城市轨道交通ATP 仿真系统的初步研究
摘 要:基于我国目前城市轨道的需求分析以及列车超速防护ATP 系统结构分析,提出ATP 仿真系统的开发目标与指导原则,以及A TP 仿真系统的结构与功能.
关键词:城市轨道交通;列车超速防护;
近年来,随着北京地铁扩建、上海和广州地铁的相继建成投运以及北京轻轨线路的即将开工,我国城市轨道交通的发展规模越来越大,然而我国的列车自动控制A TC(Automatic Train Control) 水平还处于起步阶段,车地一体的成套系统设备尚需从国外引进. 跟踪国外A TC 系统技术发展,研制国产化A TC 系统的任务已迫在眉睫.
城市交通A TC 系统通常包括列车超速防护A TP(Automatic Train Protection) 、列车自动驾驶A TO(Automatic Train Operation) 和列车自动监控A TS(Automatic Train Supervision) 3 个子系统,其中A TP 子系统采用故障安全设计,完成列车运行的间隔控制、进路控制和超速防护等功能,对于保证列车运行安全和提高行车效率起着很重要的作用[ 1 ].
与单项产品的开发不同,城市轨道交通A TP 是一个复杂系统,涉及机车车辆、地车通信、信号联锁、行车指挥以及司机驾驶等诸多因素,系统开发设计中的疏漏乃至错误都在所难免, 所研制设备的性能测试与改进也不可能一蹴而就,应用机仿真技术、研究建立A TP 仿真系统是进行A TP 系统开发的必要条件和必然选择.
1 ATP 仿真系统目标与开发原则
1. 1 系统目标
(1) 建立辅助开发平台 在ATP 系统研发期间,应用数字仿真与半实物仿真相结合的手段,对所研制的ATP 设备进行仿真测试,以便及时发现设计疏漏,缩短新产品的研制周期;同时还可以进行设备参数优化设计.
(2) 建立自动测试平台 对ATP 系统的整体性能以及各个子系统的各项性能进行测试, 检验所设计的ATP 系统的可靠性、可用性和可维护性指标,给出性能测试报告.
(3) 提供方案的评价手段 应用数字仿真对ATP 系统方案的可行性进行预测和评估.
(4) 建立系统演示与人员培训环境 利用多媒体手段对ATP 系统的原理、结构、功能和运行过程进行生动的展示,并提供ATP 仿真系统工作人员以及现场信号工作人员的业务培训环境,包括设备的原理、结构、安装、调试和维护等.
1. 2 系统开发原则
(1) 通用性与开放性 从适用范围方面,考虑扩展为地面铁路ATP 仿真系统的需求;从系统功能方面,预留扩展为ATS 与ATO 仿真系统的接口.
(2) 数字仿真与半实物仿真相结合.
(3) 组态化建模 适应不同模式的ATP 系统,保证仿真对象某一部分不同时,仅通过组态将基本部分加以重新组合就可获得新的仿真模型,而不必修改仿真的原程序.
(4) 优越的人机交互性能.
1. 3 仿真对象描述城市轨道交通ATP 系统结构如图1 所示,各部分的主要功能为:
(1) 区域控制中心 是ATP 系统的核心. 一方面,向ATS 系统提供由轨道电路子系统、进路控制子系统采集来的实时状态信息;另一方面,从ATS 系统接收调度命令,产生进路控制命令并传递给进路控制子系统实现进路控制, 同时产生轨道电路编码信息, 由轨道电路子系统传递给车载ATP 子系统,实现对列车的实时控制.
(2) 安全数据网 是指区域控制中心与其它ATP 子系统实时交换信息的传输通道.
(3) 车载ATP 子系统 接收轨道电路传递的各种信息,生成列车速度控制曲线,并与实测车速进行比较,监督列车运行. 当列车运图1 城市交通ATP 系统结构图行速度超过允许速度时,对列车实施制动.
(4) 轨道电路子系统 不仅向车载ATP 子系统提供列车控制信息、定位信息,同时还完成列车占用检测、断轨检查等功能.
(5) 进路控制子系统 根据区域控制中心的命令,实时控制站内信号机与道岔.
2 仿真系统结构与功能
2. 1 ATP 仿真系统总体结构
A TP 仿真系统的总体结构如图2 所示. A TP 仿真系统是一个分布式仿真大系统,系统中的服务器向各个仿真子系统提供大量共享的数据,例如:线路数据库、车站数据库、列车牵引制动模型、列车运行图等,以及各种硬件共享设备,如打印机、大屏幕投影等. 区域控制中心仿真子系统、车载A TP 仿真子系统、进路控制仿真子系统和轨道电路仿真子系统通过局域网与网络服务器连接,共享网络资源.
图2 城市轨道交通ATP 仿真系统的总体结构图
2. 2 区域控制中心仿真子系统区域控制中心仿真子系统的结构如图3 所示. 图3 中,区域控制中心仿真主机的功能是:
(1) 模拟生成各种A TS 信息;
(2) 设置各通信链路模拟器的参数;
(3) 接收被测设备输出的轨道电路编码信息与进路控制信息,并对这些信息正确性、实时性、抗干扰性等进行评价,给出评价结果及统计信息;
(4) 通过局域网共享网络打印机、大屏幕投影等设备,实现子系统功能演示与系统培训.
图3 中的输入、输出接口可能是模拟量接口,也可能是数字量的;各通信链路模拟器可程控设置其模拟通信链路的类型(如串行或并行) 、链路长度、参数、故障模式等;被测区域控制中心机接收A TS 控制信息,输出轨道电路编码与进路控制信息.
图3 区域控制中心仿真子系统的结构图
(1) 自动生成测试方案,模拟生成一系列的操作命令与当前状态输出;
(2) 通过局域网获取站场数据,并动态显示站场情况的变化;
(3) 接收被测设备输出的表示信息与控制信息,并对这些信息正确性、实时性等进行评价;
(4) 通过局域网共享资源,实现子系统功能演示与培训.
图4 进路控制仿真子系统结构图
2. 4 车载ATP 仿真子系统车载A TP 仿真子系统的结构如图5 所示[3 ,4 ]. 图5 中,车载A TP 仿真子系统仿真主机的功能是:
(1) 根据系统参数以及通过局域网查询线路数据、列车运行模型、列车制动模型等,生成测试方案;
(2) 通过与驾驶仿真微机的通信,获取列车操纵与状态信息;在脱离驾驶仿真系统时,也可自行生成这些信息;
(3) 根据仿真要求,直接生成未经调制的地面轨道电路信息或点式信息;或者通过远程访问轨道电路子系统,由其提供原始信息;
(4) 根据仿真测试结果,进行测试结果统计分析、控制效率分析、安全性分析与评价;
(5) 通过局域网共享网络资源,实现子系统功能演示与培训.
图5 车载ATP 仿真子系统的结构图
2. 5 轨道电路仿真子系统如图6 所示[5 ] ,轨道电路仿真主机的功能是:
(1) 根据仿真任务的需求,通过控制VXI 总线测试子系统与台式仪器子系统,获取仿真建模测试数据、信号分析数据等;
(2) 提供轨道电路工作特性分析、工作状态仿真、轨道电路参数优化、测试数据分析与统计、系统性能评价等的软件平台;
(3) 通过局域网共享网络资源,实现子系统功能演示与培训.
图6 轨道电路仿真子系统的结构图
3 结论
(1) 由于城市轨道具有与地面铁路相区别的一些显著特征,城市轨道交通ATP 系统特别强调设备的自动化、系统化程度以及车地信息传输与设备的在线监控和维修的重要性. 在ATP 仿真系统设计时,应对这些区别给予充分考虑.
(2) 城市交通ATP 仿真系统结构与功能较复杂,各仿真子系统的详细设计有待于进一步研究.
:
[1 ] 赵明,张建明. 我国地铁信号技术研究[J ]. 北方交通大学学报,1999 ,23(5) :41 -44.
[2 ] 屠海滢,吴芳美. 铁路车站通用信号仿真系统的研究与实现[J ]. 铁道学报,1999 ,21(5) :47 -50.
[3 ] 郜春海,唐涛,张建明. 高速铁路列车运行控制系统车载设备的软件设计[J ]. 北方交通大学学报,1999 ,23 (5) :77 -82.
[4 ] 钱雪军,郎诚廉,申朝旭. 半实物机车驾驶模拟器研究[J ]. 上海铁道大学学报,1998 ,19(5) :25 -29.
[5 ] 赵会兵. 高速铁路轨道电路数字仿真系统的研究[J ]. 北方交通大学学报,1999 ,23(5) :69 -72.