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铁路运输----关于轨道交通运营与控制“一体化”实验室建设方案优化

来源: 长沙中视澜庭教育咨询有限公司  日期:2018-01-11 15:11:21  点击:102 
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引言
  随着各大城市轨道交通项目的建设,我国已成为世界上最大的城市轨道交通(包括地铁、轻轨)建设市场。而高速铁路(简称高铁)建设也正在迅猛发展,对相关专业的不同层次技术人才需求存在着较大缺口。在当今形势下,为适应社会对人才的需求,在专业人才培养中,设置具有突出轨道行业的培养方向,强化轨道特色意识、实施特色竞争战略,已经成为各高校发展的战略性选择。从实际情况和安全角度考虑,已投入轨道运营的现场设备不可能用于相关专业的大学生进行教学、实验和培训,只能借助于全真环境来模拟这些设备的功能。因此,有必要建立一个全新的集教学、实训和科研创新为一体的轨道交通运营与控制“一体化”综合性实验平台。该轨道交通特色平台将以学生职业能力和素养为本位,让学生融入理论、培训、实习、设计和研究的真实环境中,并培养独立思考和探索能力。从而实现对大学生全方位的训练,提高其工程实践能力,培养与轨道交通一线无缝接轨的工程技术应用与研究人才。
  大学生的培养目标应具有宽口径和广适应性等特点。高校在对轨道交通运营与控制相关专业人才培养中,若将城市轨道交通与高铁完全分开进行单一的培养,这将限制学生的就业范围。虽然城市轨道交通与高铁在运营与控制理念上不同,但设备却大同小异,有相似之处。在“共基础、活模块”人才培养理念的指导下,在平台建设中,可将城市轨道交通与高铁进行整合并优化,更有利于拓展学生就业面。
  1轨道交通运营与控制系统实验室建设目标
  实验室以“四大平台”建设为目标,即本科生的教学平台、实训平台,硕士研究生的创新平台、仿真分析与评估平台。
  (1)本科生模拟演示教学平台。传统方式,城市轨道交通或高铁教学过程与实验室本身并无高度融合。而新建系统不仅能实现自动化教学、演示功能,同时学生也能人工参与列车运行操作。加强学生对现场设备运行的直观感受和实践能力,提高学习兴趣。但要注意的是,由于列车自动保护ATP功能表现在超速防护、停车点防护、列车间隔控制、车门控制等方面。这些功能与行车安全直接联系,十分重要。在新建系统中,要特别突出该功能的基本实现与动态演示。
  (2)本科生实训操作平台。将教学与实践合一,弥补传统理论与实践教学分离,互不干涉的缺陷。系统要有全真的具体案例供模拟情景操作,以满足学生实训要求。学生自行设计方案后,在系统平台上操作,并在平台上完成实验数据调整对比和实验结果演示。通过软件与部分真实设备相结合的仿真手段,模拟现场运行,培养学生实际情景中故障分析能力。
  (3)硕士研究生创新平台。为硕士研究生科研工作提供软、硬件条件,建立轨道交通微机联锁创新平台,同时开展列车智能驾驶优化模型及算法研究。
  (4)仿真分析与评估平台。新建系统能分析列车运行参数改变时的适应能力,测试分析整体、各子系统性能和环境条件。以图、表的形式从多视角、多维度自动生成设计验证和仿真评估结果。
  2轨道交通运营与控制系统实验室建设方案
  2.1建设方案的指导思想
  (1)现有资源的整合与共享。为实现“实验资源优化整合”,达到系统最佳化、整体效益最大化的目的。实验室将城市轨道交通和高铁合二为一。科学规划,充分利用有限空间,合理布局,做到有形资源的整合。以典型的实际运营线路为原型进行实况演练。城市轨道交通选择贯穿重庆东西方向的地铁一号线,高铁选用即将建成的成渝铁路客运专线。
  为实现“实验资源优化共享”,最大限度优化资源配置,减少重复投资。将城市轨道交通和高铁两个调度中心共享一个大屏幕显示系统。根据具体教学与实训需要,在城市轨道交通和高铁模拟系统之间切换。
  (2)仿真软件与实际现场设备相结合。由于城市轨道交通和高铁现场设备复杂而昂贵,只能借助软件来模拟这些设备的功能。仿真软件设计应坚持系统性、真实性和全面性原则。整个仿真系统应与轨道交通一线现场操作系统保持高度一致。
  (3)能体现技术集成性与前沿性。利用系统仿真、多媒体、计算机网络、控制和通信等多种技术来模拟实训环境。用系统仿真实现列车牵引和制动特性的模拟;用声仿真系统逼真模拟列车运行的各种声音;用多媒体技术提供人机交互操作,实现与真实列车相同的驾驶台界面。
  高铁采用300km/h以上技术前沿的CTCS-3级列控体系,以无线通信实现车—地连续、双向信息传输。当出现车—地无线系统故障,车载设备自动降级为CTCS-2级方式,但不影响列车的正常运行。
  (4)模块化的组态结构。系统仿真在配置上应是模块化的,能实现CTCS-3与CTCS-2之间的转换。各子系统均有各自的功能模块,模块之间交换基本行车信息。其优点是,当仿真对象某一子系统发生变化时,可较少甚至不用修改仿真程序源代码,只需将子系统加以重新组合,便可得到新的模式。
  (5)系统提供统一外部接口协议。
  2.2地铁运营与控制系统建设方案
  从总体上看,实验室的建设分成地铁和高铁两大系统。其中,地铁运营与列车自动控制ATC系统仿真培训平台,用以完成地铁全线列车运行各种形式的调度与控制。
  在该系统软、硬件设计时,作了如下考虑。在软件方面,ATP/ATO车载子系统、ATP区域控制器、地-车通信、PIS和ATS模拟系统可用软件仿真;在硬件方面,实验室配置高性能服务器、PC工作站、操作台、显示屏、车辆模型(外形参照重庆地铁车辆制作)、轨道线路设备、模拟沙盘及控制硬件等。
  运营系统基本功能:
  (1)地铁列车运行计划台。计划编制软件能自动铺画列车运行计划,自动生成列车时刻表,接收列车运行调度台传送的信息。
  (2)地铁LCP操作盘。操作模拟界面与实际车站LCP操作盘界面一致,对车站进行扣车、放行、紧急停车。完成车站调车计划编制、调车进路操作功能。
  (3)PIS系统。从ATS接口接收信息,自动报站显示,发布视频文字信息。
  ATC系统基本功能:
  (1)ATS子系统。采集各区域控制器相关数据,自动生成列车运行图及运行过程回放,可视化监控与管理整个沙盘设备。
  (2)ATP区域控制中心。完成列车注册、注销功能,实时计算列车移动授权并将其传送给相应列车。
  (3)微机联锁子系统。接收ATS系统传递的排进路命令,同时将道岔、信号机和轨道电路的状态实时传递给ATS系统。
  (4)地—车通信子系统。对每列车配置一个频段,分别对应每列车辆的模型,实现轨旁与列车之间的双向无线通信仿真。模拟可能出现的异常情况,并进行故障设置。
  (5)ATP/ATO车载设备子系统。利用计算机仿真实现车载设备的功能,提供列车超速防护,确保列车间的安全距离,实现列车安全控制。ATO自动完成对列车的启动、牵引、巡航、惰行和制动控制,同时实现定位停车和车门的自动控制。
  (6)列车模拟驾驶子系统。提供与真实列车同一样司控器和速度表软件界面,模拟驾驶控制。接收微机联锁仿真系统的列控命令,生成列车物理特性曲线。
  (7)ATP运行大屏幕显示子系统。46寸超窄边液晶DID拼接屏,6×2拼接,显示模拟沙盘各线路和站场上所有信号设备状态。
  (8)仿真分析与评估功能。利用参数设置,分析不同情况下所设置参数的影响。引入各类型列车延时概率分布。用随机方法自动模拟各种故障延时事件,分析评估各种信号下路网运营质量。
  2.3高铁运营与控制系统建设方案
  高铁运营与CTCS-3级列控系统应能以真实的情景实例让学生获取相关知识,展开独立思考并提高个人技能。
  该系统软、硬件设计应考虑如下。列车控制ATP/ATO车载设备、车站CTC自律机、RBC无线闭塞中心、车务终端和调度运行图终端可用软件仿真;硬件:实验室配备列车群服务器、RBC无线闭塞中心服务器、PC工作站、综合显示屏、车辆模型(外形参照CRH3动车制作)及控制硬件、轨道线路设备及模拟沙盘等。
  高铁系统所涵盖的运营、地面信号控制和车载设备的基本功能分别如下。
  (1)运营系统功能。调度中心制定日、班计划和列车正、晚点,实现对列车运行的实时控制和管理。车务终端完成车站调车计划的编制、调车进路办理。
  (2)地面信号控制功能。①车站CTC自律机。能与调度中心互通信息并进行控制权限的转换。②车站微机联锁。接收其他系统传递的排进路命令,为列车提供进、出站及站内行车的安全进路。③车站列控中心TCC。接收调度中心发送临时限速命令,并将其传输到列车。④RBC无线闭塞中心及通信。自动生成列车行车许可,发送无线列车命令。
  (3)车载设备功能。与地面设备双向通信,监控列车允许速度,实现超速运行防护。获取列车制动特性与行车许可,模拟驾驶操作与车载实际界面一致。
  3轨道交通运营与控制系统实验室建设成果及主要特色
  3.1实验室建设成果
  实验室建成效如图。
  3.2实验室的主要特色
  我校建设的轨道交通运营与控制实验室具有完整性的实验室体系结构和应用模式,实现四位一体,集地铁与高铁“一体化”、系统设计“后备化”、学生培养“个性化”和“层次化”为一体。
  (1)地铁与高铁“一体化”。实验室实现了列车运营与控制一体化。摒弃了针对中国高铁实际情况提出“互联集成”方案,即增加列车运营与控制接口,只对现有系统作微调。而是借鉴北美主动列车控制系统设计理念,构建全新的运营与列控一体化解决方案:将列车运营与运行控制过程结合,形成一个完整的闭环系统。调度直接对列车控制,以提高调度指挥实时性和列车运行效率。
  此外,从资源利用上,采用地铁与高铁“一体化”解决方案。在实验室有限的空间内建设功能完善、空间布局相对集中的综合实验平台。打破通常地铁和高铁两个系统分别为独立“孤岛”现象。同时,两个调度中心共享一个大屏幕显示系统,让实验室建设从独立化、分散化走向综合化、效益化。
  (2)系统设计“后备化”。实际中,系统在非正常情况下运行,几乎都是在无准备的、设备突发故障下发生的。因此在系统设计时,需要考虑当设备突发故障或者列车运行条件变化时,对学生进行相关的实训,让他们能够掌握应急操作,最大程度地保证列车运行的安全性。①系统具有故障模拟的实训功能。如调度中心与车站之间通信故障、联锁机故障、道岔故障、列车丢失故障等真实情景的模拟;②系统在设计时需考虑第二套列车运行控制系统,即后备系统。后备系统应具备列车定位、安全分隔等功能。能实现对道岔、信号机的控制,为列车提供自动保护。让学生掌握第二套列车运行控制系统的操作实训。
  (3)学生培养“个性化”。系统在设计性实验项目中,应尊重学生个性、提倡学生“自主创新”。例如,在设计性实验中真实模拟轨道交通某线路、某区段列车出现故障时的场景。让学生在线路平面图中模拟组织列车救援实验。不同学生可设计不同的救援方法和条件,从而产生不同救援线路,最后总结比较各自方案优劣。这类设计性实验能引导学生发挥主观能动性,进行探索式创新式实践,发挥各自的兴趣与特长,有利于学生个性发展和实验教学质量提高。
  (4)学生培养“层次化”。实验室可实现对本科生、硕士研究生培养的“层次化”。实验室,将本科生的教学、实训室与研究生的微机联锁创新平台用茶色玻璃隔开。本科生可完成相应的教学与实训,将他们培养成能从事轨道交通相关专业的应用型高级工程技术人才。研究生可在美国GE公司微机联锁创新平台上进行科研创新的验证及理论应用于实际的转化。同时,展开列车智能驾驶的优化模型新理论及算法研究。让实验室成为研究生创新能力培养的主战场。实验室能为不同层次的学生提供相互沟通与交流的平台,共同学习研究。
  4结语
  轨道交通运营与控制是行车安全的核心和命脉。实验室建设以软件模拟与硬件结合为出发点,具有四位一体的特点。可分别为不同层次的学生提高工程实践与创新能力,实现轨道相关专业大学生从学校到轨道行业一线职业人员角色转换,同时也为其他高校的轨道交通相关专业人才培养提供一些借鉴和参考。
 

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