（交通信息工程及控制专业论文）管轨运输地面运行控制系统原理样机的设计与实现.pdf

中文摘要 摘要：管轨运输系统( t u b e r a i l ) 是一种在管道中运行的直线电机轮轨运输方式， 美国公司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，缺少作为一个交通运输系统必需的运行控制等基础系统和设施。管轨运输在 运行控制系统研究方面还是空白。 t u b e r a i l 系统不再设置信号机和轨道电路，轨旁设备只有道岔设备；运行线路 不存在实际的轨道区段，只存在逻辑上的区段。t u b e r a i l 列车运行控制系统基于无 线的车地通信模式，采用移动闭塞方式；对车站和区间实行一体化控制，实现管 轨运输整个过程的运行控制以及自动装卸功能。 本研究课题以示范线建设为背景，借鉴轮轨列车运行控制系统的成功经验， 研制具有自主知识产权的管轨运输列车运行控制系统，为我国管轨运输产业化奠 定技术基础。 论文所做的主要工作如下： 第一，研究管轨运输的工作过程并对管轨列车运行控制系统进行了功能需求 分析，在此基础上设计管轨运输地面运行控制系统的系统结构。 第二，搭建管轨运输地面运行控制系统的硬件平台，介绍了安全计算机性能 ( 重点在于内核、通信和输入输出电路的实现) 。 第三，根据管轨运输地面运行控制系统结构进行软件需求分析，完成了管轨 运输地面运行控制系统的软件总体结构设计，并基于v x w o r k s 系统编制了软件。 第四，设计调试策略，完成管轨运输地面运行控制系统原理样机调试和整个 管轨列车运行控制系统的联合调试。 关键词：管轨运输；地面运行控制系统；控制软件 分类号：u 2 8 4 3 7 a bs t r a c t a b s t r a c t ：t u b e r a i ls y s t e mi ss u c ham o d eo fw h e e l r a i lt r a n s p o r t a t i o nt h a t1 s o p e r a t e di nat u b e r a i l a sf o rs y s t e md e s i g na n de q u i p m e n ta l l o c a t i o n ，t h et u b e r a i l s y s t e mi so n l yt a k e na sac o m p a r a t i v e l yc o m p l i c a t e dl i n e a rm o t o r - - d r i v e no n eb y a m e r i c a nc o m p a n y , l a c k i n gt h eb a s i cs y s t e m so fo p e r a t i o nc o n t r o la n de q u i p m e n t s w h i c ha r ei n d i s p e n s a b l ei nar a i lt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，a n di ti ss t i l lb l a n ki nt h ef i e l do f o p e r a t i o nc o n t r o ls t u d yo nt u b e r a i lt r a n s p o r t a t i o n t h et u b e r a i ls y s t e mh a sn ot r a c kc i r c u i to rs i g n a l a n dt h eo n l ye q u i p m e n t sb e s i d e t h er a i la r et r a c ks w i t c h e s ；t h e r ew i l lb en op r a c t i c a lt r a c ks e c t i o n sb u tl o g i c a lo n e s t h e t u b e r a i lo p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e mi sb a s e do naw i r e l e s st r a i n - g r o u n dc o m m u n i c a t i o n m o d ei nam o v i n gb l o c kw a y ；i ti m p l e m e n t sa ni n t e g r a t e dc o n t r o lo v e rt h es t a t i o n sa n d t h es e c t i o n sf o ro p e r a t i o na n da u t o m a t i cl o a d i n g u n l o a d i n gd u r i n gt h ew h o l ep r o g r e s s o f t u b e r a i lt r a n s p o r t a t i o n t a k i n gt h em o d e ll i n ec o n s t r u c t i o na sb a c k g r o u n da n dd r a w i n gt h es u c c e s s f u l e x p e r i e n c eo ft h ew h e e l r a i lt r a n s p o r t a t i o no p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，t h i ss u b j e c to f r e s e a r c hd e v e l o p e dat u b e r a i l t r a n s p o r t a t i o no p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e mp o s s e s s i n g i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y i ti sf u n d a m e n t a lt ot h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n to f o u rt u b e r a i lt r a n s p o r t a t i o na n di t sf u r t h e ri n d u s t r i a l i z a t i o n t h ep a p e rh a sb e e ni n v o l v e di nt h ef o l l o w i n gw o r k ： f i r s t l y , s t u d y o nt h ew o r k i n gp r o c e s so ft u b e r a i lt r a n s p o r t a t i o n ；a n a l y z et h e f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fo p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e mf o rt h et u b e r a i lt r a i n s ；a n do nt h i s b a s i sc a r r yo u tas y s t e ms t r u c t u r a ld e s i g nf o rt h eg r o u n do p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e mf o r t u b e r a i lt r a n s p o r t a t i o n s e c o n d l y , e s t a b l i s ht h eh a r d w a r ep l a t f o r md e s i g no fg r o u n do p e r a t i o nc o n t r o l s y s t e mf o rt u b e r a i lt r a n s p o r t a t i o n ，i n t r o d u c es a f e t yc o m p u t e ra n dt h ek e yp o i n t sa r e t h e r e a l i z a t i o no fi t sk e r n e l ，c o m m u n i c a t i o na n di n p u t o u t p u tc i r c u i t t h i r d l y , a n a l y z et h es o f t w a r er e q u i r e m e n t sa c c o r d i n gt ot h eg r o u n do p e r a t i o n c o n t r o ls y s t e mf o rt u b e r a i la n da c c o m p l i s ht h es o f t w a r eg e n e r a ls t r u c t u r ed e s i g no f g r o u n do p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e mf o rt u b e r a i la sw e l la sr e d u c ei t ss o f t w a r eb a s e do n v x w b r k s f i n a l l y , d e s i g n t h e c o m m i s s i o n i n gs t r a t e g i e s c o m p l e t e t h e c o m m i s s i o n i n ga n dt h ec o m b i n e dc o m m i s s i o n i n go ft h eo v e r a l lg r o u n d p r o t o t y p e o p e r a t i o n = e 丞銮适厶：羔亟堂位途塞旦墨! 壁至 c o n t r o ls y s t e mf o rt u b e r a i l k e y w o r d s ：t u b e r a i l ；g r o u n do p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ；c o n t r o ls o f t w a r e c l a s s n o ：u 2 8 4 3 7 v 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。 一躲恤蝌矽铂日 5 2 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： 签字日期： 勿 z 别7 年 ， 导师虢缉多 签字日期：) 刃佴月脚 、 日 能舢 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 谨的治学念度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 徐洪泽老师对我的关心和指导。 徐洪泽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，在此向徐洪泽老师表示衷心的谢意。 郑伟、刘湘黔副教授以及岳强、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问，周鹏师兄、宋岩、赵斌、高春霞等同学对我 论文中的控制软件的逻辑研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之 k e i 同0 另外也感谢我的父母及家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 ：止斑奎通厶堂亟堂垃监主 i l 直 l 引言 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k = _ 勾76 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，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 煤则咀短距离运输为主，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环境恶 化有目共睹，现在节能减排是我国政府所关注的，是“十一血”重点任务i lj 。 本项目所研究的新型直线电机运输系统，采用直线电机推进，具有攀登坡度 大、占地少、建设经费低、时速快、运行平稳、易于实现自动控制、无噪音、无 害废气排出、利于环境保护、运营维护和耗能费用低等优点，是2 1 世纪理想的煤 炭运输方式。 1 i 管轨运输系统的发展 9 0 年代美国磁悬浮飞机技术公司在进行磁悬浮飞机研发时同时开展了磁管 道输运系统的研发，并于2 0 0 0 年在美国佛罗里达州 m c - g l o b a l 磷矿建造了一条 2 7 5 米，直径为6 1 厘米的磷矿磁管道输运示范线。如图1 - 1 所示： 幽i 1 美国磁管道试验线 f i g u r e l - l a m e i c a n m a 鲫e t i c t u b e w a i l l i n e 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。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开环v v v f 控制 模式。 虽然美国最先开展了直线电机驱动的轮轨运输研究，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，缺少作为一个轨道交通运输系统必需的运行控制等基础系统和 设施。t u b e r a i l 系统是一种在管道中运行的直线电机轮轨运输方式，其实质是直线 电机的轮轨交通，只是把轨道铺在了管道之中，与外界环境相隔绝。直线电机轮 轨交通是介于磁悬浮与传统轮轨交通之间的交通方式，在支承方面与轮轨系统相 同，但在驱动方面却采用了磁悬浮铁路的驱动方式【l 】。 2 0 世纪8 0 年代中期，加拿大多伦多的s c a r b o r o u g h 和温哥华s k y t r a i n 这两条 直线电机轨道交通线路在世界上率先开通后，这种靠直线电机( l i m ：l i n e a r i n d u c t i o nm o t o r ) 牵引的新型轨道交通方式便很快引起了世界城市轨道交通界的关 注。与采用旋转电机牵引的轨道交通方式相比，直线电机轨道交通方式的突出优 点表现在： 1 ) 利用直线电机扁平的行装特点，可降低车辆地板高度，从而减小隧道断 面积，节约建设成本； 2 ) 直线电机牵引属非粘着驱动，列车爬坡能力强； 3 )直线电机属直接驱动方式，无需减速齿轮等驱动装置易于采用径向转向 架，列车过小半径曲线能力强； 4 ) 选线灵活，可缩短线路建设长度，降低建设成本。直线电机车辆不受轮 轨之间粘着限制，因此具有较好的爬坡能力。常规铁路的坡道一般不超过3 4 ， 采用直线电机后坡度可以增加一倍，可达6 8 。因此非常适合城市轨道小曲线、 大坡度性能的需要。有利于城市轨道交通选线，达到较好的工程、经济性能。 5 ) 良好的牵引和制动性能。将直线感应电动机的定子部分安装在车上，转 子部分变成一条感应轨，铺设在两条走行轨之间。当通过电流时，定子和转子两 部分产生的磁场相互作用，直接拖动车辆运行或实现车辆制动。由于牵引力和制 动力均来自磁场间的相互作用，这种非粘着性驱动不受车轮与轨道间摩擦系数的 影响，与普通标准地铁相比，可产生较高的启动加速度和制动减速度【2 】。 正是因为这些优点，紧随加拿大之后，美国、马来西亚、日本、中国等也先 后开通了直线电机轮轨交通线路，目前世界上共开通了1 0 多条这种方式的线路【3 】。 2 表1 1 直线电机轮轨交通的廊刚情况 t a b l e1 一la p p l i c a t i o ns t a t u so fw h e e l r a i lb a s e do nl i n e a ri n d u c t i o nm o t o r 线路名称开通时间年线路长度k i n 加拿人温哥华s k y t r a i n 1 9 8 65 l 加拿人多伦多s c a r b o r o u g h 线 1 9 8 56 4 马米两证占隆坡p u t r a 系统 1 9 9 82 9 4 美国底特律d p m 系统1 9 8 7 4 8 关国纽约旨尼迪机场线2 0 0 31 3 日本人阪市营地铁7 线 1 9 9 01 5 日本尔京都营地铁1 2 号线 1 9 9 l3 8 7 日本神户市营地铁海岸线2 0 0 27 9 日本横滨市营地铁4 号线 2 0 0 0 首期1 3 日本福i ) q 市营地铁3 号线 2 0 0 61 2 7 中国北京地铁机场线 2 0 0 82 2 5 1 2 地面运控系统的研究现状 地面运行控制系统是列车运行控制系统的核心，对于保障列车安全运行以及 提高行车效率，具有十分重要的作用。从铁路的产生就伴随着列车运行控制系统 的发展。 1 8 2 5 年9 月2 7 日第一条铁路在英国诞生，为了在保证运输安全的前提下提高 运输效率，1 8 3 0 年出现了铁路信号；将铁路线路划分为车站和区间，车站之间的 线路称为区间。信号只出现在车站，主要功能是用于指挥列车的进站、出站以及 列车在站内的运行。区间没有信号，因此一个区间只能运行一辆列车。随着信号 和道俞技术的发展，在1 8 5 6 年诞生了第一套简单的机械式车站联锁控制设备，信 号机与道俞的控制杆在机械控制杆框架中相互锁闭。1 9 2 7 年，由于轨道电路的出 现，基于布线逻辑的继电联锁控制系统问世，并占主导地位近7 0 年。此时区间仍 不存在信号机，区间主要采用人工闭塞或半自动闭塞方式。列车控制都是由地面 来实现的，地面运行控制系统主要是车站的信号控制，也就是车站联锁控制系统。 第二个阶段是从二十世纪7 0 年代初开始。1 9 7 1 年法国研制出u m 7 1 无绝缘轨 道电路，在载频上采用低频信息进行调制，相邻轨道电路问采用电气分隔接头并 设置信号机，使之与轨道电路具备一定的联锁关系，根据低频载频信息显示相应 3 的信号【4 1 。采用信号机将区间分割成更小的区段，实现了区| 日j 的自动闭塞。通过这 种轨道电路，还可以向机车发送调制信息，由车载控制系统对信息进行处理，实 现对列车的控制。此后陆续发展出更多形式的轨道电路实现了列车的通信以及信 号的控制，如法国的u m 2 0 0 0 无绝缘轨道电路，我国的微电子交流计数电码轨道 电路等。随着计算机技术以及信息技术的发展，出现了列车控制中心，主要用于 负责区间列车的指挥。联锁控制系统主要负责站内列车运行指挥及安全防护功能， 并于1 9 7 8 年出现了第一套计算机联锁系统。列控中心和计算机联锁系统共同构成 了地面控制系统。然而站内列车运行控制仍然是列车指挥的重点，联锁控制系统 一直在地面运行控制系统中处于核心地位。 随着乘客的增加，要求在现有线路上能够实现更大的列车数量和乘客容量。 于是基于速度距离模式曲线控制的准移动闭塞系统得到飞速的发展，为列车安全 间隔提供更灵活的控制。但在车站联锁控制系统中，列车仍是按照信号指挥行车， 并没有产生更多的变化。 第三个阶段是从2 0 世纪8 0 年代开始的。随着计算机技术( c o m p u t e r ) 、通信 技术( c o m m u n i c a t i o n ) 和控制技术( c o n t r 0 1 ) 的飞跃发展，综合利用3 c 技术代替轨 道电路构成新型系统已成为列车控制系统的发展方向，其核心是通信技术的应用， 出现了“基于通信的列车控制系统”( c o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r o l ，简称 c b t c ) 【5 1 。1 9 9 9 年9 月i e e e 将c b t c 定义为：“利用高精度的列车定位( 不依赖轨 道电路) 、双向连续、大容量的车地数据通信，车载、地面的安全功能处理器实现 的一种连续自动列车控制系统”【6 1 。 8 0 。9 0 年代，世界铁路出现了许多c b t c 现场试验项目，例如法国的a s t r e e 系统、日本的c a r a t 系统等。一些大城市也对原有的地铁系统进行c b t c 的改造， 如美国纽约地铁系统。现在的c b t c 系统主要采用准移动闭塞，或者如青藏铁路 上增强型列车控制系统的虚拟自动闭塞，并且“基于无线的移动闭塞”是将来的 发展方向【h j 。 在本项目中，由于t u b e r a i l 系统的独特性质，列车运行控制系统也有很大的变 化，实现了车站和区间的一体化控制：地面运行控制系统的范围不再仅仅限制在 车站联锁控制系统，而是实现了管轨列车运行整个过程的运行控制和装卸功能的 实现，控制区域包含车站控制台和运行区间；原来列控中心的移动授权功能也包 含在内。本研究以管轨运煤示范线为应用背景，在以前轮轨列车运行控制系统研 究经验的基础上，研制具有自主知识产权的属于原始创新的管轨运输列车运行控 制系统，使我国具有独立发展管轨运输系统的技术能力，为进一步的产业化生产 和商业化推广使用打下基础。 4 1 3 论文研究内容 本文研究的内容是适用于管轨运输的地面运行控制系统。目日订国内外关于管 轨运输方面的研究还处于起步阶段，而基于管轨运输的地面运行控制系统的研究 更是个空白。本论文以管轨运输为应用背景，分析研究了基于管轨运输的地面运 行控制系统，在此基础上完成了系统设计和软件编制并进行了系统调试。 各章内容安排如下： 第一章；在介绍管轨运输及地面运行控制系统发展现状的基础上，分析了管 轨运输地面运行控制系统研究现状及其意义。 第二章分析了管轨运输的运行机理，对地面运行控制系统进行功能需求分 析，完成针对于管轨运输的地面运行控制系统设计及硬件平台的搭建。 第三章分析操作系统软件平台和管轨运输地面运行控制系统的软件功能需 求，完成地面运行控制系统的软件总体结构设计以及各功能软件模块的设计和实 现。 第四章完成管轨运输地面运行控制系统软硬件调测，并与车载运行控制系统 和中央运行控制系统完成系统联调。 第五章总结论文所完成的工作，并提出下一步的研究内容。 5 2 地面运行控制系统设计 本项目属于国家科技支撑课题，由科技部及内蒙古政府合作出资立项，在内 蒙古建立一条基于t u b e r a i l 的新型直线电机煤炭运输示范线，实现工程化示范运 行。新型管轨运输示范线由管道、车辆、牵引供电和电机、运输组织及列车运行 控制等子系统和设备组成，可根据煤炭运输量的不同对管道和车辆尺寸、车辆编 组数和牵引供电及电机容量等进行灵活地裁减和重构。 管轨运输系统的制动方式、定位方式、车地通信方式、闭塞方式与传统的轮 轨运输系统有很大的不同；因此，管轨运输地面运行控制系统的设计与传统的地 面运行控制系统的设计有很大的区别。 2 1 试验线工程概况及运行机理 1 工程概况 ( 1 ) 线路轨道 _ 管轨试验线：线路总长约6 5 0 米( 含道岔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：转线道岔、牵引用铝板、授电网等功能部件。 车库 图2 - 1 管轨线路示意图 f i g u r e2 - 1c h a r to f t u b e r a i ll i n e 6 ( 2 ) 供电系统 管轨列车采耿接触网受流方式供电；从供电网上接收l o k v 的交流电，主变压 器将l o k v 供电交流电降压后，给四象限整流器供电，四象限整流器将交流电变换 成7 5 0 v 的直流电，给馈电线供电。供电系统装设有状态监控设备，将其状态实时 地传送给运输组织系统，并接受运输组织的启动和停止命令。 ( 3 ) 牵引控制系统 本试验线采用直线电机作为列车的动力装置。直线电机的工作原理类似于传 统的旋转感应电机，可以理解为旋转感应电机的渐近线是直线的，即将旋转感应 电机静止的电磁线圈( 定子) 安装在车辆的转向架上，将旋转的感应板( 转子) 平铺设置在线路轨道的中洲1 0 1 。如图2 2 所示： 图2 2 直线电机的结构不恿图 f i g u r e2 - 2s t r u c t u r eo fl i n e a ri n d u c t i o nm o t o r 将直线电动机的初级( 定子部分) 安装在车上( 本试验线初级尺寸：1 7 0 0 x 6 0 0 15 0 m m ，5 0 0 k g ) ，次级( 转子部分) 变成一条感应轨( 本试验线采用宽3 2 0 m m ， 厚4 m m 的铝板作为感应轨) ，铺设在两根走行轨之间。 当电流通过直线电机的电磁线圈绕组时，定子和转子两部分产生的磁场相互 作用，会产生向前方向的磁场，通过与轨道感应板的相互作用产生推进力，推动列 车前进；改变磁场的方向，则列车后退。改变电压与频率，可以控制磁场的变化， 实现列车的启动加速与制动】。为了保证一定的推进力，直线电机车载电磁线圈 与轨道感应板之间的距离应控制在一定的范围内( 本试验线初级和次级之间的间 隙为l o m m ) 。 ( 4 ) 管轨列车制动系统 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( 抱 轴机械制动) 。前车轴与后车轴上的各两只制动器分别组成一组。前车轴或者后车 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四只制动器全部动作。 ( 5 ) 测速定位系统 本试验线采用车上检测方式的格雷母线绝对定位和霍尔( h a l l ) 传感器测速 定位相结合的定位方式；格雷母线得到绝对位置，霍尔传感器获得相对位置，两 7 者相加得到列车的确切位置信息。 格雷母线位移检测系统以相互靠近的扁平状的格雷母线和天线箱之间的电磁 耦合来进行位置检测，它是一种非常成熟的非接触绝对位置检测传感器。格雷母 线类似一把有刻度的标尺，天线箱类似于指针，指针指向的刻度即是当前位置值， 无需仞始参考点，可以连续在车上或地上得到位移量，地址信息可以通过数传电 台或信号电缆进行传输2 i 。 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，其检 测精度为5 m m 。其结构框图如图2 3 所示： 图2 3 格雷母线位置检测装置结构框图 f i g u r e2 - 3s t r u c t u r ec h a r to fg r a yb u sp o s i t i o nd e t e c t i o nd e v i c e ( 6 ) 车辆系统 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。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。 2 运行机理 操作人员( 或运输组织系统) 通过中央运行控制系统指定管轨列车在规定的 时间内到装车点装煤，并在规定的时间到达卸车点卸煤； ( 1 ) 行车至装车点： 地面控制系统根据针对列车的指令，判断联锁条件( 停车线至装车点没有其 它车辆、该段线路没有指定给其它车辆、道岔未锁闭也未征用、车辆及牵引系统 正常、机械制动系统状态良好、装卸台正常且处在关闭状态、满足完整性检查、 车地通信正常；) 是否满足，如果条件满足，发给列车移动授权，并且指挥列车以 指定的某低速度经过道岔至装车点，在此过程中始终判断部分联锁条件是否满足； ( 2 ) 装车： 地面与车载运行控制系统配和，指挥牵引系统把车列准确停在指定位置，如 果联锁条件( 车列停稳在指定位置且定位准确、装车门已打开、卸车门关闭良好、 机械制动起作用) 满足，则开始装车； ( 3 ) 发车： 地面与车载运行控制系统配和，判断联锁条件( 装卸台正常且处在关闭状态、 装车门及卸车门关闭良好、机械制动取消、没有敌对列车、相应的道岔已经锁闭、 出站进路已经办好、距前车的安全距离足够、牵引系统收到防护曲线、制动系统 良好、牵引系统状态良好、满足完整性检查、车地通信j 下常) 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； ( 4 ) 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f j 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， 实时监控速度跟踪、加速度等状态； ( 5 ) 进站并卸车： 地面与车载运行控制系统配和，判断联锁条件( 区问至卸车点没有其它车辆、 该段线路没有指定给其它车辆、该列车的进站进路建立、敌对进路未建立、相关 道俞锁闭、车辆及牵引系统正常、机械制动系统状态良好、满足完整性检查、车 地通信j 下常) 是否满足，如果满足，则指挥牵引系统按指定速度把车列开到卸车 点并卸车；整个运行过程结束。 当管轨运输发生故障状态，则随时紧急停车或牵引至指定地点待命。 2 2 地面运行控制系统的功能需求分析 管轨列车运行控制系统( o c s ) 是使管轨列车安全、高效运行的中枢，控制 管轨列车的整个运行过程和装卸作业，协调管轨运输系统的各个组成部分有条不 紊、安全高效地完成管轨列车的各项运行控制任务。 该系统通过计算机控制、计算机网络、通信及信息处理等先进技术与轨道交 通系统的车辆、牵引、线路及道岔等设备或系统相连，完成对管轨列车的运行控 制、安全防护、自动运行及调度管理的任务【l 引。 2 2 1列控总体功能需求分析 根据总的目标要求以及大系统的总体设计思路，运行控制系统应具备如下基 本功能： 1 ) 操作表示行车指挥功能：发送管轨列车运行的各种控制命令，同时显示管 9 轨列车运行的实时状态，以及各个设备之i 、日j 的通信状态和线路道分状态。 2 ) 联锁控制功能：根据联锁逻辑选择和办理进路，控制道贫动作，保障管轨 列车的安全运行。 3 ) 移动授权、间隔控制功能：根据列车运行位置、运行速度，以及安全运行 间隔向列车发送移动授权( m o v i n g a u t h o r i z a t i o n ) ，控制列车问距，确保列车安全 运行。 4 ) 速度和列车防护功能：实时检测管轨列车的运行速度，确保列车在安全运 行的速度范围内运行，当列车的运行速度超过最大允许速度时，促发列车制动， 使列车回到安全速度范围内，以确保列车的运行安全。 5 ) 自动驾驶及定位装卸功能：控制列车按照规定的速度在规定的时问和地点 停车，执行列车自动装煤作业，完成之后，按照规定的线路、速度运行到卸煤处， 在安全监控下执行卸煤作业。 6 ) 装卸台安全监控功能：在装卸台执行装卸作业的过程中实时检测装卸台的 工作状态，如果处于危险状态则发出危险警告信息。 7 ) 道岔安全监控功能：采集道岔的状态信息，监控道岔的扳动作业；如果道 佾位于危险状态或者发生故障，则需及时报告故障信息。 8 ) 绝对位置检测及安全定位功能：确定列车运行的准确位置，包括在装卸台 和运行线路上。 2 2 2地面运控功能需求分析 作为列车运行控制系统的重要组成部分，地面运行控制系统主要实现对地面 设备的控制，对地面设备和列车运行的安全防护；同时，装卸台的控制功能也属 于地面运行控制系统的作用范围。下面相对其进行具体的功能需求分析： 1 联锁控制功能 联锁运算模块对来自中央运控系统的有关联锁的命令信息接收后，判断联锁 任务，对于不同的联锁关系分配给不同的处理模块，当任务执行条件满足时，则 进行相应处理，并反馈处理结果；如果条件没有满足，返回错误信息。管轨运输 实验线中采取列车运行和装载控制的完全自动化，运行过程采用移动闭塞，取消 了传统轨道运输的信号机和轨道电路，管轨地面运行控制系统安全计算机所要处 理的主要联锁关系如下： ( 1 ) 进路与道俞间的联锁 进路是由道岔的位置所决定的，建立进路的过程就是把进路所涉及的道岔扳 到进路所要求的位置上，然后再放开进路。若道岔位置不对，则进路办理不通过。 1 0 如果进路建立之后，则进行锁闭，允许列车运行；锁闭之后就不准许进路上的道 岔再变换位置，直到列车驶过道岔，解锁迸路，这时才可以再次扳动道俞，改变 道岔位置。 ( 2 ) 进路与进路间的联锁 管轨运输系统迸路之间存在两种不同性质的联锁关系：一是抵触进路，二是 敌对进路。 抵触进路：如图2 4 所示，a f 点之问的下行进路( 进路a f ) ，b f 之间的下 行进路( 进路b f ) 。这两条进路因为要求道岔l 的位置不同，并且在同一时间只 能建立起一条进路来。任何一条进路锁闭以后，在其未解锁以前，因为把有关道 翁锁住了，不可能在建立其他进路，称之为抵触进路。为了防护列车运行安全， 抵触进路不能同时建立，需要进行锁闭。 敌对进路：用道龠位置不能问接控制的两条进路，而这两条进路又存在着抵 触或者敌对关系，称之为敌对进路。如图2 4 中a g 之间的下行进路( 进路a g ) ， d f 之间的上行进路( 进路d f ) 是敌对进路。他们是同一股道不同方向的进路， 不能用道俞的位置间接控制，允许同时接车会发生危险，所以建立联锁的敌对进 路关系。 图2 _ 4 管轨运输轨道示意图 f i g u r e2 - 4r a i ll i n ed i a g r a mo ft u b e r a i l ( 3 ) 列车位置与进路问的联锁 管轨列车运行过程中采用移动闭塞方式，随着列车位置的变化，列车周围的 防护区域也随之变化，也就是锁闭区间实时变化。所以，在列车位置和线路锁闭 之间存在着联锁关系，当列车到达某一位置时，列车前后一定区间内施行区段锁 闭；当列车驶过此位置，在防护范围外的区间线路解除锁闭；尚未解除锁闭的区 间不能办理列车进路。 此外，由于本试验线中地面运行控制系统中还包括装卸台的控制功能和地面 监控系统的监控功能，所以其联锁关系也增加装卸台与其他模块的联锁关系，主 要分为以下四种情况： 行车至装车点的联锁条件：停车线至装车点没有其它车辆、该段线路没有 指定给其它车辆；道岔未锁闭也未征用；车辆及牵引系统正常；装卸台正 常且处于关闭状态。 装车的联锁条件：车列停稳在指定位置且定位准确；装车门已打丌；卸车 门关闭良好；机械制动起作用。 发车的联锁条件：装卸台正常且处在关闭状态；装车门及卸车门关闭良好； 机械制动取消；没有敌对列车；相应的道岔已经锁闭；出站进路已经办好； 距前车的安全距离足够；牵引系统收到防护曲线；牵引系统状念良好。 进站卸车的联锁条件：区间至卸车点没有其它车辆；该段线路没有指定给 其它车辆；该列车的进站进路建立；敌对进路未建立；相关道岔锁闭；车 辆及牵引系统正常。 2 道岔控制功能 道龠控制的主要任务是扳动道俞，可靠地识别道翁端点位置，实施对道岔的 锁闭与解锁，并在道岔进入锁闭状态后可靠地防止任何无意的或偶然的解锁和端 点位置脱离。道俞控制所采用的技术亦属安全防护技术范畴。 道岔的防护、控制和监控由地面运行控制系统的道俞控制模块具体实现，道 贫的扳动请求必须通过联锁运算功能模块的检查与许可，道岔扳动的具体实施由 转辙机完成。 道岔控制模块接收来自联锁运算模块的道岔控制命令，并向联锁运算模块报 告安全的道岔端点位置。当道岔被扳到指定位置后，将道岔锁闭，直到道分解锁 时才允许其他的道岔动作。 在进路办理之后，相关道贫设置道岔征用标志，防止其他进路征用此道岔， 并向道岔执行模块发送扳动道翁命令；同时，地面运行控制系统中的道岔状态被 设置为“转动中”，防止列车通过该道岔。如果道岔在给定时间内，没有扳动到指 定位置，则判定道岔处于故障状态，道岔保持不可通过。如果在扳动命令发出后， 地面安全计算机和道岔控制模块之间的数据链路发生故障，则在地面安全计算机 重新收到道岔控制模块端点位置报告之前，道岔“转动中”状态将一直保持，从 而防止列车的通过。当列车驶离“道俞安全扳动距离 时，道岔解锁【1 4 1 。 3 移动授权、间隔控制功能 管轨运输列车运行控制系统采用移动闭塞方式，精确定位，基于无线的车地 通信方式。车地之间大容量的信息传送，使得列车可以得到详细的线路信息以及 相近的其他列车的位置和速度信息；列车自己的位置和速度信息也可以通过车地 无线通信传给地面。地面安全计算机根据列车性质、线路状况、临时限速等信息 能够计算出列车的安全运行区间，向车载运行控制系统发送移动授权，告知后续 列车继续前行的距离，后续列车可根据这一距离合理地采取减速或制动，列车制 动的起点可延伸至保证其安全制动的地点，从而可改善列车速度控制，缩小列车 安全间隔、提高线路利用效率。 1 2 移动闭塞技术则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，控制中心可以根据列车的实时速度和位置动态计 算列车的最大制动距离。列车的长度加上这一最大制动距离并在列车后方加上一 定的防护距离，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。 4 速度防护功能 速度防护功能对列车当前位置、速度进行监视，以确保列车速度在任何时刻 均处于所设定的速度范围之内，即处于安全驾驶状态。速度曲线监控功能模块所 涉及的技术将同时包括列车运行的监视、控制和安全防护【l 5 1 。 速度防护功能由地面运行控制系统和车载运行控制系统共同完成，分别在地 面安全计算机和车载安全计算机中执行。首先由地面运行控制系统把列车最大运 行速度以及线路信息发送给车载运行控制系统，由车载运行控制系统进行速度运 行曲线计算以及速度监控，一旦列车运行速度超过最大允许速度则立刻切断动力， 并在相关操作下，进行紧急制动。 比如当系统出现故障时，列车速度不断加快，直到超出最大速度曲线。此时， 速度曲线监控功能首先会关闭动力系统，并通知车载安全计算机启动紧急制动， 使列车不会超出安全制动曲线，从而保证列车行驶的安全。如图2 5 所示： v 点 图2 - 5 列车制动时的速度过程曲线 f i g u r e2 - 5s p e e dc u r v eo ft h et r a i nb r a k i n g 5 安全监控功能 地面监控系统实时显示来自车载运行控制系统传送的列车完整性信息、列车 运行状态信息以及列车控制系统和列车制动系统信息；车地通信状态信息；道俞 和线路的占用信息。地面控制人员可以通过监控系统监控列车在整个运行过程中 的运行状况，实现列车和速度的安全防护。 1 3 2 3 地面运行控制系统设计 地面运行控制系统主要由地面安全计算机( 包括地面核心计算机、始端道岔 计算机和卸台安全计算机) 和其它相关子系统构成，其中地面安全计算机是整个 运行控制系统的中枢。该系统的功能多、结构复杂，实现难度大；要完成列车运 行的顺序控制、联锁逻辑控制、车辆安全监控、装卸台控制与防护、速度防护、 进路防护、道岔控制与防护等功能；涉及到的操作部件有车辆、线路、道岔、装 卸台等。其整个系统功能结构如图2 - 6 所示： 图2 - 6 管轨运输地面运行控制系统的功能框图 f i g u r e2 - 6f u n c t i o nd i a g r a mo fg r o u n do c sf o rt u b e r a i l 地面运行控制系统的各个功能在三个安全计算机系统中分别实现，彼此之间 相互联系，协调一致共同保证列车安全运行的控制功能和自动装卸功能的实现。 同时，地面运行控制系统还与外围相关系统保持实时的通信联系，包括中央运行 控制系统、车载运行控制系统和地面监控系统。 2 3 1功能分解 1 联锁逻辑运算功能 联锁逻辑运算模块收到中央运行控制系统的办理进路命令，根据联锁逻辑选 择和办理进路，设置道岔的扳动任务；同时，对扳动结果进行检测。此项功能的 实现主要在地面核心计算机中运行，并把道岔扳动命令发给始端道岔计算机和装 卸台安全计算机，让其具体执行，并接收道俞的位置检测信息。 2 移动授权功能 地面核心计算机根据线路信息和列车的运行信息( 列车的速度和位置信息) ， 1 4 结合列车安全运行所需要的安全运行间隔的控制要求，给将要或诈在管轨线路上 运行的列车发送移动授权( m o v i n ga u t h o r i z a t i o n ) ，同时把列车的实时运行状念发 送给中央运行控制系统进行显示。 3 道龠控制功能 始端道岔计算机和装卸台安全计算机都有道俞的控制功能，分别控制自己作 用范围内道的岔。执行地面核心计算机发出的道翁扳动命令，同时采集道俞的位 置信息回传给地面核心计算机。 4 装卸台控制功能 装卸台控制功能主要在装卸台安全计算机中执行，当管轨列车要执行装煤作 业时，首先检查装煤作业的要求是否满足( 车列停稳在指定位置且定位准确、装 车门已打开、卸车门关闭良好、机械制动起作用) ，如果满足则控制地面设备进行 装煤作业；装煤完成检查安全条件，回报地面核心计算机。 2 3 2接口设计 各系统之间的通信模块采取双重冗余结构：都有两个独立的通信模块，分别 接在1 网和2 网上。对于每层通信网，各系统都定期发送周期报文，