李海培

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安710043）

城市軌道交通是城市區(qū)域使用車輛在固定導(dǎo)軌上運(yùn)行。與其他交通形式相比，城市軌道交通具有低能耗、少污染的特征，對(duì)于實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。城市軌道交通呈現(xiàn)出高速化、智能化、密集化以及自動(dòng)化等特征。

為了保證城市軌道交通的有序運(yùn)行，避免出現(xiàn)軌道車輛碰撞、線路沖突等事故，需要利用相關(guān)技術(shù)對(duì)城市軌道交通進(jìn)行管理和控制。從當(dāng)前的研究情況來(lái)看，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)在城市軌道交通的管理與控制工作中逐漸得到應(yīng)用，并逐漸成為交通發(fā)展的必然趨勢(shì)。云計(jì)算是基于硬件的服務(wù)，提供計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)以及存儲(chǔ)能力，與傳統(tǒng)系統(tǒng)比，云計(jì)算具有業(yè)務(wù)連續(xù)性、數(shù)據(jù)耐久性、資源集中性等特點(diǎn)。

將現(xiàn)有城市軌道交通平臺(tái)及其技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際的管理控制工作中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有平臺(tái)及其技術(shù)與技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)相比存在諸多不足，主要體現(xiàn)在聯(lián)動(dòng)控制效果差、管理效率低等方面。為解決上述問(wèn)題，需要進(jìn)一步對(duì)城市軌道交通平臺(tái)及其關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究并優(yōu)化，以期提高系統(tǒng)的性能，保證城市軌道交通的運(yùn)行安全。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)

以優(yōu)化城市軌道交通的管理和控制效果為目的，從硬件設(shè)備調(diào)用、數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、軟件功能設(shè)計(jì)與編碼等多個(gè)方面，設(shè)計(jì)并優(yōu)化交通平臺(tái)及其技術(shù)。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

通信網(wǎng)絡(luò)主要由主干傳輸網(wǎng)絡(luò)、車地?zé)o線通訊網(wǎng)絡(luò)、分區(qū)內(nèi)部的安全通訊網(wǎng)絡(luò)3 部分組成[2]，負(fù)責(zé)信息傳遞。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，利用ME3000 模組實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)、傳輸。ME3000 采用統(tǒng)一的行業(yè)界面和SIM 卡內(nèi)存。利用通信網(wǎng)絡(luò)上的傳輸線路把訊息傳輸至服務(wù)器端或控制終端。接收機(jī)與無(wú)線終端之間的聯(lián)系，從場(chǎng)站RTU 中獲取數(shù)據(jù)。在控制過(guò)程中，信道控制器將二值數(shù)據(jù)的0 和1 傳輸出去，并由信道產(chǎn)生兩個(gè)不同的脈沖。場(chǎng)站收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)LM324擴(kuò)頻處理，將其發(fā)送CTC1 信道[3-4]。此外，優(yōu)化車載無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，在列車設(shè)備和線路上安裝冗余無(wú)線電控制裝置，用于接受一個(gè)或多個(gè)對(duì)應(yīng)的地面無(wú)線基站信號(hào)。為確保無(wú)線通訊的可靠性，需要鄰近的兩個(gè)無(wú)線基站在同一時(shí)刻覆蓋現(xiàn)有的軌道運(yùn)行列車。考慮到列車有同樣的無(wú)線單元，這樣就有4 條可用的冗余無(wú)線路徑，擴(kuò)大通信容量，避免出現(xiàn)通信擁塞的情況。另外分區(qū)安全通信網(wǎng)模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

從圖1 可知，在智能網(wǎng)關(guān)的輔助下，分區(qū)主控計(jì)算機(jī)可與中央控制系統(tǒng)間通過(guò)骨干傳輸網(wǎng)連接直接通信。

圖1 分區(qū)安全通信網(wǎng)模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of partitioned secure communication network module

1.1.2 現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)設(shè)備

選擇PLC 設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)平臺(tái)的控制器設(shè)備，具有可編程功能，根據(jù)輸入的控制程序啟動(dòng)和運(yùn)行。優(yōu)化設(shè)計(jì)的控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Traffic field controller structure diagram

現(xiàn)場(chǎng)裝置執(zhí)行指令信號(hào)，在調(diào)節(jié)裝置中[5]，PLC控制器輸出一個(gè)表示開(kāi)度的仿真信號(hào)，控制閥門的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)控制指令。

1.1.3 應(yīng)答器

應(yīng)答器裝置是高速的數(shù)據(jù)傳輸裝置，其工作的主要任務(wù)是將線路坡度、閉塞區(qū)域、臨時(shí)速度限制等信息傳送到軌道列車。應(yīng)答器裝置包括地面電子裝置、車載天線、轉(zhuǎn)發(fā)器傳輸模塊等元件[6]。應(yīng)答器裝置安裝在進(jìn)站信號(hào)機(jī)處、車站出口和區(qū)間。在列車進(jìn)入車站后，應(yīng)答器將應(yīng)答器編號(hào)、軌道列車進(jìn)路線路參數(shù)提供給地面。若接車股道為直線進(jìn)路，則需在直線發(fā)車進(jìn)路及前方某一段距離處[7]。在辦理正線入路時(shí)，入口轉(zhuǎn)發(fā)器提供前一段的暫態(tài)速度[8]。通過(guò)無(wú)源和有源應(yīng)答器的協(xié)同工作，根據(jù)由小至大的應(yīng)答器號(hào)碼判定火車的行駛方向。

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

為了提供充足的數(shù)據(jù)，構(gòu)建平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。靜態(tài)數(shù)據(jù)包括軌道數(shù)據(jù)和站場(chǎng)數(shù)據(jù)等[9]；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)行駛參數(shù)信息、道岔狀態(tài)信息等。根據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)源分類存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)表。部分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)表的構(gòu)建結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1，同理得出車站、信號(hào)機(jī)等其它數(shù)據(jù)庫(kù)表的構(gòu)建結(jié)果，并形成內(nèi)部連接。利用數(shù)據(jù)庫(kù)同步技術(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)讀取和寫入。主數(shù)據(jù)庫(kù)與備用數(shù)據(jù)庫(kù)之間相互獨(dú)立，當(dāng)主資料庫(kù)發(fā)生停機(jī)時(shí)，后備資料庫(kù)取代資料庫(kù)的讀寫量，保證數(shù)據(jù)庫(kù)的安全性。

表1 部分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)表構(gòu)建結(jié)果Tab.1 Partial database table construction results

1.3 軟件功能設(shè)計(jì)

1.3.1 生成與管理軌道列車運(yùn)行時(shí)刻表

制定列車運(yùn)行的時(shí)刻表時(shí)，確定列車運(yùn)行時(shí)段、各個(gè)時(shí)段的運(yùn)行間隔、車站停車時(shí)刻等參數(shù)，并據(jù)此求出列車運(yùn)行周期和上線列車數(shù)[10]。列車運(yùn)行時(shí)刻表可劃分為工作日、雙休日、假期3 種運(yùn)行周期。定義城市軌道列車每天的第i個(gè)時(shí)間周期的間隔為

式中：n為列車的編組數(shù)量；ηi和Wi分別為任意時(shí)段i的滿載率和最大斷面客流量。當(dāng)確定列車始發(fā)、終到時(shí)間等條件下，推算中間站的運(yùn)行時(shí)刻。假定城軌站點(diǎn)數(shù)量為N，則在單位時(shí)間周期中，第k個(gè)站點(diǎn)到達(dá)第m個(gè)站點(diǎn)的時(shí)刻和最小車站間隔表示為

式中：T1為第1 輛列車的發(fā)車時(shí)刻；tfunction，tstop，tsite和tstart-up分別為列車的行駛時(shí)間、停車時(shí)間、在站點(diǎn)的停留時(shí)間以及啟動(dòng)出站時(shí)間。利用公式（3）得出列車停站時(shí)間tsite為

式中：min和moff分別為車站上車和下車的人數(shù)；tin/off為一位乘客上下車的平均時(shí)長(zhǎng)；topen和tdisplay為開(kāi)關(guān)車門和車門狀態(tài)顯示的時(shí)間，其均為定值；另外參數(shù)M和d分別為列車的編成數(shù)量和列車的車門數(shù)量。判斷生成時(shí)刻表是否在時(shí)間段i內(nèi)，若判斷結(jié)果為是，計(jì)算得出列車的起始運(yùn)行時(shí)刻和到達(dá)各個(gè)站點(diǎn)的時(shí)刻；若判斷結(jié)果為否，根據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)段的規(guī)則進(jìn)行參數(shù)修正[11]。根據(jù)時(shí)刻表判斷是否存在列車運(yùn)行沖突，若存在沖突，調(diào)整列車時(shí)刻表。

1.3.2 利用云計(jì)算技術(shù)監(jiān)測(cè)軌道列車位置

平臺(tái)根據(jù)時(shí)刻表啟動(dòng)列車運(yùn)行線程，利用軌道交通環(huán)境中的硬件設(shè)備檢測(cè)列車的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)位置。進(jìn)路車次的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，利用云計(jì)算技術(shù)從進(jìn)路數(shù)據(jù)鏈表中查找與進(jìn)路相對(duì)應(yīng)的進(jìn)路設(shè)置群，依次從裝置群中讀出裝置的數(shù)據(jù)，再判定裝置的種類，在裝置的頂部計(jì)算車輛編號(hào)，并將車輛編號(hào)顯示在裝置的頂部，并以車輛編號(hào)為依據(jù)，以顯示車輛的使用狀況和時(shí)間間隔[12]。同理可以得運(yùn)行狀態(tài)下、出站狀態(tài)下列車位置的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

1.3.3 計(jì)算軌道列車運(yùn)行參數(shù)

軌道列車運(yùn)行參數(shù)主要是列車的行駛速度，分別記錄城市軌道兩側(cè)安裝應(yīng)答器的響應(yīng)時(shí)間，得出當(dāng)前列車的運(yùn)行速度參數(shù)為

式中：τi和τi-1分別為兩個(gè)相鄰應(yīng)答器的響應(yīng)時(shí)間；ΔL為應(yīng)答器之間的間隔距離[13]。由此得到任意時(shí)刻列車實(shí)際行駛速度。

1.3.4 實(shí)現(xiàn)城市軌道交通云控制功能

從列車行駛參數(shù)控制、列車調(diào)度控制兩個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通平臺(tái)的控制功能。列車行駛參數(shù)控制是將實(shí)時(shí)獲取的v與軌道設(shè)置的最高時(shí)速限制比較，若v高于時(shí)速限制值，則啟動(dòng)制動(dòng)程序，斷開(kāi)“加油”開(kāi)關(guān)，直到v低于時(shí)速限制值[14]。而列車調(diào)度控制主要發(fā)生在列車運(yùn)行異常的情況，其控制過(guò)程如圖3所示。

按照?qǐng)D3 流程針對(duì)異?；蚬收系牧熊嚰八庈壍溃捎玫啦頂嚅_(kāi)的方式進(jìn)行隔離，并調(diào)整后續(xù)列車的運(yùn)行路線，且通過(guò)占用檢查保證調(diào)度后的列車不會(huì)與其他列車發(fā)生運(yùn)行沖突[15]。同時(shí)，將列車和軌道的實(shí)時(shí)狀態(tài)通過(guò)平臺(tái)的顯示器設(shè)備可視化。

圖3 城市軌道列車調(diào)度控制流程Fig.3 Flow chart of urban rail train scheduling control

2 應(yīng)用測(cè)試

為了測(cè)試設(shè)計(jì)城市軌道交通云計(jì)算及其技術(shù)的應(yīng)用效果，設(shè)計(jì)平臺(tái)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。

2.1 城市軌道交通研究對(duì)象

實(shí)驗(yàn)以某一線城市作為研究背景，該城市軌道交通共包含4 條線路，分別為一號(hào)線、二號(hào)線、三號(hào)線、五號(hào)線。線路均包含16 個(gè)車站，線路長(zhǎng)度約為280 km，覆蓋該城市的主要行政區(qū)域。市政通信部門為城市軌道交通提供OTN 光纖的大型環(huán)形網(wǎng)，OTN 網(wǎng)具有冗余技術(shù)，在某個(gè)地方發(fā)生故障或者某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，OTN 根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)光纖環(huán)形網(wǎng)將控制中心的各個(gè)部分的設(shè)備串聯(lián)，形成局域網(wǎng)。

2.2 準(zhǔn)備城市軌道交通管理與控制實(shí)例樣本

從列車運(yùn)行時(shí)刻表修改、列車行駛參數(shù)控制、列車聯(lián)合調(diào)度控制3 個(gè)方面準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用實(shí)例樣本，部分實(shí)例樣本設(shè)置情況，如表2所示。

表2 平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例樣本設(shè)置Tab.2 Platform application sample settings

此次實(shí)驗(yàn)共設(shè)置50 個(gè)任務(wù)實(shí)例，時(shí)刻表修改和速度控制任務(wù)數(shù)量均為20 個(gè)，調(diào)度控制任務(wù)量為10 個(gè)。按照上述方式得出其它交通管理與控制任務(wù)樣本的設(shè)置情況，以此作為設(shè)計(jì)平臺(tái)的輸入項(xiàng)。

2.3 設(shè)置平臺(tái)應(yīng)用測(cè)試指標(biāo)

此次實(shí)驗(yàn)從平臺(tái)應(yīng)用功能方面進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置應(yīng)用功能的量化測(cè)試指標(biāo)為任務(wù)運(yùn)行成功率和控制誤差，任務(wù)運(yùn)行成功率是度量列車時(shí)刻表修改管理任務(wù)和列車調(diào)度控制任務(wù)，其數(shù)值結(jié)果為

式中：λTimetable和λdispatch分別為時(shí)刻表管理和列車調(diào)度運(yùn)行成功的樣本數(shù)量。通過(guò)對(duì)比輸出結(jié)果與預(yù)期結(jié)果，判斷當(dāng)前任務(wù)是否成功，并通過(guò)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，得出上述兩個(gè)指標(biāo)的取值結(jié)果；λall為實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的樣本總數(shù)量，包含管理和調(diào)度控制兩個(gè)方面的任務(wù)，取值為30。另外列車運(yùn)行速度的控制誤差度量指標(biāo)可以表示為

式中：vact和vPreset為實(shí)際運(yùn)行速度和預(yù)設(shè)控制速度；為絕對(duì)值符號(hào)。任務(wù)運(yùn)行成功率越低、控制誤差越大說(shuō)明對(duì)應(yīng)平臺(tái)應(yīng)用效果越差，因此要求任務(wù)運(yùn)行成功率不低于95%，控制誤差不高于0.5 km/h。

2.4 應(yīng)用測(cè)試過(guò)程與結(jié)果分析

2.4.1 應(yīng)用測(cè)試過(guò)程

連接設(shè)備，并將軟件程序代入，導(dǎo)入主測(cè)計(jì)算機(jī)。在保證設(shè)計(jì)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中正常運(yùn)行的情況下，逐一將準(zhǔn)備的實(shí)例樣本通過(guò)交互界面輸入到主測(cè)計(jì)算機(jī)，分別記錄平臺(tái)的運(yùn)行響應(yīng)結(jié)果，并調(diào)取后臺(tái)運(yùn)行時(shí)間數(shù)據(jù)。

2.4.2 功能測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)平臺(tái)及技術(shù)的運(yùn)行，得出任務(wù)輸出結(jié)果。實(shí)例任務(wù)A01 和D01 的運(yùn)行輸出結(jié)果如圖4所示。

圖4 城市軌道交通云計(jì)算平臺(tái)運(yùn)行輸出結(jié)果Fig.4 Output results of urban rail transit cloud computing platform operation

同理可以得出其它實(shí)例任務(wù)運(yùn)行輸出結(jié)果，得到時(shí)刻表管理和列車調(diào)度運(yùn)行成功的樣本數(shù)量分別為19 和10，將其代入公式（5），得出任務(wù)運(yùn)行成功率為96.7%，高于95%。另外速度控制任務(wù)的測(cè)試結(jié)果，如表3所示。

表3 城市軌道列車速度控制功能測(cè)試結(jié)果Tab.3 Speed control function test results of urban rail train

將表3 中的數(shù)據(jù)代入公式（6），計(jì)算得出設(shè)計(jì)平臺(tái)的平均速度控制誤差為0.1 km/h，低于預(yù)設(shè)值。因此設(shè)計(jì)平臺(tái)具有良好的應(yīng)用效果。

3 結(jié)語(yǔ)

軌道交通的管理與控制向?qū)I(yè)化、智能化、集約化的方向發(fā)展。根據(jù)當(dāng)前城市軌道業(yè)務(wù)積累，實(shí)現(xiàn)了城市軌道交通云計(jì)算技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，具有良好的應(yīng)用效果。由于平臺(tái)應(yīng)用測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)置的樣本數(shù)量少，因此實(shí)驗(yàn)存在一定局限性，將在后續(xù)研究工作中進(jìn)一步改善。