《城市轨道交通自动化系统再认识---概念、体系结构与技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《城市轨道交通自动化系统再认识---概念、体系结构与技术（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1城市轨道交通自动化系统再认识-概念、 体系结构与技术摘要：本文在对城市轨道交通系统的特点进行分析的基础上，提出了轨道交通系统的五大技术需求，论述了城市轨道交通自动化系统的设计开发理念和方法。通过对传统体系结构进行分析比较，指出自律分布体系结构是城市轨道交通自动化系统的理想结构。最后对自律分布系统技术进行了综述，并从技术成熟性和技术特点的角度对其进行了分析和讨论。关键词：城市轨道交通 自动化 体系结构 自律分布系统Abstract: Based on analysis of characteristics of the urban railroad transportation systems
2、, the technical requirements of railroad transportation systems are proposed, the design principle and method of urban railroad transportation automation system are also discussed in this paper. Compare with the conventional system architecture, we argue that the autonomous decentralized system arch
3、itecture is an ideal architecture for urban railroad transportation automation system. Finally, the outline of autonomous decentralized system was described from technical maturity and advantage point of view respectively.Keywords: Urban Railroad Transportation; Automation; System Architecture; Auto
4、nomous Decentralized System一、 城市轨道交通系统的特点及其技术需求在讨论城市轨道交通系统自动化系统之前，对城市轨道交通系统的特点进行分析是十分必要的。下面从七个方面逐一进行分析。1 城市轨道交通规划的可持续性随着中国城市化进程的发展，主城区向外扩展、主城区和卫星城连成一体是一个2明显的趋势。城市轨道交通系统规划要能适应这一不断发展和扩展的需求。然而，存在的主要问题是：准确地预测未来的发展具有很多不确定因素。也就是说，当前的规划在将来是要变的。这就要求我们的规划要充分考虑系统的变化因素，反过来也要考虑现有系统和未来系统的平滑衔接和升级。用技术的语言讲就是系统结构的灵活
5、性和可扩展性。2 城市轨道交通系统建设的阶段性城市轨道交通系统建设受投资、征地等诸多因素制约，不可能像大铁路那样一次设计、一次建设，需要分阶段地建设和实施，一般的形态是逐线建设，即使是一条线也要求分段建设。这样的建设模式给系统运行带来很大的挑战。对于分阶段实施的系统而言，很明显要求系统具有扩充性。对于能够一次建成的系统，建成后的系统升级和改造，要求不中断系统的运行，从这个角度看，要求系统具有在线特性，即边测试，边运行。此外，还应考虑系统运用过程中的在线培训。系统的扩充性和在线特性对于降低系统的开发成本，运行成本都是有直接好处的。这一问题也可以归结为系统结构的灵活性和可扩展性。3 运输组织的多样
6、化和高密度化运输组织的多样化是指根据节假日和重大活动适时地调整运输计划并付诸实施。这就要求建立在线实时的运输计划系统，即运行图系统，实现小时级计划的调整。在上下班的高峰期实现列车的高密度运行是必须的，比如 120 秒的运行间隔。高密度运行与列车自动控制方式（ATC）和行车指挥系统密切相关。在这样的需求之下，存在两条不同的技术路线：信息集中控制集中，信息集中控制分散。就行车指挥系统而言，如何进行选择可用下面的事例来说明。3日本的新干线由 JR 东日本，JR 西日本，JR 东海道等铁路公司运营。因此，新干线的运输调度指挥系统分为二大类：其一为 COMTRAC（JR 西日本，JR 东海道采用），其二
7、为 COSMOS（JR 东日本采用）。COMTRAC 采用的是信息集中控制集中模式，而 COSMOS 采用的是信息集中控制分散模式。基于可靠的理由，在阪神大地震后，COMTRAC 建有第二指令所（调度所）。需强调指出是信息集中是指列车计划信息（运行图）的集中，以及列车运行实绩（在线状态）的集中。控制分散是指列车进路控制由各个车站的系统程序进路控制装置（PRC）完成。站间协调的准则就是列车运行图。从上面的分析中可以看出，车站 PRC 只要有运行图信息就可以实施进路控制。在正常情况下，由调度中心向车站 PRC 传送运行图信息；而在非正常情况下（灾害），由各车站 PRC 定期保存基本运行图信息，以备
8、紧急情况下使用。至于列车在线信息的集中，可以这样考虑，在灾害时，只需收集列车运行状态的最少基本信息，而不必建设 1：1 的备用中心。日本东京圈自律交通运行控制系统（ATOS）是目前世界上最大的自律分布系统，它管理着东京地区的 200 多个车站和 2000 多公里线路。实现了行车指挥、设备监控和旅客信息服务综合自动化，实现了列车的高密度运行（120 秒），实现了系统的分阶段的建设。具有典型性和代表性。这一系统也是采用的信息集中控制分散模式。就列车自动控制系统而言，有两种模式。一是在地面系统生成速度指令，发送到轨道电路上，列车按速度指令行车；一个是地面系统只发送停车点信息，列车根据这一信息和自身的
9、位置以及制动性能自律地生成平滑的制动曲线。后一种模式也可以称为（列车位置）信息集中（制动）控制分散，可以适应不同车辆不同的制动性能，最大限度地实现高密度运行。4因此，实现运输组织的多样化和高密度化时，采用何种技术路线是必须认真研究解决的问题。4 旅客服务的实效性为旅客提供列车运行信息的显示和广播是基本的要求。在非正常运行情况下，实时地发布信息是关键。要求旅客服务系统和行车指挥系统实现互连。5 维护作业管理模式系统的维护模式是一个较少探讨的问题，面前维护作业管理很难实现自动化。系统维护模式也决定着系统的设计和开发方式。第一个问题涉及系统自身的维护。是不中断运行维护，还是在线维护与测试。即系统是否
10、具备在线维护的能力。这又与系统的体系结构密切相关。第二个问题是维护的管理模式。是集中还是分担。现有的维护管理模式可以说是一种集中模式，一切均在调度人员管制下完成。分担的维护管理模式是指由调度中心、车站和现场作业人员共同完成维护作业。在这种模式下，调度中心负责信息（维护作业计划）集中，车站负责进路控制，现场作业人员负责维护作业时的进路申请和作业实施。可以说，将过去调度中心的相当权限下放给了车站和现场作业人员。各个环节具有相当的自主权并相互协调。支持这一维护管理模式，需要相应的系统结构和技术。6 安全性安全性是城市轨道交通系统的基本要求。具体地讲就是在轨道交通系统的各个环节如通信信号、行车指挥、列
11、车控制、牵引供电和车辆等领域采用故障-安全设计原则。故障-安全涉及硬件、软件和通信编码等方面。如何应用故障-安全的理论5和方法是我们面临的问题。7 可用性对城市轨道交通系统而言，故障-安全是不够的。故障-安全从本质上讲是一种被动的技术措施。如何保证运输服务的连续稳定性，即可用性是我们的首要目标。做到 100%的可用在技术上是可行的，但代价往往是高的。有时由于外界因素（如灾害、人身伤亡事故等）的影响导致服务中断是不可避免的，但不是无限期的。非正常情况下的快速恢复是一个关键。在高密度运行区间，为防止列车故障或事故时引发混乱、尽量减小列车晚点，需要灵活快捷的列车群自动控制系统。在正常情况下，列车群自
12、动控制依赖于运行图；在非正常情况下，要实现列车群的协调，如安排列车的避让或折返、避免列车在站间停车等。传统的列车群控制大多依赖于调度员的指挥，难于实现快速的事故恢复。为保证运输服务的可用性，快捷的列车群自动控制系统是必不可少的。从技术上讲，实现可用性也有两条技术路线：容错和防错。防错主要采用冗余技术，100%的备用，系统的成本太高。容错是真正容许模块的错误和故障的发生，采用模块级备用方式，实现低成本化。综上所述，城市轨道交通系统的技术需求可以归纳为如下几个方面：（1） 系统的在线扩展性（2） 系统的在线维护和测试性（3） 系统的在线容错性（4） 信息集中、控制分散的技术路线（5） 调度中心-车
13、站-现场作业人员协同的业务分担模式6二、 城市轨道交通自动化系统的设计开发理念和方法为满足城市轨道交通系统的技术需求，需要建立新的设计开发理念和方法。提出如下观点和方法供参考。1信息集中、控制分散的技术路线为实现城市轨道交通系统运输组织的多样化和高密度化，采用信息集中、控制分散的技术路线是一种理想选择。2调度中心-车站-现场作业人员协同的业务分担模式这一模式对实现城市轨道交通系统的高效协同运行有重要意义。3城市轨道交通自动化系统体系结构目前广泛采用的是集中式体系结构和客户/服务器体系结构。对于大规模城市轨道交通自动化系统而言，集中式的体系结构已不能满足系统动态变化和扩展的要求，而客户/服务器结
14、构又存在着系统负荷过于集中在服务器方等问题。因此，研究适合于大规模城市轨道交通自动化系统体系结构，以满足系统动态扩展的要求是一项重大课题。4系统设计方法学目前，系统设计大多采用自顶向下的方法，包括结构化设计和面向对象设计等方法。这些方法假定在设计阶段系统的结构、规模和功能是确定的。系统的扩展和变化，必将引起整个系统的变化，可谓“牵一发动全身”。对于大规模系统而言，不可能一次设计、一次建成，需要分阶段地设计和建设实施。采用自底向上，由子系统逐步构成整个系统的系统设计方法学势在必行。75系统容错技术(可靠性)目前的双机或多机冗余备用技术从根本上讲是一种防错技术，即防止错误的发生。在实际应用中，存在
15、着成本高，防不胜防等问题。针对城市轨道交通自动化系统的特点，研究开发低成本的、实现真正意义上的容错技术是必要的。6故障-安全技术对于轨道交通电气化自动化系统这类要求故障-安全特性的系统，需要从硬件、软件和通信等层面对故障-安全技术进行系统研究，并重点解决工程实用化问题。目前这一方面的研究相对薄弱。三、 城市轨道交通自动化系统的体系结构1体系结构对系统运用成败的影响在讨论城市轨道交通自动化系统的体系结构之前，先以 CTC 系统为例，说明体系结构对系统运用成败的影响。铁路行车调度指挥系统采用 CTC 已有漫长的历史。美国 1927 年开发了第一套CTC 系统，以单线无人站为控制对象，以增加区间列车
16、运行数为目标。实践证明，其投资效果是明显的，到 1955 年所有干线基本实现了 CTC 化。欧洲（1943）、日本（1954）开始采用 CTC 系统，其目标是实现车站的无人化和经营的效率化。我国开展 CTC 的研究已有 40 余年的历史，广深、大秦、郑武等线装备了 CTC 系统而没有开通或使用。其主要问题是：调度集中模式下，行车和调车作业的矛盾没有解决。基于 CTC 的运输管理模式可以说是一种集中模式，一切均在调度人员管制下完成。但调度员的管制能力又是有限的。8从技术上讲，CTC 采用的是典型的集中式体系结构，对于大规模城市轨道交通自动化系统而言，集中式的体系结构已不能满足系统动态变化和扩展的要求，而客户/服务器结构又存在着系统负荷过于集中在服务器方等问题。在高密度区间、客货混跑条件下，传统的 CTC 系统面临如下问题：（1）大规模枢纽站仍然由人控制，不能实现自动化；（2）发生故障恢复运行时相当费时；（3）维护作业依赖于人，存在安全隐患。在城市轨道交通系统中，仍然存在上述（2）（3）之问题。在第一部分已经提到，调度中心-车站-现场作业
