“四網(wǎng)融合”資源共享型車輛基地行車指揮系統(tǒng)方案研究

張大威

在“交通強國”政策指導下，國家對軌道交通涉及的國家鐵路、城際（區(qū)際干線）鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通不同線網(wǎng)間的“四網(wǎng)融合”建設需求日趨增長。面對“四網(wǎng)融合”復雜軌道交通路網(wǎng)結構和不同車輛類型等問題，除了正線線路需要滿足跨線運行的需求外，從事車輛保養(yǎng)、維護、檢修作業(yè)的車輛基地同樣也存在不同線網(wǎng)車輛互運、互維的需求?，F(xiàn)有地鐵停車場和車輛段在進行本線運營的情況下，其檢修設施還能滿足車輛檢修作業(yè)的需求，多采用列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（Automatic Train Supervision， ATS）直接開展行車調度工作。但對于動車段（所）和“四網(wǎng)融合”需求下的車輛基地，其在站場布局、檢修資源設置、生產(chǎn)作業(yè)流程，以及行車指揮等方面復雜程度更高，適用場景也有本質的區(qū)別。因此，建設資源共享型車輛基地，開展車輛基地行車指揮系統(tǒng)的研究，可有效解決城市土地規(guī)劃的困境，對實現(xiàn)站、線、車、路、網(wǎng)的運輸承載力量的可持續(xù)統(tǒng)籌調配具有重要意義［1］。

1 車輛基地分類及行車指揮系統(tǒng)應用現(xiàn)狀

當前，不同類型的軌道交通處于各自獨立發(fā)展的交通運輸領域，形成了與自身運輸載體和運輸組織相適應的行車指揮作業(yè)流程，在各自領域的車輛基地行車調度中發(fā)揮著重要作用［2-3］。

1.1 國家鐵路方面

國家鐵路車輛基地一般可分為普速鐵路的編組站和高速鐵路的動車段（所）。這2 種站場的股道數(shù)量眾多，場區(qū)規(guī)模較為龐大，作業(yè)種類異常繁雜，與正線的行車作業(yè)截然不同，既有的正線行車指揮系統(tǒng)無法直接適用，因此研發(fā)了先進的、定制化的編組站綜合自動化系統(tǒng)和動車段（所）控制集中系統(tǒng)進行行車調度作業(yè)。

1.1.1 普速編組站&綜合自動化系統(tǒng)

普速編組站是指在普速鐵路上辦理大量貨物列車解體、編組作業(yè)，編組直達、直通和其他列車作業(yè)，并為此設有比較完善調車設備的站場［4］。編組站一般包括到達場、編組場、出發(fā)場等，其站場布置見圖1。

圖1 普速編組站站場布置

編組站運輸生產(chǎn)主要圍繞行車組織來進行，為滿足普速編組站自身作業(yè)特征需求，管理編組站復雜的列車和調車作業(yè)流程，將調度和執(zhí)行緊密聯(lián)系，編組站綜合自動化系統(tǒng)應運而生。該系統(tǒng)對普速列車各項作業(yè)的無縫銜接和自動執(zhí)行發(fā)揮了重要作用，實現(xiàn)了編組站生產(chǎn)作業(yè)過程的全面信息化、自動化［5-6］。

1.1.2 高鐵動車段（所）&控制集中系統(tǒng)

高鐵動車段（所）是專門對動車組列車進行檢查、測試、維修和養(yǎng)護的場所，站場規(guī)模一般較大，見圖2。站場內(nèi)存在動車組檢修、吸污、鏇輪、整備、洗車、解編、重聯(lián)和行車等多項作業(yè)，且動車組車型繁雜，綜合性、復雜性較高。

圖2 動車所站場布置

作為動車段（所）智能化、信息化建設的重要組成部分，動車段（所）控制集中系統(tǒng)是為滿足動車段（所）行車作業(yè)和檢修生產(chǎn)作業(yè)需求，解決站場內(nèi)日常運輸組織過程中遇到的問題而專門研制開發(fā)的行車指揮系統(tǒng)，是動車段（所）實現(xiàn)行車調度作業(yè)過程自動化的關鍵設備［7］。該系統(tǒng)在整合既有CTC、計算機聯(lián)鎖的行車指揮和進路操控功能基礎上，針對現(xiàn)場作業(yè)特點和需求，并與動車組管理信息系統(tǒng)（Electric Multiple Units Management Information System，EMIS）接口，實現(xiàn)了信息和信號控制專業(yè)數(shù)據(jù)的有機融合，有效解決了動車段（所）內(nèi)各種車型動車組接發(fā)車及調車作業(yè)任務繁重、行車作業(yè)操作過程復雜、安全卡控薄弱等問題，是實現(xiàn)動車段（所） 綜合自動化的關鍵環(huán)節(jié)［8］。

1.2 城軌方面

城軌交通車輛基地一般分為停車場和車輛段，接發(fā)車作業(yè)均使用ATS實現(xiàn)。

1.2.1 停車場&ATS

城市軌道交通停車場是用于列車停放、檢修、調試等工作的基地，包括各種線路和用房。通常一條城市軌道交通線路至少設一個停車場。

由于停車場作業(yè)內(nèi)容較簡單，主要進路為列車進路，且需要與正線接發(fā)車需求協(xié)同配合，因此相關控制大多都由城軌線路信號系統(tǒng)中的ATS 子系統(tǒng)功能全覆蓋。個別場內(nèi)調車作業(yè)由位于ATS 中心的調度員下放控制權，轉為站控模式，由停車場行車值班員人工按照場內(nèi)生產(chǎn)作業(yè)需求辦理相關調車進路。

1.2.2 車輛段&ATS

車輛段是城市軌道交通運輸系統(tǒng)中主要負責列車車輛運營、整備、檢修等工作的場所。近幾年來，我國多個大中型城市開始大力建設軌道交通，致使城軌列車的數(shù)量逐年遞增。車輛段已成為車輛正常運行的重要保障，在整個軌道交通運行系統(tǒng)中占據(jù)了主要地位［9］。

為滿足車輛維護生產(chǎn)服務需求，相關進出停車庫線的列車進路控制一般由城軌線路信號系統(tǒng)中的ATS 子系統(tǒng)功能覆蓋，而段內(nèi)頻繁的調車作業(yè)由位于車輛段控制中心的人工進路控制，按照段內(nèi)生產(chǎn)作業(yè)需求辦理相關調車進路。

目前城軌停車場和車輛段內(nèi)的調車進路控制，大都采用本地計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)人工辦理進路，在生產(chǎn)計劃的符合程度、響應效率上都存在一些問題，面對日益增長的城軌車輛基地維護生產(chǎn)任務較為吃力。

2 需求分析

為承擔“四網(wǎng)融合”線網(wǎng)級共享生產(chǎn)力的車輛基地行車調度控制任務，需要車輛基地的行車指揮系統(tǒng)結合其他車輛檢修維護生產(chǎn)信息，在車輛基地生產(chǎn)管理的統(tǒng)一調度指揮下，實現(xiàn)檢修維護、運用整備、行車調度、調車作業(yè)的有機協(xié)同。同時生產(chǎn)調度指令的變化、執(zhí)行必須能在各工種崗位之間隨時響應，快速完成并反饋。這些都對車輛基地行車指揮系統(tǒng)提出了較高且新的需求［10-11］。

2.1 一體化調度

隨著“四網(wǎng)融合”需求的提出，使得車輛基地的運用、檢修設施建設更加多樣化，站場布局更加復雜化。車輛基地在行車組織方面需要完成接發(fā)車作業(yè)、調車作業(yè)，在生產(chǎn)管理方面需要完成客運整備、運用、檢修、乘務、機務等作業(yè)，并且車輛基地作業(yè)時間集中度高，一般當天18：00至次日8：00是開展全天生產(chǎn)作業(yè)任務的主要時間段，節(jié)假日高峰期集中度更為明顯，與正線業(yè)務區(qū)別極大，任何一個環(huán)節(jié)脫節(jié)都會影響整體工作的有序實施，甚至導致車輛不能正點出庫，影響正線運行。同時，不同類型的車輛、檢修設施的場區(qū)、生產(chǎn)作業(yè)任務、走行路徑等都顯著增加了生產(chǎn)作業(yè)計劃和行車調度計劃編制的復雜度，對計劃調整的實時性、準確性，以及生產(chǎn)和行車一體化調度的協(xié)調性、及時性提出了非常高的要求。

因此在“四網(wǎng)融合”車輛基地需要各工種之間高度協(xié)同、緊密銜接，應采用現(xiàn)地一體化調度的管理模式進行行車指揮。

2.2 信息接口

為滿足“四網(wǎng)融合”資源共享型車輛基地的行車指揮系統(tǒng)要求，需要新增、補強與車輛基地各相關專業(yè)系統(tǒng)的接口及功能。

行車指揮系統(tǒng)需與計算機聯(lián)鎖接口，交互控制命令、設備狀態(tài)等信息；與正線行車指揮系統(tǒng)接口，交互列車運行調整計劃、調度命令、相鄰車站站場表示、車次窗、無線車次校核、無線調度命令等信息；與EMIS 系統(tǒng)接口，交互調車需求或調車建議計劃及簽收、報點等信息；與列控中心接口，交互閉塞分區(qū)狀態(tài)等信息；與信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems， CPS）接口，獲取生產(chǎn)工藝設備、門禁系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等信息。此外，為便于日常維護管理，系統(tǒng)還需與信號集中監(jiān)測系統(tǒng)接口，上報系統(tǒng)設備狀態(tài)信息。

2.3 信息安全

為保證列車在車輛基地檢修、整備、鏇輪等作業(yè)的安全可靠，車輛基地實行授權可控進入方式。當前，車輛基地EMIS、動車組信息、設備工藝、環(huán)境監(jiān)控、人員派班、電子倉庫、基地小車等系統(tǒng)接口屬于局域網(wǎng)接口，數(shù)據(jù)信息在車輛基地管控安全，有效保證了區(qū)域信息安全。

行車指揮系統(tǒng)作為控制領域的核心，區(qū)域信息安全更需健全可控，應采用局域網(wǎng)接口方式，將數(shù)據(jù)信息局限在車輛基地內(nèi)部，有效保障信息安全，避免信息跨越車輛基地流轉、傳輸，帶來信息泄露等安全隱患，造成不必要的潛在問題。

3 解決方案

為滿足“四網(wǎng)融合”車輛基地行車指揮系統(tǒng)的需求，有效應對復雜軌道交通“四網(wǎng)”車輛維護生產(chǎn)任務的全天候服務要求，本文將從4 個方面提出相關解決方案。

3.1 獨立設置

車輛基地隨著車輛檢修需求的增加逐步建設，與正線一次建設有明顯不同，并且二者在作業(yè)方式、站場結構、場景和需求等方面均存在顯著差別，簡單照搬正線相關系統(tǒng)根本無法滿足車輛基地的應用要求。

若沿用正線系統(tǒng)的既有架構模式進行適應性修改，存在以下3個問題。

1）車輛基地與正線網(wǎng)絡互聯(lián)互通，存在信息頻繁遠距離傳輸，中間任何一個節(jié)點出現(xiàn)信息安全問題，均會對車輛基地和正線的行車調度指揮造成影響。

2）若要適應車輛基地一體化調度等個性化需求，系統(tǒng)就需不斷開發(fā)迭代，后續(xù)將演變成與正線不同的調度系統(tǒng)，定制化運用于車輛基地。

3）“四網(wǎng)融合”線網(wǎng)資源共享型車輛基地面向不同線路、車型、列控制式、運用場景的復雜車輛運營環(huán)境。單獨滿足與之接軌的某一條正線列控系統(tǒng)互聯(lián)互通建設，適用范圍存在一定局限性，并且線網(wǎng)擴展建設，后續(xù)配套的車輛基地行車指揮系統(tǒng)也必須沿用此正線系統(tǒng)的相同廠商，技術演進的局限性。

綜上所述，為提高車輛基地的自動化、智能化水平，有必要獨立研發(fā)設置一套專門運用于車輛基地的行車指揮系統(tǒng)，通過在車輛基地搭建獨立網(wǎng)絡，形成一個封閉的局域網(wǎng)，與各系統(tǒng)接口，按照技術標準進行建設。通過接口實現(xiàn)與外部系統(tǒng)交互，無外部直接接入的設備，生產(chǎn)數(shù)據(jù)全部存儲在車輛基地內(nèi)，既有利于后續(xù)功能擴展，也不存在設備適配性問題，通用性將大大提高。施工過程中對正線、列控中心等均無影響，不會造成連帶風險。

3.2 集中部署

為解決調度人員在日常作業(yè)過程中通過電話或語音對講系統(tǒng)進行業(yè)務溝通聯(lián)系不便、效率不高、協(xié)調繁瑣等問題，2015年中國鐵路總公司下發(fā)了《中國鐵路總公司關于明確鐵路動車段（所）內(nèi)工作場所設置方式的通知》（鐵總運［2015］154號），明確要求全路動車段（所）內(nèi)車務、車輛、機務等各工種調度人員全部集中于一處進行合署辦公，實現(xiàn)空間上的集中，工作場所合并設置，相關設備設施按照設計規(guī)范一并配置。

為方便設備巡視、故障處理、施工等作業(yè)，避免遠距離傳輸帶來的使用和維護問題，車輛基地行車指揮系統(tǒng)還應按照動車段（所）的方式，將設備部署在基地內(nèi)，實現(xiàn)值班人員合署化辦公要求。

3.3 功能擴展

“四網(wǎng)融合”車輛基地行車指揮系統(tǒng)通過與其他CPS 接口，促進車輛基地智能生產(chǎn)管理信息化建設，支持計劃制定、車輛清洗、車輛檢修、突發(fā)事件、車輛運行監(jiān)視、質量安全、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、系統(tǒng)配置管理等一系列流程作業(yè)。

為了完成以上目標，車輛基地行車指揮系統(tǒng)運用通信及計算機智能控制技術，實現(xiàn)車輛位置追蹤、作業(yè)過程自動控制、作業(yè)計劃統(tǒng)一管理、信息共享等功能，完成調度作業(yè)過程自動化；此外，應整合車輛基地的運營調度、生產(chǎn)管理設備、生產(chǎn)設施信息化系統(tǒng)、通信設施，兼顧集成車輛基地生產(chǎn)管理、周界檢測及安防監(jiān)控的信息化等功能，形成一個智能網(wǎng)絡，實現(xiàn)車輛基地運營生產(chǎn)作業(yè)的決策智能化、指揮數(shù)字化、執(zhí)行自動化和管理現(xiàn)代化。系統(tǒng)功能見圖3。

圖3 系統(tǒng)功能

3.4 接口規(guī)范

通過接口服務器與計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)、正線行車指揮系統(tǒng)、EMIS、列控中心、其他CPS 接口。采用帶光電隔離的RS-422 串口與計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)連接，遵照國鐵集團企業(yè)標準《調度集中車站自律機與計算機聯(lián)鎖接口通信協(xié)議（V1.1）》進行信息傳輸；采用以太網(wǎng)與正線行車指揮系統(tǒng)、EMIS 連接，遵照國鐵集團企業(yè)標準《列車調度指揮系統(tǒng)（TDCS）數(shù)據(jù)通信規(guī)程》與正線行車指揮系統(tǒng)進行信息傳輸，根據(jù)需求制定規(guī)范協(xié)議與EMIS 進行信息傳輸；與列控中心采用RS-422電纜雙通道交叉冗余連接，遵照國鐵集團暫行技術條件《高鐵列控中心接口暫行技術規(guī)范》進行信息傳輸；與CPS 采用網(wǎng)絡進行通信，按照需求制定標準協(xié)議。

此外，通過電務維護終端與信號集中監(jiān)測系統(tǒng)連接，按照設備特點制定規(guī)范協(xié)議?？筛鶕?jù)業(yè)務需求，提供良好的接口擴展。

4 應用與發(fā)展

“四網(wǎng)融合”資源共享型車輛基地行車指揮系統(tǒng)的獨立建設，為車輛基地生產(chǎn)管理的智能化，形成了軟硬件技術基礎框架規(guī)劃。系統(tǒng)充分利用信息通信技術和CPS 相結合的手段。整合車輛基地的生產(chǎn)管理設備、設施工藝信息化系統(tǒng)，兼顧與管理用房樓宇監(jiān)控自動化、周界檢測及安防監(jiān)控的信息系統(tǒng)接口，形成一個智能生產(chǎn)管理信息網(wǎng)絡，從而搭建車輛基地生產(chǎn)智能化調度管控體系。

系統(tǒng)實現(xiàn)車輛基地內(nèi)車輛位置追蹤、生產(chǎn)作業(yè)過程自動控制，以及計劃統(tǒng)一管理、信息共享、作業(yè)流程閉環(huán)、管控融合等主要功能，使車輛基地列、調車的全自動運行、工藝設備、設施環(huán)境與維護生產(chǎn)作業(yè)需求計劃高度契合［12］。

系統(tǒng)的建設將有效提高車輛利用率，減少車輛基地調度和執(zhí)行環(huán)節(jié)人為因素風險；提升業(yè)務各環(huán)節(jié)的銜接協(xié)調效率，實現(xiàn)車輛基地各項作業(yè)的定量考核；提升車輛基地列車運行、檢修作業(yè)、生產(chǎn)調度、管控結合的標準化、信息化、智能化水平和車輛管理水平，以及運營管理效率，滿足車輛基地的全自主生產(chǎn)運營調度指揮需求。