軌道交通調度與應急處置綜合實驗平臺設計

江志彬,洪 玲,謝 超

(同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室,交通運輸工程學院,上海 201804)

軌道交通調度與應急處置綜合實驗平臺設計

江志彬,洪 玲,謝 超

(同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室,交通運輸工程學院,上海 201804)

以實驗室為平臺,創新實驗教學模式、豐富和發展實驗功能內涵、提升學生的綜合能力是實驗教學的關鍵。以同濟大學軌道交通系統仿真實驗室建設為例,基于實驗室已經建成的系統,對系統的功能整合以及功能延伸進行分析,從統一數據庫建設、系統功能擴展、系統功能整合和實驗方案優化4個方面提出了軌道交通綜合調度與應急處理實驗平臺的設計方案。

綜合實驗平臺;軌道交通;調度指揮;應急處置;教學改革

軌道交通系統是一復雜、龐大的系統,隨著控制系統、信息技術、計算機技術和網絡技術的應用以及軌道交通建設的標準與等級的提高,對軌道交通運營的安全性、可靠性的要求就顯得越來越突出,其中對運行計劃制定、列車調度等崗位人員的原理學習與操作培訓，尤其是對不同復雜程度線路的環境條件的熟悉程度和處理應急事件的應變能力成為軌道交通安全運行的關鍵因素。因此,如何使學生在學習期間就能掌握和使用有關新設備、新技術、新方法,提高動手能力和適應能力,是專業教學中面臨的重要課題。同時,在科研方面,運輸需求分析、技術設備的更新和運輸組織方案的優化,都需要借助先進的實驗手段加以驗證確定。

以實驗室為平臺,創新實驗教學模式,豐富和發展實驗功能的內涵,提升學生的觀察能力、團隊協作能力、創新能力以及突發事件的應急處置能力等素質的培養是實驗教學的關鍵。軌道交通綜合調度與應急處置是軌道交通行車組織管理及專業人才培養的核心內容之一。以集教學、培訓和科研為一體的多功能仿真調度指揮平臺在各大高校已經建設,在教學與科研中發揮著重要作用。如“鐵路列車接發實驗”[1-2]、“列車運行圖編制實驗”[3-5]、“高速鐵路行車調度一體化實驗”[6-7]、“綜合調度實驗平臺”[8]、“客流分布仿真”[9]、“列車延誤仿真”[10-11]、“應急處置仿真”[12-15]等。但這些系統都較為分散,功能較為單一,在系統聯動的總體性和互動性、效果評估等方面還存在較大不足。本文以同濟大學軌道交通系統仿真實驗室建設為例,基于實驗室已經建成的系統,對系統的功能整合以及功能延伸進行分析,提出軌道交通綜合調度與應急處理實驗平臺的建設建議與方案。

1 同濟大學軌道交通系統仿真實驗室

1.1 概況

同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室,是國家重點學科“交通運輸規劃與管理”、兩個博士點學科“交通規劃與管理”和“交通信息工程及控制”建設的重要組成部分,且納入“985工程”建設計劃。軌道交通系統仿真實驗室為重點實驗室的一部分,該實驗室已經獲得“211”工程、“985”工程和上海市科委等項目的資助,正在逐步形成軌道交通列車運行過程控制、軌道交通網絡化運營仿真優化的一流學科實驗平臺。該實驗室已經擁有具有自主知識產權的多個運輸組織方案編制與優化的仿真系統以及國際著名的鐵路與軌道交通仿真系統(RailSys)。近幾年,已先后建設了“軌道交通運輸調度仿真硬件平臺(RHWP)”、“高速鐵路管控一體化仿真系統(HSMC-SIM)”、“鐵路CTC調度系統(CTC-SIM)”、“軌道交通列車運行仿真沙盤(SM-SIM)”、“高速鐵路機車模擬駕駛器(TS-SIM)”等實驗系統。各系統的功能見表1。各系統除了為本科生提供實驗外,還為科學研究提供了重要的實驗平臺。

表1 同濟大學軌道交通仿真實驗室已經建成的實驗系統

1.2 目前存在的問題

雖然目前實驗室的建設為軌道交通的運輸組織方案優化、列車調度指揮和列車運行控制優化提供了很好的仿真平臺,并取得良好的效果。但是也同時存在以下幾個方面的問題:

(1) 各系統的數據獨立管理,無法共享。既有的各系統數據都是各自獨立管理,除了會導致數據重復管理與維護,還容易產生數據的不一致性,同時也無法實現數據的共享與互通。

(2) 各系統功能相互獨立,有待整合。由于系統的建設過程都是單系統獨立建設,各系統操作都是相互獨立,缺乏整體銜接與互通互聯。事實上,軌道交通系統是一個聯動系統,各系統之間有著緊密的協同與聯動關系。實驗的過程應該反映從計劃、執行到處置、反饋的運輸組織全過程。

(3) 部分系統功能無法滿足新時期軌道交通發展的需求。近幾年,我國城市和高速鐵路處于高速發展的新階段,新的車輛技術、控制技術和新的運輸組織模式也在不斷創新,舊的信號制式、運輸組織模式、調度方式等都無法滿足軌道交通發展的需求,有些舊系統的功能有待升級與完善。

(4) 實驗系統中的故障與突發事件模擬功能較為欠缺。與現場操作相比,實驗系統的最大優點是可以在實驗室中模擬各類故障和突發事件對整個系統影響以及系統的恢復處置。而目前各大系統在故障處置的模擬與操作等方面的功能都較為單一,無法滿足列車運行過程評價、運營安全與可靠性評估等要求。

2 綜合實驗平臺的方案設計

軌道交通運輸組織管理系統是一復雜的動態大系統,運輸組織涉及車輛、牽引動力、線路和車站、通信信號和列車運行控制等多個子系統,運輸組織自身既受列車開行計劃、列車運行圖的制約,又受到日常運輸組織中的眾多隨機因素的影響,因此,運輸組織的優化問題需要通過仿真的方法進行研究和驗證。軌道交通系統運輸組織指揮的責任重、工作忙,而學生和培訓人員在實習中往往只能觀察,不能親手操作,實習和培訓效果不佳。因此,如何使學生和有關培訓人員在學習和培訓期間就能掌握和使用有關新設備、新技術、新方法,提高動手能力和適應能力,是專業教學中面臨的一個重要課題。

為了節省建設成本,提升既有建設系統的綜合性能,有必要基于已經建好的軌道交通網絡環境和硬件平臺,對既有系統的功能進行整合與加工,建設集所有軌道交通方式(城市軌道、既有鐵路、高速鐵路等)為一體的軌道交通綜合調度與應急處理實驗平臺。通過該平臺實現列車開行方案與運行條件評價、列車運行過程控制優化、軌道交通網絡優化、運輸組織優化、應急處置優化、調度決策優化等功能,從而形成軌道交通運輸組織仿真優化的綜合技術研究和服務能力,以達到既能滿足學生實習與實驗的要求,又能滿足相關科研要求的目標。

基于既有系統的不足和新平臺的建設目標,從經濟性與實用性的要求出發,綜合實驗平臺的建設過程主要包括以下幾個部分。

(1) 建設統一的數據庫。統一的數據庫存儲既要滿足所有實驗數據的統一存儲、管理與維護,同時需要滿足數據查詢、分析和數據挖掘的要求。管理的數據主要分4類,如表2所示。

表2 數據類別及管理要求

(2) 系統功能擴展。當前,我國城市和城際軌道交通、高速鐵路處于高速發展的新階段。在軌道交通網絡建設的同時,新的車輛技術、控制技術和新的運輸組織模式得以應用,尤其是在實際的運營過程中,面臨提高軌道交通運輸組織和運營管理水平,提高運輸安全、運輸效率和運輸質量的新要求。因此,新的平臺功能需要以下幾個方面得到擴展。

① 新的車輛技術。隨著我國城市軌道交通以及高速鐵路各種新型列車的研發和投入使用,對新的車輛型號的牽引等參數數據必須完善與補充,以滿足新型列車的牽引計算和仿真模擬駕駛要求。

② 新的控制技術。隨著基于無線通信列車自動控制系統(CBTC)技術在城市軌道交通系統以及新一代調度集中控制系統(CTC)技術在高速鐵路系統中的應用,新的控制技術在運輸能力分析、列車運行過程和控制等方面發生了變化,為了適應這種變化,新的平臺需要考慮新的控制技術帶來的影響。

③ 新的運輸組織模式。城市軌道交通快慢車的開行、周期運行圖在高速客運專線中的應用等新的運輸組織模式對列車運行圖編制、列車運行調度控制以及應急處置方案優化等功能提出了新的要求，新平臺需要滿足新的組織模式帶來的功能變化。

(3) 系統功能整合。在已經建設的基礎系統上,整合各個系統的功能,從計劃編制、調度指揮、實驗展示和效果評估4個方面對系統的功能進行整合,方案如圖1所示。系統整合首先需要實現各系統之間的數據實時互通與共享,其次需要滿足調度過程的協同操作與狀態實時反饋(如列車狀態、設備狀態等)的要求。

圖1 軌道交通綜合調度與應急處理實驗平臺搭建方案

(4) 實驗方案優化。實驗方案設計對于提升實驗效果起到關鍵作用。新的實驗平臺需要對實驗方案進行重新設計，新的實驗方案必須要滿足軌道交通列車計劃編制、調度指揮、應急處置和效果評估的全過程。因此,從實驗的要求與能力培養目標出發,新的實驗方案主要包括2個部分:計劃運行圖編制實驗和調度指揮實驗,如圖2所示。

計劃運行圖編制實驗是一個離線過程,但編制的過程需要多個系統參與,如牽引計算系統和機車仿真駕駛系統提供精確的運行時分參數和各類安全間隔參數,客流分析系統和開行方案計算系統提供全日行車計劃。編制好的運行圖可以通過運輸組織仿真系統進行離線評估(包括參數效驗和運能運量匹配等),離線評估好后的運行圖方能作為調度指揮實驗用圖。調度指揮實驗是一個在線實驗,實驗包括3個主要部分:

圖2 優化后的計劃運行圖編制實驗與列車調度指揮實驗流程圖

(1) 正常全自動模擬。該實驗是通過計算機完全自動模擬計劃運行圖的執行過程與效果,通過實體沙盤和大屏幕系統來直觀展示列車運行、設備狀態變化的全過程。該實驗過程不需要人工干預,主要為參觀與實習服務。

(2) 調度集中模擬。該實驗過程主要由運營控制中心(OCC)調度員參與操作,類似鐵路現場的CTC集中調度模式和城市軌道交通現場的OCC控制模式,但列車駕駛由計算機自動控制。實驗過程由若干個OCC調度員控制全線列車運行,在發生較小延誤的條件下,對列車的運行過程可以進行局部干預與調整,主要目的是訓練與評估OCC調度員的綜合能力與素質。由實體沙盤與大屏幕展示實驗的全過程。

(3) 站控模式模擬。該實驗過程類似現場的降級運營模式,需要OCC調度員、車站值班員(信號員)、司機3組人員來共同完成。該模式下,有列車接發實驗、電話閉塞實驗、模擬駕駛實驗、應急處置實驗等。該模式下實體沙盤與大屏幕展示實驗的全過程。不同實驗都有嚴格的操作規范與要求,實驗對于學生的聯動操作要求非常高,也更能提升學生的現場操作與應急處置能力。從歷年實驗開設效果來看,這類實驗學生的興趣與參與的積極性非常高。

3 結論與展望

隨著卓越工程師計劃在我國的實施,為滿足創新型、應用型和復合型人才的培養,實驗室建設是教學工作的重點之一。本文以同濟大學軌道交通仿真實驗室為背景,基于已建成的系統,從經濟性、實用性、擴展性以及先進性出發,提出了新的軌道交通調度與應急處理綜合實驗平臺設計方案。該方案的建設可對兄弟院校的實驗室改進提供借鑒,同時也可以為需要新建設的軌道交通運輸仿真實驗室提供很好的參考。

References)

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Design of comprehensive experimental platform for rail system dispatching and emergency managing

Jiang Zhibin,Hong Ling,Xie Chao

(Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of Ministry of Education,School of Transportation Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China)

Taking the laboratory as a platform,innovating experiment teaching mode and enriching the experimental function to promote the comprehensive ability of students are the key of experimental teaching. The integrated dispatching and emergency disposal in rail transit system are one of the core contents for training professional talents in the field of rail transit organization and management.Taking the construction of rail transit system simulation laboratory in Tongji University as an example,based on the laboratory system that has been built,the function integration and extension are analyzed,and a design scheme for dispatching as well as emergency managing in rail transit system is proposed from four aspects,including the unified database construction,the system function expansion,the system function integration and the experiment scheme optimization.

comprehensive experimental platform;rail transit system;dispatching;emergency managing;teaching reform;experimental scheme

2014- 05- 28 修改日期：2014- 07- 07

同濟大學精品實驗項目(0004020206010);同濟大學教改項目(1314)

江志彬(1980—)，男，江西萍鄉，博士，副教授，研究方向為軌道交通運營管理與仿真.

E-mail：jzb@tongji.edu.cn

U284.59;G484

B

1002-4956(2015)1- 0091- 04