城市軌道交通管控一體實驗室方案設計

鄔芝權， 陳大玲， 靳 桅

(西南交通大學(峨眉校區) 計算機與通信工程系，四川 峨眉山 614202)

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城市軌道交通管控一體實驗室方案設計

鄔芝權， 陳大玲， 靳 桅

(西南交通大學(峨眉校區) 計算機與通信工程系，四川 峨眉山 614202)

面向城市軌道交通運營管理、通信、信號控制專業，構建跨學科、多層次綜合實驗室。實驗室的設計方案按理論學習、模擬實訓、設備實操三個層次的建設思路，采用模擬與真實相結合的技術手段來進行設計。實驗室建成后，各子系統能獨立運行，即可以實現個性化訓練，也能聯動運行，實現管控一體化實訓。該方案功能實用、層次清晰，充分展現了城市軌道交通運行機理和管控關系，為高校建設類似實驗室提供參考。

管控一體； 聯動； 仿真； CBTC; ISCS

0 引 言

城市軌道交通具有運量大、速度快、安全準時、乘坐舒適、節約能源以及環保等多個優點，是城市現代化發展的大趨勢。它是將先進的控制系統、通信技術、計算機技術、鐵路信號技術溶為一體的行車指揮、控制、管理自動化系統。城市軌道交通在設計、施工、監控和系統試運行上是一個系統的過程,涉及工程量大、投資高、系統復雜,而僅僅憑借經驗,難以迅速發現掌握問題,因而不可能對已經建成的某條線路進行長期和全面的技術試驗、改進系統性能。城市軌道交通實驗室在沙盤上動態展現城市軌道交通的各項技術和運營環境，為列車控制系統研究人員提供方便的研究平臺,為線路控制系統評估提供高可信的數據,為控制系統改進提供強有力支持,為鐵路現場培養急需人才，因此具有十分重要的意義。

1 實驗室建設思路

西南交通大學峨眉校區城市軌道交通管控一體實驗室建設項目以源于現場、高于現場、滿足學校與現場人才培養需要為建設理念，以培養高級技術應用型、復合型專業人才的信號控制、運營管理核心實踐能力為建設目標，以多學科、多技術相融合為建設手段來進行規劃。實驗室的設備配備、信號控制、運營系統源于成都地鐵公司，網絡化運營源于上海申通地鐵集團，實踐能力培養源于廣州地鐵公司、新加波地鐵公司，總體建設方案源于軌道交通實驗室的長期建設積累；信號聯鎖為現場實際設備，自動售檢票等為現場高仿設備，城市軌道交通運行控制系統和綜合監控系統均為基于現場的仿真系統[1-2]。

教學模式按“理論教學—模擬實訓—設備實操”三個層次規劃，使學生能循序漸進地得到培養。理論教學采用多媒體教學方式，分別開發相應的實驗教學課件，在多媒體教室進行教學。模擬實訓在開發相應的仿真培訓軟件，搭建模擬實訓環境，使學生能得到有效的訓練，將理論和實踐進行有機結合。這種仿真手段可以有效擴大培訓規模，為參加培訓人數多且培訓密度大的崗位培訓提供了一種便捷高效的途徑。設備實操是指學生需要對現場的設備有一定的了解和認識，因此需要針對運營人員的工作環境和操作的設備，配置與現場相一致的培訓實訓環境，使學生把通過理論、模擬培訓所掌握的知識與現場實際完美統一，從而為軌道交通的安全運營提供有力保障[3-5]。

由于軌道交通系統中的各專業都不是獨立的，專業之間部分內容存在交集，只有在了解軌道交通整個系統、相關的專業、相關崗位的知識和技能后，才能更容易掌握自己專業的內容。實驗室在建設時很注重專業交叉的實訓，以點及面培養綜合能力，將信號專業拓展至通信、電子、測控、計算機應用等技術的訓練。對計算機專業，強調各層級系統的信號控制、相互通信、遠程控制、監控、車輛安全防護技術等；對運營管理專業，更強調運營協調與應急指揮中心、控制中心、車站、列車、車輛段等崗位基于各種正常和非正常情況下的縱向、橫向聯動訓練。

2 實驗室樓層功能規劃

整個實驗室有四層，樓層設備按照城市軌道交通系統“運營協調與應急指揮中心-控制中心-車站-停車場-沙盤模型-列車模型”結構進行布局，見圖1。實驗室一樓為城市軌道交通動態仿真沙盤、全面展現城市軌道交通的各個站段、線路、信號設備以及仿真機車等。能夠控制沙盤上的信號設備以及機車，使城市軌道交通運營模式能在沙盤上動態呈現。二樓按照城市軌道交通現場車站布局構建虛擬車站，包括站臺、站廳、車控室、車廂、信號設備室、機電設備控制室等區域，提供站務/乘務實訓、機電設備檢修維護實訓及信號設備實訓平臺。三樓按照城市軌道交通控制中心樣式構建虛擬的城市軌道交通控制中心、車控室、車輛段，提供行車相關實訓功能。三樓的沙盤虛擬車輛段和虛擬車控室的設備可與城市軌道交通通信實訓設備共用，因此在三樓將復用部分設備，構建一個城市軌道交通通信實訓室，以提供城市軌道交通通信專業的實訓平臺。四樓按現場樣式布置城市軌道交通運營協調與應急指揮中心相關設備，同時兼作仿真實訓室，結合沙盤線路和相應的控制系統，配置城市軌道交通運營(含行車、站務、乘務)、車輛檢修、信號檢修、通信檢修、車站機電設備檢修、工務檢修、供電檢修等仿真培訓軟件，滿足學生先在仿真培訓平臺進行訓練，熟知和掌握各種實訓步驟后再到沙盤實訓演練平臺進行實訓， 可有效的提高培訓效率， 同時也能有效減少對實訓設備的損壞[6]。

圖1 實驗室各樓層功能布局

整個實驗室分為兩大系統進行建設：①城市軌道交通運行控制系統(CBTC)，對沙盤模型上的地鐵線路上的設備及機車進行管理和控制，實現機車自動運行、站前折返和站后折返功能。②綜合監控系統(ISCS)，將沙盤上地鐵線路上的一個中間站在二樓放大并復示，對車站各個系統級設備進行統一監控。

3 CBTC系統功能規劃

基于通信的列車控制系統(CBTC)用高精度的列車定位和連續、高速、雙向的數據通信,通過車載和地面安全設備實現對列車的控制。包含列車自動駕駛子系統(ATO)、列車自動防護子系統(ATP)以及列車自動監控子系統(ATS)三個子系統。另外，個別廠商也將數據通信系統(DCS)獨立作為子系統。CBTC仿真系統以動態沙盤和可控列車作為控制對象，通過排列進路、解鎖進路、扣車、催發車、調整運營等級、創建運營計劃、信號燈控制及檢測、道岔控制及檢測等操作，在沙盤上展現城市軌道交通列車追蹤、列車站前或站后折返等功能，達到對CBTC系統仿真的目的[7-9]。

CBTC仿真系統結構示意見圖2，一樓為動態沙盤，設置有多個中間站，線路上安裝有信號機、道岔、發車表示器和緊急停車按鍵等控制對象，這些控制對象由ATO/ATP模擬系統來控制。沙盤上的模擬機車可不斷把自己的位置信息無線返回模擬駕駛系統，模擬駕駛系統根據機車當前位置，結合前方車輛位置和運行計劃來控制模擬機車運行。二樓將沙盤線路上車站5復示到二樓，并設置一臺ATS工作站系統，為ISCS系統聯動提供接口。三樓為OCC控制中心，包含行調、主任調度、大屏模擬以及各個車站的ATS系統，為CBTC的運營組織和管理提供操作終端，同時存放運行數據的數據庫也設置在三樓[10-11]。

圖2 CBTC仿真系統結構示意圖

4 ISCS系統功能規劃

城市軌道交通綜合監控系統(ISCS)，主要滿足控制室環調、電調、客調以及應急預案處理、系統聯動功能相關實訓，系統與CBTC系統通過網絡互聯，以實現城市軌道交通整個系統的所有調度功能。

二樓是將沙盤線路上車站5復示到二樓構建的虛擬車站，含有站臺站廳、車控室、售檢票設備、1∶1仿真機車以及車站信號設備。各個子系統有列車車門、屏蔽門、售檢票、門禁、廣播、CCTV監控、環調、電調、BAS和FAS等系統。這些子系統既能獨立運行，也可以通過接口連接到綜合監控系統，實現集中管理和控制。ISCS系統結構如圖3所示，通過對各子系統集成，對底層現場設備實現就地控制、車站級(車控室)控制、OCC控制中心控制的3級控制方式，以及車站級監控管理和OCC中心級監控管理兩級管理[12-14]。

圖3 ISCS仿真系統結構示意圖

自動售檢票系統(AFC)模擬車站的收費區及非收費區，設備有自動售票機、半自動售票機、進站、出站檢票機。可實現自動售票、人工售補票、自助加值、進出站、車站售檢票設備監控、車站售檢票設備財務報表統計等相關實訓功能，同時留有接口給綜合監控系統，滿足系統間聯動功能以及客調相關實訓。

屏蔽門系統(PSD)安裝在站廳，留有接口給綜合監控系統和IBP控制盤，實現系統級、車站級、就地級控制的三級操作方式，滿足站務管理、事件應急處理和設備維護相關實訓功能。能模擬現場屏蔽門的手動解鎖、就地控制、車控室緊急控制、測試操作、站臺PSL就地控制等操作功能。

乘客信息系統(PIS)按照控制中心-車站兩級管理和車站及車廂兩級顯示進行布置，以站廳屏蔽門上部和列車內部設置顯示終端，為媒介向乘客提供列車到站事件、列車時刻表以及公告等信息服務。

廣播系統在車站及車廂兩級進行布置，可實現自動、領導、分組廣播以及乘客與司機的緊急對講功能。

CCTV監視系統在車站及車廂兩級進行布置，能夠監控站廳、站臺、客室車廂、司機室，在控制中心OCC、車站控制室能夠監視和控制相應的監視畫面。門禁安裝在二樓實驗室的出入口處，接入綜合監控系統，與其余子系統互為聯動。

5 實驗室建設效果及技術優勢

城市軌道交通控制實驗室建設采用大量真實設備，結合1∶1高仿真設備，輔助部分模擬仿真設備，控制系統和軟件均與這些設備互聯，虛實結合，建設效果如圖4所示。

圖4 實驗室建設效果圖

通過CBTC、ISCS兩大系統建設，在實驗室三樓構建網絡通信平臺和控制中心，將城市軌道交通管控一體實驗室的各個子系統互聯在一起。使整個實驗室按照“運營協調與應急指揮中心(COCC)-線路控制中心(OCC)-車站-車輛段-軌旁-列車”系統結構的層間子系統可實現聯動運行；層內子系統可實現聯動運行；各子系統可以獨立運行。整套系統具備整體、聯動、獨立訓練功能，既可滿足聯鎖技術、CBTC控制技術、ISCS 監控、AFC模擬技術、軌道交通視頻廣播控制技術等專業技術訓練，又可滿足本科層面的決策訓練以及高職層面的實操訓練。

通過系統間的聯動實現各種應急預案的模擬實訓，如火災模式、阻塞模式、緊急疏散模式等，以及各種正常模式的實訓如早班晚班、節假日、維護模式、高峰模式等等這些預案和模式的系統聯動實訓。

6 結 語

該項目面向城市軌道交通通信信號、營運管理等領域，以運輸生產及設備控制過程為環境，以工程能力培養為主線，以校企合作培養為依托，以綜合監控系統(ISCS)為集成平臺，通過多專業含作、校企聯合及多學科、多技術相融合等手段，創造性地構建了能更全面、更深入反映城市軌道交通設備構架構、運作機理、崗位設置及管控關系的實驗環境，其平臺的高度集成化滿足了專業間的相關性和系統的整體性實習、培訓功能需求，其運營調度與設備控制的一體化體現了城市軌道交通管控一體的信息化發展趨勢。峨眉校區城市軌道交通控制實驗室借鑒了多個高校實驗室建設方案，自主探索、自主研發，先易后難，使其逐步完善，為同類實驗室建設提供了重要參考[15]。

[1] 焦玉國,馬映君. 改革實驗室管理體制 加強實驗室建設[J]. 實驗室研究與探索,2009,28(3):267-269.

[2] 王 煌. 創新是推進實驗教學與實驗室建設的密鑰[J]. 實驗室研究與探索,2004,23(4):1-4，13.

[3] 崔 驪. 實驗室教學模式的探索[J]. 價值工程,2014(9):227-228.

[4] 許 丹. 智能化實驗室教學管理模式[J]. 武夷學院學報,2011(6):81-84.

[5] 趙賀偉,梁 勇,楊秀霞. 實驗室融合式教學模式研究[J]. 高校實驗室工作研究,2014(4):106-107.

[6] 楊象馳,李鵬飛. 工業工程實驗室規劃與實施[J]. 實驗室研究與探索,2009,28(8):158-160.

[7] 穆中華. 城市軌道交通CBTC仿真教學系統研發[J]. 中國鐵路,2012(7):77-79.

[8] 梁敬敏. 基于通信的列車控制(CBTC)系統仿真測試平臺研究[D].北京：北京交通大學,2006.

[9] 陳祥獻,王 東,黃 海. CBTC系統仿真測試平臺設計[J]. 鐵路計算機應用,2011(8):50-53，56.

[10] 劉 超. 虛擬現實在CBTC仿真測試中的應用[D].北京：北京交通大學,2008.

[11] 劉宏杰. CBTC系統中列車安全定位方法的研究[D].北京：北京交通大學,2008.

[12] 彭 輝,徐志修,周文華. 城市軌道交通智能綜合監控系統設計[J]. 鐵道工程學報,2006(1):15-18，26.

[13] 魏曉東. 城市軌道交通綜合監控系統總設計思想[J]. 自動化博覽,2006(S2):39-59.

[14] 徐 杰,賈利民,秦 勇,等. 城市軌道交通綜合監控平臺系統集成的研究[J]. 鐵道學報,2007(3):107-112.

[15] 王順利,孫景冬,王淑偉. 鐵路運輸管控一體實驗平臺設計與研究[J]. 實驗技術與管理,2013,30(8):97-100.

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

教育部春暉計劃科研合作項目(22014044)

鄔芝權(1976-)，男，四川隆昌人,碩士，實驗師,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