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

1、移動(dòng)閉塞系統(tǒng)（Moving Automatic Block System）是在現(xiàn)代通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，基于精確定位技術(shù)，對(duì)列車位置、速度連續(xù)檢測(cè)，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(yùn)行安全控制與防護(hù)系統(tǒng)。目前，移動(dòng)閉塞系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于北美、歐洲、亞洲諸國(guó)的城市軌道交通，我國(guó)北京、上海、廣州、武漢等城市引進(jìn)了該項(xiàng)技術(shù)。 目前，世界范圍內(nèi)廣泛采用固定自動(dòng)閉塞

2、系統(tǒng)（Fixed Automatic Block System）。所謂固定自動(dòng)閉塞系統(tǒng)，即在（相鄰車站之間的）區(qū)間軌道上設(shè)置軌道電路區(qū)段檢測(cè)列車占用情況，并在軌旁設(shè)置地面信號(hào)機(jī)或由機(jī)車從軌條提取地面信號(hào)，從而對(duì)列車運(yùn)行進(jìn)行防護(hù)和指揮；區(qū)間同方向相鄰地面信號(hào)機(jī)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(dòng)閉塞系統(tǒng)取消了區(qū)間軌道電路和地面信號(hào)機(jī)（或由列車從軌條提取信號(hào)）對(duì)列車進(jìn)行定位、導(dǎo)航的模式，采取遠(yuǎn)比軌道電路區(qū)段更精確的

3、定位技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)列車運(yùn)行的導(dǎo)航和控制；較之固定自動(dòng)閉塞系統(tǒng)，其閉塞分區(qū)呈現(xiàn)出“移動(dòng)”和“長(zhǎng)度變化”的特征，即閉塞分區(qū)隨著列車的移動(dòng)而移動(dòng)，長(zhǎng)度隨著前后列車（本文均指同一線路上相同方向運(yùn)行的相鄰列車而言）的運(yùn)行狀態(tài)而動(dòng)態(tài)變化；通過實(shí)時(shí)、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(yùn)行的同時(shí)，列車間隔（即閉塞分區(qū)）始終保持動(dòng)態(tài)“最佳”，從而有效增加線路行車密度、大幅提高運(yùn)能、運(yùn)量，實(shí)現(xiàn)整個(gè)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)行車組織的優(yōu)化。 軌道

4、交通在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著非常重要地位，被稱作國(guó)民經(jīng)濟(jì)的“動(dòng)脈”，當(dāng)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(dòng)閉塞系統(tǒng)對(duì)運(yùn)輸能力的限制，且建造、養(yǎng)護(hù)、更新費(fèi)用巨大。研究、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)，不僅可以節(jié)省基建投資和養(yǎng)護(hù)、更新費(fèi)用、便于養(yǎng)護(hù)、更新，而且在保證列車安全運(yùn)行的前提下，提高運(yùn)輸效率更顯著，技術(shù)升級(jí)和指揮調(diào)度更靈活等優(yōu)勢(shì)，能夠根本性扭轉(zhuǎn)我國(guó)長(zhǎng)期以來運(yùn)力有限、運(yùn)能不足和嚴(yán)重阻礙社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不利局面，

5、有力促進(jìn)我國(guó)智能交通等學(xué)科的發(fā)展和相關(guān)重大基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，具有重大的戰(zhàn)略意義。但鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)比城市軌道交通情況復(fù)雜，移動(dòng)閉塞技術(shù)在規(guī)模龐大的鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)上尚無(wú)應(yīng)用實(shí)例。應(yīng)用于我國(guó)鐵路運(yùn)輸，在列車運(yùn)行安全防護(hù)與自動(dòng)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(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上深入研究。 移動(dòng)閉塞條件下的列車運(yùn)行自動(dòng)控制與安全防護(hù)技術(shù)，首先必須滿足并依據(jù)其閉塞分區(qū)“移動(dòng)”和“長(zhǎng)度變化”的特點(diǎn)，解決列車運(yùn)行

6、的高度自主性和對(duì)其定位導(dǎo)航的實(shí)時(shí)性、精確性問題。沒有列車的實(shí)時(shí)、精確定位導(dǎo)航技術(shù)，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞條件下列車運(yùn)行的自動(dòng)控制和安全防護(hù)；列車缺乏高度的自主性，就無(wú)法“隨機(jī)應(yīng)變”，合理地、高效地調(diào)整自身行為，也無(wú)法在高速運(yùn)行中保持平穩(wěn)、舒適的旅行環(huán)境和閉塞分區(qū)的動(dòng)態(tài)最佳?；趯?shí)時(shí)和精確定位考慮，建立了基于網(wǎng)絡(luò)RTK（Real Time Kinematic）技術(shù)和快速差分算法的GPS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)：基于列車高度自主性考慮，建立INS/MM定位導(dǎo)航

7、系統(tǒng)；對(duì)二者進(jìn)行組合形成能夠自動(dòng)切換和參數(shù)校正的GPS/INS/MM（Global Positioning System/Inertial Navigation System/Map Matching）定位導(dǎo)航新系統(tǒng)（第2章）。鑒于列車定位導(dǎo)航的基礎(chǔ)性地位，文中利用MAS（Multi-agent system）理論對(duì)列車運(yùn)行智能控制系統(tǒng)進(jìn)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(shí)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(guó)鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大、在組織管理上具有分散、遞階的特點(diǎn)，對(duì)列車之間、站車之間協(xié)作機(jī)制和協(xié)作方法進(jìn)行研究，提出基于平級(jí)協(xié)作機(jī)制和主從協(xié)作機(jī)制的黑板協(xié)作方法，為我國(guó)鐵路這樣大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)中眾多獨(dú)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(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究移動(dòng)閉塞條件下的列車運(yùn)行自動(dòng)控制與安全防護(hù)問題。列車運(yùn)行自動(dòng)控制（Automatic Tr

9、ain Control，ATC）包括列車自動(dòng)防護(hù)（Automatic Train Protection，ATP）、列車自動(dòng)運(yùn)行（Automatic Train Operation，ATO）和列車自動(dòng)監(jiān)督（Automatic Train Supervision，ATS）三個(gè)方面。根據(jù)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)和ATC的功能特點(diǎn)，重點(diǎn)研究了移動(dòng)閉塞系統(tǒng)列車安全跟馳車距的計(jì)算（第3章）和移動(dòng)閉塞條件下的列車行為調(diào)整（第6章）。移動(dòng)閉塞系統(tǒng)中，閉塞分區(qū)無(wú)論怎

10、樣移動(dòng)，也無(wú)論其長(zhǎng)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(dǎo)致安全性下降，太長(zhǎng)又造成行車效率降低，可見安全跟馳車距計(jì)算的重要性。第3章分析了列車減速運(yùn)行特點(diǎn)和人們對(duì)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(diǎn)的“基于雙曲函數(shù)的列車減速策略”，并按照國(guó)際載運(yùn)工具舒適性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)IS02631和上海磁浮示范線標(biāo)準(zhǔn)，研究了不同舒適性評(píng)級(jí)臨界狀態(tài)下的列車減速策略和相應(yīng)策略下的安全跟馳車距計(jì)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(jìn)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(dòng)性管理（第5章），對(duì)列車定位導(dǎo)航和列車運(yùn)行自動(dòng)控制均非常重要。在規(guī)模龐大、縱橫交錯(cuò)的鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中，眾多列車在線路上運(yùn)行或在車站進(jìn)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(dòng)性能、列車完整性等列車信息隨時(shí)處在動(dòng)態(tài)變化之中，沒有列車信息移動(dòng)性管理，不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)列車運(yùn)行的導(dǎo)航。就列車運(yùn)

12、行自動(dòng)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(yùn)行時(shí)，還要了解前方列車的運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、牽引制動(dòng)性能和欲采取的行車控制策略等，沒有列車信息的移動(dòng)性管理顯然也不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)列車運(yùn)行的自動(dòng)控制，更談不上對(duì)其進(jìn)行安全防護(hù)。第5章專門就這一問題進(jìn)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(shí)體”之中，并利用雙向鏈表對(duì)這些“實(shí)體”進(jìn)行管理。列車信息的移動(dòng)性管理，不僅為列車定位導(dǎo)航和自動(dòng)控制奠

13、定基礎(chǔ)，而且有助于列車信息有目的地進(jìn)行傳遞，從而減小通信資源開銷。 令人欣喜的是：我國(guó)通信與航空航天事業(yè)發(fā)展迅速，已經(jīng)形成覆蓋我國(guó)大部分領(lǐng)土的星基、地基無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)；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(qiáng)了我國(guó)信息安全保障能力；已經(jīng)掌握基于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的移動(dòng)計(jì)算等相關(guān)技術(shù)。研究、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞條件下的列車運(yùn)行安全防護(hù)與自動(dòng)控制的技術(shù)條件已經(jīng)具備。本文基于上述背景，對(duì)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)