城市軌道交通列車運行控制系統集成技術的研究

高紅巖

（武漢鐵路職業技術學院 鐵道機車車輛系，湖北 武漢430205）

0 引 言

在建設城市軌道交通的過程中，必須對通信信號設施進行規劃和建設，進而確保其能夠與客流量相適應。信號系統是確保城市軌道交通列車正常、穩定運行的關鍵技術，還能夠保障乘客的安全，在保障列車穩定、安全運行的基礎上，滿足了列車對運營性能的需求[1]。城市軌道交通列車的運行控制系統采用的技術主要包括自動駕駛、自動控制、自動防護和自動監控等，各項技術之間相互作用、相互協調，共同構成了一個以安全設備為基礎，集運行調整、行車指揮等多項功能于一體的列車自動控制系統。

1 列車自動防護技術

對于列車自動防護技術來說，列車移動授權權限是重要的組成部分，指的是從該輛列車的車尾直至列車前方障礙物的路線。障礙物可能是另一輛列車，也可能是軌道區段的分界點等。列車的移動授權權限需要考慮障礙物的相關特性，通常情況下會向前延伸，僅在特殊情況下才會向后退。列車的移動授權權限會依據相關規定進行重建，且該種重建過程具有規律性，基礎條件是線路資源的可用性分析，而線路資源的可用性又能反映該段線路的具體狀況。列車自動防護的基本原理在于，地面設備通過感應環線、無線電臺、應答器和軌道電路等，實現地面與列車之間的通信。列車的自動防護技術能夠向列車發送地面的各項信息，如移動授權、臨時限速等信息。該項技術能夠依據收集的信息，對列車緊急制動曲線進行計算、確定和調整，再依據相關信息計算列車運行最大安全速度，進而為列車運行提供全面安全信息。不僅能夠滿足正向行車的行車間隔，還能夠確保正向行車的折返間隔，一旦列車出現超速情況，會對列車進行緊急制動，并為列車提供預告報警信息。在準移動、固定兩個閉塞系統中，列車位置的探測以軌道電路為基礎，進而開展地面與列車之間的信息傳輸。列車與列車之間的間隔則通過軌道電路區段實現，自動防護技術的防護點是軌道區段的分界點。對于自動防護技術的防護點來說，本質上就是零速度限制點，簡單來說就是運行控制系統給出的相關限制條件[2-5]。

自動防護技術是保障列車能夠安全、穩定運行的關鍵技術，不僅能夠實現列車的間隔控制，還能夠實現對列車的超速防護。軌道旁自動防護系統的一個安全功能就是列車追蹤，能夠計算和區分列車的運行狀態，進而確定列車所處位置，通過地面與列車之間的通信設備向列車發送目標距離、限制速度和線路狀況等信息，以便列車在其行車過程中進行參考。此外，自動防護技術還能夠實現列車定位、列車測速、軌道末端防護以及緊急制動等功能。

2 列車自動駕駛技術

列車自動駕駛技術對列車進行自動駕駛控制的原理在于：軌道旁自動駕駛本身并不具備物理設備，而是要通過連續式通信來實現，只有裝備了自動駕駛設備的列車，才能夠使用自動駕駛模式。車載自動駕駛依據車載自動防護技術傳輸的數據自動輸出相關命令，進而對車輛制動、牽引等進行控制。同時，控制列車自動駕駛還需結合列車自動監控系統傳輸的控制命令，進而控制列車自動調整命令。自動駕駛的閉環控制原理見圖1。測速系統將列車實際所處位置通過自動防護技術傳輸給自動駕駛系統，而在輸入參考位置時需要將來自于應答器等定位系統所提供的位置信息填入，因此自動駕駛系統才能夠提供相關數據，對列車進行牽引和制動。

圖1 閉環控制與自動駕駛

列車自動駕駛技術實現的功能包括自動速度調整、車站精確停車、列車區間運行時間控制、安全門控制、屏蔽門控制、向車載乘客信息系統提供信息及實現節能運行等。自動駕駛是對列車運行進行自動控制的設備，其功能并非安全，在自動防護功能的安全保障基礎上，才能夠實現列車的自動駕駛功能，而自動駕駛技術對于列車運行效率的提高、運行狀態的自動調整及列車的節能運行等均有重要作用。對于城市軌道交通列車的正常運行來說，它建立在安全啟動列車的基礎上。而在啟動列車、調節列車速度和停止列車時，均需要得到相關指令才能夠完成。精確停車的實現主要依靠測速電機、地面信標以及測速雷達等設備，列車區間運行時間的控制則是依據相關調整指令來實現。對于車門、安全門和屏蔽門的安全控制，既可由人工控制，又能夠依靠系統自動控制，進而提高控制安全性[6]。依據自動駕駛技術完成的相應功能，可將其分為不同的功能模塊，如圖2所示。

圖2 典型自動駕駛技術的主要軟件功能模塊

3 列車自動監控技術

列車自動監控技術是為運行控制系統提供全面性、系統性管理的重要工具。它作為系統與控制中心調度員、車站值班員之間的接口，為運行控制系統提供了必需的自動控制功能。該項技術擁有一個內部局域網，每臺PC之間均配備了2個以上的網絡適配器，而控制中心的所有設備均連接在交換機上，再由交換機連接至骨干網交換機。列車自動監控技術在自動防護和自動駕駛等多項技術的支持下，對列車行車計劃進行編制和管理，進而自動調整全線列車運行的自動監控。

列車自動監控技術實現的主要功能包括列車識別號追蹤、識別號傳遞、識別號顯示、運行圖編制、運行圖管理、運行圖調整、統計與報告及監視功能等。列車識別號追蹤、傳輸和顯示功能的實現，即列車從出發點占用轉換軌時對其進行追蹤，直至列車達到終點站離開轉換軌的追蹤范圍。列車識別號可由列車自動監控系統自動生成，也能夠由調度員對其進行人工設定和修改。該系統具有自動跟蹤列車的能力，并能夠在追蹤列車的過程中對各項信息進行輸入和保存，將所有列車的識別號、位置和時刻表等各項數據顯示于用戶界面[7]。運行圖的編制應當依據行車組織要求、線路參數等各項數據，由編制人員手動輸入基礎數據，包括各個運行區間的運行間隔、運行時間、線路數據、客流量和停站時間等信息，由計算機輔助自動編制和生成運行圖，并在編制運行圖的過程中對各項沖突進行自動檢查，并給出運行沖突的原因及具體解決方法。在編制基本運行圖后，依據不同種類將其存入系統數據庫中，便于調度員隨時調取使用。對于運行圖的調整，自動監控系統能夠依據時刻表對區域列車的運行狀態進行自動監測和調整。列車計劃與實際的軌跡運行圖之間的功能比較，由調度員對時間偏差標準值進行設置，并在列車運行過程中發生偏差時自動生成和發送偏差預警，依據列車的實際運行狀況自動生成運行調整計劃，以便調度員進行參考[8]。除此之外，自動監控技術可自動開展運行統計工作，包括車次號報告、車站報告和列車報告等，可將各項數據自行制作成表格。工作人員僅需對相關數據進行查閱，即可自行制表。

4 計算機聯鎖技術

計算機聯鎖設備是實現信號機、道岔、軌道區段之間正確聯鎖關系及進路控制的安全設備。進路的設定命令由列車監控系統傳給軌旁聯鎖系統，再由軌旁聯鎖系統實現進路排列，而進路設定指令包括帶進路號碼的進路取消請求、帶進路號碼的進路請求和道岔單操命令。在自動控制技術中，有一張依據線路及車站配線而編制的“路徑”表，每一條“路徑”均由一條或多條進路組成。進路均有著明確方向，且由一組列成運行、按序排列的區段組成。當列車占用了接近車站的區域時，自動監控系統會發送進路請求。通常情況下，計算機聯鎖技術具有“預辦”功能，即它可將不能夠立即執行的進路請求進行整理和歸納，并依據相關標準進行排序，一旦聯鎖條件符合相關要求，就將對進路進行自動排列。該項技術采用了進路鎖閉、區段鎖閉和道岔監控等技術措施，實現了安全聯鎖。

聯鎖設備是列車運行控制系統的一項重要環節，也是自動防護系統的重要組成部分，能夠保障列車的行車安全性。計算機聯鎖技術主要實現了以下功能：（1）依據正確聯鎖關系、列車位置及運行計劃等，對列車進路進行自動設定和排序；（2）對敵對進路、列車進路、延續進路等進行防護；（3）正常防護進路的同時，依據相關安全要求對列車進路實施保護，建立保護區段，進而為列車行車提供防護；（4）可在現地工作站上單獨操縱設備集中站所控制范圍內的所有道岔，并對其進行單獨鎖閉，還可發放給列車引導信號，進而對各項信號控制元素如軌道區段和道岔等實施封鎖；（5）可依據現地工作站對軌道、道岔區段的臨時限速等進行控制，并給出具體的狀態；（6）可為自動防護系統提供信號機狀態、保護區段建立、列車進路設置情況及軌道區段臨時限速等條件；（7）在聯鎖控制工作站上，對不同操作人員賦予不同職責、權利等，進而確保其能夠正確控制相關設備[9]。

5 服務和診斷技術

除以上技術外，城市軌道交通列車運行控制系統還應當具備完善的遠程故障自行診斷功能，實時監控全線車站設備、車載設備、中央設備和軌旁設備等，并對各種設備的故障進行預警，將報警精度精確至能夠快速確定可更換單元或插拔件，便于相關人員及時更換設備。服務和診斷技術是聯鎖系統與遠程控制系統的診斷系統，在列車運行過程中基于數據接口交換數據。因此，它可有效分布于現場各個區域。整個聯鎖系統可連接一個或多個診斷計算機，進而滿足應用要求。服務和診斷技術具有故障電子日志功能，可用于一套聯鎖系統，同時該計算機也能夠同時應用于多套聯鎖系統，并對聯鎖系統當前的故障情況進行顯示和預警。需注意，它能夠顯示各項故障的細節信息，如故障位置、故障元件等，進而為維修人員提供指導。

應用服務與診斷技術可得到更多的故障信息，并對這些信息進行存儲、鑒別和檢查等，再依據這些信息幫助維修人員快速了解故障點，查詢故障原因。除此之外，服務和診斷技術還可對故障單元進行識別，同時報告聯鎖系統的故障情況，以減少維修時間，提高維修效率，進一步提高整個運行控制系統的可用性，降低系統運行成本。

6 結 論

隨著科學技術的不斷發展，列車信號控制技術由傳統的多信息移頻軌道電路的固定閉塞技術發展至準移動閉塞技術，現階段已發展至基于通信技術的移動閉塞技術。對列車運行控制系統的集成技術進行分析，有利于相關操作人員更加了解這一系統，進而提高操作人員的操作效率。