城市軌道交通全自動運行線路調度系統的仿真研究

李盼盼，郎誠廉

（同濟大學 電子與信息工程學院，上海 200331）

城市軌道交通憑借其安全快捷等優勢，在我國公共交通系統中快速發展，成為緩解城市運輸壓力的重要工具。城市軌道交通的高速發展也對行車安全及運輸效率等各方面提出了更高的要求。性能穩定、技術先進的全自動運行技術應運而生，近幾年被大量應用于我國地鐵線路的新線建設和舊線改造[1]。

在全自動運行線路中，司機原有職責轉向調度中心，調度中心遠程控制能力增強，要求調度系統具有更好的互操作性和實時性。針對傳統運營模式分立設置的調度系統，不利于實現信息的高效共享，調度指揮效率較低，不能充分發揮全自動運行優勢，其仿真系統無法滿足全自動運行線路仿真需求[2-3]。因此，需要有一套針對全自動運行線路特點及需求而設計的仿真系統，為調度人員培訓等工作提供支持。

城市軌道交通全自動運行線路調度系統基于計算機、通信、控制和系統集成等技術，以行車調度為核心、聯合多專業、實時遠程監測現場、指導列車自動化運行[4-5]。本文以上海地鐵14 號線調度系統為仿真對象，對該系統進行仿真研究，建立系統仿真模型，并選取部分行車調度、列車調度、乘客調度功能進行仿真分析，實現了行車模擬及站場圖顯示、列車運行信息及設備健康狀態監測、車載PIS 信息管理等功能。

1 上海地鐵14 號線調度系統總體架構

上海地鐵14 號線全程共有31 座車站，設有2處車輛基地，1 個控制中心。該線路調度系統涉及對象包括信號、車輛、行車、綜合監控、通信、供電等專業，按中心層、車站/車場層（含軌旁）和車載層進行配置，通過骨干網及無線通信系統完成數據信息交互。系統架構如圖1 所示。

1.1 中心層

中心層包含位于控制中心的調度工作臺及服務器等計算機系統，負責獲取車站/車場層、車載層設備信息并展示，下發調度命令。按照控制中心工作內容，劃分為行車調度、列車調度、乘客調度、電力調度、環控調度，且配有實時服務器及備用統一調度服務器。中心調度員可通過多功能調度界面遠程監視和控制列車運行狀態，查看設備狀態、環境信息，下發命令進行調度指揮。上海地鐵14 號線調度系統架構，如圖1 所示。

圖1 上海地鐵14 號線調度系統架構

1.2 車站/車場層

車站/車場層負責采集車站、車場、軌旁信息并傳輸至控制中心，響應指令控制聯鎖系統及其它設備，接收車載定位信息，完成運行線的聯鎖、軌旁控制等功能。通過轉轍機、信號機、軌旁人員作業防護開關（SPKS）等設備，采集軌旁信息。采用計算機聯鎖（CI）系統、區域控制（ZC）系統，配合完成進路及遠程控制命令，設置臨時限速，向控制中心傳遞軌旁狀態信息、線路狀態數據[6]。車站乘客信息系統（PIS）、綜合監控系統（IMS）、語音通信系統、廣播系統（PA）的狀態信息也將實時傳輸至控制中心。

1.3 車載層

車載層負責采集并發送列車信息，接收控制中心指令，通過車載信號設備，配合實現列車自動運行。車載設備采集列車牽引、制動、車門、煙火、緊急呼叫按鈕等各子系統數據，通過車載無線單元與控制中心通信，完成關于車輛控制系統（TCMS）、車載PIS、PA 等信息的傳送。

2 仿真系統功能

本系統選取上海地鐵14 號線調度系統中心層進行仿真，模擬實現行車調度、列車狀態監測等功能。

2.1 用戶登錄

提供創建和管理用戶功能，設置不同級別權限的用戶。用戶輸入用戶號和密碼進行登錄操作，登陸前禁用多數命令菜單和功能。

2.2 行車調度

完成基本行車調度功能，包括行車信息顯示、列車運行模擬、列車運營調整等。通過站場圖展示線路運行情況、列車運行位置，信號燈、道岔狀態等，對線路設備進行狀態監測。

2.3 列車狀態監測

顯示列車運行信息及車載設備信息，包括通信狀態、牽引、制動、車門、照明和空調等。對列車狀態進行全方位的監控，使中心調度員能方便快捷地了解列車運行情況，保證行車安全[7]。

2.4 故障報警

接收車輛和信號設備的報警信息，按列車、軌旁、調整、其它類別劃分。將報警信息賦予不同優先級，進行區別處理。突出顯示未經過確認的報警信息，并記錄歷史報警信息。

2.5 乘客服務

可實時查看車載PA/ 視頻監控系統（CCTV）/PIS 信息，并下發信息進行調度管理與乘客服務[8]。

2.6 數據庫管理及統計報表

管理歷史數據及實時運行數據，包括線路數據、列車數據、報警信息等。生成和管理報警報表、事件報表、數據統計報表、運行日志報表等。操作員可以按事件類型、時間、特定列車等分類篩選查看。

3 仿真系統實現

采用C++編寫該仿真軟件，并采用基于VC++的MFC 類庫編寫操作界面，實現界面與邏輯代碼的分離。本文選取部分功能及界面，介紹其實現及內部邏輯。

3.1 主界面

啟動軟件進行登錄后進入主界面，界面整體包括菜單欄、工具欄、主窗口等部分。主界面菜單欄通過CMenu 類實現，根據用戶權限配置功能。用戶可通過菜單進行對列車、線路的操作。界面主窗口默認顯示站場圖概覽。使用工具欄中窗口選擇圖標，可將主窗口顯示內容切換為報警信息、系統狀態、用戶授權等，且可通過工具欄執行切分窗口、縮放視圖等操作，工具欄通過CToolBar 類實現。

3.2 站場圖概覽窗口

站場圖概覽窗口如圖2 所示，通過行車調度仿真，采用不同顏色的圖標和文字，動態展示列車ID及狀態、站臺名稱及狀態、計軸位置、區段、道岔、信號機ID 及占用情況等內容。采用雙緩沖技術動態繪制站場圖，避免畫面反復閃爍。

圖2 站場圖概覽界面

（1）圖2 中淺灰色寬線條表示軌道，未被其它顏色覆蓋時，表示該區段空閑。車站圖形顯示為藍底黑邊矩形，表示此車站空閑。

（2）以列車車體箭頭方向表示行進方向。以列車ID 顏色表示準點情況，圖中列車ID“1001GQ”為黑色，表示列車準點。

（3）列車前方綠色箭頭及實線代表當前列車的移動授權（LMA）進路，進路上的道岔及其相關道岔均被聯鎖預留，以紫色圓點表示。

（4）LMA 所穿越的信號機為綠色，表示正常開放；其余信號機為紅色，表示關閉。

3.3 行車調度仿真流程

行車調度仿真流程，如圖3 所示，核心在于列車速度、位置的計算及命令的處理。采用時間步長法進行仿真，定時循環計算每列車的位置和速度。根據理想運行曲線，考慮線路限速、坡度、彎道等因素，對不同工況下的列車進行受力分析，對變加速的牽引、惰行、制動過程進行模擬。相比于單純地認為每一種工況下具有相同的加速度，本方法更好地保證了仿真的精度，且更加貼近真實場景。系統亦可處理多種人工命令，包括跳停、扣車、非計劃調整等運營調整命令，遠程復位、旁路等操作，可應對全自動運行線路的多種場景需求。

圖3 行車調度仿真流程

3.4 列車信息查看

點擊站場圖中運行列車，或點擊主菜單欄列車選項，觸發OnRButtonDown()函數彈出子菜單，可選擇“列車運行信息”或“列車設備健康信息”，查看相應界面。該過程內部處理流程，如圖4 所示。

圖4 列車信息查看流程

（1）列車運行信息界面，如圖5 所示。界面左側為列車列表，顯示列車ID 號、列車班次號、運行線信息，調度員可點擊選擇。界面右側展示詳細信息，包括：運行模式、狀態、方向、停站站臺、列車LMA 或人工授權（AMT）的始端和終端等。

圖5 列車運行信息界面

（2）列車設備健康狀態界面，如圖6 所示，監測設備包括主風缸、受電弓、受電弓檢測系統、空壓機、空氣簧壓力、軸溫監測系統、停放制動、微型斷路器、煙火檢測器、司機駕駛臺蓋子、蓄電池充電機、輔助逆變器、機械制動、牽引逆變器、脫軌檢測系統等。

圖6 列車設備健康狀態界面

3.5 車載PIS 信息下發

用戶可通過點選方式完成車載PIS 信息查看及命令下發，以車載PIS 信息下發為例，其流程如圖7所示。可選擇下發預定義常規信息及緊急信息，或按需求編輯信息，并為其設置屬性為常規或緊急。信息優先級排布為：自定義緊急信息＞預定義緊急信息＞自定義常規信息＞預定義常規信息。進行重發次數設置及發布列車選擇后，信息進入消息隊列，按優先級從高到低排列，依次進行發送。

圖7 車載PIS 信息下發流程

4 結束語

本文以當前建設的上海地鐵14 號線控制中心調度系統作為仿真對象，對城市軌道交通全自動運行線路調度系統的基本架構進行了研究。選取行車調度、列車運行信息及設備健康狀態監測、車載PIS 信息管理等功能進行了仿真實現，形成了以行車為核心、涉及多專業、具有良好人機交互的調度仿真系統，符合全自動運行中控制系統智能化、多專業融合的發展趨勢。該仿真系統對調度人員培訓、設備驗證測試等有較好的實用價值。