車輛調度系統在城市軌道交通中的應用

■ 王海燕

車輛調度系統在城市軌道交通中的應用

■ 王海燕

從系統結構、功能及人機界面設計等方面對車輛調度系統進行介紹，對系統硬件、系統軟件、系統網絡和數據流分別進行描述。重點介紹系統的功能及人機界面設計，主要功能包括：站場信息監視、車輛運行信息監視、車輛喚醒及喚醒過程監視、車載信號人機界面、車輛遠程控制、車載PA/ PIS/CCTV監控。車輛調度系統實現了對車輛監控從司機室向控制中心的轉移，為調度員提供友好的人機界面，保證調度人員在處理作業任務時能夠有效獲取信息、提高作業效率、降低調度人員勞動負荷。

全自動運行系統；車輛調度系統；監控；數據流

0 引言

從美國西屋公司在1965年提出建設“無人駕駛的、高頻率的、經濟的公共交通系統”開始，國際上相繼開通了多條全自動運行線路，如：法國VAL系統、新加坡東北線、香港廣九鐵路東鐵線、美國費城地鐵、西雅圖地鐵與輕軌等，全自動運行技術趨于成熟。

隨著城市人口密度的不斷增加，經濟的高速增長，我國城市軌道交通進入了大規模的建設時期，截至2015年3月，國內共有27個省39座城市獲得國家級批準建設?？土髫摵稍龃螅\營壓力劇增，對軌道交通的安全、可靠、節能、舒適的最佳化運行提出更高的要求。全自動運行系統（FAO）可進一步提升城市軌道交通運行系統的安全與效率。我國地鐵線路正在逐步實現列車全自動運行，北京機場線和上海10號線地鐵率先采用了全自動運行技術，未來北京的3、12、17號線擬采用全自動運行系統。但是，作為全自動運行配套系統的車輛調度系統的研究和應用還處于初步階段。

傳統軌道交通項目中的列車采用人工運行，司機通過設置在司機室駕駛臺的TCMS和MMI完成對列車的監控工作。采用全自動運行系統后，司機室不設置司機或監視員，對車輛的監控從司機室轉移到調度中心。因此，需要在調度中心設置車輛調度系統，完成對車輛的集中監控。車輛調度系統提供友好的人機交互界面，保證調度人員在處理作業任務時能夠有效獲取信息、提高作業效率、降低調度人員勞動負荷。

1 系統結構

車輛調度系統利用計算機技術、通信技術、自動化技術、網絡技術、信息集成等實現數據的采集、處理和顯示，將列車信息、車載信息統一到同一個軟件平臺上實現對多輛列車的監控。

車輛調度系統是一套實時、分布、模塊和可擴展的監控系統（見圖1），可實時查看列車運行信息、車輛信息、車載廣播系統（PA）/視頻監控系統（CCTV）/乘客信息系統（PIS）信息、車載火災信息、車輛走行部信息等，并可對車輛進行遠程控制，從而達到對車輛的全方位監控，保證列車安全運行，提升列車的調度效率。

車輛調度系統由硬件設備、軟件設備、系統網絡構成。系統主要硬件設備部署在控制中心。系統軟件分為數據采集層、數據處理層和人機界面展示層。系統網絡由主干層、局域層和現場層組成。

1.1 系統硬件

控制中心的硬件設備采用主備冗余的部署方式，硬件主要包括：調度工作站、交換機、實時服務器、歷史服務器、磁盤陣列、車輛網關、ATS網關、前端處理器等。

調度工作站：完成人機交互，從實時服務器和歷史服務器獲取實時和歷史數據，用于監控所有車輛的運行狀態和查詢歷史數據。

交換機：用于數據的傳輸，采用3層路由交換機，將不同的專業劃分為不同的VLAN，實現各專業信息之間的隔離。

實時服務器：完成實時數據的處理，從前端處理器、車輛網關、ATS網關獲取實時數據，將數據發送給調度工作站顯示并接收調度工作站下發的控制指令。

歷史服務器：保存、讀取歷史數據。

磁盤陣列：存儲歷史數據。

車輛網關：與車輛控制系統（TCMS）通信，獲取車輛信息，并將信息傳送給實時服務器。與車輛通信采用通用的通信協議，如UDP、MODBUS/TCP等。

ATS網關：與車輛VOBC、ZC、CI、DSU通信，獲取信號系統信息，在車輛監控界面上實時監控列車運行。將獲取的信息傳送給實時服務器，由實時服務器完成熱數據的處理。為保證信息安全，與各專業通信采用安全協議，如RSSP等。

前端處理器：與車載PA/PIS/CCTV通信，完成對車輛通信系統的監控功能。

1.2 系統軟件

車輛調度系統軟件分數據接口層、數據處理層和人機顯示層。

數據接口層：前置處理器、車輛網關、ATS網關安裝數據接口層軟件，專門用于數據采集和協議轉換，同時完成與各專業之間的信息隔離。

數據處理層：用于實時數據管理，事件管理，主要由實時服務器和歷史服務器構成，通過實時數據庫和關系數據庫提供車輛調度系統的應用功能。

人機顯示層：用于處理人機接口，主要由調度工作站構成，通過服務器獲取實時和歷史信息，顯示在調度工作站上，完成對車輛運行的監控操作。

1.3 系統網絡

車輛調度系統網絡由骨干層、局域層和現場層。

骨干層：骨干網負責數據的傳輸，骨干層采用千兆光纖網絡。車輛調度系統的信息來自2個網絡：TIAS網和ATC網，因此，骨干網包括這2部分。TIAS骨干網負責將信號網關和車輛網關的數據傳輸到控制中心實時服務器；ATC骨干網負責將VOBC和TCMS的信息傳送到信號網關和車輛網關。

局域層：用于車站或控制中心本地的數據傳輸。局域層的數據通信包括：調度工作站與實時服務器或歷史服務器之間的通信；每列列車的VOBC或TCMS通過無線與AP之間的數據通信。

現場層：車輛內部的MVB傳輸網絡。

1.4 數據流

車輛調度系統實現對車載P A、P I S、CCTV、TCMS和VOBC的監控。數據流包括上行和下行數據流，上行數據流指從接入系統到車輛調度系統人機界面的數據流向，下行數據流指從人機界面到接入系統的數據流向（見圖2）。

車載PA系統的數據通過TETRA系統的車地無線網絡實現落地。上行數據流：車載PA→TETRA→前端處理器→中心實時服務器→車輛調度工作站。下行數據與上行數據相反。

車載PIS系統的數據通過PIS系統的車地無線網絡實現落地。上行數據流：車載PIS→地面PIS→前端處理器→中心實時服務器→車輛調度工作站。下行數據與上行數據相反。

車載CCTV系統的數據通過PIS系統的車地無線網絡實現落地。上行數據流：車載CCTV→車載PIS→地面CCTV→前端處理器→中心實時服務器→車輛調度工作站。下行數據與上行數據相反。

VOBC的數據通過信號系統的車地無線網絡實現落地。上行數據流：VOBC→ATS網關→中心實時服務器→車輛調度工作站。下行數據與上行數據相反。

TCMS的監視數據通過信號系統的車地無線網絡實現落地。上行數據流：TCMS→車輛網關→中心實時服務器→車輛調度工作站。下行數據與上行數據相反。

對車輛的控制信息首先由TCMS傳送給車載VOBC系統，然后由VOBC實現信息傳輸，傳輸方式與VOBC的數據流相同。

實時服務器將歷史數據保留到歷史服務器，歷史服務器將數據保存到磁盤陣列。HMI通過歷史服務器查詢歷史數據。

2 功能及人機界面設計

在全自動運行系統中，車輛調度控制系統行使駕駛員部分職責，通過車輛調度控制系統顯示終端可實時監視車輛運行情況，包括車輛關鍵部件的工作狀態、故障信息，并可對車輛實施遠程控制，從而極大地減少工作人員勞動強度、提高執行效率。其主要功能包括：（1）站場信息監視；（2）車輛運行信息監視；（3）車輛喚醒及喚醒過程監視；（4）車載信號人機界面；（5）車輛的遠程控制；（6）車載PA/PIS/CCTV的監控。

2.1 站場信息

在車輛調度系統的人機界面上可以實時監視站場信息，方便車輛調度員實時了解站場情況，監視的主要包括：站臺、信號機、區段、道岔、控制模式、站臺門、供電信息、車次窗等的監視（見圖3）。

2.2 車輛運行信息

在傳統駕駛模式下，此部分信息由司機在司機室通過TCMS監視畫面實現對列車的監視。采用全自動運行系統后，此部分信息的監視轉移到車輛調度系統，在控制中心實現對車輛運行的監視，使調度員及時了解車輛運行情況，當發生故障時及時進行處理，保證列車安全、可靠運行。監視的主要內容包括：運行狀態、車輛狀態、火災/空調/走行部狀態、通信狀態和遠程旁路/復位等。

（1）運行狀態。包括司機室、激活端、列車前進方向、空壓機、蓋板、緊急手柄、車門、受流器、火警信息、常用制動、充電機、輔助逆變器、停放制動、乘客緊急呼叫、牽引逆變器、主風壓力、制動缸壓力、牽引/電制動力和BQS/BHB/HB等。其監視界面見圖4。

圖3 站場信息

圖4 運行狀態信息監控界面

（2）車輛狀態。包括牽引狀態、制動狀態、旁路狀態和輔助設備狀態（見圖5）。

（3）牽引狀態。包括BHB、BLB、MQS、HB、電網電壓、KM11、KM12、中間電壓、中間電流、電機電流。

（4）制動狀態。包括空氣制動正常、空氣制動施加、保持制動施加、緊急制動施加、停放制動施加、制動風缸壓力（kPa）、乘車率、空氣制動本地切除、空氣制動遠程切除。

（5）旁路狀態。包括牽引安全制動旁路、安全回路旁路、脫軌及障礙物檢測旁路、門使能旁路、門關好旁路、緊急制動、ATP切除。

（6）輔助狀態。包括中壓擴展、線路輸入電壓、逆變器輸入電流、逆變器中間電容電壓、逆變器輸出相電壓、逆變器輸出電流、充電機/蓄電池電壓、充電機輸出電流、蓄電池電流、蓄電池溫度、蓄電池剩余容量。

（7）火災/空調/走行部。車輛在運行過程中會產生一些“誤報”的火災信息，影響車輛的正常運行，為了進行有效的火災報警信息處理，在車輛調工作站上設置火災復位和火災確認功能。當車輛產生火災報警信息后，系統自動聯動相應的攝像機，通過CCTV攝像機或者人為確認火災信息，信息為誤報時遠程火災復位，復位后車輛按照時刻表繼續運行，當確認火災發生時，向車輛發送火災確認指令，車輛進入火災模式，按照火災模式運行。火災/空調/走行部監視的信息包括：軸端報警、軸端溫度報警、傳感器報警、齒輪箱報警、齒輪箱溫度報警、煙火報警、軸端溫度、齒輪箱溫度、室外溫度、室內溫度、目標溫度、控制模式、空調模式、通風機、壓縮機、冷凝分機、新風閥等（見圖6）。

圖5 車輛狀態信息

（8）通信狀態。列車在運行過程中TCMS要實時監測車輛與各個系統通信狀態（見圖7），以保證列車能實時、高效、安全運行，通信狀態。

圖6 火災/空調/走行部信息

（9）遠程旁路和復位。車輛在運行過程中由于一些原因可能會導致一些開關斷開或轉向架故障，使車輛運行受到影響，車輛調度工作站提供遠程對斷開的開關進行復位或旁路轉向架故障，保證車輛正常運行（見圖8）。復位的開關包括：PIS設備電源空開斷開、無線系統/信號指示空開斷開、前照燈供電空開斷開、客室照明供電空開斷開、空調供電空開斷開、空調控制供電空開斷開、客室通風供電空開斷開、電熱供電空開斷開、司機激活/空壓機/列車控制供電空開斷開、制動裝置/制動控制供電空開斷開等。

圖7 通信狀態信息

圖8 旁路/復位信息

2.3 車輛喚醒

為了保證列車高效、安全運行，不允許列車“帶病”上線，因此，全自動運行系統的列車每天出車前都需要對列車逐項進行動態和靜態測試，測試通過滿足條件后，列車方可上線運行。在操作界面上可以實時查看列車的喚醒情況，當喚醒失敗時產生報警，提示操作員列車故障，無法完成喚醒，不能上線運行，系統將自動喚醒備用車輛代替故障車輛上線運行（見圖9）。車輛調度員根據喚醒失敗的情況，安排維修人員進行維修作業。測試的主要內容包括：TCMS網絡本身自檢失敗、TMS網絡通信自檢失敗、牽引系統自檢失敗、輔助系統自檢失敗、車門自檢失敗、制動系統自檢失敗、空調系統自檢失敗、廣播系統自檢失敗、煙火報警自檢失敗、PIS/CCTV自檢失敗、Tetra自檢失敗、走行部在線監測自檢失敗、上電自檢完成、Tc1車充電機狀態、Tc2車充電機狀態、Tc1車空壓機自檢故障、Tc2車空壓機自檢故障、總風壓力達到9．5 Bar等。

2.4 車載信號人機界面

在傳動的駕駛模式下，此部分信息由司機在司機室通過信號的MMI監視畫面實現監視（見圖10）。采用全自動運行系統后，此部分的功能轉移到車輛調度工作站上，實現遠程監視。調度員通過對車組號的選擇，完成不同列車的切換操作，監視的信號主要包括：發站信息、疏散、火災、下一站信息、終到站信息、車次號、司機號、跳停扣車、當前駕駛模式、當前運行等級、進入停車窗標志、車門狀態、發車信息、客室門控制模式、屏蔽門狀態、設備故障狀態、停車場及車輛段轉換區、列車首尾、列車速度、列車完整性、報警文本、最高駕駛模式等信息。

圖9 列車喚醒

圖10 MMI信息

2.5 車輛遠程控制

采用全自動運行系統的列車，在控制中心調度工作站上實現對車輛的控制，在正常情況下，有效組織列車運行，實現列車運行的自動化調度管理；異常情況下，及時、高效處理緊急事故，提高事故處理的效率，使列車運行更加有效。車輛調度的控制功能主要包括：開關列車照明、設置/緩解停放制動、控制受流器、遠程開關車門、遠程旁路、故障復位、列車空調電熱設置等。

2.6 車載PA/PIS/CCTV

車載PA/PIS/CCTV可以輔助車輛調度及時查看、了解列車情況。正常運行情況下，車輛調度可以通過點選的操作方式，實現操控功能；異常情況下，系統自動發送控制指令，實現乘客信息、廣播及攝像頭的操控。

3 結論

車輛調度系統的應用為實現全自動運行提供了強有力的支撐，保證了調度人員在遠程實現對車輛的監控，提升了軌道交通調度控制智能化水平。全自動運行系統在我國已經興起，作為全自動運行技術的應用，車輛調度系統必將是其中不可或缺的系統。

王海燕：北京市軌道交通建設管理有限公司，高級工程師，北京，100068

責任編輯 苑曉蒙

U292.4

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1672-061X（2015）04-0048-05