城市轨道交通云计算技术研究及应用

2022-05-27李海培

自动化与仪表 2022年5期

李海培

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043）

城市轨道交通是城市区域使用车辆在固定导轨上运行。与其他交通形式相比，城市轨道交通具有低能耗、少污染的特征，对于实现城市的可持续发展具有重要意义[1]。城市轨道交通呈现出高速化、智能化、密集化以及自动化等特征。

为了保证城市轨道交通的有序运行，避免出现轨道车辆碰撞、线路冲突等事故，需要利用相关技术对城市轨道交通进行管理和控制。从当前的研究情况来看，云计算、大数据等信息技术在城市轨道交通的管理与控制工作中逐渐得到应用，并逐渐成为交通发展的必然趋势。云计算是基于硬件的服务，提供计算、网络以及存储能力，与传统系统比，云计算具有业务连续性、数据耐久性、资源集中性等特点。

将现有城市轨道交通平台及其技术应用到实际的管理控制工作中，发现现有平台及其技术与技术发展趋势相比存在诸多不足，主要体现在联动控制效果差、管理效率低等方面。为解决上述问题，需要进一步对城市轨道交通平台及其关键技术开展研究并优化，以期提高系统的性能，保证城市轨道交通的运行安全。

1 平台设计

以优化城市轨道交通的管理和控制效果为目的，从硬件设备调用、数据库数据存储、软件功能设计与编码等多个方面，设计并优化交通平台及其技术。

1.1 硬件设计

1.1.1 通信网络设计

通信网络主要由主干传输网络、车地无线通讯网络、分区内部的安全通讯网络3 部分组成[2]，负责信息传递。在优化设计过程，利用ME3000 模组实现数据的收发、传输。ME3000 采用统一的行业界面和SIM 卡内存。利用通信网络上的传输线路把讯息传输至服务器端或控制终端。接收机与无线终端之间的联系，从场站RTU 中获取数据。在控制过程中，信道控制器将二值数据的0 和1 传输出去，并由信道产生两个不同的脉冲。场站收到的数据经过LM324扩频处理，将其发送CTC1 信道[3-4]。此外，优化车载无线通信网络，在列车设备和线路上安装冗余无线电控制装置，用于接受一个或多个对应的地面无线基站信号。为确保无线通讯的可靠性，需要邻近的两个无线基站在同一时刻覆盖现有的轨道运行列车。考虑到列车有同样的无线单元，这样就有4 条可用的冗余无线路径，扩大通信容量，避免出现通信拥塞的情况。另外分区安全通信网模块的优化设计结构，如图1所示。

从图1 可知，在智能网关的辅助下，分区主控计算机可与中央控制系统间通过骨干传输网连接直接通信。

图1 分区安全通信网模块结构图Fig.1 Structure diagram of partitioned secure communication network module

1.1.2 现场控制级设备

选择PLC 设备代替传统平台的控制器设备，具有可编程功能，根据输入的控制程序启动和运行。优化设计的控制器结构如图2所示。

图2 现场控制器结构图Fig.2 Traffic field controller structure diagram

现场装置执行指令信号，在调节装置中[5]，PLC控制器输出一个表示开度的仿真信号，控制阀门的运动，以实现控制指令。

1.1.3 应答器

应答器装置是高速的数据传输装置，其工作的主要任务是将线路坡度、闭塞区域、临时速度限制等信息传送到轨道列车。应答器装置包括地面电子装置、车载天线、转发器传输模块等元件[6]。应答器装置安装在进站信号机处、车站出口和区间。在列车进入车站后，应答器将应答器编号、轨道列车进路线路参数提供给地面。若接车股道为直线进路，则需在直线发车进路及前方某一段距离处[7]。在办理正线入路时，入口转发器提供前一段的暂态速度[8]。通过无源和有源应答器的协同工作，根据由小至大的应答器号码判定火车的行驶方向。

1.2 数据库设计

为了提供充足的数据，构建平台数据库。数据库的数据分为静态和动态两种。静态数据包括轨道数据和站场数据等[9]；动态数据是实时行驶参数信息、道岔状态信息等。根据数据来源分类存储数据，构建数据库表。部分数据库表的构建结果如表1所示。

根据表1，同理得出车站、信号机等其它数据库表的构建结果，并形成内部连接。利用数据库同步技术，数据库实现读取和写入。主数据库与备用数据库之间相互独立，当主资料库发生停机时，后备资料库取代资料库的读写量，保证数据库的安全性。

表1 部分数据库表构建结果Tab.1 Partial database table construction results

1.3 软件功能设计

1.3.1 生成与管理轨道列车运行时刻表

制定列车运行的时刻表时，确定列车运行时段、各个时段的运行间隔、车站停车时刻等参数，并据此求出列车运行周期和上线列车数[10]。列车运行时刻表可划分为工作日、双休日、假期3 种运行周期。定义城市轨道列车每天的第i个时间周期的间隔为

式中：n为列车的编组数量；ηi和Wi分别为任意时段i的满载率和最大断面客流量。当确定列车始发、终到时间等条件下，推算中间站的运行时刻。假定城轨站点数量为N，则在单位时间周期中，第k个站点到达第m个站点的时刻和最小车站间隔表示为

式中：T1为第1 辆列车的发车时刻；tfunction，tstop，tsite和tstart-up分别为列车的行驶时间、停车时间、在站点的停留时间以及启动出站时间。利用公式（3）得出列车停站时间tsite为

式中：min和moff分别为车站上车和下车的人数；tin/off为一位乘客上下车的平均时长；topen和tdisplay为开关车门和车门状态显示的时间，其均为定值；另外参数M和d分别为列车的编成数量和列车的车门数量。判断生成时刻表是否在时间段i内，若判断结果为是，计算得出列车的起始运行时刻和到达各个站点的时刻；若判断结果为否，根据对应时段的规则进行参数修正[11]。根据时刻表判断是否存在列车运行冲突，若存在冲突，调整列车时刻表。

1.3.2 利用云计算技术监测轨道列车位置

平台根据时刻表启动列车运行线程，利用轨道交通环境中的硬件设备检测列车的实时运动位置。进路车次的监测过程中，利用云计算技术从进路数据链表中查找与进路相对应的进路设置群，依次从装置群中读出装置的数据，再判定装置的种类，在装置的顶部计算车辆编号，并将车辆编号显示在装置的顶部，并以车辆编号为依据，以显示车辆的使用状况和时间间隔[12]。同理可以得运行状态下、出站状态下列车位置的监测结果。

1.3.3 计算轨道列车运行参数

轨道列车运行参数主要是列车的行驶速度，分别记录城市轨道两侧安装应答器的响应时间，得出当前列车的运行速度参数为

式中：τi和τi-1分别为两个相邻应答器的响应时间；ΔL为应答器之间的间隔距离[13]。由此得到任意时刻列车实际行驶速度。

1.3.4 实现城市轨道交通云控制功能

从列车行驶参数控制、列车调度控制两个方面，实现城市轨道交通平台的控制功能。列车行驶参数控制是将实时获取的v与轨道设置的最高时速限制比较，若v高于时速限制值，则启动制动程序，断开“加油”开关，直到v低于时速限制值[14]。而列车调度控制主要发生在列车运行异常的情况，其控制过程如图3所示。

按照图3 流程针对异常或故障的列车及所处轨道，采用道岔断开的方式进行隔离，并调整后续列车的运行路线，且通过占用检查保证调度后的列车不会与其他列车发生运行冲突[15]。同时，将列车和轨道的实时状态通过平台的显示器设备可视化。

图3 城市轨道列车调度控制流程Fig.3 Flow chart of urban rail train scheduling control

2 应用测试

为了测试设计城市轨道交通云计算及其技术的应用效果，设计平台应用实验。

2.1 城市轨道交通研究对象

实验以某一线城市作为研究背景，该城市轨道交通共包含4 条线路，分别为一号线、二号线、三号线、五号线。线路均包含16 个车站，线路长度约为280 km，覆盖该城市的主要行政区域。市政通信部门为城市轨道交通提供OTN 光纤的大型环形网，OTN 网具有冗余技术，在某个地方发生故障或者某个节点发生故障时，OTN 根据需要进行调整。通过光纤环形网将控制中心的各个部分的设备串联，形成局域网。

2.2 准备城市轨道交通管理与控制实例样本

从列车运行时刻表修改、列车行驶参数控制、列车联合调度控制3 个方面准备实验的应用实例样本，部分实例样本设置情况，如表2所示。

表2 平台应用实例样本设置Tab.2 Platform application sample settings

此次实验共设置50 个任务实例，时刻表修改和速度控制任务数量均为20 个，调度控制任务量为10 个。按照上述方式得出其它交通管理与控制任务样本的设置情况，以此作为设计平台的输入项。

2.3 设置平台应用测试指标

此次实验从平台应用功能方面进行测试，设置应用功能的量化测试指标为任务运行成功率和控制误差，任务运行成功率是度量列车时刻表修改管理任务和列车调度控制任务，其数值结果为

式中：λTimetable和λdispatch分别为时刻表管理和列车调度运行成功的样本数量。通过对比输出结果与预期结果，判断当前任务是否成功，并通过数据的统计，得出上述两个指标的取值结果；λall为实验准备的样本总数量，包含管理和调度控制两个方面的任务，取值为30。另外列车运行速度的控制误差度量指标可以表示为