自動控制技術在軌道交通中的應用與發展

李歡

（西安交通工程學院交通運輸學院，陜西西安，710300）

軌道交通是助推經濟與社會發展的重要產業，加快軌道交通建設，完善“米”字型高鐵網，發展多制式一體化的軌道交通網，成為促進我國經濟與社會的可持續發展的途徑之一。軌道交通的發展離不開控制它的“中樞神經”—自動控制技術。自動控制技術奠定了軌道交通實現集中統一指揮的基礎，提高了列車運行的安全性，對軌道交通的發展有至關重要的作用。

1 自動控制技術在軌道交通中應用的必要性

隨著城市化進程加快，帶來了交通擁擠，污染嚴重，交通事故頻發等一系列問題，而軌道交通自身具有速度快，污染小，運量大等特點，成為快速發展軌道交通關鍵。軌道交通包含傳統鐵路和城市軌道交通，城市軌道交通的網絡規模是一個城市經濟水平的體現，近年來各城市大力發展城市軌道交通，如地鐵、輕軌還有新型的市域快速軌道等系統的規模在擴大的同時也在朝著經濟化、智能化和環保化等方向發展。

利用先進的自動控制技術同時結合計算機技術可實現具有自動控制、統一指揮、集中管理的軌道交通系統。自動控制技術通過對軌道交通中的信號設備進行自動控制與監控，不僅大幅度提升了對軌道交通運行控制的效果，也保障了軌道交通的運行安全，推動了軌道交通行業快速的發展。

在軌道交通系統中，使用自動控制技術實現線路、橋、隧道等固定設備和機車、車輛等移動設備的統一指揮，實現對軌道交通系統中設備的集中管理，提高運營管理水平是衡量現代化軌道交通發展水平的重要指標之一。自動控制技術不僅能最大限度的保證軌道交通安全運行，還提高了列車的行車密度，改善了運營服務質量，減輕工作人員的勞動強度的功能，也為實現列車的無人駕駛提供了技術支撐[2]。

2 自動控制在軌道交通中應用的關鍵技術

■2.1 對軌道交通信號系統實施自動控制與監控

隨著我國軌道交通線網規模的擴大，軌道交通線路也逐漸復雜化，為保障列車運行時故障能夠及時處理，對軌道交通信號系統控制技術的要求也逐漸提高。在信號系統中采用自動控制技術對全線信號設備進行實時控制與監控，可以實時掌握軌道交通信號設備的狀態及運行數據，對運行狀態和數據進行記錄并保存，這樣在信號設備處于故障狀態下參考歷史數據，能夠對故障迅速做出有效判斷并及時維修，極大程度保證了乘客安全，減少了運營損失。如轉轍機作為軌道交通中的信號基礎設備之一，主要作用是轉換和鎖閉道岔。利用自動控制技術監測轉轍機的狀態，在監測到轉轍機完成道岔轉換且尖軌與基本軌密貼后，實行自動鎖閉并給出正確記錄與表示，而在道岔長時間處于“四開”狀態時，通過自動控制系統的監控功能發出報警。在軌道交通信號系統中對信號設備實施自動控制技術，使設備趨于自動化化運行，節約人力資源，保證了行車安全，使運輸效率得到顯著提高。

■2.2 在軌道交通中采用的移動閉塞技術

移動閉塞消除了固定閉塞區間的劃分，前后兩輛列車之間的安全距離不固定，是動態變化的。移動閉塞是一個全自動化的控制系統，控制系統對前后兩輛列車的速度和位置實時分析與計算，得到最大制動距離，采用一次制動曲線方式，如圖1 所示。這種技術方法的最大優勢是在保證列車安全制動距離的基礎上，極大程度的減小了前后兩輛列車行車間隔，提高了線路的通過能力。移動閉塞結合信號系統與控制系統及列車運行自動化等方面的理念，在列車自動控制系統中發揮著重要作用。

圖1 移動閉塞

3 自動控制技術在軌道交通中的應用

■3.1 實現軌道交通的自動化

軌道交通系統的自動化運行離不開列車自動控制技術，自動化可以減少人為因素的不利影響，提高線路通過能力，使列車能夠按照運行圖準點運行，實現對列車的自動控制。在列車自動控制系統(ATC)中引入自動控制技術來控制列車速度以及行車間隔時間等，以保證列車能夠安全有序運行，其功能的實現離不開它的三個子系統。作為子系統之一的列車自動駕駛系統是一個閉環控制系統，與列車自動防護系統互相配合來控制列車的加速、減速及停止等狀態，使列車在運行時能得到最佳速度，它替代了傳統的人工駕駛，使列車能夠按照運行圖的設定準點停車，準點停車之后安全門自動開啟與關閉，減少了人力成本和旅客候車時間，提高了列車的運營效率[3]。

列車自動防護系統是ATC 的重要子系統之一。列車自動防護系統依據自動控制原理中的閉環控制的思想，主要作用是防止列車超速，其中車載主機是列車自動防護系統的核心設備，列車自動防護系統工作原理如圖2 所示。車載主機實時接收從地面發送的信號，在對該信號進行分析和計算后，實時向列車的牽引系統或制動系統發出控制指令，在接收到牽引指令時，對列車施加牽引力使列車加速，在接收到制動指令時，對列車施加制動力使列車減速或停車。速度傳感器安裝在列車車軸上，對列車的運行速度進行實時測量[3]，并把測量的速度值反饋給車載主機，車載主機再對測量的速度進行分析計算，若測量的實際速度大于最大允許速度，車載主機發出制動指令。列車自動防護系統與列車自動駕駛系統共同實現了對列車運行速度的閉環控制，閉環控制的優勢在于可以實時測量列車運行速度，不僅能夠保證列車運行速度不超過允許的最大值，也能夠獲得最佳的行駛速度。

圖2 列車自動防護系統工作原理

列車自動監控系統是ATC 的第三大子系統，其有監督和控制兩大功能。監督是通過控制中心的設備將列車的運行信息進行實時顯示，控制是指揮控制列車嚴格按照運行圖行車，與列車自動防護系統和列自動駕駛系統共同完成對全線列車的運營管理。

■3.2 實現軌道交通的集成化

軌道交通是集多種復雜技術于一身的復雜系統，包含了信號系統、供電系統、通信系統、以及環控系統等多個子系統，各子系統為保證軌道交通的安全運行發揮著各自的作用。為實現軌道信號、售檢票、火災自動報警、電力監控、機電設備與監控等系統之間的信息傳輸，采用三層分布式計算機網絡實現中央級、車站級和現場級三級監控，并在各系統的外部建立接口實現數據交互，建成信息傳輸通道，將各子系統關聯起來，形成互相協作的關系，構建綜合自動化監控系統[4]，提高軌道交通的自動化水平，減輕工作人員在處理緊急情況時的壓力，保證對軌道交通系統進行有條不紊地控制，實現軌道交通的集成化控制。

■3.3 完成車地信息雙向傳輸

車地信息雙向傳輸是列車自動駕駛系統中的關鍵技術。將列車的運行狀態車次等信息從車上向地面直接傳遞，地面向列車傳遞列車的自動折返的運行線路、運行狀態及目的地等信息。在這個過程中需要實時的通信設備傳遞列車數據，在列車自動控制系統的監督下完成車地信息傳輸。基于無線的車地雙向信息傳輸不僅可以雙向傳輸數據，還具有傳輸信息量大，設備易于維護，成本低等特點，在我國的列車信息雙向傳輸領域中已有廣泛應用。

■3.4 實現軌道交通的智能化

軌道交通智能化有利于實現資源共享、互相協作，形成綜合運輸信息化平臺。為實現軌道交通的智能化需要采取有效的智能控制技術。利用智能控制技術可以實現對軌道交通系統的遠程視頻監控，為乘客提供良好的人機交互體驗，為軌道交通的運營提供強大的技術支撐。模糊控制、神經網絡控制和基于知識的專家控制等是智能控制技術采用的主要方法。利用這些方法可以實現軌道交通系統電氣設備的故障診斷和預測、保護與控制，如在自動控制系統中有一種具有智能化的模糊控制器，可以構成對列車的電動機的轉速具有反饋通道的模糊控制系統。這種控制方法實現了對電動機速度的實時監測和故障的診斷。智能控制技術在軌道交通供電系統中通過對變壓器油中分解出來的氣體進行智能化分析，可以找出變壓器的故障范。因此，實現軌道交通智能化是未來的發展趨勢。

■3.5 方便維修管理

軌道交通空間具有密閉性，且運輸密度大，各設備使用頻率高，一旦設備故障需要及時維修，否則對系統會有重大影響。傳統的設備運維管理主要是將設備的維修記錄、故障史等都采取人工記錄的方式，自動化程度低，沒有形成系統的運維管理系統，現階段隨著計算機技術的引入，對系統的運維數據進行自動化集成，實現面向設備運維的管理系統，有效的幫助運維人員進行決策，提高設備運維效率，使各類設備的管理也不斷朝著信息化、智能化及可視化等方向發展[5]。

4 自動化控制技術在軌道交通中的發展趨勢

隨著社會經濟及信息技術的不斷發展，軌道交通系統也面臨新的問題，軌道交通的路網規模在不斷增大的同時，線網負荷強度也與日俱增，這導致了線路的運輸效率與安全性降低，這也對自動控制技術在軌道交通中的應用提出了更高的要求，為適應當下的技術要求，自動控制技術開始向更高級的智能控制技術發展。因此軌道交通的智能化也成為當今的熱點話題，智能化是在自動化的基礎上進一步的提升軌道交通的運輸效率，最大程度的減少環境污染和線網負荷強度過大的問題。其次軌道交通智能化是實現智慧交通的核心，可以對系統龐大的數據庫進行整合，利用可視化的平臺實現數據顯示與監測等多種功能，智能化對于地鐵這種大運量且人流密集的系統，可以實現高效的客流監測，在事故狀態或特殊情況下以自動化的運營流程極大程度的減少了事故的處理時間，保證乘客安全。智能化也可以實現系統業務之間的資源共享，為日常運營和數據傳輸等業務提供高效的服務。

軌道交通智能化以個性化的服務來提升服務水平和運營效率，推動著信息技術的發展，可以為國家新興產業提供廣闊的應用環境[6]。而軌道交通的智能化發展必然離不開安全可靠的智能控制技術，在自動控制技術的基礎上發展智能控制技術，研發出具有良好的人機交互體驗，且擴展性強、集成度高的的軌道交通綜臺化管理系統，實現對軌道交通系統運營的智能化管理。

5 結語

自動控制技術在軌道交通中應用廣泛，且發揮著其控制技術方面的重要作用，其對軌道交通的持續快速發展具有重要影響。未來將進一步通過自動控制技術實現軌道交通朝著智能化方向發展，將自動控制技術與多學科技術進行交叉融合，加快發展智慧交通，推動軌道交通智能化應用水平，為我國經濟與社會發展創造巨大效益。