现代有轨电车智能控制系统弱电集成研究

裴 颖

(通号城市轨道交通技术有限公司，北京 100070)

1 概述

近年来，现代有轨电车在城市轨道交通中大量应用，主要得益于其乘客运载量适中、工程实施较为简单、投入资金额度较低、建设时间跨度短、环保符合政策要求等特性。同时也可以看到，现代有轨电车的应用制式在地铁模式的基础上产生，同地铁类似分类设计了信号、无线、广播、售检票等十余个主要的系统，在建设的过程中，还没有形成现代有轨电车比较完备及独立的行业标准等规范性文件。上述按地铁系统分类的设计方式，从历史角度对现代有轨电车的出现具有积极的意义，但是随着有轨电车的发展，从经济角度需要进一步降低成本，以匹配有轨电车自身轻量化城市轨道交通的定位，降低相关城市的资金投入。另外，从技术角度考虑，由于各系统之间相对独立，暂时没有统一的共享数据方式和途径，在日常运维工作中具有较高的协同成本，遇到紧急情况时需要逐级响应，不利于进一步提高应急处理能力。因此，有理由设计一套综合、智能、简明的有轨电车智能控制系统，将上述系统整合为一套弱电集成系统，对有轨电车进行系统监控、行车指挥及运营管理，从经济、技术、运营的角度促进现代有轨电车系统的发展。

2 智能控制系统概述

有轨电车智能控制系统，通过设立基础信号控制系统、道口综合控制系统、车上控制系统、运维诊断系统等，并将原无线系统、电话系统等统一规划，可通过大数据、人工智能等手段，为各系统设计通用的硬件及软件平台，将原本独立的各系统深度融合，共同构成有轨电车的行车指挥、调度管理的运营平台。为用户提供针对行车指挥的，具备设备监控、辅助决策功能的管理平台，做到各项运营工作的统一智能管控。有轨电车智能控制系统如图1所示。

图1 有轨电车智能控制系统Fig.1 Intelligent control system of tram

3 智能控制系统结构

系统结构分为：终端层、通道层、平台通用层和应用拓展层4个层次。系统结构如图2所示。

3.1 终端层

由部署在有轨电车运营涉及区域的各类用户终端构成，包括了正侧线基础信号设备、站台相关设备、道口设备、供电设备及中心站值班员操作设备。

终端层记录用户操作的数据，将数据上传至智能控制系统中心，中心可采用大数据技术对终端层产生的海量用户数据进行分析，找到用户操作模式，深入挖掘用户需求并优化系统功能，智能预测运营情况，为用户提供决策依据。同时中心通过分析终端设备上传的数据，判断设备的使用情况，根据云计算技术，动态为各系统分配计算资源，使系统总体效率达到最大化。

3.2 通道层

包括搭建综合数据承载网、LTE无线通信网络平台。

综合数据承载网络为智能控制系统中各子系统提供可靠、冗余、可重构、灵活的传输通道，是整个有轨电车中车站、变电所、车辆等与调度中心之间信息交换的平台。

LTE无线通信网络平台，进行实时无线数据传输，实现车辆定位辅助、监视报警、调度指挥管理和信息查询一体化的功能。

3.3 平台通用层

借助创建通用的、灵活的、可配置的服务平台层，将列车运行监控（ATS）、综合监控（ISCS）、乘客信息系统（PIS）及屏蔽门（PSD）系统进行综合集成，并提供与其他系统的拓展接口服务，将上述各系统中通用的部分统一设计开发，将差异的部分通过数据配置进行差异化实现，形成具有高度可维护性、可操作性、可定制化的运营管理调度系统。实现对有轨电车运营区域内车站、乘客、车辆、设备设施的全面监控和管理。同时能够形成扁平化、各系统高度协同的紧急事件处理机制，提供控制中心管理人员与一线执行人员的联络通道，保证一般及特殊情况下都能平稳运营。

3.4 应用拓展层

针对调度管理人员：对车辆运营区域内的车站、乘客、路线和供电设备进行不间断的监视，为调度管理人员的运营管理提供决策基础信息；管理中心能够获得车辆运营的实时反馈，包括车辆情况、乘客情况、周边交通信息等，并根据系统给出的预测建议，做出合理的调度管理行为。

针对有轨电车乘客：乘客对有轨电车系统的需求主要是准点、安全、舒适和便捷，通过站台设置LCD屏实时显示运行中电车的定位信息及运行路线预测。同时进一步简化售检票方式，向公交汽车靠拢，尤其为非本地人员的乘坐提供便利，邀请所有乘客都作为有轨电车服务的评价者和受益者。

图2 智能控制系统主要结构Fig.2 Main structure of intelligent control system

面向电车司机：通过配置的智能显控终端，结合驾驶辅助信息，帮助司机平稳、安全的控制列车运行，降低人工驾驶难度，提升用户乘坐舒适性。同时车载监督系统可在特殊地段发挥作用，根据配置提醒监督司机安全驾驶。

4 智能控制系统软件平台

控制中心综合运营调度管理系统是平台型的集成系统，具有接口标准、组件通用、可拓展性的特点，将原分立设置的各信号子系统、综合监控系统等多个系统高度集成，考虑到售检票（AFC）系统涉及费用管理，保留其相对独立性，AFC系统和集成平台采用互联的方式集成，但AFC和平台系统共用数据库服务器和磁盘阵列。软件平台在人机界面层包括了设备监控、仪表面板、实施报警、历史报警、历史事件日志、趋势显示、统计报表，CCTV等众多功能，可完成对电车运行区域的车辆、车站、供电系统的监控、管理和调度。

软件平台结构如图3所示。

图3 软件平台结构图Fig.3 Structure diagram of software platform

以行车调度为核心的综合运营管理系统具有以下特点：

1）用户深度集成，统一管理；

2）界面深度集成，在一个系统中查阅所有的监控子系统；

3）数据深度集成，基于同一个平台开发的信号和通信、综合监控系统深度联动，通过规划业务场景的切换快速实施各种预案；

4）降低系统采购和维护成本。

5 智能控制系统硬件构成

5.1 硬件云平台设置

重要服务器（含综合运营调度业务服务器、数据库服务器）采用云平台方式工作。当一台服务器（或其中的一个应用分区）出现硬件、软件及受控应用故障，可被硬件云平台管理系统自动探察，并自动地将此主机（或其中的一个应用分区）上的应用切换至云平台内的其他硬件资源上，保证业务的连续性。

设备室由多台服务器组成硬件云平台，按照业务运算不同可划分为：综合运营调度业务资源池、电话交换资源池、LTE核心网、媒体服务资源池、综合屏控制器、售检票资源池、数据库服务资源池、磁盘阵列、公网接入服务资源池、电话交换计费资源池、交换机、网络节点设备、服务器机柜、网络机柜、接口机柜等构成。

5.2 工作站设计及配置

调度员工作站的硬件及软件架构具有统一性，具有冗余控制功能，且其各项功能可根据需要灵活划分或屏蔽。每个工作站能根据需要显示全线的线路、车站、车辆段布局的全景，详细显示车站、区间及车辆段的设备状态和列车运行状态的细景及列车计划和实迹运行图等信息；两个显示器可独立分别输出界面，如果一个界面发生故障，调度员可在另一界面完成所有的控制功能和监视操作。

独立设置综合运营调度工作站两套，每个工作站都能显示行车调度所需的各项信息，调度员可在任一工作站进行操作。

设一台视频监控工作站，实现调看全线所有区域的视频监控信息。

设一台电力调度员工作站，实现全线供电系统设备信息显示和远动控制。

设一台运行图工作站，用于运行图编辑、查看功能。

设一台维护工作站，实现所有设备状态的监视功能。同时作为系统网管工作站。

设一台编播工作站，实现正线PIS设备、车载设备的信息发布及广播公告等。

调度操作台，设置数字电话、无线调度台。

电话，设置公务电话、直通电话等。

派班室设一台派班终端、调度电话/公务电话及广播设备。

票务管理及乘务待班室设置AFC票务工作站、调度电话和公务电话。

上述工作均采用综合调度管理软件平台，互为热备灵活切换。

5.3 网络设备

设置中心数据承载网冗余以太网三层千兆核心交换机2台、配线架及相应配套设备。

设置中心局域网交换机及相应配套设备。

6 智能控制系统弱电总集成优点

本文介绍的上述集成系统同实践中分立布置的系统比较，有以下优点。

6.1 更低的建设投资

由于系统设置了通用硬件平台，可以通过统一部署服务器硬件，动态分配计算资源，协调实现数据库、应用、网络、综合维护等服务；数据存储的硬件也可以集中配置；各类型的工作站也可以集中配置，动态分配资源给不同的系统，大幅减少了硬件的投资，同时提高了资金的使用率。

6.2 人工成本的降低

系统中各子系统的硬件规格统一，功能相同，可以互换使用，对维护人员的要求降低。不同功能的实现是根据用户要求通过权限分配实现的。在任何一台工作站上，通过配置，都可以实现全部的综合调度管理功能。

降低调度人员配置。常规的调度岗位设置，分别需要行车调度、客运调度和设备调度，每个岗位是三班倒的形式，每班都至少2人值班，因此需要18个人员编制。若使用智能控制系统，只要设置一个通用调度岗位，包括3个人员分别负责行车调度，客运调度，设备调度，同样是三班倒的形式，只需要9名调度人员，显著降低了人员编制。从国内项目实践来分析，一般工作状况下3个人即可实现行车和设备调度的需求，同时还可以将设备及乘客调度由1人兼职，降低了运营过程中的人工成本。

降低维护人员配置。同样，常规的维护岗位设置，需要信号设备维护、供电设备维护、机电设备维护3类人员。如果使用智能控制系统，由于降低了对人员技能的要求，只需要设置通用维护岗位，大大降低了维护人员的成本。

6.3 系统易用性显著提高

由于集成系统在架构方面的优点，可以方便的在各子系统间共享信息，交互数据，联动反应，既充分发挥了子系统本身的作用，又通过系统协同产生了新的价值。比如若要与司机交流，在控制界面的图形上选择列车即可；当向乘客广播信息时，其他系统的声音可自动关闭或调小。为防止紧急情况下人工操作设备可能带来的安全隐患，可设置CCTV自动监视当前人工操作的设备画面。子系统之间的动态关联，避免了人工操作的盲区，降低了人员操作的风险，系统的易用性显著提高。

6.4 降低维护时间成本

由于系统对子系统具有集中的监控及管理系统，能够实时获得终端设备的状态，因此能够统一进行管理，降低了维护管理的时间成本。从集中的监控管理系统能够获得终端设备的报警信息，通过传统的故障树分析及现代人工智能方法，能够分析故障的原因。更进一步，通过设备运行积累的大数据，可以从出了故障进行维修，逐步转变为根据系统的预测，对可能出问题的设备进行维修，降低故障发生的概率。

7 结束语

提出一种智能控制系统弱电集成的方式，具有建设投资低、运营人工成本低、系统易用性高、维护时间成本降低等优点，从整体上为业主提高了收益，降低了风险。从技术上，通过巧妙设计的系统架构，将各个子系统充分整合，发挥了协同作用，统一完成对电车运营过程中的调度管理，无论是对行车、客运组织、设备维护和监控功能上都有较大的提升。

目前国内海南三亚、北京亦庄、甘肃天水等多条现代有轨电车，均采用智能控制系统弱电总集成模式。