列车控制策略（精选九篇）
列车控制策略 篇1
随着列车运行控制技术的提高,列车运行速度不断加快,运营间隔不断缩短,造成列车站间运行控制越来越复杂。为提高列车运行的安全性、可靠性,提高列车安全运行的工作效率,必须对列车运行控制系统进行安全保障控制,使系统在出现特定故障时仍能安全运行,减少列车运行受非安全因素的影响,满足系统安全的功能需求[1]。
本文根据列车自动运行控制系统功能需求,利用故障-安全控制理论,分析了列车站间运行过程中的协同控制策略、交互控制模型、通信控制策略和安全控制机制,提出了一种基于安全控制机制的列车运行控制策略,建立了基于双模-冗余热备模式的系统工作模型,分析了列车站间运行过程中的状态控制策略,并进行了系统仿真分析。
1 系统通信模型
列车站间运行控制和安全防护过程中,控制系统需要由多个相互关联的子系统共同协作实现。这些子系统根据各自的任务不同,主要分布于中央控制系统、分区控制系统和车载运行控制系统中[2]。为安全、可靠地实现列车运行控制系统,需要一个可靠的通信系统在各子系统之间建立连接,实现安全可靠的数据通信功能。
轨道列车运行控制通信系统主要涉及以下3个具有冗余特性的通信网络子系统:
(1)运行控制核心网络。主要实现中央控制计算机系统与分区控制计算机系统之间的数据通信功能,通过建立网络通信连接,实现中央无线电控制系统和分区无线电控制系统连接,通常采用广域以太网实现通信[3,4]。
(2)分区防护通信网络。将位于分区控制系统中所有安全计算机建立通信连接,主要采用专用的联锁控制总线技术,在分区防护的各安全计算机之间实现数据通信。
(3)车地无线电通信网络。主要采用38GHz无线电通信系统,实现列车和轨旁地面子系统之间的数据通信,传输所有列车站间运行过程中的数据、运行控制命令、语音信息等功能。
列车运行控制通信系统主要采用TCP/IP协议以太网传输介质和附加的数据安全传输通信协议,通过多级路由与交换机物理划分子网域,实现数据的分发和交换[5]。
分区防护通信网是安全通信网络,无需采取额外措施即可实现数据的安全传输。运行控制核心网络和车地无线通信网络是通用、非安全的通信网络,需要采用冗余的通信信道和附加的数据安全传输通信协议,实现列车运行控制系统的安全通信需求。
2 系统运行控制策略
2.1 协同运行控制模型
实现各系统间的协同控制,实时监控各控制系统的运行状态,接收来自列车自动驾驶系统ATO、列车自动防护系统ATP、列车自动监控系统ATS等外部系统的通信报文,用TCP/IP套接字,通过列车数据通信子系统DCS发送到接收此报文的通信接口,实现系统间协同操作。
控制策略工作流程如下:(1)装载列车自动驾驶系统ATO状态信息:系统启动初始化过程中,主动请求装载ATO的当前状态信息,或者ATO重启过程中主动发送ATO初始状态信息;(2)打开/关闭ATO状态信息:系统发送控制命令,设置ATO工作状态信息处于打开或关闭状态。若ATO处于关闭状态,则ATO系统不工作;(3)被动装载DCS状态信息:在DCS系统重启之后,ATO可以接收到DCS发送的运行状态信息;(4)主动装载DCS:ATO系统启动后,通过发送控制命令,主动加载DCS系统当前的运行状态信息;(5)数据/命令信息CR校验:ATO将收到的数据和命令信息进行CR校验,并将校验结果反馈给ATO,从而验证数据或命令信息的正确性,保障系统运行的可靠性与安全性。
2.2 系统交互模型
在构建列车运行控制系统模型过程中,为实现系统运行的优化控制,对系统架构进行了改进,采用交互式控制模型[6],建立三层系统体系结构,如图1所示。
系统表示层实现实时监控系统运行状态和数据信息,接收操作员终端用户输入的各种操作控制命令,业务层处理和实现各种业务逻辑,表示层和业务层之间存在密切的交互关系。
在启动过程中,为了提高系统的复用性,通过表示层管理模块,实现列车运行控制的业务交互处理功能,将接收到的操作员控制命令进行处理,并将控制命令发送到业务层进行操作处理,控制命令处理结果通过用户界面显示,实现对列车运行状态的监控。
2.3 系统通信模型
为提高系统通信效率,采用消息队列实现进程间通信,利用TCP/IP网络协议,实现列车运行控制过程中的状态、数据和控制命令的通信。为了提高状态数据和控制命令通信的可靠性,设计了一种可行的通信控制策略。
(1)报文通信控制策略。系统为每个与其通信的子系统设计并维护一个可识别并且唯一的报文序列号,可分为发送报文序列号和接收报文序列号。发送报文序列号是发送给外部系统的报文序列号,每次完成通信之后,发送报文序列号自动加1;接收报文序列号是从外部系统发送来的报文中所包含的报文序列号,实现对通信报文的解析和识别,建立系统交互过程中各系统通信的对应关系。
若从外部系统接收到的报文序列号与预计序列号不符,系统会触发报文重发机制,要求对方系统重新发送当前通信报文,以提高系统数据通信的可靠性。
(2)报文校正控制策略。采用循环冗余校验码CRC设计思想,系统通信报文中都设计一个32位的CRC校验码,实现对报文数据通信过程中信息正确性的校验。
利用TCP/IP网络通信协议,在系统接收报文过程中,系统自动计算报文数据的CRC校验码,并与接收到报文中所包含的CRC校验码比较。若校验结果匹配,则表示接收到的报文信息正确;若校验结果不匹配,则重新加载报文信息,以提高系统数据通信的可靠性与安全性。
(3)系统心跳控制策略。心跳报文是系统在正常运行过程中按照设定的周期,稳定、连续发送一个特殊类型的空报文,通过报文识别号来识别报文类型,实现监控系统运行状态。
系统数据交互依赖于心跳报文通信,通过定时接收系统的心跳报文,实时监控系统的运行状态。若设定时间内没有收到系统的心跳报文,则表示系统工作异常。将系统运行状态及时显示在监控界面,以便于及时干预,从而有效避免灾难性事件发生。
系统每次装载后,心跳报文序列号会从1重新开始计数,并且能够检查出系统的过期报文并加以丢弃,以提高系统运行的可靠性与安全性。
2.4 安全控制机制
为了实现系统的安全控制,提出了一种可行的安全控制机制来降低系统运行风险。根据接收到命令报文的识别号,若系统运行控制子系统检测到正在执行涉及安全控制操作时,不会立即的执行相关的运行控制命令,并将冗余的运行控制系统进行工作同步,将冗余系统的工作内存数据进行校验和比较。若校验成功,则执行安全控制命令,从而提高系统运行控制的安全性。
系统与冗余的运行控制系统必须保持同步,读取系统内存区中的控制命令与数据信息,利用CRC校验对内存区进行数据合法性校验,通过比较一致性来实现安全控制命令的正确执行。
3 系统双模-冗余热备控制模式
根据列车运行控制系统架构,为了使用马尔柯夫过程研究系统的可靠性与安全性,作以下假设:(1)系统双模-冗余热备工作模块完全相同,且连续工作时间和故障修复时间服从负指数分布;(2)任何时刻,不会有两个或两个以上的功能模块同时出现运行故障;(3)初始情况下,系统各功能模块工作状态均为正常。
列车运行控制系统双模-冗余热备架构,当接收到子系统故障控制信号时,将剩余子系统的输出发送给其它被控对象。当该子系统输出无效时,将会向被控对象发送“故障———安全”控制信号[7]。当某个子系统出现可测故障时,剩余子系统仍将继续工作。设定系统运行状态含义如下:
状态0:系统4个模块均处于正常工作状态;
状态1:只有一个模块出现可测故障;
状态2:一个子系统的备机出现不可测故障;
状态3:一个子系统的两个模块都出现可测故障,系统停止工作;
状态4:子系统各有一个模块出现可测故障;
状态5:子系统备机都出现不可测故障,两个主机正常;
状态6:一个子系统的备机出现不可测故障,主机正常,另一个子系统有一个模块出现可测故障;
状态7:系统处于单模块工作方式;
状态8:一个子系统两个模块出现可测故障,另一个子系统主机正常,备机为不可测故障;
状态9:系统所有模块均出现可测故障;
状态10:单子系统工作模式下,工作模块出现不可测故障,系统处于危险状态;
状态11:一个子系统的主机正常,另一个子系统主机出现不可测故障,两个子系统输出不同,经比较后系统停止工作。
经过推导可知,系统运行状态0、1、2、3、4、5、6、7和8均为系统的可靠工作状态,而系统运行状态9和11为故障安全状态,状态10为危险状态。在系统双机———冗余热备的运行模式下,列车运行控制系统状态转换如图2所示。
设定参数r为系统可靠性,表示在规定条件下运行一段时间t之后,仍然能够完成设定功能的概率。λ为系统失效率,表示系统在t时刻可靠在t+Δt时刻失效的概率。参数c为系统可测失效率,经过推导得到系统在t时刻的状态转移概率表,如表1所示。
如果用Xn(t)表示系统在时刻t处于状态n的概率,Xn(t+Δt)表示系统在t+Δt时刻处于状态n的概率,其中n的取值范围为{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11},根据状态转换概率表可得到如下方程组:
在系统双模———冗余热备模式下,系统的可靠度和安全度可以表示如下:
可靠度:
安全度:
不安全度:
通过上述公式,假设λ=0.0015,在设定系统可测失效率c的情况下,利用MATLAB分析影响系统性能的可靠度和安全度指标,如表2所示。
根据设定参数,对系统运行的可靠性和安全性进行分析。由分析结果可知,采用的双模———冗余热备的系统架构可靠性要高于单机系统的可靠性,系统的不安全度低于单机系统,具有较好的可靠性和安全性。
4 结语
本文根据列车运行控制系统的功能需求,研究了系统的协同运行控制模型、交互模型、系统通信控制策略和运行安全控制机制,提出了保障列车安全运行的通信控制策略。在保障安全性的基础上,利用马尔柯夫模型分析了在双模———冗余热备模式下系统的可靠性与安全性。
仿真结果表明系统具有良好的可靠性和安全性,为后期的开发提供了依据。本系统已应用于某轨道交通自动运行控制系统国产化项目的一部分。系统仿真尚有不足之处,下一步工作是针对实际系统进行数据分析和运行测试,以保障系统的安全运营。
参考文献
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地铁列车总线通信控制网络探讨 篇2
【关键词】列车总线通信控制網络；WTB/MVB；LonWorks；ARCNET
前 言
20世纪70年代末80年代初，以单片机为代表的计算机开始应用到列车控制及故障诊断、显示系统。工业控制总线技术和控制方式的不断进步，并在列车中得到推广应用，使得许多原来用硬连接线不易实现或不可能实现的功能成为可能。而随着地铁运输要求的提高以及计算机网络技术的不断发展，在地铁领域逐步形成了所谓的列车通信控制网络。早期的列车微机控制系统仅用于传动装置的控制，随着计算机技术的发展以及控制、服务对象的增多，计算机在地铁列车上的应用依次划分为：列车控制、车辆控制、传动控制和过程驱动。目前，在国际上运用比较广泛的列车总线通信控制网络有：TCN（Train Communication Net-work），LonWorks（Local Operating Networks），ARCNET（Auxiliary Resource Computer Network）等。
1、三种列车总线通信控制系统
1.1TCN列车总线通信控制网络
这里用Adtranz公司以TCN为标准开发的MITRAC系统，来介绍TCN列车总线控制网络。
早期Adtranz的MICAS-S2系统将列车通信网络分成列车总线和车辆总线，列车总线采用FSK（频移键控），通信波特率为19.2kb/s,车辆总线采用RS-485串行通信标准；局部总线采用双绞线，远程总线采用光缆，通信波特率为1.5Mb/s。MITRAC系统则是在MICAS-S2的基础上发展起来的分布式列车控制网络，其协议已完全符合TCN的标准。应用TCN标准的列车通信总线（WTB）能实现整列车之间的通信，应用多功能车辆总线（MVB）能实现固定车辆组之间及车辆内部的通信。
后由于Adtranz被Bombardier收购,所以MITRAC现在被叫做：庞巴迪轨道车辆牵引控制的电子系统。基于MITRAC系统组成的车辆控制和通信系统叫TCC（即固定单元组的MVB）。有协调所有总线之间的通信和控制列车的功能。其系统的核心是列车控制单元VTCU，它是一个总线管理器，连接MVB和WTB，管理列车控制和网关通信。每个三车单元都有相同结构的TCC和硬件结构。总线管理器控制总线成员之间的通信，它管理所有的总线成员。
1.2LonWorks列车总线通信控制网络
LonWorks是用于开发监控网络系统的一个完整的技术平台，并具有现场总线技术的一切特点。其通信协议LonTalk支持OSI全部的七层模型，这是LonWorks总线最突出的特点。
我国已将LonWorks制定为列车通信网络标准的一部分。对LonWorks网络的规定：适用于连接一个基本运转单元（单个车辆或车辆的固定组合）或一组基本运转单元内的电子装置，传送时间不太紧迫、时间不要求确定的由事件驱动的消息数据的传送，主要应用于列车监控系统中。由于列车监控系统监控对象组成的相对固定和列车编组的特殊性，标准同时规定了最为常用的网络拓扑结构和网络中的总线关系。
1.3ARCNET列车控制网络系统
ARCNET是一个开放标准协议，1999年成为美国国家标准ANSI/ATA-878.1。它是一种基于令牌传递（Token Passing）协议的现场总线。从OSI参考模型来看，ARCNET位于ISO/OSI七层网络体系模型中的物理层和数据链路层。每个ARCNET物理节点包括一个数据链路层的通信控制器芯片和一个物理层的收发器芯片。在数据链路层，它采用令牌环机制，各节点通过传递令牌来协调网络使用权。节点使用唯一的MAC地址标识自己，单个ARCNET子网最多可有255个节点，ARCNET支持点对点的定向消息和单点对多点的广播消息。
ARCNET在列车上的应用以日本为主要代表。日立的ATI-C系统就是基于ARCNET总线技术设计的。以三动三拖的地铁列车为例，ATI系统列车总线采用ARCNET总线，车辆总线采用RS-485通讯总线。
2、三种列车总线通信控制网络比较
三种列车总线通信控制网络分别在不同的三个地区得到不断发展，欧洲TCN，美国LonWorks，日本ARCNET。现阶段三种列车总线控制技术都较为成熟，但三者间存在着较大差异。TCN网络是专门为列车设计的，而LonWorks和ARCNET是为办公自动化而设计的网络，由于其优越的过程处理能力而被移植到列车控制网络当中。TCN只能组成总线型网络，LonWorks能组成任何形式的网络，ARCNET可以组成总线型或环型网络，但在列车控制网络中一般都采用总线型网络。TCN网络中，WTB总线只能作为列车级总线，MVB总线作为车辆级总线（可承担部分列车级总线功能）。LonWorks网络中，定义列车级与车辆级为不同的域(DOMAIN)。跨越两个域的节点可作为路由器(ROUTER)、代理节点(PROXY)或网关(GATEWAY)。在同一域可以点对点、点对多点通信，可以按子网(SUBNET)或组(GROUP)组网，即在同一条物理介质上实现多个网络的组网。ARCNET网络中，ARCNET作为列车级总线，其车辆总线由RS-485总线或其它总线组网。目前，几种网络之间存在着不同的组网方式，如：TCN与LonWorks混合组网，其形式为：以WTB总线为列车级总线，LonWorks为车辆级总线。例如：新泽西的“慧星”号列车由采用TCN的ADtranz机车和采用LonWorks的ALSTOM客车组成。在列车级网络中，WTB总线通信不经过中间车辆路由传递，而是由总线直接连接，LonWorks和ARCNET总线中列车级总线通信是通过中间车辆的路由传递来完成的。在数据通信差错控制方面，三者一般均采用循环冗余校验码（CRC）。在介质访问控制方式方面，TCN网络采用载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）。LonWorks网络采用P-CSMA。而ARCNET采用令牌传递总线（Token-Passing Bus）方式。这三种介质访问控制方式中ARCNET的令牌传递总线方式最为稳定，因为它采用的令牌方式是一种按照一定顺序的在各站点传递令牌的方法，谁得到令牌，谁才有发起通信的权利，从而避免几个结点同时发起通信而产生的冲突，特别适合在数据流量巨大的情况下应用。编码方式上，TCN和LonWorks一般采用Manchester编码（曼彻斯特编码）、而ARCNET一般采用NRZI编码（非归零反相编码）。
3、结束语
国外的列车总线通信控制技术发展都相当的快速，而且也很成熟。出现多种不同的控制方式主要是由于各大公司之间的利益与竞争导致的结果。而列车总线通信控制技术是我们国家地铁列车的薄弱环节，所以今后我们应该加快对国外先进技术的学习消化吸收，提高国产化率，这对我们国家降低制造列车成本有着重要的意义。
参考文献
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[4]李勇.基于LonWorks的列车通信网络及智能单元的研究.北京交通大学. 硕士学位论文.2007
列车控制策略 篇3
为了节省列车车身空间,降低成本,高速铁路牵引传动系统广泛采用车控方式,即由1套电压型变流器来驱动多台并联的异步电机[1,2],这种方式减少了功率器件的使用、简化了控制结构,但同时也带来了一系列难题。例如,在实际系统中列车轮对轮径差异以及牵引电机参数偏差等原因,不可避免地会造成并联运行的牵引电机间负荷分配不平衡的现象,轮径或电机特性差异越大,功率不均衡度越严重,容易引起个别电机过载,从而温升过高,严重时甚至超过轮轨的黏着极限,导致空转、打滑事故,这些都将显著减小牵引电机输出力矩。
本文具体分析了轮径差异和电机参数差异对并联运行的电机负荷分配影响,在此基础上建立了CRH2型车的牵引传动系统模型,提出了一种基于加权法的控制策略,与传统的主从控制比较,该方法对采集的多台并联运行电机的物理量进行线性拟合,有效地均衡了牵引电机的出力。
2 牵引电机负荷分配分析
高速铁路电力牵引传动系统采用单相工频交流电制式的交-直-交传动结构[3,4],图1显示了CRH2型车1节动车牵引传动模型框图。牵引变压器将受电弓的受电25kV变换成1 500V/50Hz电压,由4象限的脉冲整流器、牵引逆变器组成的牵引变流器输出电压、频率可控的三相交流电,驱动4台并联的三相4极异步电机,从而使列车按要求运行。
对于该类由一台变流器供电的车控多台牵引电机系统,理想情况下并联运行的各个电机特性完全一致,车轴轮对的轮径大小也完全相同,这样动车的出力达到最大,系统运行稳定。但是牵引电机负荷分配的不平衡出现较大偏差的现象经常发生,主要原因有两方面:一是列车轮对的轮径差异;二是电机参数尤其是转子电阻的偏差。
2.1 轮径差异对功率分配影响
列车轮对轮径因制作工艺、运行中不同程度磨损等原因不可避免存在差异,由于异步牵引电机力矩的硬特性,轮径的细小差别对于由同1台逆变器供电的并联电机负荷分配影响极大。以同一转向架上的2台电机为例,假设电机1、电机2所驱动轮的轮径分别为D1,D2,且D1<D2,电机转速分别为n1,n2。因电机处于黏着状态的束缚,列车轮缘的线速度相同,故
则电机转速
因异步电机转差率
式中:nN为同步转速,nN=60f/p,p为电机极对数。
电机转速的差异反映在如图2所示的T-s曲线上,则在牵引工况时电机转差率s1<s2,电机1电磁转矩较小;反之,制动工况时电机2的负向转差率较电机1小,相应电磁转矩也小。由于两电机是同一变流器供电,电机的同步角速度相同,电机转矩的不一致则体现为载荷分配的不均衡。
当牵引电机负载较轻时,电机转速接近同步速,电机工作点处在电机不同工况临界点附近,因轮径差造成的转速不同甚至会引起两电机中高转速电机进入制动工况,而另一台低转速电机仍处在牵引工况的恶劣情形,严重影响列车的牵引制动性能。
在交流牵引传动系统中,牵引电机转差率s很小,作合理近似可认为电机转矩为
式中:K为与电机相关的常数;U1为电机定子端电压;f为定子频率。
定义平均转矩偏差[5]
将式(4)代入得
假设同一转向架上两电机特性完全一致,仅考虑轮径差异,由式(1)、式(3)得
代入式(6)
式中:ΔD为轮径偏差,ΔD=D2-D1。
由上式可以定量分析电机额定转差率和轮对轮径差异对并联电机转矩不平衡的影响。选择转差率较大的牵引电机,可以减小轮径偏差引起的电机转矩不平衡度,但是转差率太大会使得转子铜耗增大,降低电机效率,因此在装配牵引电机选型时应充分考虑轮径偏差引起的电机载荷不平衡问题、电机温升以及效率变化等因素,选择合适的电机额定转差。
2.2 电机参数对功率分配影响
由于制造工艺与材质,特别是转子材质的影响,加之在列车运行过程中电机转子温升造成的转子电阻差异,并联运行的牵引电机参数不可能完全一致,从而导致电机间电流存在偏差,电机负载不均衡。在此讨论电机参数差异的时候只针对电机转子电阻。三相异步电机稳态等效电路如图3所示。
图3中转子侧物理量都折算到定子侧:R1,R2分别为定、转子每相电阻;X1σ,X2σ分别为定、转子每相漏感;Rm,Xm分别为励磁电阻、电感;s为转差率。
根据三相异步电机稳态等效电路,因Xm》X1σ,忽略铁损和励磁电流,忽略磁饱和,转子电流折算值
于是得电磁转矩
由式(8)可知,转子电阻对电机机械特性影响很大[6],不同转子电阻时对应的电机人为转矩特性s>0情形如图4所示。
对于1台给定电机,由式(8)知,当外界条件已知时,电磁转矩Te是转差率s的二次函数,Te在某一转差率sm下取得其最大值。将式(8)对s求一阶导,并令dTe/ds=0,可得最大转矩及对应的转差率
因此,转子电阻差异不会影响电机最大电磁转矩,但会影响产生该电磁转矩时的转差率,见图4。牵引电机并联运行时,假设轮径无差异但存在转子电阻差异,即转差相同,则电机的转矩会有不同,转子电阻小的电机将产生更大的电磁转矩,功率分配重于另一台。
3 基于加权法的并联电机控制
对牵引电机的控制主要体现在对变流器的控制策略上,4象限脉冲整流器普遍采用瞬态电流控制的策略,利用电压电流双闭环控制,配合交流侧电压和电流的反馈调节调制波的幅值和频率,通过三电平的脉宽调制能使直流侧电压的稳态和动态响应达到良好的性能。
逆变器电机侧的控制相对复杂,采用基于转子磁场定向的间接矢量控制。根据列车牵引/制动曲线得到转子磁链Ψr*和转矩指令Te*,采用矢量变换把电机定子电流分解为相当于转矩部分的q轴电流iq和相当于转子磁通部分的d轴电流id,实现两者的解耦控制[4]。控制框图如图5所示。
以2台电机并联运行为例[7,8],基于加权法的并联牵引电机控制策略基本控制原理如图6所示,该种控制方式很容易扩展到多台电机情形。
间接矢量控制不用直接检测或者计算转子磁通的位置,而是通过计算转差频率来间接得到转子磁通的位置角,首先是电机转速的选取[9],由第2节的分析可知,在牵引工况下轮径大的电机转速低、转差率大、稳态时输出转矩大,在列车运行过程中易发生空转;而在制动工况下轮径小的电机转速高、负向转差大,稳态输出转矩大,易发生打滑。因此,牵引电机转速选取应按照以下方法:牵引工况ωr=min(ωr1,ωr2);制动工况ωr=max(ωr1,ωr2)。
如图6所示,经速度选择器选取参考转速后,结合电机驱动的轮径大小,根据牵引/制动曲线得到转矩和磁链给定,然后分别由采样的各个电机定子电流,通过矢量控制运算和电压前馈解耦得到dq坐标系下电压给定量Ud*,Uq*,U*′d,U*′q。最后经过加权计算[10],利用加权项kw和辅助加权项1-kw均衡dq轴电压给定
式中:kw为加权系数(0≤kw≤1)。
同样,力矩分量给定iq*,i*′q和转子磁通给定Ψr*经过转差频率计算得到转差频率,再加上采样的转子频率ωr,ω′r后积分得到转子磁链的位置角θ,θ′,经过加权计算得到反旋转变换的变换角再经过变换得到αβ坐标系下的电压给定Uα*,Uβ*,并将其输入到SVPWM单元,进行三电平脉宽调制[11]。
4 仿真结果及分析
基于CRH2型动车组牵引传动系统结构和参数,采用Simulink模型库中的模块,搭建了单台变流器和2台牵引电机并联运行模型。仿真主要参数如下:弓网电压有效值U=25kV,牵引变压器变比为25 000∶1 500;整流器:变压器二次侧电压Un=1 500V,载波频率fc=1 250Hz;直流环节:直流电压Udc=2 600V(牵引)/3000 V(逆变);逆变器:SVPWM调制频率为10kHz;牵引电机:额定功率Pn=300kW,额定线电压Un=2 000V,额定频率fn=140Hz;极对数p=2;列车轴重408.5t;传动比a=3.306。
4.1 轮径差异对电机负荷分配影响
2台电机参数完全相同的电机并联运行,转子电阻值为R2=0.146Ω,各自驱动的轮径分别为D1=2r1=0.820m,D2=0.823m,轮径差异ΔD=D2-D1=3mm;列车由静止经0.5s直流环节充电后开始启动,加速至200km/h,稳定运行后在t=4s时施加减速指令减至50km/h,列车速度曲线见图7。
电机转矩曲线如图8a所示,2台电机平均输出转矩能够很好地跟踪转矩给定值,轮径大的电机输出转矩较给定值稍大,轮径小的电机转矩较给定值小,经过加权计算后利用加权项和辅助加权项均衡了电机的转矩输出,平均转矩较大;对比采用主从控制,即以一台电机的物理量为参照进行控制,另一台电机作为从动电机被动接受控制信号运行,以驱动小轮径的电机作主电机为例,可以看出存在轮径差异时候,从动电机的输出转矩偏差给定值较大,在牵引工况下电机很容易过负荷,制动工况下2台电机平均输出跟随不到给定转矩水平(见图8b)。
4.2 转子电阻差异对电机负荷分配影响
2台电机驱动的轮径均为D1=D2=0.820m,转子电阻分别为R2=0.146Ω,R′2=0.126Ω,转子电阻偏差13.7%。列车运行工况同4.1节所描述,速度由0200km/h50km/h。电机转矩如图9所示,转子电阻小的电机其出力较大,两电机能够跟踪给定转矩曲线,保证了平均转矩输出大小;而采用主从控制的并联电机出现的转矩偏差给定值很大,在牵引加速和制动减速阶段都达不到转矩指令值,且由于电机转子时间常数的关系,系统的响应较加权控制慢。
4.3 轮径和转子电阻差异对电机负荷分配影响
在列车实际运行中,轮径差异造成牵引电机载荷不平衡,且电机温升程度也不相同,而电机参数特别是转子电阻值随温度升高增大,电机转矩特性相应也发生变化。考虑到这2个因素对电机并联运行的载荷都存在不同程度的影响,由上2节的分析知,大转子电阻与大轮径对电机负荷分配的影响可视为互为补偿的关系,假如通过适当的配型,转子电阻大的电机配合大的轮径,就能够在一定程度上抵消电机负荷不平衡的影响。图10体现这种选配方法的效果。加权控制方式的2台电机转矩差异显著减小,且能较好地跟踪转矩给定;而主从控制方式虽也减小了2台电机载荷差异,但偏离给定转矩较远,电机控制性能较差。
5 结论
文章探讨了列车存在轮径差和牵引电机转子电阻差异时电机负荷分配的问题,分别研究了轮径差、转子电阻差异对电机载荷的影响,建立了CRH2型动车牵引传动系统Matlab模型,仿真结果验证了理论分析的正确性。针对此还研究了不同控制策略下牵引电机的转矩偏差和平均出力情况,通过对比,基于加权算法的控制系统能够更好地跟踪转矩指令,得到更大的平均转矩出力,但同时也带来了控制的复杂性。
本文在评价轮径差和电机特性差异对牵引电机负荷分配的影响、确定在允许的负荷分配差异范围内所允许的最大轮径偏差和最大电机特性偏差,以及如何在列车检修时合理地协调配型等方面具有参考意义。
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高速列车安全控制技术ATP 篇4
（西南交通大学交通运输与物流学院，四川省成都市 610031）
摘要：在高速铁路列车自动控制系统(ATC)中，列车自动防护(ATP)系统担负着列车运行间隔控制、进路控制、超速防护的重要作用，是列车运行自动控制的基础。其中，ATP车载设备是ATP系统中保证行车安全的关键设备，它根据地面信息和机车信息生成列车速度控制曲线，并与列车实际速度进行比较，监督列车运行，实现超速防护、零速检测、无意识移动防护、制动确认和车门防护等功能。本文在详细阐述ATP设备功能及构成的基础上，阐述了高速铁路ATP设备的不足，为后续研究提供参考。
关键词：列车自动保护系统；高速铁路；安全；不足； 中图分类号：U238
文献标识码：A Introduction of Automatic Train Protection(ATP)System and the Current Research
QIU Qian-qian（School of transportation and logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031）
Abstract：Serving as the basis of Automatic Train Control(ATC)system of high-speed railway, Automatic Train Protection(ATP)system plays an important role in interval control, route control and over-speed protection.The onboard ATP, however, is the key component of ATP system to insure the train safety.It calculates the train speed-control curve based on the railway information stored in the host computer and the data received from wayside.It constantly compares the velocity calculated with the train actual velocity to supervise the train operation.It executes over-speed protection, zero-speed check, unexpected movement protection, brake confirmation and door protection.The paper introduces the function and the formation of ATP system and describes the shortage of ATP in details.The paper aimed to make a guidance for future research.Key words：Automatic Train Protection system;high-speed railway;safety;shortage;CLC number: U292.4
Document code: A
0 简介
高速铁路是解决交通拥挤的有效手段，它的最大特点是运营密度大、列车行车间隔时间短、安全、正点。因此，必须采用具有行车间隔控制、连续速度显示监督和防护的列车自动防护系统，以确保行车安全，提高行车效率。
ATP，全称是自动超速保护、列车自动保护系统（Automatic Train Protection，简称：ATP），亦称列车超速防护系统，是应用于轨道交通装备领域，包括高速机车、动车组和地铁车辆的安全保护记录装置，被称为铁路领域的“黑匣子”，承担着保护铁路装备安全的重任。其功能主要为列车超过规定速度时自动制动，当车载设备接收地面限速信息，经信息处理后与实际速度比较，当列车实际速度超过限速后，由制动装置控制列车制动系统制动。ATP系统自动检测列车实际运行位置，自动确定列车最大安全运行速度，连续不间断地实行速度监督，实现超速防护，自动监测列车运行间隔，以保证实现规定地行车间隔。列车自动防护(ATP)系统的功能
列车自动防护（ATP）子系统，即列车运行超速防护或列车运行速度监督，是保证行车安全、防止列车进入前方列车占用区段和防止超速运行的设备，实现列车运行安全间隔防护和超速防护。通过ATP子系统检测列车位置并向列车传送ATP信息（目标速度信息或目标距离信息），列车收到ATP信息，自动实现速度控制，确保列车在目标距离内不超过目标速度的前提下安全运行。
它的主要功能有：（1）列车定位
定位任务确定列车在路网中地理位置通常ATP系统都是利用查询应答器及测速电机和雷达完成列车定位安装在线路上某些位置应答器用于列车物理位置检测每个应答器发送包括识别编号（ID）应答器报文由列车接收在ATP车载计算机单元线路数据库里存有应答器位置列车就知道它在线路上确切位置由测速电机和雷达执行列车位移测量列车定位误差来自应答器检测精度、应答器安装精度和位移测量精度。
（2）速度和距离测量
列车实际运行速度是施行速度控制依据速度测量准确性直接影响到速度控制效果列车位置直接关系到列车运行安全通过确定列车实际位置才能保证列车
之间运行间隔以及能够在抵达障碍物或限制区之前停下或减速。
（3）ATP监督功能
ATP监督负责保证列车运行安全各监督功能管理列车安全并在它权限内产生紧急制动；所有监督功能在信号系统范围内提供了最大可能列车防护各种监督功能之间操作是独立且同时进行ATP监督包括速度监督、方向监督、车门监督、紧急制动监督、后退监督、报文监督、设备监督等。
（4）超速防护
高速铁路中速度限制分为两种：是固定速度限制如区间最大允许速度、列车最大允许速度；另是临时性速度限制例如线路在维修时临时设置速度限制固定限速是在设计阶段设置ATP车载设备中都储存着整条线路上固定限速区信息。
（5）停车点防护
停车点有时危险点危险点在任何情况下都是越过这会导致危险情况例如站内有车时车站起点即是必须停车点在停车点前方通常还设置一段防护段ATP系统通过计算得出紧急制动曲线即以该防护区段入口点为基础保证列车不超越入口点，有时也可在入口点处设置列车滑行速度值（如5km/h）一旦需要列车可在此基础上加速或者停在危险点前方。
（6）列车间隔控制
列车间隔控制是既能保证行车安全（防止两列车发生追尾事故）又能提高运行效率（使两列车间隔最短）信号概念在过去以划分闭塞分区、设立防护信号机为基础自动闭塞（固定闭塞）概念下列车间隔是靠自动闭塞系统来保证列车间隔以闭塞分区为单位；当采用准移动闭塞或移动闭塞时闭塞分区长度与位置均是不固定是随前方目标点（前行列车）位置、后续列车实际速度以及线路参数（如坡度）而不断改变。
（7）站台屏蔽门控制
ATP轨旁设备连续监测屏蔽门状态只有在屏蔽门“关闭且锁闭”情况下才允许列车进入站台区域如果屏蔽门状态不再为“关闭且锁闭”则ATP轨旁设备将站台区域作为封锁来处理在封锁区域边界处设置防护点因此接近列车将从ATP轨旁设备得到仅至该防护点移动许可如果此时列车已经进入了站台区域屏蔽门状态从“关闭且锁闭”发生了变化ATP车载设备将触发紧急制动。
（8）其他功能
除上述主要功能外视具体用户要求ATP系统还可具有其他一些功能： 紧急停车功能：在特殊紧急情况下按压设在车站上紧急停车按钮（平时加铅封）就可通过轨道电路将停车信息传递给区间上列车启动紧急制动使列车停止运行。
给出发车命令：ATP系统检查有关安全条件（如车门是否关闭、司机操作手柄是否置于零位、ATO系统是否处于正常工作状态）并确认符合安全后给ATO系统信号在人工驾驶模式下司机在得到显示后即可进行人工发车；在自动驾驶模式下ATO系统得到ATP系统发车确认信息后却操纵列车自动启动。
列车倒退控制：根据不同用户协议可以实现各种列车倒退控制例如当列车退行超过一定距离或者越过轨道电路分界点立即启动紧急制动。
停稳监督：监控列车停稳是在站内打开车门和站台屏蔽门安全前提为了证实列车停稳要考虑来自雷达和测速电机信息ATP车载计算机单元将使用这些速度信息。列车自动防护(ATP)系统的构成
列车自动防护系统所包含的设备分别安装在列车上和地面上。安装在列车上的设备，简称为车载设备；安装在地面的设备简称为地面设备。2.1 车载设备的主要组成
列车自动防护系统的车载设备主要包括有车载主机、驾驶员状态显示单元、速度传感器、列车地面信号接收器、列车接口电路、电源和辅助设备等，如图1所示。下面分别介绍有关设备的情况。
电源驾驶员状态显示单元辅助设备速度传感器车载主机列车接口电路地面信号接收器 图1 车载主要设备
(1)车载主机。列车自动防护系统的车载主机由各种印刷电路板、输人/输出接口板、安全继电器和电源等设备组成。这些设备分层放在机柜中，利用机柜上的总线进行通信。
(2)状态显示单元。状态显示单元是车载系统与列车驾驶人员之间的人机界面，可以显示列车当前运行速度、列车到达某点的目标速度、列车到达某点的走行距离、列车的驾驶模式和有关设备的运行状况等与行车直接相关的信息，如图2所示；还设置有一些按钮，用于驾驶员操作，控制列车运行。
图2 列车司机显示屏（人机界面）
(3)速度传感器（如图3）。信号系统通常在列车上装有一个或多个速度传感器，安装在列车的车轴上，用于计算列车的运行速度和列车运行距离及列车运行方向的判定。列车的运行速度，还可以用雷达进行测定，但速度传感器技术成熟，测速精度高，安装使用简单方便，因此被广泛使用。
图3 速度传感器
(4)列车地面信号接收器列车地面信号接收器（图4），安装在列车底部，用于接收从轨道上传来的信息，这些信息可以由地面轨道电路发送，或由安装在地
面的专门设备如应答器发送给列车。列车地面信号接收器，根据所接收的信息格式、容量和处理速度等因素，可以设计为感应线圈，或其他形式，以保证列车在一定的运行速度下能及时接收和处理所收到的信息。列车地面信号接收器的性能要求：抗机械冲击能力强，有很好的抗电磁干扰能力，偏息接收误码率低，不丢失信息。
图4 典型的信号接收设备
(5)列车接口电路。列车自动防护系统的车载设备通过车载主机与列车进行接口，车载主机将控制信息通过接口电路传送给列车，同时车载主机通过接口电路从列车获得列车运行的状态信息。列车接口电路使用的继电器，根据使用的环境，需要体积小、力学性能好的继电器，一般使用弹簧继电器。
(6)电源和辅助设备等列车为列车自动防护系统车载设备提供所需的电源，列车上还有列车运行模式选择开关，各种电源开关，和其他一些辅助设备等。3.2 地面设备
列车自动防护系统的核心设备安装在列车上，它所需的主要信息来自地面设备。根据轨道交通信号系统的不同制式，列车自动防护系统地面设备，可以设置点式应答器或轨道电路，向列车传递有关信息，由安装在列车上的设备接收和处理这些信息。
（1）点式应答器
在速度距离曲线为阶梯式的图形的信号系统中，经常会在线路上间隔一定的距离设置点式应答器。这些应答器向线路保存有列车的行车信息，在列车经过时，由安装在列车车底的感应接收装置从中读取或接收信息，在对这些信息进行综合分析处理。
点式应答器中所包含的信息，包括有线路位置、列车运行距离、基本线路参
数、速度限制等信息，这些信息固化在应答器。应答器可分为有源应答器和无源应答器。有源应答器向线路实时发送信息，由列车接收；无源应答器，只有在列车经过时，由列车应答器中读取信息。典型的应答器如图5。
图5典型应答器
（2）轨道电路
轨道电路除了具有表示列车是否占用轨道的功能外，还可以向线路上实时发送列车运营所需的信息，由列车接收和处理。轨道电路所发送的信息，其容量大，有利于列车的车载系统时列车进行实时控制。因信号系统的处理能力和制式不同，轨道电路所发送的信息量可有所不同，一般来讲，轨道电路所发送的信息可以有以下内容：①轨道电路基本信息如轨道电路的长度、坡道和曲线参数，所用的载波频率，轨道电路的编号等；②线路速度是指该轨道区段线路上受坡道和曲线等因素的影响列车所允许运行的最大速度；③目标速度列车到达下一目标时，列车的运行速度；④运行距离列车到达下一目标时所需走行的距离；⑤列车运行方向，指明列车上行运行或下行运行；⑦道岔定反位列车前方经过道岔的定位或反位；⑧列车停站信号指示列车处于停站状态；⑨备用信息位预留用作其他的信息使用。
这些信息以数字编码的方式，顺序排列，放在一个信息包里。列车收到信息后进行译码和实时处理，实时控制列车运行状态。列控车载设备主要工作模式
列车ATP针对不同情形，共设置5种监控模式，ATP的信息交换过程如图6所示。
图6 ATP信息接收示意图
4.1 ATP完全监控模式
当车载设备具备列控所需的基本数据（轨道电路信息、应答器信息、列车数据）时，ATP车载设备生成目标距离模式曲线，并能通过DMI显示列车运行速度、允许速度、目标速度和目标距离等，控制列车安全运行。4.2 ATP部分监控模式
若ATP车载设备接收到轨道电路允许行车信息，但线路数据缺损时，ATP车载设备产生固定限制速度，控制列车运行。
连续两组及以上应答器的线路数据丢失，列车在ATP车载设备已查询到的线路数据末端前触发常用制动，当列车运行速度低于120km/h后，提供允许缓解提示，司机缓解后，ATP车载设备根据线路最不利条件，产生监控速度曲线（最高限制速度120km/h），控制列车运行。
侧线发车，ATP车载设备根据股道轨道电路信息（根据道岔限速发送UU码或UUS码），形成并保持固定限制速度（至出站口），控制列车运行。
引导接车，ATP车载设备收到接近区段的轨道电路信息（HB码），形成并保持固定限制速度（20km/h），控制列车运行。4.3 目视行车模式
在ATP车载设备显示禁止信号时，列车停车后，根据行车管理办法（含调度命令），司机经特殊操作（如按压专用按钮），ATP生成固定限制速度（20km/h），列车在ATP监控下运行，司机对安全负责。
4.4 调车监控模式
车列进行调车作业时，司机经特殊操作（如按压专用按钮）后，转为调车模式，ATP生成调车限制速度，控制车列运行。牵引运行时，限制速度40km/h；推进运行时，限制速度30km/h。4.5 隔离模式
ATP车载设备故障，触发制动停车后，根据故障提示，司机经特殊操作，ATP车载设备控制功能停用，在该模式下司机按调度命令行车。若仅BTM失效，ATP车载设备提供机车信号，可人工转换为LKJ控制列车。ATP的发展与不足
目前，我国正借鉴世界各国经验，结合我国国情路情，发展CTCS，制定我国统一的ATP系列技术标准和规范。实行跨专业合作，坚持技术先进、系统成熟、经济合理、等级配置的原则，坚持通信信号一体化的方向，新线建设优先发展基于无线的ATP。坚持新线建设与既有线改造并重，在总体规划的指导下，分步实施，有序发展，坚持机车信号主体化与发展ATP相结合。
一般来说，ATP根据地面设备提供的信号信息控制列车运行。当因轨道电路故障等原因，ATP接收不到信号或接收到非正常的检测信号时，ATP将采取自动制动措施控制列车停车。列车停车后如需继续前行，需要等待2分钟后将ATP从完全监控模式转为目视行车模式，以低于20公里/小时的速度前进。目视行车模式期间，如接收到正常信号，ATP将自动转为完全监控模式。所以，具有ATP设备的列车运行过程可以说是非常安全的。
列车控制策略 篇5
目前, 我国列车模拟驾驶系统主要存在的问题有［1，2］:
( 1) 缺少有效的运行控制策略, 无法在满足教学培训的同时也满足工程分析的要求。
( 2) 无法实现同一区间多列列车的前后追踪运行。
( 3) 大多数列车模拟驾驶系统只能实现单列车的独立运行, 无法实现联锁系统和列控中心 ( 或无线闭塞中心) 对列车运行的控制。
本文着重探讨了列车牵引力学条件下的列车运行问题, 建立了多质点列车动力学仿真模型; 并采用改进的混合控制策略, 完成列车的节能运行控制。 模型具有分析列车不同线路条件和不同编组条件下的运行性能和运行效率的功能, 主要用于教学培训和演示; 同时, 由于采用准确的列车动力学模型, 系统可用于优化列车编组, 提高线路运行效率和优化列车速度控制的可行性分析研究中。
1系统框架
列车模拟驾驶系统总体结构, 如图1所示, 由操作仿真模块、动力学仿真模块、视景仿真模块、音响仿真模块、运动仿真模块、仿真结果输出模块、操作评价模块和数据管理模块构成。其中操作仿真模块是学员与列车模拟驾驶系统交互的主要通道; 动力学仿真模块是系统的核心, 采用多质点动力学模型, 完成对仿真列车速度的控制; 视景仿真模块、音响仿真模块和运动仿真模块使系统的表现形式更加接近现实, 采用的VR虚拟现实技术, 提高系统的真实感。
2列车多质点模型的建立
2. 1多质点模型的理论基础
牵引计算模型多种多样, 大体上分为单质点模型和多质点模型。单质点模型是将列车简化为一个刚性质点, 进行受力分析, 很大程度地简化了受力计算; 但由于是将列车视为单个的刚性质点, 忽略了列车长度, 也不考虑列车车辆间相互作用力。当列车跨越变坡点或变曲率点时, 列车受力是瞬时变化的, 这种简化较大地偏离了列车实体属性, 不能反映出列车间的纵向力的变化。当列车经过变坡点或变曲率点时, 模型计算的受力分析与实际差距较大, 为了修正单质点模型的不足, 多质点模型应运而生［3，4］。
多质点模型是将机车和每节车辆分别简化为一个质点, 构成一个质点链, 能够反映出列车长度和编组对受力和牵引运行的影响。多质点模型在列车运行过程中可以单独计算车辆间的纵向力, 并在列车经过变坡点和变曲率点时, 使其受力变化呈现渐变过程; 但传统的多质点模型以长度为量度, 将整个列车的质量平均化, 无法满足不同车辆混合编组条件下的牵引计算。
2. 2改进的多质点模型
本文中多质点动力学模型与线路信息相结合, 在线路上设置标记点记录线路信息, 将列车简化为一个个相连接的质点, 每个质点在经过标记点时可接收标记点记录的线路信息, 再将接收到的线路信息传给牵引计算模块, 控制列车的运行速度。
如图2, 在一段模拟线路AD上有A、B、C、D四个标记点分别记录AB、BC、CD及以后路段的线路信息, 列车运行过程中, 在经过B和C两个变坡标记点处分别读取BC和CD段线路信息 ( 坡度、曲度、 隧道等) , 即当车辆K1经过B点时, 接收BC段的线路信息, 并将接收的信息传输给牵引计算模块, 随后K2、K3, …, Kn将重复K1的操作。当K1经过C点时, K1记录的原线路信息被刷新, 从而准确地反应每一辆车在不同线路运行过程中所产生的不同的附加阻力, 从而使计算更加精确。
每辆车在通过标记点 ( 记录下一段线路数据的点) 时都会接收到下一段线路所包含的坡度、曲率等数据, 其数据流程如图3所示, 通过这种方法真正地将每一车辆看成一个刚性质点, 从而组成质点链, 实现多质点模型的建立, 更加精确地反应列车每辆车运行中的受力状态, 则第n辆机车或车辆附加阻力W'n为［5，6］
式 ( 1) 中, Pn为第n辆机车或车辆的质量 ( t) ; in为第n辆机车或车辆所在坡道的坡度值 ( ‰) , 上坡为正, 下坡为负; Rn为第n辆机车或车辆所在曲线的半径; Ls为第n辆机车或车辆所在隧道的长度。
第n辆机车或车辆所受合力Fn为
式 ( 2) 中, an是第n辆车的运行加速度; γ 是转动惯量; Fnq是其前车钩拉力; Fnh是其后车钩拉力; Wn是所受的基本阻力; Bn是制动力。
速度v和位移S的计算:
式中, Δt为计算步长, Δt取值越小, 计算越精确。 但考虑到计算量取 Δt = 0. 001 s。
2. 3运行控制策略
在列车模拟驾驶系统中, 控制列车运行采用什么样的控制策略至关重要, 传统的列车运行控制策略主要有节能控制策略、节时控制策略和混合控制策略。节能控制策略其控制原理如图4 ( a) 所示, 主要依靠惰行, 减少制动中的能量损耗从而达到节能的效果, 但其运行速度较慢, 严重影响区间的通过效率; 节时控制策略如图4 ( b) 所示, 主要依靠牵引电机的不断运转, 使列车速度保持在最大允许速度运行, 但能量的损耗较大, 其优点在于提高线路的通过率, 缩短运行时间［7］。传统的混合控制策略如图4 ( c) 所示, 是对牵引、惰行、制动的组合, 虽然在一定程度上兼顾了节能和节时, 但对于列车的长距离不间断运行时, 其节能效果有限。以上三种运行控制策略都不能很好地兼顾列车运行的经济性［8］。
为了使模拟驾驶系统有更好的通用性, 更好的兼顾节能和节时性能, 提高列车运行的经济性, 本系统中加入了改进的混合控制策略, 其控制原理如图4 ( d) 所示, 主要是将传统的控制策略的速度保持过程改为加速和惰行的过程, 在维持一个较高速度水平的同时, 达到节能的效果。
改进的混合控制策略是既考虑列车运行速度, 保证列车持续地高速运行, 尽可能地发挥列车牵引和制动的能力, 以缩短运行时间, 又兼顾其经济性, 即在加速阶段以最大牵引力加速, 在中间阶段采用加速和惰行交替转换的运行模式, 以减少能耗。
混合控制策略其核心是确定牵引、惰行和制动的起点和终点。启动后, 如图5所示, 速度vi以步长 Δt迭代增加, 但当接近线路限速vxs时, 由于不一定能够完全拟合, 即速度可能直接跨过vi= vxs, 跳跃惰行过程, 从牵引运行直接进入制动, 这并不符合节能的要求。所以, 设置vg上限转换速度, 使其与线路限速vxs构成速度接近区 ε, 当速度vi进入这一区域时, 由牵引转换为惰行, 而避免了频繁地启动制动。速度接近区 ε 大小应该满足式 ( 5) 。
在迭代过程中, 为了防止vi≤ vg, 而再次以 Δ 为步长迭代后速度vi +1≥ vxs, 取 ε = amaxΔt ( amax为最大牵引力下的加速度) 。
如图6所示, 列车启动后, 以最大牵引力加速运行。当vg≤ vi< vxs时, 结束牵引, 由牵引工况转换为惰行工况开始减速运行; 但如果列车在长大下坡道运行时, 其加速度ai有可能大于0, 则此时列车并非减速, 而是加速运行, 所以在惰行工况下迭代时应判断其加速度ai。当vi≤ vd时, 结束惰行, 由惰行工况转换为牵引工况; 如果vi≥ vxs时, 列车开始采用常用制动模式制动。
3模拟仿真验证
3. 1混合控制策略的节能性能验证
在此, 对传统的混合控制策略的节能性能和改进的混合控制策略的节能性能进行比较。由于两种控制策略只有在中间过程中其运行控制不同, 所以只对中间过程的运行做一对比。
采用一条6 km长的平直线路作为验证线路, 通过选用相同的运行线路和运行距离来确保计算能耗的可对比性, 采用HX3DB型电力机车模型, 牵引重量设置为2 000 t, 验证其节能效果。设置模拟列车初始速度为70 km/h, 最高运行速度为80 km/h, 即在传统的混合控制策略中, 当模拟列车速度从启动70 km / h的速度, 加速到80 km / h并以此速度保持运行; 而在改进的混合控制策略中, 模拟列车速度从70 km / h加速到80 km / h时由牵引转换为惰行, 当速度减速到70 km/h时再次重复其加速—惰行过程。
通过对图7 ( a) 和图7 ( b) 对比, 可看出改进的混合控制策略其节能效果明显优于传统的混合控制策略。结合表1看到, 传统的混合控制策略总能耗为144. 36 k W·h, 改进的混合控制策略的总能耗为91. 3 k W·h, 比前者节能53. 06 k W · h, 减少能耗36. 75% , 节能效果明显, 而其耗时仅比前者多0. 21 min。由此可看出, 改进的控制策略优于传统的控制策略, 具有更好的经济适用性。
3. 2改进的混合控制策略运行仿真
系统采用一条模拟线路进行运行仿真试验, 线路数据如表2所示, 线路长度14 500 m, 线路中包括了上、下坡以及曲线, 由于其模拟的是非高速列车运行, 所以隧道阻力可以忽略, 在此线路中没有设置隧道。采用HX3DB型电力机车牵引, 编组为滚动轴承重货车25辆, 牵引重量设置为2 000 t, 进行模拟牵引运行, 列车运行速度控制曲线如图7所示, V-S曲线反映列车不同工况下的运行情况, 开始列车加速运行, 在接近此区段的限速后, 其运行工况由牵引工况转换为惰行工况, 当速度小于或等于此线路限速下的转换速度时`, 再由惰行转换为牵引状态运行, 而在14 500 m处开始采用常用制动模式制动, 直到列车停车。在仿真过程中, 列车运行速度控制曲线平滑, 无速度跳变。模拟列车运行三维仿真试验, 如图9所示, 在仿真过程中, 三维仿真实体列车运行速平稳, 没有明显的纵向晃动, 符合其培训和工程分析的要求。
4结论
本文以多质点动力学模型为基础, 构建了列车仿真模型, 实现了列车模拟驾驶动力系统的构架, 采用改进的混合控制策略, 控制模拟列车的运行, 并通过其在一段模拟线路上的运行进行仿真验证, 证明了以改进的多质点模型为基础构建的基于改进的混合控制策略的列车模拟驾驶系统, 能够较大程度地减少能耗, 节约成本, 具有更好的经济适用性, 并能够更好地完成对列车速度的控制, 基本实现列车速度控制的实体再现, 使模拟驾驶系统更加贴近实际, 具有较强的实用价值。
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浅析列车运行控制系统 篇6
1 列车运行控制系统的组成
列车运行控制系统分为地面设备和车载设备两大部分。地面设备由列控中心、应答器、地面电子单元、轨道电路、其他配套信号设备 (如:CTC/TDCS设备、车站联锁设备等) 等组成。车载设备由车载安全计算机、轨道电路信息接收模块、应答器信息接收模块、人机界面、速度传感器、运行记录单元等组成。
2 列车运行控制系统等级划分
CTCS根据功能要求和设备配置划分应用等级, 分为0～4级。
CTCS-0级 (简称C0级) :由通用机车信号+列车运行监控装置组成, 适用于列车最高运行速度为120km/h以下的区段。
CTCS-1级 (简称C1级) :由主体机车信号+安全型运行监控记录装置组成, 适用于列车最高运行速度为160km/h以下的区段。
CTCS-2级 (简称C2级) :基于轨道电路和点式应答器传输控车信息, 面向提速干线和客运专线, 适用于各种线路速度区段, 地面可不设通过信号机。
CTCS-3级 (简称C3级) :基于无线传输信息, 并采用轨道电路等方式检查列车占用的列车运行控制系统, 点式设备主要传送定位信息。C3级列控系统可以叠加在C2级列控系统上。
CTCS-4级 (简称C4级) :完全基于无线传输信息的列车运行控制系统。地面可取消轨道电路, 由无线闭塞中心和列控车载设备共同完成列车定位和完整性检查, 实现虚拟闭塞或移动闭塞。
3 列车运行控制系统基本功能
1) 在任何情况下防止列车无行车许可运行。
2) 防止列车超速运行。
3) 防止列车溜逸。
4) 为列车司机提供信息显示、数据输入及操作界面。
5) 实时给出列车超速、制动、允许缓解等表示及设备故障状态报警。
6) 具备设备检测及记录关键设备动作。
4 列车运行控制系统的速度控制模式
4.1 阶梯式分级速度控制
阶梯式分级速度控制只是对一个闭塞分区内入口速度或出口速度进行控制, 并与规定速度比较来判断列车是否超速。如图1所示, 虚线为入口速度检查控制线;实线为出口速度检查控制线。
4.2 速度-距离曲线控制
速度-距离模式曲线控制是根据目标速度、线路参数、列车参数、制动性能等确定的反映列车允许速度与目标距离间关系的曲线。速度-距离曲线控制反映了列车在各点允许运行的速度值。当列车超过当前允许速度时, 设备自动实施常用制动或紧急制动, 保证列车能在停车地点前停车。这种控制模式又分为分段式和连续式两种。
如图2所示, 分段式速度-距离曲线控制模式下列车运行控制系统根据每一个闭塞分区的线路参数和列车性能计算出制动曲线。
如图3所示, 连续式速度-距离曲线控制模式下列车运行控制系统根据目标速度、目标距离和列车性能计算出制动曲线。
5 列车运行控制系统管理建议
1) 列车运行控制系统设备、器材必须逐台建立动态跟踪台账。设备台账应准确反应设备类型、数量、安装位置、使用年限、更换时间、生产厂商、出场时间及编号等信息。
2) 为保证列车运行控制系统设备的正常运行和满足应急抢修的需要, 在电务段、车间、工区备用适量的设备和器材, 并保证性能良好。应答器一般不低于运用数量的15%。其他备件配置数量安装位置参照《铁路信号维护规则》的相关规定配备。
3) 基建、更新改造、大修等工程引起站场、区间线路、股道、道岔和信号、列车进路变更及应答器安装位置变更, 涉及数据报文变更的, 均须报路局电务处审核批准。
4) 凡对安装有列车运行控制系统的区段进行站场和线路改造, 设计部门必须进行相应的配套改造设计。
5) 凡影响列车运行控制系统设备正常使用的各种施工, 施工部门必须向路局提报施工计划, 批准后方可进行施工。
6) 列车运行控制系统数据资料和电子文档由铁路局电务检测所集中管理。系统数据、硬件修改后, 应及时更新。
7) 动态检查是掌握列控系统运用质量的有效手段。铁路局电务试验车应每月对管内列控系统运用状态进行 1 次动态检查;电务部门应定期安排技术人员对管内列控系统设备运用状态进行添乘检查。
总之, 随着铁路的大面积提速, 列车运行控制系统必将成为信号的核心设备。它必将逐渐打破传统的控车方式, 成为保证列车行车安全、提高列车运行效率的重要技术装备。
参考文献
基于通信的列车控制技术研究 篇7
关键词：通信,列车控制,列车定位,数据传输
1 引言
在过去的八十多年里, 基于轨道电路的列车控制技术 (Track Circuit-based Train Control, TBTC) 对保障列车行车安全和提高运输效率都起到了重要的作用, 但是它还存在着很多的缺点, 比如列车的位置仅仅通过轨道电路来确定, 而闭塞分区又是固定的, 如果一辆列车同时占用两个轨道电路, 则就占用了两个闭塞分区, 不利于提高运输的效率;并且轨旁设备和车载设备的通信是不连续的, 没有起到实时的控制作用。针对以上问题, 人们提出了基于通信的列车控制技术 (Communications-based Train Control, CBTC) , 它可以不依赖轨道电路就能确定列车的精确位置, 并能实现车地之间快速、大容量的双向通信, 并且轨旁和车载设备还能提供列车自动保护 (ATP) 、列车自动驾驶 (ATO) 和列车自动监控 (ATS) 等功[1]。
基于通信的列车控制是和移动闭塞 (Moving Block) 紧密联系在一起的, 移动闭塞是一种没有固定闭塞分区, 其区间长度随条件的变化而变化, 并随列车的移动而移动的闭塞系统。列车在运行过程中, 通过通信网络把自身的速度、位置等动态信息传递到车站控制中心, 控制中心负责计算出列车的最大制动距离, 再加上一定的安全防护距离就构成了此列车的移动闭塞区间。移动闭塞在保证列车安全运行的情况下, 缩短了列车之间的追踪间隔, 提高了铁路运输的效率。
2 CBTC的典型结构
图1是CBTC的典型结[1], 由图可以看出CBTC主要由三部分构成:CBTC地面设备、数据通信网络和CBTC车载设备。其中数据通信网络是CBTC的核心, 通过它把地面设备和车载设备连接起来。目前, 数据通信网络的媒介主要是环线电缆和无线通信两种。下面会详细介绍两种通信方式的原理。
CBTC必须具备基本的列车防护 (ATP) 功能, 包括列车位置检测、列车速度检测、列车完整性检测、超速防护、列车倒退防护、零速度检测、开门控制防护、紧急制动和进路联锁等功能。CBTC的列车自动监控 (ATS) 功能和列车自动驾驶 (ATO) 功能可有可无, ATS主要负责监控列车安全运行, 对列车进行调整和管理。ATO主要对运行中的列车进行速度调整, 实现列车的自动驾驶。
3 CBTC的逻辑层次划分
在逻辑上可以把CBTC分成三层, 分别是控制层、通信层和执行层。控制层位于最顶端, 和结构图中的CBTC地面设备及其联锁相对应, 它的任务是接收车载设备发送的列车运行状态信息 (列车速度、位置等) , 根据这些信息向列车发出控制命令。通信层负责控制层与执行层的数据双向交换, 和结构图中的数据通信网络对应。执行层和车载设备对应, 它接收控制中心的命令后对列车的运行状态做出调整, 此外, 它还有列车保护和检测的功能。图2是逻辑层和结构图的对照图。
4 CBTC的关键技术及原理
CBTC和以往控制技术不同的是列车和地面可以实时的进行双向数据交换, 正是基于此才实现了移动闭塞, 所以车地双向通信是CBTC的关键。同时, 控制中心在计算列车闭塞区间时, 必须知道列车的位置, 所以列车定位技术也是不可或缺的。
4.1 基于环线电缆的CBTC数据通信原理[2]
环线电缆是一种铜质线芯、外置绝缘层的电缆线, 它被铺设在轨道的两旁, 通以恒定的电流, 利用其产生的电磁场和车载设备进行双向通信。
感应环线每隔一定的距离 (25米或50米) 都会交叉一次, 当列车行驶过交叉点时, 根据信号相位的变化就能确定列车的初始位置, 进而计算列车的确切位置。
4.2 基于无线的CBTC数据通信原理[4]
由于基于无线的CBTC具有无可比拟的优势, 近年来成了研究的热点。图3是无线CBTC的结构框图。无线局域网是由多个小区 (cell) 组成的, 每个小区都有一个无线接入点 (AP) 和多个移动终端 (MT) , AP和MT是一对多的关系, 而MT和AP是一对一的关系。AP根据信号的强度设有接入门限值 (JT) 和离开门限值 (LT) , 当一个AP测知某个MT的信号强度达到它的接入门限值 (JT) 时, AP就会跟这个MT建立连接, 并通知其他的AP断开与这个MT的连接。
由于铁路呈带状分布, 典型的无线通信网络往往采用线状覆盖的方式, 沿路轨方向安装天线, 形成沿轨的椭圆形小区, 对线路进行无缝覆盖。列车在线路上移动就和手机在蜂窝网中移动类似, 列车和某个小区的AP建立连接后, 就会同这个小区进行双向通信, 而此小区又可以通过骨干网络和控制中心联系, 以实现对列车的控制。
5 列车定位技术
列车定位方法大致可以分为两类, 一类是基于卫星定位法, 如基于GPS的列车定位;另一类是靠测距来确定列车的位置, 此类方法较多, 其原理是先通过某种办法确定列车的初始位置, 在列车行驶过程中, 列车车载装置会不断测定列车的运行距离和方向, 从而计算出列车的确切位置, 诸如利用交叉环线电缆定位法、查询应答器和里程计结合定位法、DR航位推算定位法、无线测距定位法等。
全球定位系统 (GPS) 是利用24颗绕地卫星来定位的, 地面设备只要能接收到4颗以上卫星发射的信号, 就可以进行三维定位。采用差分GPS, 定位精度可达3～5m。可在列车头部和尾部分别安装一套GPS接收机, 数据处理可用数据融合的方法, 来消除GPS定位时所产生的误差。
使用感应环线定位时, 列车的初始位置是靠感应环线的边界来确定的, 因为每根环线都有特定的标示号, 并在边界处安装有应答器, 当列车运行到感应环线边界处时, 应答器向列车发送信息, 由于边界的位置已知, 列车的初始位置也就确定了。列车上安装的转速计会测量出列车走行的距离和方向, 再结合列车的初始位置就能计算出列车实际的位置点。查询应答器和里程计结合定位法和此种方法类似, 它是靠应答器的位置来确定列车初始点的。
DR航位推算定位法利用里程计和角速度陀螺仪来测量列车运行的距离和方向, 再根据列车的初始位置, 推算出它的瞬时位置。当列车运行在山区、隧道和城市中时, GPS信号会减弱甚至消失, 此方法可与GPS定位法互补使用。
无线测距法是在列车和道旁安装扩频无线电设备, 通过测量车上设备和道旁设备间电波传输的时间来实现列车的定位[5]。
6 小结
基于通信的CBTC实现了列车和地面的双向通信, 构成了闭环控制系统, 大大提高了列车运行的安全性。它还实现了移动闭塞, 大大缩短了列车追踪间隔, 提高了铁路的运输效率。特别是基于无线通信的CBTC, 它具有安装便捷、节约成本和易于扩展等优点, 必将成为我国轨道交通控制的发展方向。
参考文献
[1]IEEE Standard for Communications-based TrainControl (CBTC) Performance and Functional Re-quirements.1999.
[2]Xiaoqing Zeng, Masayuki Matsumoto, Kinji Mori, In-tegration of Automatic Train Control System, Pro-ceedings of IEEE TENCON, 2002.
[3]陈锋华, 刘岭, 徐松.基于通信的列车控制 (CBTC) 系统.城轨交通, 2005 (1) .
[4]朱惠忠, 张亚平, 等.GSM-R通信技术与应用.中国铁道出版社, 2005:15-21.
列车控制策略 篇8
关键词：高速列车,模糊控制,特性曲线,速度
0 引言
目前世界各国都在大力发展高速列车，列车速度的提高涉及到的问题主要包括列车运行的安全性、平稳性和乘坐的舒适性。
列车运行控制系统根据列车在铁路线路上运行的客观条件和实际情况，对列车运行速度及牵引/制动方式等状态进行监督、控制和调整。系统包括地面与车载两部分，地面设备产生列车控制所需要的全部基础数据，例如列车的运行速度、间隔时分和位置等;车载设备通过信息接收模块获取地面传来的信号并进行信息处理，形成列车速度控制数据及列车牵引/制动模式，用来监督或控制列车安全运行。
高速列车在运行过程中，为了充分发挥粘着性能，希望列车尽量按照牵引或制动特性曲线运行。采用传统的控制方式，如PID，需要事先知道被控对象的精确数学模型，然后根据数学模型和给定的性能指标进行控制系统设计[3]。而高速列车的运动过程具有多变量、非线性、时变的特点，难以建立其精确的数学模型，所以很难对其进行自动控制。
模糊控制模拟人的思维，同时遵循反馈控制的思想。运用模糊控制技术时，首先按照被控对象的特点和控制要求设定好模糊控制规则，然后将输入变量的精确值模糊化，结合控制规则，按模糊推理合成规则及反模糊化得到精确控制量。本文将模糊控制应用于高速列车的速度控制系统中，其中，模糊控制器的输入为速度误差e及误差的变化率ec。
1 高速列车运行控制问题描述
高速列车运行控制系统的示意图如图一所示，在确定列车运行的区间长度、线路状况以及线路各点运行速度的情况下，根据牵引/制动特性曲线，通过牵引计算得到给定的运行速度曲线。控制系统的主要任务是设计出能使列车快速、平稳跟踪给定速度曲线的控制器，从而得到施加在列车上的牵引/制动力，实现列车的高速、稳定运行。
2 高速列车运行的动力学模型
文献[4,5,6]得到高速列车运行的动力学模型如式(1):
式(1)中，s为列车行驶距离;v为列车运行速度;t为列车运行时间;C为牵引/制动力，牵引状态时C=F，制动状态时C=-B;W为阻力;M为列车总质量。
选取x=[x1;x2]=[s;v]为系统的状态变量，系统输入u=C/M，系统输出y=x2=v。系统的状态空间方程如式(2):
3 模糊控制器的设计
模糊控制器的输入e、ec和输出u的模糊集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。控制规则共49条，见表一。
该模糊控制器的隶属度函数如图二所示。其中，输出量的隶属度函数采用相邻函数中心不等距的方式，语言值越靠近，则对应的隶属度函数的中心越接近坐标原点;语言值越远离，则对应的隶属度函数的中心越远离坐标原点。如此设计的作用是，若模糊控制器的输入偏小，说明系统趋于稳定，则模糊控制器的输出量应较小，即减弱控制力度;若输入偏大，表明此时系统不稳定，则模糊控制器的输出量应加强对系统的控制作用[2]。
4 仿真分析
4.1 给定运行参数
文献[1]中给定的各种仿真参数，取M=750t，运行区间40km，采样时间0.1s。假设列车加速至300km/h后恒速运行一段时间，并采取紧急制动方式进行制动直到停止。在仅考虑基本阻力的情况下，根据牵引特性和制动特性，通过计算得到给定曲线，如图三所示。其中，牵引用时344s，恒速运行203.6s，制动用时88.8s，共运行636.4s。
4.2 系统的仿真及分析
在Simulink中建立系统仿真模型如图四所示。
量化因子取值1，取值0.01，比例因子取值20，仿真时间设定为636.4s。系统的控制效果见图五。从图五(a)可以看出，本系统能保证能很好地跟踪变化。与图四(b)对比，图五(b)显示控制量和给定牵引/制动力的变化情况基本一致。
5 结束语
根据高速列车的主要参数建立了列车运行的动力学模型，设计了模糊控制器对列车的运行速度进行控制。仿真结果表明通过该模糊控制器的调节，系统能确保列车运行速度很好地跟踪上给定速度的变化，系统具有良好的鲁棒性。
参考文献
[1]王卓,王艳辉,贾利民,等.基于ANFIS的高速列车制动控制仿真研究[J].铁道学报,2005,(3).
[2]KEVIN M.PASSINO and STEPHEN YURKO VICH.Fuzzy Control[M].北京:清华大学出版社,2001.
[3]李士勇.模糊控制.神经控制和智能控制论[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2002.
[4]谢联峻,宁滨.模糊控制在列车自动驾驶中的应用[J].自动化与仪器仪表,1999,(4).
[5]杨光.高速磁浮列车驾驶控制器设计.Proceed-ings of the27th Chinese Control Conference,July 16-18,2008,Kunming,Yunnan,China,Pages:454-457.
浅谈我国铁路列车控制系统 篇9
我国编制的中国列车运行控制系统CTCS技术规范是参照欧洲的列车运行控制系统 (简称ETCS) 。
1.1 CTCS系统包含两个子系统, 即车载子系统和地面子系统。
地面子系统可由以下部分组成:应答器、轨道电路、无线通信网络 (GSM-R) 、列车控制中心 (TCC) /无线闭塞中心 (RBC) 。其中GSM-R不属于CTCS设备, 但是是重要的组成部分。应答器是一种能向车载子系统发送报文信息的传输设备, 既可以传送固定信息, 也可连接轨旁单元传送可变信息。轨道电路具有轨道占用检查, 沿轨道连续传送地车信息功能, 应采用UM系列轨道电路或数字轨道电路。无线通信网络 (GSM-R) 是用于车载子系统和列车控制中心进行双向信息传输的车地通信系统。列车控制中心是基于安全计算机的控制系统, 它根据地面子系统或来自外部地面系统的信息, 如轨道占用信息、联锁状态等产生列车行车许可命令, 并通过车地信息传输系统传输给车载子系统, 保证列车控制中心管辖内列车的运行安全。车载子系统可由以下部分组成:CTCS车载设备、无线系统车载模块。CTCS车载设备是基于安全计算机的控制系统, 通过与地面子系统交换信息来控制列车运行。无线系统车载模块用于车载子系统和列车控制中心进行双向信息交换。
1.2 CTCS应用等级。
CTCS根据功能要求和设备配置划分应用等级, 分为0-4级。CTCS应用等级0 (以下简称L0) :由通用机车信号+列车运行监控装置组成, 为既有系统。CTCS应用等级1 (以下简称L1) :由主体机车信号+安全型运行监控记录装置组成, 点式信息作为连续信息的补充, 可实现点连式超速防护功能。CTCS应用等级2 (以下简称L2) :是基于轨道传输信息并采用车地一体化系统设计的列车运行控制系统。可实现行指一联锁一列控一体化、区间一车站一体化、通信-信号一体化和机电一体化。该级别的系统已广泛应用于国内的提速干线和部分高速客运专线。CTCS应用等级3 (以下简称L3) :是基于无线传输信息并采用轨道电路等方式检查列车占用的列车运行控制系统。点式设备主要传送定位信息。国内目前已有两条高铁线路采用该级别系统, 武广线和即将建成通车的西郑线。CTCS应用等级4 (以下简称L4) :是完全基于无线传输信息的列车运行控制系统。地面可取消轨道电路, 由RBC和车载验证系统共同完成列车定位和完整性检查, 实现虚拟闭塞或移动闭塞。国内目前尚未应用。
同条线路上可以实现多种应用级别, L2、L3和L4可向下兼容。
2 基于通信的列车控制系统 (CBTC) -今后的发展方向
随着通信技术的发展, 尤其是无线通信技术的广泛应用, 列车运行控制模式由传统的基于轨道电路的列车运行控制 (Track circuit Based Train Control, TBTC) 演变成基于通信的列车运行控制 (Communication Based Train Control, CBTC) 。CBTC系统实现了列车与地面设备间的全双工大容量双向连续信息传输, 能够对列车实施更为精确的运行控制, 显著提高了行车效率, 同时大大减少了轨旁设备, 节省了成本和维护费用, 提高了运能与安全性。近年来, CBTC系统成为许多地铁、轻轨项目中列车运行控制系统的解决方案。国外一些大城市开始对原有的地铁、轻轨系统进行CBTC改造, 我国的城市轨道交通也已开始设计和采用CBTC系统。CBTC系统引入了通信子系统, 建立车地之间连续、双向、高速的通信, 列车的命令和状态可以在车辆和地面设备之间可靠交换, 使系统的主体CBTC地面设备和受控对象列车紧密的连接在一起。所以, “车地通信”是CBTC系统的基础, CBTC系统的另外一个基础则是“列车定位”。只有确定了列车的准确位置, 才能计算出列车间的相对距离, 保证列车的安全间隔;也只有确定了列车的准确位置, 才能保证根据线路条件, 对列车进行限速或者与地面设备发生联锁。所以说车地通信是CBTC系统中的一条“明线”, 列车定位则是CBTC系统的“暗线”, 车地通信和列车定位共同构成CBTC系统的两大支柱。
2.1 车地通信系统
CBTC系统的通信子系统主要有两种形式:一种是系统初期基于感应环线电缆的感应环线通信系统;另一种是新近发展比较快的无线通信系统。感应环线通信系统采用感应环线通信系统, 沿线路铺设铜质芯线、外皮绝缘的无屏蔽电缆, 即感应环线电缆。环线电缆发送端连接通信发送设备, 使环线电缆中保持一定强度的恒定电流。在列车上, 安装有接收天线和发送天线, 接收天线通过电磁感应, 接收地面感应环线发送的信息。反过来, 当车载发送天线发送信息时, 地面感应环线又变成为接收天线, 接收车载设备发送的信息, 从而实现车地双向通信。无线通信技术正在带领CBTC系统进入新的发展阶段。特别是基于IEEE 802.11标准的无线局域网技术不断发展成熟, CBTC系统可以直接采用由第三方厂商提供的基于开放标准的无线通信平台, 提高了系统集成度, 并且减少了轨旁设备, 系统的可维护性进一步增强。无线局域网不仅提供物理层和数据链路层服务, 还提供网络层和运输层服务 (即TCP/IP协议) 。这使得车地通信更加透明, 只要知道车载CBTC设备的IP地址, 地面CBTC设备就可以直接向通信子系统发送信息, 由通信子系统负责将该信息路由传递至车辆。而不再像感应环线通信系统那样, 需要由VCC确定将信息发送到哪一根环线。从而进一步简化了地面CBTC设备的软、硬件结构。
2.2 列车定位
在CBTC系统中, 列车在线路上的位置是由列车本身确定的, 然后通过车地通信系统, 将该信息实时地报告给地面CBTC设备, 这与传统列车位置通过轨道电路检测的方法不一样。CBTC列车定位需要解决的三个主要问题是:a.如何确定列车的初始定位点;b.如何测量列车的走行距离和方向;c.如何消除列车走行距离测量的误差。
在使用感应环线的CBTC系统中, 列车的初始定位点由两根感应环线的边界确定。当列车经过感应环线边界时, 前后接收到的通信报文中含有不同的感应环线标识号, 从而可以确定列车所经过的环线边界。每个环线边界在线路上的坐标位置是确定不变的, 所以列车经过了某个环线边界后, 就确定了其初始位置。对于采用无线通信的CBTC系统, 则必须在线路固定位置安装可编码的应答器。列车经过应答器时, 通过接收到应答器发送的信息, 确定列车初始定位点。
列车初始定位点确定后, 通常由安装在车轮上的转速计测量列车的走行距离和方向, 再结合初始定位点, 跟踪确定列车在线路上的位置。车轮转速计在测量列车走行距离时存在测量误差, 而且误差随着列车走行距离的增加而不断积累, 所以在列车定位系统中, 需要消除这个误差。在采用感应环线通信的CBTC系统中, 感应环线每隔固定距离 (通常是25米) 交叉一次, 当列车经过感应环线交叉点时, 接收天线收到相位相反的信号, 从而确定列车正处在交叉点位置上。由于相邻交叉点间的距离是一定的 (即25米) , 所以列车每经过一个感应环线交叉点, 就可以对转速计测量的列车走行距离值修正一次, 避免误差累积。对采用无线通信的CBTC系统, 消除测量累积误差的原理是一样的。系统安装时, 必须按照预定长度沿线路设置地面应答器, 列车经过这些应答器时, 就可根据预定的长度对列车走行距离测量值进行修正, 消除误差累积。
摘要：随着铁路运输的发展和科学技术的进步, 列车运行控制系统也在不断发展。介绍了我国现有的铁路列车控制系统, 并在此基础上对基于通信的列车控制系统进行了预测。
关键词：列车控制系统,CTCS,CBTC
参考文献
[1]郭艳萍.电气控制与PLC应用[M].北京:人民邮电出版社, 2010.
