城市軌道交通ATP 仿真系統(tǒng)的初步研究
摘　要:基于我國(guó)目前城市軌道交通發(fā)展的需求分析以及列車超速防護(hù)ATP 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析,提出ATP 仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)目標(biāo)與指導(dǎo)原則,以及A TP 仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能.
關(guān)鍵詞:城市軌道交通;列車超速防護(hù);

近年來(lái),隨著北京地鐵擴(kuò)建、上海和廣州地鐵的相繼建成投運(yùn)以及北京輕軌線路的即將開(kāi)工,我國(guó)城市軌道交通的發(fā)展規(guī)模越來(lái)越大,然而我國(guó)的列車自動(dòng)控制A TC(Automatic Train Control) 水平還處于起步階段,車地一體的成套系統(tǒng)設(shè)備尚需從國(guó)外引進(jìn). 跟蹤國(guó)外A TC 系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展,研制國(guó)產(chǎn)化A TC 系統(tǒng)的任務(wù)已迫在眉睫.
城市交通A TC 系統(tǒng)通常包括列車超速防護(hù)A TP(Automatic Train Protection) 、列車自動(dòng)駕駛A TO(Automatic Train Operation) 和列車自動(dòng)監(jiān)控A TS(Automatic Train Supervision) 3 個(gè)子系統(tǒng),其中A TP 子系統(tǒng)采用故障安全設(shè)計(jì),完成列車運(yùn)行的間隔控制、進(jìn)路控制和超速防護(hù)等功能,對(duì)于保證列車運(yùn)行安全和提高行車效率起著很重要的作用[ 1 ].
與單項(xiàng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)不同,城市軌道交通A TP 是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),涉及機(jī)車車輛、地車通信、信號(hào)聯(lián)鎖、行車指揮以及司機(jī)駕駛等諸多因素,系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中的疏漏乃至錯(cuò)誤都在所難免, 所研制設(shè)備的性能測(cè)試與改進(jìn)也不可能一蹴而就,應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、研究建立A TP 仿真系統(tǒng)是進(jìn)行A TP 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的必要條件和必然選擇.
1 　ATP 仿真系統(tǒng)目標(biāo)與開(kāi)發(fā)原則
1. 1 　系統(tǒng)目標(biāo)
(1) 建立輔助開(kāi)發(fā)平臺(tái)　在ATP 系統(tǒng)研發(fā)期間,應(yīng)用數(shù)字仿真與半實(shí)物仿真相結(jié)合的手段,對(duì)所研制的ATP 設(shè)備進(jìn)行仿真測(cè)試,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)疏漏,縮短新產(chǎn)品的研制周期;同時(shí)還可以進(jìn)行設(shè)備參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì).
(2) 建立自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)　對(duì)ATP 系統(tǒng)的整體性能以及各個(gè)子系統(tǒng)的各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試, 檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的ATP 系統(tǒng)的可靠性、可用性和可維護(hù)性指標(biāo),給出性能測(cè)試報(bào)告.
(3) 提供方案的評(píng)價(jià)手段　應(yīng)用數(shù)字仿真對(duì)ATP 系統(tǒng)方案的可行性進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估.
(4) 建立系統(tǒng)演示與人員培訓(xùn)環(huán)境　利用多媒體手段對(duì)ATP 系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)、功能和運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行生動(dòng)的展示,并提供ATP 仿真系統(tǒng)工作人員以及現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)工作人員的業(yè)務(wù)培訓(xùn)環(huán)境,包括設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)、安裝、調(diào)試和維護(hù)等.

1. 2 　系統(tǒng)開(kāi)發(fā)原則
(1) 通用性與開(kāi)放性　從適用范圍方面,考慮擴(kuò)展為地面鐵路ATP 仿真系統(tǒng)的需求;從系統(tǒng)功能方面,預(yù)留擴(kuò)展為ATS 與ATO 仿真系統(tǒng)的接口.
(2) 數(shù)字仿真與半實(shí)物仿真相結(jié)合.
(3) 組態(tài)化建模　適應(yīng)不同模式的ATP 系統(tǒng),保證仿真對(duì)象某一部分不同時(shí),僅通過(guò)組態(tài)將基本部分加以重新組合就可獲得新的仿真模型,而不必修改仿真的原程序.

(4) 優(yōu)越的人機(jī)交互性能.
1. 3 　仿真對(duì)象描述城市軌道交通ATP 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示,各部分的主要功能為:
(1) 區(qū)域控制中心　是ATP 系統(tǒng)的核心. 一方面,向ATS 系統(tǒng)提供由軌道電路子系統(tǒng)、進(jìn)路控制子系統(tǒng)采集來(lái)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息;另一方面,從ATS 系統(tǒng)接收調(diào)度命令,產(chǎn)生進(jìn)路控制命令并傳遞給進(jìn)路控制子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)路控制, 同時(shí)產(chǎn)生軌道電路編碼信息, 由軌道電路子系統(tǒng)傳遞給車載ATP 子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的實(shí)時(shí)控制.
(2) 安全數(shù)據(jù)網(wǎng)　是指區(qū)域控制中心與其它ATP 子系統(tǒng)實(shí)時(shí)交換信息的傳輸通道.
(3) 車載ATP 子系統(tǒng)　接收軌道電路傳遞的各種信息,生成列車速度控制曲線,并與實(shí)測(cè)車速進(jìn)行比較,監(jiān)督列車運(yùn)行. 當(dāng)列車運(yùn)圖1 　城市交通ATP 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖行速度超過(guò)允許速度時(shí),對(duì)列車實(shí)施制動(dòng).
(4) 軌道電路子系統(tǒng)　不僅向車載ATP 子系統(tǒng)提供列車控制信息、定位信息,同時(shí)還完成列車占用檢測(cè)、斷軌檢查等功能.

(5) 進(jìn)路控制子系統(tǒng)　根據(jù)區(qū)域控制中心的命令,實(shí)時(shí)控制站內(nèi)信號(hào)機(jī)與道岔.

2 　仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能
2. 1 　ATP 仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
A TP 仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示. A TP 仿真系統(tǒng)是一個(gè)分布式仿真大系統(tǒng),系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器向各個(gè)仿真子系統(tǒng)提供大量共享的數(shù)據(jù),例如:線路數(shù)據(jù)庫(kù)、車站數(shù)據(jù)庫(kù)、列車牽引制動(dòng)模型、列車運(yùn)行圖等,以及各種硬件共享設(shè)備,如打印機(jī)、大屏幕投影等. 區(qū)域控制中心仿真子系統(tǒng)、車載A TP 仿真子系統(tǒng)、進(jìn)路控制仿真子系統(tǒng)和軌道電路仿真子系統(tǒng)通過(guò)局域網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器連接,共享網(wǎng)絡(luò)資源.

圖2 　城市軌道交通ATP 仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖
2. 2 　區(qū)域控制中心仿真子系統(tǒng)區(qū)域控制中心仿真子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3 所示. 圖3 中,區(qū)域控制中心仿真主機(jī)的功能是:
(1) 模擬生成各種A TS 信息;
(2) 設(shè)置各通信鏈路模擬器的參數(shù);

(3) 接收被測(cè)設(shè)備輸出的軌道電路編碼信息與進(jìn)路控制信息,并對(duì)這些信息正確性、實(shí)時(shí)性、抗干擾性等進(jìn)行評(píng)價(jià),給出評(píng)價(jià)結(jié)果及統(tǒng)計(jì)信息;
(4) 通過(guò)局域網(wǎng)共享網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、大屏幕投影等設(shè)備,實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)功能演示與系統(tǒng)培訓(xùn).
圖3 中的輸入、輸出接口可能是模擬量接口,也可能是數(shù)字量的;各通信鏈路模擬器可程控設(shè)置其模擬通信鏈路的類型(如串行或并行) 、鏈路長(zhǎng)度、參數(shù)、故障模式等;被測(cè)區(qū)域控制中心機(jī)接收A TS 控制信息,輸出軌道電路編碼與進(jìn)路控制信息.

圖3 　區(qū)域控制中心仿真子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖
2. 3 　進(jìn)路控制仿真子系統(tǒng)如圖4 所示[2 ] ,進(jìn)路控制仿真主機(jī)的功能是:
(1) 自動(dòng)生成測(cè)試方案,模擬生成一系列的操作命令與當(dāng)前狀態(tài)輸出;
(2) 通過(guò)局域網(wǎng)獲取站場(chǎng)數(shù)據(jù),并動(dòng)態(tài)顯示站場(chǎng)情況的變化;
(3) 接收被測(cè)設(shè)備輸出的表示信息與控制信息,并對(duì)這些信息正確性、實(shí)時(shí)性等進(jìn)行評(píng)價(jià);
(4) 通過(guò)局域網(wǎng)共享網(wǎng)絡(luò)資源,實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)功能演示與培訓(xùn).

圖4 　進(jìn)路控制仿真子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2. 4 　車載ATP 仿真子系統(tǒng)車載A TP 仿真子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5 所示[3 ,4 ]. 圖5 中,車載A TP 仿真子系統(tǒng)仿真主機(jī)的功能是:
(1) 根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)以及通過(guò)局域網(wǎng)查詢線路數(shù)據(jù)、列車運(yùn)行模型、列車制動(dòng)模型等,生成測(cè)試方案;
(2) 通過(guò)與駕駛仿真微機(jī)的通信,獲取列車操縱與狀態(tài)信息;在脫離駕駛仿真系統(tǒng)時(shí),也可自行生成這些信息;
(3) 根據(jù)仿真要求,直接生成未經(jīng)調(diào)制的地面軌道電路信息或點(diǎn)式信息;或者通過(guò)遠(yuǎn)程訪問(wèn)軌道電路子系統(tǒng),由其提供原始信息;
(4) 根據(jù)仿真測(cè)試結(jié)果,進(jìn)行測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析、控制效率分析、安全性分析與評(píng)價(jià);
(5) 通過(guò)局域網(wǎng)共享網(wǎng)絡(luò)資源,實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)功能演示與培訓(xùn).

圖5 　車載ATP 仿真子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2. 5 　軌道電路仿真子系統(tǒng)如圖6 所示[5 ] ,軌道電路仿真主機(jī)的功能是:
(1) 根據(jù)仿真任務(wù)的需求,通過(guò)控制VXI 總線測(cè)試子系統(tǒng)與臺(tái)式儀器子系統(tǒng),獲取仿真建模測(cè)試數(shù)據(jù)、信號(hào)分析數(shù)據(jù)等;
(2) 提供軌道電路工作特性分析、工作狀態(tài)仿真、軌道電路參數(shù)優(yōu)化、測(cè)試數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)等的軟件平臺(tái);

(3) 通過(guò)局域網(wǎng)共享網(wǎng)絡(luò)資源,實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)功能演示與培訓(xùn).

圖6 　軌道電路仿真子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖
3 　結(jié)論
(1) 由于城市軌道交通具有與地面鐵路相區(qū)別的一些顯著特征,城市軌道交通ATP 系統(tǒng)特別強(qiáng)調(diào)設(shè)備的自動(dòng)化、系統(tǒng)化程度以及車地信息傳輸與設(shè)備的在線監(jiān)控和維修的重要性. 在ATP 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)對(duì)這些區(qū)別給予充分考慮.
(2) 城市交通ATP 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能較復(fù)雜,各仿真子系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)有待于進(jìn)一步研究.

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