车辆调度系统在城市轨道交通中的应用

2015-12-20王海燕

铁路技术创新 2015年4期

■ 王海燕

车辆调度系统在城市轨道交通中的应用

■ 王海燕

从系统结构、功能及人机界面设计等方面对车辆调度系统进行介绍，对系统硬件、系统软件、系统网络和数据流分别进行描述。重点介绍系统的功能及人机界面设计，主要功能包括：站场信息监视、车辆运行信息监视、车辆唤醒及唤醒过程监视、车载信号人机界面、车辆远程控制、车载PA/ PIS/CCTV监控。车辆调度系统实现了对车辆监控从司机室向控制中心的转移，为调度员提供友好的人机界面，保证调度人员在处理作业任务时能够有效获取信息、提高作业效率、降低调度人员劳动负荷。

全自动运行系统；车辆调度系统；监控；数据流

0 引言

从美国西屋公司在1965年提出建设“无人驾驶的、高频率的、经济的公共交通系统”开始，国际上相继开通了多条全自动运行线路，如：法国VAL系统、新加坡东北线、香港广九铁路东铁线、美国费城地铁、西雅图地铁与轻轨等，全自动运行技术趋于成熟。

随着城市人口密度的不断增加，经济的高速增长，我国城市轨道交通进入了大规模的建设时期，截至2015年3月，国内共有27个省39座城市获得国家级批准建设。客流负荷增大，运营压力剧增，对轨道交通的安全、可靠、节能、舒适的最佳化运行提出更高的要求。全自动运行系统（FAO）可进一步提升城市轨道交通运行系统的安全与效率。我国地铁线路正在逐步实现列车全自动运行，北京机场线和上海10号线地铁率先采用了全自动运行技术，未来北京的3、12、17号线拟采用全自动运行系统。但是，作为全自动运行配套系统的车辆调度系统的研究和应用还处于初步阶段。

传统轨道交通项目中的列车采用人工运行，司机通过设置在司机室驾驶台的TCMS和MMI完成对列车的监控工作。采用全自动运行系统后，司机室不设置司机或监视员，对车辆的监控从司机室转移到调度中心。因此，需要在调度中心设置车辆调度系统，完成对车辆的集中监控。车辆调度系统提供友好的人机交互界面，保证调度人员在处理作业任务时能够有效获取信息、提高作业效率、降低调度人员劳动负荷。

1 系统结构

车辆调度系统利用计算机技术、通信技术、自动化技术、网络技术、信息集成等实现数据的采集、处理和显示，将列车信息、车载信息统一到同一个软件平台上实现对多辆列车的监控。

车辆调度系统是一套实时、分布、模块和可扩展的监控系统（见图1），可实时查看列车运行信息、车辆信息、车载广播系统（PA）/视频监控系统（CCTV）/乘客信息系统（PIS）信息、车载火灾信息、车辆走行部信息等，并可对车辆进行远程控制，从而达到对车辆的全方位监控，保证列车安全运行，提升列车的调度效率。

车辆调度系统由硬件设备、软件设备、系统网络构成。系统主要硬件设备部署在控制中心。系统软件分为数据采集层、数据处理层和人机界面展示层。系统网络由主干层、局域层和现场层组成。

1.1 系统硬件

控制中心的硬件设备采用主备冗余的部署方式，硬件主要包括：调度工作站、交换机、实时服务器、历史服务器、磁盘阵列、车辆网关、ATS网关、前端处理器等。

调度工作站：完成人机交互，从实时服务器和历史服务器获取实时和历史数据，用于监控所有车辆的运行状态和查询历史数据。

交换机：用于数据的传输，采用3层路由交换机，将不同的专业划分为不同的VLAN，实现各专业信息之间的隔离。

实时服务器：完成实时数据的处理，从前端处理器、车辆网关、ATS网关获取实时数据，将数据发送给调度工作站显示并接收调度工作站下发的控制指令。

历史服务器：保存、读取历史数据。

磁盘阵列：存储历史数据。

车辆网关：与车辆控制系统（TCMS）通信，获取车辆信息，并将信息传送给实时服务器。与车辆通信采用通用的通信协议，如UDP、MODBUS/TCP等。

ATS网关：与车辆VOBC、ZC、CI、DSU通信，获取信号系统信息，在车辆监控界面上实时监控列车运行。将获取的信息传送给实时服务器，由实时服务器完成热数据的处理。为保证信息安全，与各专业通信采用安全协议，如RSSP等。

前端处理器：与车载PA/PIS/CCTV通信，完成对车辆通信系统的监控功能。

1.2 系统软件

车辆调度系统软件分数据接口层、数据处理层和人机显示层。

数据接口层：前置处理器、车辆网关、ATS网关安装数据接口层软件，专门用于数据采集和协议转换，同时完成与各专业之间的信息隔离。

数据处理层：用于实时数据管理，事件管理，主要由实时服务器和历史服务器构成，通过实时数据库和关系数据库提供车辆调度系统的应用功能。

人机显示层：用于处理人机接口，主要由调度工作站构成，通过服务器获取实时和历史信息，显示在调度工作站上，完成对车辆运行的监控操作。

1.3 系统网络

车辆调度系统网络由骨干层、局域层和现场层。

骨干层：骨干网负责数据的传输，骨干层采用千兆光纤网络。车辆调度系统的信息来自2个网络：TIAS网和ATC网，因此，骨干网包括这2部分。TIAS骨干网负责将信号网关和车辆网关的数据传输到控制中心实时服务器；ATC骨干网负责将VOBC和TCMS的信息传送到信号网关和车辆网关。

局域层：用于车站或控制中心本地的数据传输。局域层的数据通信包括：调度工作站与实时服务器或历史服务器之间的通信；每列列车的VOBC或TCMS通过无线与AP之间的数据通信。

现场层：车辆内部的MVB传输网络。

1.4 数据流

车辆调度系统实现对车载P A、P I S、CCTV、TCMS和VOBC的监控。数据流包括上行和下行数据流，上行数据流指从接入系统到车辆调度系统人机界面的数据流向，下行数据流指从人机界面到接入系统的数据流向（见图2）。

车载PA系统的数据通过TETRA系统的车地无线网络实现落地。上行数据流：车载PA→TETRA→前端处理器→中心实时服务器→车辆调度工作站。下行数据与上行数据相反。

车载PIS系统的数据通过PIS系统的车地无线网络实现落地。上行数据流：车载PIS→地面PIS→前端处理器→中心实时服务器→车辆调度工作站。下行数据与上行数据相反。

车载CCTV系统的数据通过PIS系统的车地无线网络实现落地。上行数据流：车载CCTV→车载PIS→地面CCTV→前端处理器→中心实时服务器→车辆调度工作站。下行数据与上行数据相反。

VOBC的数据通过信号系统的车地无线网络实现落地。上行数据流：VOBC→ATS网关→中心实时服务器→车辆调度工作站。下行数据与上行数据相反。

TCMS的监视数据通过信号系统的车地无线网络实现落地。上行数据流：TCMS→车辆网关→中心实时服务器→车辆调度工作站。下行数据与上行数据相反。

对车辆的控制信息首先由TCMS传送给车载VOBC系统，然后由VOBC实现信息传输，传输方式与VOBC的数据流相同。

实时服务器将历史数据保留到历史服务器，历史服务器将数据保存到磁盘阵列。HMI通过历史服务器查询历史数据。

2 功能及人机界面设计

在全自动运行系统中，车辆调度控制系统行使驾驶员部分职责，通过车辆调度控制系统显示终端可实时监视车辆运行情况，包括车辆关键部件的工作状态、故障信息，并可对车辆实施远程控制，从而极大地减少工作人员劳动强度、提高执行效率。其主要功能包括：（1）站场信息监视；（2）车辆运行信息监视；（3）车辆唤醒及唤醒过程监视；（4）车载信号人机界面；（5）车辆的远程控制；（6）车载PA/PIS/CCTV的监控。

2.1 站场信息

在车辆调度系统的人机界面上可以实时监视站场信息，方便车辆调度员实时了解站场情况，监视的主要包括：站台、信号机、区段、道岔、控制模式、站台门、供电信息、车次窗等的监视（见图3）。

2.2 车辆运行信息

在传统驾驶模式下，此部分信息由司机在司机室通过TCMS监视画面实现对列车的监视。采用全自动运行系统后，此部分信息的监视转移到车辆调度系统，在控制中心实现对车辆运行的监视，使调度员及时了解车辆运行情况，当发生故障时及时进行处理，保证列车安全、可靠运行。监视的主要内容包括：运行状态、车辆状态、火灾/空调/走行部状态、通信状态和远程旁路/复位等。

（1）运行状态。包括司机室、激活端、列车前进方向、空压机、盖板、紧急手柄、车门、受流器、火警信息、常用制动、充电机、辅助逆变器、停放制动、乘客紧急呼叫、牵引逆变器、主风压力、制动缸压力、牵引/电制动力和BQS/BHB/HB等。其监视界面见图4。

图3 站场信息

图4 运行状态信息监控界面

（2）车辆状态。包括牵引状态、制动状态、旁路状态和辅助设备状态（见图5）。

（3）牵引状态。包括BHB、BLB、MQS、HB、电网电压、KM11、KM12、中间电压、中间电流、电机电流。

（4）制动状态。包括空气制动正常、空气制动施加、保持制动施加、紧急制动施加、停放制动施加、制动风缸压力（kPa）、乘车率、空气制动本地切除、空气制动远程切除。

（5）旁路状态。包括牵引安全制动旁路、安全回路旁路、脱轨及障碍物检测旁路、门使能旁路、门关好旁路、紧急制动、ATP切除。

（6）辅助状态。包括中压扩展、线路输入电压、逆变器输入电流、逆变器中间电容电压、逆变器输出相电压、逆变器输出电流、充电机/蓄电池电压、充电机输出电流、蓄电池电流、蓄电池温度、蓄电池剩余容量。

（7）火灾/空调/走行部。车辆在运行过程中会产生一些“误报”的火灾信息，影响车辆的正常运行，为了进行有效的火灾报警信息处理，在车辆调工作站上设置火灾复位和火灾确认功能。当车辆产生火灾报警信息后，系统自动联动相应的摄像机，通过CCTV摄像机或者人为确认火灾信息，信息为误报时远程火灾复位，复位后车辆按照时刻表继续运行，当确认火灾发生时，向车辆发送火灾确认指令，车辆进入火灾模式，按照火灾模式运行。火灾/空调/走行部监视的信息包括：轴端报警、轴端温度报警、传感器报警、齿轮箱报警、齿轮箱温度报警、烟火报警、轴端温度、齿轮箱温度、室外温度、室内温度、目标温度、控制模式、空调模式、通风机、压缩机、冷凝分机、新风阀等（见图6）。

图5 车辆状态信息

（8）通信状态。列车在运行过程中TCMS要实时监测车辆与各个系统通信状态（见图7），以保证列车能实时、高效、安全运行，通信状态。

图6 火灾/空调/走行部信息

（9）远程旁路和复位。车辆在运行过程中由于一些原因可能会导致一些开关断开或转向架故障，使车辆运行受到影响，车辆调度工作站提供远程对断开的开关进行复位或旁路转向架故障，保证车辆正常运行（见图8）。复位的开关包括：PIS设备电源空开断开、无线系统/信号指示空开断开、前照灯供电空开断开、客室照明供电空开断开、空调供电空开断开、空调控制供电空开断开、客室通风供电空开断开、电热供电空开断开、司机激活/空压机/列车控制供电空开断开、制动装置/制动控制供电空开断开等。

图7 通信状态信息

图8 旁路/复位信息

2.3 车辆唤醒

为了保证列车高效、安全运行，不允许列车“带病”上线，因此，全自动运行系统的列车每天出车前都需要对列车逐项进行动态和静态测试，测试通过满足条件后，列车方可上线运行。在操作界面上可以实时查看列车的唤醒情况，当唤醒失败时产生报警，提示操作员列车故障，无法完成唤醒，不能上线运行，系统将自动唤醒备用车辆代替故障车辆上线运行（见图9）。车辆调度员根据唤醒失败的情况，安排维修人员进行维修作业。测试的主要内容包括：TCMS网络本身自检失败、TMS网络通信自检失败、牵引系统自检失败、辅助系统自检失败、车门自检失败、制动系统自检失败、空调系统自检失败、广播系统自检失败、烟火报警自检失败、PIS/CCTV自检失败、Tetra自检失败、走行部在线监测自检失败、上电自检完成、Tc1车充电机状态、Tc2车充电机状态、Tc1车空压机自检故障、Tc2车空压机自检故障、总风压力达到9．5 Bar等。

2.4 车载信号人机界面

在传动的驾驶模式下，此部分信息由司机在司机室通过信号的MMI监视画面实现监视（见图10）。采用全自动运行系统后，此部分的功能转移到车辆调度工作站上，实现远程监视。调度员通过对车组号的选择，完成不同列车的切换操作，监视的信号主要包括：发站信息、疏散、火灾、下一站信息、终到站信息、车次号、司机号、跳停扣车、当前驾驶模式、当前运行等级、进入停车窗标志、车门状态、发车信息、客室门控制模式、屏蔽门状态、设备故障状态、停车场及车辆段转换区、列车首尾、列车速度、列车完整性、报警文本、最高驾驶模式等信息。

图9 列车唤醒

图10 MMI信息

2.5 车辆远程控制

采用全自动运行系统的列车，在控制中心调度工作站上实现对车辆的控制，在正常情况下，有效组织列车运行，实现列车运行的自动化调度管理；异常情况下，及时、高效处理紧急事故，提高事故处理的效率，使列车运行更加有效。车辆调度的控制功能主要包括：开关列车照明、设置/缓解停放制动、控制受流器、远程开关车门、远程旁路、故障复位、列车空调电热设置等。

2.6 车载PA/PIS/CCTV

车载PA/PIS/CCTV可以辅助车辆调度及时查看、了解列车情况。正常运行情况下，车辆调度可以通过点选的操作方式，实现操控功能；异常情况下，系统自动发送控制指令，实现乘客信息、广播及摄像头的操控。