現代有軌電車智能控制系統弱電集成研究

裴 穎

(通號城市軌道交通技術有限公司，北京 100070)

1 概述

近年來，現代有軌電車在城市軌道交通中大量應用，主要得益于其乘客運載量適中、工程實施較為簡單、投入資金額度較低、建設時間跨度短、環保符合政策要求等特性。同時也可以看到，現代有軌電車的應用制式在地鐵模式的基礎上產生，同地鐵類似分類設計了信號、無線、廣播、售檢票等十余個主要的系統，在建設的過程中，還沒有形成現代有軌電車比較完備及獨立的行業標準等規范性文件。上述按地鐵系統分類的設計方式，從歷史角度對現代有軌電車的出現具有積極的意義，但是隨著有軌電車的發展，從經濟角度需要進一步降低成本，以匹配有軌電車自身輕量化城市軌道交通的定位，降低相關城市的資金投入。另外，從技術角度考慮，由于各系統之間相對獨立，暫時沒有統一的共享數據方式和途徑，在日常運維工作中具有較高的協同成本，遇到緊急情況時需要逐級響應，不利于進一步提高應急處理能力。因此，有理由設計一套綜合、智能、簡明的有軌電車智能控制系統，將上述系統整合為一套弱電集成系統，對有軌電車進行系統監控、行車指揮及運營管理，從經濟、技術、運營的角度促進現代有軌電車系統的發展。

2 智能控制系統概述

有軌電車智能控制系統，通過設立基礎信號控制系統、道口綜合控制系統、車上控制系統、運維診斷系統等，并將原無線系統、電話系統等統一規劃，可通過大數據、人工智能等手段，為各系統設計通用的硬件及軟件平臺，將原本獨立的各系統深度融合，共同構成有軌電車的行車指揮、調度管理的運營平臺。為用戶提供針對行車指揮的，具備設備監控、輔助決策功能的管理平臺，做到各項運營工作的統一智能管控。有軌電車智能控制系統如圖1所示。

圖1 有軌電車智能控制系統Fig.1 Intelligent control system of tram

3 智能控制系統結構

系統結構分為：終端層、通道層、平臺通用層和應用拓展層4個層次。系統結構如圖2所示。

3.1 終端層

由部署在有軌電車運營涉及區域的各類用戶終端構成，包括了正側線基礎信號設備、站臺相關設備、道口設備、供電設備及中心站值班員操作設備。

終端層記錄用戶操作的數據，將數據上傳至智能控制系統中心，中心可采用大數據技術對終端層產生的海量用戶數據進行分析，找到用戶操作模式，深入挖掘用戶需求并優化系統功能，智能預測運營情況，為用戶提供決策依據。同時中心通過分析終端設備上傳的數據，判斷設備的使用情況，根據云計算技術，動態為各系統分配計算資源，使系統總體效率達到最大化。

3.2 通道層

包括搭建綜合數據承載網、LTE無線通信網絡平臺。

綜合數據承載網絡為智能控制系統中各子系統提供可靠、冗余、可重構、靈活的傳輸通道，是整個有軌電車中車站、變電所、車輛等與調度中心之間信息交換的平臺。

LTE無線通信網絡平臺，進行實時無線數據傳輸，實現車輛定位輔助、監視報警、調度指揮管理和信息查詢一體化的功能。

3.3 平臺通用層

借助創建通用的、靈活的、可配置的服務平臺層，將列車運行監控（ATS）、綜合監控（ISCS）、乘客信息系統（PIS）及屏蔽門（PSD）系統進行綜合集成，并提供與其他系統的拓展接口服務，將上述各系統中通用的部分統一設計開發，將差異的部分通過數據配置進行差異化實現，形成具有高度可維護性、可操作性、可定制化的運營管理調度系統。實現對有軌電車運營區域內車站、乘客、車輛、設備設施的全面監控和管理。同時能夠形成扁平化、各系統高度協同的緊急事件處理機制，提供控制中心管理人員與一線執行人員的聯絡通道，保證一般及特殊情況下都能平穩運營。

3.4 應用拓展層

針對調度管理人員：對車輛運營區域內的車站、乘客、路線和供電設備進行不間斷的監視，為調度管理人員的運營管理提供決策基礎信息；管理中心能夠獲得車輛運營的實時反饋，包括車輛情況、乘客情況、周邊交通信息等，并根據系統給出的預測建議，做出合理的調度管理行為。

針對有軌電車乘客：乘客對有軌電車系統的需求主要是準點、安全、舒適和便捷，通過站臺設置LCD屏實時顯示運行中電車的定位信息及運行路線預測。同時進一步簡化售檢票方式，向公交汽車靠攏，尤其為非本地人員的乘坐提供便利，邀請所有乘客都作為有軌電車服務的評價者和受益者。

圖2 智能控制系統主要結構Fig.2 Main structure of intelligent control system

面向電車司機：通過配置的智能顯控終端，結合駕駛輔助信息，幫助司機平穩、安全的控制列車運行，降低人工駕駛難度，提升用戶乘坐舒適性。同時車載監督系統可在特殊地段發揮作用，根據配置提醒監督司機安全駕駛。

4 智能控制系統軟件平臺

控制中心綜合運營調度管理系統是平臺型的集成系統，具有接口標準、組件通用、可拓展性的特點，將原分立設置的各信號子系統、綜合監控系統等多個系統高度集成，考慮到售檢票（AFC）系統涉及費用管理，保留其相對獨立性，AFC系統和集成平臺采用互聯的方式集成，但AFC和平臺系統共用數據庫服務器和磁盤陣列。軟件平臺在人機界面層包括了設備監控、儀表面板、實施報警、歷史報警、歷史事件日志、趨勢顯示、統計報表，CCTV等眾多功能，可完成對電車運行區域的車輛、車站、供電系統的監控、管理和調度。

軟件平臺結構如圖3所示。

圖3 軟件平臺結構圖Fig.3 Structure diagram of software platform

以行車調度為核心的綜合運營管理系統具有以下特點：

1）用戶深度集成，統一管理；

2）界面深度集成，在一個系統中查閱所有的監控子系統；

3）數據深度集成，基于同一個平臺開發的信號和通信、綜合監控系統深度聯動，通過規劃業務場景的切換快速實施各種預案；

4）降低系統采購和維護成本。

5 智能控制系統硬件構成

5.1 硬件云平臺設置

重要服務器（含綜合運營調度業務服務器、數據庫服務器）采用云平臺方式工作。當一臺服務器（或其中的一個應用分區）出現硬件、軟件及受控應用故障，可被硬件云平臺管理系統自動探察，并自動地將此主機（或其中的一個應用分區）上的應用切換至云平臺內的其他硬件資源上，保證業務的連續性。

設備室由多臺服務器組成硬件云平臺，按照業務運算不同可劃分為：綜合運營調度業務資源池、電話交換資源池、LTE核心網、媒體服務資源池、綜合屏控制器、售檢票資源池、數據庫服務資源池、磁盤陣列、公網接入服務資源池、電話交換計費資源池、交換機、網絡節點設備、服務器機柜、網絡機柜、接口機柜等構成。

5.2 工作站設計及配置

調度員工作站的硬件及軟件架構具有統一性，具有冗余控制功能，且其各項功能可根據需要靈活劃分或屏蔽。每個工作站能根據需要顯示全線的線路、車站、車輛段布局的全景，詳細顯示車站、區間及車輛段的設備狀態和列車運行狀態的細景及列車計劃和實跡運行圖等信息；兩個顯示器可獨立分別輸出界面，如果一個界面發生故障，調度員可在另一界面完成所有的控制功能和監視操作。

獨立設置綜合運營調度工作站兩套，每個工作站都能顯示行車調度所需的各項信息，調度員可在任一工作站進行操作。

設一臺視頻監控工作站，實現調看全線所有區域的視頻監控信息。

設一臺電力調度員工作站，實現全線供電系統設備信息顯示和遠動控制。

設一臺運行圖工作站，用于運行圖編輯、查看功能。

設一臺維護工作站，實現所有設備狀態的監視功能。同時作為系統網管工作站。

設一臺編播工作站，實現正線PIS設備、車載設備的信息發布及廣播公告等。

調度操作臺，設置數字電話、無線調度臺。

電話，設置公務電話、直通電話等。

派班室設一臺派班終端、調度電話/公務電話及廣播設備。

票務管理及乘務待班室設置AFC票務工作站、調度電話和公務電話。

上述工作均采用綜合調度管理軟件平臺，互為熱備靈活切換。

5.3 網絡設備

設置中心數據承載網冗余以太網三層千兆核心交換機2臺、配線架及相應配套設備。

設置中心局域網交換機及相應配套設備。

6 智能控制系統弱電總集成優點

本文介紹的上述集成系統同實踐中分立布置的系統比較，有以下優點。

6.1 更低的建設投資

由于系統設置了通用硬件平臺，可以通過統一部署服務器硬件，動態分配計算資源，協調實現數據庫、應用、網絡、綜合維護等服務；數據存儲的硬件也可以集中配置；各類型的工作站也可以集中配置，動態分配資源給不同的系統，大幅減少了硬件的投資，同時提高了資金的使用率。

6.2 人工成本的降低

系統中各子系統的硬件規格統一，功能相同，可以互換使用，對維護人員的要求降低。不同功能的實現是根據用戶要求通過權限分配實現的。在任何一臺工作站上，通過配置，都可以實現全部的綜合調度管理功能。

降低調度人員配置。常規的調度崗位設置，分別需要行車調度、客運調度和設備調度，每個崗位是三班倒的形式，每班都至少2人值班，因此需要18個人員編制。若使用智能控制系統，只要設置一個通用調度崗位，包括3個人員分別負責行車調度，客運調度，設備調度，同樣是三班倒的形式，只需要9名調度人員，顯著降低了人員編制。從國內項目實踐來分析，一般工作狀況下3個人即可實現行車和設備調度的需求，同時還可以將設備及乘客調度由1人兼職，降低了運營過程中的人工成本。

降低維護人員配置。同樣，常規的維護崗位設置，需要信號設備維護、供電設備維護、機電設備維護3類人員。如果使用智能控制系統，由于降低了對人員技能的要求，只需要設置通用維護崗位，大大降低了維護人員的成本。

6.3 系統易用性顯著提高

由于集成系統在架構方面的優點，可以方便的在各子系統間共享信息，交互數據，聯動反應，既充分發揮了子系統本身的作用，又通過系統協同產生了新的價值。比如若要與司機交流，在控制界面的圖形上選擇列車即可；當向乘客廣播信息時，其他系統的聲音可自動關閉或調小。為防止緊急情況下人工操作設備可能帶來的安全隱患，可設置CCTV自動監視當前人工操作的設備畫面。子系統之間的動態關聯，避免了人工操作的盲區，降低了人員操作的風險，系統的易用性顯著提高。

6.4 降低維護時間成本

由于系統對子系統具有集中的監控及管理系統，能夠實時獲得終端設備的狀態，因此能夠統一進行管理，降低了維護管理的時間成本。從集中的監控管理系統能夠獲得終端設備的報警信息，通過傳統的故障樹分析及現代人工智能方法，能夠分析故障的原因。更進一步，通過設備運行積累的大數據，可以從出了故障進行維修，逐步轉變為根據系統的預測，對可能出問題的設備進行維修，降低故障發生的概率。

7 結束語

提出一種智能控制系統弱電集成的方式，具有建設投資低、運營人工成本低、系統易用性高、維護時間成本降低等優點，從整體上為業主提高了收益，降低了風險。從技術上，通過巧妙設計的系統架構，將各個子系統充分整合，發揮了協同作用，統一完成對電車運營過程中的調度管理，無論是對行車、客運組織、設備維護和監控功能上都有較大的提升。

目前國內海南三亞、北京亦莊、甘肅天水等多條現代有軌電車，均采用智能控制系統弱電總集成模式。