（电力系统及其自动化专业论文）行车自动化系统异构数据通信的实时性研究.pdf

西南交通必学硕士研究擞学位论文第| l 页 a b s t r a c t u n d e ri n t e n s e c o m p e t i t i v ec o n d i t i o n ，n e wt r a n s p o r t a u t o m a t i o ns y s t e mi s r e q u i r e d t oh a v et h eo n l i n e p r o p e r t i e s ，s u c h a so n - l i n e e x p a n s i o n ，o n l i n e m a i n t e n a n c ea n df a u l tt o l e r a n c e ，b u ta l s or e q u i r e dt oh a v et w ob a s i cp r o p e r t i e so f r e a lt i m ea n d r e l i a b i l i t y t h et r a d i t i o n a lc e n t r a l i z e d s y s t e m a t i ca r c h i t e c t u r e ( s u c h a sc e n t r a l i z e d s y s t e m a t i ca r c h i t e c t u r ea n dc l i e n t s e r v e rs y s t e m a t i ca r c h i t e c t u r e ) a n dt r a d i t i o n a l c o m m m f i c a t i o n p a t t e m ( s u c h a sp o l l i n ga n d r e q u e s t r e p l y ) o ft r a n s p o r ta u t o m a t i o n s y s t e mi no u rc o u n t r yh a sg r e a to b s t r u c t i o nf o rt h er e a lt i m ep r o p e r t yo fd a t a ，s o w en e e dt om a k e i m p r o v e m e n tf r o mt w oa s p e c t s s y s t e m a t i ca r c h i t e c t u r ea n d c o m m u n i c a t i o n p a t t e r n 。露1 氧p a p e ra n a l y s i s e sr e s p e c t i v e l y f r o m s y s t e m a t i c a r c h i t e c t u r e c o m m u n i c a t i o np a t t e r na n di n t e g r a t e d p a t t e r n t h e r e s u l ts h o w s ： s y s t e m a t i c a r c h i t e c t u r es h o u l d a d o p t t h ea u t o n o m o u sd e c e n t r a l i z e d s y s t e m ( a d s ) ；c o m m u n i c a t i o np a t t e r n s h o u l d a d o p t p u b l i s h s u b s c r i b e c o m m u n i c a t i o n p a t t e m ；i n t e g r a t e d m o d e ls h o u l d a d o p t t h e c o n c e p t o fd a t a f i e l d ( d f ) t or e a l i z ea u t o n o m o u ss y s t e mi n t e g r a t i o n a l lt h e s e s e l e c t i o n sm a k e t r a n s p o r ta u t o m a t i o ns y s t e mk e e pg o o da u t o n o m ya n do n - l i n ep r o p e r t y , a n da l s o m a k et h eg u a r a n t e ef o rt h er e s e a r c ho fr e a lt i m ea n dr e l i a b i l i t yo ft h et r a n s p o r t a u t o m a t i o ns y s t e m t h i sp a p e rh a sa n a l y s e dt h ed a t ao fd i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o np r o p e r t yw h i c h f l o wi nt r a n s p o r ta u t o m a t i o ns y s t e ma n dd i v i d e dt h ed a t ai n t ot h r e et y p e s ，t h a ti s , i n c i d e n t d a t a ，p e r i o d d a t am a dr e l i a b i l i t yd a t a ，a n dt h e nh a v ep u tf o r w a r da s y s t e m a t i cm o d e lt oe n s u r et h a td a t ao f d i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o n p r o p e r t yw i l ln o t d i s t u r b m u t u a l l y t h i ss y s t e m m o d e la l s o g u a r a n t e e t h er e a lt i m eo fd a t a t r a n s m i s s i o n 。i nt h ep r o p o s e dm o d e l ，t h em o s tb a s i cc h a r a c t e r i s t i ci st h a tt h ed fo f i n f o r m a t i o ns y s t e ma n dd fo f c o n t r o ls y s t e mr e s p e c t i v e l yd i v i d e di n t ot h r e et y p e s ， t h a ti s ，r e a l t i m ed a t a f i e l d ，c y c l i cd a t a f i e l da n dr e l i a b l ed a t a f i e l d i nt h i sk i n do f m o d e l 。d a t ao fd i f f e r d n tc o m m u n i c 撕o ni sc h o s e nt h ec o m m u n i c a t i o nm e t h o di n g a t e w a y a n di ss e n t o n l y t o d e s i g n a t e dp u r p o s ed a t a f i e l d t h i sk i n do f c o m m u n i c a t i o nm e t h o dh a sa v o i d e dd i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o np r o p e r t yd a t af r o m 黼南交通大学硕士研究生学位论文第| ii 页 d i s t u r bm u t t f l l y ，s o ，i th a sr a i s e dt h er e a lt i m e p r o p e r t yo f t h ed a t a t o a n a l y s i s o ft h ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n to fr e a lt i m eo ft r a n s p o r t a u t o m a t i o ns y s t e m ，w eu s eq u e u e i n g t h e o r yf o rt h ea n a l y s i so ft h et r a d i t i o n a l t r a n s p o r ta u t o m a t i o ns y s t e m a n dt h ep r o p o s e ds y s t e m t h er e s u l ts h o w s ：c o m p a r e w i t ht r a d i t i o n a l t r a n s p o r t a u t o m a t i o n s y s t e m ，t h ep r o p o s e ds y s t e mh a sg r e a t i m p r o v e m e n t i nr e a lt i m e p r o p e r t y k e yw o r d s ：t r a n s p o r t a u t o m a t i o n s y s t e m a u t o n o m o u s d e c e n t r a l i z e d s y s t e m ( a d s ) ：h e t e r o g e n e o u s d a t ae o m m u n i c a t i o mr e a lt i m e 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 铁路行车自动化系统包括运输计划管理( 运行图) 系统、行车指挥自动 化( c t c 属此范畴) 系统和列车自动控制系统( a t c ) 。在讨论行车自动化系 统之前，我们首先从以下几个方面对行车自动化系统的特点逐一进行分析。 1 1 行车自动化系统的特点及其技术需求 1 1 1 系统体系结构的需求 系统体系结构要确保系统规划的可持续性 中国铁路行车自动化系统的发展是一个明显的趋势，这就要求行车自动 化系统的规划要能适应不断发展和扩展的需求。然而，目前存在的主要问题 是：准确地预测未来的发展具有很多不确定因素，也就是说，当前的规划在 将来是要变的。这就要求我们的规划要充分考虑系统的变化因素，反过来也 要考虑现有系统和未来系统的平滑衔接和升级，用技术术语讲就是系统的结 构需要具备灵活性和可扩展性。 系统体系结构要确保系统建设的阶段性 受征地、投资等因素制约，行车自动化系统有时不可能一次设计、一次 建设完成。分阶段地建设和实施是一种理想的模式，即使是一条线也可以分 段建设。分阶段建设的系统要求系统具有可扩充性。对于能够一次建成的系 统，建成后的系统升级和改造，也要求不中断系统的运行，从这个角度看， 要求系统具有在线特性，即边测试，边运行。这一问题也可以归结为系统的 灵活性和可扩展性。 一系统体系结构要确保旅客服务的实效性 为旅客提供列车运行信息的显示和广播是铁路行车系统最基本的要求。 特别是在非正常运行情况下，实时地向旅客发布信息是很关键的。这就要求 旅客服务系统和行车指挥系统互连。异质系统的互连需要相应的系统结构和 技术。 1 1 2 系统的通信模式的需求 传统的通信模式对应于其传统的体系结构，主要分为p o l l i n g 型和请求 应答型( r e q u e s t r e p l y ) 。p o l l i n g 型通信模式在接收不到其中一个客户发出的响 应时，这种通信方式将花费一定的时间去等待它的响应：而对应于客户服务 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 器体系结构的请求应答型通信模式与p o l l i n g 通信模型相比较而言，虽然无需 各客户端按照顺序来进行应答，从而节省了大量的时间，但是如若一旦服务 器发生故障，则通信就无法进行，也将影响到行车自动化系统的正常运行。 所以，这两种通信模型对于行车自动化系统的实时响应和可靠性都有一些技 术上的问题，需要有新的通信模型加以改进。 1 1 3 运输组织的多样化和高密度化 运输组织的多样化是指根据节假日和重大活动适时地调整运输计划并付 诸实施，这就需要建立在线实时的运输计划系统，即运行图系统能够实现小 时级计划的调整。特别地，对于像城市轨道交通这样的自动化系统还要在上 下班的高峰期实现列车的高密度( 如1 2 0 秒) 运行，而高密度运行又与行车 指挥系统和列车自动控制方式( a t c ) 密切相关。 针对这样的需求，存在两条不同的技术路线：信息集中控制集中，信息 集中控制分散。采用何种技术路线是必须认真研究解决的问题。 就行车指挥系统而言，如何进行选择可用一个事例来说明。日本的新干 线由j r 东日本、瓜西日本、瓜东海道等铁路公司运营。新干线的运输调度 指挥系统分为两大类：其一为c o m t r a c ( j r 西日本、j r 东海道采用) ，其 二为c o s m o s ( j r 东日本采用) 。c o m t r a c 采用的是信息集中控制集中模 式，丽c o s m o s 采用的是信息集中控制分散模式。 需强调指出的是信息集中是指列车计划信息( 运行图) 的集中，以及列 车运行实际状态( 在线状态) 参数的集中。控制分散是指列车进路控制由各 个车站的系统程序进路控制装置p r c ( p o r g r a m m e dr o u t ec o n t r 0 1 ) 完成。 站间协调的准则就是列车运行图。 可见，车站p r c 只要有运行图信息就可以实施进路控制。在正常情况下， 由调度中心向车站p r c 传送运行图信息；而在非正常情况下( 灾害) ，根据 各车站p r c 定期保存的基本运行图信息来实施控制。至于列车在线信息的集 中，可以这样考虑，在灾害时，只需收集列车运行状态的最少基本信息，而 不必建设l ：1 的备用中心。 就列车自动控制系统a t c 而言，也有两种技术路线。一是在地面系统生 成速度指令，发送到轨道电路上，列车按速度指令行车：一个是地面系统只 发送停车点信息，列车根据这一信息和自身的位置以及制动性能自律地生成 平滑的制动曲线。后一种模式也可以称为( 列车位置) 信息集中( 制动) 控 制分散，可以适应不同车辆不同的制动性能，最大限度地实现高密度运行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 从上面的分析可见，为了实现行车自动化系统运输组织的多样化，需要 将信息集中以便于信息能够及时传递；为了实现列车运行的高密度化，需要 将控制分散执行，可见，信息集中、控制分散的技术路线对于实现行车自动 化系统运输组织的多样化和高密度化是一种理想选择。 1 1 4 维护作业管理模式 目前维护作业管理很难实现自动化。系统维护模式也决定着系统的设计 和开发方式。这主要涉及到两个问题。 第一个问题是系统自身的维护。如果采用中断系统运行的维护，将带来 严重的后果和重大的损失；如果采用在线维护，这又与系统的体系结构密切 相关。 第二个问题是维护的管理模式：是集中还是分担? 现有的c t c 维护管理 模式可以说是一种集中模式，一切均在调度人员管制下完成。在c o s m o s 系 统进行概念设计时，j r 东日本公司提出了一种调度中心、车站和现场作业人 员共同分担的业务模式。在这种模式下，调度中心负责信息( 维护作业计划) 的集中，车站负责进路控制，现场作业人员负责维护作业时的路径申请和作 业实施。可以说，分担的维护管理模式将过去调度中心的很多权限下放给了 车站和现场的作业人员，各个环节具有相当的自主权并相互协调。 支持这一维护管理模式，也需要相应的系统结构和技术。这一模式对实 现行车自动化系统的高效协同运行有重要意义。 1 ，1 5 安全性 安全性是行车自动化系统的基本要求。新的设计思路是在行车自动化系 统的各个环节，如通信信号、行车指挥、列车控制、牵引供电和车辆等领域 采用故障- 安全设计原则。故障安全涉及硬件、软件和通信编码等方面。 1 1 6 可用睫 对行车自动化系统而言，故障安全是不够的。故障一安全从本质上是一种 被动的技术措施。然而，要做到1 0 0 的可用性在技术上往往代价过高。有时 由于外界因素( 如灾害、人身伤亡事故等) 的影响导致服务中断是不可避免 的。所以，当出现非j 下常状态后的快速恢复是一个关键。传统的列车群控制 大多依赖于调度员的指挥，难于实现快速的事故恢复。为保证系统服务的可 用性，快捷的列车群自动控制系统是必不可少的。 从技术上讲，实现可用性也有两条技术路线：容错和防错。防错主要采 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 用冗余技术，1 0 0 的备用，系统的成本太高。容错是真正容许模块的错误和 故障的发生，采用模块级备用方式，可以实现低成本化。 目前的双机或多机冗余备用技术从根本上讲是一种防错技术，即防止错 误的发生。在实际应用中，存在着成本高，防不胜防等问题。针对行车自动 化系统的特点，研究开发低成本的、实现真正意义上的容错技术是必要的。 1 2 本文研究的主要内容和目标 行车自动化系统是一个包括控制系统( 列车自动控制系统) 和信息系统 ( 运行图管理系统) 的综合性系统。控制系统和信息系统是属于不同数据流 属性的系统。而日本早期开发的a d s 概念组建的系统只能处理单一属性的数 据流。为使由a d s 构成的行车自动化系统能够集成控制系统和信息系统这两 种不同数据属性的系统，需要扩展结构以处理异构的数据流。然而，随之出 现的问题是：在异构环境中，每个系统中的数据流或应用的特性是不同的， 要确保行车自动化系统数据流传输特性，特别是实时数据流的传输特性需要 采用新的技术。论文的目标是提出一个改进行车自动化系统实时数据流传输 属性的新技术，分析了其实现的关键技术，并针对传统结构和两种改进结构 分别进行了仿真。 针对以上关于行车自动化系统的特点及技术需求的分析，本文研究的主 要内容有：第二章介绍了行车自动化系统的发展概况及我国行车自动化系统 在系统结构和通信模式方面存在的基本问题，第三章介绍了行车自动化系统 中的异构数据流；第四章是利用日本的自律分布系统技术a d s ( a u t o n o m o u s d e c e n t r a l i z e d s y s t e m ) 对我国行车自动化系统从体系结构和通信模式上进行 改进；第五章则是在这些改进的基础上，利用数据域的概念对异构数据流实 时性的改进；第六章是对行车自动化系统数据流实时性改进的性能分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章行车指挥自动化技术的发展 及存在的基本问题 2 1 行车指挥自动化系统的技术发展 行车自动化系统中，数据的通信总是基于一定的系统体系结构以及在该 体系结构上形成的管理模式的。在讨论数据通信实时性之前，我们首先针对 行车指挥自动化系统来看一看国内外铁路行车自动化系统的发展情况。 国外对于行车指挥自动化系统的研究各不相同。加拿大列车轨道系统公 司( t r a i nt r a c ks y s t e m si n c ) 开发了n t 平台上的交通管理系统t d p r o ，这 一系统的立足点是以通信信号设备为基础，在行车调度指挥功能方面存在一 定的不足，尚有某些系统资源未得到充分的利用，使整个系统的自动化程度 在一定程度上受到了限制，造成了整个系统基础设施一流，而上层的控制系 统水平较低，既浪费了现有的一些宝贵资源，又难以实现调度指挥的自动化。 欧洲的铁路运输管理系统e r t m s e t c s ，其研究目的在于建立全欧洲铁路网 统一的标准、保证各国列车在欧洲铁路网内的互通运营，提高铁路运输管理 水平。此外还有美国的a t c s 和a r e s ，日本的列车运行管理系统a t o s 和 c o s m o s 等等。 2 1 1c t c ( 调度集中) 铁路调度指挥系统采用c t c 已有漫长的历史，我国开展c t c 的研究已 有4 0 余年的历史。然而，广深、大秦、郑武等干线装备了c t c 系统而没有 开通或使用，其主要问题是：调度集中模式下，行车和调车作业的矛盾没有 解决。在高密度区间、客货混跑条件下，现有的c t c 系统面临如下的问题： 发生故障恢复运行时相当费时；大规模枢纽站仍然由人控制，不能实现自动 化；维护作业依赖于人，存在安全隐患。 为什么会出现上面这些问题呢? 从系统的体系结构上讲，c t c 系统属于 集中式体系结构。基于集中式体系结构的p o l l i n g 型通信模式在接收不到其中 一个客户发出的响应时，这种通信方式将花费一定的时间去等待响应；基于 客户i n 务器体系结构的请求应答型通信模式在发生服务器发生故障时，通信 就无法进行。可见，c t c 系统对于数据通信的实时性存在着不可逾越的障碍。 基于c t c 的运输管理模式也很难实现系统的自动化，一是由于维护管理 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 体制的制约，维护作业分头进行；二是出于安全的考虑，一切在调度命令下 行事。要将系统的运营维护作业管理纳入自动化系统，需要解决两个基本问 题：第一个问题是系统需要采取在线维护与测试模式。第二个问题是维护作 业的管理模式采取共同分担业务模式。支持这一维护管理模式，需要相应的 系统结构和技术。 与传统的c t c 系统完全不同，日本采用自律分散系统a d s 技术实现的 自律分布交通管理系统是一个完全革新的系统，它基本克服了c t c 系统在体 系结构和通信模式方面的缺点，并且该系统有建构和扩展系统的灵活性。这 些特点都是由于使用自律分布系统技术实现的。该系统在东京城区铁路线高 度密集的地区被发展成a t o s ( 自律交通运行控制系统) ；在新干线地区发展 成c o s m o s ( 即：新干线计算机安全维修和运行系统) 。为了对由a d s 技术 构建的系统有个大致的认识，下面分别介绍a t o s 和c o s m o s 的系统概况。 2 1 2a t o s 日本东京圈自律交通运行控制系统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 d t r a n s p o r t o p e r a t i o n c o n t r o ls y s t e m ) 是目前世界上最大的自律分布系统，它管 理着东京地区的2 0 0 多个车站和2 0 0 0 多公里线路。a t o s 实现了行车指挥、 设备监控和旅客信息综合自动化，实现了列车的高密度( 1 2 0 秒) 运行和系统 的分阶段的建设，具有典型性和代表性。这一系统是采用信息集中控制分散 模式。它的基本原理构成可参见图2 1 所示。 图2 - 1a t o s 的原理构成 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 a t o s 具有5 项典型的功能，这5 项功能确保了列车安全、舒适的运输。 为便于介绍a t o s 的这些功能，参见图2 2 所示a t o s 的工作流程图概要。下 面简单地介绍这5 项典型功能： 图2 - 2a t o s 的工作流程图概要 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 一列车运行计划管理功能：a t o s 的列车运行图是根据从集成铁路运行系统 i r o s 接收到的运行图数据，再补充列车和乘客信息数据来制订的。 列车运行计划调整功能：该功能可以不断地显示变化的列车运行状态。列 车的计划运行和列车实际运行结果是由运行图上的曲线来表示。该功能的重 要作用是可以人工输入列车运行计划调整的数据。调整后的列车运行计划发 送到相应的车站，并反映到该车站的路径控制和乘客信息显示器上。 自动进路控制功能：基于从控制中心发送到每个车站的运行图和探测到的 列车位置信息，到达和离开车站的列车路径控制是自动进行的。 车站乘客信息服务功能：基于从控制中心发送来的计划运行时间和运行图 中的列车类型以及列车位置信息，列车的到达、出发时间都是通过自动广播 器和乘客信息显示器自动提供给乘客的。车站信息和列车运行状态也在乘客 信息显示屏上以滚动的方式播出。最新的列车运行状态也显示在车站的信息 终端上。这样，一旦发生事故，车站工作人员可以快捷地、准确地引导乘客。 维护工作的管理功能：( 1 ) 维护工作的安排：在开始进行维护工作之前， 工作人员通过信息终端输入维护= i ：作计划。输入的项目包括：要使用的设备、 工作开始和完成的时间、维护的列车号等等。( 2 ) 维护工作的执行：当维护 工作准备开始时，工作人员使用便携式无线终端从信息终端下载维护工作计 划，并在维护工作点输入“开始工作”。当路径控制功能提供给列车运行状态 满足需要的条件时，就可以开始进行维护工作了。维护工作的管理功能提高 了维护工作的高效性和安全性。 a t o s 是基于最新信息技术的更安全、更可靠的交通运行系统，它包括了 如下几条技术概念； 充分利用通用计算机：由于a t o s 系统是基于通用计算机，随着先进技术 的发展而带来的性能和功能方面的改进能很容易地在系统中实现。此外，由 a d s 技术构成的系统在未来也可以灵活地扩展和更新。 引进了新型电子联锁系统：a t o s 引进了用通用控制器构成的新型电子联锁 系统。对于故障一安全逻辑来说，使用了大多数逻辑( 即：。3 选2 逻辑) 和一 个专用的安全系统。 用于高密度线路和大规模车站的进路控制：为了使高密度线路系统化，在 大规模的车站，使用了快速反应的路径控制。 应用自律分布系统技术：由于系统需要覆盖广阔的地域，中央计算机已通 过1 0 0 m b p s 光缆l a n ( 局域网) 与每个车站的计算机相连接，并且，系统被 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 创建成自律分布系统模式，参见图2 1 。如果中央或车站系统的一部分功能失 常，则不会影响整个系统的运行。 逐步地创建系统：为了使众多的线路和车站逐步系统化，可以一个模块一 个模块地创建子系统。首先创建中央系统( 即调度中心) ，然后，每个车站顺 序地进行系统化。当某个车站系统的创建工作都完成时，就可以投入运行， 实现了逐步创建系统的功能。 2 1 3c o s m o s 新干线计算机安全维护和运行系统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 d o p e r a t i o ns y s t e m o f s h i n k a n s e n ) 是新干线的系统总 称。c o s m o s 的创建是用于更快捷、更安全和确信的铁路运行，它是目前控 制新干线运行的最新型的系统，是利用自律分散技术在新干线地区实现的又 一个大型自律分布交通管理系统。 1 c o s m o s 的八个组成部分 为了实现运行计划的生成、列车的进路控制、运行监控、设备运转状态 的监控、维护作业的管理等功能，c o s m o s 是由如下八个子系统构成的，见 图2 3 所示。 下面的内容将分别介绍构成c o s m o s 的八个子系统： ( 1 ) 运行计划系统 运行计划系统是新干线运行计划的作业和管理系统。运行计划系统主要 有以下的功能： 一列车车辆运用计划。拟定列车时刻表和车辆运用计划( 基本计划和波动计 划) 。 乘务员运用计划。基于制订好的列车车辆计划，拟定乘务人员、驾驶人员 运用计划( 基本计划和波动计划) 。 车辆使用计划。拟定每次编组的全面检查、台车检查、轮流检查计划。另 外，实行对车辆运用交路的编组完成和行为检查指定。 一统计资料作成。统计从每日列车运行实际情况中得出的列车运行列数、列 车晚点时间及车辆行走距离等，并输出相关帐票。 一计划传达。摘录作成的输送计划信息中必要的信息，并传达给每个车站、 车辆段、乘务段等。 乘务段。修改从中央送来的乘务员运用计划，再送往中央，另外，支持由 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 交路表输出作成的值班业务。 设鲁管理 电力、通信、养路 电力系统控制 ( d e c s ) 变电蛄控制、 设备监控 雏幡作业管理 捡修计划、作业 开始，结束 7 量中信息监控 ( c m s ) 骈灾信息、设备监拉 营业信息，统计、列车计划 嚣纛：移幺 l l 乘务员调用计划车辅理 v ：嚣： 站内作业管理 作业计划、 基地p r c 运行管理 运行管理、 时刻表管理、p f c 图2 - 3c o s m o s 的结构图 ( 2 ) 运行管理系统 运行管理系统是基于运行计划系统制订好的列车运行时刻表，执行列车 的进路构成，并向旅客提供情况等工作的系统。运行管理系统主要有以下的 功能： 一运行整理。在列车时刻表打乱时和计划变更时，支持变更输入等指令员的 运输整理业务。 运行表示。表示列车的运行状态及沿线防灾有关的状态。 一列车时刻表管理。存有第二日( 大后天的较短时间) 的列车时刻表，这样 即使发生车站中央的线路切断也能确保第二目的运行。 进路控制。追踪列车的在线位置，构成按运行计划的进路。 旅客指南。根据运行计划提供为旅客服务的指南情报。 ( 3 ) 维护作业管理系统 维护作业管理系统是支持有关维护作业计划、实施等的系统。维护作业 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 管理系统主要有以下的功能： 一作业计划。支持维护作业计划和维护用车等列车时刻表的拟定、管理，核 对作业时间带、供电停止时间带、作业竞争等。 一实施作业。基于作业计划面进行作业着手和完结的自动应答、作业的实施 状况的表示。 一业务支持。进行作业实际情况的编辑与输出、沿线的雨量、地震情报的表 示。 一手持终端。采用通过作业计划而制成的进路计划，由维护人员使用手特终 端直接完成进路构成。 ( 4 ) 站内作业管理系统 站内作业管理系统就是进行车辆段的检修业务计划作成和调配进路控制 的系统。站内作业管理系统主要运行以下业务。 一站内作业计划。支持作业列车时刻表、调配列车时刻表的作成，作成作业 闩报等必要的帐票类型。 一基地p r c 。采用通过中央的列车时刻表和站内作业计划而生成的站内列车时 刻表进行车辆段内的进路控制。 ( 5 ) 车辆管理系统 车辆管理系统是指支持车辆检修业务的系统。车辆管理系统主要有以下 的功能： 车辆档案管理。进行编组及车辆行走距离实际情况和检查实际情况的管理， 同时也完成替换和配属变更等的档案数据的管理。 故障管理。对于现场和主线上发生的故障及维修，综合检查情报和检查后 距离情报来管理输入的数据。 检修管理。管理全体检查及台车检查、台车部件的检查情报。 工事管理。主要进行相对于车辆及机器的工事实际情况和工事档案的管理。 ( 6 ) 设备管理系统 新干线设备管理系统指管理地面设备的检查数据的系统。按照不同系统 ( 养路、电力、信号通信) 又可分为3 个系统。养路系统支持包含新干线特 有处理在内的设备管理的全部业务。与此相对，电力、信号通信系统则只包 含新干线特有处理，新干线与既有线共通的业务则既有线的设备管理系统负 责。设备管理系统主要有以下功能： 一养路设备管理。综合试验车处理、设备数据管理处理、工事积算处理等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 一电力设备管理。综合试验车处理、消耗电力量数据处理等。 一信号通信设备管理。综合试验车处理。 ( 7 )新干线信号通信设备情报监控系统 运行新干线的沿线、防灾情报以及信号通信设备的状态监控的系统。该 系统主要有以下的功能： 一防灾情报监控。把风速、雨量、积雪、长轨温度的情报传达给运行管理， 作为指令员运行慢行的基础情报。 一机器状态监控。监控信号通信设备的机器状态，及早发现故障以便采取措 施。 再生机能。把a t c 监控器及联锁存储器的情报存储在中央，再现状态的变 化。 ( 8 )电力系统控制系统( 监控管理系统) 电力系统控制系统进行远程监视和控制新干线变电设备的系统，根据现 在3 种方式来运行业务。 d e c s ：大宫开通以来的系统( d e c s ：d e n r y o k uk e i t oc o n t r o ls y s t e m ) 北陆系统：北陆新干线开通时在北陆线区导入。 c o s m o s s c a d a ；d e c s 的下期系统，现在进行更新。 2 c o s m o s 的运行中枢五个调度部门 新干线c o s m o s 的目标是“安全、舒适、正点”；而确保新干线完成其使 命的则是综合调度所。综合调度所就像人的大脑，其作用是极其重要的。构 成c o s m o s 的八个系统构成了综合调度所的5 个调度部门。工作人员就是利用 这5 个调度部门，以最快的速度处理着日常业务和紧急情况。这5 个调度部 门是： ( 1 ) 运输调度 运输调度分成旅客与列车两个部分 旅客调度 为让旅客能为地乘坐新干线，该部门对与旅客有关的各类信息进行集中 管理，并为旅客提供综合服务：旅客生病时联系救护车；新干线晚点时安排 旅客换乘普通列车：遇上紧急情况则及时向旅客作说明。此外，该部门还负 责向各车站及列车发出有关调度指示，并通报有关情况。 列车调度 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 列车调度是综合调度所的中枢部门。它不停地把握列车的进路及所在位 置等运行情况，严密监视列车是否安全正点行驶，并能迅速地应对各种紧急 事态。 ( 2 ) 运用调度 该部门根据列车的运行情况，负责调派司机和乘务员，调换车辆。列车 发生故障时，则向乘务员提供紧急处理的参考意见。此外，车辆更换与修理 业务也由该部门承担。该部门还负责制订所有新干线车组的日常用车计划及 全部编组的定期检修计划。 ( 3 ) 设施调度 该部门根据电气轨道综合实验车的检测报告来把握线路的状况，统筹安 排线路及有关结构物的检修工作。发生事故和灾难时，该部门负责掌握情况， 指示列车减速，做好修复工作。 ( 4 ) 电力调度 该部门负责列车的供电管理和电力维护工作。供电管理主要是监视和控 制变电、配电站，以保证列车牵引、制动及车站的正常用电。电力维护主要 是直辖市作业内容、监控电网、确认测试情况，以确保线路与车辆的养护和 维修工作的顺利进行。 ( 5 ) 通信系统调度 该部门负责管理信号和通信设备及微机系统，以保证列车能安全正点运 行。除了在发生紧急情况时负责指示和安排修复工作外，还负责协调设备检 修的作业时间。 3 c o s m o s 的其它子系统 除了上面介绍的八个子系统和五个调度部门以外，c o s m o s 还包括如下 子系统： a t c 列车自动控制系统 a t c 能自动确认信号和控制制动器。新干线的速度调整是通过地面设施 来控制的。钢轨承载信号电流，各区段的速度设定在一定范围之内，当列车 超过规定速度时，制动器便自动起动，控制列车速度。要实现列车的安全运 行，这一被称做“a t c ”的安全自动化系统是必不可少的。 列车无线电： 往调整行驶中的新干线发出调度指示，或者进行其它联络，是通过使用 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 列车无线电来实现的。该装置以新干线独自的通信设备网络漏泄同轴电 缆( l c x ) 为天线，由地面与车载装置组成。它包括调度专用线路、业务联络 与公共电话用线路以及数据传输专用线路等。现在，j r 东日本公司就是使用 这套无线系统与综合调度所以及铁路和公共话网的交换机进行信息交换的。 p i c 车站信息装置： 这是一套设置在新干线各车站的旅客信息系统，它将列车晚点等各种有 关列车运行的信息传达给各站、各乘务段及各分公司。车站据此向旅客播放 列车到达、发车、过站等信息，并将晚点情况公布在电脑显示板上。 4 c o s m o s 的列车运行圈流程 实现列车高速运行的c o s m o s 采取的是信息集中控制分散的技术路线。 站间协调的准则是列车运行图。车站p r c 只要有运行图信息就可以实施进路 控制。下面的内容就简单介绍c o s m o s 中几个子系统的列车运行图的流程概 略。 ( 1 ) 运行计划系统的列车运行图流程 运行计划系统以本部制订的基本运行图为基础，拟定了如速度分类和线 路的追加、车辆和乘务员的分配等各计划。另外，乘务段终端乘务员的基本 任务是发送拟定好的信息，然后将变更的部分作为变更信息发送，来进行数 据的更新。 ( 2 ) 运行管理系统的列车运行图流程 在当天的2 2 点左右接收从输出计划系统发出的大后天的列车运行图，此 后每次变更作为变更信息接收。为了每次把从输送计划系统接收的信息发送 给车站p r c 及基地p r c ，中央主机和车站p r c 及基地p r c 的列车运行图通 常是处于相同的状态。 另外，当日0 点3 0 分左右进行日期替换，此后在运行管理系统中进行当 日列车运行图的变更等。变更信息每次都发送给输送计划系统、车站p r c 等， 来更改当日的列车运行图。 对于旅客指南装置、显示器，当日的日期更改时发送，此后则发送每次 变更的信息。 ( 3 ) 区间内作业管理系统的列车运行图流程 接收输送系统发送的3 日前5 ：3 0 左右的列车运行图，此后每次变更都 从运行计划系统取得信息。另外，当日的变更每次都通过基地p r c 接收。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 ( 4 ) 维护作业管理系统的列车运行图流程 基本( 线路) 作成时接收从运行计划系统发出的信息，计划的变更则是 每次变更时接收。维护作业管理系统中作业时间带的计划作成时被使用，每 天早上1 0 时被更新。而且不接收当日的变更( 运行管理中的变更) 。 除了基本的列车运行图信息以外，c o s m o s 内的其它主要信息流程还有： 运行管理系统负责发送时间带的信息( 运行时间带、作业时间带) ，其它系统 则接收沿线防灾信息、维护作业的状态、供电状态等。运行计划系统为了地 面设置和车辆设备的管理，还发送列车的行车信息等等。 2 2 行车指挥自动化系统存在的基本问题 用自律分散技术实现的自律分布交通管理系统a t o s 和c o s m o s 是日本 近几年开发的完全革新的系统。与这些新型的系统不同，传统的c t c 的运行 管理模式是一种集中模式，对于大规模铁路行车自动化系统而言，集中式的 体系结构已不能满足系统动态变化和扩展的要求。研究适合于大规模铁路行 车自动化系统的体系结构，以满足系统动态扩展的要求是我国进行行车自动 化改革的一项重要课题。下面，分析一下我国目前广泛采用的是集中式体系 结构和客户服务器体系结构存在的主要问题。 2 2 1 系统的体系结构 1 集中式体系结构 在自动化系统中，广泛采用的是集中式结构，如图2 4 所示。对于城市 轨道交通自动化系统而言，集中式体系结构已不能满足系统动态变化和扩展 的要求。在运行过程中，其缺点表现为： 图2 4 集中式体系结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 ( 1 ) 所有的现场设备信息必须汇总到通讯前置机发送到控制中心。这增 加了信息传输中间环节，并且随着现场设备的扩展，增加了通讯前 置机的负担，通讯前置机是现场设备和控制中心交互的咽喉，如果 它出现故障，则整个系统处于瘫痪状态。 ( 2 ) 现场的所有信息都是最终汇总到控制中心，控制中心的计算机进行 各种数据处理，最后由操作员工作站的屏幕上显示出来。同时将各 种控制信息发送给现场设备，进行统一监督和控制。这种集中式的 系统随着系统规模的不断扩大，必将大大加大控制中心的负担。 ( 3 ) 若要对集中式结构的系统增加新的设备时，必须停止整个系统的运 行，并且还必须将控制中心的软件进行修改，甚至重新编写软件， 这也将大大影响系统的运行，而且将消耗大量的人力物力。 3 客户服务器体系结构 客户n 务器结构虽然减少了中间环节，方便了动态扩充，却又存在着系 统负荷过于集中在服务器的问题，如图2 5 所示。 图2 5 客户朋务器体系结构 ( 1 ) 用户端每一次操作必须通过服务器统一处理。这样使信息交互中大 量负担集中到了服务器，客户端只执行一些简单任务。特别是在如 今系统规模不断扩大的情况下，对服务容量要求必然会迅速增加， 负荷进一步加重，严重情况下，很可能导致网络拥塞，服务器处于 瘫痪状态。 ( 2 ) 同时由于客户朋艮务器结构中服务器必须处理大量的信息，且客户 端均由服务器连接，如若要加入新的客户端，虽不影响其它客户端 的运行性能，但必须对服务器进行调整修改，服务器软件也将被修 改后才能使得整个系统运行正常，这时，修改服务器将导致服务器 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 部分失效或全部停止运行。其它客户端无法交换信息进行连接，必 然影响到整个系统的正常运行。 ( 3 ) 传统的客户l , l l l i t 务器应用软件模式大都是基于“肥客户机”结构下 的两层结构。它面临的一个主要的问题是系统的扩展及安装维护困 难。开发人员写出的程序在客户端运行，占用了大量的系统资源和 网络资源。而在分布式实时控制系统中，c s 结构更显示出它的不 足：c l i e n t 与s e r v e r 直接连接，没有中间结构来处理请求，s e r v e r 定位通常需要网络细节，s e r v e r 必须是活动的( a c t i v e ) ，客户端的 应用程序严格依赖于服务器端数据存储和组织方式。应用接口的异 构性严重影响系统间的互操作。许多相同的功能模块被多次重复开 发，代码的重用很困难。无法保证数据的实时性，系统可扩展性差 ( 无法实现在线维护和在线扩展) ，容错性差，对多数据类型的应 用支持较差。 由一个中心服务器处理所有数据，所有的数据都必须通过服务器的中转， 而不是直接的点对点的方式，从而增加了不必要的延时。这种模式在服务器 具备所有需要的信息的时候可以正常工作，而当数据来源于多个节点且同时 又被多个节点使用的时候就显得力不从心了。而且服务器还是整个系统的性 能瓶颈，若服务器由于某种原因出现故障，则整个