鄭州市軌道交通1號線一期工程列車輔助定位技術(shù)研究

田華軍 馬子彥 陳 琦

(鄭州市軌道交通有限公司,450000∥第一作者，高級工程師)

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鄭州市軌道交通1號線一期工程列車輔助定位技術(shù)研究

田華軍 馬子彥 陳 琦

(鄭州市軌道交通有限公司,450000∥第一作者，高級工程師)

在分析上海軌道交通10號線“9·27”事故發(fā)生原因的基礎(chǔ)上,提出在非正常情況下利用現(xiàn)有機電設(shè)備為行車調(diào)度指揮人員準(zhǔn)確提供列車實際位置(列車輔助定位)的方案,以及實現(xiàn)該方案的關(guān)鍵技術(shù)，包括接口方式、傳輸方式、圖形顯示方式等。列車輔助定位技術(shù)已在鄭州市軌道交通1號線上實施,以確保在信號系統(tǒng)發(fā)生故障后采用電話閉塞模式時的行車安全。

城市軌道交通； 行車指揮系統(tǒng)； 列車輔助定位

Author′s address Zhengzhou Rail Transit Co.,Ltd.,450000,Zhengzhou,China

2011年9月27日，上海軌道交通10號線發(fā)生兩車追尾事故。其原因為：10號線信號故障后全線

改為電話閉塞模式，由調(diào)度員人工指揮行車,在指揮行車過程中，行車調(diào)度員在未準(zhǔn)確定位故障區(qū)間內(nèi)全部列車位置的情況下,違規(guī)發(fā)布電話閉塞命令,致使10號線1005號列車與1016號列車發(fā)生追尾碰撞。

對上海軌道交通10號線事故發(fā)生原因的分析可知,目前的地鐵行車指揮系統(tǒng)中,在信號系統(tǒng)故障后,沒有其他手段來準(zhǔn)確地為行車調(diào)度指揮人員提供當(dāng)前線路所有列車的準(zhǔn)確位置，當(dāng)信號系統(tǒng)發(fā)生故障后采用電話閉塞行車時,調(diào)度人員需要與在線所有列車的司機確認(rèn)列車位置并指揮其行車,這勢必給調(diào)度人員增加大量紛繁復(fù)雜的工作，且容易造成遺漏或疏忽。如何在信號系統(tǒng)故障下，準(zhǔn)確清晰地為調(diào)度指揮人員反映當(dāng)前所有列車準(zhǔn)確位置(即列車輔助定位功能),保證地鐵行車安全，已經(jīng)成為研究的重要方向之一,尤其是在不增加新設(shè)備新接口的情況下,僅利用現(xiàn)有信號、通信等機電設(shè)備實現(xiàn)列車輔助定位功能，意義更為重大。

地鐵機電設(shè)備系統(tǒng)紛繁復(fù)雜,包含種類很多，涉及到行車指揮的系統(tǒng)包括通信、信號、供電及車輛等。其中,信號系統(tǒng)可自動指揮所有列車有秩序、有計劃的行駛和停止,能完成自動駕駛、自動開關(guān)車門和屏蔽門、自動安全防護(hù)等功能,其車載子系統(tǒng)與軌旁子系統(tǒng)均清晰掌握所有在線列車的位置信息；通信系統(tǒng)主要承擔(dān)調(diào)度指揮人員與列車司機的無線通話業(yè)務(wù)。本研究的主要目的，就是當(dāng)行車指揮系統(tǒng)尤其是信號系統(tǒng)出現(xiàn)故障，需改為電話閉塞模式指揮行車時,借助現(xiàn)有的機電設(shè)備將列車位置信息實時顯示在控制中心的某個設(shè)備上,使得行車調(diào)度指揮人員能清晰掌握各列車實際位置,從而實現(xiàn)列車輔助定位功能,確保行車指揮工作安全可控。

1 設(shè)計方案

結(jié)合即將開通的鄭州市軌道交通1號線一期工程,鄭州市軌道交通有限公司組織相關(guān)系統(tǒng)集成商進(jìn)行了多次技術(shù)準(zhǔn)備及研討,在此基礎(chǔ)上形成了最終設(shè)計方案,并在實際工程中得到了應(yīng)用。

1.1 設(shè)計思路

在鄭州市軌道交通1號線一期工程車輛及機電設(shè)備系統(tǒng)接口中,信號系統(tǒng)車載子系統(tǒng)與車輛牽引控制系統(tǒng)有接口,車輛牽引控制系統(tǒng)與通信系統(tǒng)車載子系統(tǒng)也有接口(見圖1)。其中,信號系統(tǒng)發(fā)送至牽引控制系統(tǒng)的與車輛位置信息有關(guān)的報文包括:上下行信息、車次號、下一站的ID、到下一站距離、車組號、車次號、司機號、上下行信息、當(dāng)前車站等。

因此,可利用信號系統(tǒng)與牽引系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)與通信系統(tǒng)的接口,將上述相關(guān)信息從信號系統(tǒng)車載子系統(tǒng)逐層轉(zhuǎn)發(fā)至控制中心通信系統(tǒng)CAD(計算機輔助設(shè)計)調(diào)度系統(tǒng)服務(wù)器,由CAD調(diào)度服務(wù)器解析數(shù)據(jù)包的列車位置信息并分發(fā)至各無線調(diào)度臺,最終呈現(xiàn)給行車調(diào)度。數(shù)據(jù)信息詳細(xì)轉(zhuǎn)發(fā)流程如圖2所示。

圖1 鄭州市軌道交通1號線一期工程車輛及機電設(shè)備系統(tǒng)接口示意

圖2 輔助列車定位信息傳遞流程圖

1.2 接口設(shè)計

列車輔助定位功能的設(shè)計原則為：最大程度利用現(xiàn)有接口,盡量減少新增接線。本著這個設(shè)計原則,在原系統(tǒng)設(shè)計方案基礎(chǔ)上,對接口設(shè)計做了如下變動(見表1)，以實現(xiàn)列車輔助定位功能。其中，信號車載子系統(tǒng)與牽引系統(tǒng)的接口由信號車載控制器(CC)及牽引列車管理系統(tǒng)(TMS)通過RS485接口連接實現(xiàn)(見圖3)。其采用半雙工通信機制,以CC為主進(jìn)行主從式數(shù)據(jù)交換,只有CC設(shè)備能夠發(fā)起一個請求,同時TMS應(yīng)答以確認(rèn)收到請求。牽引系統(tǒng)與車載PIS設(shè)備間的接口保持原有MVB(車輛通信網(wǎng)絡(luò))接口不變。車載PIS設(shè)備與通信系統(tǒng)地面PIS車載設(shè)備的接口在原有設(shè)計基礎(chǔ)上,單獨為列車輔助定位功能增加一根網(wǎng)線,以網(wǎng)絡(luò)通信的方式完成數(shù)據(jù)交換。通信系統(tǒng)地面PIS車載設(shè)備與通信系統(tǒng)無線車載臺原本沒有接口,但均留有備用串口,因此在每列車上增加串口數(shù)據(jù)線連接地面PIS車載設(shè)備與無線車載臺。由于每列車有車頭和車尾2個無線車載臺,為了輔助定位功能的可靠性,將2個車載臺都與地面PIS車載設(shè)備連接,地面PIS車載設(shè)備可同時向2個無線車載臺轉(zhuǎn)發(fā)車載信號設(shè)備信息,無線系統(tǒng)選擇其中1個車載臺接收上述信息。

表1 接口設(shè)計變動

圖3 信號與車輛接口示意圖

2 主要設(shè)備

(1) CAD調(diào)度服務(wù)器。利用系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)與通信無線車載臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,并根據(jù)需要把所接收到的車載信號車輛位置信息轉(zhuǎn)發(fā)至各調(diào)度臺，是車輛位置信息傳輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備。CAD調(diào)度服務(wù)器采用機架式服務(wù)器硬件,其上運行定制研發(fā)的CAD調(diào)度服務(wù)器軟件。CAD調(diào)度服務(wù)器軟件具有友好的用戶操作界面,允許用戶查看系統(tǒng)內(nèi)車輛位置信息數(shù)據(jù)傳輸活動。

(2) 通信無線車載臺：由主機、控制盒、天線、饋線等組成(見圖4),在主機和控制盒上設(shè)計有各種外部接口，以連接到外部系統(tǒng)設(shè)備。其中,控制盒上的RS232接口專門用來連接地面PIS車載設(shè)備。無線車載臺控制盒能夠提供操作、顯示界面,運行期間,用戶可通過操控該設(shè)備調(diào)用各種用戶功能。

圖4 車載臺連接圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 信息傳輸與控制策略

車載信號車輛位置信息的信源是車載信號設(shè)備,信宿是控制中心專用無線系統(tǒng)CAD調(diào)度服務(wù)器和調(diào)度臺,通信車載臺在接收、解析該類信息后將其轉(zhuǎn)發(fā)給CAD調(diào)度服務(wù)器,由后者在系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)信息共享,分發(fā)給相應(yīng)的調(diào)度臺等設(shè)備。

地面PIS車載設(shè)備提供給通信無線車載臺設(shè)備的車載信號車輛位置信息是一種高精度、周期性實時更新的信息流。為了豐富調(diào)度指揮者指揮行車的手段,可將車輛位置信息區(qū)分為高精度列車位置信息和低精度列車位置信息。

高精度列車位置信息完全復(fù)制車載信號設(shè)備信息,包括上下行信息、下一車站ID、至下一車站距離。在特定緊急情況下(控制中心信號ATS(列車自動監(jiān)控)人機界面故障),該信息可用來反映準(zhǔn)確的定位列車位置,實現(xiàn)列車輔助定位功能。

對于高精度列車位置信息,將采用以下傳輸與控制策略:必須由控制中心調(diào)度用戶或列車司機手動操作觸發(fā)信息上報,每次觸發(fā)操作僅上報一次信息,上報完成之后將自動關(guān)閉信息上報,直至接收到下一個上報控制指令；控制中心調(diào)度用戶可同時觸發(fā)多個列車車載臺進(jìn)行位置信息上報；高精度列車位置信息傳輸與控制中心側(cè)無線系統(tǒng)和信號系統(tǒng)接口狀態(tài)無關(guān)。高精度列車位置信息將以圖文方式在調(diào)度臺軟件界面上呈現(xiàn)給用戶。

低精度列車位置信息是由車載信號車輛位置信息轉(zhuǎn)換而來的信息,包括上下行信息、當(dāng)前車站信息。當(dāng)控制中心專用無線系統(tǒng)與信號系統(tǒng)之間接口故障時,該信息可用來輔助調(diào)度席位分配、釋放列車資源,完成界面列車位置信息更新。

與高精度列車位置信息傳輸和控制策略相比,低精度列車位置信息傳輸和控制策略的最大不同是每次觸發(fā)操作將打開信息上報狀態(tài),直至車載臺接收到手動關(guān)閉控制指令,在此期間如果檢查到信息變化時持續(xù)上報信息包。低精度列車位置信息傳輸與控制中心側(cè)無線系統(tǒng)和信號系統(tǒng)接口狀態(tài)相關(guān),僅當(dāng)無線系統(tǒng)與信號系統(tǒng)接口故障時,才能啟動低精度列車位置信息傳輸。這樣能夠有效防止無線系統(tǒng)從兩個接口接收到不一致的位置信息造成調(diào)度混亂。低精度列車位置信息將以列表方式在調(diào)度臺軟件界面上呈現(xiàn)給用戶。

3.2 傳輸特殊處理

通信車載臺在進(jìn)行車載信號車輛位置信息傳輸時,需要采用以下特殊處理措施:

(1) 通信車載臺一直接收地面PIS車載設(shè)備提供的數(shù)據(jù)信息,但僅在接收到控制指令時才會開始、停止列車位置信息上傳,控制中心調(diào)度用戶和列車司機可通過手動操作對該車載臺發(fā)出控制指令。

(2) 控制中心CAD調(diào)度服務(wù)器僅在中心信號鏈路故障的情況下才會啟動低精度列車位置信息傳輸,無線系統(tǒng)CAD調(diào)度系統(tǒng)將以這些車載信號設(shè)備信息輔助列車運營調(diào)度。

(3) 為節(jié)省無線通道資源,車載臺并不是直接復(fù)制信號設(shè)備數(shù)據(jù)包,而是對這些信息進(jìn)行一定的整合、變換后再轉(zhuǎn)發(fā)給CAD調(diào)度服務(wù)器。

(4) 即使通信車載臺從地面PIS車載設(shè)備接收到的信息發(fā)生了改變,但只要列車位置信息沒有發(fā)生改變,則通信車載臺不會上傳該變換結(jié)果——列車在正線上運行時,如果不跨站不折返,其低精度列車位置信息將不會改變。

3.3 圖形化顯示界面

由車載信號系統(tǒng)傳遞的車輛位置信息最終通過放置在控制中心的無線調(diào)度臺以圖形/列表界面顯示出來。高精度列車位置信息以圖形界面方式顯示,主要內(nèi)容為線路站型、列車位置及車體號等,其中列車位置信息可根據(jù)列車實際位置動態(tài)更新并區(qū)分出當(dāng)前列車是在區(qū)間還是在站臺。同時為便于查看,增加了僅顯示上行列車、僅顯示下行列車及顯示全部列車等按鈕。高精度列車位置信息顯示界面如圖5所示。

低精度列車位置信息以文字方式顯示,內(nèi)容為當(dāng)前列車位置、司機號、車體號、車組號及上下行等(見圖6)。此界面不能顯示精確位置,僅能顯示列車靠近的站臺名稱。

4 優(yōu)點

列車輔助定位技術(shù)的作用是在行車指揮系統(tǒng)故障后輔助調(diào)度人員指揮行車,其增加了調(diào)度人員對線路列車分布情況的了解程度,豐富了調(diào)度人員指揮行車的手段,提高了行車指揮的安全性。

圖6 行車調(diào)度臺低精度列車位置界面示意圖

列車輔助定位技術(shù)沒有增加任何新的機電設(shè)備,僅借助現(xiàn)有的信號、牽引控制和通信車載，以及地面、控制中心設(shè)備,通過現(xiàn)有的有線及無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。其傳輸信息簡單,車地通信量小,且沒有借用信號系統(tǒng)的車地通信網(wǎng)絡(luò),因此不會引起信號系統(tǒng)的車地通信故障,沒有增加危害行車的因素。

列車輔助定位技術(shù)僅在無線車載臺上顯示列車位置信息,顯示信息量小,不會影響正常行車指揮時調(diào)度人員的工作。

5 結(jié)語

鄭州市軌道交通1號線一期工程自2013年底開通以來,車輛、信號、通信系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定,運營平穩(wěn)有序,其中列車輔助定位功能的實現(xiàn),為我國城市軌道交通的首例。該技術(shù)的應(yīng)用，體現(xiàn)了城市軌道交通行車指揮技術(shù)的創(chuàng)新與優(yōu)化,為行車指揮提供了更全面的安全保障措施,具有很好的現(xiàn)實意義及推廣價值。

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Application of Auxiliary Positioning Technology on the First-stage Project of Zhengzhou Rail Transit Line 1

TIAN Huajun, MA Ziyan, CHEN Qi

With an analysis of the 9.27 accident of Shanghai rail transit Line 10, a train auxiliary positioning plan is proposed, which could provide accurate location of tain by taking advantages of the existing electro-mechanical equipment for traffic dispatching and commanding officers in abnormal conditions. Meanwhile, the corresponding key technologies for the implementation of the scheme are also described, including interface mode, transmission mode and graphics display mode. The train auxiliary positioning technology has been implemented on Zhengzhou rail transit Line 1, aiming to ensure the safety and controllability of train dispatching by using telephone blocking mode in signal failures.

urban rail transit; dispatching and commanding; train auxiliary positioning

U29-39

10.16037/j.1007-869x.2016.04.005

2014-05-06)