自动控制技术在轨道交通中的应用与发展

2022-05-26李欢

电子制作 2022年8期

李欢

（西安交通工程学院交通运输学院，陕西西安，710300）

轨道交通是助推经济与社会发展的重要产业，加快轨道交通建设，完善“米”字型高铁网，发展多制式一体化的轨道交通网，成为促进我国经济与社会的可持续发展的途径之一。轨道交通的发展离不开控制它的“中枢神经”—自动控制技术。自动控制技术奠定了轨道交通实现集中统一指挥的基础，提高了列车运行的安全性，对轨道交通的发展有至关重要的作用。

1 自动控制技术在轨道交通中应用的必要性

随着城市化进程加快，带来了交通拥挤，污染严重，交通事故频发等一系列问题，而轨道交通自身具有速度快，污染小，运量大等特点，成为快速发展轨道交通关键。轨道交通包含传统铁路和城市轨道交通，城市轨道交通的网络规模是一个城市经济水平的体现，近年来各城市大力发展城市轨道交通，如地铁、轻轨还有新型的市域快速轨道等系统的规模在扩大的同时也在朝着经济化、智能化和环保化等方向发展。

利用先进的自动控制技术同时结合计算机技术可实现具有自动控制、统一指挥、集中管理的轨道交通系统。自动控制技术通过对轨道交通中的信号设备进行自动控制与监控，不仅大幅度提升了对轨道交通运行控制的效果，也保障了轨道交通的运行安全，推动了轨道交通行业快速的发展。

在轨道交通系统中，使用自动控制技术实现线路、桥、隧道等固定设备和机车、车辆等移动设备的统一指挥，实现对轨道交通系统中设备的集中管理，提高运营管理水平是衡量现代化轨道交通发展水平的重要指标之一。自动控制技术不仅能最大限度的保证轨道交通安全运行，还提高了列车的行车密度，改善了运营服务质量，减轻工作人员的劳动强度的功能，也为实现列车的无人驾驶提供了技术支撑[2]。

2 自动控制在轨道交通中应用的关键技术

■2.1 对轨道交通信号系统实施自动控制与监控

随着我国轨道交通线网规模的扩大，轨道交通线路也逐渐复杂化，为保障列车运行时故障能够及时处理，对轨道交通信号系统控制技术的要求也逐渐提高。在信号系统中采用自动控制技术对全线信号设备进行实时控制与监控，可以实时掌握轨道交通信号设备的状态及运行数据，对运行状态和数据进行记录并保存，这样在信号设备处于故障状态下参考历史数据，能够对故障迅速做出有效判断并及时维修，极大程度保证了乘客安全，减少了运营损失。如转辙机作为轨道交通中的信号基础设备之一，主要作用是转换和锁闭道岔。利用自动控制技术监测转辙机的状态，在监测到转辙机完成道岔转换且尖轨与基本轨密贴后，实行自动锁闭并给出正确记录与表示，而在道岔长时间处于“四开”状态时，通过自动控制系统的监控功能发出报警。在轨道交通信号系统中对信号设备实施自动控制技术，使设备趋于自动化化运行，节约人力资源，保证了行车安全，使运输效率得到显著提高。

■2.2 在轨道交通中采用的移动闭塞技术

移动闭塞消除了固定闭塞区间的划分，前后两辆列车之间的安全距离不固定，是动态变化的。移动闭塞是一个全自动化的控制系统，控制系统对前后两辆列车的速度和位置实时分析与计算，得到最大制动距离，采用一次制动曲线方式，如图1 所示。这种技术方法的最大优势是在保证列车安全制动距离的基础上，极大程度的减小了前后两辆列车行车间隔，提高了线路的通过能力。移动闭塞结合信号系统与控制系统及列车运行自动化等方面的理念，在列车自动控制系统中发挥着重要作用。

图1 移动闭塞

3 自动控制技术在轨道交通中的应用

■3.1 实现轨道交通的自动化

轨道交通系统的自动化运行离不开列车自动控制技术，自动化可以减少人为因素的不利影响，提高线路通过能力，使列车能够按照运行图准点运行，实现对列车的自动控制。在列车自动控制系统(ATC)中引入自动控制技术来控制列车速度以及行车间隔时间等，以保证列车能够安全有序运行，其功能的实现离不开它的三个子系统。作为子系统之一的列车自动驾驶系统是一个闭环控制系统，与列车自动防护系统互相配合来控制列车的加速、减速及停止等状态，使列车在运行时能得到最佳速度，它替代了传统的人工驾驶，使列车能够按照运行图的设定准点停车，准点停车之后安全门自动开启与关闭，减少了人力成本和旅客候车时间，提高了列车的运营效率[3]。

列车自动防护系统是ATC 的重要子系统之一。列车自动防护系统依据自动控制原理中的闭环控制的思想，主要作用是防止列车超速，其中车载主机是列车自动防护系统的核心设备，列车自动防护系统工作原理如图2 所示。车载主机实时接收从地面发送的信号，在对该信号进行分析和计算后，实时向列车的牵引系统或制动系统发出控制指令，在接收到牵引指令时，对列车施加牵引力使列车加速，在接收到制动指令时，对列车施加制动力使列车减速或停车。速度传感器安装在列车车轴上，对列车的运行速度进行实时测量[3]，并把测量的速度值反馈给车载主机，车载主机再对测量的速度进行分析计算，若测量的实际速度大于最大允许速度，车载主机发出制动指令。列车自动防护系统与列车自动驾驶系统共同实现了对列车运行速度的闭环控制，闭环控制的优势在于可以实时测量列车运行速度，不仅能够保证列车运行速度不超过允许的最大值，也能够获得最佳的行驶速度。

图2 列车自动防护系统工作原理

列车自动监控系统是ATC 的第三大子系统，其有监督和控制两大功能。监督是通过控制中心的设备将列车的运行信息进行实时显示，控制是指挥控制列车严格按照运行图行车，与列车自动防护系统和列自动驾驶系统共同完成对全线列车的运营管理。

■3.2 实现轨道交通的集成化

轨道交通是集多种复杂技术于一身的复杂系统，包含了信号系统、供电系统、通信系统、以及环控系统等多个子系统，各子系统为保证轨道交通的安全运行发挥着各自的作用。为实现轨道信号、售检票、火灾自动报警、电力监控、机电设备与监控等系统之间的信息传输，采用三层分布式计算机网络实现中央级、车站级和现场级三级监控，并在各系统的外部建立接口实现数据交互，建成信息传输通道，将各子系统关联起来，形成互相协作的关系，构建综合自动化监控系统[4]，提高轨道交通的自动化水平，减轻工作人员在处理紧急情况时的压力，保证对轨道交通系统进行有条不紊地控制，实现轨道交通的集成化控制。

■3.3 完成车地信息双向传输

车地信息双向传输是列车自动驾驶系统中的关键技术。将列车的运行状态车次等信息从车上向地面直接传递，地面向列车传递列车的自动折返的运行线路、运行状态及目的地等信息。在这个过程中需要实时的通信设备传递列车数据，在列车自动控制系统的监督下完成车地信息传输。基于无线的车地双向信息传输不仅可以双向传输数据，还具有传输信息量大，设备易于维护，成本低等特点，在我国的列车信息双向传输领域中已有广泛应用。

■3.4 实现轨道交通的智能化

轨道交通智能化有利于实现资源共享、互相协作，形成综合运输信息化平台。为实现轨道交通的智能化需要采取有效的智能控制技术。利用智能控制技术可以实现对轨道交通系统的远程视频监控，为乘客提供良好的人机交互体验，为轨道交通的运营提供强大的技术支撑。模糊控制、神经网络控制和基于知识的专家控制等是智能控制技术采用的主要方法。利用这些方法可以实现轨道交通系统电气设备的故障诊断和预测、保护与控制，如在自动控制系统中有一种具有智能化的模糊控制器，可以构成对列车的电动机的转速具有反馈通道的模糊控制系统。这种控制方法实现了对电动机速度的实时监测和故障的诊断。智能控制技术在轨道交通供电系统中通过对变压器油中分解出来的气体进行智能化分析，可以找出变压器的故障范。因此，实现轨道交通智能化是未来的发展趋势。

■3.5 方便维修管理

轨道交通空间具有密闭性，且运输密度大，各设备使用频率高，一旦设备故障需要及时维修，否则对系统会有重大影响。传统的设备运维管理主要是将设备的维修记录、故障史等都采取人工记录的方式，自动化程度低，没有形成系统的运维管理系统，现阶段随着计算机技术的引入，对系统的运维数据进行自动化集成，实现面向设备运维的管理系统，有效的帮助运维人员进行决策，提高设备运维效率，使各类设备的管理也不断朝着信息化、智能化及可视化等方向发展[5]。

4 自动化控制技术在轨道交通中的发展趋势

随着社会经济及信息技术的不断发展，轨道交通系统也面临新的问题，轨道交通的路网规模在不断增大的同时，线网负荷强度也与日俱增，这导致了线路的运输效率与安全性降低，这也对自动控制技术在轨道交通中的应用提出了更高的要求，为适应当下的技术要求，自动控制技术开始向更高级的智能控制技术发展。因此轨道交通的智能化也成为当今的热点话题，智能化是在自动化的基础上进一步的提升轨道交通的运输效率，最大程度的减少环境污染和线网负荷强度过大的问题。其次轨道交通智能化是实现智慧交通的核心，可以对系统庞大的数据库进行整合，利用可视化的平台实现数据显示与监测等多种功能，智能化对于地铁这种大运量且人流密集的系统，可以实现高效的客流监测，在事故状态或特殊情况下以自动化的运营流程极大程度的减少了事故的处理时间，保证乘客安全。智能化也可以实现系统业务之间的资源共享，为日常运营和数据传输等业务提供高效的服务。

轨道交通智能化以个性化的服务来提升服务水平和运营效率，推动着信息技术的发展，可以为国家新兴产业提供广阔的应用环境[6]。而轨道交通的智能化发展必然离不开安全可靠的智能控制技术，在自动控制技术的基础上发展智能控制技术，研发出具有良好的人机交互体验，且扩展性强、集成度高的的轨道交通综台化管理系统，实现对轨道交通系统运营的智能化管理。