地鐵列車自動運行系統(tǒng)的分析與設計

1、地鐵列車自動運行系統(tǒng)的分析與設計摘要對我國現(xiàn)有的北京、上海、廣州的地鐵列車自動運行系統(tǒng)進展分析、比擬,并指出了國產(chǎn)化列車自動運行系統(tǒng)的設計思路。關鍵詞地鐵,列車自動控制系統(tǒng),列車自動運行系統(tǒng),國產(chǎn)化對于城市軌道交通系統(tǒng)高效率、高密度的要求來說,列車自動控制系統(tǒng)(at)是必不可少的。其中一個重要的子系統(tǒng)列車自動運行(駕駛)系統(tǒng)(at)能模擬有經(jīng)歷的司機完成駕駛列車的任務。at子系統(tǒng)利用地面信息實現(xiàn)對列車牽引、制動的控制,使列車經(jīng)常處于最正確運行狀態(tài),進步乘客的舒適度,進步列車準點率,節(jié)能能源。許多國家都在研究at系統(tǒng),且獲得了一定的成績。我國在此項技術上尚屬空白。本文將比照分析三套at系統(tǒng)技術特

2、點。1at與at簡介at是一套以平安和效率為目的、調(diào)節(jié)列車運行間隔的自動控制設備,通過車載設備、地面設備、車站和控制中心組成的控制系統(tǒng)完成列車運行控制。at系統(tǒng)包括三個子系統(tǒng):列車自動監(jiān)控系統(tǒng)(ats),列車自動保護系統(tǒng)(atp)和列車自動運行系統(tǒng)(at)。ats子系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)視、引導列車按預定的時刻表運行,保證地鐵運行系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它通過轉(zhuǎn)換道岔建立發(fā)車進路,并向列車提供由控制中心傳來的監(jiān)視命令。atp子系統(tǒng)具有超速防護、零速度檢測和車門限制等功能。atp提供速度限制信息以保持列車間的平安間隔,使列車在符合限制速度的標準下運行。在翻開車門前,atp先檢查各種允許翻開車門的條件,檢查通過后,才允

3、許翻開車門。at子系統(tǒng)能自動調(diào)整車速,并能進展站內(nèi)定點停車,使列車平穩(wěn)地停在車站的正確位置。at從ats處得到列車運行任務命令。其信息是通過軌道電路或軌旁通信器傳送到列車上的。信息經(jīng)過處理后傳給at,并顯示相關信息。at獲得有用信息后,結(jié)合線路情況開場計算運行速度,得出控制量,并執(zhí)行控制命令,同時顯示有關信息。到站后,開門條件允許后,at翻開車門。停站期間,列車通過車-地通信系統(tǒng)把列車信息傳送給地面通信器,然后傳到ats。ats根據(jù)列車信息,把運行信息傳給車載at。at的工作原理圖如圖1。圖1at工作原理圖2at系統(tǒng)技術特點比擬20世紀90年代初,北京地鐵1號線部分列車安裝了英國estingh

4、use公司的at設備(未使用);上海地鐵1號線的at設備那么是從美國grs公司引進的,并于1996年11月開場在全線試用。廣州地鐵1號線引進的是德國sieens公司的at設備,在1999年6月正式運營。由于他們的at系統(tǒng)設計不盡一樣,因此有必要對不一樣的地方進展比擬(主要是at設備、at需求數(shù)據(jù)與傳輸通道和控制策略),然后分析各種設計的特點,以利于at的設備國產(chǎn)化。2.1北京地鐵1號線at系統(tǒng)1.at設備車載設備:由設在列車每一端司機室內(nèi)的at控制器及安裝在列車每一端司機室車體下的兩個at接收天線和兩個at發(fā)送天線組成。地面設備:在各車站設備室內(nèi)設有站臺at通信器pa(platfratunia

5、tr)。pa內(nèi)存有至下兩個車站的線路信息,并通過與lpu或rtu接口,得到來自ats子系統(tǒng)的控制命令。在各車站上下行站臺以及進展at折返的折返線處軌道上,設有xd或x2環(huán)路及rd環(huán)路。列車在車站停車期間,經(jīng)聯(lián)鎖電路及軌道電路的有關條件控制向室外環(huán)路發(fā)送。2.at需求數(shù)據(jù)與傳輸通道在at數(shù)據(jù)獲取的過程中,車載atp接收平安信息。平安信息由列車當前運行區(qū)段的af900軌道電路傳送,采用低頻脈沖調(diào)幅方式,有8種不同的調(diào)制頻率,6種用于atp速度命令,2種用于門控命令。另外,車載t系統(tǒng)接收地面t信息。該信息一般是非平安控制功能數(shù)據(jù),諸如運行等級、列車號、目的地和跳停等。該信息采用fsk調(diào)制方式,通過地

6、面t設備向列車發(fā)送。最后,車載at接收來自車載atp、t的信息和標志線圈的信息。3.控制策略速度調(diào)節(jié):at根據(jù)從atp中獲取的ss和ts,計算列車運行速度曲線。該曲線比擬簡單,主要計算加速轉(zhuǎn)勻速、勻速轉(zhuǎn)制動的位置點,以保證列車運行時不超過ss,并且在每個軌道電路區(qū)段目的間隔 處速度不超過目的速度?？刂破鞲鶕?jù)線路的情況自動控制列車的牽引及制動輸出,盡量使列車按運行速度曲線的速度來運行。當列車速度超過目的速度時,atp設備報警;當超過最大允許速度時,atp施行緊急制動。車站停車:在車站的定位停車是通過x2和xd環(huán)路實現(xiàn)的。列車進入車站x2環(huán)路范圍后,通過地-車之間的感應,得出距停車點的間隔 ,進展

7、第一次位置調(diào)整,并使速度盡量貼近預置的停車速度曲線。在xd環(huán)路處,進展第二次也是最后一次位置調(diào)整。假設需要對運行時間進展調(diào)整,ats將給出控制命令,如惰行控制、扣車、下一車站通過等命令,由at執(zhí)行。2.2上海地鐵1號線at系統(tǒng)31.at設備車載設備:主要包括at主控制器,以及車底的atp/t接收線圈、t發(fā)送天線(t為車-地通信子系統(tǒng))、對位天線、標志線圈。地面設備:包括每個車站at設備室內(nèi)的車站停車模塊以及沿每個站臺布置的一組地面標志線圈。2.at需求數(shù)據(jù)與傳輸通道在at數(shù)據(jù)獲取的過程中,車載atp接收平安信息。平安信息由列車當前運行區(qū)段的af900軌道電路傳送,采用低頻脈沖調(diào)幅方式,有8種不

8、同的調(diào)制頻率,6種用于atp速度命令,2種用于門控命令。另外,車載t系統(tǒng)接收地面t信息。該信息一般是非平安控制功能數(shù)據(jù),諸如運行等級、列車號、目的地和跳停等。該信息采用fsk調(diào)制方式,通過地面t設備向列車發(fā)送。最后,車載at接收來自車載atp、t的信息和標志線圈的信息。3.控制策略速度調(diào)節(jié):at與atp配合調(diào)節(jié)速度。atp共設6個速度命令,即20、30、45、55、65、80k/h。at系統(tǒng)具有4個ats運行等級,對應于atp的各個速度命令有相應的修正速度。參考速度就是接收到的atp速度命令、ats運行等級的修正速度及定點停車速度曲線三者中最小的速度。at根據(jù)軌旁接收的運行等級信息獲得運行速度

9、信息,并調(diào)節(jié)車速、加速度和程序減速度,以符合所接收的運行等級。在檢出限制速度變低并在正常的制動條件下,假如車速大于如今新的速度命令,那么以制動減速度0.97/s2啟動常用制動。at子系統(tǒng)利用閉環(huán)反響技術進展調(diào)速,即將實際車速與參考速度之差作為誤差控制量。通過牽引/制動線對列車施行一定的牽引力或制動力,使誤差控制量為零。車站停車:車載at系統(tǒng)將修正程序停車曲線,以符合所承受的運行等級。準確的車站停車是通過應用軌道電路id和邊界的轉(zhuǎn)換以及車站的環(huán)線來實現(xiàn)的。應用軌道電路的id來確定正確的停車曲線的起點。列車經(jīng)過站外350處的第一對地面標志器時,定點停車曲線便由此啟動。定點停車曲線是建立在一個固定減

10、速率根底上的。當ats速度與定點停車曲線速度一樣時,列車轉(zhuǎn)入定點停車控制形式。列車經(jīng)過150、25處的地面標志器時,它分開最后停車點的間隔 信息被不斷更新。列車經(jīng)過8處的有源地面標志器上方,并收到由該標志器發(fā)送的信號,列車即刻轉(zhuǎn)為定位停車形式,施行全常用制動,將車停祝車輛對位天線與地面對位天線對齊。運行時間的調(diào)整:主要是通過選擇不同的運行等級來實現(xiàn)。惰行形式已經(jīng)包含在運行等級中。運行形式的改變:at系統(tǒng)的邏輯要求是必須在列車停下時才可以進展轉(zhuǎn)換,否那么將導致一次緊急制動。2.3廣州地鐵1號線at系統(tǒng)41.at設備車載設備:主要包括at設備機架、速度表、控制臺、atp接收天線、pti發(fā)送天線。地

11、面設備:包括車站穿插環(huán)線和pti環(huán)線。2.at需求數(shù)據(jù)與傳輸通道由于廣州地鐵采用ftgs數(shù)字頻率軌道電路,因此能傳送報文信息。地面?zhèn)魉徒o列車的數(shù)據(jù)全部經(jīng)軌道電路由車載atp接收。at需要的信息主要通過車載atp獲得。包括經(jīng)atp處理過的信息(實際速度、運行方向、實際位置、列車長度、限速命令、制動減速度,附加信息:下一區(qū)段精調(diào)、停車位置、車站停車),以及ats經(jīng)過atp傳給at的信息(門控、到下一站的時間、車站號、車次號、目的地號、軌道電路號)。報文由所有類型的電碼按照一定的次序組成,是由軌道電路循環(huán)發(fā)送的。3.控制策略速度調(diào)節(jié):at接收到來自atp的帶四個標志點的速度命令信息(包括最大速度、第

12、一限速、第二限速和入口速度的起點、終點、速度值),計算列車要求的運行速度。at按照時刻表和運行需要提供三種形式曲線:最大允許曲線,常規(guī)速度曲線(較最大速度曲線下降10%),節(jié)能速度曲線(較最大速度曲線下降20%);然后根據(jù)各種線路情況、車輛信息,計算所需牽引力或制動力,使列車到達要求速度。列車設定了最大加速率,以便列車平穩(wěn)運行?？刂扑惴ㄖ杏幸粭l警告曲線,總比atp的最大允許速度曲線低一點。當超過警告曲線,那么報警。車站停車:車站內(nèi)的位置調(diào)整點由多穿插的環(huán)路提供,如圖2。環(huán)路的頭和尾是所謂的環(huán)路邊界。相對應地車站中間的環(huán)線穿插是用來確定間隔 的,一般的間隔 是6個枕木間距。另外還定義一些粗調(diào)點,

13、它們間的間隔 減至3個枕木間距且四個一組。圖2定點停車穿插環(huán)線atp車載設備能接收到這些穿插點,并把每個穿插點的處理信號傳給at。at計算每個穿插點間的間隔 。粗調(diào)點只有在期望的位置窗口內(nèi)才能被識別到。假設識別到粗調(diào)點,那么下一個穿插點便可用作位置同步。這些穿插點的位置已預設在at中。巡航/惰行是at的一項輔加功能。時間充裕的話,可以采用巡航/惰行來調(diào)整運行時間,節(jié)省能源。正線上改變運行形式:在列車運行中的任一時刻,司機可以通過挪動操縱桿使之脫離零位,從而進展人工駕駛。在任何時候和任何駕駛階段,at給出可以進展at駕駛的顯示,司機通過挪動操作桿,使之進入零位置并貝壓at啟動鍵,列車的運行形式變

14、為at形式。2.4系統(tǒng)分析比擬以上三套系統(tǒng)中,以廣州地鐵1號線at系統(tǒng)運行效果最好,上海地鐵1號線at系統(tǒng)次之。經(jīng)過以上的分析比擬發(fā)現(xiàn):從信息獲取的角度來講,北京采用車站at通信器,at只在站內(nèi)獲得信息,信息的實時性較差;上海地鐵1號線通過軌道電路和軌旁t,廣州地鐵1號線通過軌道電路,均使at在運行時仍能接收最新信息。從atp限速形式來講,北京地鐵1號線與上海地鐵1號線采用分級速度控制形式;廣州地鐵1號線那么采用形式曲線速度控制形式。形式曲線atp限速形式能使at控車更高效,更平穩(wěn)。從停車方式來講,北京地鐵1號線與上海地鐵1號線采用的是點式形式,在固定位置處有相應的線圈;廣州地鐵1號線那么采用

15、連續(xù)形式,在站內(nèi)鋪設連續(xù)穿插環(huán)線,在定點調(diào)整間隔 的根底上,還能通過穿插環(huán)線脈沖跟蹤列車的位置。從運行時間調(diào)整來說,北京地鐵1號線at根據(jù)ats在車站給出的惰行命令來調(diào)整,at設備本身只是根據(jù)各種速度命令來執(zhí)行操作;上海地鐵1號線at那么是通過ats由軌旁設備給出運行等級命令,按相應的速度運行來調(diào)整運行時間;廣州地鐵1號線at能計算所要采用的運行等級,以便選用不同的牽引百分比施行控制,來調(diào)整運行時間。廣州地鐵1號線at還能計算惰行形式牽引力的切除點,以實現(xiàn)準時運行。相對來說,廣州地鐵1號線at對準時性的實現(xiàn)與運行時間的調(diào)整都比擬靈敏。3at系統(tǒng)車載設備的國產(chǎn)化研究通過分析比擬,對國產(chǎn)化at的設

16、計要求如下:信息可通過軌道電路以報文的形式發(fā)送;限速形式可采用形式曲線方式;停車設備可采用鋪設連續(xù)穿插環(huán)線;時間的調(diào)整要求能實時計算。3.1工作原理以廣州地鐵1號線at系統(tǒng)為根底,結(jié)合實際情況,開發(fā)at系統(tǒng)車載設備。at從ats處得到列車運行任務命令。該信息是與地面線路信息一起組成報文,通過軌道電路傳送的,由車載atp統(tǒng)一接收。atp將經(jīng)過處理的對at有用的信息傳給at,并顯示相關信息,且不斷地監(jiān)視at的工作。at獲得有用信息后,根據(jù)實際運行速度和atp的最大允許速度,計算運行速度,得出控制量并執(zhí)行控制命令。巡航/惰行模塊由獨立的控制器來輔助完成。到站后,at通過pti(車地通信發(fā)送天線)向地面發(fā)送列車信息,并傳到ats,以便識別列車的位置。ats根據(jù)此列車信息確定列車的新任務后再次通過軌道電路傳送給at。在區(qū)間運行時,每進入新的軌道區(qū)段,at便接收新的地面信息,以便進展速度調(diào)整。在運行過程符合at條件時,允許靈敏地切換到at形式。3.2at車載設備的設計at車載設備是at系統(tǒng)的核心部分,是設計的難點。以下分析一下at車載設備的接口。at的車載設備接口如圖3。其中u為中央控制單元,通過總線控制著at、atp、顯示器間的數(shù)據(jù)通信;