城市轨道交通综合自动化系统设计探讨
 
      摘　要: 根据城市交通系统的特点,对城市轨道交通综合自动化系统进行了初步探讨。针对轨道交通系统的运行特点和基本功能系统划分,提出了采用网络化的PLC 控制装置实现综合自动化系统的构想,简要地对各有关子系统进行了分析,并强调了冗余配置和容错的重要性。
关键词: 城市交通;轨道交通; 综合自动化;网络;冗余;容错
1 　轨道交通概述
      轨道交通系统,是城市地下铁道(简称地铁) 、轻型轨道交通(简称轻轨) 、单轨交通、有轨电车、高速磁悬浮列车和市郊列车等城市轨道交通系统的统称。其共同特点是:强调安全、迅速、可靠和准点舒适。根据城市的地域特点,轨道交通系统的轨道可在地面、高架或地下铺设。
      地铁和轻轨,是近年来城市轨道交通系统中发展迅速的两个主要类型,从技术上讲,地铁车组一般具有以下特点[ 1 ,2 ]:
1) 它本身具有动力,车组可由全部动车组成,也可由动车和拖车按一定比例组成,列车编组数一般为4～8 辆。
2) 地铁列车载客量大。地铁车辆一般宽度为2. 6 ～3. 1 m , 长度为17～22 m , 定员为120～310 人/ 车,超员可达300～400 人/ 车。在与先进的信号控制系统配合时,一列8 辆编组列车的最大运输能力可达单向的(30 000～60 000 人次/h 。3) 具有较高的起动加速度和制动减速度。这是由于地铁系统站间距离较短所要求的。
      与地铁相比,轻轨列车则是一种轻型快速的轨道车辆,它是由原来的有轨电车发展而来的。1978 年, 在比利时布鲁塞尔举行的第一届国际轻轨交通会议上,轻轨的称谓被统一为LRT(Light Rail Transit) ,国际轻轨联合会专门为此设立有网站(http ://www. lrta. org) 。
轻轨列车的主要特点是:
1) 运载能力介于地铁和有轨电车之间。
2) 轻轨车一般较轻,属轻型轨道车辆,地铁车则属重型轨道车辆。
3) 轻轨造价低,建设周期短。据统计[ 3 ] ,轻轨交通的建设成本约为地铁交通的1/ 3～1/ 5 。以上海地铁建设为例[ 4 ] ,其1 号线造价为6. 2 亿元/ km 。
轻轨与地铁和有轨电车的主要特点比较[ 1 ] 。
2 　轨道交通运行系统划分
      按功能分配,轨道交通运行系统可划分为以下几个子系统[ 5 ,6 ]:
2. 1 　车体系统
      为满足牵引和操动需要的动力牵引系统、乘客乘行车厢、车内防火及通风空调系统,以及为车钩连接、转向等配置的辅助装置。其中,动力牵引系统又可进一步划分为电力传动(驱动) 系统、制动系统(包括电力制动和空气制动) 、列车诊断系统及列车自动控制与通信系统等。国内车体典型的产品有,北京DK8 型地铁客车和QK6 -750 型轻轨列车。
2. 2 　轨道线路及信号通信系统
      包括,运行轨道、道岔以及为满足运行调度需要而设置的信号通信装置等。

213 　车站系统
车站建筑、客流通道及电动扶梯、传送带或电梯等辅助运载工具,以及通风环境控制等系统。

214 　电力牵引供电系统
      这是为保证轨道交通系统正常、可靠运行而专设的电力供应系统。电力牵引系统包括,牵引变电所、开闭所、分区所、自耦变压器所等供电设施,以及与机车关联的接触网、轨道等部分。
对电力牵引供电系统的总的要求是[ 1 ] :
1) 对牵引变电所双回路供电;
2) 供电双回路互为热备用;
3) 每一供电回路引自不同的电源点,当由同一电源点供电(主变压器有两台及以上) 时,两回路分别引自不同的分段母线; 4) 双回路输电线一般分杆架设。
3 　轨道交通综合自动化的内容
      轨道交通综合自动化,是为了满足轨道交通系统运行管理和运营质量提高、降低运行成本的需要而出现的。包括前述各运行子系统的自动化,以及总系统的协调调度自动化。从目前的技术条件和运行的需求出发,车体系统和轨道线路系统自身,已各有一套不同程度的自动化运行辅助系统, 包括列车自动驾驶(ATO) 、自动防护(ATP) 和通信调度系统。
      车站系统的自动化,包括车站的站务管理自动化, 以及站内设备的运行管理自动化。前者受中国国情的制约,其自动化程度需有一个逐步提高的过程。站内设备,包括集中通风和空调系统、电动扶梯、传送带或电梯等辅助装置等,这部分设备的运行管理,可由现有的成熟技术,实现全面的自动化控制。
      电力牵引供电系统的自动化,是整个综合自动化系统的核心部分。由于轨道交通系统高速、载客及大流量等特点,因此,要求电力牵引供电系统必须具有高可靠性和高容错能力。这也使得在构建电力牵引供电自动化系统时,必须采用现有成熟技术中的最新手段和装备。
4 　网络化可编程控制装置
      网络化可编程控制装置,是指从早期的可编程序逻辑控制器(简称PLC) 配合现代网络通信功能发展而来的新一代控制装置( 为简便起见, 以下仍简称为PLC) 。现代网络化PLC 装置,除具备基本的PLC 顺序或开关控制等逻辑功能外,还配备有大量复杂的连续处理及连续控制功能,如PID , 自动诊断及热备冗余等功能,并结合分布式网络化技术,实现与计算机、智能前端及终端装置的网络化及开放式互连。
      目前,国际流行的PLC 产品生产厂家主要有A -B (Rockwell) 、GE 、Siemens 、Schneider , ABB 等。与过程控制领域流行的集散控制系统(DCS) 相比,PLC 系统具有硬件配置灵活、扩展方便、既能用于开关控制,也适用于连续量控制等特点,尤其在以开关量等断续控制要求为主体的系统应用中,具有更好的适应性。
5 　轨道交通综合自动化系统的构成
      综上所述,轨道交通综合自动化系统的构成,可由图1 所示意[ 7～10 ] :
 
图1 　轨道交通综合自动化系统构成
      其中,列车运行自动化系统为专用型系统,在工程设计应用中,由列车车辆制造厂与道路设计专业部门联合完成。对整个综合自动化系统而言,它只需提供数据公共交换通道即可。