試論鐵路軌道交通自動化

摘要:我國軌道交通市場發(fā)展前景巨大，到2020年，全國鐵路營運(yùn)里程規(guī)劃達(dá)到12萬公里以上，其中時(shí)速200公里以上的高鐵達(dá)到1.6萬公里，電氣化率提高到60%以上，總投資超過2萬億元。截至2009年底，中國內(nèi)地已有北京、上海、廣州、深圳、武漢等10個(gè)城市開通了34條城市軌道交通線路，運(yùn)營里程總長約1037公里。預(yù)計(jì)到2020年，全國總里程約達(dá)6100公里。

關(guān)鍵詞:鐵路 軌道 自動化

十九世紀(jì)工業(yè)革命的成功促進(jìn)了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市的繁榮，交通工具的機(jī)械化和現(xiàn)代化則使得交叉路口作為城市交通的瓶頸日益凸現(xiàn)出來。根據(jù)英國學(xué)者韋伯思特(Webster V)和柯布(Cobber M)的著作記述，為保證各沖突車流能分時(shí)使用交叉路口和減少交通事故的發(fā)生，1868年在英國倫敦的威斯敏特街口安裝了一種紅綠兩色的臂板式燃?xì)庑盘枱簦瑥拇私议_了城市交通信號控制的序幕。1918年，紐約街口安裝了一種手動的三色信號燈，首次出現(xiàn)了真正現(xiàn)代意義上的信號控制，這也是交通信號控制的雛形。

隨著社會的發(fā)展，城市車輛不斷增多，傳統(tǒng)的交通信號燈己不能滿足交通控制的需求，交通工程師開始尋求其它工程領(lǐng)域的技術(shù)來解決交通信號控制問題，由此帶來了交通控制技術(shù)的迅速發(fā)展。1926年，英國在沃爾佛漢普頓安裝了一種結(jié)構(gòu)簡單的機(jī)械式交通信號機(jī)，它通過電動機(jī)帶動齒輪的機(jī)械轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)單時(shí)段定周期的紅綠燈切換，這種機(jī)械式的信號機(jī)首次實(shí)現(xiàn)自動控制，奠定了城市交通信號自動控制的基礎(chǔ)。

自動化的交通信號控制系統(tǒng)是由交通信號控制器控制紅綠燈的周期變化。早期的交通信號燈通過固定配時(shí)方式實(shí)行自動控制，這種方式對于早期交通流量不太大的交通需求曾發(fā)揮過一定的作用。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，交通流量增加，交通流的隨機(jī)變化性相應(yīng)增強(qiáng)，單一模式的固定配時(shí)方式已不能滿足城市交通的客觀需求，于是，多時(shí)段多方案的信號控制器相應(yīng)出現(xiàn)，并逐步取代了傳統(tǒng)的單一控制模式的機(jī)械式控制器。這類控制器在一天的時(shí)間里備有幾種不同的配時(shí)方案，能夠按照交通流的變化規(guī)律，在不同的時(shí)間段選用不同的信號控制方案。當(dāng)交通流的變化規(guī)律比較明顯時(shí)，這種方式可以獲得良好的控制效果。多時(shí)段多方案定時(shí)控制器在長期的使用過程中不斷地改進(jìn)和提高，至今仍作為單交叉口的一種控制方式廣泛應(yīng)用于城市道路交通控制系統(tǒng)。

由于交通流具有連續(xù)運(yùn)動的特點(diǎn)，特別是當(dāng)兩個(gè)相鄰交叉口距離很近時(shí)各交叉口之間“各自為政”的孤立控制方式勢必造成頻繁停車和控制效果的下降。在此情況下應(yīng)考慮采用系統(tǒng)工程的思想進(jìn)行相鄰交叉口的協(xié)調(diào)控制。1917年，在美國鹽湖市開始使用聯(lián)動式信號系統(tǒng)，把六個(gè)交叉路口作為一個(gè)系統(tǒng)，以人工方式加以集中控制。1922年，美國休斯頓市建立了一個(gè)同步系統(tǒng)，該系統(tǒng)以一個(gè)交通亭為中心控制十二個(gè)交叉路口，并使用了電子自動計(jì)數(shù)器。1928年，上述系統(tǒng)經(jīng)過改進(jìn)，形成了“靈活步進(jìn)式”的定時(shí)系統(tǒng)，并很快在美國推廣普及。這種系統(tǒng)以后不斷改進(jìn)和完善，發(fā)展成為當(dāng)今的交通信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

交通信號的控制，從信號機(jī)由手動到自動，由固定周期到可變周期，控制方式由點(diǎn)控到線控和面控，從無車輛檢測器到有車輛檢測器，經(jīng)歷了近百年的歷史。1952年，美國科羅拉多州丹佛市首次利用模擬計(jì)算機(jī)和交通檢測器實(shí)現(xiàn)了對交通信號機(jī)網(wǎng)的配時(shí)方案選擇式信號控制。1964年，加拿大的多倫多市建成了世界上第一個(gè)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中協(xié)調(diào)感應(yīng)控制的交通信號控制系統(tǒng)，作為城市交通控制系統(tǒng)發(fā)展的里程碑，這一系統(tǒng)使得城市交通信號控制的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。進(jìn)入二十世紀(jì)七十年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展，交通流理論的不斷完善，以及交通運(yùn)輸組織與優(yōu)化理論和技術(shù)水平的不斷提高，交通管制中心的功能得到增強(qiáng)，控制手段和算法越來越先進(jìn)，形成了一批高水平有實(shí)效的城市道路交通控制系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的鐵路信號控制系統(tǒng)主要包括車站聯(lián)鎖設(shè)備、區(qū)間閉塞設(shè)備、編組站駝峰控制系統(tǒng)、行車調(diào)度控制系統(tǒng)和改造以及由機(jī)車信號和超速防護(hù)系統(tǒng)組成的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)組成。

隨著列車速度的不斷提高，傳統(tǒng)信號控制系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖已經(jīng)逐漸取代繼電器聯(lián)鎖，成為車站聯(lián)鎖設(shè)備發(fā)展的方向。技術(shù)引進(jìn)使得各種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)廣泛應(yīng)用，比如Siemens的SICAS聯(lián)鎖、Alcatel的VCC聯(lián)鎖、Alstom的VPI聯(lián)鎖、USSI的MICROLOCK聯(lián)鎖、Westinghouse的SESTRACE聯(lián)鎖、Bombardier的EBILOCK聯(lián)鎖技術(shù)。一批系統(tǒng)集成商也迅速成長，比如中國通號集團(tuán)、北京交大微聯(lián)科技有限公司、合肥工大高科信息技術(shù)有限責(zé)任公司、卡斯柯信號有限公司、北京和利時(shí)系統(tǒng)工程股份有限公司、北京唐吉森自動化設(shè)備技術(shù)公司等。

區(qū)間閉塞設(shè)備從最原始的路簽閉塞已經(jīng)發(fā)展到無絕緣移頻自動閉塞。ZPW-2000A自動閉塞系統(tǒng)的應(yīng)用加快了鐵路自動閉塞制式的統(tǒng)一，大幅度減少了調(diào)諧區(qū)死區(qū)長度，實(shí)現(xiàn)了對調(diào)諧單元的斷線檢查和對拍頻信號干擾的保護(hù)，大大提高了傳輸?shù)陌踩?。在控制設(shè)備上，用單片微機(jī)和數(shù)字信號處理芯片代替晶體管分立元件和小規(guī)模集成電路，提高了發(fā)送移頻信號頻率的精度和接收移頻信號的抗干擾能力。新型的ZPW-2000R型無絕緣自動閉塞系統(tǒng)采用了DSP技術(shù)，使系統(tǒng)調(diào)諧區(qū)檢查的問題得到較好的解決。

編組站駝峰控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了路網(wǎng)性編組站駝峰自動化。目前，駝峰信號控制系統(tǒng)正向綜合自動化系統(tǒng)發(fā)展，其控制技術(shù)包括車輛溜放進(jìn)路、溜放速度及機(jī)車推峰速度等的自動控制。在編組站采用駝峰解體作業(yè)過程控制系統(tǒng)、駝峰調(diào)車場尾部平面調(diào)車計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、編組站各車場計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、編組站車輛信息管理系統(tǒng)、樞紐調(diào)度監(jiān)督系統(tǒng)、編組站車輛實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)、編組站實(shí)時(shí)信息網(wǎng)、站內(nèi)調(diào)車無線指揮系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)編組站調(diào)度、管理、作業(yè)的全盤綜合自動化。

行車調(diào)度控制系統(tǒng)(CTC)也由原來的繼電系統(tǒng)、半導(dǎo)體分立元件、集成電路時(shí)代發(fā)展到現(xiàn)在以計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通訊技術(shù)為基礎(chǔ)的微機(jī)自動化時(shí)代。高速鐵路由于速度快、發(fā)車間隔小等特點(diǎn)，普遍采用新型的分散自律調(diào)度集中系統(tǒng)技術(shù)，分為網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)和調(diào)度命令無線傳輸系統(tǒng)兩個(gè)方面，無線設(shè)備得到快速應(yīng)用。

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(CTCS)已由列車自動停車時(shí)期發(fā)展到了列車超速防護(hù)時(shí)期，這一問題在高速鐵路系統(tǒng)中尤為重要，鐵路信號控制系統(tǒng)正向真正意義上的數(shù)字化、信息化、自動化、現(xiàn)代化方向邁進(jìn)。

而且，目前的城市軌道交通發(fā)展已呈多樣化發(fā)展趨勢，尤其是城際軌道交通線和市郊線的建設(shè)越來越多，大運(yùn)量、中運(yùn)量和市郊線多種形式并存，軌道交通發(fā)展呈多樣化。未來的研發(fā)重點(diǎn)是技術(shù)制式的整合、自動化控制系統(tǒng)、低地板技術(shù)、轉(zhuǎn)向架技術(shù)和懸浮技術(shù)等。在鐵路建設(shè)領(lǐng)域，對自動化技術(shù)需求較大主要包括軌道交通和安防系統(tǒng)，預(yù)計(jì)今年增長40%。軌道交通自動化主要圍繞電氣化工程綜合自動化開展，包括遠(yuǎn)動系統(tǒng)、綜自系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、交直流系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)等。