（交通信息工程及控制专业论文）高速铁路列车轴温探测系统的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 红外轴温探测系统是确保铁路运输安全，“防燃灭切”的重要设备， 随着我国铁路交通事业的快速发展，行车速度加快，间隔逐步减小，因此， 充分吸取历史发展的经验和成熟技术，借助于计算机及网络技术的飞速发 展，将列车运行鳃动控制融入红外轴温探测系统中，迅速建立起高水平的 第三代红外线轴温探测系统，成为历史和技术发展的必然。 本文分析了目前正在使用的列车红外线轴温探测系统的基本工作原 理，重点通过研究系统的网络构成、拓扑结构、通信协议等，使红外专网 的建立更加科学，传输通道、监测中心、探测站的配置更加合理。 红外线轴温探测系统作为与列车运行有关的重要基础防护系统，其发 展方向应与列车自动防护系统( a t p ) 接口。a t p 主要对列车驾驶进行防护， 对与安全有关的设备或系统实行监控。该系统由地蕊设备、车载设备以及 车地通信部分组成。探讨红外轴温探测系统与列车运行自动控制系统的接 口，分析基于c t c s 2 下红外轴温探测系统构成和报文传输，分析基于无线 通信的红外轴溢探测系统数据传输理论模型和热轴跟踪的准确性闯题，是 本文的主要研究方向。 本文采用模獭数学的逻辑实现热轴数据翔别算法，根据入们对热轴的 认识和专家的经验制定热轴判别的推理规则，通过一种模糊推理算法进行 热轴判别。并编写行调复示仿真程序，软件是面向铁路系统褥设置的数据 管理系统，它能为行车调度提供快速、可靠的车辆热轴信息，程序与a t p 牵引计算接口，模拟列车制动曲线，完成列车的安全防护功能。 关键词：列车运行控制系统：红外轴温探测系统；接口 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t 弧ei n f r a r e db e a t i n gt e m p e r a t u r ed e t e c t i n gs y s t e mo ft h er o l l i n gs t o c ki sa l l i m p o r t a n td e v i c et oe n s u r er a i lt r a n s p o r ts a f e t ya n dp r o t e c tt h eb e a r i n gf r o m b u r n i n g f u l l ya b s o r b i n gt h ee x p e r i e n c eo fh i s t o r i c a ld e v e l o p m e n ta n dm a t u r e t e c h n o l o g ya n db ym e a n so fc o m p u t e r sa n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r k t e c h n o l o g y ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a sr a i lt r a n s p o r ti n d u s t r y ，t h e s p e e d u po ft r a f f i ca n dt h eg r a d u a l r e d u c i n go ft h ei n t e r v a l sm a k ei ti n e v i t a b l e h i s t o r i c a l l ya n dt e c h n i c a l l yt oa d o p ta u t o m a t i ct r a i nc o n t r o l ( a t c ) i nt h e s y s t e mt oq u i c k l ye s t a b l i s hah i g h - l e v e lt h i r d - g e n e r a t i o ni n f r a r e db e a r i n g t e m p e r a t u r ed e t e c t i n gs y s t e m t h i sp a p e rb e g i n sw i ma na n a l y s i so ft h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l e so ft h e s y s t e mu s e dc u r r e n t l y i nt h i sp a r t ，t h ea t t e n t i o ni sf o c u s e do nt h er e s e a r c ho f t h es y s t e m sn e t w o r ks t r u c t u r e ，t h et o p o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lt o m a k et h ee s t a b l i s h m e n to ft h en e t w o r km o r es c i e n t i f i ca n dt r a n s m i s s i o n c h a n n e l s ，m o n i t o r i n gc e n t e ra n dc o n f i g u r a t i o no fd e t e c t i o ns t a t i o nm o r e r e a s o n a b l e 。 a sa ni m p o r t a n tb a s i cp r o t e c t i o ns y s t e me o n c e m e dw i t ht r a i no p e r a t i o n ，i t s h o u l db ed e v e l o p e dw i t ha u t o m a t i ct r a i np r o t e c t i o n ( a t p ) ，as y s t e m c o n s i s t i n go fg r o u n de q u i p m e n t ，t r a i ne q u i p m e n ta sw e l l 舔t r a i n - g r o u n d c o m m u n i c a t i o n ，p r o t e c t i n gt h et r a i n r u n n i n ga n dm o n i t o r i n gt h ed e v i c e so r s y s t e m sc o n c e r n e dw i 攮s a f e t y 。弧em a i nc o n c e r no ft h i sp a p e ri n c l u d e s e x p l o r i n gt h e i n t e r f a c eb e t w e e nt h es y s t e ma n dt r a i no p e r a t i o na u t oc o n t r o l s y s t e m , a n a l y z i n gt h es y s t e mc o m p o n e n t sa n dp a c k e tt r a n s m i s s i o nu n d e r c t c s 2a sw e l la st h e o r e t i c a lm o d e lo fd a t at r a n s m i s s i o no ft h es y s t e mu n d e r w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dt h ea c c u r a c yo fh o tb e a r i n gt r a c k i n g f i n a l l y ，t h i sp a p e ra c h i e v e st h eh o tb e a r i n gd i s c r i m i n a t i o na l g o r i t h mb y m e a n so ff u z z ym a t h sl o g i c ，t h a ti s ，t od i s c r i m i n a t et h eh o tb e a r i n gb yf u z z y i n f e r e n c ea c c o r d i n gt oo u rk n o w l e d g ea b o u tb e a r i n ga n dt h ee x p e r t s e x p e r i e n c e a n dt h e nw r i t e sap r o g r a m ，ad a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e ma i m i n ga tt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i l 页 r a i l w a ys y s t e m ，w h i c hc a np r o v i d ef a s ta n dr e l i a b l ei n f o r m a t i o n a b o u tk 撕珏g t e m p e r a t u r ef o rs c h e d u l i n gt r a i nr u n n i n g ，t h e r e f o r ef u l f i l l st h et a s ko fs a f e t y p r o t e c t i o nb yc o m b i n i n gw i t h t r a i nt r a c t i o nc a l c u l a t i o nt h a ts t i m u l a t e st h e t r a i nb r a k ec a lv e 。 k e yw o r d s ：a u t o m a t i ct r a i np r o t e c t i o n ；t h ei n f r a r e db e a r i n gt e m p e r a t u r e d e t e c t i n gs y s t e m ；i n t e r f a c e 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向园家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被裔 阕和借阅。本人授权殛南交通犬学可以将本论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彤使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：川噙 指导老师签名：蟛碌 、 日期： 泸g 歹。r f t 期：溯c t 蟛 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研 究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个入或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究徽出 贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 红外轴温探溅系统是确保铁路运输安全的重要设备，建立具有智 能化、标准化、数字化及信息化的新一代红外轴温探测系统对于铁路 运输的跨越式发展作用重大。 列车运行自动控制系统在提速干线和新建的客运专线上己广泛 使用，红外轴温探测系统和列控系统的结合，是前人没有研究过的方 向，具有一定的实用意义，能更好发挥红外轴温探测系统的功能，保 障行车安全。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 。1 概述 第1 章绪论 红辨轴温探测系统是确保铁路运输安全，“防燃灭切豹重要设餐，能 疼动检测运行列车的各种类型车辆的热轴赦障，热轴预报是防止铁路运行车 辆产生热轴故障和保证行车安全的重要措施。中央管理系统能对各个探测站 进行网络管理，对通过列车的热轴进行跟踪，按微热、强热和激热三个等级 预报热轴。它是一个远程计算机实时网络，采用了计算机、光学、自动控制、 电子技术等新技术，涉及运输、车辆、工务、电力等部门。 随着信息技术的不断发展，红外线轴温探测系统在保证铁路运输安全中 的作用愈发重要，将红外线轴温探测数据与列车运行控制系统接口，使得能 对热轴数据信息进行实时处理，保证列车安全运行，是进一步发挥红外线轴 溢探测系统作照的一个重要方法。 红外线轴溉探测系统和列控技术相结合，探讨更科学的系统组织结构， 是本文的研究重点。 _ 1 2 国内研究动态及水平 霸前红外线轴温探测设备已成为我国铁路车辆轴懑检测的主要手段，红 外线轴温探测设备在铁路线路的覆盖率已达到5 0 以上，为车辆部门的安全 监控发挥了巨大作用，成为车辆动态检测的重要设餐。 红外线轴温探测系统是确保铁路运输安全，“防燃灭切”的重要设备。 7 0 年代初，第一代红外线轴温探测仪采用单机、单点、描笔记录、人工判别 模式进行热轴预报。年代中屠期，第二代红外线轴温探测系统，利用计算 枫自动采集和判别技术，采用点对点模拟传输的逶信方式进行热轴预掇。二 代枫发展到近期，可以囊动向行车调度传输热轴信患，同时可以通过网络向 全路联网系统传输数据，实现了预报热轴的自动、及时和大量数据信息的积 累、统计。 无庸置疑，第二代红外线轴湓探测系统投入实际应用十多年中，使车辆 西南交通大学颈研究生学位论文第2 页 轴温检测工作从人工手摸到自动机判、扶分散检测到集中报警，有效地提高 了车辆安全检测的效率，为铁路运输的安全保障工作做出了突出的贡献。 第6 次提速麓客车车速达到2 0 0 k m h ，货车车速达到1 0 0 k m h ，行车间隔 逐步减小，铁路运输向高速、重载、长交路发展，车辆轴承类型多样化，追 切要求红外线轴温探测系统提供更丰富更完整的车辆运行及安全信息。 国内有广汉通信信号厂生产的h z t - 2 0 0 0 型红外线轴温探测设备；啥科 所的h t k 3 9 1 型红外线轴温探测设备。国外的主要是美国哈曼公司的w c 沪3 2 型红努线轴温探测设备。它们的基本原理是一样的。 当前，铁路运输的跨越式发展，对安全保障工作提出了更高的要求。一 方面，车速已经大幅度地提高了，车流密度和列车编组也硬显增加，二代机 的运算能力和存储能力已经达到饱和，在智能化与网络化方面已经没有了进 一步发展的空间，客观上对新一代的红外线轴温探测系统产生了迫切的要 求。另一方面，计算机技术和网络技术都已经有了空前的发展，为第三代红 外线轴温探测系统的发展提供了举实的基础! 。 随着铁路跨越式发展的需要，确保行车安全的基础上保证运输秩序的畅 通，大幅度提高红外轴温探测系统的兑现率成为越来越紧迫的要求。列车运 行鸯动控制系统滋成为现代化铁路不可缺少的重要组成部分，因此，充分吸 取红外线历史发展的经验和成熟技术，借助计算机及网络技术的飞速发展， 迅速建立具有智能化、标准化、数字化、信息化的第三代红外线轴温探测系 统，整体提高红外线轴温探测系统的技术水平，成为历史和技术发展的必然。 。3 本文主要研究内容 本文的主要研究内容为设计轴温探测系统和列车运行控制技术接网，包 括对整个探测网的分析和设计，设计轴温行调复示终端程序，对热轴数据运 用模糊数学的方法进行判别，使探测系统更适应高速铁路的要求。 具体内容为： ( 1 ) 铁路信息化建设的发展，迫切要求红外线轴温探测系统提供更丰富 更完整的车辆运行及安全信息。对红外探测网的设计，是本文的一个磷究内 容。 酉南交通大学颂研究生学位论文第3 页 第二章对红外线轴瀣探测系统作整傣分绍，总结系统的构成及工作蒙 理。采用科学的管理方式促进系统的发展。本文研究了合理的网络拓扑结构 和通信协议的规划，设计了传输报文。 ( 2 ) 轴温探测系统和列车运行控制技术接口设计。我国的提速干线和新 建的客运专线大多采用c t c s 2 的列控系统配备，该级是基于轨道电路和点式 信息设备传输信息，在此平台上研究设计红外轴温探溯系统其有广阔的应用 前景。基于无线通信的列控系统是我国今后铁路建设的一个方向，在此基础 上的红铃线轴温探测系统将依托g s m - r 无线传输信息。 第三章对在c t c s 2 基础上的探测系统进行了详细的分析和研究，主要涉 及系统结构，应答器的设置及报文设计，车载a t p 的理论模型。 第四章首先对c t c s 3 作了概括性的介绍，其次对系统设计中的g s m - r 技 术进行了分析，探讨了c b t c 下的探测系统数据传输理论，特别是针对热轴 跟踪的准确性进行了探讨。 ( 3 ) 第五章内容根据第三代轴温探测系统技术方案i 首先对轴温探测网 的设立和可靠性进行了分析，然后采用模糊数学的方法判别热轴数据，探讨 适合的模糊算法，最后模拟列车运行路况信息、模拟列车发生轴温过热的环 境，采集列车轴溢等信息，进丽进行a t p 系统昀关键计算，完成列车鲶安全 防护功能。 结论部分对整个系统设计内容进行了总结，并对下一步王作中应该解决 的问题作了进一步的展望。 西南交通大学硕士赣究生学位论文第4 页 第2 章红外轴温探测系统原理 2 1 红外线监测系统的解决方案 根据铁道部“五薄一卡”( 轴温探测工作r 志薄、设备检修故障停机记 录薄、轴温探测工作报告薄、典型热轴故障记录薄、值班员交接班记录薄及 热轴预报甩车通知卡) 的要求，各级决策部门应做到实时掌握系统的运行与 管理状况，并及时地进行宏观调控僻】。 ( 1 ) 在高速铁路线上，构成集中控制红外线益测网。设区间无人值守探 测站，监测中心设于路局调度中心，设有专职红外值班员，红外热轴预报结 果就在调度显示屏上。调度员发现热轴预报后，马上通过引导信号系统，命 令列车停车，同时又通过无线列调通知司机，要求司机下车确认。 ( 2 ) 在一般现路上，构成分散控制红外网，鄹单点式布置。分数控制网 就是由一个独立的探测点和报警终端构成，各探测点之间互不联系。探测站 报警方式有两种：一种是有终端报警，即上、下行探测站设备安装在车站两 端5 k m 左右，终端置于车站运转室，两个设备通过电缆联系。过车时，探测 站把检测结果传至终端，打印过车报告。当有热轴时，终端报警，红外值班 员确认盾关闭信号，命令歹| j 车停车，并通知司机下车确认；另一种是无线报 警方式，该方式车站无报警终端，当列车通过时，探测设备通过无线电台， 把检测结果直接通报枫车谣枧，南司机下车确认瑟l 。 2 2 红外线轴温探测工作过程 监测系统热轴预报的全过程是：当列车通过探测点时，探测站计算机立 刻处理遥过列车被检测到麴轴温数据，并将检测与处理后的结果通过网络传 送至监测中心，监测中心进行热轴跟踪判别后，打印处理结果，同时监测中 心又把跟踪信息传送给c t c 调度集中。 当监测中心发现区间有热轴时，立刻报警，经监测中心红外线值班员确 认后，通过行调对有关车站下达停车命令。如果列车已进入区间运行，则通 过无线列调通知司机或列车运彳亍蠢动控制系统进行应急处理。当列车通过探 西南交通大学硕士研究生学位论文第s 页 测点时没发现热轴，监测中心及各复示终端均打印列车正常通过报告。 图2 - 1 为系统的探测器在铁路道线现场安装示意图。a 、b 、c 分别为设 在铁轨边上的磁钢位置传感器，d 和为左右轴温探测器。当运行的列车通 过它们时，每个车轮掠过的瞬间便在位置传感器上感应产生单周期的正弦磁 钢信号，其中开机信号控制灯打开红外轴温探测器的防护门，随后当车轴掠 过红外轴温探测器时便产生左右二路轴溢信号。，信号被送到探测站上，探测 站的计算机采集系统立即根据磁钢开门信号到关门信号的时f b j 五计算出车 速v ，v = o 2 7 霸( 米秒) ；再由两次相邻开门磁钢信号时闯闻隔友，即可知 列车的轴距三，l = 木v ( 米) ，进而有轴距判断出各种通过车型；根据轴温 信号的幄度可判叛是否有热轴发生，这些信号将由数传系统以特定的报文送 到监测中心进行处理。监测中心能对复示站和探测站进行网络管理，从而构 成一个远程计算机实时监测网络【2 劓。 一5 0 m 却嚣而叫争刮铀 图2 一l 探测器在铁路道线现场安装示意图 2 3 监测系统的构成 2 。3 1 系统构成 红外线轴温探测系统是解决列车轴箱动态定量测温的技术关键，主要用 于运行中的各种客、货车辆轴温的融动监；能有效地防止列车热轴切轴事故， 保证列车行车安全箱温度、自动滚滑判别、瞧动热轴判别、自动报警打印和 轴箱波形再现以及客货车兼容等功能，可微机联网通讯，实现热轴跟踪和集 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 中管理驻削。 根据我国铁路运输特点，红外线轴温探测系统宜采用多级分层管理的结 构。由于我国铁路运输指挥的基本构成单位为铁路局，即铁路局是铁路行车 指挥的实体，因此，红外线轴温探测系统也应以铁路局为一基本单位，信息 的传输、处理、命令的下达，数据的调阅、存储都应以铁路局为中心。铁路 局调度设红辩线监测中心，监测预报逶过本系统各探测站的运行车辆状态， 并与c t c 调度集中联机；在有列检作业的车站设复示站，监测预报驶入本车 站运行车辆状态或透过管辖区探测站的运行车辆状态；沿铁路线3 0 公里左 右设探测站，实时采集、处理通过列车的车辆和轴温信息；铁路局设行调复 示终端，监测红外线探测系统运行状态，共享监测中心数据。这样，监测系 统构成的基本框图如图： 圈2 - 2 轴澈探测系统结构图 西南交通大学预士研究生学位论文第7 页 铁路红癸线轴温探测系统由酉层基本结构构成猃s 】： 。 第一层由各探测站构成，负责数据的采集、处理和传输。 第二层由各复示站构成，它们与探测站构成一个小系统，旦通信中断， 可以独立进行工作不会影响轴温监测工作。日常状态它们负责通道的汇接和 分配，并接收处理探测站传输到复示站的数据。 第三层由监测中心、通道管理机构成，负责接收、整理、存储和管理由 探测站或复示站传输来的数据，同时对整个系统工作状态进行监测、指挥和 控制。 第四层为铁路局复示终端。这是一个管理层次，可以随时了解铁路局管 内监攫中心和各探测站的状态，随时调阅有关数据f 2 引。 2 3 2 拓扑结构 根据我国铁路的特点，在借鉴国外经验的基础上，国内已形成的红外网 有星型结构、总线结构、混合结构、单点式等四种基本形式c 2 刚。 ( 1 ) 星型结构 对于无法直接由探测站检测通过列车的车次号和无法准确判断列车的 轴温信患应传输至哪个列检复示终端或哪几个列捡复示终端，采用枢纽内各 周边站信息分别传到监测中心，再由监测中心将各方向来车的轴温信息传至 各列车癜进入的站、场复示终端的星型结构，孛断管理方式，如图2 - 3 。 图2 - 3 羼型结构示意图 星型结构组网方式能准确掌握热轴列车去向，及时处理热轴事故，该网 络的主要特点是：每个信息采集探测点通过传输管理层，采用中断管理方式， 西南交通大学颂士研究生学位论文第8 页 并行扁中央传输数据，系统响应快，不要等待时闻，僵占焉信道多，投资较 大。 ( 2 ) 总线方式 对于通道紧张，信道质量差，采用总线结构，查询管理方式，如图2 - 4 。 图2 - 4 总线结构示惫图 总线嘲的主要优点是：网络通讯采用多路复用，占用信道少，信道利用 率高，尤其长大干线，可为国家节省巨大的投资；但每个探测站的信息向监 测中心传输时要排队，实时性差。这方面只要在软件上作一些处理，保证探 测站信息传输等待时闻不超过lr a i n ，是可以保证预报蛉实时性和可靠性的。 ( 3 ) 混合型结构 既有铁路郑武线红夕 阏采爝树形拓扑结构，查询管理方式，带有子系统 的计算机网络，如图2 5 。该网特点是：采用多总线并行查询方式，减少每 条总线上的探测站数，保证系统响应时闻小于lm i n ，且列检所设子系统复 示终端舆有中央管理机的作用，具有独立工作能力，这样一恩干线网络出现 故障，予系统仍研独立工作。 西南交通大学矮士磺究生学位论文第9 页 图2 5 混合结构示意图 2 4 轴温探测系统与列控系统接口 红外轴温探测系统和列控系统的结合，具有一定的实用意义，是前入没 有研究过的方向，能更好发挥红外轴温探测系统的功能，保障行车安全，能 更高效、及时地处理热轴安全问题。以下章节将讨论列车轴温探测系统和列 控系统在c t c s 2 3 下的结合应用。 蕊2 - 6 轴温探测系统和列控系统接秘流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第 o 页 2 。5 本章小结 红外线轴温探测系统是保证行车安全的复杂系统，本章总结了系统的构 成及工作原理，回顾了红外线轴溢探测系统的技术发展历史，重点分析了网 络构成原理和拓扑结构。针对高速铁路下和列控系统的接口设计了基本思 路，具体实现将在以后的各章徽详细讨论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第 页 第3 章基于c t c s 2 的轴温探测系统 客运专线c t c s 2 级是基于轨道电路和点式信息设备传输信息的列车运行 控制系统，面向提速干线和高速新线，适用于各种限速区段，地面可不设透 过信号机。c t c s 2 级采用圈标一距离模式监控列车安全运行。 客运专线c t c s 2 级列控系统壶地瑟和车载设备构成。缝西设备盍列控中 心、z p w 一2 0 0 0 ( u m ) 系列轨道电路、应答器设备等组成。车载设备由车载安全 计算机( ￥c ) 、轨道电路信息接收单元( t c r ) 、应答器信息接收模块( b t m ) 、记 录单元( d r u ) 、人机界面( d m i ) 等组成【3 l 。 轨道电路实现列车占用检查，并连续囱车载设备传送空闲闭塞分区数量 等信息。应答器向车载设备传输定位信息、线路参数、临时限速等信息。列 控中心具有轨道电路编码、应答器报文存储和调用、区间信号机点灯控制、 站闻安全信息( 区间轨道电路状态、中继站临时限速信息、区间闭塞和方向 条件等信息) 传输等功能，根据轨道电路、进路状态及临时限速等信息产生 行车许爵，通过轨道电路及有源应答器将行车许可传送给刊控车载设备h 】。 车载设备根据地面设备提供的信号动态信息、线路参数、临时限速等信 息和动车组参数，按照目标一距离模式生成控制速度，监控列车安全运行。 客运专线c t c s 2 级列控系统与轴温监测中心接髓，必要时及时控制列车 减速或停车。2 0 0 - 2 5 0 k m h 、3 0 0 - 3 5 0 k m h 客运专线的c t c s 2 级列控系统采用 统一的设备配置和运用原贝| j ，并兼容既有线c t c s 2 级列控系统功能睁l 。 3 。 红外探头的位置 红外探头的位置应方便列车被检测出故障后能尽快就近停车检查、确认 及处理，以尽量缩小故障的影响，减少损失。既有线c t c s o 1 级多采用本站 探测、本站处理的方式，红外探头位置设在进站( 预告) 信号机附近，从探头 至停车距离大约在8 0 0 1 0 0 0 m ，这种方式对于进站停车检查的列车是有效鲶。 但是，对于提速干线和高速新线，由于列车通过速度高，如果红外线发 现预报热轴故障，剡从红外线发现热切轴故障到信息传输、处理，由有关部 门通知列车采取停车措施这一段时间是显得不够的，热轴信息只能由车站调 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 度或由髓测中心通知列车下一个车站来办理停车措施，这显然极不方便，为 了能使列车能当站停车处理，可把红外探头设置在预告信号机外。在最不利 豹清况下，一到车的最嚣一根车轴热轴被红外线检测屠，车站裁能及时发出 停车指示信号，要求别率采用常用制动，在车站进站信号视前停车，如匿3 - 1 。 蒯萃 滟黼鼢 红步 探头 颈酱德号税进站信号辊 臻3 - 1 探头位置示意整 红外探头到进站信号枕的距离l 由下式确定： l = 厶+ 岛+ 厶+ 厶 ( 3 一1 ) 式中厶：列车长度鞭； 厶：和速度有关的数值，取1 6 6 v t ( 其中v 为列车速度( m m i n ) ；t 荧轴温信号判别及信号机操纵时间( m i n ) ) ： 厶：隙望距离，取3 0 0 m ； 厶：预告信号机到进站信号机豹琵离，取1 0 0 0 m 。 这种探头安装方式优点在于列车出现故障后，可马上采取停车措施，安 全因素较高，但探头至车站盼停车距离太长，一般要求3 k m 以上，旦对探头 的尽常维护也带来了一些不方便之处。 为考虑到热轴故障车的检查确认和停车检修，设计为把红外探头设置在 邻近站的方案，具体形式为本站探测，前方区间或车站停车检查、确认或故 障处理，如图3 - 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第 3 页 湖3 - 2 獯邻车站探头设置示惹图 这种方式能简化红外探头的安装，即探头不必拘泥安装在信号机附近， 可任意根据具体环境条件安装。探头直接设计在车站中央位箴，轴温信息由 探头通过几十米的电缆引线引入屋内再传给邻近处理站。这时红外线轴温探 测网区闽探测站常用的设置方式，当探测站预报热轴后，由于当站不可能停 车检查，需要在下个区间或邻近站停车。如图所示，a 站和b 站分别对上下 行列车进行探测，设在a 站和b 站的红外探头对列车进行探测后，将轴温信 息传输到e 站热轴故障处理站，在列车由a 站和8 站开出后，即可对有热轴 故障的列车采取停车措施。 焉虽e 站一般可以直接为探测站的邻近的自然车站。园褶邻两个车站一 般有十公里以上的距离，列车运行时间需要几分钟，当前站接到热轴预报后 有足够的时间采取措施，适合时速2 0 0 k m h 以上的客运专线。 3 2 系统结构 根据c t c s 2 配置及运用技术原则，红外线轴温探测系统报警指令可由车 站列控中心下达，通过接翻给地面电子单元( l e u ) 提供报警信息，l e o 将对应 的传输报文发送给地面有源应答器f 7 。 当列车经过地面应答器上方时，应答器被发自车上的车载天线瞬态功率 激活并进入工作模式，它将向运行中的列车连续发送存予应答器中的可供列 车自动控制用的各种数据。在车载天线与应答器的有效作用范围之外，应答 器将不褥工作，蛊至被发囊下次列车上筋车载天线功率再次激活。 车载天线将接收来自地面应答器的信息发送给( b t m ) ，对该信息进行滤 酉奄交通大学硕士磺究生学位论文第 4 页 波、数字解调等相关处理，对接收到的数据报文进行解码，还原得到用户报 文，然后发给车载列控设备a t p ，a t p 将得到绝对停车报文，与列车的运行 速度、制动性能和司机的操作等进行实时比较判断，从而实现对列车的准确 控制。系统结构框图如下： 图3 - 3c t c s 2 系统结搦圈 客运专线c t c s 2 级列控中心系统将a t p 车载设备与线路上的其他管理系 统和控制系统有机的联系在起，使铁路信号信息控制更加安全、高效。列 控中心采用硬件安全冗余结构计算机，如3 取2 系统和热备2 取2 系统，最 新研制的2 乘2 取2 平台结构，更好地满足了安全性、可用性，可靠性和可 维护性的要求l 秘。 列控中心为了满足因为热轴警报产生的控车要求，需要从红外轴温探测 监测中心获得信患，结合这些信息进行逻辑运算用以确定应答器报文等，形 成给应答器的信息报文。列控中心需要与l e u 接口，接口的标准化是保证这 些设各信息互运的翦提。列控中心设备内部采用串行总线，通过智能化的接 口模块寅现外部接口与内部总线的桥接，对应开发一种新的接口时，只需要 开发相应的接口适配板即可，不会改变体系结构，可扩展性强。 l e u 设备集中设置在信号机械室内，控制f 线有源应答器的l e u 设备应 采取冗余措施。l e u 应具备应答器电缆的断路及短路监测功能。列控中心与 己聪的接口方式如下蚕3 - 4 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 3 3 应答器组设置 t c ct c c a 系b 系 x k ， 删 删。 图3 - 4t c c 与l e u 通信结构图 根据c t c s 2 级列控系统的技术要求，路局红外监测中心与c t c 调度集中 联机，当需要绝对停车指令时，将相应命令传送给车站联锁和车站列控中心， 车站联锁关闭出站信号机，轴温报警后在车站列控中心产生的绝对停车报 文，通过地面电子单元l e u 将对应的传输报文发送给地面有源应答器，在中 速情况下( 2 0 0 - 2 5 0 k m h ) 由出站口应答器组传送到车载列控设备，在高速情 况下( 3 0 0 k m h 以上) 由出站信号机处的应答器组传送到车载列控设备，从而 使列车停车。 图3 5 应答器实图 3 3 1 出站口应答器组 对于2 0 0 2 5 0 k m h 客货共线的客运专线，在出站口处闭塞电路边界附近 西南交通大学硕士研究生学位论文第 6 页 上，放置一个或多个有源应答器和一个或多个无源应答器，以组成应答器组。 无源应答器 圈3 6 戮站墨应答器昀布置 出站口应答器组报文内容为无源应答器的报文和有源应答器的报文，应 答器豹信息应以差个或多个信息毫缝合起来传输。无源应答器向车载设备传 输前方定距离内的线路参数，有源应答器传输直到下一站为止的临时控制 速度等信息。 3 3 2 出站信号机处应答器组 出站信号机( 或标志牌) 处应设置由有源应答器和无源应答器组成的应 答器组，提供绝对停车报文f 2 l 。 出站信号关闭时，出站信号机( 或标志牌) 处的应答器组发绝对停车报 文，车载设备在完全监控、部分监控、调车监控、目视行车、机车信号等各 工作模式下接收到该报文均应触发紧急铡动淤l 。 对于2 0 0 2 5 0 k m h 客货共线的客运专线，出站信号机处的应答器组安装 在出站信号机前方6 5 m 处。 停孽昧 l 1 ：警冲标至绝缘节距离：5 m l 2 ：信号机至应答器距离：6 5 m 嘲3 - 7 出站信号机处的应答器 卜叫峥叫 乙2l i 西南交通大学硕士研究生学位论文第 7 页 当车站篓 列接车进路黠，出站信号枫处的应答器发送默认掇文，其中默 认报文的内容含有e t c s - 2 5 4 数据包外，还应包含有绝对停车数据包c t c s - 5 。 该信息包在没有排列进路时发车方向有效。 表3 1 默认檄文【e 代s 2 5 4 】 序 变量名位数说明 号 n i d 。p a c k e t 8信息包标识码= 1 1 1 11 1 1 0 2验证方向 王 q _ _ d i r( 0 0 = 反向有效，0 1 = j t 向有效，1 0 = 双向 有效，l 1 = 备用) lp a c k e t 1 3信息包位数 应答器绝对停车信息包 c t c s - 5 】定义见下表。 表3 - 2 绝对停车【c 1 s 5 】 序号 变量名位数说明 n i dx u s e r9 信息包标识码= 00 0 0 00 1 0 1 验证方囱 1 q _ d i r 2 ( 0 0 = 反向，0 1 = 正向，1 0 = 双向， l l = 备雳) lp a c k e t1 3信息包位数 2 q _ s t o p l o = 立即停车 发车进路，提供线路参数应延伸至区间第二个应答器组，并有一个完整 列车常用制动距离的数据余量，如图所示。轨道区段数据，线路坡度，线路 速度数据范围应一致。 毅镰。巷竽坐叫 弘矗等嚣蛤荔矗囊： l 醮8 3 8 s 觚 转? 8 丛厶 圈3 - 8 应答器数据管辖范围示意图 出站信号机处应答器组包含的蠲户信息包构成： 表3 3 有源庶答器用户信息报文包 疲答器用户信息摄文包 i 作状态 应答器线路线路等级特殊调车c t c s 数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第 8 页 箍接坡度 速度转换鏊段荛殓筑道蝰对逐闻反大譬码篷霹 区段限速 向运行道禽停车 接车进路 发车迸路 ? 表3 4 无源麻答器用户信息报文包 曩户蔫爨：限文包 _ 应答器 应答器线路 线路等级特殊 调车 c“c s 数据 工作状态 轨道临时区间反大号码维圣f 链接坡度速度转换医段囊险 嚣段限速淘运行道岔莓歪 接车方向 ， 发车方宾 应答器使用了欧洲标准应答器的报文格式，长报文格式1 0 2 3 位。 表3 5 报文结构 序 名称变量位数说明 号 拜鞋信息传送的方向 l q _ u p d o w n l 导( o = 车对地，l = 地对车) 码 语言代码版本编号 轰耋v r s lo _ n7 ( 0 0 10 0 0 0 = v 1 0 ) 信息传输媒介 q _ m e d i a l ( 萨应答器、l = 环线) 本应答器在应答器组中的位置 np i g3 ( 0 0 0 = 1 111 = 8 ) 应答器组中所包含的应答器数量 nt o t a l3 ( 0 0 0 = 1 1 1 1 = 8 ) 该应答器的翦后关系关系 md u p2( 0 0 = 与前后均不同，0 1 = 与厝一 个相同，1 0 = 与前一个楣同) 报文计数器( 0 - - 一2 5 4 ) mm c o u n t8( 2 5 5 = 报文适应同一组的 所有应答器) 1 lt t t 、， nj j 山矗厶白且 西南交通大学硕士研究生学位论文第 9 页 ( 赢7 位= 电务段编号， 低3 位= 段内分区) 应答器编号 n i d8 g1 4( 高6 位= 车站编号， 低8 位= 应答器编号) 应答器( 组) 的链接关系 q _ l i n k l( 归没有链接关系， l 一有链接关系) 黑产信长报文菊7 7 2 位， 27 7 2 息包短报文为1 5 2 位 信息 38= 1 1 1 11 1 1 i ，表示信怠帧结束 结束 3 。4 车载a t p 系统建模 车载a t p 设备以地面控制中心的信息佟为列车运彳亍指令的信息源，根据 地面应答器提供的信号动态信息、线路静态参数、临时限速信息等数据，实 现对列车运行速度的安全监控，生成控制速度和目标距离模式曲线，控制列 车运行。同时，记录单元对a t p 有关数据及操作状态信息实时动态记录疆嬲。 车载a t p 本身具有主体机车信号、通用式机车信号功能1 5 l 。 控制方法，可有2 个选择模式。所谓2 个模式既是机控优先和人控优先， 司机通过设定车载设备内部带有的开关来决定选择，运行中不能变更【1 6 l f l 7 1 。 另外，在机控优先模式下，根据控制状态有时会暂时地且自动交换为人控优 先控制的情况p s i 。 动车组的两端各安装套独立的a t p 车载设备n 们。总体结构采用硬件冗 余结构，关键设备均采用双套，核心设备车载安全计算机采用2 2 取 2 结构嘲。 列车防护功能主要由地瑟a t p 设备和车载a t p 设备协同完成。其中车载 系统通过接收地面传输的信息并结合当- 自；j y f j 车运行状况的自身信息，列车报 警并同时给列车制动系统发出命令，按照一次制动魏线模式对列车进行速度 限制，盥到其运行在安全速度范围内为止。车载a t p 系统功能如图所示。 西南交通大学颈士研究生学位论文第2 0 页 图3 - 9 车载子系统功能模块 根据a t p 车载子系统的原理以及其所要完成的任务，本文将简化具体的 功能模块，通过功能模块的相互协调最终完成列车的自动防护。主处理器是 完成各种功能计算的核心，它通过收集铁不同模块传送过来的信息，根据应 用程序的功能设定来计算输出量，同时用这些输出量来驱动相应部件工作。 在圈中，定像接收模块通过g p s 接收机获得列车的位置信息，并将这些 信息传输到主处理器。查询器单元通过地面点式应替器并行采集位置等相关 信息，辅助g p s 完成定位任务。列车接口主要是获得当前列车的速度信息， 同时担当列车制动信号输出的接口。无线传输单元用于调度通信、列尾风压 数据传送、无线机车信号和调车监控信息传送、区间维护作业通信、应急通 信、旅客服务系统移动数据业务。入杌接口一方面完成司机对车载系统的控 制，根据不同的控车模式选择不同的操作，同时在必要的时候输入一些列车 参数信怠；另一方面，车载系统会逶过液晶显示和声光报警的方式传递信息 给列车词机，辅助其控车。冗余通道是保证a t p 车载设备安全可靠的热备份 主机逶道。 监测中心对通过列车的热轴进行跟踪，按微热、强热、激热三个等级预 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 报。“激热 信崽，立即停车检查。“强热信息，前方站要求正线停车检 查。“微热 信息，进行跟踪。根据以上处理规则，a t p 对热轴报警采用如 下操作步骤： ( 1 ) 初始化 a t p 车载设备上电后，设备经初始化进入默认模式，默认模式根据运营 要求选撵。 ( 2 ) 停车 在车站股道两端的适当位置设黉动车组停车位置标。进站信号飙外方停 车或经道俞直向接车时，a t p 车载设备形成出口速度为o k m h 的监控速度曲 线。 手信号引导接车时，根据行车管理办法( 含调度命令) ，转为目褫行车 模式。 区闯停车时，a t p 车载设备根据轨道电路信息和已收到的线路参数，形 成运行速度为o k m h 的监控速度曲线。停车后，若地面设备为故障状态，可 转为基视行车模式。 本文在a t p 系统算法的设计中采用了速度曲线控制方式中的速度一距离 麓线模式，因此关于速度一距离夔线的建模就成了a t p 功能实现靛关键坯节。 在本文的第5 章中仿真了红外轴温探测系统和a t p 系统的接髓，模拟了列车 制动蛙线。这里只讨论实际越线计算公式的生成的模型。制动的作用是保证 列车在指定的位簧停车或者将速度限制在某一范围，鼗口列车限速的未速度为 零。 根据牵弓| 计算的要求，本文简化了具体计算的公式。列车铡动距离文就 等于制动空走距离瓯与制动有效距离疋之和，即 是然是疋 ( 3 2 ) 魏：监十y = 些盟蔓l ( 3 嘞 9 3 6 二一l o o o 磙纸扛+ t 式中：制动初始速度( k m h ) 。 。 毡，毪分别为速度闯隔段的初速和末速( k m h ) ； 匿南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 最列车换算制动率； 纯换算摩擦系数； d 列车惰行对单位基本阻力( n k n ) ，可以只按车辆惰行单 位基本阻力计算；