李海培

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，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，對于實現(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、密集化以及自動化等特征。

為了保證城市軌道交通的有序運行，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)對城市軌道交通進行管理和控制。從當(dāng)前的研究情況來看，云計算、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。云計算是基于硬件的服務(wù)，提供計算、網(wǎng)絡(luò)以及存儲能力，與傳統(tǒng)系統(tǒng)比，云計算具有業(yè)務(wù)連續(xù)性、數(shù)據(jù)耐久性、資源集中性等特點。

將現(xiàn)有城市軌道交通平臺及其技術(shù)應(yīng)用到實際的管理控制工作中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有平臺及其技術(shù)與技術(shù)發(fā)展趨勢相比存在諸多不足，主要體現(xiàn)在聯(lián)動控制效果差、管理效率低等方面。為解決上述問題，需要進一步對城市軌道交通平臺及其關(guān)鍵技術(shù)開展研究并優(yōu)化，以期提高系統(tǒng)的性能，保證城市軌道交通的運行安全。

1 平臺設(shè)計

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)庫數(shù)據(jù)存儲、軟件功能設(shè)計與編碼等多個方面，設(shè)計并優(yōu)化交通平臺及其技術(shù)。

1.1 硬件設(shè)計

1.1.1 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

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]，負責(zé)信息傳遞。在優(yōu)化設(shè)計過程，利用ME3000 模組實現(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。接收機與無線終端之間的聯(lián)系，從場站RTU 中獲取數(shù)據(jù)。在控制過程中，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)生兩個不同的脈沖。場站收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過LM324擴頻處理，將其發(fā)送CTC1 信道[3-4]。此外，優(yōu)化車載無線通信網(wǎng)絡(luò)，在列車設(shè)備和線路上安裝冗余無線電控制裝置，用于接受一個或多個對應(yīng)的地面無線基站信號。為確保無線通訊的可靠性，需要鄰近的兩個無線基站在同一時刻覆蓋現(xiàn)有的軌道運行列車。考慮到列車有同樣的無線單元，這樣就有4 條可用的冗余無線路徑，擴大通信容量，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)主控計算機可與中央控制系統(tǒng)間通過骨干傳輸網(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)場控制級設(shè)備

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

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

現(xiàn)場裝置執(zhí)行指令信號，在調(diào)節(jié)裝置中[5]，PLC控制器輸出一個表示開度的仿真信號，控制閥門的運動，以實現(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)答器裝置安裝在進站信號機處、車站出口和區(qū)間。在列車進入車站后，應(yīng)答器將應(yīng)答器編號、軌道列車進路線路參數(shù)提供給地面。若接車股道為直線進路，則需在直線發(fā)車進路及前方某一段距離處[7]。在辦理正線入路時，入口轉(zhuǎn)發(fā)器提供前一段的暫態(tài)速度[8]。通過無源和有源應(yīng)答器的協(xié)同工作，根據(jù)由小至大的應(yīng)答器號碼判定火車的行駛方向。

1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

為了提供充足的數(shù)據(jù)，構(gòu)建平臺數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)分為靜態(tài)和動態(tài)兩種。靜態(tài)數(shù)據(jù)包括軌道數(shù)據(jù)和站場數(shù)據(jù)等[9]；動態(tài)數(shù)據(jù)是實時行駛參數(shù)信息、道岔狀態(tài)信息等。根據(jù)數(shù)據(jù)來源分類存儲數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫表。部分數(shù)據(jù)庫表的構(gòu)建結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1，同理得出車站、信號機等其它數(shù)據(jù)庫表的構(gòu)建結(jié)果，并形成內(nèi)部連接。利用數(shù)據(jù)庫同步技術(shù)，數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)讀取和寫入。主數(shù)據(jù)庫與備用數(shù)據(jù)庫之間相互獨立，當(dāng)主資料庫發(fā)生停機時，后備資料庫取代資料庫的讀寫量，保證數(shù)據(jù)庫的安全性。

表1 部分數(shù)據(jù)庫表構(gòu)建結(jié)果Tab.1 Partial database table construction results

1.3 軟件功能設(shè)計

1.3.1 生成與管理軌道列車運行時刻表

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

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)、終到時間等條件下，推算中間站的運行時刻。假定城軌站點數(shù)量為N，則在單位時間周期中，第k個站點到達第m個站點的時刻和最小車站間隔表示為

式中：T1為第1 輛列車的發(fā)車時刻；tfunction，tstop，tsite和tstart-up分別為列車的行駛時間、停車時間、在站點的停留時間以及啟動出站時間。利用公式（3）得出列車停站時間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長；topen和tdisplay為開關(guān)車門和車門狀態(tài)顯示的時間，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。判斷生成時刻表是否在時間段i內(nèi)，若判斷結(jié)果為是，計算得出列車的起始運行時刻和到達各個站點的時刻；若判斷結(jié)果為否，根據(jù)對應(yīng)時段的規(guī)則進行參數(shù)修正[11]。根據(jù)時刻表判斷是否存在列車運行沖突，若存在沖突，調(diào)整列車時刻表。

1.3.2 利用云計算技術(shù)監(jiān)測軌道列車位置

平臺根據(jù)時刻表啟動列車運行線程，利用軌道交通環(huán)境中的硬件設(shè)備檢測列車的實時運動位置。進路車次的監(jiān)測過程中，利用云計算技術(shù)從進路數(shù)據(jù)鏈表中查找與進路相對應(yīng)的進路設(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，在裝置的頂部計算車輛編號，并將車輛編號顯示在裝置的頂部，并以車輛編號為依據(jù)，以顯示車輛的使用狀況和時間間隔[12]。同理可以得運行狀態(tài)下、出站狀態(tài)下列車位置的監(jiān)測結(jié)果。

1.3.3 計算軌道列車運行參數(shù)

軌道列車運行參數(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)時間，得出當(dāng)前列車的運行速度參數(shù)為

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

1.3.4 實現(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)度控制兩個方面，實現(xiàn)城市軌道交通平臺的控制功能。列車行駛參數(shù)控制是將實時獲取的v與軌道設(shè)置的最高時速限制比較，若v高于時速限制值，則啟動制動程序，斷開“加油”開關(guān)，直到v低于時速限制值[14]。而列車調(diào)度控制主要發(fā)生在列車運行異常的情況，其控制過程如圖3所示。

按照圖3 流程針對異?；蚬收系牧熊嚰八庈壍溃捎玫啦頂嚅_的方式進行隔離，并調(diào)整后續(xù)列車的運行路線，且通過占用檢查保證調(diào)度后的列車不會與其他列車發(fā)生運行沖突[15]。同時，將列車和軌道的實時狀態(tài)通過平臺的顯示器設(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)用測試

為了測試設(shè)計城市軌道交通云計算及其技術(shù)的應(yīng)用效果，設(shè)計平臺應(yīng)用實驗。

2.1 城市軌道交通研究對象

實驗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，分別為一號線、二號線、三號線、五號線。線路均包含16 個車站，線路長度約為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)，在某個地方發(fā)生故障或者某個節(jié)點發(fā)生故障時，OTN 根據(jù)需要進行調(diào)整。通過光纖環(huán)形網(wǎng)將控制中心的各個部分的設(shè)備串聯(lián)，形成局域網(wǎng)。

2.2 準備城市軌道交通管理與控制實例樣本

從列車運行時刻表修改、列車行駛參數(shù)控制、列車聯(lián)合調(diào)度控制3 個方面準備實驗的應(yīng)用實例樣本，部分實例樣本設(shè)置情況，如表2所示。

表2 平臺應(yīng)用實例樣本設(shè)置Tab.2 Platform application sample settings

此次實驗共設(shè)置50 個任務(wù)實例，時刻表修改和速度控制任務(wù)數(shù)量均為20 個，調(diào)度控制任務(wù)量為10 個。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)計平臺的輸入項。

2.3 設(shè)置平臺應(yīng)用測試指標

此次實驗從平臺應(yīng)用功能方面進行測試，設(shè)置應(yīng)用功能的量化測試指標為任務(wù)運行成功率和控制誤差，任務(wù)運行成功率是度量列車時刻表修改管理任務(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分別為時刻表管理和列車調(diào)度運行成功的樣本數(shù)量。通過對比輸出結(jié)果與預(yù)期結(jié)果，判斷當(dāng)前任務(wù)是否成功，并通過數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，得出上述兩個指標的取值結(jié)果；λall為實驗準備的樣本總數(shù)量，包含管理和調(diào)度控制兩個方面的任務(wù)，取值為30。另外列車運行速度的控制誤差度量指標可以表示為

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

2.4 應(yīng)用測試過程與結(jié)果分析

2.4.1 應(yīng)用測試過程

連接設(shè)備，并將軟件程序代入，導(dǎo)入主測計算機。在保證設(shè)計平臺在實驗環(huán)境中正常運行的情況下，逐一將準備的實例樣本通過交互界面輸入到主測計算機，分別記錄平臺的運行響應(yīng)結(jié)果，并調(diào)取后臺運行時間數(shù)據(jù)。

2.4.2 功能測試結(jié)果

經(jīng)過設(shè)計平臺及技術(shù)的運行，得出任務(wù)輸出結(jié)果。實例任務(wù)A01 和D01 的運行輸出結(jié)果如圖4所示。

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

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

表3 城市軌道列車速度控制功能測試結(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），計算得出設(shè)計平臺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)計平臺具有良好的應(yīng)用效果。

3 結(jié)語

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，實現(xiàn)了城市軌道交通云計算技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計，從實驗結(jié)果可知，具有良好的應(yīng)用效果。由于平臺應(yīng)用測試實驗設(shè)置的樣本數(shù)量少，因此實驗存在一定局限性，將在后續(xù)研究工作中進一步改善。