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城市运输大动脉 轨道交通技术进展加速
 

【作者: 王明德】2014年04月09日 星期三

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城市轨道交通系统建设受投资、征地等诸多因素制约,不可能像铁路一次设计、一次建设,需要分阶段建设和实施,一般的做法是逐线建设,即使是一条线也要求分段建设,这种建设模式对系统运作带来相当大的挑战,分阶段实施的作法,其系统扩充性非常高,至于一次性完工的系统,若建成后的系统需升级或改造,必须注意不能中断系统运行,也就是说这类系统必须具有在线特性,可以边测试边运行,系统的扩充性和在线特性,对于降低系统开发成本与运行成本都有直接关系。


图一
图一

轨道交通扮演城市的的重要运输角色,因此其系统运作必须多样化,所谓的多样化指的是根据城市状况而可弹性调整,例如在节庆假日和重大活动时,可适时调整运输计划,要达到此目标,系统初期规划时的在线运输计划系统就必须纳入。


除了特殊节日外,轨道车辆运行时,每日载客量的尖离峰发车密度的调整也是必须,而这和行车指挥系统密切相关,在此需求下,必须同时有两条不同的技术方式:讯息集中控制集中,讯息集中控制分散,至于如何进行选择,则用下面的事例说明。


以日本为例,日本的新干线由JR东日本,JR西日本,JR东海道等铁路公司营运。因此,新干线的运输调度指挥系统分为二大类:其一为COMTRAC(JR西日本,JR东海道采用),其二为COSMOS(JR东日本采用)。 COMTRAC采用的是讯息集中控制集中模式,而COSMOS采用的是讯息集中控制分散模式,讯息集中是指列车计划讯息的集中,以及列车运行讯息的集中。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」(PRC)完成。


由此可以看出,车站PRC只要有运行图讯息就可以实施路线控制,在正常情况下,由调度中心向车站PRC传送运行图讯息;而在非正常情况下(灾害),由各车站PRC定期撷取并建立基本运行图资料库,以备紧急情况使用。


自律分布系统


至于列车在线讯息的集中,在灾害发生时,只需收集列车运行状态的最低基本讯息,并不必建设1:1的备用中心。


日本东京圈自律交通运行控制系统(ATOS)是目前世界上最大的自律分布系统,这套系统管理东京地区200多个车站和2000多公里的轨道线路,达到行车指挥、设备监控和旅客讯息服务综合自动化、列车的高密度运行(120秒)、系统的分阶段的目标。这一系统也是采用的讯息集中控制分散模式。


列车自动控制系统主要有两种模式,一是在地面系统制定出速度指令,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讯息,列车以此一讯息,再加上自身的位置与制动性,自动产生平滑的制动曲线,这种模式也可以称为(列车位置)讯息集中(制动)控制分散,可以适应不同车辆的不同制动性能,达到高密度运行。


维护作业管理模式


系统的维修模式也是重要问题,目前面前维护作业管理的自动化并不容易。


系统维修模式的第一个问题涉及不中断运行维护,也就是在线维护与测试,而系统是否具备在线维护的能力,又与系统的体系结构密切相关,第二个问题则是维护的管理模式,是集中还是分散,现有的维护管理多属种集中模式,一切均在调度人员管制下完成,分散的维护管理模式是指由调度中心、车站和现场作业人员共同完成维护作业。


在这种模式下,调度中心负责讯息(维护作业计划)集中,车站负责路线控制,现场作业人员则负责维护作业时的进路申请和作业实施,过去调度中心的权限开始下放给车站和现场作业人员,各个环节具有相当的自主权并相互协调。


安全性是城市轨道交通系统的基本要求,轨道交通系统的各个环节如通讯讯号、行车指挥、列车控制、牵引供电和车辆等,都必须注意稳定性原则,稳定性涉及软硬体和通讯编码等方面,如何让系统更稳定,是轨道交通产业永远的课题。


弹性架构灵活运用


对城市轨道交通系统来说,要达到预期的稳定性,光是快速排除故障的方式是不够的,故障排除属于被动的技术措施,如何保持运输服务的连续稳定性是轨道公司的首要目标,不过维持稳定度的技术,要可快速导入并做到100%的可用,在理论上虽可办得到,但仍要评估成本要素,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仍不可避免,因此轨道系统运作,非正常情况下的快速恢复作业的制定,仍是相对务实的作法。


在高密度运行区间,为防止列车故障或事故时引发混乱、列车误点,需要灵活快速的列车群自动控制系统,在正常情况下,列车群自动控制依赖运行图;在非正常情况下,要让列车的避让、折返、避免在站间停车,则由调度员的指挥。


为保证运输服务的可用性,稳定的列车群自动控制系统势必不可少,从技术上看,系统可用性也有两种技术路线:容错和防错。防错主要采用备援技术,不过100%的备用,系统的成本太高,规划者必须在风险与成本中,取得最佳平衡,至于容错则是容许模组错误和故障发生,采用模组化设计,在建置初期与后续维修两方面,都是目前最佳作法。


轨道交通设计开发理念


综观前文所叙,要满足城市轨道交通系统的技术需求,需要建立新的设计开发理念和方法,其主要观点和方法包括:


1.讯息集中、控制分散的技术方式,为达成城市轨道交通系统运输组织的多样化和高密度化,采用讯息集中、控制分散的技术路线是最佳选择。


2.调度中心、车站、现场作业人员协同的作业分摊模式,这一模式对城市轨道交通系统的高效协同运行有重要意义。


3.城市轨道交通自动化系统架构方面,目前广泛采用集中式结构和客户/服务体系结构,对大规模城市轨道交通自动化系统而言,集中式的系统结构已不能满足系统动态变化和扩展需求,而客户/服务器结构又有系统负荷过度集中的问题。因此,研究适合于大规模城市轨道交通自动化系统结构,以满足系统动态扩展的要求是一项重大课题。


4.系统设计方法论。目前,系统设计大多采用由上而下的方式,包括结构化设计和应用族群规划等方法,这些方法假定在设计阶段系统的结构、规模和功能是确定的,系统的扩展和变化,必将引起整个系统的变化,可谓“牵一发动全身”,对于大规模系统而言,不可能一次设计、一次完工,而需要分阶段设计和建设实施,采用由下向上,由子系统逐步构成整个系统的系统设计方法学势在必行。


5.系统容错技术。目前的双机或多机备援技术,基本上属于防错技术,在实际应用中,有著成本高,错误覆盖率难以全面等问题,针对城市轨道交通自动化系统的特点,研究低开发成本、已达到实质意义上的容错技术仍属必要。


6.快速故障排除技术。轨道交通自动化这类要求快速排除故障的系统,需要从软硬体和通信等层进行系统研究,并重点解决工程实用化问题,目前这一方面的研究仍有待加强。


这几年城市轨道交通自动化系统的设计开发概念,越来越完整,其概念又直接刺激相关技术研发与导入,就目前来看,轨道交通的主要自动化技术,仍以相关自动化大厂如西门子、庞巴迪等公司最为先进,这些公司不只在技术,建置经验与握有资源也都更充沛,尤其是与各国官方主事单位长久以来所建立的合作默契,更筑起了高耸的竞争门槛,在此情况下,其他自动化厂商如工业电脑业者,想要切入发展,就只能先由不涉及行车主控的周边子系统如售票、监控等部份跨入,要将触角延伸到后端主系统,除了投入大量资源进行研发外,新概念的提出或旧概念的再解释再延伸,也是取得市场主导权的方式之一,有意往轨道交通发展的自动化业者,可仔细评估、考虑此方向的可行性。


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