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城市轨道无人驾驶调度指挥系统技术发展趋势研究 | 技术交流

日期:2017年5月26日 20:39
来源:《铁道通信信号工程技术》杂志
 
通过对全自动无人驾驶作业需求的分析,对基于行车为核心的全自动无人驾驶综合调度指挥系统在调度功能变化、系统构建、信息集成、关键技术等方面进行分析和研究。
 
韩 晓 天津滨海快速交通发展有限公司
 
 
城市轨道全自动无人驾驶系统较有人驾驶具有更好的系统性能、灵活性和低能耗,目前全自动无人驾驶调度指挥管理还处于摸索阶段,本文通过对全自动无人驾驶作业需求的分析,对基于以行车为核心的全自动无人驾驶综合调度指挥系统在调度功能变化、系统构建、信息集成、关键技术等方面进行分析和研究。
 
1 城市轨道交通自动化的发展演变
 
1.1 城市轨道交通自动化标准确定
 
在IEC 62290标准中,按照自动化程度将城市轨道交通管理与控制系统具备的运营功能分为5个等级,其中有人驾驶3个等级,无人驾驶2个等级,分为自动化等级为GOA3的司机值守的无人驾驶DTO和自动化等级为GOA4的全自动无人驾驶UTO。
 
1.2 有人驾驶阶段自动化控制发展
 
城轨自动化控制已经历三个阶段。
 
第一阶段,按专业划分,信号系统与各个监控系统分立,调度指挥专业之间完全靠人协商。
 
第二阶段,将供电、环控、防灾系统进行集成,构成综合监控系统,形成信号系统与综合监控系统并存的模式,信号与综合监控系统之间信息交换较为便利,但还没有彻底摆脱调度指挥专业靠人协商的局面。
 
第三阶段,ATS与综合监控集成,将ATS/PSCADA/FAS/BAS等系统信息汇集于统一技术平台,并基于这个平台实现跨专业信息交互和协调的行车综合自动化系统——TIAS(Traffic Control  Intergrated Automation System)系统,实现以ATS行车为核心的多专业多业务联动。由于信息充分共享,调度指挥效率有本质提升,尤其是在故障灾害情况下,各专业科学联动。
 
1.3 全自动无人驾驶综合调度指挥系统解决的问题
 
1)综合调度指挥总体功能要求
 
整合与行车密切相关的全部信息,实现对正线、车辆段、停车场全线路所有专业系统的全自动运行和监控。
 
额外增加对车辆内外信息的收集及显示,实现对全自动驾驶的车辆提供全面信息服务。
 
建立直接面向乘客的统一平台,实现对火灾、水淹车内状况监视等紧急情况下的安全处理,实现远程乘客服务功能,确保故障安全处理能力。
 
优化控制中心行调、电调、乘客调度、车辆等调度的设置,保证中心调度员操作有效便捷,发挥出全自动驾驶的优点。
 
2)综合调度指挥基本模型
 
全自动无人驾驶更多的是管理理念的巨大变化,以往司机的工作和责任由中心自动化系统代替。调度中心所面临的职责由以往下达命令、监视执行、听取汇报变为对现场的远程实时控制。这种运营调度指挥、管理、责任界定的变化,仅仅靠ATP/ATO设备提高可靠性是不能完成的,现场情况透明化、远程操控的实时化、故障紧急情况多专业协作联动处理的迅捷化,这都要求一个透明、实时、多专业联动操控调度系统。全自动无人驾驶在调度指挥需要突破的关键技术包括:充分利用全自动无人驾驶的技术特点,实现调度与控制一体化,实现节能运输;实现ATS为核心的综合行车调度指挥功能扩展;从技术层面集成实现信号与综合监控一体化,建立多专业联合故障救援的综合调度指挥统。
 
3)综合调度指挥研究思路
 
基于自动化系统发展第三阶段的技术基础,将ATS与传统综合监控深度集成,提供更加全面的列车监控、乘客服务、综合维修调度功能及辅助决策支持功能,将集成平台上额外增加车辆的信息(车辆前端增加摄像头增加瞭望功能、车辆上自己配置的牵引、制动、车门PIS、照明、空调、PA、CCTV、无线)充分融合进综合调度系统,调度员“视线延伸”至车辆内外,最终构成面向全自动无人驾驶的以ATS行车为核心的综合自动化系统。下面通过全自动无人驾驶场景和信息接口分析,研究确定面向全自动无人驾驶的行车综合自动化系统应该具有的功能和结构。
2 全自动无人驾驶的调度指挥分析
 
2.1 全自动无人驾驶场景情况分析
 
全自动无人驾驶有车辆段库内作业、正线运营两大类,从运营状况分为正常运营和故障处理两大类,总结各种运营状况有41个基本场景,不同线路情况需求稍有差异。其中18种正常运营场景,23种是故障、紧急情况下的场景。在实际运营中所有的场景控制都应该是以ATS为核心,多专业联动完成。
 
2.2 全自动无人驾驶各系统之间信息集成研究
 
在有人驾驶的第三阶段已经形成ATS、ISCS(传统)、变电、机电集成。为了适应全自动无人驾驶,掌握车辆前视、车辆内部情况,需要将以上信息也集成进TIAS系统中。具体将OCC内的车辆PIS、TETRA系统集成进传统的ISCS系统中,实现与车载PIS/CCTV/广播/电话的信息集成,实现TIAS对车辆的延伸监视和控制。ATS系统、ISCS(集成车载信息的综合监控系统)、变电、机电充分集成构成了基于全自动无人驾驶的TIAS系统。其他各专业系统之间的接口关系维持原模式,但是在各种场景下,工作联动策略更加细化,实现全自动无人驾驶的各专业监控系统的深度集成。
2.3 各专业之间联动研究
 
TIAS系统接收处理接口系统的报警、状态触发点,自动发送控制命令到联动系统的全自动联动方式;当与预定义的联动功能相关的报警点触发动作后,在工作站人机界面上发出信息提示操作员,操作员确认后,TIAS系统自动向联动系统发出控制指令的半自动联动方式;人工选择启动一组涉及多个系统的控制序列,系统自动按照顺序和闭锁条件向不同的系统发布指令,其中涉及到行车安全的控制操作在联动中均需要半自动或手动模式,人工确认后执行的手动联动方式。
 
1)正常运转状态下的自动联动节省人力
 
a.正线正常作业
 
信号系统利用其掌握的列车运营时刻表信息,动态解算出各车站的运营开始和结束的时间,通过通信接口自动触发供电、机电、环控等各专业系统设备进行开启和关闭。运营结束后,自动联动关闭空调、照明、电扶梯等机电设备,关闭AFC系统和进出闸机,并调整相关车站隧道区域的风机通风模式;运营开始,需要开启按照ATS运营时刻自动联动提前开启空调、照明、电扶梯等机电设备,开启AFC系统和进出闸机,并调整相关车站隧道区域的风机通风模式。
 
b.库内主要作业
 
车辆在库内休眠时自动进行降弓、关闭电源等操作,车载信号报告休眠,与中心保持无线通信连接,所有车休眠,调度中心远程关闭库内牵引供电,锁闭门禁;中心ATS命令控制开启牵引供电及门禁,ATS向需要唤醒列车发唤醒指令,列车进行升弓、开启电源等操作。车辆内系统进行自检,结果由车载信号给ATS中心报告车辆状态。ATS接收车载报告确认后,发出发车指令。
 
2)故障危急状态下自动联动减少应急时间降低危害
 
a.站台、站厅火灾
 
FAS检测到火灾报警,除了启动消防灭火措施外,联动其他专业。在TIAS相应的操作站界面上弹出火灾告警,将人机界面监视区域视频监控等自动切换到火灾发生区域,便于操作人员快速判断火灾影响并决定作业命令。在一个专业控制命令执行过程中,将其设备状态同步给其他专业显示,便于了解其他专业的执行进度,从而合理选择自己的作业步骤,整个处理过程各专业决策、过程、结果完全透明化。其中,ATS命令信号系统扣车,并提示转换线路运行交路方式;环控系统启动车站防烟排烟模式;其他机电专业进行关闭车站普通照明、关闭车站电扶梯、释放门禁、释放所有进出闸机、启动逃生制式和应急照明等操作;通信启动PA广播进行旅客安抚和提供疏导路线建议。
 
b.列车火灾
 
TIAS接收到列车火灾告警,火灾告警信息通过系统间接口同步传输到信号、供电、机电等各系统调度台显示,提醒相关人员操作步骤,当行车调度员通过CCTV确定火灾情况,下达疏散指令,系统自动根据列车位置确定是区间疏散还是站台疏散,然后将相应停电、通风风扇、广播等控制命令通过联动接口传递至各专业系统,经各专业操作员人工确认后执行,同时系统根据火灾列车位置,自动给出调整线路其他区域列车运行交路的建议。
 
c.其他
 
如隧道水淹、接触轨失电等危急状态下,都有相应的多专业应急处理模式。
 
3)联动实现的基础
 
TIAS系统搭建ATS、PSCADA、BAS等不同专业的业务应用功能,为实现多专业的联动,只有基于同一软件平台基础才能实现。
 
TIAS系统应采用统一的数据存储和处理,采用统一的调度/值班员工作站用于信号、供电、机电、车辆、站台门、乘客服务等设备。
 
TIAS系统采用统一的工业以太网,各专业业务统一部署在同一个工业以太网网络中。
 
综合指挥管理平台应是以ATS行车为核心的综合调度系统。
 
TIAS系统能提供融合信号、供电、机电、车辆、通信、站台门、乘客服务、网络等设备管理系统,统一对全线的设备进行状态监视,进行设备的预防维修、状态维修和计划维修,并针对设备故障提供分析支持,辅助维护调度决策。
 
3 全自动无人驾驶的关键技术研究
 
以上是对全自动无人驾驶的场景、信息集成、系统构建进行分析,而节能高效的运营、减员增加效益才是建设全自动无人驾驶的根本目的,也才能真正体现出全自动无人驾驶的优点,而全自动无人驾驶需要解决的关键技术如下。
 
3.1 调度与控制一体化实现节能
 
运营制动时,车辆将电动机转为发电机,进而把动能转换为电能,轨道交通系统中,由于列车在运行过程中需要频繁牵引与制动,因此制动过程中回收的电能反馈给接触网再供列车牵引使用比较可观,再生制动是一项十分有效的节能措施。我国城市轨道交通站间距离短、发车间隔小、列车速度快,非常适宜再生能量的直接利用。车辆通过ATO采用加速-惰行-制动的控车曲线,在控车过程中尽可能延迟惰行时间段,即可实现节能运输。本车在制动时间段与其他车辆的加速时间段完全重叠,在制动时产生的再生能,将最大限度反馈接触网并全部应用于其他车辆的加速耗能是最节能模式,综合考虑一个供电区间内多车运营因素,实现多车之间再生制动动能利用最大化是需要研究的节能关键问题。
 
优化同一供电区间内列车在各个站的发车时刻、到站时刻,使得列车在制动产生再生能量的时间段内,有更多的列车处于牵引取电状态,最大限度的增大列车牵引和制动的重叠时间,以此来提高再生制动能的利用率,达到节能的目的。所以将列车时刻表所规定的区间运行时间作为列车控制模型的基本约束,另一方面将列车运行曲线所决定区间加速、制动时间作为列车调度模型的关键参数,实现调度与控制一体化研究,ATP保证安全实现最小追踪间隔,ATO优化车辆速度曲线,ATS优化计算多列车运行时刻表,一方面降低单车能耗,另一方面提高再生能的利用率,而无人驾驶最大优点是设备全自动控制,能更精确控制单列车加速、惰行、制动,ATS在综合多辆车加速、惰行、制动情况的基础上,能更精准计算出多车最佳的加速、制动时间段的重叠最大化,达到无人驾驶系统净能耗最低的目标。作为CBTC的三个子系统精准配合与衔接,在同一供电区间最大负荷允许的情况下,实现最大程度的节能高效运输。
 
3.2 ATS为核心的综合调度指挥功能扩展
 
全自动无人驾驶更多是理念的变化及管理、责任界定的变化,而并非仅仅是ATP/ATO设备可靠性提高,车辆加前视摄像头、各子系统信息集成这么简单。无人驾驶司机的责任由行车控制管理中心自动化系统代替,从前面分析可以看出,ATS的功能随着无人驾驶的责任由司机、站务人员向中心自动化系统转变,中心远程控制能力增强及责任巨大变化才是全自动无人驾驶调度指挥的核心,需要以ATS功能为核心应各种场景的需求做综合调度功能细化扩展研究,才能真正应对全自动无人驾驶的需求。
 
3.3 多专业联合故障救援
 
多专业之间的快速联动协作是保证故障-安全的关键。在技术层面上,通过数据处理层实现各个专业信息的集成和充分共享,并实现各个专业调度台操作界面统一,ATS调度员可以查看其他专业调度台界面信息,ATS的命令能实时下达至任一调度台,充分展示现场情况的实时、透明是技术基础。而故障救援过程中各专业之间联动实施策略的构建环境是需要长时间的摸索和调整。
 
4 展望
 
随着云计算技术、LTE-M技术的成熟和推广,基于云计算技术硬件平台将更加简单。而CCTV/PIS等需要高带宽传送信息采用LTE-M通信技术,以行车为核心的综合调度指挥系统构建将更加节约化,是新的研究方向。
 
素材来源:中国通号/《铁道通信信号工程技术》杂志 顶图为搜索引擎推荐
 
 

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