自動控制技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用與發(fā)展

李歡

（西安交通工程學(xué)院交通運輸學(xué)院，陜西西安，710300）

軌道交通是助推經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)，加快軌道交通建設(shè)，完善“米”字型高鐵網(wǎng)，發(fā)展多制式一體化的軌道交通網(wǎng)，成為促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)與社會的可持續(xù)發(fā)展的途徑之一。軌道交通的發(fā)展離不開控制它的“中樞神經(jīng)”—自動控制技術(shù)。自動控制技術(shù)奠定了軌道交通實現(xiàn)集中統(tǒng)一指揮的基礎(chǔ)，提高了列車運行的安全性，對軌道交通的發(fā)展有至關(guān)重要的作用。

1 自動控制技術(shù)在軌道交通中應(yīng)用的必要性

隨著城市化進(jìn)程加快，帶來了交通擁擠，污染嚴(yán)重，交通事故頻發(fā)等一系列問題，而軌道交通自身具有速度快，污染小，運量大等特點，成為快速發(fā)展軌道交通關(guān)鍵。軌道交通包含傳統(tǒng)鐵路和城市軌道交通，城市軌道交通的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模是一個城市經(jīng)濟(jì)水平的體現(xiàn)，近年來各城市大力發(fā)展城市軌道交通，如地鐵、輕軌還有新型的市域快速軌道等系統(tǒng)的規(guī)模在擴(kuò)大的同時也在朝著經(jīng)濟(jì)化、智能化和環(huán)?；确较虬l(fā)展。

利用先進(jìn)的自動控制技術(shù)同時結(jié)合計算機(jī)技術(shù)可實現(xiàn)具有自動控制、統(tǒng)一指揮、集中管理的軌道交通系統(tǒng)。自動控制技術(shù)通過對軌道交通中的信號設(shè)備進(jìn)行自動控制與監(jiān)控，不僅大幅度提升了對軌道交通運行控制的效果，也保障了軌道交通的運行安全，推動了軌道交通行業(yè)快速的發(fā)展。

在軌道交通系統(tǒng)中，使用自動控制技術(shù)實現(xiàn)線路、橋、隧道等固定設(shè)備和機(jī)車、車輛等移動設(shè)備的統(tǒng)一指揮，實現(xiàn)對軌道交通系統(tǒng)中設(shè)備的集中管理，提高運營管理水平是衡量現(xiàn)代化軌道交通發(fā)展水平的重要指標(biāo)之一。自動控制技術(shù)不僅能最大限度的保證軌道交通安全運行，還提高了列車的行車密度，改善了運營服務(wù)質(zhì)量，減輕工作人員的勞動強(qiáng)度的功能，也為實現(xiàn)列車的無人駕駛提供了技術(shù)支撐[2]。

2 自動控制在軌道交通中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

■2.1 對軌道交通信號系統(tǒng)實施自動控制與監(jiān)控

隨著我國軌道交通線網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，軌道交通線路也逐漸復(fù)雜化，為保障列車運行時故障能夠及時處理，對軌道交通信號系統(tǒng)控制技術(shù)的要求也逐漸提高。在信號系統(tǒng)中采用自動控制技術(shù)對全線信號設(shè)備進(jìn)行實時控制與監(jiān)控，可以實時掌握軌道交通信號設(shè)備的狀態(tài)及運行數(shù)據(jù)，對運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并保存，這樣在信號設(shè)備處于故障狀態(tài)下參考?xì)v史數(shù)據(jù)，能夠?qū)收涎杆僮龀鲇行袛嗖⒓皶r維修，極大程度保證了乘客安全，減少了運營損失。如轉(zhuǎn)轍機(jī)作為軌道交通中的信號基礎(chǔ)設(shè)備之一，主要作用是轉(zhuǎn)換和鎖閉道岔。利用自動控制技術(shù)監(jiān)測轉(zhuǎn)轍機(jī)的狀態(tài)，在監(jiān)測到轉(zhuǎn)轍機(jī)完成道岔轉(zhuǎn)換且尖軌與基本軌密貼后，實行自動鎖閉并給出正確記錄與表示，而在道岔長時間處于“四開”狀態(tài)時，通過自動控制系統(tǒng)的監(jiān)控功能發(fā)出報警。在軌道交通信號系統(tǒng)中對信號設(shè)備實施自動控制技術(shù)，使設(shè)備趨于自動化化運行，節(jié)約人力資源，保證了行車安全，使運輸效率得到顯著提高。

■2.2 在軌道交通中采用的移動閉塞技術(shù)

移動閉塞消除了固定閉塞區(qū)間的劃分，前后兩輛列車之間的安全距離不固定，是動態(tài)變化的。移動閉塞是一個全自動化的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對前后兩輛列車的速度和位置實時分析與計算，得到最大制動距離，采用一次制動曲線方式，如圖1 所示。這種技術(shù)方法的最大優(yōu)勢是在保證列車安全制動距離的基礎(chǔ)上，極大程度的減小了前后兩輛列車行車間隔，提高了線路的通過能力。移動閉塞結(jié)合信號系統(tǒng)與控制系統(tǒng)及列車運行自動化等方面的理念，在列車自動控制系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。

圖1 移動閉塞

3 自動控制技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用

■3.1 實現(xiàn)軌道交通的自動化

軌道交通系統(tǒng)的自動化運行離不開列車自動控制技術(shù)，自動化可以減少人為因素的不利影響，提高線路通過能力，使列車能夠按照運行圖準(zhǔn)點運行，實現(xiàn)對列車的自動控制。在列車自動控制系統(tǒng)(ATC)中引入自動控制技術(shù)來控制列車速度以及行車間隔時間等，以保證列車能夠安全有序運行，其功能的實現(xiàn)離不開它的三個子系統(tǒng)。作為子系統(tǒng)之一的列車自動駕駛系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，與列車自動防護(hù)系統(tǒng)互相配合來控制列車的加速、減速及停止等狀態(tài)，使列車在運行時能得到最佳速度，它替代了傳統(tǒng)的人工駕駛，使列車能夠按照運行圖的設(shè)定準(zhǔn)點停車，準(zhǔn)點停車之后安全門自動開啟與關(guān)閉，減少了人力成本和旅客候車時間，提高了列車的運營效率[3]。

列車自動防護(hù)系統(tǒng)是ATC 的重要子系統(tǒng)之一。列車自動防護(hù)系統(tǒng)依據(jù)自動控制原理中的閉環(huán)控制的思想，主要作用是防止列車超速，其中車載主機(jī)是列車自動防護(hù)系統(tǒng)的核心設(shè)備，列車自動防護(hù)系統(tǒng)工作原理如圖2 所示。車載主機(jī)實時接收從地面發(fā)送的信號，在對該信號進(jìn)行分析和計算后，實時向列車的牽引系統(tǒng)或制動系統(tǒng)發(fā)出控制指令，在接收到牽引指令時，對列車施加牽引力使列車加速，在接收到制動指令時，對列車施加制動力使列車減速或停車。速度傳感器安裝在列車車軸上，對列車的運行速度進(jìn)行實時測量[3]，并把測量的速度值反饋給車載主機(jī)，車載主機(jī)再對測量的速度進(jìn)行分析計算，若測量的實際速度大于最大允許速度，車載主機(jī)發(fā)出制動指令。列車自動防護(hù)系統(tǒng)與列車自動駕駛系統(tǒng)共同實現(xiàn)了對列車運行速度的閉環(huán)控制，閉環(huán)控制的優(yōu)勢在于可以實時測量列車運行速度，不僅能夠保證列車運行速度不超過允許的最大值，也能夠獲得最佳的行駛速度。

圖2 列車自動防護(hù)系統(tǒng)工作原理

列車自動監(jiān)控系統(tǒng)是ATC 的第三大子系統(tǒng)，其有監(jiān)督和控制兩大功能。監(jiān)督是通過控制中心的設(shè)備將列車的運行信息進(jìn)行實時顯示，控制是指揮控制列車嚴(yán)格按照運行圖行車，與列車自動防護(hù)系統(tǒng)和列自動駕駛系統(tǒng)共同完成對全線列車的運營管理。

■3.2 實現(xiàn)軌道交通的集成化

軌道交通是集多種復(fù)雜技術(shù)于一身的復(fù)雜系統(tǒng)，包含了信號系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、以及環(huán)控系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)為保證軌道交通的安全運行發(fā)揮著各自的作用。為實現(xiàn)軌道信號、售檢票、火災(zāi)自動報警、電力監(jiān)控、機(jī)電設(shè)備與監(jiān)控等系統(tǒng)之間的信息傳輸，采用三層分布式計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)中央級、車站級和現(xiàn)場級三級監(jiān)控，并在各系統(tǒng)的外部建立接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，建成信息傳輸通道，將各子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來，形成互相協(xié)作的關(guān)系，構(gòu)建綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)[4]，提高軌道交通的自動化水平，減輕工作人員在處理緊急情況時的壓力，保證對軌道交通系統(tǒng)進(jìn)行有條不紊地控制，實現(xiàn)軌道交通的集成化控制。

■3.3 完成車地信息雙向傳輸

車地信息雙向傳輸是列車自動駕駛系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。將列車的運行狀態(tài)車次等信息從車上向地面直接傳遞，地面向列車傳遞列車的自動折返的運行線路、運行狀態(tài)及目的地等信息。在這個過程中需要實時的通信設(shè)備傳遞列車數(shù)據(jù)，在列車自動控制系統(tǒng)的監(jiān)督下完成車地信息傳輸?；跓o線的車地雙向信息傳輸不僅可以雙向傳輸數(shù)據(jù)，還具有傳輸信息量大，設(shè)備易于維護(hù)，成本低等特點，在我國的列車信息雙向傳輸領(lǐng)域中已有廣泛應(yīng)用。

■3.4 實現(xiàn)軌道交通的智能化

軌道交通智能化有利于實現(xiàn)資源共享、互相協(xié)作，形成綜合運輸信息化平臺。為實現(xiàn)軌道交通的智能化需要采取有效的智能控制技術(shù)。利用智能控制技術(shù)可以實現(xiàn)對軌道交通系統(tǒng)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，為乘客提供良好的人機(jī)交互體驗，為軌道交通的運營提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐。模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和基于知識的專家控制等是智能控制技術(shù)采用的主要方法。利用這些方法可以實現(xiàn)軌道交通系統(tǒng)電氣設(shè)備的故障診斷和預(yù)測、保護(hù)與控制，如在自動控制系統(tǒng)中有一種具有智能化的模糊控制器，可以構(gòu)成對列車的電動機(jī)的轉(zhuǎn)速具有反饋通道的模糊控制系統(tǒng)。這種控制方法實現(xiàn)了對電動機(jī)速度的實時監(jiān)測和故障的診斷。智能控制技術(shù)在軌道交通供電系統(tǒng)中通過對變壓器油中分解出來的氣體進(jìn)行智能化分析，可以找出變壓器的故障范。因此，實現(xiàn)軌道交通智能化是未來的發(fā)展趨勢。

■3.5 方便維修管理

軌道交通空間具有密閉性，且運輸密度大，各設(shè)備使用頻率高，一旦設(shè)備故障需要及時維修，否則對系統(tǒng)會有重大影響。傳統(tǒng)的設(shè)備運維管理主要是將設(shè)備的維修記錄、故障史等都采取人工記錄的方式，自動化程度低，沒有形成系統(tǒng)的運維管理系統(tǒng)，現(xiàn)階段隨著計算機(jī)技術(shù)的引入，對系統(tǒng)的運維數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化集成，實現(xiàn)面向設(shè)備運維的管理系統(tǒng)，有效的幫助運維人員進(jìn)行決策，提高設(shè)備運維效率，使各類設(shè)備的管理也不斷朝著信息化、智能化及可視化等方向發(fā)展[5]。

4 自動化控制技術(shù)在軌道交通中的發(fā)展趨勢

隨著社會經(jīng)濟(jì)及信息技術(shù)的不斷發(fā)展，軌道交通系統(tǒng)也面臨新的問題，軌道交通的路網(wǎng)規(guī)模在不斷增大的同時，線網(wǎng)負(fù)荷強(qiáng)度也與日俱增，這導(dǎo)致了線路的運輸效率與安全性降低，這也對自動控制技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用提出了更高的要求，為適應(yīng)當(dāng)下的技術(shù)要求，自動控制技術(shù)開始向更高級的智能控制技術(shù)發(fā)展。因此軌道交通的智能化也成為當(dāng)今的熱點話題，智能化是在自動化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的提升軌道交通的運輸效率，最大程度的減少環(huán)境污染和線網(wǎng)負(fù)荷強(qiáng)度過大的問題。其次軌道交通智能化是實現(xiàn)智慧交通的核心，可以對系統(tǒng)龐大的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行整合，利用可視化的平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示與監(jiān)測等多種功能，智能化對于地鐵這種大運量且人流密集的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)高效的客流監(jiān)測，在事故狀態(tài)或特殊情況下以自動化的運營流程極大程度的減少了事故的處理時間，保證乘客安全。智能化也可以實現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)之間的資源共享，為日常運營和數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)提供高效的服務(wù)。

軌道交通智能化以個性化的服務(wù)來提升服務(wù)水平和運營效率，推動著信息技術(shù)的發(fā)展，可以為國家新興產(chǎn)業(yè)提供廣闊的應(yīng)用環(huán)境[6]。而軌道交通的智能化發(fā)展必然離不開安全可靠的智能控制技術(shù)，在自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展智能控制技術(shù)，研發(fā)出具有良好的人機(jī)交互體驗，且擴(kuò)展性強(qiáng)、集成度高的的軌道交通綜臺化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對軌道交通系統(tǒng)運營的智能化管理。

5 結(jié)語

自動控制技術(shù)在軌道交通中應(yīng)用廣泛，且發(fā)揮著其控制技術(shù)方面的重要作用，其對軌道交通的持續(xù)快速發(fā)展具有重要影響。未來將進(jìn)一步通過自動控制技術(shù)實現(xiàn)軌道交通朝著智能化方向發(fā)展，將自動控制技術(shù)與多學(xué)科技術(shù)進(jìn)行交叉融合，加快發(fā)展智慧交通，推動軌道交通智能化應(yīng)用水平，為我國經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展創(chuàng)造巨大效益。