城市轨道交通管控一体实验室方案设计

邬芝权， 陈大玲， 靳 桅

(西南交通大学(峨眉校区) 计算机与通信工程系，四川 峨眉山 614202)



城市轨道交通管控一体实验室方案设计

邬芝权， 陈大玲， 靳 桅

(西南交通大学(峨眉校区) 计算机与通信工程系，四川 峨眉山 614202)

面向城市轨道交通运营管理、通信、信号控制专业，构建跨学科、多层次综合实验室。实验室的设计方案按理论学习、模拟实训、设备实操三个层次的建设思路，采用模拟与真实相结合的技术手段来进行设计。实验室建成后，各子系统能独立运行，即可以实现个性化训练，也能联动运行，实现管控一体化实训。该方案功能实用、层次清晰，充分展现了城市轨道交通运行机理和管控关系，为高校建设类似实验室提供参考。

管控一体； 联动； 仿真； CBTC; ISCS

0 引 言

城市轨道交通具有运量大、速度快、安全准时、乘坐舒适、节约能源以及环保等多个优点，是城市现代化发展的大趋势。它是将先进的控制系统、通信技术、计算机技术、铁路信号技术溶为一体的行车指挥、控制、管理自动化系统。城市轨道交通在设计、施工、监控和系统试运行上是一个系统的过程,涉及工程量大、投资高、系统复杂,而仅仅凭借经验,难以迅速发现掌握问题,因而不可能对已经建成的某条线路进行长期和全面的技术试验、改进系统性能。城市轨道交通实验室在沙盘上动态展现城市轨道交通的各项技术和运营环境，为列车控制系统研究人员提供方便的研究平台,为线路控制系统评估提供高可信的数据,为控制系统改进提供强有力支持,为铁路现场培养急需人才，因此具有十分重要的意义。

1 实验室建设思路

西南交通大学峨眉校区城市轨道交通管控一体实验室建设项目以源于现场、高于现场、满足学校与现场人才培养需要为建设理念，以培养高级技术应用型、复合型专业人才的信号控制、运营管理核心实践能力为建设目标，以多学科、多技术相融合为建设手段来进行规划。实验室的设备配备、信号控制、运营系统源于成都地铁公司，网络化运营源于上海申通地铁集团，实践能力培养源于广州地铁公司、新加波地铁公司，总体建设方案源于轨道交通实验室的长期建设积累；信号联锁为现场实际设备，自动售检票等为现场高仿设备，城市轨道交通运行控制系统和综合监控系统均为基于现场的仿真系统[1-2]。

教学模式按“理论教学—模拟实训—设备实操”三个层次规划，使学生能循序渐进地得到培养。理论教学采用多媒体教学方式，分别开发相应的实验教学课件，在多媒体教室进行教学。模拟实训在开发相应的仿真培训软件，搭建模拟实训环境，使学生能得到有效的训练，将理论和实践进行有机结合。这种仿真手段可以有效扩大培训规模，为参加培训人数多且培训密度大的岗位培训提供了一种便捷高效的途径。设备实操是指学生需要对现场的设备有一定的了解和认识，因此需要针对运营人员的工作环境和操作的设备，配置与现场相一致的培训实训环境，使学生把通过理论、模拟培训所掌握的知识与现场实际完美统一，从而为轨道交通的安全运营提供有力保障[3-5]。

由于轨道交通系统中的各专业都不是独立的，专业之间部分内容存在交集，只有在了解轨道交通整个系统、相关的专业、相关岗位的知识和技能后，才能更容易掌握自己专业的内容。实验室在建设时很注重专业交叉的实训，以点及面培养综合能力，将信号专业拓展至通信、电子、测控、计算机应用等技术的训练。对计算机专业，强调各层级系统的信号控制、相互通信、远程控制、监控、车辆安全防护技术等；对运营管理专业，更强调运营协调与应急指挥中心、控制中心、车站、列车、车辆段等岗位基于各种正常和非正常情况下的纵向、横向联动训练。

2 实验室楼层功能规划

整个实验室有四层，楼层设备按照城市轨道交通系统“运营协调与应急指挥中心-控制中心-车站-停车场-沙盘模型-列车模型”结构进行布局，见图1。实验室一楼为城市轨道交通动态仿真沙盘、全面展现城市轨道交通的各个站段、线路、信号设备以及仿真机车等。能够控制沙盘上的信号设备以及机车，使城市轨道交通运营模式能在沙盘上动态呈现。二楼按照城市轨道交通现场车站布局构建虚拟车站，包括站台、站厅、车控室、车厢、信号设备室、机电设备控制室等区域，提供站务/乘务实训、机电设备检修维护实训及信号设备实训平台。三楼按照城市轨道交通控制中心样式构建虚拟的城市轨道交通控制中心、车控室、车辆段，提供行车相关实训功能。三楼的沙盘虚拟车辆段和虚拟车控室的设备可与城市轨道交通通信实训设备共用，因此在三楼将复用部分设备，构建一个城市轨道交通通信实训室，以提供城市轨道交通通信专业的实训平台。四楼按现场样式布置城市轨道交通运营协调与应急指挥中心相关设备，同时兼作仿真实训室，结合沙盘线路和相应的控制系统，配置城市轨道交通运营(含行车、站务、乘务)、车辆检修、信号检修、通信检修、车站机电设备检修、工务检修、供电检修等仿真培训软件，满足学生先在仿真培训平台进行训练，熟知和掌握各种实训步骤后再到沙盘实训演练平台进行实训， 可有效的提高培训效率， 同时也能有效减少对实训设备的损坏[6]。

图1 实验室各楼层功能布局

整个实验室分为两大系统进行建设：①城市轨道交通运行控制系统(CBTC)，对沙盘模型上的地铁线路上的设备及机车进行管理和控制，实现机车自动运行、站前折返和站后折返功能。②综合监控系统(ISCS)，将沙盘上地铁线路上的一个中间站在二楼放大并复示，对车站各个系统级设备进行统一监控。

3 CBTC系统功能规划

基于通信的列车控制系统(CBTC)用高精度的列车定位和连续、高速、双向的数据通信,通过车载和地面安全设备实现对列车的控制。包含列车自动驾驶子系统(ATO)、列车自动防护子系统(ATP)以及列车自动监控子系统(ATS)三个子系统。另外，个别厂商也将数据通信系统(DCS)独立作为子系统。CBTC仿真系统以动态沙盘和可控列车作为控制对象，通过排列进路、解锁进路、扣车、催发车、调整运营等级、创建运营计划、信号灯控制及检测、道岔控制及检测等操作，在沙盘上展现城市轨道交通列车追踪、列车站前或站后折返等功能，达到对CBTC系统仿真的目的[7-9]。

CBTC仿真系统结构示意见图2，一楼为动态沙盘，设置有多个中间站，线路上安装有信号机、道岔、发车表示器和紧急停车按键等控制对象，这些控制对象由ATO/ATP模拟系统来控制。沙盘上的模拟机车可不断把自己的位置信息无线返回模拟驾驶系统，模拟驾驶系统根据机车当前位置，结合前方车辆位置和运行计划来控制模拟机车运行。二楼将沙盘线路上车站5复示到二楼，并设置一台ATS工作站系统，为ISCS系统联动提供接口。三楼为OCC控制中心，包含行调、主任调度、大屏模拟以及各个车站的ATS系统，为CBTC的运营组织和管理提供操作终端，同时存放运行数据的数据库也设置在三楼[10-11]。

图2 CBTC仿真系统结构示意图

4 ISCS系统功能规划

城市轨道交通综合监控系统(ISCS)，主要满足控制室环调、电调、客调以及应急预案处理、系统联动功能相关实训，系统与CBTC系统通过网络互联，以实现城市轨道交通整个系统的所有调度功能。

二楼是将沙盘线路上车站5复示到二楼构建的虚拟车站，含有站台站厅、车控室、售检票设备、1∶1仿真机车以及车站信号设备。各个子系统有列车车门、屏蔽门、售检票、门禁、广播、CCTV监控、环调、电调、BAS和FAS等系统。这些子系统既能独立运行，也可以通过接口连接到综合监控系统，实现集中管理和控制。ISCS系统结构如图3所示，通过对各子系统集成，对底层现场设备实现就地控制、车站级(车控室)控制、OCC控制中心控制的3级控制方式，以及车站级监控管理和OCC中心级监控管理两级管理[12-14]。

图3 ISCS仿真系统结构示意图

自动售检票系统(AFC)模拟车站的收费区及非收费区，设备有自动售票机、半自动售票机、进站、出站检票机。可实现自动售票、人工售补票、自助加值、进出站、车站售检票设备监控、车站售检票设备财务报表统计等相关实训功能，同时留有接口给综合监控系统，满足系统间联动功能以及客调相关实训。

屏蔽门系统(PSD)安装在站厅，留有接口给综合监控系统和IBP控制盘，实现系统级、车站级、就地级控制的三级操作方式，满足站务管理、事件应急处理和设备维护相关实训功能。能模拟现场屏蔽门的手动解锁、就地控制、车控室紧急控制、测试操作、站台PSL就地控制等操作功能。

乘客信息系统(PIS)按照控制中心-车站两级管理和车站及车厢两级显示进行布置，以站厅屏蔽门上部和列车内部设置显示终端，为媒介向乘客提供列车到站事件、列车时刻表以及公告等信息服务。

广播系统在车站及车厢两级进行布置，可实现自动、领导、分组广播以及乘客与司机的紧急对讲功能。

CCTV监视系统在车站及车厢两级进行布置，能够监控站厅、站台、客室车厢、司机室，在控制中心OCC、车站控制室能够监视和控制相应的监视画面。门禁安装在二楼实验室的出入口处，接入综合监控系统，与其余子系统互为联动。

5 实验室建设效果及技术优势

城市轨道交通控制实验室建设采用大量真实设备，结合1∶1高仿真设备，辅助部分模拟仿真设备，控制系统和软件均与这些设备互联，虚实结合，建设效果如图4所示。

图4 实验室建设效果图

通过CBTC、ISCS两大系统建设，在实验室三楼构建网络通信平台和控制中心，将城市轨道交通管控一体实验室的各个子系统互联在一起。使整个实验室按照“运营协调与应急指挥中心(COCC)-线路控制中心(OCC)-车站-车辆段-轨旁-列车”系统结构的层间子系统可实现联动运行；层内子系统可实现联动运行；各子系统可以独立运行。整套系统具备整体、联动、独立训练功能，既可满足联锁技术、CBTC控制技术、ISCS 监控、AFC模拟技术、轨道交通视频广播控制技术等专业技术训练，又可满足本科层面的决策训练以及高职层面的实操训练。

通过系统间的联动实现各种应急预案的模拟实训，如火灾模式、阻塞模式、紧急疏散模式等，以及各种正常模式的实训如早班晚班、节假日、维护模式、高峰模式等等这些预案和模式的系统联动实训。

6 结 语

该项目面向城市轨道交通通信信号、营运管理等领域，以运输生产及设备控制过程为环境，以工程能力培养为主线，以校企合作培养为依托，以综合监控系统(ISCS)为集成平台，通过多专业含作、校企联合及多学科、多技术相融合等手段，创造性地构建了能更全面、更深入反映城市轨道交通设备构架构、运作机理、岗位设置及管控关系的实验环境，其平台的高度集成化满足了专业间的相关性和系统的整体性实习、培训功能需求，其运营调度与设备控制的一体化体现了城市轨道交通管控一体的信息化发展趋势。峨眉校区城市轨道交通控制实验室借鉴了多个高校实验室建设方案，自主探索、自主研发，先易后难，使其逐步完善，为同类实验室建设提供了重要参考[15]。

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Urban Rail Traffic Control Integrated Laboratory Design

WUZhi-quan,CHENDa-ling,JINWei

(Department of Computer and communication engineering, Southwest Jiaotong University, Emeishan 614202, China)

For some urban rail transit professions such as operation management, communication, and signal control, a cross-disciplinary and multi-level comprehensive laboratory should be built. The laboratorial project is designed with three levels by the construction ideas of theoretical studies, simulation trainings, and practical operation. The simulation and real operation technical means are combined in the design. After the laboratory is completed, each subsystem can run independently, in other words, the personalized training, linkage running and integration training of management-control can be all achieved. The project has some characteristics such as practical functions, distinct levels, and operation mechanism. Its management-control relationship is exhibited fully for the urban rail transit. At the same time, it also provides some references for the similar laboratories.

integrated system with control and management; interaction; simulation; CBTC; ISCS

2015-04-25

教育部春晖计划科研合作项目(22014044)

邬芝权(1976-)，男，四川隆昌人,硕士，实验师,系副主任,研究方向：嵌入式控制。

Tel.：13990668200；E-mail：jsjxwzq@126.com

U 283;G 644

A

1006-7167(2016)02-0237-04