地铁列车自动运行系统的分析与设计

1、地铁列车自动运行系统的分析与设计摘要对我国现有的北京、上海、广州的地铁列车自动运行系统进展分析、比拟,并指出了国产化列车自动运行系统的设计思路。关键词地铁,列车自动控制系统,列车自动运行系统,国产化对于城市轨道交通系统高效率、高密度的要求来说,列车自动控制系统(at)是必不可少的。其中一个重要的子系统列车自动运行(驾驶)系统(at)能模拟有经历的司机完成驾驶列车的任务。at子系统利用地面信息实现对列车牵引、制动的控制,使列车经常处于最正确运行状态,进步乘客的舒适度,进步列车准点率,节能能源。许多国家都在研究at系统,且获得了一定的成绩。我国在此项技术上尚属空白。本文将比照分析三套at系统技术特

2、点。1at与at简介at是一套以平安和效率为目的、调节列车运行间隔的自动控制设备,通过车载设备、地面设备、车站和控制中心组成的控制系统完成列车运行控制。at系统包括三个子系统:列车自动监控系统(ats),列车自动保护系统(atp)和列车自动运行系统(at)。ats子系统实现监视、引导列车按预定的时刻表运行,保证地铁运行系统的稳定性。它通过转换道岔建立发车进路,并向列车提供由控制中心传来的监视命令。atp子系统具有超速防护、零速度检测和车门限制等功能。atp提供速度限制信息以保持列车间的平安间隔,使列车在符合限制速度的标准下运行。在翻开车门前,atp先检查各种允许翻开车门的条件,检查通过后,才允

3、许翻开车门。at子系统能自动调整车速,并能进展站内定点停车,使列车平稳地停在车站的正确位置。at从ats处得到列车运行任务命令。其信息是通过轨道电路或轨旁通信器传送到列车上的。信息经过处理后传给at,并显示相关信息。at获得有用信息后,结合线路情况开场计算运行速度,得出控制量,并执行控制命令,同时显示有关信息。到站后,开门条件允许后,at翻开车门。停站期间,列车通过车-地通信系统把列车信息传送给地面通信器,然后传到ats。ats根据列车信息,把运行信息传给车载at。at的工作原理图如图1。图1at工作原理图2at系统技术特点比拟20世纪90年代初,北京地铁1号线部分列车安装了英国estingh

4、use公司的at设备(未使用);上海地铁1号线的at设备那么是从美国grs公司引进的,并于1996年11月开场在全线试用。广州地铁1号线引进的是德国sieens公司的at设备,在1999年6月正式运营。由于他们的at系统设计不尽一样,因此有必要对不一样的地方进展比拟(主要是at设备、at需求数据与传输通道和控制策略),然后分析各种设计的特点,以利于at的设备国产化。2.1北京地铁1号线at系统1.at设备车载设备:由设在列车每一端司机室内的at控制器及安装在列车每一端司机室车体下的两个at接收天线和两个at发送天线组成。地面设备:在各车站设备室内设有站台at通信器pa(platfratunia

5、tr)。pa内存有至下两个车站的线路信息,并通过与lpu或rtu接口,得到来自ats子系统的控制命令。在各车站上下行站台以及进展at折返的折返线处轨道上,设有xd或x2环路及rd环路。列车在车站停车期间,经联锁电路及轨道电路的有关条件控制向室外环路发送。2.at需求数据与传输通道在at数据获取的过程中,车载atp接收平安信息。平安信息由列车当前运行区段的af900轨道电路传送,采用低频脉冲调幅方式,有8种不同的调制频率,6种用于atp速度命令,2种用于门控命令。另外,车载t系统接收地面t信息。该信息一般是非平安控制功能数据,诸如运行等级、列车号、目的地和跳停等。该信息采用fsk调制方式,通过地

6、面t设备向列车发送。最后,车载at接收来自车载atp、t的信息和标志线圈的信息。3.控制策略速度调节:at根据从atp中获取的ss和ts,计算列车运行速度曲线。该曲线比拟简单,主要计算加速转匀速、匀速转制动的位置点,以保证列车运行时不超过ss,并且在每个轨道电路区段目的间隔 处速度不超过目的速度。控制器根据线路的情况自动控制列车的牵引及制动输出,尽量使列车按运行速度曲线的速度来运行。当列车速度超过目的速度时,atp设备报警;当超过最大允许速度时,atp施行紧急制动。车站停车:在车站的定位停车是通过x2和xd环路实现的。列车进入车站x2环路范围后,通过地-车之间的感应,得出距停车点的间隔 ,进展

7、第一次位置调整,并使速度尽量贴近预置的停车速度曲线。在xd环路处,进展第二次也是最后一次位置调整。假设需要对运行时间进展调整,ats将给出控制命令,如惰行控制、扣车、下一车站通过等命令,由at执行。2.2上海地铁1号线at系统31.at设备车载设备:主要包括at主控制器,以及车底的atp/t接收线圈、t发送天线(t为车-地通信子系统)、对位天线、标志线圈。地面设备:包括每个车站at设备室内的车站停车模块以及沿每个站台布置的一组地面标志线圈。2.at需求数据与传输通道在at数据获取的过程中,车载atp接收平安信息。平安信息由列车当前运行区段的af900轨道电路传送,采用低频脉冲调幅方式,有8种不

8、同的调制频率,6种用于atp速度命令,2种用于门控命令。另外,车载t系统接收地面t信息。该信息一般是非平安控制功能数据,诸如运行等级、列车号、目的地和跳停等。该信息采用fsk调制方式,通过地面t设备向列车发送。最后,车载at接收来自车载atp、t的信息和标志线圈的信息。3.控制策略速度调节:at与atp配合调节速度。atp共设6个速度命令,即20、30、45、55、65、80k/h。at系统具有4个ats运行等级,对应于atp的各个速度命令有相应的修正速度。参考速度就是接收到的atp速度命令、ats运行等级的修正速度及定点停车速度曲线三者中最小的速度。at根据轨旁接收的运行等级信息获得运行速度

9、信息,并调节车速、加速度和程序减速度,以符合所接收的运行等级。在检出限制速度变低并在正常的制动条件下,假如车速大于如今新的速度命令,那么以制动减速度0.97/s2启动常用制动。at子系统利用闭环反响技术进展调速,即将实际车速与参考速度之差作为误差控制量。通过牵引/制动线对列车施行一定的牵引力或制动力,使误差控制量为零。车站停车:车载at系统将修正程序停车曲线,以符合所承受的运行等级。准确的车站停车是通过应用轨道电路id和边界的转换以及车站的环线来实现的。应用轨道电路的id来确定正确的停车曲线的起点。列车经过站外350处的第一对地面标志器时,定点停车曲线便由此启动。定点停车曲线是建立在一个固定减

10、速率根底上的。当ats速度与定点停车曲线速度一样时,列车转入定点停车控制形式。列车经过150、25处的地面标志器时,它分开最后停车点的间隔 信息被不断更新。列车经过8处的有源地面标志器上方,并收到由该标志器发送的信号,列车即刻转为定位停车形式,施行全常用制动,将车停祝车辆对位天线与地面对位天线对齐。运行时间的调整:主要是通过选择不同的运行等级来实现。惰行形式已经包含在运行等级中。运行形式的改变:at系统的逻辑要求是必须在列车停下时才可以进展转换,否那么将导致一次紧急制动。2.3广州地铁1号线at系统41.at设备车载设备:主要包括at设备机架、速度表、控制台、atp接收天线、pti发送天线。地

11、面设备:包括车站穿插环线和pti环线。2.at需求数据与传输通道由于广州地铁采用ftgs数字频率轨道电路,因此能传送报文信息。地面传送给列车的数据全部经轨道电路由车载atp接收。at需要的信息主要通过车载atp获得。包括经atp处理过的信息(实际速度、运行方向、实际位置、列车长度、限速命令、制动减速度,附加信息:下一区段精调、停车位置、车站停车),以及ats经过atp传给at的信息(门控、到下一站的时间、车站号、车次号、目的地号、轨道电路号)。报文由所有类型的电码按照一定的次序组成,是由轨道电路循环发送的。3.控制策略速度调节:at接收到来自atp的带四个标志点的速度命令信息(包括最大速度、第

12、一限速、第二限速和入口速度的起点、终点、速度值),计算列车要求的运行速度。at按照时刻表和运行需要提供三种形式曲线:最大允许曲线,常规速度曲线(较最大速度曲线下降10%),节能速度曲线(较最大速度曲线下降20%);然后根据各种线路情况、车辆信息,计算所需牵引力或制动力,使列车到达要求速度。列车设定了最大加速率,以便列车平稳运行。控制算法中有一条警告曲线,总比atp的最大允许速度曲线低一点。当超过警告曲线,那么报警。车站停车:车站内的位置调整点由多穿插的环路提供,如图2。环路的头和尾是所谓的环路边界。相对应地车站中间的环线穿插是用来确定间隔 的,一般的间隔 是6个枕木间距。另外还定义一些粗调点,

13、它们间的间隔 减至3个枕木间距且四个一组。图2定点停车穿插环线atp车载设备能接收到这些穿插点,并把每个穿插点的处理信号传给at。at计算每个穿插点间的间隔 。粗调点只有在期望的位置窗口内才能被识别到。假设识别到粗调点,那么下一个穿插点便可用作位置同步。这些穿插点的位置已预设在at中。巡航/惰行是at的一项辅加功能。时间充裕的话,可以采用巡航/惰行来调整运行时间,节省能源。正线上改变运行形式:在列车运行中的任一时刻,司机可以通过挪动操纵杆使之脱离零位,从而进展人工驾驶。在任何时候和任何驾驶阶段,at给出可以进展at驾驶的显示,司机通过挪动操作杆,使之进入零位置并贝压at启动键,列车的运行形式变

14、为at形式。2.4系统分析比拟以上三套系统中,以广州地铁1号线at系统运行效果最好,上海地铁1号线at系统次之。经过以上的分析比拟发现:从信息获取的角度来讲,北京采用车站at通信器,at只在站内获得信息,信息的实时性较差;上海地铁1号线通过轨道电路和轨旁t,广州地铁1号线通过轨道电路,均使at在运行时仍能接收最新信息。从atp限速形式来讲,北京地铁1号线与上海地铁1号线采用分级速度控制形式;广州地铁1号线那么采用形式曲线速度控制形式。形式曲线atp限速形式能使at控车更高效,更平稳。从停车方式来讲,北京地铁1号线与上海地铁1号线采用的是点式形式,在固定位置处有相应的线圈;广州地铁1号线那么采用

15、连续形式,在站内铺设连续穿插环线,在定点调整间隔 的根底上,还能通过穿插环线脉冲跟踪列车的位置。从运行时间调整来说,北京地铁1号线at根据ats在车站给出的惰行命令来调整,at设备本身只是根据各种速度命令来执行操作;上海地铁1号线at那么是通过ats由轨旁设备给出运行等级命令,按相应的速度运行来调整运行时间;广州地铁1号线at能计算所要采用的运行等级,以便选用不同的牵引百分比施行控制,来调整运行时间。广州地铁1号线at还能计算惰行形式牵引力的切除点,以实现准时运行。相对来说,广州地铁1号线at对准时性的实现与运行时间的调整都比拟灵敏。3at系统车载设备的国产化研究通过分析比拟,对国产化at的设

16、计要求如下:信息可通过轨道电路以报文的形式发送;限速形式可采用形式曲线方式;停车设备可采用铺设连续穿插环线;时间的调整要求能实时计算。3.1工作原理以广州地铁1号线at系统为根底,结合实际情况,开发at系统车载设备。at从ats处得到列车运行任务命令。该信息是与地面线路信息一起组成报文,通过轨道电路传送的,由车载atp统一接收。atp将经过处理的对at有用的信息传给at,并显示相关信息,且不断地监视at的工作。at获得有用信息后,根据实际运行速度和atp的最大允许速度,计算运行速度,得出控制量并执行控制命令。巡航/惰行模块由独立的控制器来辅助完成。到站后,at通过pti(车地通信发送天线)向地面发送列车信息,并传到ats,以便识别列车的位置。ats根据此列车信息确定列车的新任务后再次通过轨道电路传送给at。在区间运行时,每进入新的轨道区段,at便接收新的地面信息,以便进展速度调整。在运行过程符合at条件时,允许灵敏地切换到at形式。3.2at车载设备的设计at车载设备是at系统的核心部分,是设计的难点。以下分析一下at车载设备的接口。at的车载设备接口如图3。其中u为中央控制单元,通过总线控制着at、atp、显示器间的数据通信;