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关于计算机研究与实现南京地铁ATS系统优化方案

发布时间:2019-05-22 14:38所属分类:计算机论文浏览:71次

本文是一篇计算机论文,论文对国外引进的 ATS 系统的功能和设计要求作了较为详细的介绍,并根据南京地铁具体使用经验,指出现行 ATS 系统在设计上存在的问题,并就如何改进 ATS 的功能设计和操作设计,解决存在的问题,作了系统的论述。

第一章 绪论

1.1 地铁信号控制系统介绍
地铁信号系统的主要作用是自动控制列车运行,并保证行车的安全和线路的高效利用。信号控制系统主要设备包括:信号装置、联锁装置、闭塞装置和监控装置等。
多条地铁线路包含在每一个地铁站中,道岔是连接各个线路的纽带。道岔的位置决定了进路的运行方向,是决定性因素。但是如果道岔的位置不对或者再排列的进路上已经有列车行驶,那么根据信号机的防护管理机制,该条进路的所有信号设备就不会开放放行,通过这种方式来保证列车运营安全。所以信号机、道岔和进路是列车运行的基本要素,在运行过程中通过线上的联锁设备控制列车,相互制约和互存,从而保障列车正常运行。另外还存在一种方式就是通过行车闭塞设备来组织列车在各区间内正常运行,这种方式主要是车站通过行车闭塞在确定将行驶区间内没有其他列车后安排列车向区间发车。但在这个过程中要注意沟通,切要防止两个车站在同线上向同区间同时发车。
地铁上的车载设备和线路上的轨旁设备之间的双向不间断的通信构成了地铁信号系统的主要工作方式,通过这种方式将地铁行车的自动化控制 体现出来。正常情况下列车会不间断的将当前的运行方向和速度,以及自身的车体信息和位置等传输给控制中心,控制中心便会根据列车实时传送的运行动态来计算出列车的最大制动距离。而这个最大的制动距离成了列车虚拟分区的重要组成部分,为了提高运营效率,必须在保证列车运行安全的前提下进行,这个移动的虚拟分区就是由最大制动距离、列车自身长度和列车运行时的防护距离组成用来保证列车的运行安全距离,从而保障两个相邻的移动闭塞分区在较高的速度和很小的运行间隔下安全高效运行。
其中的 ATS(列车自动监控系统)系统是整个信号系统的核心,它接收和处理列车运行的所有信息,指挥监控列车运行,可自动或由人工控制进路,进行行车调度指挥,并向行车调度员和外部系统提供信息,为信号系统提供全面管理功能。ATS 作为系统和控制中心调度员之间的接口,在没有调度员干预时,可以提供自动列车进路和运行图调整等功能。
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1.2 南京地铁现 ATS 使用中存在的设计缺陷
南京地铁运营十年来,使用的主要为西门子或者由西门子提供技术支持的 ATS 系统。该系统在使用中暴露出其系统本身所无法规避的设计缺陷。
1、系统设备在发生故障时,后备模式不能有效支撑列车正常运行。
2、车次号设计缺陷造成的车次号冲标,不能自排等故障。
3、人性化设计,操作界面使用的不方便。
随着南京地铁线路的不断延伸和增加,上述设计缺陷带来的隐患也在不断地放大。严重制约了南京地铁交通事业的发展。必须杜绝这些隐患的产生,对 ATS 系统进行优化改造,以适应南京地铁交通事业快速发展的要求。在仔细研究了故障发生的现象阅读故障报文后发现这些故障多多少少都与系统的设计相关,或者说重新对系统性能进行设计,更改系统判读的标准和方式可以解决这些故障,因此需要做的工作包括:
1、在个别车站为系统设计后备 ATS 系统设备。保证中央 ATS 系统中断情况下,
ATS 功能的完整性。
2、研究车次号冲标,不能自排等故障原因。重新设计列车到站,还有故障自排选择等等的标准。为防止列车步进的设置判断条件。
3、为适应运营需要,规范非时刻表列车设置调整的方式。增加列车车次号自动调整的功能以防止列车到站倒计时系统(PIIS)混乱。
4、为了简化操作界面。方便行车调度人员的操作,简单操作错误带来的行车影响。重新设计了部分人机界面,已经改善了部分操作方式。
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第二章 ATS 系统原理及关键技术介绍

2.1 ATS 系统原理
信号自动控制系统(Automatic Train Control,简称 ATC)包括三个子系统:
列车自动监控系统(Automatic Train Supervision,简称 ATS)
列车自动防护(Automatic Train Protection,简称 ATP)
列车自动运行系统(Automatic Train Operation,简称 ATO)
三个子系统通过信息交换网络构成闭环系统,实现地面控制与车上控制结合、现场控制与中央控制结合,构成一个以安全设备为基础,集行车指挥、运行调整以及列车驾驶自动化等功能为一体的列车自动控制系统。
ATS 功能:是信号系统的操作层面的功能。一般由列车定位,进路自动排列,列车自动调整等功能。行调人员利用该设备进行行车调度指挥,并向行车调度员和外部系统提供信息。ATS 功能一般位于控制中心内的设备实现。
南京地铁中信号系统设备如图2.1所示:

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2.2 分布式计算机系统
2.2.1 分布式计算机结构简介
分布式计算机系统采用客户端和服务器的模式建立。服务器通常采用高性能的计算机,一般使用大型数据库系统支撑,原来采用的是 solaris 系统和 ORACLE 数据库,新系统采用Windows server 系统,SQL 数据库。客户端需要配置客户端系统以实现和其他客户端共享服务器资源。
客户端和服务器端是系统结构中应用程序两个重要部分。这两个重要部分特点分别是一对一,一对多。即客户端部分主要是将处理的列车以及轨旁设备数据、报告请求和用户接口的管理等前台功能反映给当前的专有用户。而服务器端则是将管理共享外设、控制对共享数据的操作等后台服务和多个用户共享信息和功能。为了提高系统结构资源的最高利用率,使用多台计算机将系统中的硬件以及软件有机结合起来共同完成整个系统的应用。
显示逻辑部分(表示层)、事务处理逻辑部分(功能层)和数据处理逻辑部分(数据层)3 个部分是一个应用系统的基本组成结构,显示逻辑部分主要是用来和用户信息交互;事务处理逻辑部分主要是将所接收的信息进行数据的分析和处理,以及具体的运算;数据处理逻辑部分主要是用来查询、更新和修改存在数据库中的数据。在两层模式的分布式计算机结构中,客户端主要功能是显示逻辑部分和事务处理逻辑部分,服务器端则主要功能是数据处理逻辑部分和存放数据库。从而使得客户端任务较重,而服务器端任务较轻,共同组成了胖客户端和瘦服务器的组合。
2.2.2 分布式计算机的结构优势
工作站运行数据的工作量相对较轻。客户端所运用的前台程序和服务器端所运用的后台程序构成了最简单的 C/S 体系结构的数据库应用。我们一般所说的应用服务器就是服务器端所使用的后台程序设备,服务器程序启动后和客户程序进行交互,完成请求与被请求服务。而平时客户电脑也就是数据库服务器,用户可以将其应用程序运行在自己的客户端上,通过客户程序与所相应的服务器程序在服务器中进行信息交互从而完成对当前所需数据的操作。
另外一个结构优势就是有较为透明的管理存储数据功能。服务器程序和客户应用程序分别独立完成了数据的存储管理功能。通过这种独立的分工处理,将较为透明清晰的数据反馈给前台程序上的终极用户,更加轻松地去完成自己想要完成的任何工作,所以在客户服务器的架构中,繁琐的处理过程主要是由服务器和网络来完成。在分布式计算机下,数据库被专门独立管理起来,还没够专业公共化。
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第三章 ATS 系统项目背景及需求分析.........................12
3.1 ATS 子系统的作用和功能要求............................12
3.2 ATS 系统中所存在的设计缺陷...........................13
3.3 南京地铁 ATS 系统操作界面的优化需求........16
第四章 ATS 子系统功能优化设计.................................16
4.1 ATS 系统的硬件结构优化设计................................16
4.2 列车运行监督与追踪功能机制优化...........................19
第五章 ATS 子系统功能实现与操作.............................46
5.1 列车运行监督和追踪的操作和控制............................46
5.1.1 更新前列车车次及追踪等操作...............................46
5.1.2 更正后的列车分配操作.........................48

第五章 ATS 子系统功能实现与操作

5.1 列车运行监督和追踪的操作和控制
列车追踪功能是追踪定位列车运行位置和路线,通过图 5.1 看到通过轨旁各种设备确认列车的位置(小车所在位置),通过车次号辨识他的身份.以便调度人员可以方便准确的与列车进行联系和操作。

由于地铁系统中列车行进路径实际上是从上行到下行,再从下行转到上行。这样不停的绕圈,因此为各种不同的列车运行路径设计运行线。运行线中包含了所有列车行进的路径、包含行进过程中信号机被触发后的显示、道岔的位置和防护进路的要求等一切运行要求的集合包。车次号就是代表同样的一个概念,但是运行线概念的引入对行车调度人员的操作带来了变革。
列车自排的触发点,列车位置的认定依旧已车次号的位置为最终标准。但是对列车车次号的更改却不再对列车运行带来改变。行车调度人员将通过对列车赋予运行线,来改变列车的运行方式。
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第六章 总结与展望

6.1 总结
论文对国外引进的 ATS 系统的功能和设计要求作了较为详细的介绍,并根据南京地铁具体使用经验,指出现行 ATS 系统在设计上存在的问题,并就如何改进 ATS 的功能设计和操作设计,解决存在的问题,作了系统的论述。
中国现有的 ATS 系统供应商主要有德国西门子或者西门子和南京十四所组成的合体公司恩瑞特(江苏,广州城轨项目大部分由其提供)、法国泰雷兹与上海自动仪器公司组成的自仪泰雷兹(上海以及安徽,江西城轨项目大部分由其提供)和卡斯柯(提供中国许多北方项目以及高铁项目)。从运用的角度上来说,上述各种版本的 ATS 系统各有千秋。但其设计原理和指导思想基本一致,都是围绕自动追踪,自动调整,自动排列这些基本的行车理念展开设计的。本文根据作者本人和地铁公司各专业同仁在多年实际使用这些系统时发现的问题,主要是列车各种原因的冲标故障,折返进路冲突故障,车次号跳变带来的进路无法自动排列,因为列车早晚点或者行调干预车次号而再次造成的运图序列混乱,或是是导致的倒计时系统大面积错误,还有因硬件设备冗余性不足而导致故障情况下的功能缺失,行车调度人员操作繁琐易犯错,等等等的问题从系统设计上做出了优化。通过改进车次号步进的规则,来解决冲标故障。通过改变倒计时计算方式改善倒计时错误问题。通过规范进路排列准则预防排路冲突。通过重新设计人机界面优化行车调度人员操作上的不便等等等等。诸如此类的改进和优化。这些优化的方案我们在实际工作已经与供应商联系并向其提出。大部分被供应商接受,并按照我们的想法对系统设计进行了改良。解决了实际运营过程中实际遇到的诸多困难。
参考文献(略)

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