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原文传递移动闭塞系统列车运行智能控制的若干关键问题研究

论文题名：	移动闭塞系统列车运行智能控制的若干关键问题研究
关键词：	移动闭塞系统;列车定位导航;列车运行;智能控制;多代理系统;安全防护
摘要：	移动闭塞系统（Moving Automatic Block System）是在现代通信技术、计算机技术和控制技术的基础上发展起来的，基于精确定位技术，对列车位置、速度连续检测，通过列车间隔控制，确保后续列车不与先行列车发生冲突，显著提高行车效率的一种新型列车运行安全控制与防护系统。目前，移动闭塞系统已经应用于北美、欧洲、亚洲诸国的城市轨道交通，我国北京、上海、广州、武汉等城市引进了该项技术。目前，世界范围内广泛采用固定自动闭塞系统（Fixed Automatic Block System）。所谓固定自动闭塞系统，即在（相邻车站之间的）区间轨道上设置轨道电路区段检测列车占用情况，并在轨旁设置地面信号机或由机车从轨条提取地面信号，从而对列车运行进行防护和指挥；区间同方向相邻地面信号机之间的轨道区段称之为“闭塞分区”，显然其闭塞分区是固定的。移动闭塞系统取消了区间轨道电路和地面信号机（或由列车从轨条提取信号）对列车进行定位、导航的模式，采取远比轨道电路区段更精确的定位技术，最终实现对列车运行的导航和控制；较之固定自动闭塞系统，其闭塞分区呈现出“移动”和“长度变化”的特征，即闭塞分区随着列车的移动而移动，长度随着前后列车（本文均指同一线路上相同方向运行的相邻列车而言）的运行状态而动态变化；通过实时、合理地调整列车行为，使得前后列车安全、快捷、平稳、舒适运行的同时，列车间隔（即闭塞分区）始终保持动态“最佳”，从而有效增加线路行车密度、大幅提高运能、运量，实现整个运输网络行车组织的优化。轨道交通在我国国民经济发展中占据着非常重要地位，被称作国民经济的“动脉”，当前“提速”、“挖潜”等措施尽管取得了可喜的成效，但并不能突破固定自动闭塞系统对运输能力的限制，且建造、养护、更新费用巨大。研究、进而实现移动闭塞系统，不仅可以节省基建投资和养护、更新费用、便于养护、更新，而且在保证列车安全运行的前提下，提高运输效率更显著，技术升级和指挥调度更灵活等优势，能够根本性扭转我国长期以来运力有限、运能不足和严重阻碍社会、经济发展的不利局面，有力促进我国智能交通等学科的发展和相关重大基础产业的技术进步，具有重大的战略意义。但铁路运输网络远比城市轨道交通情况复杂，移动闭塞技术在规模庞大的铁路运输网络上尚无应用实例。应用于我国铁路运输，在列车运行安全防护与自动控制上还存在大量的问题有待探索，许多关键性技术还需要在消化、吸收国外先进技术的基础上深入研究。移动闭塞条件下的列车运行自动控制与安全防护技术，首先必须满足并依据其闭塞分区“移动”和“长度变化”的特点，解决列车运行的高度自主性和对其定位导航的实时性、精确性问题。没有列车的实时、精确定位导航技术，就无法实现移动闭塞条件下列车运行的自动控制和安全防护；列车缺乏高度的自主性，就无法“随机应变”，合理地、高效地调整自身行为，也无法在高速运行中保持平稳、舒适的旅行环境和闭塞分区的动态最佳。基于实时和精确定位考虑，建立了基于网络RTK（Real Time Kinematic）技术和快速差分算法的GPS观测网络：基于列车高度自主性考虑，建立INS/MM定位导航系统；对二者进行组合形成能够自动切换和参数校正的GPS/INS/MM（Global Positioning System/Inertial Navigation System/Map Matching）定位导航新系统（第2章）。鉴于列车定位导航的基础性地位，文中利用MAS（Multi-agent system）理论对列车运行智能控制系统进行建模研究（第4章），一方面深入讨论了车站Agent结构、具有自主智能的列车Agent结构、实现列车完整性检查的方法和列车行为调整的形式化描述等问题，另一方面考虑我国铁路运输网络规模庞大、在组织管理上具有分散、递阶的特点，对列车之间、站车之间协作机制和协作方法进行研究，提出基于平级协作机制和主从协作机制的黑板协作方法，为我国铁路这样大规模复杂系统中众多独立智能主体相互协作涌现群体智能的研究提供了一种思路。在列车定位导航技术的基础上，研究移动闭塞条件下的列车运行自动控制与安全防护问题。列车运行自动控制（Automatic Train Control，ATC）包括列车自动防护（Automatic Train Protection，ATP）、列车自动运行（Automatic Train Operation，ATO）和列车自动监督（Automatic Train Supervision，ATS）三个方面。根据移动闭塞系统和ATC的功能特点，重点研究了移动闭塞系统列车安全跟驰车距的计算（第3章）和移动闭塞条件下的列车行为调整（第6章）。移动闭塞系统中，闭塞分区无论怎样移动，也无论其长度怎样变化，都必须在满足安全行车的前提下提高行车效率，闭塞分区太短导致安全性下降，太长又造成行车效率降低，可见安全跟驰车距计算的重要性。第3章分析了列车减速运行特点和人们对列车的期望行为，提出了符合驾驶人员决策规律和行为特点的“基于双曲函数的列车减速策略”，并按照国际载运工具舒适性评价标准IS02631和上海磁浮示范线标准，研究了不同舒适性评级临界状态下的列车减速策略和相应策略下的安全跟驰车距计算问题。第6章在一般意义上讨论了列车非跟驰和跟驰两种状态下变速行为问题，分别用双曲函数和最优控制理论进行研究，为列车变速控制问题提供可资参考的依据。列车信息的移动性管理（第5章），对列车定位导航和列车运行自动控制均非常重要。在规模庞大、纵横交错的铁路运输网络中，众多列车在线路上运行或在车站进行相关作业，列车位置、速度、加速度、牵引重量和牵引制动性能、列车完整性等列车信息随时处在动态变化之中，没有列车信息移动性管理，不可能实现对列车运行的导航。就列车运行自动控制而言，列车需要了解前方线路状况、车站和控制（调度）中心的意图，接受调度指挥命令，在追踪运行时，还要了解前方列车的运行参数、运行状态、牵引制动性能和欲采取的行车控制策略等，没有列车信息的移动性管理显然也不可能实现对列车运行的自动控制，更谈不上对其进行安全防护。第5章专门就这一问题进行了深入讨论，利用面向对象技术将列车信息封装在“实体”之中，并利用双向链表对这些“实体”进行管理。列车信息的移动性管理，不仅为列车定位导航和自动控制奠定基础，而且有助于列车信息有目的地进行传递，从而减小通信资源开销。令人欣喜的是：我国通信与航空航天事业发展迅速，已经形成覆盖我国大部分领土的星基、地基无线移动通信网络；自主研发的多颗北斗卫星成功发射，打破了西方太空垄断，增强了我国信息安全保障能力；已经掌握基于无线通信网络、卫星通信网络和惯性导航系统的移动计算等相关技术。研究、进而实现移动闭塞条件下的列车运行安全防护与自动控制的技术条件已经具备。本文基于上述背景，对移动闭塞系统列车运行智能控制的若干关键问题进行探讨，并通过仿真试验等手段对观点和结论进行了验证，初步证明了研究成果的可行性。
作者：	潘登
专业：	控制理论与控制工程
导师：	郑应平
授予学位：	博士
授予学位单位：	同济大学电子与信息工程学院
学位年度：	2007
正文语种：	中文