fù)合型專業(yè)人才的信號控制、運(yùn)營管理核心實(shí)踐能力為建設(shè)目標(biāo)，以多學(xué)科、多技術(shù)相融合為建設(shè)手段來進(jìn)行規(guī)劃。實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備配備、信號控制、運(yùn)營系統(tǒng)源于成都地鐵公司，網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營源于上海申通地鐵集團(tuán)，實(shí)踐能力培養(yǎng)源于廣州地鐵公司、新加波地鐵公司，總體建設(shè)方案源于軌道交通實(shí)驗(yàn)室的長期建設(shè)積累；信號聯(lián)鎖為現(xiàn)場實(shí)際設(shè)備，自動售檢票等為現(xiàn)場高仿設(shè)備，城市軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)均為基于現(xiàn)場的仿真系統(tǒng)[1-2]。

教學(xué)模式按“理論教學(xué)—模擬實(shí)訓(xùn)—設(shè)備實(shí)操”三個層次規(guī)劃，使學(xué)生能循序漸進(jìn)地得到培養(yǎng)。理論教學(xué)采用多媒體教學(xué)方式，分別開發(fā)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件，在多媒體教室進(jìn)行教學(xué)。模擬實(shí)訓(xùn)在開發(fā)相應(yīng)的仿真培訓(xùn)軟件，搭建模擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境，使學(xué)生能得到有效的訓(xùn)練，將理論和實(shí)踐進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。這種仿真手段可以有效擴(kuò)大培訓(xùn)規(guī)模，為參加培訓(xùn)人數(shù)多且培訓(xùn)密度大的崗位培訓(xùn)提供了一種便捷高效的途徑。設(shè)備實(shí)操是指學(xué)生需要對現(xiàn)場的設(shè)備有一定的了解和認(rèn)識，因此需要針對運(yùn)營人員的工作環(huán)境和操作的設(shè)備，配置與現(xiàn)場相一致的培訓(xùn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境，使學(xué)生把通過理論、模擬培訓(xùn)所掌握的知識與現(xiàn)場實(shí)際完美統(tǒng)一，從而為軌道交通的安全運(yùn)營提供有力保障[3-5]。

由于軌道交通系統(tǒng)中的各專業(yè)都不是獨(dú)立的，專業(yè)之間部分內(nèi)容存在交集，只有在了解軌道交通整個系統(tǒng)、相關(guān)的專業(yè)、相關(guān)崗位的知識和技能后，才能更容易掌握自己專業(yè)的內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)室在建設(shè)時很注重專業(yè)交叉的實(shí)訓(xùn)，以點(diǎn)及面培養(yǎng)綜合能力，將信號專業(yè)拓展至通信、電子、測控、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等技術(shù)的訓(xùn)練。對計(jì)算機(jī)專業(yè)，強(qiáng)調(diào)各層級系統(tǒng)的信號控制、相互通信、遠(yuǎn)程控制、監(jiān)控、車輛安全防護(hù)技術(shù)等；對運(yùn)營管理專業(yè)，更強(qiáng)調(diào)運(yùn)營協(xié)調(diào)與應(yīng)急指揮中心、控制中心、車站、列車、車輛段等崗位基于各種正常和非正常情況下的縱向、橫向聯(lián)動訓(xùn)練。

2 實(shí)驗(yàn)室樓層功能規(guī)劃

整個實(shí)驗(yàn)室有四層，樓層設(shè)備按照城市軌道交通系統(tǒng)“運(yùn)營協(xié)調(diào)與應(yīng)急指揮中心-控制中心-車站-停車場-沙盤模型-列車模型”結(jié)構(gòu)進(jìn)行布局，見圖1。實(shí)驗(yàn)室一樓為城市軌道交通動態(tài)仿真沙盤、全面展現(xiàn)城市軌道交通的各個站段、線路、信號設(shè)備以及仿真機(jī)車等。能夠控制沙盤上的信號設(shè)備以及機(jī)車，使城市軌道交通運(yùn)營模式能在沙盤上動態(tài)呈現(xiàn)。二樓按照城市軌道交通現(xiàn)場車站布局構(gòu)建虛擬車站，包括站臺、站廳、車控室、車廂、信號設(shè)備室、機(jī)電設(shè)備控制室等區(qū)域，提供站務(wù)/乘務(wù)實(shí)訓(xùn)、機(jī)電設(shè)備檢修維護(hù)實(shí)訓(xùn)及信號設(shè)備實(shí)訓(xùn)平臺。三樓按照城市軌道交通控制中心樣式構(gòu)建虛擬的城市軌道交通控制中心、車控室、車輛段，提供行車相關(guān)實(shí)訓(xùn)功能。三樓的沙盤虛擬車輛段和虛擬車控室的設(shè)備可與城市軌道交通通信實(shí)訓(xùn)設(shè)備共用，因此在三樓將復(fù)用部分設(shè)備，構(gòu)建一個城市軌道交通通信實(shí)訓(xùn)室，以提供城市軌道交通通信專業(yè)的實(shí)訓(xùn)平臺。四樓按現(xiàn)場樣式布置城市軌道交通運(yùn)營協(xié)調(diào)與應(yīng)急指揮中心相關(guān)設(shè)備，同時兼作仿真實(shí)訓(xùn)室，結(jié)合沙盤線路和相應(yīng)的控制系統(tǒng)，配置城市軌道交通運(yùn)營(含行車、站務(wù)、乘務(wù))、車輛檢修、信號檢修、通信檢修、車站機(jī)電設(shè)備檢修、工務(wù)檢修、供電檢修等仿真培訓(xùn)軟件，滿足學(xué)生先在仿真培訓(xùn)平臺進(jìn)行訓(xùn)練，熟知和掌握各種實(shí)訓(xùn)步驟后再到沙盤實(shí)訓(xùn)演練平臺進(jìn)行實(shí)訓(xùn)， 可有效的提高培訓(xùn)效率， 同時也能有效減少對實(shí)訓(xùn)設(shè)備的損壞[6]。

圖1 實(shí)驗(yàn)室各樓層功能布局

整個實(shí)驗(yàn)室分為兩大系統(tǒng)進(jìn)行建設(shè)：①城市軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)(CBTC)，對沙盤模型上的地鐵線路上的設(shè)備及機(jī)車進(jìn)行管理和控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)車自動運(yùn)行、站前折返和站后折返功能。②綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)，將沙盤上地鐵線路上的一個中間站在二樓放大并復(fù)示，對車站各個系統(tǒng)級設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控。

3 CBTC系統(tǒng)功能規(guī)劃

基于通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)用高精度的列車定位和連續(xù)、高速、雙向的數(shù)據(jù)通信,通過車載和地面安全設(shè)備實(shí)現(xiàn)對列車的控制。包含列車自動駕駛子系統(tǒng)(ATO)、列車自動防護(hù)子系統(tǒng)(ATP)以及列車自動監(jiān)控子系統(tǒng)(ATS)三個子系統(tǒng)。另外，個別廠商也將數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(DCS)獨(dú)立作為子系統(tǒng)。CBTC仿真系統(tǒng)以動態(tài)沙盤和可控列車作為控制對象，通過排列進(jìn)路、解鎖進(jìn)路、扣車、催發(fā)車、調(diào)整運(yùn)營等級、創(chuàng)建運(yùn)營計(jì)劃、信號燈控制及檢測、道岔控制及檢測等操作，在沙盤上展現(xiàn)城市軌道交通列車追蹤、列車站前或站后折返等功能，達(dá)到對CBTC系統(tǒng)仿真的目的[7-9]。

CBTC仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖2，一樓為動態(tài)沙盤，設(shè)置有多個中間站，線路上安裝有信號機(jī)、道岔、發(fā)車表示器和緊急停車按鍵等控制對象，這些控制對象由ATO/ATP模擬系統(tǒng)來控制。沙盤上的模擬機(jī)車可不斷把自己的位置信息無線返回模擬駕駛系統(tǒng)，模擬駕駛系統(tǒng)根據(jù)機(jī)車當(dāng)前位置，結(jié)合前方車輛位置和運(yùn)行計(jì)劃來控制模擬機(jī)車運(yùn)行。二樓將沙盤線路上車站5復(fù)示到二樓，并設(shè)置一臺ATS工作站系統(tǒng)，為ISCS系統(tǒng)聯(lián)動提供接口。三樓為OCC控制中心，包含行調(diào)、主任調(diào)度、大屏模擬以及各個車站的ATS系統(tǒng)，為CBTC的運(yùn)營組織和管理提供操作終端，同時存放運(yùn)行數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫也設(shè)置在三樓[10-11]。

圖2 CBTC仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4 ISCS系統(tǒng)功能規(guī)劃

城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)，主要滿足控制室環(huán)調(diào)、電調(diào)、客調(diào)以及應(yīng)急預(yù)案處理、系統(tǒng)聯(lián)動功能相關(guān)實(shí)訓(xùn)，系統(tǒng)與CBTC系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)城市軌道交通整個系統(tǒng)的所有調(diào)度功能。

二樓是將沙盤線路上車站5復(fù)示到二樓構(gòu)建的虛擬車站，含有站臺站廳、車控室、售檢票設(shè)備、1∶1仿真機(jī)車以及車站信號設(shè)備。各個子系統(tǒng)有列車車門、屏蔽門、售檢票、門禁、廣播、CCTV監(jiān)控、環(huán)調(diào)、電調(diào)、BAS和FAS等系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)既能獨(dú)立運(yùn)行，也可以通過接口連接到綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集中管理和控制。ISCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，通過對各子系統(tǒng)集成，對底層現(xiàn)場設(shè)備實(shí)現(xiàn)就地控制、車站級(車控室)控制、OCC控制中心控制的3級控制方式，以及車站級監(jiān)控管理和OCC中心級監(jiān)控管理兩級管理[12-14]。

圖3 ISCS仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

自動售檢票系統(tǒng)(AFC)模擬車站的收費(fèi)區(qū)及非收費(fèi)區(qū)，設(shè)備有自動售票機(jī)、半自動售票機(jī)、進(jìn)站、出站檢票機(jī)?？蓪?shí)現(xiàn)自動售票、人工售補(bǔ)票、自助加值、進(jìn)出站、車站售檢票設(shè)備監(jiān)控、車站售檢票設(shè)備財務(wù)報表統(tǒng)計(jì)等相關(guān)實(shí)訓(xùn)功能，同時留有接口給綜合監(jiān)控系統(tǒng)，滿足系統(tǒng)間聯(lián)動功能以及客調(diào)相關(guān)實(shí)訓(xùn)。

屏蔽門系統(tǒng)(PSD)安裝在站廳，留有接口給綜合監(jiān)控系統(tǒng)和IBP控制盤，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級、車站級、就地級控制的三級操作方式，滿足站務(wù)管理、事件應(yīng)急處理和設(shè)備維護(hù)相關(guān)實(shí)訓(xùn)功能。能模擬現(xiàn)場屏蔽門的手動解鎖、就地控制、車控室緊急控制、測試操作、站臺PSL就地控制等操作功能。

乘客信息系統(tǒng)(PIS)按照控制中心-車站兩級管理和車站及車廂兩級顯示進(jìn)行布置，以站廳屏蔽門上部和列車內(nèi)部設(shè)置顯示終端，為媒介向乘客提供列車到站事件、列車時刻表以及公告等信息服務(wù)。

廣播系統(tǒng)在車站及車廂兩級進(jìn)行布置，可實(shí)現(xiàn)自動、領(lǐng)導(dǎo)、分組廣播以及乘客與司機(jī)的緊急對講功能。

CCTV監(jiān)視系統(tǒng)在車站及車廂兩級進(jìn)行布置，能夠監(jiān)控站廳、站臺、客室車廂、司機(jī)室，在控制中心OCC、車站控制室能夠監(jiān)視和控制相應(yīng)的監(jiān)視畫面。門禁安裝在二樓實(shí)驗(yàn)室的出入口處，接入綜合監(jiān)控系統(tǒng)，與其余子系統(tǒng)互為聯(lián)動。

5 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)效果及技術(shù)優(yōu)勢

城市軌道交通控制實(shí)驗(yàn)室建設(shè)采用大量真實(shí)設(shè)備，結(jié)合1∶1高仿真設(shè)備，輔助部分模擬仿真設(shè)備，控制系統(tǒng)和軟件均與這些設(shè)備互聯(lián)，虛實(shí)結(jié)合，建設(shè)效果如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)效果圖

通過CBTC、ISCS兩大系統(tǒng)建設(shè)，在實(shí)驗(yàn)室三樓構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)通信平臺和控制中心，將城市軌道交通管控一體實(shí)驗(yàn)室的各個子系統(tǒng)互聯(lián)在一起。使整個實(shí)驗(yàn)室按照“運(yùn)營協(xié)調(diào)與應(yīng)急指揮中心(COCC)-線路控制中心(OCC)-車站-車輛段-軌旁-列車”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層間子系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)聯(lián)動運(yùn)行；層內(nèi)子系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)聯(lián)動運(yùn)行；各子系統(tǒng)可以獨(dú)立運(yùn)行。整套系統(tǒng)具備整體、聯(lián)動、獨(dú)立訓(xùn)練功能，既可滿足聯(lián)鎖技術(shù)、CBTC控制技術(shù)、ISCS 監(jiān)控、AFC模擬技術(shù)、軌道交通視頻廣播控制技術(shù)等專業(yè)技術(shù)訓(xùn)練，又可滿足本科層面的決策訓(xùn)練以及高職層面的實(shí)操訓(xùn)練。

通過系統(tǒng)間的聯(lián)動實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)急預(yù)案的模擬實(shí)訓(xùn)，如火災(zāi)模式、阻塞模式、緊急疏散模式等，以及各種正常模式的實(shí)訓(xùn)如早班晚班、節(jié)假日、維護(hù)模式、高峰模式等等這些預(yù)案和模式的系統(tǒng)聯(lián)動實(shí)訓(xùn)。

6 結(jié) 語

該項(xiàng)目面向城市軌道交通通信信號、營運(yùn)管理等領(lǐng)域，以運(yùn)輸生產(chǎn)及設(shè)備控制過程為環(huán)境，以工程能力培養(yǎng)為主線，以校企合作培養(yǎng)為依托，以綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)為集成平臺，通過多專業(yè)含作、校企聯(lián)合及多學(xué)科、多技術(shù)相融合等手段，創(chuàng)造性地構(gòu)建了能更全面、更深入反映城市軌道交通設(shè)備構(gòu)架構(gòu)、運(yùn)作機(jī)理、崗位設(shè)置及管控關(guān)系的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，其平臺的高度集成化滿足了專業(yè)間的相關(guān)性和系統(tǒng)的整體性實(shí)習(xí)、培訓(xùn)功能需求，其運(yùn)營調(diào)度與設(shè)備控制的一體化體現(xiàn)了城市軌道交通管控一體的信息化發(fā)展趨勢。峨眉校區(qū)城市軌道交通控制實(shí)驗(yàn)室借鑒了多個高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案，自主探索、自主研發(fā)，先易后難，使其逐步完善，為同類實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供了重要參考[15]。

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Urban Rail Traffic Control Integrated Laboratory Design

WUZhi-quan,CHENDa-ling,JINWei

(Department of Computer and communication engineering, Southwest Jiaotong University, Emeishan 614202, China)

For some urban rail transit professions such as operation management, communication, and signal control, a cross-disciplinary and multi-level comprehensive laboratory should be built. The laboratorial project is designed with three levels by the construction ideas of theoretical studies, simulation trainings, and practical operation. The simulation and real operation technical means are combined in the design. After the laboratory is completed, each subsystem can run independently, in other words, the personalized training, linkage running and integration training of management-control can be all achieved. The project has some characteristics such as practical functions, distinct levels, and operation mechanism. Its management-control relationship is exhibited fully for the urban rail transit. At the same time, it also provides some references for the similar laboratories.

integrated system with control and management; interaction; simulation; CBTC; ISCS

2015-04-25

教育部春暉計(jì)劃科研合作項(xiàng)目(22014044)

鄔芝權(quán)(1976-)，男，四川隆昌人,碩士，實(shí)驗(yàn)師,系副主任,研究方向：嵌入式控制。

Tel.：13990668200；E-mail：jsjxwzq@126.com

U 283;G 644

A

1006-7167(2016)02-0237-04