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中国智能交通协会

高速铁路智能调度集中系统

2021-07-26   来源:中国智能交通协会


应志鹏,王壮锋,张涛,张琦
(中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所)


  1、背景和意义
  随着国民经济的持续发展,高速铁路以高效便捷、安全可靠、快速通达、覆盖面广的优势成为我国综合交通运输体系的骨干和高品质快速交通网的关键组成部分。截止到2019 年底,中国高铁营运里程突破3.5万公里,约占世界高铁总量的70%,是世界上高速铁路运营里程最长、运营场景最丰富、在建规模最大、系统技术最全的国家,是世界唯一高铁成网运营的高铁系统 。
  高铁调度集中系统(CTC)作为铁路运输指挥的中枢,是铁路运输管理体系中的核心系统,在提升高铁运输高效性、降低安全事故发生机率、保障高速铁路运营安全和提高运输效率方面发挥着重要作用。多年的高铁运营实践表明,我国高铁调度问题具有鲜明的特点,其复杂性远远超过了世界上其他任何国家的同类问题,表现在:(1)由于我国高铁网规模巨大,在空间上东西部高铁线路在列车密度、能力利用上相差巨大;在时间上高峰期和平峰期能力利用相去甚远。同时,我国拥有世界上最长的高铁运行交路,高速列车跨线运行,多等级列车共线运行等,都增加了高铁调度的难度。(2)运输需求和运力资源配置不均衡。面向开放运输市场的多样化运输需求并存,对高铁产品的预期差异较大。同时,我国高铁的运力资源配置不均衡,动车段(所)的布局、动车的运用检修等因素使得以市场需求为驱动的智能调度问题变得更加复杂。(3)高铁网络拓扑结构复杂,同线列车间、临线列车间、线路与线路间运行耦合性强,高密度运行条件下列车间延时传播迅速,临线间咽喉区域干扰条件下通过能力差,易造成大范围晚点。(4)高铁列车运行外部地理环境复杂多变,列车运行参数呈现动态时变特性,影响对列车的精确控制,造成列车运行偏离计划运行图。(5)高铁调度信息多源、异构、海量,需要各调度子系统能协同合作,为调度决策提供洞悉全局,综合优化的信息支撑。
  因此,高速铁路智能调度集中系统利用人工智能、大数据等新兴技术和控制反馈、计划调度等优化理论方法、通过以人工经验为主,高效的处理不同调度子系统的海量多源数据,挖掘对调度指挥具有核心价值的信息,提升系统的精细化优化决策和智能化协同指挥能力,提高调度资源配置和协作处理的水平,确保安全,不断提高运行效率和服务品质,代表了高速铁路运营未来必须向智能化的发展方向,是我国高速铁路从“建的好”到“用得好”发展的持续重大需求。

  2、高速铁路调度集中系统
  2.1 系统架构
高速铁路智能调度集中系统结合“智能铁路”的发展需求,采用云计算、物联网、大数据和人工智能等先进技术,通过信息的全面感知、安全传输、融合处理和科学决策,构建的具有模式标准化、局站调控一体化、监视综合化、决策智能化、控制自主化的先进智能调度系统,主要包括中心系统、车站系统、网络系统,具体系统架构如图1所示。


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图1高速铁路智能调度集中系统架构


  (1)中心系统
  中心系统包括中心生产系统、查询子系统、运维子系统、仿真测试子系统、备用设备和中心应急备用系统等配套系统。铁路局中心生产系统实现调度指挥核心功能;查询子系统为其他生产岗位提供信息查询服务;仿真测试子系统提供软件、数据测试验证以及培训平台;运维子系统提供设备管理和维护功能;中心应急备用系统提供在生产系统故障情况下的备用功能。
  生产系统设备包括数据库服务器、应用服务器、通信前置服务器、调整服务器、接口服务器、对外信息提供服务器、对外时钟服务器等服务器设备;包括调度员工作站、值班主任工作站、计划员工作站、调度维护工作站等用户终端设备;另外还包括卫星授时、网络通信、网络安全、通信质量监督、电源、防雷、机房综合监控等配套设备,以及根据需要设置的大屏幕投影系统和绘图仪设备。
  查询子系统主要设备包括查询数据库服务器、查询应用服务器、隔离通信机、查询终端以及相关网络设备。
  运维子系统主要设备包括软件数据管理服务器、运维综合服务器、监测设备、网管工作站、中心维护工作站、站段维护终端以及相关网络设备。
  仿真测试子系统主要设备包括数据库服务器、应用服务器、数据模拟服务器、培训终端、维护工作站、车站自律机、网络设备以及其他实际需要的设备。
  智能调度集中系统相关功能是通过在既有系统上扩展相关的应用服务器、接口服务器以及软件模块实现。其中列车运行计划自动调整功能通过增设调整服务器和调整屏软件实现;行车综合数据应用是通过增设供电调度接口服务器、灾害监测接口服务器等实现;行车调度综合仿真是通过与既有系统独立设置的仿真测试子系统实现;ATO功能应用是通过增设ATO接口服务器实现。
  (2)车站系统
  车站系统包括车站自律机、值班员终端、信号员终端、电务维护终端、网络设备、电源设备、防雷设备、接口设备等设备。
  车站自律机是车站子系统的核心处理设备,功能包括信号设备状态采集、外部系统接口、站场表示处理、列车计划处理、车次跟踪和校核处理、列车进路自动办理等功能。进路和命令卡控通过在自律机等既有设备上叠加卡控逻辑模块实现其功能。
  (3)网络系统
  网络包括生产核心网、查询网、运维网组成。其中生产核心网是国铁集团调度中心、铁路局调度所、车站之间的互连网络;查询网是连接各查询终端的网络;运维网是连接各维护终端的网络。
  生产核心网具体包括国铁集团局域网、调度所局域网、车站局域网及广域网。其中,广域网由国铁集团调度中心与铁路局调度所之间的广域网、国铁集团调度中心与高铁中心之间的广域网、相邻铁路局调度所之间的广域网、铁路局调度所与本局高铁中心之间的广域网、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。
  查询网是由调度所查询中心局域网、 查询中心至各查询终端之间的局域网或者广域网组成。
  电务运维网由运维中心局域网、运维中心至各维护终端之间的广域网、 运维中心至车站之间的广域网组成。
  2.2 系统功能模块
  高速铁路智能调度集中系统主要针对列车运行计划自动调整、列车进路和命令安全卡控、行车信息数据平台、行车调度综合仿真和ATO(列车自动驾驶)应用五个方面进一步优化和完善,实现基于路网全局的列车运行正晚点在线预警、动态评估与自动调整,实现基于行车综合信息大数据的列车作业安全卡控与进路自主控制,实现正常操作演练、应急场景模拟以及列车运行通过能力评测,实现ATO计划间隔自动配置,调度命令、列车运行计划、施工维修、防灾安全等信息智能联动,涵盖高铁行车调度指挥的全部业务,涉及调度所和基层站段的全部作业流程和内容,满足调度所、车站、列车和基层站段之间控制和作业等业务流程的全面管理,实现调度系统的智能决策、自主控制,进一步提高速铁路运输效率和运营安全,核心功能模块如图2所示。


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图2高速铁路智能调度集中系统核心功能模块


  3、高速铁路智能调度集中系统示范应用
  高速铁路智能调度集中系统分别在京沈客专辽宁段、京沈客专辽冀省界至承德南段(简称京沈客专北京段)进行现场测试和试用,如图3所示,取得了预期的效果,通过中国国家铁路集团公司的试用评审。


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图3高速铁路智能调度集中系统京沈现场试验


  高速铁路智能调度集中系统于2019年12月30日在我国首条智能高铁线路——京张高速铁路正式开通运营,京张高铁是《中长期铁路网规划》中“八纵八横”高速铁路主通道中“京兰通道”、“京昆通道”的重要组成部分,是2022年北京冬奥会的重要交通保障设施,是中国第一条采用自主研发的北斗卫星导航系统、设计速度350千米/小时的智能化高速铁路,也是世界上第一条最高设计速度350千米/小时的高寒、大风沙高速铁路。


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图4高速铁路智能调度集中系统京张示范应用


  

  4、结论
  高速铁路智能调度集中系统实现了列车运行自动调整、列车进路和命令安全卡控,构建了信息集成数据平台和调度综合仿真平台,增强列车自动驾驶系统交互,提高列车调度指挥、列车运行安全保障能力和智能化水平,对提升高铁运输高效性、降低安全事故发生机率、保障高速铁路运营安全和提高运输效率方面发挥着重要作用,保持我国高铁技术在国际上的先进性,为智能铁路建设和“走出去”战略提供支撑。

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