現(xiàn)代有軌電車(chē)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

應(yīng)承靜，杜 康，陳金葉，張鵬飛

(淮安市現(xiàn)代有軌電車(chē)經(jīng)營(yíng)有限公司，淮安 223001)

現(xiàn)代有軌電車(chē)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)不斷的升級(jí)優(yōu)化，在環(huán)境景觀(guān)、車(chē)輛性能、智能控制和舒適性等方面較傳統(tǒng)有軌電車(chē)有了非常大的提升?，F(xiàn)代有軌電車(chē)核心技術(shù)大幅升級(jí)，有助于完善城市公交體系結(jié)構(gòu)、支持新城和新區(qū)建設(shè)及地區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、投資建設(shè)模式多元化，因此，國(guó)內(nèi)眾多城市選擇發(fā)展現(xiàn)代有軌電車(chē)。

現(xiàn)代有軌電車(chē)屬于以目視行車(chē)為主的低運(yùn)量、便捷、智能化的軌道交通運(yùn)輸方式。截至2020年6月，全國(guó)已有18座城市開(kāi)通運(yùn)營(yíng)了共計(jì)32條現(xiàn)代有軌電車(chē)線(xiàn)路，運(yùn)營(yíng)里程達(dá)395 km，建成車(chē)站500多座。

現(xiàn)代有軌電車(chē)作為一種大運(yùn)量的地面公共交通系統(tǒng)和中低運(yùn)量的城市軌道交通系統(tǒng)，運(yùn)量介于常規(guī)公交和地鐵之間，是近年新興的交通制式，具有固定軌道和地面交通運(yùn)營(yíng)的公共交通系統(tǒng)特征，線(xiàn)路長(zhǎng)度較地鐵線(xiàn)路短，但其路況的復(fù)雜程度和系統(tǒng)的全面性給現(xiàn)代有軌電車(chē)的運(yùn)營(yíng)帶來(lái)許多挑戰(zhàn)。

1 智能控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文提出的智能控制系統(tǒng)主要組成部分包括：綜合智能調(diào)度控制中心、行車(chē)調(diào)度系統(tǒng)、綜合通信系統(tǒng)、弱電集成、線(xiàn)網(wǎng)安全運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)培訓(xùn)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)[1]。

通過(guò)建立標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和模塊化的系統(tǒng)集成平臺(tái)，將電車(chē)行車(chē)監(jiān)控、電力監(jiān)控系統(tǒng)(PSCADA)、車(chē)載超級(jí)電容監(jiān)視、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)(CCTV)、乘客信息系統(tǒng)(PIS)、公共廣播(PA)、電話(huà)、無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)(RC)、售檢票系統(tǒng)(FCS)通過(guò)不同的集成方式進(jìn)行集成。火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)(FAS)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)等專(zhuān)業(yè)的接口，形成完整的現(xiàn)代有軌電車(chē)行車(chē)管理、運(yùn)營(yíng)監(jiān)控及調(diào)度指揮的體系。實(shí)現(xiàn)對(duì)沿線(xiàn)運(yùn)行現(xiàn)代有軌電車(chē)、站臺(tái)、岔區(qū)、變電所的總體監(jiān)視、協(xié)調(diào)、調(diào)度和管理[2]；建立自上而下的應(yīng)急處理機(jī)制，提供中心調(diào)度人員與駕駛員的無(wú)線(xiàn)調(diào)度通道，確保特殊情況下運(yùn)營(yíng)的有序進(jìn)行。

根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)，并結(jié)合卡斯柯公司產(chǎn)品特點(diǎn)對(duì)集成方案進(jìn)行優(yōu)化，采用統(tǒng)一的軟件平臺(tái)SmarTIAS，實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行監(jiān)控、PSCADA、車(chē)載超級(jí)電容、自動(dòng)售檢票P(pán)IS、PA、CCTV、RC、電話(huà)等弱電系統(tǒng)的集成。

2 智能控制系統(tǒng)各部分功能

2.1 行車(chē)調(diào)度系統(tǒng)

行車(chē)調(diào)度系統(tǒng)主要包括路口綜合控制系統(tǒng)、正線(xiàn)道岔控制子系統(tǒng)和信號(hào)設(shè)備維護(hù)支持系統(tǒng)(MSS)。

2.1.1 路口綜合控制系統(tǒng)

現(xiàn)代有軌電車(chē)與社會(huì)車(chē)輛在路口的交通組織由路口綜合控制信號(hào)機(jī)統(tǒng)一管理和控制，確?，F(xiàn)代有軌電車(chē)在路口優(yōu)先通過(guò)；提供平交旅行速度，為乘客提供安全舒適優(yōu)質(zhì)的服務(wù)；路口優(yōu)化子系統(tǒng)可以遠(yuǎn)距離探測(cè)即將接近的列車(chē)。

路口綜合控制系統(tǒng)主要包括OLC(On-Linelouriers)系統(tǒng)、道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)、電子警察及CCTV。

OLC系統(tǒng)由OLC控制器和現(xiàn)代有軌電車(chē)路口專(zhuān)用信號(hào)機(jī)設(shè)備構(gòu)成，OLC系統(tǒng)原理如圖1所示，其中，DMS指駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)，DMI指可量測(cè)實(shí)景影像，CBI指計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖，TSC指道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)。

圖1 OLC系統(tǒng)原理

OLC控制器是OLC子系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)收集信標(biāo)的狀態(tài)、接收聯(lián)鎖子系統(tǒng)的進(jìn)路方向信息、接收來(lái)自DMS的路口優(yōu)先請(qǐng)求(駕駛員請(qǐng)求、調(diào)度請(qǐng)求)并進(jìn)行管理、轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)機(jī)的顯示狀態(tài)和當(dāng)前故障信息；同時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)的設(shè)備信號(hào)顯示狀態(tài)及當(dāng)前故障信息。

道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)采用三級(jí)架構(gòu)形式，三級(jí)架構(gòu)之間通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)連接。

道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)既能通過(guò)現(xiàn)代有軌電車(chē)信號(hào)優(yōu)先控制，保障和提升現(xiàn)代有軌電車(chē)運(yùn)行效率、準(zhǔn)點(diǎn)率、運(yùn)行圖兌現(xiàn)率和服務(wù)水平，同時(shí)也能夠確保路口電車(chē)、社會(huì)交通通行的安全、有序和暢通。

現(xiàn)代有軌電車(chē)信號(hào)優(yōu)先控制方案主要包括電車(chē)優(yōu)先通行、路口沖突消除、優(yōu)化控制影響最小化和方案持續(xù)優(yōu)化[3]。

電子警察及CCTV可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代有軌電車(chē)路口信號(hào)與市政信號(hào)系統(tǒng)互聯(lián)互通，分別檢測(cè)社會(huì)交通車(chē)輛與現(xiàn)代有軌電車(chē)，由市政信號(hào)統(tǒng)一聯(lián)控，市政信號(hào)與現(xiàn)代有軌電車(chē)信號(hào)相關(guān)職責(zé)部門(mén)分別進(jìn)行維護(hù)管理；信號(hào)系統(tǒng)具備線(xiàn)路限速、路口闖燈、岔區(qū)遙控進(jìn)路等提醒功能，輔助駕駛員控車(chē)；保障路口現(xiàn)代有軌電車(chē)運(yùn)行信號(hào)相位與路口市政機(jī)動(dòng)車(chē)、行人相位無(wú)沖突；保障路口人行安全，具備快速疏散現(xiàn)代有軌電車(chē)進(jìn)出站客流的能力。

現(xiàn)代有軌電車(chē)沿線(xiàn)路口均設(shè)置視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代有軌電車(chē)與市政監(jiān)控系統(tǒng)路口視頻共享；沿線(xiàn)路口及沿線(xiàn)相鄰主次干道路口市政信號(hào)系統(tǒng)均接入車(chē)場(chǎng)市政監(jiān)控中心(并預(yù)留與上級(jí)交警管理控制中心接口)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)控制[4]，保障現(xiàn)代有軌電車(chē)優(yōu)先通過(guò)路口及提高社會(huì)車(chē)輛通行效率[5]。

2.1.2 正線(xiàn)道岔控制子系統(tǒng)

正線(xiàn)道岔控制子系統(tǒng)由信號(hào)機(jī)(進(jìn)路表示器)、現(xiàn)地進(jìn)路控制盒(計(jì)軸復(fù)位盤(pán)，駕駛員做現(xiàn)地復(fù)位使用，一般位于集中區(qū)段的就近的信號(hào)機(jī)柱上)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、本地道岔控制單元(含機(jī)柜、控制模塊等)、計(jì)軸、車(chē)—地間信息傳輸設(shè)備、傳輸接口、電源模塊等設(shè)備構(gòu)成[6]。

正線(xiàn)道岔控制子系統(tǒng)的本地道岔控制單元是由卡斯柯信號(hào)有限公司提供的iLOCK-200T型聯(lián)鎖系統(tǒng)，其安全完善度等級(jí)達(dá)到SIL4級(jí)。iLOCK-200T型聯(lián)鎖系統(tǒng)由聯(lián)鎖處理子系統(tǒng)(IPS-200)、電子執(zhí)行單元(ECID)、維護(hù)診斷設(shè)備(簡(jiǎn)稱(chēng)SDM)等構(gòu)成。

車(chē)場(chǎng)信號(hào)系統(tǒng)采用了卡斯柯廣泛應(yīng)用于地鐵、國(guó)鐵軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的iLOCK 型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。

2.1.3 信號(hào)設(shè)備維護(hù)支持系統(tǒng)

信號(hào)設(shè)備維護(hù)支持系統(tǒng)是保障現(xiàn)代有軌電車(chē)運(yùn)營(yíng)安全、加強(qiáng)信號(hào)系統(tǒng)管理、監(jiān)測(cè)信號(hào)系統(tǒng)狀態(tài)、發(fā)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)隱患、分析信號(hào)系統(tǒng)故障原因、輔助現(xiàn)場(chǎng)故障處理、反映設(shè)備使用質(zhì)量、提高生產(chǎn)部門(mén)維護(hù)水平和維護(hù)效率的重要系統(tǒng)。

MSS不僅對(duì)基礎(chǔ)信號(hào)設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行采集，同時(shí)具備對(duì)自身進(jìn)行智能化監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)功能，可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口獲取相關(guān)監(jiān)測(cè)信息，避免重復(fù)采集，把各個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵維護(hù)信息收集起來(lái)，進(jìn)行集中管理，統(tǒng)一維護(hù)，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測(cè)和綜合維修管理。

2.2 綜合通信系統(tǒng)

綜合通信系統(tǒng)包括廣播系統(tǒng)、時(shí)鐘系統(tǒng)、綜合數(shù)據(jù)承載系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)和有線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)等。

2.2.1 廣播系統(tǒng)

廣播系統(tǒng)在正線(xiàn)和車(chē)輛段為行車(chē)調(diào)度、防災(zāi)調(diào)度和乘客提供語(yǔ)音廣播服務(wù)，并在發(fā)生故障、災(zāi)害等緊急情況時(shí)，發(fā)布警報(bào)，指揮救援和疏導(dǎo)乘客。

本系統(tǒng)采用最新型全數(shù)字化的IP(網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議)網(wǎng)絡(luò)廣播系統(tǒng)，設(shè)備內(nèi)部均具有A/D轉(zhuǎn)換電路，可以直接將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。前級(jí)話(huà)筒是通過(guò)與前級(jí)話(huà)筒連接的終端節(jié)點(diǎn)控制器完成A/D轉(zhuǎn)換的。在功率放大器中具有相應(yīng)的D/A轉(zhuǎn)換電路，將數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，通過(guò)音頻線(xiàn)纜傳送到揚(yáng)聲器終端，完成播音功能。

2.2.2 時(shí)鐘系統(tǒng)

時(shí)鐘系統(tǒng)功能主要包括同步校對(duì)功能、時(shí)間日期顯示、系統(tǒng)擴(kuò)容、容錯(cuò)功能、安全控制、系統(tǒng)監(jiān)控功能和系統(tǒng)熱備份功能。

2.2.3 綜合數(shù)據(jù)承載系統(tǒng)

綜合數(shù)據(jù)承載系統(tǒng)使用光纖進(jìn)行組網(wǎng)。在綜合數(shù)據(jù)承載系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用千兆工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)形組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)分三級(jí)：車(chē)站是分接入層，變電所是匯聚層，控制中心是核心層。在車(chē)站配置工業(yè)以太網(wǎng)接入交換機(jī)，在每個(gè)變電所配置兩套工業(yè)以太網(wǎng)匯聚交換機(jī)，在控制中心配置兩套工業(yè)以太網(wǎng)核心交換機(jī)。在變電所的匯聚交換機(jī)與控制中心核心交換機(jī)之間采用環(huán)形結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，每個(gè)變電所與控制中心之間構(gòu)成兩個(gè)獨(dú)立的環(huán)形鏈路。每個(gè)變電所負(fù)責(zé)其相鄰車(chē)站和變電所組成光纖自愈環(huán)網(wǎng)。

2.2.4 無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)

無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)是根據(jù)項(xiàng)目要求采用借助公共寬帶移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)即3G/4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、通過(guò)虛擬專(zhuān)用網(wǎng)(VPN)的方式來(lái)構(gòu)建的車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)用性的網(wǎng)絡(luò)功能。選擇基于公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的原因在于公網(wǎng)的覆蓋范圍廣，無(wú)須申請(qǐng)專(zhuān)用頻點(diǎn)，系統(tǒng)本身無(wú)須建設(shè)基站，而是直接利用移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商已建基站，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。

2.2.5 有線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)

有線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)為現(xiàn)代有軌電車(chē)維保、運(yùn)營(yíng)和安技等部門(mén)提供了便捷的公務(wù)聯(lián)絡(luò)，主要是電話(huà)業(yè)務(wù)和部分非電話(huà)業(yè)務(wù)，采用軟交換平臺(tái)構(gòu)成公務(wù)專(zhuān)用一體化的電話(huà)交換系統(tǒng)。系統(tǒng)網(wǎng)管采用公務(wù)電話(huà)和專(zhuān)用電話(huà)合設(shè)的方式。

2.3 弱電集成

弱電集成包括綜合通信視頻監(jiān)控系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化(OA)系統(tǒng)、大屏幕系統(tǒng)、電力監(jiān)控PA系統(tǒng)、售檢票系統(tǒng)。

2.3.1 綜合通信視頻監(jiān)控系統(tǒng)

綜合通信視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由控制中心子系統(tǒng)、車(chē)站子系統(tǒng)(站臺(tái)兩端設(shè)置)、變電所子系統(tǒng)及列車(chē)子系統(tǒng)等部分構(gòu)成。其中，車(chē)站子系統(tǒng)與列車(chē)子系統(tǒng)通過(guò)本站、本車(chē)的接入層交換機(jī)將視頻信息傳輸至所轄區(qū)域的變電所進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)變電所的一體化球形攝像機(jī)數(shù)據(jù)也在本所存儲(chǔ)，兩者同時(shí)由本所的匯聚層交換機(jī)接入控制中心的核心交換機(jī)，控制中心有權(quán)對(duì)前端攝像機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理，包括接入功能、存儲(chǔ)管理、權(quán)限分配管理、視頻轉(zhuǎn)發(fā)功能和解碼上墻功能等。

2.3.2 辦公自動(dòng)化系統(tǒng)

OA系統(tǒng)主要采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)模式的基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行實(shí)施，在控制中心設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)及應(yīng)用服務(wù)器，在調(diào)度中心、車(chē)輛場(chǎng)等各辦公點(diǎn)設(shè)置辦公終端，通過(guò)辦公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)終端和服務(wù)器交互。

OA系統(tǒng)核心的業(yè)務(wù)功能包含門(mén)戶(hù)網(wǎng)站及郵件；進(jìn)行設(shè)備資產(chǎn)的全生命周期管理及跟蹤；進(jìn)行工作管理，為日常辦公提供支持，主要包括工作計(jì)劃、執(zhí)行、考勤、培訓(xùn)等；進(jìn)行作業(yè)管理，統(tǒng)籌管理施工及維修作業(yè)，主要包括作業(yè)申請(qǐng)、審批及作業(yè)任務(wù)派工等功能；進(jìn)行運(yùn)營(yíng)統(tǒng)計(jì)分析，利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)報(bào)表的展示；進(jìn)行安全管理，對(duì)各類(lèi)安全問(wèn)題、安全作業(yè)進(jìn)行管理；進(jìn)行應(yīng)急指揮管理，提供應(yīng)急信息及應(yīng)急處置功能；支持核心業(yè)務(wù)的移動(dòng)辦公；進(jìn)行乘務(wù)調(diào)度管理，編制乘務(wù)員排班計(jì)劃，進(jìn)行備班及叫班管理；進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，保障網(wǎng)絡(luò)安全。

2.3.3 大屏幕系統(tǒng)

大屏幕系統(tǒng)應(yīng)用在綜合運(yùn)營(yíng)控制中心，主要由70英寸DLP(數(shù)字光處理)投影單元(含投影單元箱體、DLP投影機(jī)、專(zhuān)業(yè)背投影屏幕、內(nèi)置圖像處理器)、圖形拼接控制器、大屏幕控制管理軟件及相關(guān)外圍設(shè)備(支架、底座、機(jī)柜、線(xiàn)纜等)組成。

整套大屏幕系統(tǒng)使用DLP技術(shù)，配置的所有設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，具備非常高的可靠性、穩(wěn)定性和安全性，故障率低，并具有可擴(kuò)展性，能夠根據(jù)需要增加顯示信號(hào)的數(shù)量。信號(hào)源包括來(lái)自攝像頭、DVD(數(shù)字通用光盤(pán))等的各種制式的視頻信號(hào)，來(lái)自工作站的RGB信號(hào)，局域網(wǎng)內(nèi)工作站向網(wǎng)絡(luò)輸出的顯示信號(hào)以及遠(yuǎn)端IP視頻信號(hào)。顯示時(shí)可根據(jù)需要對(duì)任意信號(hào)窗口進(jìn)行靈活的控制和管理，同時(shí)可保證顯示效果良好。大屏幕控制管理軟件是大屏幕顯示系統(tǒng)專(zhuān)用的管理軟件，通過(guò)工作站配置的管理軟件，可以實(shí)現(xiàn)將大屏幕顯示系統(tǒng)的顯示方式和內(nèi)容、布局以任意大小、任意位置和任意組合進(jìn)行顯示，進(jìn)行方便、多點(diǎn)、直觀(guān)、實(shí)時(shí)、全方位的管理和控制。

2.3.4 電力監(jiān)控DA系統(tǒng)

電力監(jiān)控PA系統(tǒng)主要是與PSCADA的分工界面，從PSCADA設(shè)備通信出口處至智能控制系統(tǒng)直接接口設(shè)備的電纜由PSCADA提供，采用RJ45標(biāo)準(zhǔn)接口。

2.3.5 售檢票系統(tǒng)

售檢票系統(tǒng)采用一票制方案，站臺(tái)設(shè)單程票售票機(jī)(也可上車(chē)向乘務(wù)員購(gòu)買(mǎi)紙票)，上車(chē)刷卡、檢票。

2.4 線(xiàn)網(wǎng)安全運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)培訓(xùn)系統(tǒng)

該系統(tǒng)為仿真系統(tǒng)，采用面積為64 m2的1∶87比例沙盤(pán)，采取按真實(shí)線(xiàn)路固定比例的模型，包含現(xiàn)代有軌正線(xiàn)車(chē)站和車(chē)輛段。根據(jù)實(shí)際線(xiàn)路布置車(chē)站和道岔。

2.5 電源系統(tǒng)

因其功能的全面性，電源的供電方式雜而多。在綜合設(shè)備室、車(chē)場(chǎng)聯(lián)鎖設(shè)備室、交警設(shè)備室、綜合培訓(xùn)室、綜合維修室、綜合檢修室設(shè)置智能電源屏和UPS(不間斷電源)及蓄電池設(shè)備，除此之外，電源分配如圖2所示。

圖2 電源分配

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)和研究的現(xiàn)代有軌電車(chē)智能控制系統(tǒng)通過(guò)建立標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和模塊化的系統(tǒng)集成平臺(tái)，將多系統(tǒng)進(jìn)行集成，形成完整的現(xiàn)代有軌電車(chē)行車(chē)管理、運(yùn)營(yíng)監(jiān)控及調(diào)度指揮的體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)沿線(xiàn)運(yùn)行車(chē)輛、車(chē)站、道岔區(qū)域和變電所的監(jiān)視、協(xié)調(diào)、調(diào)度、指揮和管理。各系統(tǒng)的高效配合，既保證了運(yùn)行的效率，又保障了運(yùn)行的安全性。