城市轨道交通自动化系统再认识
---概念、体系结构与技术
摘要：本文在对城市轨道交通系统的特点进行分析的基础上，提出了轨道交通系统的五大技术需求，论述了城市轨道交通自动化系统的设计开发理念和方法。通过对传统体系结构进行分析比较，指出自律分布体系结构是城市轨道交通自动化系统的理想结构。最后对自律分布系统技术进行了综述，并从技术成熟性和技术特点的角度对其进行了分析和讨论。
关键词：城市轨道交通 自动化 体系结构 自律分布系统
Abstract: Based on analysis of characteristics of the urban railroad transportation systems, the technical requirements of railroad transportation systems are proposed, the design principle and method of urban railroad transportation automation system are also discussed in this paper. Compare with the conventional system architecture, we argue that the autonomous decentralized system architecture is an ideal architecture for urban railroad transportation automation system. Finally, the outline of autonomous decentralized system was described from technical maturity and advantage point of view respectively.
Keywords: Urban Railroad Transportation; Automation; System Architecture; Autonomous Decentralized System
一、城市轨道交通系统的特点及其技术需求
在讨论城市轨道交通系统自动化系统之前，对城市轨道交通系统的特点进行分析是十分必要的。下面从七个方面逐一进行分析。
1．城市轨道交通规划的可持续性
随着中国城市化进程的发展，主城区向外扩展、主城区和卫星城连成一体是一个明显的趋势。城市轨道交通系统规划要能适应这一不断发展和扩展的需求。然而，存在的主要问题是：准确地预测未来的发展具有很多不确定因素。也就是说，当前的规划在将来是要变的。这就要求我们的规划要充分考虑系统的变化因素，反过来也要考虑现有系统和未来系统的平滑衔接和升级。用技术的语言讲就是系统结构的灵活性和可扩展性。
2．城市轨道交通系统建设的阶段性
城市轨道交通系统建设受投资、征地等诸多因素制约，不可能像大铁路那样一次设计、一次建设，需要分阶段地建设和实施，一般的形态是逐线建设，即使是一条线也要求分段建设。这样的建设模式给系统运行带来很大的挑战。对于分阶段实施的系统而言，很明显要求系统具有扩充性。对于能够一次建成的系统，建成后的系统升级和改造，要求不中断系统的运行，从这个角度看，要求系统具有在线特性，即边测试，边运行。此外，还应考虑系统运用过程中的在线培训。系统的扩充性和在线特性对于降低系统的开发成本，运行成本都是有直接好处的。这一问题也可以归结为系统结构的灵活性和可扩展性。
3．运输组织的多样化和高密度化
运输组织的多样化是指根据节假日和重大活动适时地调整运输计划并付诸实施。这就要求建立在线实时的运输计划系统，即运行图系统，实现小时级计划的调整。
在上下班的高峰期实现列车的高密度运行是必须的，比如120秒的运行间隔。高密度运行与列车自动控制方式（ATC）和行车指挥系统密切相关。在这样的需求之下，存在两条不同的技术路线：信息集中控制集中，信息集中控制分散。就行车指挥系统而言，如何进行选择可用下面的事例来说明。
日本的新干线由JR东日本，JR西日本，JR东海道等铁路公司运营。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采用的是信息集中控制集中模式，而COSMOS采用的是信息集中控制分散模式。
基于可靠的理由，在阪神大地震后，COMTRAC建有第二指令所（调度所）。
需强调指出是信息集中是指列车计划信息（运行图）的集中，以及列车运行实绩（在线状态）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。站间协调的准则就是列车运行图。
从上面的分析中可以看出，车站PRC只要有运行图信息就可以实施进路控制。在正常情况下，由调度中心向车站PRC传送运行图信息；而在非正常情况下（灾害），由各车站PRC定期保存基本运行图信息，以备紧急情况下使用。
至于列车在线信息的集中，可以这样考虑，在灾害时，只需收集列车运行状态的最少基本信息，而不必建设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，它管理着东京地区的200多个车站和2000多公里线路。实现了行车指挥、设备监控和旅客信息服务综合自动化，实现了列车的高密度运行（120秒），实现了系统的分阶段的建设。具有典型性和代表性。这一系统也是采用的信息集中控制分散模式。
就列车自动控制系统而言，有两种模式。一是在地面系统生成速度指令，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信息，列车根据这一信息和自身的位置以及制动性能自律地生成平滑的制动曲线。后一种模式也可以称为（列车位置）信息集中（制动）控制分散，可以适应不同车辆不同的制动性能，最大限度地实现高密度运行。
因此，实现运输组织的多样化和高密度化时，采用何种技术路线是必须认真研究解决的问题。
4．旅客服务的实效性
为旅客提供列车运行信息的显示和广播是基本的要求。在非正常运行情况下，实时地发布信息是关键。要求旅客服务系统和行车指挥系统实现互连。
5．维护作业管理模式
系统的维护模式是一个较少探讨的问题，面前维护作业管理很难实现自动化。系统维护模式也决定着系统的设计和开发方式。
第一个问题涉及系统自身的维护。是不中断运行维护，还是在线维护与测试。即系统是否具备在线维护的能力。这又与系统的体系结构密切相关。
第二个问题是维护的管理模式。是集中还是分担。现有的维护管理模式可以说是一种集中模式，一切均在调度人员管制下完成。分担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，调度中心负责信息（维护作业计划）集中，车站负责进路控制，现场作业人员负责维护作业时的进路申请和作业实施。可以说，将过去调度中心的相当权限下放给了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。支持这一维护管理模式，需要相应的系统结构和技术。
6．安全性
安全性是城市轨道交通系统的基本要求。具体地讲就是在轨道交通系统的各个环节如通信信号、行车指挥、列车控制、牵引供电和车辆等领域采用故障-安全设计原则。故障-安全涉及硬件、软件和通信编码等方面。如何应用故障-安全的理论和方法是我们面临的问题。
7．可用性
对城市轨道交通系统而言，故障-安全是不够的。故障-安全从本质上讲是一种被动的技术措施。如何保证运输服务的连续稳定性，即可用性是我们的首要目标。做到100%的可用在技术上是可行的，但代价往往是高的。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是不可避免的，但不是无限期的。非正常情况下的快速恢复是一个关键。
在高密度运行区间，为防止列车故障或事故时引发混乱、尽量减小列车晚点，需要灵活快捷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于运行图；在非正常情况下，要实现列车群的协调，如安排列车的避让或折返、避免列车在站间停车等。传统的列车群控制大多依赖于调度员的指挥，难于实现快速的事故恢复。
为保证运输服务的可用性，快捷的列车群自动控制系统是必不可少的。从技术上讲，实现可用性也有两条技术路线：容错和防错。防错主要采用冗余技术，100%的备用，系统的成本太高。容错是真正容许模块的错误和故障的发生，采用模块级备用方式，实现低成本化。
综上所述，城市轨道交通系统的技术需求可以归纳为如下几个方面：
（1）系统的在线扩展性
（2）系统的在线维护和测试性
（3）系统的在线容错性
（4）信息集中、控制分散的技术路线
（5）调度中心-车站-现场作业人员协同的业务分担模式
二、城市轨道交通自动化系统的设计开发理念和方法
为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。提出如下观点和方法供参考。
1．信息集中、控制分散的技术路线
为实现城市轨道交通系统运输组织的多样化和高密度化，采用信息集中、控制分散的技术路线是一种理想选择。
2．调度中心-车站-现场作业人员协同的业务分担模式
这一模式对实现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体系结构
目前广泛采用的是集中式体系结构和客户/服务器体系结构。对于大规模城市轨道交通自动化系统而言，集中式的体系结构已不能满足系统动态变化和扩展的要求，而客户/服务器结构又存在着系统负荷过于集中在服务器方等问题。因此，研究适合于大规模城市轨道交通自动化系统体系结构，以满足系统动态扩展的要求是一项重大课题。
4．系统设计方法学
目前，系统设计大多采用自顶向下的方法，包括结构化设计和面向对象设计等方法。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、一次建成，需要分阶段地设计和建设实施。采用自底向上，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(可靠性)
目前的双机或多机冗余备用技术从根本上讲是一种防错技术，即防止错误的发生。在实际应用中，存在着成本高，防不胜防等问题。针对城市轨道交通自动化系统的特点，研究开发低成本的、实现真正意义上的容错技术是必要的。
6．故障-安全技术
对于轨道交通电气化自动化系统这类要求故障-安全特性的系统，需要从硬件、软件和通信等层面对故障-安全技术进行系统研究，并重点解决工程实用化问题。目前这一方面的研究相对薄弱。
三、城市轨道交通自动化系统的体系结构
1．体系结构对系统运用成败的影响
在讨论城市轨道交通自动化系统的体系结构之前，先以CTC系统为例，说明体系结构对系统运用成败的影响。
铁路行车调度指挥系统采用CTC已有漫长的历史。美国1927年开发了第一套CTC系统，以单线无人站为控制对象，以增加区间列车运行数为目标。实践证明，其投资效果是明显的，到1955年所有干线基本实现了CTC化。欧洲（1943）、日本（1954）开始采用CTC系统，其目标是实现车站的无人化和经营的效率化。
我国开展CTC的研究已有40余年的历史，广深、大秦、郑武等线装备了CTC系统而没有开通或使用。其主要问题是：调度集中模式下，行车和调车作业的矛盾没有解决。
基于CTC的运输管理模式可以说是一种集中模式，一切均在调度人员管制下完成。但调度员的管制能力又是有限的。
从技术上讲，CTC采用的是典型的集中式体系结构，对于大规模城市轨道交通自动化系统而言，集中式的体系结构已不能满足系统动态变化和扩展的要求，而客户/服务器结构又存在着系统负荷过于集中在服务器方等问题。
在高密度区间、客货混跑条件下，传统的CTC系统面临如下问题：（1）大规模枢纽站仍然由人控制，不能实现自动化；（2）发生故障恢复运行时相当费时；（3）维护作业依赖于人，存在安全隐患。
在城市轨道交通系统中，仍然存在上述（2）（3）之问题。
在第一部分已经提到，调度中心-车站-现场作业人员协同的业务分担模式。在这种模式下，调度中心负责信息集中，车站负责进路控制，现场作业人员负责维护作业时的进路申请和作业实施。可以说，将过去调度中心的相当权限下放给了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。这一业务模式可称为自律分布模式。
以“信息集中、控制分散”为基本理念的自律分布铁路调度指挥模式是解决我国CTC系统主要问题的一种理想选择。支持自律分布模式的体系结构是一种对等式体系结构，又称为自律分布体系结构。
2．集中式体系结构
在自动化系统中，广泛采用的是集中式结构。对于城市轨道交通自动化系统而言，集中式的体系结构已不能满足系统动态变化和扩展的要求。在运行过程中，其缺点表现为：
图1 集中式体系结构
（1） 所有的现场设备信息必须汇总到通讯前置机后再由通讯前置机发送到控制中心。这增加了信息传输中间环节，并且随着现场设备的扩展，增加了通讯前置机的负担，通讯前置机是现场设备和控制中心交互的咽喉，如果它出现故障，则整个监控系统处于瘫痪状态。
（2）现场的所有信息都是最终汇总到控制中心，控制中心的计算机进行各种数据处理，最后由操作员工作站的屏幕上显示出来。同时将各种控制信息发送给现场设备，进行统一监督和控制。这种集中式的监控系统随着监控规模的不断扩大，必将大大加大控制中心的负担。
（3）若要对集中式结构的监控系统增加新的设备时，必须停止整个系统的运 行，并且还必须将控制中心的软件进行修改，甚至重新编写软件，这也将大大影响 监控系统的运行，而且将消耗大量的人力物力。
3． 客户/服务器体系结构
客户/服务器结构虽然减少了中间环节，方便了动态扩充，却又存在着系统负荷过于集中在服务器的问题。
图2 客户/服务器式体系结构
（1）客户端每一次操作必须通过服务器统一处理。这样使信息交互中的大量负担集中到了服务器，客户端只执行一些简单任务。特别是在如今系统规模不断扩大的情况下，对服务容量要求必然会迅速增加，负荷进一步加重，严重情况下，很可能导致网络拥塞，服务器处于瘫痪状态。
（2）同时由于客户/服务器结构中服务器必须处理大量的信息，且客户端均由服务器连接，如若要加入新的客户端虽不影响其它客户端的运行性能，但必须对服务器进行调整修改，服务器软件也将被修改后才能使得整个系统运行正常，这时，修改服务器将导致服务器部分失效或全部停止运行。其它客户端无法交换信息进行连接，必然影响到整个监控系统的正常运行。
（3）传统的客户/服务器应用软件模式大都是基于“肥客户机”结构下的两层结构。它面临的一个主要的问题是系统的扩展及安装维护困难。开发人员写出的程序在客户端运行，占用了大量的系统资源和网络资源。而在分布式实时控制系统中，C/S结构更显出他的不足：
Client与Server直接连接，没有中间结构来处理请求，Server定位通常需要网络细节，Server必须是活动的（Active），客户端的应用程序严格依赖于服务器端数据存储和组织方式。应用接口的异构性严重影响系统间的互操作。许多相同的功能模块被多次重复开发，代码的重用很困难。无法保证数据的实时性，系统可扩展性差（无法实现在线维护和在线扩展），容错性差，对多数据类型的应用支持较差。
由一个中心服务器处理所有数据，所有的数据都必须通过服务器的中转，而不是直接的点对点的方式，从而增加了不必要的延时。这种模式在服务器具备所有需要的信息的时候可以正常工作，而当数据来源于多个节点且同时又被多个节点使用的时候就显得力不从心了。而且服务器还是整个系统的性能瓶颈，若服务器由于某种原因出现故障，则整个系统的通信都将陷入瘫痪。
所以，客户/服务器结构无法满足分布式实时应用系统的需求。
4. 系统的通信模型
传统的通信模型对应于其传统的体系结构，同样具有一些技术上的问题需要解决。传统的通信分为polling型和请求/应答型（request/reply）。
（1）Polling通信模型
其主要问题在于控制中心的服务器采用定时轮询技术，控制中心发出信息后，各个客户端是按照与控制中心联接的顺序来接收信息并对控制中心的信息做出反应，例如在Master对Slave1发出信息后，Slave1接收信息并做出反应后将发出回馈信息到Master, Master在接收到Slave1的信息后再向Slave2发送信息，以此类推，在最末端的Slave i将在最后接收到Master发出的信息，在这个过程中如若其中某一个Slave出现问题或联接中断，则该Slave后的其他客户端将接收不到信息，无法做出反应。并且这种通信方式将花费大量的时间，对于监控系统的可靠性和实时性造成很大的障碍。
（2） 请求/应答通信模型（Request/Reply）则对应于客户/服务器体系结构。
请求/应答通信模型是基于TCP/IP协议的一种网络化通信模型。它是一种客户端向服务器发出发送信息的请求后，在得到服务器应答后才能发送信息的通信模式。与polling通信模型相比较而言，其优点在于无需各客户端按照顺序来进行应答，从而节省了大量的时间，但是如若一旦服务器发生故障，则通信就无法进行，也将影响到监控系统的正常运行。
从上述两种通信模型来看，两者都有一些技术上的问题有待解决，而影响了监控系统的动态扩展及可靠性，需要有新的通信模型来加以改进。
5. 自律分布系统结构
自律分布系统(Autonomous -Decentralized System---ADS)，在降低系统复杂程度、实现系统的扩展方面是一个很大的进步。自律分布的思想是向生物学习而提出来的。在生物体中，每个细胞具有相同的遗传信息。据此，自律分布系统认为构成系统的各个节点具有相同的潜在能力，任何一个节点可以从其他节点接收信息，然后选择必要的信息加以自律地处理。在自律分布系统中，任何程序只与数据域(池)发生联系，从而避免了程序之间的直接连接，有效地降低了系统的整体复杂性。在自律分布系统中，采用功能码通信方式。发送数据的节点将数据与表示其内容的功能码组成一对，向数据域（池）发送。接收数据的节点从数据域中读取数据。当一个程序所需的数据到达数据域时，由系统自动启动该程序。这种方式称为数据驱动方式。数据域、功能码通信、数据驱动是自律分布系统的三大特征。自律分布系统已从专用控制网络扩展到通用网络如以太网。自律分布系统在降低系统复杂性和实现系统在线扩展、在线维护和在线容错方面是有效的。
四、解决方案---自律分布系统（ADS）技术
1．ADS技术综述
系统规模不断扩大的趋势表明，在设计自动化系统时，不可能一次性将各个部分、各个环节都考虑完整周全，而必须随着系统的分阶段建设不断扩充规模、不断完善功能。现有的自动化系统都是一次性建设完毕，如要进行扩充和维护，只能终止整个系统的运行，这必然会给运输造成极大的经济损失。自律分布系统，即ADS（Autonomous Decentralized System）。构成自律分布系统的首要条件是子系统的存在性。整个ADS 系统是不能事先定义的，只能笼统地定义为若干子系统的集成。ADS 系统最关键的特点就是子系统的自我控制和自我协调的能力。
(1)自我控制表现在一旦某个子系统出现故障、进行维修或刚刚加入，其它子系统可以不受干扰地管理和运行自己的功能。
(2)自我协调是指一旦某个子系统出现故障、进行维修或刚刚加入，其它子系统能够在在它们内部协调处理完成各自的任务。
正是子系统的这两个特点保证了整个系统的在线扩展、在线维护和容错。因此根据ADS 思路设计的自动化系统体现了以下优点：
首先，它不再基于传统的C/S 模型，而是由若干子系统构成。各个子系统之间是相互平等的，不存在依附关系，可以自主运作，但这并不表明它们不与外界交换信息。实际上，各个子系统不断向外界以广播方式发送信息，同时又根据各自需求接收来自外界的信息以为自己服务。这样一来，C/S 模式中服务器大量的负担被有限地分散了，而且加快了子系统间信息的交换速度。
ADS的核心协议ADP是建立在TCP/IP的UDP协议之上的一个应用层协议。因此，只要支持TCP/IP协议的环境都可以支持ADS技术。目前，ADS标准草案（ISO/TC184/SC5/SG5）已提交给国际标准化组织，即将被采纳为国际标准。另外，ADS 与OPC（OLE for Process Control）和CORBA的融合及其标准化工作正在进行之中。
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，它管理着东京地区的200多个车站和2000多公里线路。实现了行车指挥、设备监控和旅客信息服务综合自动化，实现了列车的高密度运行（120秒），实现了系统的分阶段的建设。具有典型性和代表性。如下图所示。
2. ADS的技术成熟性
自律分布系统体系结构和相关技术是成熟的、可靠的，其理由如下：
（1）ADS是一种开放的技术
ADS的核心协议ADP是建立在TCP/IP的UDP协议之上的一个应用层协议。因此，只要支持TCP/IP协议的环境都可以支持ADS技术。
（2）ADS即将被采纳为ISO国际标准
目前，ADS标准草案（ISO/TC184/SC5/SG5）已提交给国际标准化组织，即将被采纳为国际标准。
另外，ADS 与OPC（OLE for Process Control）和CORBA的融合及其标准化工作正在进行之中。
（3）ADS有成功的应用实践
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，它管理着东京地区的200多个车站和2000多公里线路。实现了行车指挥、设备监控和旅客信息服务综合自动化。实现了列车的高密度运行（90秒），实现了系统的分阶段的建设。具有典型性和代表性。
（4）ADS有较成熟的开发平台和工具
目前，自律分布系统的主要开发工具有：NXDlink, NXDFS, NXConstructor32, NXMaRT-View, NXMaRT-Watch等。均支持目前主流的操作系统平台如UNIX, Windows NT, 还支持PLC和设备网（DeviceNet）。
因此，采用自律分布系统在技术上是完全可行的，其产品是可靠的。
3．采用ADS技术的城市轨道交通自动化系统主要特点
3．1 在线可扩展性
（1）在系统中假如有新节点（车站）加入，在数据域中的所有节点都将接收这一信息，同时可在控制中心看见这个新站加入系统中。
（2）假如在线的车站突然因为网络故障退出了网络系统，其他所有节点都会知道这一状况，当网络故障被排除以后，节点重新加入系统，并且自动向控制中心发送自己最新的信息。并且尽力来恢复故障前的状态，可见系统有很好的伸缩性。
3．2 在线可维护性
运行图文件可以在控制中心在线修改，修改后可以下传到各个车站控制子系统。在节点在线的情况下可以自由地对软件系统内容进行修改和维护。
3．3 在线容错性
（1）假如控制中心主机发生了故障，在控制中心的其它备用主机就会自动取得控制中心的控制权，同时系统中的其它节点也会重新确认新的控制中心节点，向它传输最新的信息。当发生故障的原控制中心主机重新加入系统以后，系统会自动的接纳它，同时它也会确认为新的控制中心。
（2）处于远程控制模式下的车站节点，在发生本地网络故障时，该节点会将自己升级为控制中心并且由远程控制模式切换为本地控制模式。
（3）在发生灾害时普通节点可以通过请求应答的方式来向控制中心请求成为控制中心，这样控制中心就可以自由的漂移。可见系统有较为理想的在线容错性。
3．4 能较好地贯彻信息集中控制分散的技术路线
信息集中要保证信息的实时性。这里有二层含义：调度中心实时地得到列车在线信息；各个车站平等地得 到调度中心发布的运行图信息。ADS系统采用的发布/定购通信模型能很好地保证信息的实时性。控制命令在网络上传输的话，通信线路故障或主机故障将导致系统失效。采用ADS技术实现控制分散可有效避免系统失效的风险。
在ADS体系中，由于各个系统节点是对等的，任何一个节点都具有潜在的相同的能力，区别只是应用层的功能不同而已，而且这种区别是由管理者的方便造成的，而不是设计阶段决定的。这意味着系统中的任何一个节点随时可以成为控制中心。这种灵活性对保证系统的可用性是非常有效的，特别是在灾害发生时。此外，车站节点的本地/远程运行模式能方便地实现调度中心临时管制。
五、结论
本文从七个方面对城市轨道交通系统的特点进行了分析，进而提出了轨道交通系统的五大技术需求，分别是1）系统的在线扩展性；2）系统的在线维护和测试性；3）系统的在线容错性；4）信息集中、控制分散的技术路线；5）调度中心-车站-现场作业人员协同的业务分担模式。
在此基础上，提出了城市轨道交通自动化系统新的设计开发理念和方法。为满足城市轨道交通系统的技术需求，需要建立设计开发理念和方法。为实现城市轨道交通系统运输组织的多样化和高密度化，采用信息集中、控制分散的技术路线是一种理想选择；调度中心-车站-现场作业人员协同的业务分担模式对实现城市轨道交通系统的高效协同运行有重要意义；自律分布体系结构是适合于大规模城市轨道交通自动化系统的理想选择；采用自底向上，由子系统逐步构成整个系统的系统设计方法学可以支持城市轨道交通自动化系统分阶段建设实施。
最后对自律分布系统技术进行了综述，并从技术成熟性和技术特点的角度对其进行了分析和讨论。采用自律分布系统技术在技术上完全可行的，同时自律分布系统能很好地满足城市轨道交通自动化系统的技术需求并支持本文提出的设计开发理念和方法。
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作者简介
谭永东，男，1963年7月生。西南交通大学副教授。主要研究领域：自律分布系统技术及其在交通系统中的应用。E-mail: ydtan@home.swjtu.edu.cn
钱清泉，男，1936年5月生。中国工程院院士，西南交通大学教授。主要研究领域：铁道电气化与自动化。E-mail: qqq@home.swjtu.edu.cn
