城市軌道交通云計算技術研究及應用

李海培

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安710043）

城市軌道交通是城市區(qū)域使用車輛在固定導軌上運行。與其他交通形式相比，城市軌道交通具有低能耗、少污染的特征，對于實現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。城市軌道交通呈現(xiàn)出高速化、智能化、密集化以及自動化等特征。

為了保證城市軌道交通的有序運行，避免出現(xiàn)軌道車輛碰撞、線路沖突等事故，需要利用相關技術對城市軌道交通進行管理和控制。從當前的研究情況來看，云計算、大數(shù)據(jù)等信息技術在城市軌道交通的管理與控制工作中逐漸得到應用，并逐漸成為交通發(fā)展的必然趨勢。云計算是基于硬件的服務，提供計算、網(wǎng)絡以及存儲能力，與傳統(tǒng)系統(tǒng)比，云計算具有業(yè)務連續(xù)性、數(shù)據(jù)耐久性、資源集中性等特點。

將現(xiàn)有城市軌道交通平臺及其技術應用到實際的管理控制工作中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有平臺及其技術與技術發(fā)展趨勢相比存在諸多不足，主要體現(xiàn)在聯(lián)動控制效果差、管理效率低等方面。為解決上述問題，需要進一步對城市軌道交通平臺及其關鍵技術開展研究并優(yōu)化，以期提高系統(tǒng)的性能，保證城市軌道交通的運行安全。

1 平臺設計

以優(yōu)化城市軌道交通的管理和控制效果為目的，從硬件設備調用、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲、軟件功能設計與編碼等多個方面，設計并優(yōu)化交通平臺及其技術。

1.1 硬件設計

1.1.1 通信網(wǎng)絡設計

通信網(wǎng)絡主要由主干傳輸網(wǎng)絡、車地無線通訊網(wǎng)絡、分區(qū)內部的安全通訊網(wǎng)絡3 部分組成[2]，負責信息傳遞。在優(yōu)化設計過程，利用ME3000 模組實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)、傳輸。ME3000 采用統(tǒng)一的行業(yè)界面和SIM 卡內存。利用通信網(wǎng)絡上的傳輸線路把訊息傳輸至服務器端或控制終端。接收機與無線終端之間的聯(lián)系，從場站RTU 中獲取數(shù)據(jù)。在控制過程中，信道控制器將二值數(shù)據(jù)的0 和1 傳輸出去，并由信道產生兩個不同的脈沖。場站收到的數(shù)據(jù)經過LM324擴頻處理，將其發(fā)送CTC1 信道[3-4]。此外，優(yōu)化車載無線通信網(wǎng)絡，在列車設備和線路上安裝冗余無線電控制裝置，用于接受一個或多個對應的地面無線基站信號。為確保無線通訊的可靠性，需要鄰近的兩個無線基站在同一時刻覆蓋現(xiàn)有的軌道運行列車?？紤]到列車有同樣的無線單元，這樣就有4 條可用的冗余無線路徑，擴大通信容量，避免出現(xiàn)通信擁塞的情況。另外分區(qū)安全通信網(wǎng)模塊的優(yōu)化設計結構，如圖1所示。

從圖1 可知，在智能網(wǎng)關的輔助下，分區(qū)主控計算機可與中央控制系統(tǒng)間通過骨干傳輸網(wǎng)連接直接通信。

圖1 分區(qū)安全通信網(wǎng)模塊結構圖Fig.1 Structure diagram of partitioned secure communication network module

1.1.2 現(xiàn)場控制級設備

選擇PLC 設備代替?zhèn)鹘y(tǒng)平臺的控制器設備，具有可編程功能，根據(jù)輸入的控制程序啟動和運行。優(yōu)化設計的控制器結構如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場控制器結構圖Fig.2 Traffic field controller structure diagram

現(xiàn)場裝置執(zhí)行指令信號，在調節(jié)裝置中[5]，PLC控制器輸出一個表示開度的仿真信號，控制閥門的運動，以實現(xiàn)控制指令。

1.1.3 應答器

應答器裝置是高速的數(shù)據(jù)傳輸裝置，其工作的主要任務是將線路坡度、閉塞區(qū)域、臨時速度限制等信息傳送到軌道列車。應答器裝置包括地面電子裝置、車載天線、轉發(fā)器傳輸模塊等元件[6]。應答器裝置安裝在進站信號機處、車站出口和區(qū)間。在列車進入車站后，應答器將應答器編號、軌道列車進路線路參數(shù)提供給地面。若接車股道為直線進路，則需在直線發(fā)車進路及前方某一段距離處[7]。在辦理正線入路時，入口轉發(fā)器提供前一段的暫態(tài)速度[8]。通過無源和有源應答器的協(xié)同工作，根據(jù)由小至大的應答器號碼判定火車的行駛方向。

1.2 數(shù)據(jù)庫設計

為了提供充足的數(shù)據(jù)，構建平臺數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)分為靜態(tài)和動態(tài)兩種。靜態(tài)數(shù)據(jù)包括軌道數(shù)據(jù)和站場數(shù)據(jù)等[9]；動態(tài)數(shù)據(jù)是實時行駛參數(shù)信息、道岔狀態(tài)信息等。根據(jù)數(shù)據(jù)來源分類存儲數(shù)據(jù)，構建數(shù)據(jù)庫表。部分數(shù)據(jù)庫表的構建結果如表1所示。

根據(jù)表1，同理得出車站、信號機等其它數(shù)據(jù)庫表的構建結果，并形成內部連接。利用數(shù)據(jù)庫同步技術，數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)讀取和寫入。主數(shù)據(jù)庫與備用數(shù)據(jù)庫之間相互獨立，當主資料庫發(fā)生停機時，后備資料庫取代資料庫的讀寫量，保證數(shù)據(jù)庫的安全性。

表1 部分數(shù)據(jù)庫表構建結果Tab.1 Partial database table construction results

1.3 軟件功能設計

1.3.1 生成與管理軌道列車運行時刻表

制定列車運行的時刻表時，確定列車運行時段、各個時段的運行間隔、車站停車時刻等參數(shù)，并據(jù)此求出列車運行周期和上線列車數(shù)[10]。列車運行時刻表可劃分為工作日、雙休日、假期3 種運行周期。定義城市軌道列車每天的第i個時間周期的間隔為

式中：n為列車的編組數(shù)量；ηi和Wi分別為任意時段i的滿載率和最大斷面客流量。當確定列車始發(fā)、終到時間等條件下，推算中間站的運行時刻。假定城軌站點數(shù)量為N，則在單位時間周期中，第k個站點到達第m個站點的時刻和最小車站間隔表示為

式中：T1為第1 輛列車的發(fā)車時刻；tfunction，tstop，tsite和tstart-up分別為列車的行駛時間、停車時間、在站點的停留時間以及啟動出站時間。利用公式（3）得出列車停站時間tsite為

式中：min和moff分別為車站上車和下車的人數(shù)；tin/off為一位乘客上下車的平均時長；topen和tdisplay為開關車門和車門狀態(tài)顯示的時間，其均為定值；另外參數(shù)M和d分別為列車的編成數(shù)量和列車的車門數(shù)量。判斷生成時刻表是否在時間段i內，若判斷結果為是，計算得出列車的起始運行時刻和到達各個站點的時刻；若判斷結果為否，根據(jù)對應時段的規(guī)則進行參數(shù)修正[11]。根據(jù)時刻表判斷是否存在列車運行沖突，若存在沖突，調整列車時刻表。

1.3.2 利用云計算技術監(jiān)測軌道列車位置

平臺根據(jù)時刻表啟動列車運行線程，利用軌道交通環(huán)境中的硬件設備檢測列車的實時運動位置。進路車次的監(jiān)測過程中，利用云計算技術從進路數(shù)據(jù)鏈表中查找與進路相對應的進路設置群，依次從裝置群中讀出裝置的數(shù)據(jù)，再判定裝置的種類，在裝置的頂部計算車輛編號，并將車輛編號顯示在裝置的頂部，并以車輛編號為依據(jù)，以顯示車輛的使用狀況和時間間隔[12]。同理可以得運行狀態(tài)下、出站狀態(tài)下列車位置的監(jiān)測結果。

1.3.3 計算軌道列車運行參數(shù)

軌道列車運行參數(shù)主要是列車的行駛速度，分別記錄城市軌道兩側安裝應答器的響應時間，得出當前列車的運行速度參數(shù)為

式中：τi和τi-1分別為兩個相鄰應答器的響應時間；ΔL為應答器之間的間隔距離[13]。由此得到任意時刻列車實際行駛速度。

1.3.4 實現(xiàn)城市軌道交通云控制功能

從列車行駛參數(shù)控制、列車調度控制兩個方面，實現(xiàn)城市軌道交通平臺的控制功能。列車行駛參數(shù)控制是將實時獲取的v與軌道設置的最高時速限制比較，若v高于時速限制值，則啟動制動程序，斷開“加油”開關，直到v低于時速限制值[14]。而列車調度控制主要發(fā)生在列車運行異常的情況，其控制過程如圖3所示。

按照圖3 流程針對異?；蚬收系牧熊嚰八庈壍?，采用道岔斷開的方式進行隔離，并調整后續(xù)列車的運行路線，且通過占用檢查保證調度后的列車不會與其他列車發(fā)生運行沖突[15]。同時，將列車和軌道的實時狀態(tài)通過平臺的顯示器設備可視化。

圖3 城市軌道列車調度控制流程Fig.3 Flow chart of urban rail train scheduling control

2 應用測試

為了測試設計城市軌道交通云計算及其技術的應用效果，設計平臺應用實驗。

2.1 城市軌道交通研究對象

實驗以某一線城市作為研究背景，該城市軌道交通共包含4 條線路，分別為一號線、二號線、三號線、五號線。線路均包含16 個車站，線路長度約為280 km，覆蓋該城市的主要行政區(qū)域。市政通信部門為城市軌道交通提供OTN 光纖的大型環(huán)形網(wǎng)，OTN 網(wǎng)具有冗余技術，在某個地方發(fā)生故障或者某個節(jié)點發(fā)生故障時，OTN 根據(jù)需要進行調整。通過光纖環(huán)形網(wǎng)將控制中心的各個部分的設備串聯(lián)，形成局域網(wǎng)。

2.2 準備城市軌道交通管理與控制實例樣本

從列車運行時刻表修改、列車行駛參數(shù)控制、列車聯(lián)合調度控制3 個方面準備實驗的應用實例樣本，部分實例樣本設置情況，如表2所示。

表2 平臺應用實例樣本設置Tab.2 Platform application sample settings

此次實驗共設置50 個任務實例，時刻表修改和速度控制任務數(shù)量均為20 個，調度控制任務量為10 個。按照上述方式得出其它交通管理與控制任務樣本的設置情況，以此作為設計平臺的輸入項。

2.3 設置平臺應用測試指標

此次實驗從平臺應用功能方面進行測試，設置應用功能的量化測試指標為任務運行成功率和控制誤差，任務運行成功率是度量列車時刻表修改管理任務和列車調度控制任務，其數(shù)值結果為

式中：λTimetable和λdispatch分別為時刻表管理和列車調度運行成功的樣本數(shù)量。通過對比輸出結果與預期結果，判斷當前任務是否成功，并通過數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，得出上述兩個指標的取值結果；λall為實驗準備的樣本總數(shù)量，包含管理和調度控制兩個方面的任務，取值為30。另外列車運行速度的控制誤差度量指標可以表示為

式中：vact和vPreset為實際運行速度和預設控制速度；為絕對值符號。任務運行成功率越低、控制誤差越大說明對應平臺應用效果越差，因此要求任務運行成功率不低于95%，控制誤差不高于0.5 km/h。

2.4 應用測試過程與結果分析

2.4.1 應用測試過程

連接設備，并將軟件程序代入，導入主測計算機。在保證設計平臺在實驗環(huán)境中正常運行的情況下，逐一將準備的實例樣本通過交互界面輸入到主測計算機，分別記錄平臺的運行響應結果，并調取后臺運行時間數(shù)據(jù)。

2.4.2 功能測試結果

經過設計平臺及技術的運行，得出任務輸出結果。實例任務A01 和D01 的運行輸出結果如圖4所示。

圖4 城市軌道交通云計算平臺運行輸出結果Fig.4 Output results of urban rail transit cloud computing platform operation

同理可以得出其它實例任務運行輸出結果，得到時刻表管理和列車調度運行成功的樣本數(shù)量分別為19 和10，將其代入公式（5），得出任務運行成功率為96.7%，高于95%。另外速度控制任務的測試結果，如表3所示。

表3 城市軌道列車速度控制功能測試結果Tab.3 Speed control function test results of urban rail train

將表3 中的數(shù)據(jù)代入公式（6），計算得出設計平臺的平均速度控制誤差為0.1 km/h，低于預設值。因此設計平臺具有良好的應用效果。

3 結語

軌道交通的管理與控制向專業(yè)化、智能化、集約化的方向發(fā)展。根據(jù)當前城市軌道業(yè)務積累，實現(xiàn)了城市軌道交通云計算技術的優(yōu)化設計，從實驗結果可知，具有良好的應用效果。由于平臺應用測試實驗設置的樣本數(shù)量少，因此實驗存在一定局限性，將在后續(xù)研究工作中進一步改善。