（交通信息工程及控制专业论文）管轨运输车载运行控制系统原理样机设计与实现.pdf

中文摘要 摘要：管轨运输系统由管道、直线电机、车或车组构成。它既具有轨道运输的内 在特征，又兼有管道运输的外在特点，是有别于铁路、公路、航空、水路、管道 交通运输五种运输方式的第六种运输方式。 虽然美国已建造了一条磷矿新型直线电机磁管道运输示范线，但在系统设计 和设备配置等方面仅将其视为一个较复杂的直线电机驱动系统，而不是将其当作 一个交通运输系统来考虑，缺少作为一个交通运输系统所必需的运行控制等基础 系统。 列车运行控制系统是整个运输系统正常运转的根本保障，它与车辆、牵引、 线路及道俞等设备或系统相连，完成对列车运行控制、安全防护、自动运行及调 度管理等功能。 管轨车载运行控制系统作为列车运控的核心子系统，在列车安全防护，运行 控制方面起着重要作用，是列车运控完成系统功能的基础。本文借鉴磁悬浮和轮 轨交通技术，根据管轨系统的自身特点，对车载运行控制系统做初步研究。 论文所做的主要工作如下： 第一，描述管轨运输系统试验线的工程概况，分析管轨列车运行控制系统的 工作机理，说明列控的系统功能及总体结构。 第二，根据需求分析，设计了车载运行控制系统的总体结构。针对各个系统 间的信息流向，对系统接口进行了详细设计。 第三，详细设计车载运行控制系统的软件总体结构，将应用控制软件分为速 度曲线处理模块，指令处理模块，与各个部件的通信模块进行分析设计并实现。 第四，根据列控系统的总体结构，搭建调试平台，制定调试目标和相应的调 试策略，编写测试程序。分别进行单系统和联合系统的调试，进而对设计的车载 运控系统进行功能测试和验证。 关键词：车载运行控制系统；管轨运输系统；控制软件 分类号：u 2 9 2 9 2 = 量立蛮道厶堂亟堂位论塞旦墨! 壁gi a b s t r a c t a b s t r a c t ：t u b e r a i lc o n s i s t so fp i p e s ，l i n e a rm o t o r , c a l o rc a r sg r o u p i th a st h e i n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fr a i lt r a n s p o r t a t i o na n de x t e r n a l f e a t u r e so fp i p e l i n e t r a n s p o r t a t i o n i ti st h es i x t hm o d eo ft r a n s p o r tw h i c hi sd i f f e r e n tf r o mt h er a i l w a y s ， h i g h w a y s ，a v i a t i o n ，w a t e r w a y sa n dp i p e l i n e s a l t h o u g ht h eu n i t e ds t a t e sh a sb u i l tam a g n e t i cp i p em o d e ll i n eb a s e do nan e w t y p eo fl i n e a rm o t o ru s e dt ot r a n s p o r t i n gp h o s p h o r i t e ，i ti so n l yc o n s i d e r e da sam o r e c o m p l e xs y s t e md r i v e nb yl i n e a rm o t o r t h a na sat r a n s p o r ts y s t e mi ns y s t e md e s i g na n d e q u i p m e n tc o n f i g u r a t i o n ，w h i c hl a c k sn e c e s s a r yo p e r a t i o nc o n t r o la n do t h e rb a s a l s y s t e m st ob eat r a n s p o r ts y s t e m t r a i no p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ( o c s ) i st h ef u n d a m e n t a lg u a r a n t e eo ft h en o r m a l o p e r a t i o nf o rt h ew h o l et r a n s p o r ts y s t e m ，i tc o m p l e t e st h er u n n i n gc o n t r o lo ft r a i n ， s e c u r i t yp r o t e c t i o n ，a u t o m a t i co p e r a t i o na n dm a n a g e m e n tf u n c t i o n so fs c h e d u l i n gb y l i n k i n gt ot r a n s p o r ts y s t e mv e h i c l e s ，t r a c t i o n ，l i n e s ，s w i t c h e sa n do t h e rd e v i c e so r s y s t e m s o n - b o a r do p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e ma st h ec o r es u b s y s t e mo ft r a i no c sp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei ns e c u r i t ya n dr u n n i n gc o n t r 0 1 i ti st h eb a s i so f t r a i no c sc o m p l e t i n g s y s t e mf u n c t i o n s r e f e r e n c e dt h et e c h n o l o g yo fm a g l e va n dc o n v e n t i o n a lt r a i n ，t h i s t h e s i sd o e st h ep r e l i m i n a r yr e s e a r c ho no n b o a r do p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e mw h i c hb a s e d o nt u b e r a i l so w nc h a r a c t e r i s t i c s r e s e a r c hw o r ki nt h i st h e s i si sf o c u s e do nt h ef o l l o w i n g s ： f i r s t l y , t h eg e n e r a ls i t u a t i o no ft u b e r a i lt e s tl i n ep r o j e c tw a sd e p i c t e d ，w o r k i n g p r i n c i p l eo ft h et u b e r a i lt r a i no p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e mw a sa n a l y s e d ，t h e nt r a i no c s s s y s t e mf u n c t i o na n do v e r a l ls t r u c t u r ew e r ei l l u m i n a t e d s e c o n d l y , t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h eo n - b o a r do p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e mw a s d e s i g n e db a s e do nn e e d sa n a l y s i s t h ed e t a i l e dd e s c r i p t i o no fc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e b a s e do ni n f o r m a t i o nf l o wb e t w e e nt h es y s t e m sw a sg i v e d t h i r d l y , t h eo v e r a l l s t r u c t u r eo fo n b o a r d o p e r a t i o n c o n t r o ls o f t w a r ew a s p a r t i c u l a r l yd e s i g n e d ，t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ew a sd i v i d e di n t os p e e dc u r v ep r o c e s s i n g m o d u l e ，c o m m a n dp r o c e s s i n gm o d u l e ，a n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，a n dt h e n i tw a s a n a l y s e da n dr e a l i z e d f i n a l l y , t h ed e b u g g i n gp l a t f o r mb yt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fo c s w a sb u i l t ，a n d = e 塞銮适厶堂亟堂位迨塞旦曼! b 至 d e b u g g i n gg o a la n dd e b u g g i n g t a c t i cw e r em a d eo f , t h e nt h et e s tp r o c e d u r e sw a sw r o t e t h ef u n c t i o no ft h eo n b o a r do p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e mb yr e s p e c t i v e l yd e b u g g i n go n s i n g l es y s t e ma n dj o i n ts y s t e mw a st e s t e da n dv a l i d a t e d k e y w o r d s ：o n b o a r do p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ；t u b e r a i l ；c o n t r o ls o f t w a r e c l a s s n 0 ：u 2 9 2 9 2 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 豕若 签字同期：阳哆年多月，1 7 t 0 彩7 7 1 岛 角 月 乡 多 年 1 ， 可 氢 一 签 期 百 1 师 日 导 字签 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师徐洪泽教授的悉心指导下完成的，徐洪泽教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 徐洪泽老师对我的关心和指导。 郑伟副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向郑伟老师表示衷心的谢意。 岳强、钟维峰等老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在 此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，周鹏师兄、宿秀元、高春霞等同学对我论文 中的系统功能样机研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢父母及家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 斗k 。 1 引言 1 1课题背景 交通运输是我国国民经济的命脉。当前，我国主要运输装备及核心技术水平 与世界先进水平存在较大差距；运输供给能力不足；综合交通体系建设滞后，各 种交通方式缺乏综合协调；交通能源消耗与环境污染问题严峻。全面建设小康社 会对交通运输提出更高要求，交通科技面临重大战略需求。国家中长期科学和技 术发展规划纲要明确提出了促进交通运输向节能、环保和更加安全的方向发展 的总体思路。 中国煤炭运输主要依靠铁路、公路、沿海和内河水运。铁路是煤炭运输的最 主要方式，中国现有铁路总长为7 6 6 万公里，是煤炭运输最主要的通道，承担了 7 5 的煤炭总运量【l 】，尽管煤炭运量已占铁路货运量的4 5 以上，仍然不能满足需 求，而铁路线路的增长不可能在短期有所突破，因此这一矛盾难以迅速解决；公 路运煤则以短距离运输为主，近几年随着铁路运力的紧张，公路运煤量呈快速增 加的势头。货车作为内陆煤炭运输的主要工具，需要大量的柴油燃料，随着石油 供求关系的制约，也成为能源经济发展的制约。而且柴油发动机污染严重造成坏 境恶化有目共睹，现在节能减排不仅仅是老百姓所关心的，更是我国政府所关注 的，是“十一五”重点任务。 t u b e r a i l ( 管轨运输系统) 系统是一种有别于既有的轮轨( 铁路、城轨) 、公路、 航空、水路、管道交通运输五种方式的新型非粘着运输方式。t u b e r a i l 由管道、车 辆、牵引供电与驱动系统、运输组织、运行控制和运输保障等几个子系统组成， 是管道运输和轨道运输优势的集成体。具有攀登坡度大( 可以攀爬1 0 的坡度) 、 占地少、建设经费低、可编组、运量大、运行平稳、易于实现装运卸完全自动化、 无噪音、无任何排放、环境友好、耗能低、运营维护成本低等优点，是非铁磁物 质货物理想的中短途( 2 0 0 公里以内) 运输方式，尤其对我国煤炭产地从坑口到铁 路编组站或电厂等直接用户之问煤炭运输和改变我国铁路干线煤运集货模式具有 可持续战略意义。 管轨运输系统存在着以下的独特性和突出优点【2 】： 1 ) t u b e r a i l 系统融合了管道运输和铁路运输的优点，既有管道运输的高密闭 性、高安全性、环境友好性( 无污染) 、占地面积小的优点，又有一般铁路运输的 可编组和大运量的优点； 2 ) t u b e r a i l 系统采用直线电机驱动，由于采用非粘着牵引，车组不但具有优 异的爬坡性能，而且能实现真正意义上的全天候运行。管线规划、建设、运营的 难度及费用大大降低； 3 ) t u b e r a i l 系统的车辆采用全动力配置，每辆车下部都安装有一台直线牵引 电机驱动装置，可根据运量需求灵活编组，运能与运量可形成最优匹配； 4 ) t u b e r a i l 系统采用全自动无人运行方式，可通过设定最小发车间隔实现近 乎连续运输；运输保障系统实时连续监控各子系统和设备运行状态，可实现运营 维护成本极小化； 5 ) t u b e r a i l 系统采用电力驱动，不直接消耗化石能源，对环境无污染，是一 种完全绿色的运输方式； 6 ) t u b e r a i l 系统具有可迁移性和可重构性，其各子系统的设计和制造都满足 可迁移的技术要求，可异地重新部署投运。如一旦某矿井煤炭枯竭，即可将与之 配套的t u b e r a i l 系统整体搬迁至新矿井，重新发挥作用，将大大将降低煤炭运输的 一次投资； 7 ) t u b e r a i l 系统具有可裁剪性，其各子系统的设计和制造都可根据矿井煤炭 运量的要求进行灵活地裁剪，更好地适应运量和运输距离的要求。如可根据运能 需求和一次投资能力灵活设定管径、轨距、单车载荷等参数，形成同一结构下具 有不同几何级电气参数的t u b e r a i l 系统。 根据世界煤炭研究所估计，世界煤炭成本的7 0 为运输费用。每年至少为8 0 亿美元。中国是最大产煤国，每年煤炭产量为2 0 亿吨，占全球的五分之二。由于 中国石油资源匮乏，占一次能源消费比重高达2 3 以上的煤炭是中国能源的基础， 而工业布局与煤炭资源的错位，又要求北煤南运、西煤东运【3 j 。 如t u b e r a i l 系统在我国煤炭主产地得到规模部署，将从根本上改变我国现行以 汽车运输和铁路专用线为主的煤炭集货模式、根本改变我国货运铁路干线术端接 入运输能力布局和运行模式、铁路与海港货运码头联运方式和运行模式，其技术、 经济、环保效益巨大，既可解决制约我国煤炭运输瓶颈问题，又可带动相关高新 技术产业发展；如推广至除煤以外的其他非铁质物质货物运输，其社会经济意义 更加不可估量。 综上所述，本课题所研究的管轨运输系统可以高效率地攀登采煤区域附近普 遍存在的困难地形，它具有攀登陡峭的坡度、占地最小化以及缩短至铁路线的运 输通道等能力。该技术在我国的煤炭运输行业中应用，将对节约成本、节能减排、 提高煤炭资源利用率将做出重要贡献。 2 些巫奎迪厶芏堕芏垃j 盒塞 - i直 1 2 国内外研究现状 1 2 1管轨运输系统研究现状 9 0 年代美国磁悬浮飞机技术公司将磁悬浮飞机概念简化后，提出可以将永磁 直线同步电机用于矿石的运输，并于2 0 0 0 年在美国佛罗里达州i m c g l o b a l 磷矿 建造了一条2 7 5 米，直径为6 l 厘米的磷矿新型磁管道运输示范线。并在该线上对 管道的设计和制造舰范包括管道材质、联接、磨损、附属设各安装进行了全面的 研究，用以和传统交通工具在投资成本、运行成本、环境影响，能源消耗等方面 进行比较评估。其内部结构示意图及外形图j i l 图卜l ，1 - 2 ，其中( i ) 玻璃纤维管：( 2 ) 直线同步电机线圈；( 3 ) 叠层金属背板；( 4 ，5 ) 钕铁硼永久磁铁；( 6 ) 磁铁垫铁；( 1 1 ) 线圈支架；( 1 7 ) 2 7 0k g 有效载物；( 2 0 ) 舱轮缘；( 2 3 ) 定位滑行轮。 削i - 1 新型直线电机运输系统结构示意图 f i g u r e l - 1s i a u c t u t e d i a 掣a mo f n e w t y p e t r # l b p o t ls y s t e m o f l i m a r m o t o r 附1 也正视幽，展示管内小车，定位滑行轮 f i b r e i - 2 e l e v a t i o n s h o w t h e t r a i n i n t h e b t l o c a t i o a s l i d i n g - w h e e l 美国磁悬浮飞机技术公司研制的磁管道运输系统，其牵引采用的是永磁长定 子直线同步电动机，具有较高的效率和功率因数，它采用了永磁直线同步电机提 供牵引力，永磁体采用的是h a l b a c h 阵列结构形式，放置在运矿车的底部。电机原 边绕组采用的是无铁芯长定子结构形式，沿管道分段不连续布置，一般情况下每 隔5 0 米布置6 米。运矿车由位于管道内的工字梁固定，以防止滚动，并且运矿车 底部安装有支撑轮。每个运矿车还装有一个由电池供电的齿轮电机，在故障时拖 动运矿车移至有电机原边绕组的位置上。电机的控制采用无位置检测的丌环w v f ( 交流变频器) 控制模式。 美国尽管在佛罗罩达州建造了一条磷矿新型直线电机运输示范线，但是存在 以下问题： 1 ) 仅做了单车试验，缺少多车运行的经验和试验测试数据： 2 ) 美国在建造该示范线时，在系统设计和设备配置等方面仅将其视为一个较 复杂的直线电机驱动系统，而不是将其当作一个交通运输系统来考虑，缺少作为 一个交通运输系统所必需的运输组织、运营保障、牵引控制和运行控制等基础系 统和设施； 3 ) 美方所设计的磁管道运输系统还存在初投资过高、运营维护量较大的问题， 需要根据煤炭运输的特点进一步优化，降低初投资和将来的运营维护费用。 国内对新型直线电机运输系统的研究基本处于冈i j nj 起步阶段，但新型直线电 机运输系统所涉及的管道、车辆、直线电机、牵引供电及驱动控制、运行控制、 运输组织、运营保障及系统集成等关键技术，我国不少的研究院所和高校都已开 展了大量的研究丌发工作。如北京交通大学在牵引变流、运行控制、运输组织和 运营保障等方面，中国科学院电工研究所在大功率直线电机的优化设计和牵引控 制等方面，大功率电机的制造等方面都具有扎实的技术积累。 1 2 2车载运行控制系统研究现状 在本课题所研究的管轨运输系统中， 常运转的根本保障，它通过计算机控制、 列车运行控制子系统是整个运输系统正 计算机网络、通信及信息处理等技术与 运输系统的车辆、牵引、线路及道岔等设备或系统相连，完成对列车运行控制、 安全防护、自动运行及调度管理等功能【5 】。而车载运行控制系统作为列车运行控制 系统的核心部分，具有超速防护、零速度检测和车门控制、自动驾驶等功能。在 列车运行控制系统中，列车自动驾驶和自动监控子系统都是依托车载运行控制系 统而工作。因此，车载运控承担着确保行车安全的重要职责。本课题研究的车载 运行控制系统的要完成的功能和列车超速防护系统( a t p ) 车载设备具有相似性， 所以本文是以铁路a t p 系统为基础的。 在西方发动国家，对a t p 系统的研究开展较早，技术比较成熟，这与他们高 速铁路发达有很大的关系。同本于1 9 6 4 年交付使用了世界上第一条高速铁路一东 海道新干线，其以机控为主、设备优先的列车自动控制系统，使列车在高速度、 4 = j 量塞童适厶堂亟 堂 篷 途塞生i盍 高密度运行的条件下，安全运行4 0 多年。法国c s e e 公司尘产的t v k 4 3 0 系统粟 用集中结构方案，双机热备，具有较高的可靠性及安全性，他们的u t 系列列车 a t p 系统也有着成熟的运行经验。瑞典a d t r a n z 公司生产的e b i c a b 9 0 0 列车控制系 统结构采用分散式模块方式，通过网络连接，以点式应答器方式实现车地信 息传输。s i e m e n s 公司研制的l z b 列车控制系统最大特点是采用轨面环线方式进 行车地信息传输。欧洲的e r t m s 系统采用无线传输方式，列车以移动闭塞方 式运行。他们的a t p 设备从功能上融向列车自动控制( a t c ) 、歹i j 车自动驾驶( a t o ) 甚至列车自动运营方向发震，车载控割设备与地嚣信号设备紧密结合，形成了系 统【6 】1 7 】【8 j 。 2 0 世纪8 0 年代初，我国全路大部分机车都已安装了机车“三大件 ( 机车信 号、自动停东和无线列调) ，行车安全性有很大提商，但还存在不少问题。鉴于这 一形势，国内多家单位积极歹 震列车超速防护系统( a t p ) 的研究，探索牵豳铁路 列控系统发展之路。但既有闭塞制式的复杂多样性和既有观念的束缚，使得列车 超速防护系统的研制止步于试验阶段一j 。 1 9 8 5 年我雹开始酝酿雩| 迸国外的无缘轨道电路和车载a t p 系统。郑武线电气 化工程中率先引进u m 7 l 无绝缘轨道电路自动闭塞和t v m 3 0 超速防护系统，推动 了我国多信息速差式自动闭塞和列车超速防护的发展。郑武线的引进不仅使我们 接触到囡终的先进技术，更主要的是学习到了薪的理念。作为车载超速防护的基 础地面u m 7 1 系统以及国产化的u m 7 1 系列设备，随着郑武、京郑、广深、 哈大、武广、京山、沈山等繁忙干线的成功应用，以其轨道电路可做到次调整、 有断轨检查、抗干扰性强和工作稳定等显著优势，得到用户的广泛认可，逐步成 药我国铁路鲁动闭塞铡式的主流。圈样受到中酲国情所限和诸多菲技术原嚣，使 得成功应用在3 0 0 k m h 高速列车上的t v m 3 0 0 系统，在时速1 2 0 k m h 的中因列车 上应用并不理想。 1 9 9 5 年，国建“八五攻关项圈“l s k 旅客列车速度分级控制系统”在广深 线1 6 0 k m h 2 0 0 k m h 的列车上投入运营，对列车安全，高速的运行起到了保障作 用。l s k 系统作为我困自行研制的准高速旅客列车超速防护系统，在“人机联控、 人控优先的设计原则下结合信号安全技术、机电控制技术、计算机和网络通信 技术，以及可靠性和故障安全理论，构成薪型入机关系的簧号全权防护系统，并 首次以车载信号作为行车凭证，实现了我国超速防护系统历史性的突破。 1 9 9 5 年以后，出列车运行记录器发展起来的列车运行监控装置，以其特有的 车载线路数据存储方式，受到应用主管郝f 了的鸯定并迅速在全照推广。至隧莳， l k j 9 3 监控装置加通用式机车信号的车载控制模式已覆盖全路绝大部分机车u 翻。 2 0 0 1 年，l k j 9 3 的替代产品l k j 2 0 0 0 车载控制设备投入使用，监控模式在 5 我围进一步发展。但这种控制方式与图际公认的超速防护系统存在一定距离。作 为l k j 控制的基础机车信号系统，尚不能达到主体化的要求；作为连续信息 的补充点式情息，尚未在列控系统中广泛采用；作为安全的控制输出，还必 须依赖司机的正确操作等等这些，将是安全隐患，并随列车速度的提高而突出。 作为超速防护系统，如基本功能、人机界面、相应的规范和标准不完善；管理者、 研制者、使用者和维护者认知水平存在较大差异，将很难使我国铁路列控系统的 研究达到一个新层次。 今天，随着既有线提速，准高速及客运专线的丌工建设，a t p 在保证到车安 全运行方面显得尤为重要。事实证明，在列车高速运行的条件下地面信号难以辨 认，没有a t p 的车载信号方式难以适应缩小的行车间距。以地面自动闭塞为基础， 以车载信号为行车凭证的列车运行控制系统势在必行。目前我国铁路信号领域能 适应的客运专线，高速铁路以及地铁运输需要的列控系统相对落后，已经成为制 约发展的瓶颈。 1 3 研究基础及研究内容 本课题研究的管轨运输的车载运行控制系统，但对该课题的研究不是从零开 始的。主要以上海磁悬浮和北京机场线运行控制系统为模型，结合现场应用研究 车载运控的工作机理。本课题对于车载控制主机的软件丌发是基于v x w o r k s 实时 操作系统平台之上的，已有前人完成了操作系统的剪裁、板级支持包( b s p ) 配置 以及设备驱动的开发等前期工作。在此基础上，主要针对整个车载运控系统的单 机功能进行设计和实现，并在现有的硬件环境下完成调试验证。 一各章内容安排如下： 第一章介绍管轨运输系统，分析了其研究背景；阐述了管轨运输系统及车载 运行控制系统( 列车超速防护系统) 的国内外研究及应用现状。 第二章具体描述了管轨运输系统试验线的工程概况；分析了管轨列车运行控 制系统的工作机理及系统功能和总体结构；根据功能需求，设计车载运控的总体 结构和系统间的接口规范。介绍车载安全计算机硬件设备。 第三章介绍实时操作系统软件平台；分析设计了车载运控的应用软件结构， 并针对各软件子模块进行功能实现；阐述了速度防护曲线的计算方法。 第四章制定调试目标和调试策略，分成单机调试和系统联调对本系统功能进 行测试和验证。 第五章总结论文所完成的工作，并提出下一步的研究内容。 6 2 管轨车载运行控制系统设计 2 1试验线工程概况及运行机理 ( 1 ) 工程概况 本文所研究的管轨运输系统是在综合管道运输和铁路运输优点的基础上提出 来的一种革命性新型运输方式，它既具有轨道运输的内在特征，又兼有管道运输 的外在特点，是有别于铁路、公路、航空、水路、管道交通运输五种运输方式的 第六种运输方式。管轨运输系统由管道、车辆、牵引供电与驱动系统、运输组织、 运行控制和运输保障等几个子系统构成，每个子系统都包含自身的关键技术。下 面针对在内蒙古建设的管轨试验线进行工程概况的描述。 1 ) 线路轨道【l l 】 线路总长约6 5 0 米( 含道龠3 组，1 0 坡道6 0 米，弯道l 处) ，有地面、 高架、掩埋和半掩埋4 种线路结构； 轨道采用通用的米轨； 沿线安装有：转线道翁、牵引用铝板、授电网等功能部件。 图2 1 线路纵断面示意图 f i g u r e2 - 1v e r t i c a ls e c t i o nd i a g r a mo f l i n e 2 ) 车辆 车辆具备紧急制动机构及其控制单元，紧急制动采用抱轴机械制动，该机构 与牵引控制系统相连并直接受控于牵引控制系统，并提供运行控制系统的安装环 境及空间。 3 ) 牵引供电系统( a c d c ) 地面牵引变电站内设有牵引供电系统，把1 0 k v 交流电经过转化变成7 5 0 v 直 流电传送到各车辆的牵引变流器。 4 ) 牵引控制系统 牵引控制系统在车上，其弱电部分主要集中在头车，中问车可在一定范围自 由编组，该系统分别与车载运行控制、紧急制动机构、车门相连。 7 每一辆小车的下部都装有一台牵引变流器、一套子牵引控制系统和一台直线 牵引电机原边。除此之外，在第一辆小车的底部还装备有一套主牵引控制系统和 车辆位置及速度的检测设备，还有运控和车地通信设备等。 5 ) 牵引方式 车辆采用直线感应电机牵引方式，可以运行在陡坡和小半径的线路上，这对 线路选择具有较大的自由度，相对较低的建设和运行维护成本极具竞争力。 一般旋转型的电动机是圆筒形的定子包围着圆柱状的转子，定子形成磁场， 通过电磁感应，使转子产生旋转力矩。直线感应电机则是将这两个圆形部件展开 成平板状，定子在相应于转子移动的长度方向上延长，转子通过一定的方式被支 撑起来，并保持稳定，形成转子和定子之i 日j 的空隙，如图所示。直线感应电机的 初级( 定子) 装在车辆上，而感应板( 转子) 则固定在轨道中间。 旋转电扭 毫面卷应板 晨秀 图2 - 2 直线电机原理图 f i g u r e2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fl i n e a rm o t o r 产生推力的原理与旋转电动机产生力矩的原理一样。直线感应电机初级产生 沿前进方向的行波磁场，感应板产生感应电流( 涡流) ，由感应电流切割磁场产生 的力作为反作用力，推动初级前进。通过改变磁场的方向，产生反向推力，使初 级制动或后退【12 1 。 6 ) 绝对定位装置 绝对定位采用格雷母线定位装置获得，格雷母线位置检测装置主要包括格雷 母线、天线箱、地址编码发射器和地址编码接收器4 个部分。其结构见图2 3 所示： 图2 - 3 格雷母线 ：置检测装置框图 f i g u r e2 - 3g r a yb u sp o s i t i o nd e t e c t i o nd e v i c ed i a g r a m 地址编码发生器：地址编码载波信号的发生和功率放大； 天线箱：天线箱将信号送给格雷母线标准线、交叉线。 格雷母线：通过互感耦合检测地址编码载波信号； 地址检测单元：完成位置地址信号的解码，并将解码后信号传到p l c 单元； 格雷母线位置检测传感器以相互靠近的扁平状的格雷母线和天线箱之间的电 磁耦合来进行通信，并在通信的同时检测到天线箱在格雷母线长度方向上的位置。 格雷母线位置检测有两种工作方式：地上检测方式：地址编码发射器安装在小 车上，通过格雷母线接收地址信号，地址解码器安装在固定站上，在地面站完成 地址检测；车上检测方式：地址编码发射器安装在固定站，通过格雷母线芯线 发射地址信号，天线箱、地址解码器安装在移动电机车上，电机车直接检测到地 址【1 3 1 。 本方案选择格雷母线通讯定位装置的精密车上检测方式，在机车上获取检测 到得地址信息，其检测精度为5 m m 。 7 ) 测速定位装置 相对位置的检测通过霍尔传感器测速装置获得，霍尔传感器是利用霍尔效应 实现磁电转换的一种传感器，它具有灵敏度高，线性度好，稳定性高、体积小和 耐高温等特点，在机车控制系统中占有非常重要的地位。所设计的基于霍尔元件 的脉冲发生器要求成本低、构造容易、性能好。在机车电气系统中存在着较为恶 劣的电磁环境下，具有较强的抗各种干扰脉冲的能力，同时不受脉冲干扰引起输 出信号的不稳定【1 4 】。 测速定位装置不断地检测车列的实时速度，这是车载运行控制系统超速防护 起作用的重要依据，另外测速定位装置还不断计算车列的走行距离( 相对位置) ， 车辆的实际定位靠绝对定位加相对定位获得的。在线路上每隔一定距离就会铺设 地址编码发生器，每当车列经过时获得此时的绝对位置，在此基础上实时累加测 速装置获得的相对位置，经过计算得到车列的实际位置，当经过下个地址编码发 生器时，车列位置信息刷新，在此基础上继续新的累加计算。 9 些压窑垫厶芏塑土王位睦塞置盐工越垡堑控劁墨筮逵让 蜜物吲如下所示： ， 。 一 啊啊 阿2 4 测述定位袈置实物削 f i g u r e 2 j , a c t u a lp i c i u r e o f s p e e da n d p o s i t i o n m e a s u r e a n 蜘t d e v i c e 8 ) 制动控制板 车辆采用电磁制动器，由各车子牵引控制器控制其动作，进行基础制动。前 车轴与后车轴上的各两只制动器分别组成一组。日口车轴或者后车轴上的两只制动 器动作时为常规制动，紧急制动时前后车轴旧只制动器全部动作。 ( 2 ) 运行机理 根据下图对管轨运行控制系统的工作过程进行说明 。 装车端停车线 竺0( 而：i 影 、! ￥j 7 f 牟- 卸车端停车线 卸车点 l 8 刨 削2 - 5 运行控制系统1 = 作过程示意幽 f i g u x e 2 - 5 w o r k i n g p r o c e s s d i a g r a mo f o p e r a t i o n c o n t r o ls y s t e m 图中：a 为停在装车端停车线的空车； b 车正在装煤； c 和d 为行驶在中途的满载车； e 车工f 在卸煤； f 为停在卸车端停车线的空车； g 为行驶在中途的空车。 假设现有a 车在规定的时间内到装车点装煤，并在规定的时b j 要到达卸车点 卸煤，初始状态为上图所示a 车状态。则大致运输过程如下几步： 确定运输计划：操作人员( 或运输组织系统) 通过中央运行控制系统指定 a 车在规定的时闻内到装车点装煤，并在规定的时间到达卸车点卸煤； 行车至装车点：地面控制系统根据针对a 车的指令，计算进路，进路确定 并判断联锁条件是否满足，如果条件满足，给a 车授权移动并指挥a 车以指定 的某低速度经过道岔1 折返至装车点，在此过程中始终判断部分联锁条件是否满 足； 装车：地面与车载运行控制系统配合，指挥牵引系统把车列准确停在指定 位置；如果联锁条件满足，则丌始装车； 发车：地面与车载运行控制系统配合，判断联锁条件是否满足，如果满足， 则地面运行控制系统给指定列车发移动授权，指挥牵引系统把车列开往卸车点； 追踪：实现列车自动驾驶及安全防护功能，即车载运行控制系统，根据前 车的实时速度及位置信息，实时计算防护曲线并指挥牵引系统实现列车安全高效 追踪运行，实时监控速度位置、列车车门等状态，如果出现不正常状况，则实施 相应制动。 进站并卸车：地面与车载运行控制系统配合，判断联锁条件是否满足，如 果满足，则指挥牵引系统按指定速度把车列丌到卸车点并卸车。 从卸车端丌往装车端的情况是以上过程的逆过程，大体情况与以上相同。 2 2管轨运行控制系统总体结构 ( 1 ) 运行控制系统总体需求分析 管轨列车运行控制子系统是整个运输系统正常运转的根本保障，运行控制子 系统从运输组织子系统接受针对列车或轨道的命令，通过与牵引控制子系统的报 文交互，控制列车按照既定的列车运行图运行或者运输组织子系统的手工操作命 令运行。同时，运行控制子系统通过对装卸台子系统，道岔子系统，列车位置的 控制和检测，保证列车的安全运行。运行控制子系统还向运输子系统和安全监控 子系统发送列车状态，轨道状态等信息。根据运行控制子系统在整个管轨运输系 统中所起的作用，归纳运行控制子系统所提供的主要功能： 1 ) 运行指挥功能 主要指人机交互功能，实现操作人员的操作表示、行车指挥功能，同时实时 显示如地面道俞，办理进路，列车速度，列车位置等各种信息状态。 2 ) 安全防护功能 联锁控制功能：主要实现道岔、轨道、装卸台、车列( 牵引控制) 、车门 等设备或系统间的联锁控制及安全防护、监控功能； 速度防护与控制：实现列车速度防护曲线的计算，保证列车的运行速度不 超过防护速度，确保列车的运行安全。 列车移动授权、间隔控制功能：根据行车需求，并判断区间空闲和进路解 锁等信息后向列车发送移动授权，从而保持自订后两列车间一个安全的距离。 3 ) 其他功能 自动驾驶及定位装卸功能：列车根据速度防护曲线拟合运行曲线，追踪此 曲线实现列车的自动驾驶，并根据运输任务在目标点实现准确停车，进行装卸操 作。 列车定位：列车定位功能是用来安全准确地确定列车的位置和速度的，这 是实现速度防护等功能的基础。 ( 2 ) 运行控制系统总体结构分析 根据运行控制系统的所要完成的功能把管轨运行控制系统功能分解到多个子 系统中，结构图如下所示，运行控制系统主要可以分为两个部分，地面部分和车 载部分，其中地面部分包括中央运行控制系统和地面运行控制系统。地面部分与 车载部分通过车地通信系统进行通信，中央运控与地面运控通过工业以太网相连 接。 中央运行控制系统 地面运行控制系统 广 车地无线通信 ( ) ( ) ( ) ) ( ) ( x ) ( ) ( x ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( xxxx xxxxx ) ( ) 图2 - 6 运行控制系统的结构图 f i g u r e2 - 6s t r u c t u r ed i a g r a mo fo p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e m 中央运行控制系统：中央运行控制系统是整个运行控制系统的指挥调度中心， 它负责列车运行的自动和人工调度管理与监控。操作人员( 或运输组织系统) 可 以通过中央运行控制系统发送行车计划，同时中央运控还实时显示地面和列车的 各种状态信息，其中比较特殊的是车载m m i ( 人机交互界面) 的功能移至中央控 制系统，显示列车的防护曲线和运行曲线，实现对列车远程操作与速度监督。 地面运行控制系统：实现车列( 牵引控制) 、道岔、轨道、装卸台等设备或系 统| 、日j 的联锁控制及安全防护功能：发送移动授权、控制列车运行间隔。与车地通 信设备通过有线网络相连。 车载运行控制系统：与牵引控制系统相配合，主要实现列车的防护功能和车 载控制功能。 1 2 2 3管轨车载运行控制系统设计 2 3 1车载运行控制系统需求分析 管轨车载运行控制系统包括安全控制主机，绝对定位装置，车地通信车载部 分等设备，它与牵引控制系统和地面运控等部件一起协同工作，保证列车安全运 行。车载运行控制系统接收来自地面运行控制系统、或者驾驶员控制台( 设在地 面上) 的控制指令，控制并管理管轨列车的安全运行，同时接收列车的速度和位 置信息，以及列车的各种状态信息，并把这些信息传递给地面控制系统，通过列 车问的安全l 日j 隔、超速防护及车门控制来保证列车运行畅通。在本课题中采用移 动闭塞技术，移动闭塞技术在对列车的安全间隔控制上更进了一步。通过车载设 备和地面设备不问断的双向无线通信，地面运行控制系统以一定时间间隔或连续 的向列车传递速度控制信息。车载安全控制主机可以根据列车实时的速度和位置 动态计算列车与下一目标点间最大制动距离。列车的长度加上这一最大制动距离 并在列车后方加上一定得防护距离，便组成了一个与列车同步移动的虚拟分区。 由于保证了列车前后的安全距离，两个相邻的移动闭塞分区就能以很小的间隔同 时前进，这使列车能以较高的速度和较小的间隔运行，从而提高运营效率。移动 闭塞的线路取消了物理层次上的分区划分，而是将线路分成了若干个通过数据库 预先定义的线路单元，单元的数目可随着列车的速度和位置而变化，分区的长度 也是动态变化的。移动闭塞系统中列车和地面设备必须保持连续的双向通信。列 车不间断向地面传输其标识、位置、方向和速度，地面根据来自列车的信息计算， 确定列车的安全行车间距，并将相关信息( 如先行列车位置，移动授权等) 传递 给列车，控制列车运行。 从以上运行过程可以看出，列车的安全防护的实现主要依靠地面运行控制系 统和车载运行控制系统两部分合作完成。地面部分主要完成两个防护功能：联锁 功能和列车安全间隔功能，由于这两个防护功能的实现是由地面运行控制系统完 成的，在此不做赘述。 车载运行控制系统和牵引控制系统配合实现列车的控制和安全防护，基本功 能如下： 1 ) 安全停车点的防护功能 为确保安全，车载运控在进行制动距离计算时要留有一定的裕量，这种设计 称作安全停车点的防护。比如列车在进站停车时，车档处为轨道的终点，在距离 车档前一个l 的距离处设置一个p 点，p 点即为安全停车点。在任何情况下，停 车时必须保证列车车头前端不超过p 剧1 5 】。如图所示： 蛐线s ll i i p ! 停车点卜_ 一一 - i 车档 l 图2 7 安全停车点的防护 f i g u r e2 7p r o t e c t i o no fs e c u r i t yp a r k i n gs p o t s 2 ) 列车速度监控和超速防护功能 速度监控和超速防护是车载运控最基本的功能之一。列车的速度限