移動閉塞系統(tǒng)列車運行智能控制的若干關(guān)鍵問題研究.pdf

1、移動閉塞系統(tǒng)（Moving Automatic Block System）是在現(xiàn)代通信技術(shù)、計算機技術(shù)和控制技術(shù)的基礎上發(fā)展起來的，基于精確定位技術(shù)，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(jīng)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(shù)。 目前，世界范圍內(nèi)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(shù)，最終實現(xiàn)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(xiàn)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(diào)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(xiàn)整個運輸網(wǎng)絡行車組織的優(yōu)化。 軌道

4、交通在我國國民經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)著非常重要地位，被稱作國民經(jīng)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(xiàn)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(shù)升級和指揮調(diào)度更靈活等優(yōu)勢，能夠根本性扭轉(zhuǎn)我國長期以來運力有限、運能不足和嚴重阻礙社會、經(jīng)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(guān)重大基礎產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步，具有重大的戰(zhàn)略意義。但鐵路運輸網(wǎng)絡遠比城市軌道交通情況復雜，移動閉塞技術(shù)在規(guī)模龐大的鐵路運輸網(wǎng)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(guān)鍵性技術(shù)還需要在消化、吸收國外先進技術(shù)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(shù)，首先必須滿足并依據(jù)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(shù)，就無法實現(xiàn)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(diào)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?；趯崟r和精確定位考慮，建立了基于網(wǎng)絡RTK（Real Time Kinematic）技術(shù)和快速差分算法的GPS觀測網(wǎng)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(shù)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(jié)構(gòu)、具有自主智能的列車Agent結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)列車

8、完整性檢查的方法和列車行為調(diào)整的形式化描述等問題，另一方面考慮我國鐵路運輸網(wǎng)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(xiàn)群體智能的研究提供了一種思路。 在列車定位導航技術(shù)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(jù)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(diào)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?cè)藛T決策規(guī)律和行為特點的“基于雙曲函數(shù)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(shù)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(jù)。 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(wǎng)絡中，眾多列車在線路上運行或在車站進行相關(guān)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(xiàn)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(diào)度）中心的意圖，接受調(diào)度指揮命令，在追蹤運行時，還要了解前方列車的運行參數(shù)、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(xiàn)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?qū)ο蠹夹g(shù)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(jīng)形成覆蓋我國大部分領土的星基、地基無線移動通信網(wǎng)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(jīng)掌握基于無線通信網(wǎng)絡、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡和慣性導航系統(tǒng)的移動計算等相關(guān)技術(shù)。研究、進而實現(xiàn)移動閉塞條件下的列車運行安全防護與自動控制的技術(shù)條件已經(jīng)具備。本文基于上述背景，對移動閉塞系統(tǒng)