（交通信息工程及控制专业论文）分散自律调度集中CTC中心研究与仿真.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 捅要 随着高速铁路在我国的蓬勃发展，列车运行控制系统c t c s 技术取得了显著的进步， 处于c t c s 运输管理层的调度集中( c t c ) 系统也步入了一个良好的发展时期。调度集 中系统是铁路运输的指挥中枢，它主要负责列车运行的计划管理和远程控制，调度集中 很大程度上决定着铁路运输的效率和水平。过去由于历史原因，调度集中在我国发展缓 慢，进入新世纪，我国借鉴发达国家铁路调度的经验，构建了适合我国实际情况的分散 自律调度集中系统。 分散自律调度集中系统在中心集中指挥的前提下让各车站系统自主、自律地控制列 车进路。调度中心是调度员编制阶段计划、下达调度命令和进行远程控制的场所，其重 要程度显而易见，调度中心系统编制调整计划、下达命令及远程控制的能力决定着调度 集中功能的实现。因此，研究调度集中系统尤其是调度中心对计划的调整、命令的下达 以及远程进路的控制就有着十分重要的现实意义。 本文立足我国分散自律调度集中的系统需求，根据自律分散系统a d s 的思想，在 系统构建形式上给出一种调度集中系统的搭建和信息传输模型；重点分析研究了调度中 心系统的功能需求、划分了四个主要的功能模块；对列车运行图管理这一模块改进了运 行图调整的数学模型，详细设计了基于遗传算法的运行图调整编码方案、遗传算子，并 对其进行了求解；对划定的三个关键功能模块即列车运行图管理模块、命令下达模块和 列车进路控制模块进行了仿真设计，采用v i s u a lc + + 对其功能进行了仿真，仿真结果实 现了预定目标。 关键词：调度中心；分散自律；列控系统；调整模型；遗传算法 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 t 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g h s p e e dr a i l w a yi no u rc o u n t r y , t h et e c h n o l o g yo fc h i n e s e t r a i nc o n t r o ls y s t e m ( c t c s ) h a sm a d ear e m a r k a b l ep r o g r e s s ，a tt h es a m et i m e ，t h ec t c w h i c hl o c a t e di nt h el e v e lo ft r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n th a se n t e r e dag o o dp e r i o do f d e v e l o p m e n t c t ci st h ec o m m a n dc e n t e ro fr a i lt r a n s p o r t ，a n di ti sm a i n l yr e s p o n s i b l ef o r t h e r a i l w a yp l a nm a n a g e m e n ta n dr e m o t ec o n t r o l ，s o ，i tl a r g e l yd e t e r m i n e st h ee f f i c i e n c ya n dl e v e l o fr a i lt r a n s p o r t i nt h ep a s t , f o rs a m eh i s t o r i c a lr e a s o n s ，c t cd e v e l o p e ds l o w l yi nc h i n a , b u t i nt h en e w c e n t u r y , w ee s t a b l i s h e df z c t cs y s t e mr e f e r st od e v e l o p e dc o u n t r y se x p e r i e n c e i nt h ep r e m i s eo fc e n t r a l i z e dc o n t r o l ，t h es t a t i o ns y s t e mo ff z c t cs y s t e mc o n t r o l st h e t r a i nr o u t ei n d e p e n d e n t l y c t cc e n t e ri st h es i t ew h e r ed i s p a t c h e r sc o m p i l es t a g eo p e r a t i n g p l a n , s e n dd i s p a t c h i n go r d e ra n dr e m o t ec o n t r o lt h et r a i nr o w e ，s o ，i t si m p o r t a n c ei so b v i o u s t h ec a p a c i t yo fc o m p i l i n gs t a g eo p e r a t i n gp l a n , s e n d i n gd i s p a t c h i n go r d e ra n dr e m o t e c o n t r o l l i n gd e t e r m i n e st h ef u n c t i o no ft h er e a l i z a t i o no fc t c i nt h i ss e n s e ，i ti sag r e a t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo fs t u d y i n gc t ce s p e c i a l l yi t sm a i n f u n c t i o n b a s e do nc h i n e s ef z c t cs y s t e m sr e q u i r e m e n t sa n da c c o r d i n gt ot h ei d e ao fa d s ，t h e e s s a yg i v e saf o r mo fc t cs y s t e ma n dak i n do fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nm o d e l w i t h a n a l y s i so ft h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to fc t c ，t h ee s s a y d i 啊d e si nf o u rm a j o rf u n c t i o n a l m o d u l e s b e s i d e s ，t h ee s s a yd e s i g n st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f r u n n i n gp l a nb a s e do ng e n e t i c a l g o r i t h m ，a n dd e s i g n si t sc o d i n gs c h e m ea n dg e n e t i co p e r a t o r s f u r t h e r m o r e , t h ee s s a yd o e s t h es i m u l a t i o no ft h et h r e em a j o rf u n c t i o n a lm o d u l e ss u c ha s “t r a i nd i a g r a m sm a n a g e m e n t m o d u l e a n d t h et r a i nr o u t ec o n t r o lm o d u l e ”b yv i s u a lc + + f i n a l l y , t h er e s u l t so ft h e s i m u l a t i o na c h i e v e dt h et a r g e t k e yw o r d s ：c t cc e n t e r ；d e c e n t r a l i z e da u t o n o m 0 1 l s ；t r a i nc o n t r o ls y s t e m ；a d j u s t m e n t m o d e l ；g e n e t i ca l g o r i t h m ； 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在，年解密后适用本授权书； 2 不保密影使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“扩) 学位论文作者签 日期： 名：詹、研瑶 w 旧易 指导老师签名：多r & 罕末 日期：加7 口易- 7 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 本论文立足我国分散自律调度集中的系统需求，根据a d s 的思想，在系统构建形 式上给出一种c t c 系统构建和信息传输模型；分析了c t c 中心的体系结构，划分了c t c 中心系统的功能模块；改进了运行图调整数学模型，设计了基于遗传算法的运行图调整 算法；对划定的三个关键功能模块即列车运行图管理模块、命令下达模块和列车进路控 制模块进行了详细的仿真设计，仿真结果基本满足要求。我国正致力于大力发展分散自 律调度集中c t c 系统，本论文的研究是一次有意义的探索。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本人完全 了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 文名：怎融蠕 日期一咿夕 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 m mi mmm mm _ - 皇曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼皇罡量曼曼曼曼! ! ! ! ! 曼曼曼曼曼曼 1 1 研究背景 第1 章绪论 自1 9 6 4 年世界第一条高速铁路一日本东海道新干线建成投入运营以来，运营速度 在2 0 0 k m h 以上的高度铁路建设在日本、法国、德国等世界上多个国家取得了成功。高 速铁路以其运量大、速度快、安全性高、正点率高、能耗低、环境污染小、全天候运行 等综合优势为越来越多的国家所重视，发展高速铁路成为世界铁路发展的潮流。高速铁 路是国家综合实力的体现和科技水平的象征。 我国高速铁路的建设和发展，将为我国发展提供安全可靠、高速度、大运量的运力 保障，是进一步缓解铁路运力紧张、提升运输服务品牌和质量的重要举措。我国铁路正 致力于构建发达完善的铁路网，中长期铁路网规划描绘了我国铁路发展的宏伟蓝图， 到2 0 1 2 年，将有约1 3 万公里客运专线及城际铁路投入运营，形成“四横四纵 客运专 线网，发达完善的铁路网初具规模。 高速铁路尤其是客运专线是由高质量的铁路基础设施、性能优越的高速列车、先进 可靠的列车运行控制系统、高效的运输组织与运营调度系统等综合集成创新的工程。作 为客运专线运输组织指挥的中枢，客运专线运营调度系统在客运专线建设中具有重要的 地位1 2 1 。我国客运专线具有里程长、覆盖范围广、与既有线联系复杂、部分线路客货混 运等特点，其在规划中的定位不同，在路网中发挥的功能不同。因而需要根据我国的运 输组织的实际情况，建立适合我国铁路特点的新型调度系统。调度集中c t c ( c e n t r a l i z e d t r a 伍cc o n t r 0 1 ) 是铁路运营调度系统的核心，以前由于种种原因，c t c 在我国发展缓慢。 现在，高速铁路的发展要求必须有先进的c t c 系统与之相适应，因此，研究c t c 技术 和发展c t c 系统在当前就显得尤为紧迫和必要。 1 2 国内外研究概况 高速铁路运营调度指挥系统涉及运输组织、高速列车、列车运行控制、牵引供电、 安全监控、维护救援和旅客服务等多个学科、专业和领域。其规划、设计和建设是一个 复杂的系统工程1 1 1 。其中，调度指挥系统的系统设计理念和模式决定了调度集中系统的 结构和基本功能，而调度中心的功能实现技术则又是其重点内容。国内外对此方面的研 究已愈数十年。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 1 国外研究现状 自世界第一套c t c 设备于1 9 2 7 年诞生于美国纽约中央铁路以来，伴随着现代计算 机技术、网络技术、通信技术和大规模集成电路技术的发展，调度指挥系统愈加成熟和 完善。目前，国外存在两种类型的调度指挥系统：一种是以德、法高速铁路为代表的行 车指挥系统；一种是以日本新干线为代表的综合调度指挥系统。 德国的高速铁路是既有线路的一部分，客货混线分时段运行，调度中心按区域设置 在大枢纽地区，不设单独性的高速铁路调度指挥系统，实行调度指挥中心地区调度 所基层车站值班员三级管理。这种模式利于高速列车与既有列车的跨线运行，但是 路网调度与客货调度协调工作量大，运行图协调难度较大。法国的高速铁路设置相对独 立的调度指挥系统，按区域设置分局作为管理机构，以线路为对象建立控制中心。在国 家控制中心和分局调度中心设有营运基础调度、客运调度、电力调度、动车组运用调度、 司机调度。与既有线调度系统之间，尤其是上下线站有密切的联系和数据交换，基本沿 袭既有线路的传统模式n 1 。德国和法国的铁路调度指挥系统虽然存在一些不同，但基本 上都沿袭了既有铁路的传统模式。 日本于1 9 9 6 年在东北、上越新干线启用综合调度系统c o s m o s ( c o m p u t e r i z e ds a f e t y m a i n t e n a n c ea n do p e r a t i o ns y s t e mo fs h i n k a n s e n ) ，c o s m o s 是由运输计划、运行管理、 站内作业管理、维修作业管理、车辆管理、设备管理、信息集中监视、电力系统控制等 8 个子系统组成的广域自主分散系统3 1 。其中运输计划、运行管理、站内作业管理三个 子系统完成主要的运行调度任务： 1 运输计划系统 管理基本计划、调整计划和实施计划信息；编制列车计划和车辆使用计划；编制司 机、车长的使用计划；传送运输报表等。 2 运行管理系统 运行管理系统完成调度指挥的核心功能，该系统根据运输计划系统每天的实施计划， 编制各车站运行图，将其送至各车站的p r c ( p r o g r a m m e dr o u t ec o n t r o ls y s t e m ) 系统控 制列车进路，p r c 将列车在线路上的状况送至中央系统。 3 车站作业管理系统 该系统是由站内作业计划系统和基地p r c 系统组成。车站作业计划系统用于编制车 辆检修、整备的调车计划、分配作业时间和作业人员；基地p r c 系统根据中心正线运行 图和站内作业运行图，按计划的时间控制作业进路。 日本在东京都市圈铁路上应用了另一种调度管理系统东京圈输送管理系统 a t o s ( a u t o n o m o u sd e c e n t r a l i z e dt r a n s p o r to p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ) 。a t o s 的最初目标 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 皇i i | - - _ i ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼 是为日办理进路繁忙的多站台车站提供运输管理服务，对列车进行分组管理，使线路维 护及列车运行安全系统化，并且在列车运行图中断或列车运行出现不正常时，提供较好 的旅客信息服务。具体来讲，它包括运行管理功能、运转管理功能、车站进路控制功能、 车站旅客服务功能和维护作业管理功能。a t o s 最突出的特点是采用了“自律分散”的 理论，构成了一个庞大的自律分散系统a d s ( a u t o n o m o u sd e c e 时a l i z e ds y s t e m ) 。这个 自律分散系统的车站系统负责进路控制、旅客信息服务等，而中心系统负责列车运行的 监视和控制等4 t 5 1 。 德、法高速铁路调度系统的构建思想受既有线的影响和制约，其调度业务仅包含客 运组织、行车组织及机车车辆方面的调度，系统结构较为简单，功能较弱，在协调配合、 应急处理等方面还不能完全适应高速行车的要求。日本基于自律分散技术的综合调度系 统以运输计划为龙头，综合了与行车有关的各方面的内容，使整个调度指挥系统全面协 调地工作6 1 。所以，日本调度系统的自律分散理论和综合调度的理念是我国调度指挥系 统重点借鉴的内容。 1 2 2 国内研究现状 我国调度集中系统的发展经历了漫长而曲折的过程，先后经历了继电系统、半导体 分立元件、集成电路和微机化四个阶段。h 1 1 0 。1 9 6 3 年始，在宝成线宝鸡凤州段、 陇海线郑州开封段安装了由苏联引进的极性频率制调度集中 7 1 0 自二十世纪六十年 代末开始，我国先后自主研制了d d l 型、d d 2 、d 4 d 、d d 3 、d d - 4 、d 4 、d 5 、c t c - 4 0 0 0 型调度集中系统。但由于种种原因，我国铁路的调度集中发展缓慢，已经投入使用的还 有大部分仅仅使用了其表示功能，即作调度监督使用。 相比调度集中，调度监督的发展却很快，2 0 0 0 年底，调度监督在全路的装备率是 1 7 6 ，是调度集中装备率的八倍还多。根据我国铁路运输的实际情况，1 9 9 6 年，铁道 部决定在调度监督的基础上，实施调度指挥管理信息系统d m i s ( d i s p a t c hm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 一期工程，以满足铁路运量日益增长的需要9 1 。为顺应经济的发展 和技术的进步，2 0 0 5 年，铁路信息化总体规划将d m i s 规范为列车调度指挥系统t d c s ( t r a i n o p e r a t i o n d i s p a t c h i n g c o m m a n ds y s t e m ) ，并确定了t d c s 系统的总体目标、建设 原则、体系结构及7 0 条干线t d c s 系统分级建设方案 1 0 1 。随着社会的进步和铁道部信 息化建设的推进，t d c s 迅速发展，到2 0 0 5 年底已达3 4 8 6 8 k m ，全路装备率达到5 6 1 。 近年来，发展调度集中的时机逐渐成熟。2 0 0 2 年1 1 月，卡斯柯信号有限公司研制 了i t c 2 0 0 0 型调度集中，2 0 0 3 年1 1 月，又在i t c 2 0 0 0 的基础上诞生了新一代分散自 律调度集中系统f z k c t c ，经过半年的试运行和多次修改升级，系统技术日趋成熟，并 于2 0 0 4 年5 月2 0 日在西宁哈尔盖区段正式开通运行。至此，我国第一套分散自律 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 调度集中系统研制成功t i l l 。 2 0 0 4 年2 月，分散自律调度集中系统技术条件( 暂行修订稿) 通过审查，分散自 律调度集中系统的研制和建设开始蓬勃发展，目前，已经有卡斯柯信号有限公司的 f z k c t c 、北京全路通信信号研究设计院的f z t c t c 、中国铁道科学研究院的f z y - c t c 、 北京交通大学微联公司的f z j c t c 以及河南辉煌公司的f z h c t c 系统通过铁道部技术 审查，并且分别开始在西宁至哈尔盖区段、沪宁线、徐州西至虞城和渝遂线、武九线及 东陇海线上试验联调、工程实施。 我国的“分散自律 调度集中系统就是借鉴a t o s 的自律分散原则，在t d c s 的基 础上建立起来的不同于日本“自律分散”的新型铁路调度系统。它由调度中心系统、车 站系统和调度中心与车站、车站与车站之间的网络系统三部分组成t 1 2 1 有分散自律控制 和非常站控两种模式。分散自律控制是其基本模式，该模式是用列车运行调整计划自动 控制列车进路，同时，调度中心在分散自律条件下具备人工办理列车、调车进路，车站 具备人工办理调车进路的功能；非常站控模式是指当调度集中发生通信中断等设备故障、 发生危及行车安全的情况或设备有维修、施工需要时，脱离系统控制转为车站传统人工 控制的模式1 1 0 1 。 1 3 本论文研究意义及内容 行车调度指挥系统的自动化程度，标志着铁路各级调度指挥工作的现代化水平t 9 1 。 调度集中既是先进的技术装备，也是新型的运输组织方式。调度集中通过集中控制，可 以提高行车调度的自动化程度，为铁路运输提供安全和高效的保证，可以充分发挥铁路 线路的通过能力，提高劳动生产率，改善劳动条件。据美国铁路部门统计，双线安装调 度集中后，可在自动闭塞的基础上继续提高3 5 的效率，单线可提高5 2 1 1 3 1 。因此， 一些发达国家铁路的调度集中装备率都比较高。截止2 0 0 0 年，日本瓜铁路既有线调度 集中装备率为6 4 4 ，瓜新干线装备率为1 0 0 。美国铁路调度集中装备率为2 5 。俄 罗斯铁路调度集中装备率为7 2 3 1 9 1 0 其他发展中国家如印度、埃及、巴西等都在大量 安装调度集中。我国铁路信号设备与世界先进水平的差距正在逐渐缩小，但是只有调度 集中装备率与发达国家差距较大，截止2 0 0 5 年底，我国铁路调度集中装备率仅为2 9 。 作为铁路信息化建设的重要组成部分，我国铁路的调度集中必须要加快发展。 尽管我国铁路新一代分散自律调度集中技术开发已经取得了重大突破，系统在一定 程度上能适应我国铁路提速和新建客运专线“大密度 、“客货混运 、“调车作业量大 的特点。但是整个完整系统的建设才刚刚起步，系统的功能和可靠性还未取得质的飞跃， 系统的标准化规范还没有建立起来。因此，尽快组织我国铁路科研技术力量和运输调度 指挥人员共同研制开发、完善适合我国铁路运输特点的调度指挥系统就显得尤为必要和 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 急迫。 本论文立足我国新一代分散自律调度集中的系统需求，在系统构建形式上比照自律 分散系统a d s 的思想进行分析研究，给出一种调度集中系统搭建和信息传输参考模型； 分析调度中心系统的功能需求以及适合该需求的系统结构，研究c t c 中心运行图调整的 算法模型，重点分析了几个关键功能模块，最后以软件仿真的形式实现这些关键模块的 功能。 论文的具体安排如下： 第一章概述调度指挥系统在铁路运输尤其是高速铁路运输中的重要性和必要性，介 绍国内外调度指挥系统的发展和现状，指出本论文的研究意义及内容。 第二章分析分散自律调度集中在列控系统中的作用，分析其体系结构，划分c t c 中 心的主要功能模块；阐述自律分散系统的概念和关键技术，介绍自律分散技术在铁路调 度中的应用并给出一种c t c 系统搭建方式和信息传输模型。 第三章建立c t c 中心运行图调整数学模型，并进行详细的编码方案、遗传算子设计， 用遗传算法对该模型进行求解。 第四章和五章分别完成了对各功能模块的设计和仿真，并分析各功能模块执行的过 程及实现的功能，指出存在的问题。 论文结论部分对所做的工作进行总结，对论文存在的问题进行说明，并对后续工作 和前景进行展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼葛- - 一一一一一, 一 一i | 一i i 皇曼曹皇曼皇曼曼舅曼曼曼曼曼! 皇皇曼! 曼曼曼曼 第2 章分散自律调度集中c t c 系统分析 2 1c t c 系统的提出 2 1 1 高速铁路列车运行控制系统 1 中国列车运行控制系统体系 我国铁路参照欧洲铁路列车运行控制系统e t c s ( e u r o p e a nt r a i nc o n t r o ls y s t e m ) 的 技术规范，结合国情，从需求出发，编制了中国列车运行控制系统c t c s ( c h i n e s et r a i n c o n t r o ls y s t e m ) 技术规范1 1 4 1 在全路着手全力发展和装备列车运行控制系统。 c t c s 体系的构造原则是以地面设备为基础，车载与地面统一设计。c t c s 体系结 构分为四层，按照运输管理层、通信传输层、地面设备层和车载设备层配置。体系结构 如图2 1 所示。 铁路运输管理层 c t c s 通信网络层 地面设备层车载设备层 图2 1c t c s 体系结构图阳 考虑到我国铁路不同的线路条件和闭塞技术的现状，兼顾列车运行控制技术不断发 展的趋势，将c t c s 依据系统配置按功能划分为5 个等级，依次为c t c s 0 - c t c s 4 级， 如表2 1 所示。 表2 - 1c t c s 等级划分表 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 鼍曼曼皇曼鼍量曼曼曼曼曼舅曼皇皇鼍皇罡曼曼曼皇：-鬲硪- -= m = m = m = n = m = - - - - - - 皇曼詈曼曼曼曼皇皇曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇 表2 - ic t c s 等级划分表( 续) 2 c t c s 3 级列车运行控制系统 自1 9 9 9 年我国第一条客运专线秦沈客运专线开工建设以来，高速铁路的建设就 开始蓬勃发展。到目前为止，已经建成京津城际、石太、合宁、武广、郑西等客运专线， 举世瞩目的京沪高速铁路正在如火如荼的建设当中。目前，我国铁路技术政策已明确规 定，3 0 0k m h 及以上的高速铁路均采用c t c s 3 级列控系统1 1 5 1 。据此，武广、郑西和京 沪等高速铁路的列控系统均采用c t c s 3 级。本论文讨论的调度集中系统就是应用于 c t c s 3 级下的调度集中。 c t c s 3 级列控系统由地面设备和车载设备构成。如图2 2 所示，地面设备由r b c 、 t c c ( t r a i nc o n t r o lc e n t e r ) 、z p w - 2 0 0 0 ( u m ) 系列轨道电路、应答器及l e u ( l i n es i d e e l e c t r o n i cu n i t ) 、g s m r 通信接口设备等组成；车载设备由车载安全计算机v c ( t a l c o m p u t e r ) 、g s m r 无线通信单元r t m ( r a d i ot r a n s m i s s i o nm o d u l e ) 、轨道电路信息接 收单元t c r ( t r a c kc i r c u i tr e a d e r ) 、应答器信息接收模块b t m ( b a l i s et r a n s m i s s i o n m o d u l e ) 、记录单元r u ( r e c o r d i n gu n i t ) 、人机界面d m i ( d r i v e rm a c h i n ei n t e r f a c e ) 、 列车接口单元t 砌( t r a i ni n t e r f a c eu n i t ) 等组成t 1 6 1 。 r b c 是c t c s 3 级列控系统的核心部分，它根据轨道电路、联锁进路、临时限速等 信息生成行车许可，通过g s m r 无线通信系统将行车许可、线路参数、临时限速命令 传输给c t c s 3 级车载设备用以控制列车运行；与此同时，r b c 还通过g s m r 无线通 信系统接收车载设备发送的位置和列车数据等信息，从而跟踪其辖区内每列受控列车。 t c c 接收轨道电路的轨道占用信息，通过联锁系统将其传送给r b c ，作为r b c 生 成行车许可的基础信息：同时，t c c 具有轨道电路编码、应答器报文储存和调用、站间 安全信息传输、临时限速功能，满足后备系统需要。 应答器向车载设备提供列车定位和方向识别、等级转换、建立无线通信、自动过分 相及大号码道岔位置等信息。 至室圣里查兰至圭堑耋耋耋! 三耋塞篓：要 图2 - 2c t c s 一3 级列控系统结构框图 车载安全计算机根据地面设备提供的行车许可、线路参数、临时限速等信息和动车 组参数，按照目标距离连续速度控制模式生成动态速度曲线，监控列车安全运行。 212c t c 系统在列车运行控制系统中的地位和作用 调度指挥系统作为组织铁路运输生产的中枢，其重要程度是显而易见的，它处于整 个铁路c t c s 体系的第一层铁路运输管理层，如图2 1 所示。调度集中c t c 在技术 上实现了调度指挥和控制的功能。 列车运行控制系统指示和控制列车运行，使列车能依据计划安全、高效、正点运行。 列控系统有效控车的实现依赖于调度指挥系统的正常工作。 图2 - 3c t c 与c t c s - 3 级，q 控系统美幕示意图 图2 - 3 描绘了c t c 在列车运行中的地位。c t c 根据铁路运输生产的任务编制列车运 行图，以调度命令的方式下达给沿途各车站以及相关各次列车，并根据实际线路的特点 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 和突发事件的发生编制下发临时限速信息，从而控制列车按计划安全、高效、有条不紊 地运行，保证了铁路大动脉的畅通。 2 2 分散自律调度集中c t c 随着高速铁路尤其是客运专线建设规模的不断扩大，运营调度系统的功能和管辖范 围不断扩大，一个调度中心要管辖多条线路，在相关地点建立属于本中心管辖的站、段 和基地，如此之多的部门要协调一致地运作，完成运输生产过程的管理、分配、监控、 信息的收集仲裁以及对外的信息发布，这必然要求运营调度系统相应地向大规模化发展 1 1 8 ) 。在分散自律体系基础上构建高速铁路运营调度系统就能够很好地适应这种发展变 化。 2 2 1 自律分散系统a d s 建设规模庞大、结构复杂的应用系统往往需要分阶段、分步骤实施；与此同时，在 系统中心对系统整体实现集中控制会大大降低系统的容错能力；此外，随着管理模式的 变化、软硬件技术的进步，系统经常处于更新、维护之中。为了解决这类问题，日本首 先提出了自律分散系统a d s 的概念9 卜饼1 。 1 a d s 的概念 自律分散系统的观点完全不同于传统的系统概念，它认为系统是均质的结构、局部 的信息、平等的功能，也就是说要保证子系统具有自律性。自律性可以用自律可控性 ( a u t o n o m o u sc o n t r o l l a b i l i t y ) 和自律可协调性( a u t o n o m o u sc o o r d i n a b i l i t y ) 两个性质 来定义。自律可控性指系统中任何子系统出现故障、正在维护或刚刚加入而使该子系统 功能失效，都不影响其他子系统的自我管理及功能的运行；自律可协调性指在这种情况 下其他子系统之间能够完成各自的任务并以协作方式运行。 2 a d s 的体系结构 臣要 至 丑玉豆 i 强信息 标毒位 内軎代码麓选曩地址控翻域教舞投麓码 图2 - 4a d s 体系结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 a d s 的构成要素包括：原子节点( a t o m ) 、数据域( d a t af i e l d ，d f ) 、数据驱动、 自律控制处理器( a u t o n o m o u sc o n t r o lp r o c e s s o r ，a c p ) 。见图2 - 4 。 ( 1 ) 节点。构成系统最基本的自律单元，从物理概念上讲，节点对应于计算机或其 他智能设备。 ( 2 ) 数据域。数据传播空间，从物理概念上讲，d f 相当于网络或存储器。数据域 延伸至节点内部的一部分称之为节点数据域( a t o md a t a f i e l d ，a d f ) ，其中流动的是该 节点的用户应用程序模块( u s e rp r o g r a m ，u p ) 所必需的数据。每个节点都能独立地从 d f 中提取其需要的数据并进行处理，又能主动地以广播方式向d f 发送处理结果。 ( 3 ) 数据驱动 各子系统的输入数据和输出数据都附带了与其内容相对应的内容代码( c o n t e n t c o d e ，c c ) ，各个节点通过识别c c 来决定自己是否需要此数据。程序模块一旦收齐必 要的数据，就会自动做出判断，启动该程序模块的执行，开始相应的处理。 ( 4 ) 自律控制处理器 a c p 是节点管理它自身的系统软件。在启动程序模块时，每个节点在其a c p 内注 册该节点所需数据的c c ，作为选择d f 中数据的判断依据，a c p 可以根据需要动态地 改变c c 的分配，只有注册了相应c c 的数据才能进入该节点。不带有目的地址的数据 广播发送以及数据驱动都是由a c p 来实现的。 3 a d s 的构建技术 构建a d s 的各子系统都具有自律可控性和自律可协调性，所以可以认为体系结构 本身满足了在线特性。在线特性来自三个系统需求：在线扩展性、容错性及在线维护性。 ( 1 ) 在线扩展技术 a d s 的观点认为用户程序功能模块集成为子系统( 或节点) ，子系统集成为系统， 因此，系统的扩展有三个层次：功能模块的扩展、子系统的扩展和系统扩展。 用户程序模块的扩充，只需在子系统内部的内容代码表中注册新的内容代码即可； 子系统的扩展其实就是将作为自律单元的子系统接入d f ，在接入前，设定其内部各功 能模块各自对应的a d f ，接入后，立刻从d f 中提取拥有所需内容代码的数据，开始运 行；系统级的扩展包括同构的系统扩展和异构系统的扩展两种方式，同构的系统扩展只 需简单将其数据域合并。而异构系统的扩展则需要网关进行联接。 异构系统集成的需求与日俱增，集成系统的每个分支系统必须保留它们原有的数据 属性和数据处理属性。本论文研究的铁路调度指挥系统就是一个典型的异构系统。 ( 2 ) 在线容错技术 自律分散系统容错的目的是使各个自律的子系统能够不受其他故障子系统或功能模 块的影响。 实际应用当中，可以根据某一个软件的重要程度来对其进行不同程度的多重化，将 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 mmm 这些冗余的软件模块安装在其他不同的子系统中，让其在故障发生时独立运行。 a d s 的容错功能不使用任何中间切换装置，故障软件和正常软件可同时运行，运用 哪个信息的决定权完全取决于接收者。a d s 的容错功能实现了模块级的容错。 ( 3 ) 在线维护技术 系统的某一部分发生故障，需经诊断并修复后，进行测试，确认没有问题后投入实 际运行，完成系统恢复，这一过程通过在线测试方法完成。 a d s 在运行的同时可以进行部分子系统或其内部软件模块的在线测试，此时，在线 节点只接收在线数据进行正常的处理，而测试节点可以接收两种数据进行测试，测试输 出数据只能作为测试数据而不能作为在线数据供其他在线节点使用。因而处于测试状态 的节点不会干扰在线节点的正常运行。 总之，在大规模系统的建造和运行之中要求在线扩展、在线容错和在线维护的性能。 传统系统的整个系统需事先规划定义，硬件和软件结构固定，灵活性很少，很难满足这 些需求。相对于集中式体系结构和客户服务器结构，可以说, m t i s 在降低系统复杂程度、 实现系统的扩展性和灵活性方面都是一个很大的进步。 2 2 2a d s 对c t c 的改进 1 c t c 系统网络结构 调度集中c t c 系统本身就是一个结构复杂、遍布全国铁路网的网络系统。该网络系 统包括部中心局域网、铁路局调度所局域网、客专调度所局域网、车站局域网及广域网。 其中，广域网由部中心与铁路局调度所之间的广域网、部中心与客专调度所之间的广域 网、相邻铁路局调度所之间的广域网、相邻客专调度所之间的广域网、铁路局调度所与 车站之间、客专调度所与车站之间的广域网以及车站与车站之间的广域网构成1 2 5 1 0 如图 2 5 所示。 图2 - 5c t c 网络结构示意图 系统广域网结构采用冗余路由方式，包括传输通道的冗余和拓扑结构的冗余。车站 广域网采用环形通道，每8 到1 5 个车站设套通道返回铁路局调度所。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 对于客运专线，在客专调度所所在地或其管辖范围内的较大城市选定一个车站，设 置核心路由器，作为调度所广域网的冗余站点。其车站广域网采用环形通道时，每5 到 1 0 个车站设一套通道返回客专调度所。 2 构造基于a d s 的c t c 结构模型 铁路车站的分布是沿铁路线呈链状式的，如图2 - 6 所示。在调度集中c t c 中，将各 车站系统作为子系统，各车站具有运行管理功能。各车站子系统通过网络互联，进行数 据交换并实现协调。 、 ( 卜( 卜c 卜o 叫3 3 一 调度所a 站b 站c 站d 站e 站 图2 - 6 列调区段车站地理位置分布示意图 c t c 系统中传输网络上的数据包括列车计划信息和列车控制信息，各车站子系统只 需要选择它需要的数据进行处理，并将处理后的结果发回到传输网络即可。其他车站子 系统也进行类似的工作，各自本身可以单独完成自己的功能，在某个车站发生故障时， 可暂由其相邻站或调度所接收这些数据进行处理，待故障消除后再恢复其工作。c t c 的 这些工作特点表明可以将其按a d s 的设计原则进行设计。 在图2 7 中，各站从计划信息数据域中接受各站自己的阶段计划，在自律模式下依 据各站的特点，按照“技规”、“行规”、“调规”和“站细”等规则自动协调列车作业和 调车作业的矛盾，控制列车进路和调车进路。并将实际运行情况发回计划信息d f 中， 供调度所接收后统计分析，生成实绩( 或迹，下同) 运行图、调整下阶段运行图，指导 后方各站的运输组织工作。如果是调度所调度员人工办理列车、调车进路，各车站还需 要从控制指令数据域中选取其相应的信息，用以驱动联锁设备，使相关信号机、道岔等 信号设备动作，完成办理进路作业。 图2 - 基于a d s 的c t c 结构模型 综观上述，调度集中系统应用a d s 理论形成的分散自律技术可以表述为： 分散是相对于调度中心集中控制而言，将过去由调度中心集中控制所有车站列车作 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 业的方式改变为由各个车站根据计划独立自主地控制各自的列车和调车作业。 自律是指依据各站的特点，系统按照“技规”、“行规”、“调规 和“站细”等规则 自动协调列车作业和调车作业的矛盾，控制列车进路和调车进路。 3 基于a d s 的c t c 功能模型 由上面的论述可知，采用a d s 理论可以将调度集中c t c 设计成一个自律分散系统， 在这个基于a d s 的c t c 系统中，每个子系统的节点数据域a d f ( 即设在子系统内的公 用存储器) 中都存储有全系统完整的阶段计划信息。因此，任何一个子系统在中心系统 故障时都具有暂时取得中心系统地位的潜能，在这个意义上讲，在阶段计划所在时间段 内将中心系统从信息传输网络中去掉成为可能。 在上述分析的基础上，可以建立不含中心系统的自律分散c t c 网络模型，如图2 8 所示。 、飞、l ，、：、1 、一，o 。、歹i 、n c p 一-，一，一i 么珂、j ，么4 ，7 4 、， a 站b 站c 站 图2 - 8 自律分散c t c 网络模型 图2 8 中，n c p ( n e t w o r kc o n t r o lp r o c e s s o r ) 代表路由器等传输节点，l c p ( l o c a l c o n t r o lp r o c e s s o r ) 代表服务器、工作站等主机。 图2 - 9 自律分散c t g 功能模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 对图2 8 所示的自律分散c t c 系统，还可以建立其对应的功能模型鲫用以描述其 功能实现原理。如图2 - 9 所示。 图2 - 9 中，厶即咒分别表示子系统s 的功能、输入和输出，其中无、正，表示墨的 第一个、第二个n c p 的功能，具体的功能实现原理这里不再展开。 总之，在基于a d s 的c t c 系统中，当中心系统与各子系统之间的通信信道故障中 断时，各子系统仍能根据预先存储的阶段计划( 般为三小时) 进行列车、调车作业办 理。对于个别车站子系统，如果由于其他原因使得它的节点数据域没能成功地存储这些 阶段计划，仍可以在暂时充当临时中心系统的那个子系统获取这些数据。待中心系统故 障排除后，重新恢复原有秩序。 2 2 3 分散自律c t c 的优点 分散自律调度集中( f z c t c ) 突破了原来传统集中式分布式的c s 模型，建立了全 新的系统模型。顺应了铁路跨越式发展的要求、适应了铁路运输发展的需要，同时也从 根本上解决了行调矛盾、避免控制权频繁下放，并为最终实现部分车站无人化奠定了坚 实的基础。 f z c t c 较好地解决了列车作业与调车作业在时间和空间上的冲突，实现了列车和 调车作业的统一控制。f z c t c 使列车进路和调车进路自动、可靠隔离。在进行调车作 业时不需要进行控制权转换，从根本上解决频繁放权问题，提高系统的可用性。调车作 业进路排列和信号开放的时机由车站自律机根据机车乘务员的请求自动安排，司机室安 装的调度命令无线传输系统专门设有供机车乘务员使用的调车进路要道请求按钮，系统 可利用列车运行空档自动办理、试排进路，为进路指令的执行做好准备。 f z