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大眾捷運系統的靈魂–自動行車監控系統

大眾捷運系統是各國解決都會區交通與空氣汙染問題的重要選項,但若發生行車延誤或意外事故,就會對整個捷運網路的營運產生嚴重的衝擊。
 
 
 
核心系統

捷運系統的工程技術大都沿用傳統鐵路上使用過的成熟技術,本質上是個整合不同專業領域的龐雜系統,主要包括電聯車、軌道設施、供電系統、號誌系統、通訊系統、空調系統、自動收費系統、土建設施、廠站機電、維修設施等子系統。

傳統的號誌系統在結合了日新月異的通訊及資訊科技後,演進成為現代化捷運系統的核心系統之一的自動行車監控系統,除能提供捷運系統全自動化無人駕駛環境外,更扮演著確保行車安全及服務品質,提升系統運能的重要角色。

自動行車監控系統基本上包含自動行車保護系統、自動列車駕駛系統及自動行車監視系統3個子系統。自動行車保護系統確保行車安全,避免列車超速、對撞、追撞或出軌等危險發生。自動列車駕駛系統則可在確保行車安全的前提下,協助列車駕駛員或自動執行列車的操控及駕駛。而為確保營運服務的品質,營運人員可藉由自動行車監視系統蒐集整個捷運路網的行車資訊,規劃並執行捷運路網的行車調控作業。

自動行車保護系統

為確保行車安全,自動行車保護系統引用了閉塞區間的概念,以確保列車彼此間能保持適當的安全行車間距。閉塞區間法基本上可分為固定式與移動式兩種。

固定式閉塞區間系統是透過在軌道上布設軌道電路的方式,把軌道分隔成許多閉塞區間。原則上一個區間僅允許一部列車占據,當系統藉由軌道電路偵測到某一區間被一列車占據時,會透過軌道電路把行車速限傳遞給鄰近區間的列車,執行必要的減速控制,達到禁止其他列車進入同一區間的目的。

車載行車控制電腦會透過速度偵測器隨時偵測列車的行車速度,並比對所允許的行車速限。當列車超過行車速限時,會產生警告訊息,若駕駛員不予理會,則車載控制電腦會自行啟動緊急剎車功能,迫使列車在禁止進入的閉塞區間前停車。

隨著數據無線電通訊的快速發展,採用移動式閉塞區間法的通訊式行車監控系統是目前最先進的,也會是本世紀自動化行車監控系統的主流。移動式閉塞區間系統是透過雙向無線數據通訊系統傳遞線上各列車所在的位置,並據以對前後相鄰的列車設定一個行車權限,形同在列車前後劃定一個閉塞區間。同樣地,行車監控的準則是確保每一列車所伴隨的閉塞區間都不被其他列車闖入。

移動式閉塞區間系統的區間是伴隨著列車移動,後車的行車權限可跟著前車不斷地調整,不像固定式閉塞區間系統,必須等前一部車離開軌道電路所劃定的區間後,才能開放後車進入該區間的權限。因此,移動式閉塞區間系統對安全行車間距的調整較有彈性,可縮短前後列車的跟車距離,提升系統的運能。

自動列車駕駛系統

自動行車監控系統會根據時刻表及行車調度的需求,在自動行車保護系統所給定的行車速限或權限下,產生一個站間目標行車曲線,包括加減速度、最高行車速度、列車滑行、減速靠站的啟動時機等參數資料。

自動列車駕駛系統的目的,便是循著目標行車曲線自動操控列車的啟動、加減速、靠站、開關車門等駕駛作業。車載控制電腦會隨時量測實際的行車速度及行車距離,並對照目標行車曲線的列車位置及相對應的行車速度,而實際的行車資訊與目標行車資訊間的誤差,便可用來調整推進系統或剎車系統的出力。在設計上,傳統的PID控制、模糊控制或基因演算法等理論都可應用。

有些捷運系統會在月臺邊裝設月臺門,以確保候車旅客的安全,並減少人員及物品掉落軌道而對行車產生的危險或干擾。也因為月臺門的設置,列車靠站時與月臺門間的對位精準度更必須妥為安排,以免影響旅客上下車的流暢性。

輪軌界面黏滯力不足所造成的打滑現象及動力系統的延遲反應,都可能造成列車定位的不準確。因此,為提高自動列車駕駛系統的精準度,系統會在沿線適當地點布設一些標誌線圈,當列車經過這些標誌線圈時,車載控制電腦會自動校正行車位置,並在列車靠站過程中,修正距停車點的距離及比對目標行車速度,以調整列車的加減速指令,使列車能順暢準確地自動靠站停車。

自動行車監視系統

旅客流量的變動、旅客行為與設備故障的不確定性是無法避免的,也都會影響捷運系統的穩定度與可靠度,連帶影響服務品質與系統運能。

自動行車監視系統主要在協助營運人員規劃及排定捷運路網的營運作業計畫,如行車時刻表,並掌控整個捷運路網的行車及營運狀況,適時採取適當的行車調控策略,以確保路網行車順暢準點。其中,自動列車調控系統及線上行車管理系統對於確保捷運系統服務品質及運能,扮演著相當重要的角色。

捷運系統都會設置行車控制中心,並透過自動行車監視系統隨時蒐集整個捷運路網的行車資訊,而自動列車調控系統及線上行車管理系統會分析所蒐集的資訊,並自動產生行車監控的建議策略,行車控制中心人員可以手動或讓系統以自動的方式執行所建議的控制策略。

一般而言,在誤點情形較小時,可調整行車性能,如行車速度、站間行車時間、列車靠站時間,以改善誤點情形。當誤點情況較嚴重時,則會重新調整行車時刻表或行車班次。

在自動列車調控系統與線上行車管理系統的設計上,專家系統、基因演算法、LQ控制法、近似動態規劃法等技術都可運用。

節能減碳的考量

鐵路系統相較於其他交通運輸工具,是一高能源利用效率的運輸系統,但節能減碳仍大有可為。根據國際鐵路聯盟對先進軌道科技所做的探討,以及英國倫敦帝國學院對其軌道運輸標竿聯盟成員所做的訪查,當前鐵路界對推動節能減碳以進一步降低營運成本及確保環境永續發展,已有相當的共識,且在工程技術上是可預期的。

這些節能減碳措施包括煞車再生能源的儲存與利用如超級電容、超導儲能,低耗能材料如高溫超導元件、高效率半導體元件、LED照明的使用,車輛減重如採鋁合金、強化玻璃纖維,能源管理如採智慧型空調及照明系統,提高乘載率、空間利用率等。

此外,適當的列車操控及行車管理與調控,除能提升系統運能及服務品質外,也可改善能源利用效率。例如,透過排程或適時控制列車的加減速,把剎車時所產生的再生能源回饋給線上其他列車使用。或者,在不影響列車準點率的情形下,於適當時機切斷行車動力系統啟動滑行機制。這些做法都可進一步降低能源消耗,或提高能源使用效率。

效能提升可期

就民眾來說,如何確保搭乘捷運系統的安全、便捷、準點及舒適,是捷運系統能否發揮紓解都會區交通問題的先決條件。而如何建造一可靠度高且進一步降低營運維修成本的捷運系統,更是營運者所關切的課題。

隨著近年來通訊、電腦及資訊處理科技的快速發展,目前捷運系統在功能及性能上已有相當幅度的躍升,尤其行車監控系統跟早期的號誌系統相比,更不可同日而語。

儘管如此,捷運系統在節能減碳、運能提升等方面仍值得進一步探討,而軌道界對這些課題的關切也不曾間斷過。

有鑑於捷運機電系統所涉及的工程科技領域相當廣泛,如何呼應軌道界的需求,相信在已有的基礎上,並在各領域專家學者集思廣益下,進一步提升捷運運輸系統整體效能的目標是可樂觀期待的。
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