自動(dòng)控制技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用與發(fā)展

李歡

（西安交通工程學(xué)院交通運(yùn)輸學(xué)院，陜西西安，710300）

軌道交通是助推經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)，加快軌道交通建設(shè)，完善“米”字型高鐵網(wǎng)，發(fā)展多制式一體化的軌道交通網(wǎng)，成為促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展的途徑之一。軌道交通的發(fā)展離不開控制它的“中樞神經(jīng)”—自動(dòng)控制技術(shù)。自動(dòng)控制技術(shù)奠定了軌道交通實(shí)現(xiàn)集中統(tǒng)一指揮的基礎(chǔ)，提高了列車運(yùn)行的安全性，對(duì)軌道交通的發(fā)展有至關(guān)重要的作用。

1 自動(dòng)控制技術(shù)在軌道交通中應(yīng)用的必要性

隨著城市化進(jìn)程加快，帶來了交通擁擠，污染嚴(yán)重，交通事故頻發(fā)等一系列問題，而軌道交通自身具有速度快，污染小，運(yùn)量大等特點(diǎn)，成為快速發(fā)展軌道交通關(guān)鍵。軌道交通包含傳統(tǒng)鐵路和城市軌道交通，城市軌道交通的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模是一個(gè)城市經(jīng)濟(jì)水平的體現(xiàn)，近年來各城市大力發(fā)展城市軌道交通，如地鐵、輕軌還有新型的市域快速軌道等系統(tǒng)的規(guī)模在擴(kuò)大的同時(shí)也在朝著經(jīng)濟(jì)化、智能化和環(huán)保化等方向發(fā)展。

利用先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)同時(shí)結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)具有自動(dòng)控制、統(tǒng)一指揮、集中管理的軌道交通系統(tǒng)。自動(dòng)控制技術(shù)通過對(duì)軌道交通中的信號(hào)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制與監(jiān)控，不僅大幅度提升了對(duì)軌道交通運(yùn)行控制的效果，也保障了軌道交通的運(yùn)行安全，推動(dòng)了軌道交通行業(yè)快速的發(fā)展。

在軌道交通系統(tǒng)中，使用自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)線路、橋、隧道等固定設(shè)備和機(jī)車、車輛等移動(dòng)設(shè)備的統(tǒng)一指揮，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道交通系統(tǒng)中設(shè)備的集中管理，提高運(yùn)營(yíng)管理水平是衡量現(xiàn)代化軌道交通發(fā)展水平的重要指標(biāo)之一。自動(dòng)控制技術(shù)不僅能最大限度的保證軌道交通安全運(yùn)行，還提高了列車的行車密度，改善了運(yùn)營(yíng)服務(wù)質(zhì)量，減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度的功能，也為實(shí)現(xiàn)列車的無人駕駛提供了技術(shù)支撐[2]。

2 自動(dòng)控制在軌道交通中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

■2.1 對(duì)軌道交通信號(hào)系統(tǒng)實(shí)施自動(dòng)控制與監(jiān)控

隨著我國(guó)軌道交通線網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，軌道交通線路也逐漸復(fù)雜化，為保障列車運(yùn)行時(shí)故障能夠及時(shí)處理，對(duì)軌道交通信號(hào)系統(tǒng)控制技術(shù)的要求也逐漸提高。在信號(hào)系統(tǒng)中采用自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)全線信號(hào)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與監(jiān)控，可以實(shí)時(shí)掌握軌道交通信號(hào)設(shè)備的狀態(tài)及運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并保存，這樣在信號(hào)設(shè)備處于故障狀態(tài)下參考?xì)v史數(shù)據(jù)，能夠?qū)收涎杆僮龀鲇行袛嗖⒓皶r(shí)維修，極大程度保證了乘客安全，減少了運(yùn)營(yíng)損失。如轉(zhuǎn)轍機(jī)作為軌道交通中的信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備之一，主要作用是轉(zhuǎn)換和鎖閉道岔。利用自動(dòng)控制技術(shù)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)轍機(jī)的狀態(tài)，在監(jiān)測(cè)到轉(zhuǎn)轍機(jī)完成道岔轉(zhuǎn)換且尖軌與基本軌密貼后，實(shí)行自動(dòng)鎖閉并給出正確記錄與表示，而在道岔長(zhǎng)時(shí)間處于“四開”狀態(tài)時(shí)，通過自動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)控功能發(fā)出報(bào)警。在軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)設(shè)備實(shí)施自動(dòng)控制技術(shù)，使設(shè)備趨于自動(dòng)化化運(yùn)行，節(jié)約人力資源，保證了行車安全，使運(yùn)輸效率得到顯著提高。

■2.2 在軌道交通中采用的移動(dòng)閉塞技術(shù)

移動(dòng)閉塞消除了固定閉塞區(qū)間的劃分，前后兩輛列車之間的安全距離不固定，是動(dòng)態(tài)變化的。移動(dòng)閉塞是一個(gè)全自動(dòng)化的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對(duì)前后兩輛列車的速度和位置實(shí)時(shí)分析與計(jì)算，得到最大制動(dòng)距離，采用一次制動(dòng)曲線方式，如圖1 所示。這種技術(shù)方法的最大優(yōu)勢(shì)是在保證列車安全制動(dòng)距離的基礎(chǔ)上，極大程度的減小了前后兩輛列車行車間隔，提高了線路的通過能力。移動(dòng)閉塞結(jié)合信號(hào)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)及列車運(yùn)行自動(dòng)化等方面的理念，在列車自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。

圖1 移動(dòng)閉塞

3 自動(dòng)控制技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用

■3.1 實(shí)現(xiàn)軌道交通的自動(dòng)化

軌道交通系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行離不開列車自動(dòng)控制技術(shù)，自動(dòng)化可以減少人為因素的不利影響，提高線路通過能力，使列車能夠按照運(yùn)行圖準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的自動(dòng)控制。在列車自動(dòng)控制系統(tǒng)(ATC)中引入自動(dòng)控制技術(shù)來控制列車速度以及行車間隔時(shí)間等，以保證列車能夠安全有序運(yùn)行，其功能的實(shí)現(xiàn)離不開它的三個(gè)子系統(tǒng)。作為子系統(tǒng)之一的列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，與列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)互相配合來控制列車的加速、減速及停止等狀態(tài)，使列車在運(yùn)行時(shí)能得到最佳速度，它替代了傳統(tǒng)的人工駕駛，使列車能夠按照運(yùn)行圖的設(shè)定準(zhǔn)點(diǎn)停車，準(zhǔn)點(diǎn)停車之后安全門自動(dòng)開啟與關(guān)閉，減少了人力成本和旅客候車時(shí)間，提高了列車的運(yùn)營(yíng)效率[3]。

列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)是ATC 的重要子系統(tǒng)之一。列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)依據(jù)自動(dòng)控制原理中的閉環(huán)控制的思想，主要作用是防止列車超速，其中車載主機(jī)是列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的核心設(shè)備，列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)工作原理如圖2 所示。車載主機(jī)實(shí)時(shí)接收從地面發(fā)送的信號(hào)，在對(duì)該信號(hào)進(jìn)行分析和計(jì)算后，實(shí)時(shí)向列車的牽引系統(tǒng)或制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出控制指令，在接收到牽引指令時(shí)，對(duì)列車施加牽引力使列車加速，在接收到制動(dòng)指令時(shí)，對(duì)列車施加制動(dòng)力使列車減速或停車。速度傳感器安裝在列車車軸上，對(duì)列車的運(yùn)行速度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量[3]，并把測(cè)量的速度值反饋給車載主機(jī)，車載主機(jī)再對(duì)測(cè)量的速度進(jìn)行分析計(jì)算，若測(cè)量的實(shí)際速度大于最大允許速度，車載主機(jī)發(fā)出制動(dòng)指令。列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)與列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)了對(duì)列車運(yùn)行速度的閉環(huán)控制，閉環(huán)控制的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)時(shí)測(cè)量列車運(yùn)行速度，不僅能夠保證列車運(yùn)行速度不超過允許的最大值，也能夠獲得最佳的行駛速度。

圖2 列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)工作原理

列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)是ATC 的第三大子系統(tǒng)，其有監(jiān)督和控制兩大功能。監(jiān)督是通過控制中心的設(shè)備將列車的運(yùn)行信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，控制是指揮控制列車嚴(yán)格按照運(yùn)行圖行車，與列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)和列自動(dòng)駕駛系統(tǒng)共同完成對(duì)全線列車的運(yùn)營(yíng)管理。

■3.2 實(shí)現(xiàn)軌道交通的集成化

軌道交通是集多種復(fù)雜技術(shù)于一身的復(fù)雜系統(tǒng)，包含了信號(hào)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、以及環(huán)控系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)為保證軌道交通的安全運(yùn)行發(fā)揮著各自的作用。為實(shí)現(xiàn)軌道信號(hào)、售檢票、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警、電力監(jiān)控、機(jī)電設(shè)備與監(jiān)控等系統(tǒng)之間的信息傳輸，采用三層分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)中央級(jí)、車站級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)三級(jí)監(jiān)控，并在各系統(tǒng)的外部建立接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，建成信息傳輸通道，將各子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來，形成互相協(xié)作的關(guān)系，構(gòu)建綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)[4]，提高軌道交通的自動(dòng)化水平，減輕工作人員在處理緊急情況時(shí)的壓力，保證對(duì)軌道交通系統(tǒng)進(jìn)行有條不紊地控制，實(shí)現(xiàn)軌道交通的集成化控制。

■3.3 完成車地信息雙向傳輸

車地信息雙向傳輸是列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。將列車的運(yùn)行狀態(tài)車次等信息從車上向地面直接傳遞，地面向列車傳遞列車的自動(dòng)折返的運(yùn)行線路、運(yùn)行狀態(tài)及目的地等信息。在這個(gè)過程中需要實(shí)時(shí)的通信設(shè)備傳遞列車數(shù)據(jù)，在列車自動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)督下完成車地信息傳輸?；跓o線的車地雙向信息傳輸不僅可以雙向傳輸數(shù)據(jù)，還具有傳輸信息量大，設(shè)備易于維護(hù)，成本低等特點(diǎn)，在我國(guó)的列車信息雙向傳輸領(lǐng)域中已有廣泛應(yīng)用。

■3.4 實(shí)現(xiàn)軌道交通的智能化

軌道交通智能化有利于實(shí)現(xiàn)資源共享、互相協(xié)作，形成綜合運(yùn)輸信息化平臺(tái)。為實(shí)現(xiàn)軌道交通的智能化需要采取有效的智能控制技術(shù)。利用智能控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道交通系統(tǒng)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，為乘客提供良好的人機(jī)交互體驗(yàn)，為軌道交通的運(yùn)營(yíng)提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐。模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和基于知識(shí)的專家控制等是智能控制技術(shù)采用的主要方法。利用這些方法可以實(shí)現(xiàn)軌道交通系統(tǒng)電氣設(shè)備的故障診斷和預(yù)測(cè)、保護(hù)與控制，如在自動(dòng)控制系統(tǒng)中有一種具有智能化的模糊控制器，可以構(gòu)成對(duì)列車的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速具有反饋通道的模糊控制系統(tǒng)。這種控制方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)速度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障的診斷。智能控制技術(shù)在軌道交通供電系統(tǒng)中通過對(duì)變壓器油中分解出來的氣體進(jìn)行智能化分析，可以找出變壓器的故障范。因此，實(shí)現(xiàn)軌道交通智能化是未來的發(fā)展趨勢(shì)。

■3.5 方便維修管理

軌道交通空間具有密閉性，且運(yùn)輸密度大，各設(shè)備使用頻率高，一旦設(shè)備故障需要及時(shí)維修，否則對(duì)系統(tǒng)會(huì)有重大影響。傳統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)維管理主要是將設(shè)備的維修記錄、故障史等都采取人工記錄的方式，自動(dòng)化程度低，沒有形成系統(tǒng)的運(yùn)維管理系統(tǒng)，現(xiàn)階段隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的引入，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化集成，實(shí)現(xiàn)面向設(shè)備運(yùn)維的管理系統(tǒng)，有效的幫助運(yùn)維人員進(jìn)行決策，提高設(shè)備運(yùn)維效率，使各類設(shè)備的管理也不斷朝著信息化、智能化及可視化等方向發(fā)展[5]。

4 自動(dòng)化控制技術(shù)在軌道交通中的發(fā)展趨勢(shì)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)及信息技術(shù)的不斷發(fā)展，軌道交通系統(tǒng)也面臨新的問題，軌道交通的路網(wǎng)規(guī)模在不斷增大的同時(shí)，線網(wǎng)負(fù)荷強(qiáng)度也與日俱增，這導(dǎo)致了線路的運(yùn)輸效率與安全性降低，這也對(duì)自動(dòng)控制技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用提出了更高的要求，為適應(yīng)當(dāng)下的技術(shù)要求，自動(dòng)控制技術(shù)開始向更高級(jí)的智能控制技術(shù)發(fā)展。因此軌道交通的智能化也成為當(dāng)今的熱點(diǎn)話題，智能化是在自動(dòng)化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的提升軌道交通的運(yùn)輸效率，最大程度的減少環(huán)境污染和線網(wǎng)負(fù)荷強(qiáng)度過大的問題。其次軌道交通智能化是實(shí)現(xiàn)智慧交通的核心，可以對(duì)系統(tǒng)龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行整合，利用可視化的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示與監(jiān)測(cè)等多種功能，智能化對(duì)于地鐵這種大運(yùn)量且人流密集的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)高效的客流監(jiān)測(cè)，在事故狀態(tài)或特殊情況下以自動(dòng)化的運(yùn)營(yíng)流程極大程度的減少了事故的處理時(shí)間，保證乘客安全。智能化也可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)之間的資源共享，為日常運(yùn)營(yíng)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)提供高效的服務(wù)。

軌道交通智能化以個(gè)性化的服務(wù)來提升服務(wù)水平和運(yùn)營(yíng)效率，推動(dòng)著信息技術(shù)的發(fā)展，可以為國(guó)家新興產(chǎn)業(yè)提供廣闊的應(yīng)用環(huán)境[6]。而軌道交通的智能化發(fā)展必然離不開安全可靠的智能控制技術(shù)，在自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展智能控制技術(shù)，研發(fā)出具有良好的人機(jī)交互體驗(yàn)，且擴(kuò)展性強(qiáng)、集成度高的的軌道交通綜臺(tái)化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道交通系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的智能化管理。

5 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)控制技術(shù)在軌道交通中應(yīng)用廣泛，且發(fā)揮著其控制技術(shù)方面的重要作用，其對(duì)軌道交通的持續(xù)快速發(fā)展具有重要影響。未來將進(jìn)一步通過自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)軌道交通朝著智能化方向發(fā)展，將自動(dòng)控制技術(shù)與多學(xué)科技術(shù)進(jìn)行交叉融合，加快發(fā)展智慧交通，推動(dòng)軌道交通智能化應(yīng)用水平，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展創(chuàng)造巨大效益。