移動閉塞系統(tǒng)列車運行智能控制的若干關鍵問題研究.pdf

1、移動閉塞系統(tǒng)（Moving Automatic Block System）是在現代通信技術、計算機技術和控制技術的基礎上發(fā)展起來的，基于精確定位技術，對列車位置、速度連續(xù)檢測，通過列車間隔控制，確保后續(xù)列車不與先行列車發(fā)生沖突，顯著提高行車效率的一種新型列車運行安全控制與防護系統(tǒng)。目前，移動閉塞系統(tǒng)已經應用于北美、歐洲、亞洲諸國的城市軌道交通，我國北京、上海、廣州、武漢等城市引進了該項技術。 目前，世界范圍內廣泛采用固定自動閉塞

2、系統(tǒng)（Fixed Automatic Block System）。所謂固定自動閉塞系統(tǒng)，即在（相鄰車站之間的）區(qū)間軌道上設置軌道電路區(qū)段檢測列車占用情況，并在軌旁設置地面信號機或由機車從軌條提取地面信號，從而對列車運行進行防護和指揮；區(qū)間同方向相鄰地面信號機之間的軌道區(qū)段稱之為“閉塞分區(qū)”，顯然其閉塞分區(qū)是固定的。移動閉塞系統(tǒng)取消了區(qū)間軌道電路和地面信號機（或由列車從軌條提取信號）對列車進行定位、導航的模式，采取遠比軌道電路區(qū)段更精確的

3、定位技術，最終實現對列車運行的導航和控制；較之固定自動閉塞系統(tǒng)，其閉塞分區(qū)呈現出“移動”和“長度變化”的特征，即閉塞分區(qū)隨著列車的移動而移動，長度隨著前后列車（本文均指同一線路上相同方向運行的相鄰列車而言）的運行狀態(tài)而動態(tài)變化；通過實時、合理地調整列車行為，使得前后列車安全、快捷、平穩(wěn)、舒適運行的同時，列車間隔（即閉塞分區(qū)）始終保持動態(tài)“最佳”，從而有效增加線路行車密度、大幅提高運能、運量，實現整個運輸網絡行車組織的優(yōu)化。 軌道

4、交通在我國國民經濟發(fā)展中占據著非常重要地位，被稱作國民經濟的“動脈”，當前“提速”、“挖潛”等措施盡管取得了可喜的成效，但并不能突破固定自動閉塞系統(tǒng)對運輸能力的限制，且建造、養(yǎng)護、更新費用巨大。研究、進而實現移動閉塞系統(tǒng)，不僅可以節(jié)省基建投資和養(yǎng)護、更新費用、便于養(yǎng)護、更新，而且在保證列車安全運行的前提下，提高運輸效率更顯著，技術升級和指揮調度更靈活等優(yōu)勢，能夠根本性扭轉我國長期以來運力有限、運能不足和嚴重阻礙社會、經濟發(fā)展的不利局面，

5、有力促進我國智能交通等學科的發(fā)展和相關重大基礎產業(yè)的技術進步，具有重大的戰(zhàn)略意義。但鐵路運輸網絡遠比城市軌道交通情況復雜，移動閉塞技術在規(guī)模龐大的鐵路運輸網絡上尚無應用實例。應用于我國鐵路運輸，在列車運行安全防護與自動控制上還存在大量的問題有待探索，許多關鍵性技術還需要在消化、吸收國外先進技術的基礎上深入研究。 移動閉塞條件下的列車運行自動控制與安全防護技術，首先必須滿足并依據其閉塞分區(qū)“移動”和“長度變化”的特點，解決列車運行

6、的高度自主性和對其定位導航的實時性、精確性問題。沒有列車的實時、精確定位導航技術，就無法實現移動閉塞條件下列車運行的自動控制和安全防護；列車缺乏高度的自主性，就無法“隨機應變”，合理地、高效地調整自身行為，也無法在高速運行中保持平穩(wěn)、舒適的旅行環(huán)境和閉塞分區(qū)的動態(tài)最佳。基于實時和精確定位考慮，建立了基于網絡RTK（Real Time Kinematic）技術和快速差分算法的GPS觀測網絡：基于列車高度自主性考慮，建立INS/MM定位導航

7、系統(tǒng)；對二者進行組合形成能夠自動切換和參數校正的GPS/INS/MM（Global Positioning System/Inertial Navigation System/Map Matching）定位導航新系統(tǒng)（第2章）。鑒于列車定位導航的基礎性地位，文中利用MAS（Multi-agent system）理論對列車運行智能控制系統(tǒng)進行建模研究（第4章），一方面深入討論了車站Agent結構、具有自主智能的列車Agent結構、實現列車

8、完整性檢查的方法和列車行為調整的形式化描述等問題，另一方面考慮我國鐵路運輸網絡規(guī)模龐大、在組織管理上具有分散、遞階的特點，對列車之間、站車之間協(xié)作機制和協(xié)作方法進行研究，提出基于平級協(xié)作機制和主從協(xié)作機制的黑板協(xié)作方法，為我國鐵路這樣大規(guī)模復雜系統(tǒng)中眾多獨立智能主體相互協(xié)作涌現群體智能的研究提供了一種思路。 在列車定位導航技術的基礎上，研究移動閉塞條件下的列車運行自動控制與安全防護問題。列車運行自動控制（Automatic Tr

9、ain Control，ATC）包括列車自動防護（Automatic Train Protection，ATP）、列車自動運行（Automatic Train Operation，ATO）和列車自動監(jiān)督（Automatic Train Supervision，ATS）三個方面。根據移動閉塞系統(tǒng)和ATC的功能特點，重點研究了移動閉塞系統(tǒng)列車安全跟馳車距的計算（第3章）和移動閉塞條件下的列車行為調整（第6章）。移動閉塞系統(tǒng)中，閉塞分區(qū)無論怎

10、樣移動，也無論其長度怎樣變化，都必須在滿足安全行車的前提下提高行車效率，閉塞分區(qū)太短導致安全性下降，太長又造成行車效率降低，可見安全跟馳車距計算的重要性。第3章分析了列車減速運行特點和人們對列車的期望行為，提出了符合駕駛人員決策規(guī)律和行為特點的“基于雙曲函數的列車減速策略”，并按照國際載運工具舒適性評價標準IS02631和上海磁浮示范線標準，研究了不同舒適性評級臨界狀態(tài)下的列車減速策略和相應策略下的安全跟馳車距計算問題。第6章在一般意義

11、上討論了列車非跟馳和跟馳兩種狀態(tài)下變速行為問題，分別用雙曲函數和最優(yōu)控制理論進行研究，為列車變速控制問題提供可資參考的依據。 列車信息的移動性管理（第5章），對列車定位導航和列車運行自動控制均非常重要。在規(guī)模龐大、縱橫交錯的鐵路運輸網絡中，眾多列車在線路上運行或在車站進行相關作業(yè)，列車位置、速度、加速度、牽引重量和牽引制動性能、列車完整性等列車信息隨時處在動態(tài)變化之中，沒有列車信息移動性管理，不可能實現對列車運行的導航。就列車運

12、行自動控制而言，列車需要了解前方線路狀況、車站和控制（調度）中心的意圖，接受調度指揮命令，在追蹤運行時，還要了解前方列車的運行參數、運行狀態(tài)、牽引制動性能和欲采取的行車控制策略等，沒有列車信息的移動性管理顯然也不可能實現對列車運行的自動控制，更談不上對其進行安全防護。第5章專門就這一問題進行了深入討論，利用面向對象技術將列車信息封裝在“實體”之中，并利用雙向鏈表對這些“實體”進行管理。列車信息的移動性管理，不僅為列車定位導航和自動控制奠

13、定基礎，而且有助于列車信息有目的地進行傳遞，從而減小通信資源開銷。 令人欣喜的是：我國通信與航空航天事業(yè)發(fā)展迅速，已經形成覆蓋我國大部分領土的星基、地基無線移動通信網絡；自主研發(fā)的多顆北斗衛(wèi)星成功發(fā)射，打破了西方太空壟斷，增強了我國信息安全保障能力；已經掌握基于無線通信網絡、衛(wèi)星通信網絡和慣性導航系統(tǒng)的移動計算等相關技術。研究、進而實現移動閉塞條件下的列車運行安全防護與自動控制的技術條件已經具備。本文基于上述背景，對移動閉塞系統(tǒng)