現(xiàn)代有軌電車智能控制系統(tǒng)弱電集成研究

裴 穎

(通號城市軌道交通技術(shù)有限公司，北京 100070)

1 概述

近年來，現(xiàn)代有軌電車在城市軌道交通中大量應(yīng)用，主要得益于其乘客運(yùn)載量適中、工程實施較為簡單、投入資金額度較低、建設(shè)時間跨度短、環(huán)保符合政策要求等特性。同時也可以看到，現(xiàn)代有軌電車的應(yīng)用制式在地鐵模式的基礎(chǔ)上產(chǎn)生，同地鐵類似分類設(shè)計了信號、無線、廣播、售檢票等十余個主要的系統(tǒng)，在建設(shè)的過程中，還沒有形成現(xiàn)代有軌電車比較完備及獨(dú)立的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等規(guī)范性文件。上述按地鐵系統(tǒng)分類的設(shè)計方式，從歷史角度對現(xiàn)代有軌電車的出現(xiàn)具有積極的意義，但是隨著有軌電車的發(fā)展，從經(jīng)濟(jì)角度需要進(jìn)一步降低成本，以匹配有軌電車自身輕量化城市軌道交通的定位，降低相關(guān)城市的資金投入。另外，從技術(shù)角度考慮，由于各系統(tǒng)之間相對獨(dú)立，暫時沒有統(tǒng)一的共享數(shù)據(jù)方式和途徑，在日常運(yùn)維工作中具有較高的協(xié)同成本，遇到緊急情況時需要逐級響應(yīng)，不利于進(jìn)一步提高應(yīng)急處理能力。因此，有理由設(shè)計一套綜合、智能、簡明的有軌電車智能控制系統(tǒng)，將上述系統(tǒng)整合為一套弱電集成系統(tǒng)，對有軌電車進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控、行車指揮及運(yùn)營管理，從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、運(yùn)營的角度促進(jìn)現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)的發(fā)展。

2 智能控制系統(tǒng)概述

有軌電車智能控制系統(tǒng)，通過設(shè)立基礎(chǔ)信號控制系統(tǒng)、道口綜合控制系統(tǒng)、車上控制系統(tǒng)、運(yùn)維診斷系統(tǒng)等，并將原無線系統(tǒng)、電話系統(tǒng)等統(tǒng)一規(guī)劃，可通過大數(shù)據(jù)、人工智能等手段，為各系統(tǒng)設(shè)計通用的硬件及軟件平臺，將原本獨(dú)立的各系統(tǒng)深度融合，共同構(gòu)成有軌電車的行車指揮、調(diào)度管理的運(yùn)營平臺。為用戶提供針對行車指揮的，具備設(shè)備監(jiān)控、輔助決策功能的管理平臺，做到各項運(yùn)營工作的統(tǒng)一智能管控。有軌電車智能控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 有軌電車智能控制系統(tǒng)Fig.1 Intelligent control system of tram

3 智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為：終端層、通道層、平臺通用層和應(yīng)用拓展層4個層次。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 終端層

由部署在有軌電車運(yùn)營涉及區(qū)域的各類用戶終端構(gòu)成，包括了正側(cè)線基礎(chǔ)信號設(shè)備、站臺相關(guān)設(shè)備、道口設(shè)備、供電設(shè)備及中心站值班員操作設(shè)備。

終端層記錄用戶操作的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳至智能控制系統(tǒng)中心，中心可采用大數(shù)據(jù)技術(shù)對終端層產(chǎn)生的海量用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找到用戶操作模式，深入挖掘用戶需求并優(yōu)化系統(tǒng)功能，智能預(yù)測運(yùn)營情況，為用戶提供決策依據(jù)。同時中心通過分析終端設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)，判斷設(shè)備的使用情況，根據(jù)云計算技術(shù)，動態(tài)為各系統(tǒng)分配計算資源，使系統(tǒng)總體效率達(dá)到最大化。

3.2 通道層

包括搭建綜合數(shù)據(jù)承載網(wǎng)、LTE無線通信網(wǎng)絡(luò)平臺。

綜合數(shù)據(jù)承載網(wǎng)絡(luò)為智能控制系統(tǒng)中各子系統(tǒng)提供可靠、冗余、可重構(gòu)、靈活的傳輸通道，是整個有軌電車中車站、變電所、車輛等與調(diào)度中心之間信息交換的平臺。

LTE無線通信網(wǎng)絡(luò)平臺，進(jìn)行實時無線數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)車輛定位輔助、監(jiān)視報警、調(diào)度指揮管理和信息查詢一體化的功能。

3.3 平臺通用層

借助創(chuàng)建通用的、靈活的、可配置的服務(wù)平臺層，將列車運(yùn)行監(jiān)控（ATS）、綜合監(jiān)控（ISCS）、乘客信息系統(tǒng)（PIS）及屏蔽門（PSD）系統(tǒng)進(jìn)行綜合集成，并提供與其他系統(tǒng)的拓展接口服務(wù)，將上述各系統(tǒng)中通用的部分統(tǒng)一設(shè)計開發(fā)，將差異的部分通過數(shù)據(jù)配置進(jìn)行差異化實現(xiàn)，形成具有高度可維護(hù)性、可操作性、可定制化的運(yùn)營管理調(diào)度系統(tǒng)。實現(xiàn)對有軌電車運(yùn)營區(qū)域內(nèi)車站、乘客、車輛、設(shè)備設(shè)施的全面監(jiān)控和管理。同時能夠形成扁平化、各系統(tǒng)高度協(xié)同的緊急事件處理機(jī)制，提供控制中心管理人員與一線執(zhí)行人員的聯(lián)絡(luò)通道，保證一般及特殊情況下都能平穩(wěn)運(yùn)營。

3.4 應(yīng)用拓展層

針對調(diào)度管理人員：對車輛運(yùn)營區(qū)域內(nèi)的車站、乘客、路線和供電設(shè)備進(jìn)行不間斷的監(jiān)視，為調(diào)度管理人員的運(yùn)營管理提供決策基礎(chǔ)信息；管理中心能夠獲得車輛運(yùn)營的實時反饋，包括車輛情況、乘客情況、周邊交通信息等，并根據(jù)系統(tǒng)給出的預(yù)測建議，做出合理的調(diào)度管理行為。

針對有軌電車乘客：乘客對有軌電車系統(tǒng)的需求主要是準(zhǔn)點(diǎn)、安全、舒適和便捷，通過站臺設(shè)置LCD屏實時顯示運(yùn)行中電車的定位信息及運(yùn)行路線預(yù)測。同時進(jìn)一步簡化售檢票方式，向公交汽車靠攏，尤其為非本地人員的乘坐提供便利，邀請所有乘客都作為有軌電車服務(wù)的評價者和受益者。

圖2 智能控制系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)Fig.2 Main structure of intelligent control system

面向電車司機(jī)：通過配置的智能顯控終端，結(jié)合駕駛輔助信息，幫助司機(jī)平穩(wěn)、安全的控制列車運(yùn)行，降低人工駕駛難度，提升用戶乘坐舒適性。同時車載監(jiān)督系統(tǒng)可在特殊地段發(fā)揮作用，根據(jù)配置提醒監(jiān)督司機(jī)安全駕駛。

4 智能控制系統(tǒng)軟件平臺

控制中心綜合運(yùn)營調(diào)度管理系統(tǒng)是平臺型的集成系統(tǒng)，具有接口標(biāo)準(zhǔn)、組件通用、可拓展性的特點(diǎn)，將原分立設(shè)置的各信號子系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)等多個系統(tǒng)高度集成，考慮到售檢票（AFC）系統(tǒng)涉及費(fèi)用管理，保留其相對獨(dú)立性，AFC系統(tǒng)和集成平臺采用互聯(lián)的方式集成，但AFC和平臺系統(tǒng)共用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和磁盤陣列。軟件平臺在人機(jī)界面層包括了設(shè)備監(jiān)控、儀表面板、實施報警、歷史報警、歷史事件日志、趨勢顯示、統(tǒng)計報表，CCTV等眾多功能，可完成對電車運(yùn)行區(qū)域的車輛、車站、供電系統(tǒng)的監(jiān)控、管理和調(diào)度。

軟件平臺結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件平臺結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of software platform

以行車調(diào)度為核心的綜合運(yùn)營管理系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1）用戶深度集成，統(tǒng)一管理；

2）界面深度集成，在一個系統(tǒng)中查閱所有的監(jiān)控子系統(tǒng)；

3）數(shù)據(jù)深度集成，基于同一個平臺開發(fā)的信號和通信、綜合監(jiān)控系統(tǒng)深度聯(lián)動，通過規(guī)劃業(yè)務(wù)場景的切換快速實施各種預(yù)案；

4）降低系統(tǒng)采購和維護(hù)成本。

5 智能控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

5.1 硬件云平臺設(shè)置

重要服務(wù)器（含綜合運(yùn)營調(diào)度業(yè)務(wù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器）采用云平臺方式工作。當(dāng)一臺服務(wù)器（或其中的一個應(yīng)用分區(qū)）出現(xiàn)硬件、軟件及受控應(yīng)用故障，可被硬件云平臺管理系統(tǒng)自動探察，并自動地將此主機(jī)（或其中的一個應(yīng)用分區(qū)）上的應(yīng)用切換至云平臺內(nèi)的其他硬件資源上，保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

設(shè)備室由多臺服務(wù)器組成硬件云平臺，按照業(yè)務(wù)運(yùn)算不同可劃分為：綜合運(yùn)營調(diào)度業(yè)務(wù)資源池、電話交換資源池、LTE核心網(wǎng)、媒體服務(wù)資源池、綜合屏控制器、售檢票資源池、數(shù)據(jù)庫服務(wù)資源池、磁盤陣列、公網(wǎng)接入服務(wù)資源池、電話交換計費(fèi)資源池、交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備、服務(wù)器機(jī)柜、網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜、接口機(jī)柜等構(gòu)成。

5.2 工作站設(shè)計及配置

調(diào)度員工作站的硬件及軟件架構(gòu)具有統(tǒng)一性，具有冗余控制功能，且其各項功能可根據(jù)需要靈活劃分或屏蔽。每個工作站能根據(jù)需要顯示全線的線路、車站、車輛段布局的全景，詳細(xì)顯示車站、區(qū)間及車輛段的設(shè)備狀態(tài)和列車運(yùn)行狀態(tài)的細(xì)景及列車計劃和實跡運(yùn)行圖等信息；兩個顯示器可獨(dú)立分別輸出界面，如果一個界面發(fā)生故障，調(diào)度員可在另一界面完成所有的控制功能和監(jiān)視操作。

獨(dú)立設(shè)置綜合運(yùn)營調(diào)度工作站兩套，每個工作站都能顯示行車調(diào)度所需的各項信息，調(diào)度員可在任一工作站進(jìn)行操作。

設(shè)一臺視頻監(jiān)控工作站，實現(xiàn)調(diào)看全線所有區(qū)域的視頻監(jiān)控信息。

設(shè)一臺電力調(diào)度員工作站，實現(xiàn)全線供電系統(tǒng)設(shè)備信息顯示和遠(yuǎn)動控制。

設(shè)一臺運(yùn)行圖工作站，用于運(yùn)行圖編輯、查看功能。

設(shè)一臺維護(hù)工作站，實現(xiàn)所有設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視功能。同時作為系統(tǒng)網(wǎng)管工作站。

設(shè)一臺編播工作站，實現(xiàn)正線PIS設(shè)備、車載設(shè)備的信息發(fā)布及廣播公告等。

調(diào)度操作臺，設(shè)置數(shù)字電話、無線調(diào)度臺。

電話，設(shè)置公務(wù)電話、直通電話等。

派班室設(shè)一臺派班終端、調(diào)度電話/公務(wù)電話及廣播設(shè)備。

票務(wù)管理及乘務(wù)待班室設(shè)置AFC票務(wù)工作站、調(diào)度電話和公務(wù)電話。

上述工作均采用綜合調(diào)度管理軟件平臺，互為熱備靈活切換。

5.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

設(shè)置中心數(shù)據(jù)承載網(wǎng)冗余以太網(wǎng)三層千兆核心交換機(jī)2臺、配線架及相應(yīng)配套設(shè)備。

設(shè)置中心局域網(wǎng)交換機(jī)及相應(yīng)配套設(shè)備。

6 智能控制系統(tǒng)弱電總集成優(yōu)點(diǎn)

本文介紹的上述集成系統(tǒng)同實踐中分立布置的系統(tǒng)比較，有以下優(yōu)點(diǎn)。

6.1 更低的建設(shè)投資

由于系統(tǒng)設(shè)置了通用硬件平臺，可以通過統(tǒng)一部署服務(wù)器硬件，動態(tài)分配計算資源，協(xié)調(diào)實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)、綜合維護(hù)等服務(wù)；數(shù)據(jù)存儲的硬件也可以集中配置；各類型的工作站也可以集中配置，動態(tài)分配資源給不同的系統(tǒng)，大幅減少了硬件的投資，同時提高了資金的使用率。

6.2 人工成本的降低

系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的硬件規(guī)格統(tǒng)一，功能相同，可以互換使用，對維護(hù)人員的要求降低。不同功能的實現(xiàn)是根據(jù)用戶要求通過權(quán)限分配實現(xiàn)的。在任何一臺工作站上，通過配置，都可以實現(xiàn)全部的綜合調(diào)度管理功能。

降低調(diào)度人員配置。常規(guī)的調(diào)度崗位設(shè)置，分別需要行車調(diào)度、客運(yùn)調(diào)度和設(shè)備調(diào)度，每個崗位是三班倒的形式，每班都至少2人值班，因此需要18個人員編制。若使用智能控制系統(tǒng)，只要設(shè)置一個通用調(diào)度崗位，包括3個人員分別負(fù)責(zé)行車調(diào)度，客運(yùn)調(diào)度，設(shè)備調(diào)度，同樣是三班倒的形式，只需要9名調(diào)度人員，顯著降低了人員編制。從國內(nèi)項目實踐來分析，一般工作狀況下3個人即可實現(xiàn)行車和設(shè)備調(diào)度的需求，同時還可以將設(shè)備及乘客調(diào)度由1人兼職，降低了運(yùn)營過程中的人工成本。

降低維護(hù)人員配置。同樣，常規(guī)的維護(hù)崗位設(shè)置，需要信號設(shè)備維護(hù)、供電設(shè)備維護(hù)、機(jī)電設(shè)備維護(hù)3類人員。如果使用智能控制系統(tǒng)，由于降低了對人員技能的要求，只需要設(shè)置通用維護(hù)崗位，大大降低了維護(hù)人員的成本。

6.3 系統(tǒng)易用性顯著提高

由于集成系統(tǒng)在架構(gòu)方面的優(yōu)點(diǎn)，可以方便的在各子系統(tǒng)間共享信息，交互數(shù)據(jù)，聯(lián)動反應(yīng)，既充分發(fā)揮了子系統(tǒng)本身的作用，又通過系統(tǒng)協(xié)同產(chǎn)生了新的價值。比如若要與司機(jī)交流，在控制界面的圖形上選擇列車即可；當(dāng)向乘客廣播信息時，其他系統(tǒng)的聲音可自動關(guān)閉或調(diào)小。為防止緊急情況下人工操作設(shè)備可能帶來的安全隱患，可設(shè)置CCTV自動監(jiān)視當(dāng)前人工操作的設(shè)備畫面。子系統(tǒng)之間的動態(tài)關(guān)聯(lián)，避免了人工操作的盲區(qū)，降低了人員操作的風(fēng)險，系統(tǒng)的易用性顯著提高。

6.4 降低維護(hù)時間成本

由于系統(tǒng)對子系統(tǒng)具有集中的監(jiān)控及管理系統(tǒng)，能夠?qū)崟r獲得終端設(shè)備的狀態(tài)，因此能夠統(tǒng)一進(jìn)行管理，降低了維護(hù)管理的時間成本。從集中的監(jiān)控管理系統(tǒng)能夠獲得終端設(shè)備的報警信息，通過傳統(tǒng)的故障樹分析及現(xiàn)代人工智能方法，能夠分析故障的原因。更進(jìn)一步，通過設(shè)備運(yùn)行積累的大數(shù)據(jù)，可以從出了故障進(jìn)行維修，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楦鶕?jù)系統(tǒng)的預(yù)測，對可能出問題的設(shè)備進(jìn)行維修，降低故障發(fā)生的概率。

7 結(jié)束語

提出一種智能控制系統(tǒng)弱電集成的方式，具有建設(shè)投資低、運(yùn)營人工成本低、系統(tǒng)易用性高、維護(hù)時間成本降低等優(yōu)點(diǎn)，從整體上為業(yè)主提高了收益，降低了風(fēng)險。從技術(shù)上，通過巧妙設(shè)計的系統(tǒng)架構(gòu)，將各個子系統(tǒng)充分整合，發(fā)揮了協(xié)同作用，統(tǒng)一完成對電車運(yùn)營過程中的調(diào)度管理，無論是對行車、客運(yùn)組織、設(shè)備維護(hù)和監(jiān)控功能上都有較大的提升。

目前國內(nèi)海南三亞、北京亦莊、甘肅天水等多條現(xiàn)代有軌電車，均采用智能控制系統(tǒng)弱電總集成模式。