有軌電車集中控制與分布式控制轉換機制

摘要：有軌電車作為城市公共交通的重要組成部分，其信號系統(tǒng)的效率和可靠性直接影響城市交通的整體流暢性和安全性。傳統(tǒng)的信號系統(tǒng)多采用集中控制方式，但隨著城市擴展和網(wǎng)絡復雜性的增加，單一的集中控制模式已經(jīng)難以滿足所有的運營需求。因此，引入分布式控制，提高系統(tǒng)對局部故障的耐受性和自主調(diào)度能力變得尤為重要。然而，如何在集中控制和分布式控制之間根據(jù)實際情況靈活切換，是提升有軌電車信號系統(tǒng)性能的關鍵。

關鍵詞：有軌電車集中控制分布式控制轉換機制

TheConversion Mechanism betweenofthe Centralized Control and Distributed Control of Trams

LIU Jizheng

Shanghai Rail Transit Equipment Development Co.， Ltd.， Shanghai，201100 China

Abstract： Atramis an important component of urban public transportation， andthe efficiency and reliability of theits signal system of trams directly affect the overall smoothness and safety of urban transportation. The traditional signal systems often adoptsthe centralized control methods， but with the expansion of cities and the increase ining complexity of networks complexity， a single centralized control mode iscan no longer able tomeet all operational needs. Therefore， soitis particularly important to introducinge distributed control to improve the system's tolerance to local faults and its autonomous scheduling ability has become particularly important. However， how to flexibly switch betweencentralized control and distributed control according to actual situations is the key to improving the performance of tramthe signal systemof trams.

Key Words： Tram; Centralized control; Distributed control；Conversion mechanism

有軌電車為城市提供了環(huán)保、高效且成本較低的出行選項，可減輕城市交通擁堵和環(huán)境污染，帶動沿線地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，提升城市的商業(yè)活力和房地產(chǎn)價值 。而有軌電車益處的發(fā)揮需要高效、安全地調(diào)度和管理運營，這就需要配以精確的有軌電車信號系統(tǒng)，準確控制運行時間和路線，優(yōu)化交通流，減少擁堵，提高整個城市交通系統(tǒng)的效率，實時監(jiān)控和管理車輛運行狀態(tài)，確保行車安全 。有軌電車信號系統(tǒng)設計還考慮了高度的可靠性和可維護性，即使在極端或不利條件下也能穩(wěn)定運行，同時便于日常的維護和故障排除，減少了運營中斷的時間和成本，因此，該系統(tǒng)的設計提升了城市交通管理現(xiàn)代化、智能化水平。

1有軌電車信號系統(tǒng)

1.1有軌電車信號系統(tǒng)的基本組成

有軌電車信號系統(tǒng)是確保行車安全的關鍵技術組成部分，符合“故障-安全”原則，具備高安全性、可靠性、可用性和可維護性等特點。該系統(tǒng)主要由4個子系統(tǒng)構成：運營調(diào)度管理子系統(tǒng)、正線道岔控制子系統(tǒng)、平交路口信號優(yōu)先控制子系統(tǒng)和車載子系統(tǒng)。運營調(diào)度管理子系統(tǒng)位于調(diào)度中心，通過與其他子系統(tǒng)接口，實時監(jiān)視列車及軌旁設備狀態(tài)，下發(fā)控制命令，實現(xiàn)列車運營的實時調(diào)度[1]。正線道岔控制子系統(tǒng)通過道岔控制器和其他設備，按既定程序控制道岔和信號機，確保列車安全進路。平交路口信號優(yōu)先控制子系統(tǒng)通過路口控制器和車地通信，判斷列車位置和運行狀態(tài)，與交通燈系統(tǒng)協(xié)同，實施信號優(yōu)先控制。車載子系統(tǒng)包括車載主機、顯示終端和其他設備，為司機提供駕駛輔助信息和進路控制功能。

1.2系統(tǒng)功能分析

有軌電車信號系統(tǒng)包含多種復雜的子系統(tǒng)，每個系統(tǒng)都設計用于提高整體的運行效率、安全性和可靠性。道岔控制系統(tǒng)使車載子系統(tǒng)能夠通過車地通信設備發(fā)送進路辦理命令，實現(xiàn)對道岔的自動或人工控制；平交路口信號優(yōu)先控制則通過車載子系統(tǒng)和運營調(diào)度管理系統(tǒng)（Operation and Dispatch Management System，ODMS ）的交互，根據(jù)列車位置自動或人工優(yōu)先處理平交路口的信號，確保列車順暢通過，提高了行車效率和交叉路口的安全性。列車定位系統(tǒng)采用組合定位算法，結合信標、全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）和測速測距技術，精確地確定列車的位置，高精度的定位系統(tǒng)可保證列車按正確路線運行，防止碰撞。車載駕駛機界面（Driver Machine Interface， DMI）和輔助駕駛功能是車載子系統(tǒng)的重要組成部分，提供速度、距離、設備狀態(tài)和安全警告等關鍵信息，幫助司機更好地掌握行車狀態(tài)，同時提供聲光報警以提醒司機及時應對可能的安全隱患[2]。

1.3現(xiàn)有系統(tǒng)中集中控制與分布式控制的應用

有軌電車信號系統(tǒng)中，集中控制系統(tǒng)通過集中化的管理樞紐，實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡的統(tǒng)一監(jiān)控和調(diào)度，能提供全局視角的運營決策和高效的資源配置，其核心在于數(shù)據(jù)集中處理和指揮調(diào)度中心的集權化管理。相對而言，分布式控制系統(tǒng)則強調(diào)在本地節(jié)點實現(xiàn)決策自主性，每個控制單元都能根據(jù)實時數(shù)據(jù)獨立完成控制任務，增強了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，基于分散處理信息和決策，降低了對中心節(jié)點的依賴，提高了系統(tǒng)的故障容錯性和擴展性，可以有效減少通信延遲，提升響應速度。

2集中控制與分布式控制的區(qū)別

2.1對比分析

集中控制與分布式控制是現(xiàn)代控制系統(tǒng)中兩種基本的架構形式，二者在功能分配、資源管理和決策執(zhí)行方面具有根本的差異。集中控制模式下，所有的決策和控制任務由單一中心點或少數(shù)幾個中心執(zhí)行，便于監(jiān)督和管理大規(guī)模系統(tǒng)的統(tǒng)一運作，易于實施統(tǒng)一的政策和標準，適用于環(huán)境相對穩(wěn)定、可預測性高的場景。但可能導致信息處理瓶頸，增加系統(tǒng)對中心節(jié)點的依賴，一旦中心出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性可能受到影響。分布式控制則是指控制權分散至多個節(jié)點，每個節(jié)點都具有一定的自主決策能力，提高了系統(tǒng)的彈性和容錯性，適合于環(huán)境動態(tài)變化、需要快速本地響應的應用[3]。分布式控制應用過程中也面臨有待解決的問題，如節(jié)點間的協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)一致性保證較為復雜，可能需要更多的通信資源和復雜的協(xié)調(diào)機制。有軌電車信號系統(tǒng)等關鍵基礎設施的應用中，選擇集中控制還是分布式控制需基于對系統(tǒng)穩(wěn)定性、實時性、安全性和成本效益的綜合考量。有效的系統(tǒng)設計往往需要在集中與分布的優(yōu)勢之間尋找平衡點，以適應不斷變化的技術和運營環(huán)境需求。

2.2有軌電車信號系統(tǒng)控制方式適用場景

有軌電車信號系統(tǒng)中，集中控制和分布式控制各自適用于不同的運營和管理場景，集中控制系統(tǒng)適用于規(guī)模相對集中且運營線路較短的有軌電車網(wǎng)絡，適合于需要高度協(xié)調(diào)一致性的城市或區(qū)域。集中控制能優(yōu)化整個網(wǎng)絡的運行效率，通過中心化的調(diào)度中心快速響應各類運營變化和緊急情況，保持服務的連貫性和可靠性，如在城市中心或人口密集區(qū)域的有軌電車系統(tǒng)，集中控制可以更好地進行交通流的優(yōu)化管理，實現(xiàn)精確的時刻表控制和高頻率調(diào)度[4]。分布式控制則更適合于地理分布廣泛或線路復雜的有軌電車系統(tǒng)，在各個節(jié)點部署自治的控制單元，每個單元負責特定區(qū)域的信號和調(diào)度任務，提高了系統(tǒng)的彈性和抗干擾能力。分布式控制減少了中心處理壓力和通信延時，適用于覆蓋面廣、節(jié)點多的運營網(wǎng)絡，如跨城市或區(qū)域邊界的有軌電車系統(tǒng)。

2.3集中控制、分布式控制轉換機制的必要性

有軌電車信號系統(tǒng)中，實施集中控制與分布式控制轉換機制能有效地結合兩種控制模式的優(yōu)勢，提高系統(tǒng)對不同運營環(huán)境和突發(fā)情況的適應能力。轉換機制使得有軌電車信號系統(tǒng)能夠根據(jù)實際運營條件和外部環(huán)境變化，在集中與分布式控制之間動態(tài)切換，實現(xiàn)最優(yōu)的運行狀態(tài)。例如 ：正常運營時，系統(tǒng)可能傾向于使用集中控制以保證高效率和低成本；而在遇到單點故障或需要快速局部響應時，則自動切換至分布式控制，以利用其高容錯性和快速的局部決策能力。因此，集中控制與分布式控制的轉換機制提升了有軌電車信號系統(tǒng)的操作靈活性和應急響應能力，也增強了整個系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性，應對未來的技術變革和運營挑戰(zhàn)，實現(xiàn)有軌電車網(wǎng)絡在不斷變化的城市交通環(huán)境中的持續(xù)適應和發(fā)展。

3有軌電車控制方式轉換機制的設計

3.1列車進路控制功能

根據(jù)線路設計，一般只在道岔區(qū)域設置進路，站間運行間隔由司機負責安全。列車正常運行時，控制中心將編排計劃時刻表并對每列車分配列車識別號。每日運營準備階段由運營調(diào)度管理系統(tǒng)向車載系統(tǒng)發(fā)送當日運營計劃時刻表[5]。進路控制模式包括：運營調(diào)度管理自動控 制、運營調(diào)度管理人工控制、車載自動控制、車載人工控制，其中，運營調(diào)度管理自動控制是指當列車接近岔區(qū)時，運營調(diào)度管理系統(tǒng)根據(jù)目的地號和時刻表自動排列進路；運營調(diào)度管理人工控制是指系統(tǒng)支持中心操作員人工設置進路；車載自動控制是當進路控制權屬于車載子系統(tǒng)時，車載子系統(tǒng)可根據(jù)列車目的地號或默認的計劃信息進行排路；車載人工控制則是由司機通過按壓車載按鈕遙控選路。

3.2集中式控制模式

運營調(diào)度管理系統(tǒng)將根據(jù)列車位置、列車目的地號、列車運行方向以及列車進入辦理進路的觸發(fā)位置信息自動生成設置進路命令，并將命令發(fā)送至道岔控制系統(tǒng)。發(fā)送命令前運營調(diào)度管理子系統(tǒng)完成檢測到觸發(fā)點被列車占用、檢查列車具有目的地號、檢查進路滿足有效性條件[6]。上述條件滿足后，系統(tǒng)自動生成進路命令并發(fā)送給道岔控制系統(tǒng)，根據(jù)道岔控制系統(tǒng)的反饋顯示進路狀態(tài)。同時運營調(diào)度管理系統(tǒng)記錄自動設置進路的事件。

集中控制模式下系統(tǒng)提供人工進路功能。當需要為有軌電車正線上的列車人工建立其前方運行進路時，運營調(diào)度操作員可通過操作運營調(diào)度管理系統(tǒng)工作站站場圖界面中的進路始端信號機下發(fā)“設置進路”命令，形成人工設置進路命令消息發(fā)送至道岔控制系統(tǒng)。運營調(diào)度管理系統(tǒng)收到道岔控制系統(tǒng)執(zhí)行后的處理結果，完成該功能。

3.3分布式控制模式

車載系統(tǒng)在道岔防護信號機關聯(lián)的預告點處開始向正線道岔控制系統(tǒng)發(fā)送進路辦理命令，從而實現(xiàn)進路自動控制功能。車載系統(tǒng)根據(jù)運行計劃自動向正線道岔控制系統(tǒng)發(fā)送進路辦理命令

分布式控制模式下，系統(tǒng)同樣提供人工進路功能。當需要車載人工設置進路時，有軌電車運行至道岔防護信號機外方的接近點處并處于停穩(wěn)狀態(tài)。司機可以按壓車載DMI上的虛擬按鈕（直向、左向、右向、取消，按鈕都為自復式）。

當通過DMI的虛擬按鈕辦理或取消進路時，無論電車為何種控制模式，以人工操作優(yōu)先。車載系統(tǒng)收到相應信息后，將控制命令轉化為進路辦理命令發(fā)送給正線道岔控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)功能設計時明確各種模式的優(yōu)先級按照人工優(yōu)先于自動、本地優(yōu)先于中心原則處理。

3.4集中控制與分布式控制轉換觸發(fā)條件

當運營調(diào)度管理系統(tǒng)故障或通信中斷時，車載系統(tǒng)與運營調(diào)度管理系統(tǒng)無報文累積時間超過最大允許延遲時間時，車載系統(tǒng)判斷與運營調(diào)度管理系統(tǒng)通信中斷，自動轉化為車載自動控制模式。

系統(tǒng)同時提供控制模式人工轉換功能。當系統(tǒng)狀態(tài)正常時候操作員可選擇列車車次窗的右鍵菜單釋放或回收控制權。釋放或回收控制權命令發(fā)送至車載系統(tǒng)，車載系統(tǒng)根據(jù)運營調(diào)度管理系統(tǒng)模式命令，轉化為車載控制模式或中心控制模式并反饋給運營調(diào)度管理系統(tǒng)。

4結語

綜上所述，有軌電車信號系統(tǒng)的集中控制與分布式控制轉換機制整合先進的數(shù)據(jù)處理技術和網(wǎng)絡管理工具，實現(xiàn)了控制模式的智能切換，提高了有軌電車系統(tǒng)的運營靈活性，增強了對不確定性和異常條件的應對能力。實施結果表明，此轉換機制能夠有效地優(yōu)化資源分配，提升系統(tǒng)的整體性能和安全性。

參考文獻

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