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城轨CBTC智能调度指挥系统关键技术的研究

王飞杰  
【摘要】:快速、便捷、大运量是城市轨道交通的特点。大力发展地铁和轻轨交通为主的城市轨道交通是解决我国目前城市交通堵塞的重要手段之一。城市轨道交通系统是一个由多方面子系统有机构成的系统,它需要各个子系统的支持与相互协作,其中信号系统是保证城轨列车安全运行以及提高城规列车运营效率的关键系统。随着计算机和通信技术的飞速发展,特别是提高了无线通信技术可靠性以及制定了标准,提出的基于通信的列车控制技术(称为CBTC)逐步被信号界所接受。CBTC是完全脱离轨道电路并且打破了固定闭塞界限,的新一代信号系统。CBTC通过高精度定位技术和持续的车地通信,提供更准确的列车控制以及连续的列车安全分隔和超速保护,在更短的运行间隔内使得列车能够实现安全运行。对CBTC信号系统的研究和开发代表了21世纪城市轨道交通信号发展的方向。CBTC系统是一个更高效、灵活的信号系统,它的“高行车密度,短追踪间隔”特点尤其突出。随着我国新线的不断建成和投入使用,城市轨道交通网络的逐步形成,基于CBTC系统的列车运行智能调度指挥将会是今后城市轨道交通的研究热点。调度指挥工作是保证列车安全、正点运行的重要内容,其重要性不言而喻。保持服务的准时性及稳定性是解决城轨调度指挥的关键,城市轨道交通智能调度指挥的主题是在确保行车安全的前提下提高效率。作为城轨CBTC智能调度指挥系统的关键组成部分,列车自动运行调整是提高城市轨道交通运营管理水平、改善城市轨道交通运行效率的一个重要途径,也是评价一个城市轨道交通系统运营水平的一个重要指标。地铁运行调整的基本特征和难点主要有约束条件众多;动态性、实时性,受到各种客观因素的影响,列车通常是难以完全按照计划运行;有众多的优化指标,总到达时间晚点最小以及总晚点列车数目最少等等都是在传统的列车运行调整问题研究中经常使用到的优化指标。另外,有较好的列车运行系统的建模,才能更好分析城轨CBTC智能调度指挥系统。通过建模优化列车自动运行调整算法对于提高城市轨道交通调度指挥的科学性,减轻调度员的工作强度,提高城轨CBTC智能调度指挥系统的自动化水平有着重要的理论意义和现实意义,这也是本论文研究的问题所在。本论文主要做了以下几方面的创新性的研究工作:(1)对城市轨道交通中的列车运行调整问题进行了深入的分析。首先,通过研究CBTC系统的基本原理与结构,进一步阐述了CBTC系统所涉及到的各个子系统,并对系统的主要特性和作用进行了详细论述。基于此,本文又对列车晚点的原因和造成的影响进行了讨论,通过建立城轨交通的模型,引入了列车运行的主要数学公式,对城轨列车的运行规律进行了分析,从而详细的分析了列车自动调整的常用策略、实现原理、存在的问题以及国内外的研究现状。(2)采用有色Petri网对城市轨道交通CBTC情况下的列车运行系统进行建模。首先,对Petri网和有色Petri网的概念进行了介绍。然后,对列车运行控制过程进行了分析。最后依照自上而下思路,抽象与描述了城轨列车运行系统的相关资源。相应的城轨列车运行系统的基础模型和各自模型是通过CPN Tools来建立。本文建立的城市轨道交通列车运行系统模型将为系统提供列车运行情况的预测数据,并为列车运行调整提供依据。(3)针对列车运行调整优化问题,作者指出:地铁列车运行调整是NP难解的组合优化问题,针对列车运行过程中的时间不确定性和自调整性,在使用时间Petri网对地铁行车指挥系统进行形式化建模基础上,利用量子编码抗体本身所具有的高效并行性,使用免疫量子优化算法,快速收敛至全局最优解。该算法在一定程度上避免了普通遗传算法容易陷入局部最优问题,可以准确快速确定列车运行调整方法。(4)为验证本文所建立的模型和提出的调整优化方法,方便对城市轨道交通列车运行调度的有关问题进行研究,本文设计和实现了一个城市轨道交通列车运行调度指挥的计算机仿真系统。本文阐述了仿真系统软件的设计方案,详细介绍了该系统的软件系统架构、系统组成硬件设备配置及其功能,论述了系统软件模块划分以及模型建模。分析了构建城市轨道交通调度指挥的计算机仿真系统的方法策略,完成的功能及其实现的难点。从实现手段上,采用了面向对象的分析设计方法,通过流程图、时序图等描述方法,清晰的展现了系统对象之间的关系和对象的活动,使系统具有良好的结构和较强的可扩充性、适应性,便于进一步开发和应用。仿真软件的设计就人机界面、列车运行调整、列车自动追踪、时刻表编制与调整功能、控制命令冲突检测等这几个主要功能的实现做了详细探讨;同时提出了一种快速解决等间隔列车运行调整的算法和在Y型交路下解决列车运行调整的方案。完整地实现了城市轨道交通列车运行调度指挥的计算机仿真系统的关键算法和技术难点。通过对仿真数据的统计和分析,以及系统RAMS计算,为构建可靠可用的现实系统提供了可靠的依据。(5)设计了一种支持多协议的发车指示器系统。发车指示器是地铁运营的重要辅助系统之一。发车指示器接收列车运行调整结果后的相关行车信息并在显示屏上进行显示,是司机作为行车的重要依据之一。本文介绍了支持多协议的发车指示器系统的结构和接口、系统功能、软件架构。城轨CBTC智能调度指挥系统的建设与实现,将从根本上提高了调度指挥系统对运营状况的实时掌握与应变能力。本文所提出的城轨CBTC智能调度指挥系统的研究,从理论上和实际应用价值上而言,都具有重要的意义。


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