地铁列车自动运行系统的分析与设计的论文

地铁列车自动运行系统的分析与设计的论文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行分析、比较,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(a tc) 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(a to) 能模拟有经验的司机完成驾驶列车的任务。

a to 子系统利用地面信息实现对列车牵引、制动的控制,使列车经常处于最佳运行状态,提高乘客的舒适度,提高列车准点率,节能能源。

许多国家都在研究a to 系统,且取得了一定的成绩。

我国在此项技术上尚属空白。

本文将对比分析三套a to 系统技术特点。

1 a tc 与a to 简介a tc 是一套以安全和效率为目的、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。

a tc 系统包括三个子系统:列车自动监控系统(a ts) ,列车自动保护系统(a tp) 和列车自动运行系统(a to) 。

a ts 子系统实现监督、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督命令。

a tp 子系统具有超速防护、零速度检测和车门限制等功能。

a tp 提供速度限制信息以保持列车间的安全间隔,使列车在符合限制速度的标准下运行。

在打开车门前,a tp 先检查各种允许打开车门的条件,检查通过后,才允许打开车门。

a to 子系统能自动调整车速,并能进行站内定点停车,使列车平稳地停在车站的正确位置。

a to 从a ts 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a to ,并显示相关信息。

a to 获得有用信息后,结合线路情况开始计算运行速度,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,a to 打开车门。

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a ts。

a ts 根据列车信息,把运行信息传给车载a to 。

a to 的工作原理图如图1 。

图1 ato 工作原理图2 a to 系统技术特点比较20 世纪90 年代初,北京地铁1 号线部分列车安装了英国westinghouse 公司的a to 设备(未使用); 上海地铁1 号线的a to 设备则是从美国grs 公司引进的,并于1996 年11 月开始在全线试用。

广州地铁1 号线引进的是德国siemens 公司的a to 设备,在1999 年6 月正式运营。

由于他们的a to 系统设计不尽相同,因此有必要对不相同的地方进行比较(主要是a to 设备、a to 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a to 的设备国产化。

2. 1 北京地铁1 号线a to 系统1. a to 设备车载设备: 由设在列车每一端司机室内的 a to 控制器及安装在列车每一端司机室车体下的两个a to 接收天线和两个a to 发送天线组成。

地面设备:在各车站设备室内设有站台a to 通信器pac(platform a to communicator) 。

pac 内存有至下两个车站的线路信息,并通过与l pu 或rtu 接口,得到来自a ts 子系统的控制命令。

在各车站上下行站台以及进行a to 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. a to 需求数据与传输通道在a to 数据获取的过程中,车载a tp 接收安全信息。

安全信息由列车当前运行区段的af 900 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a tp 速度命令,2 种用于门控命令。

另外,车载twc 系统接收地面twc 信息。

该信息一般是非安全控制功能数据, 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twc 设备向列车发送。

最后,车载a to 接收来自车载a tp 、twc 的信息和标志线圈的信息。

3. 控制策略速度调节: a to 根据从a tp 中获取的mss 和ts , 计算列车运行速度曲线。

该曲线比较简单, 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mss , 并且在每个轨道电路区段目标距离处速度不超过目标速度。

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。

当列车速度超过目标速度时,a tp 设备报警;当超过最大允许速度时,a tp 实施紧急制动。

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,得出距停车点的距离,进行第一次位置调整,并使速度尽量贴近预置的停车速度曲线。

在xd 环路处,进行第二次也是最后一次位置调整。

若需要对运行时间进行调整,a ts 将给出控制命令,如惰行控制、扣车、下一车站通过等命令, 由a to 执行。

2. 2 上海地铁1 号线a to 系统[3 ]1. a to 设备车载设备:主要包括a to 主控制器,以及车底的a tp/ twc 接收线圈、twc 发送天线( twc 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a tc 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. a to 需求数据与传输通道在a to 数据获取的过程中,车载a tp 接收安全信息。

安全信息由列车当前运行区段的af 900 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a tp 速度命令,2 种用于门控命令。

另外,车载twc 系统接收地面twc 信息。

该信息一般是非安全控制功能数据, 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twc 设备向列车发送。

最后,车载a to 接收来自车载a tp 、twc 的信息和标志线圈的信息。

3. 控制策略速度调节:a to 与a tp 配合调节速度。

a tp 共设6 个速度命令,即20 、30 、45 、55 、65 、80 km/ h 。

a tc 系统具有4 个a ts 运行等级,对应于a tp 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a tp 速度命令、a ts 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。

a to 根据轨旁接收的运行等级信息获得运行速度信息, 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,如果车速大于现在新的速度命令,则以制动减速度0. 97 m/ s2 启动常用制动。

a to 子系统利用闭环反馈技术进行调速,即将实际车速与参考速度之差作为误差控制量。

通过牵引/ 制动线对列车实施一定的牵引力或制动力,使误差控制量为零。

车站停车:车载ato 系统将修正程序停车曲线,以符合所接受的运行等级。

精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 m 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速率基础上的。

当ats 速度与定点停车曲线速度相同时,列车转入定点停车控制模式。

列车经过150 m 、25 m 处的地面标志器时,它离开最后停车点的距离信息被不断更新。

列车经过8 m 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模式,实施全常用制动,将车停住。

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。

惰行模式已经包含在运行等级中。

运行模式的改变:atc 系统的逻辑要求是必须在列车停下时才可以进行转换,否则将导致一次紧急制动。

2. 3 广州地铁1 号线ato 系统[4 ]1. ato 设备车载设备:主要包括atc 设备机架、速度表、控制台、atp 接收天线、pti 发送天线。

地面设备:包括车站交叉环线和pti 环线。

2. ato 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。

ato 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ato 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:ato 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。

ato 按照时刻表和运行需要提供三种模式曲线: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,则报警。

车站停车:车站内的位置调整点由多交叉的环路提供,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交叉是用来确定距离的,一般的距离是6 个枕木间距。

另外还定义一些粗调点,它们间的距离减至3 个枕木间距且四个一组。

图2 定点停车交叉环线atp 车载设备能接收到这些交叉点,并把每个交叉点的处理信号传给ato 。

ato 计算每个交叉点间的距离。

粗调点只有在期望的位置窗口内才能被识别到。

假如识别到粗调点,则下一个交叉点便可用作位置同步。

这些交叉点的位置已预设在ato 中。

巡航/ 惰行是ato 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。

正线上改变运行模式:在列车运行中的任一时刻,司机可以通过移动操纵杆使之脱离零位,从而进行人工驾驶。

在任何时候和任何驾驶阶段, ato 给出可以进行ato 驾驶的显示,司机通过移动操作杆,使之进入零位置并贝压ato 启动键, 列车的运行模式变为ato 模式。

2. 4 系统分析比较以上三套系统中,以广州地铁1 号线ato 系统运行效果最好,上海地铁1 号线ato 系统次之。

经过以上的分析比较发现:从信息获取的角度来讲,北京采用车站ato 通信器,ato 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twc , 广州地铁1 号线通过轨道电路,均使ato 在运行时仍能接收最新信息。