（电力系统及其自动化专业论文）无线调车机车信号和监控系统关键技术研究.pdf

a b s t r a c t a sa i li m p o r t a n tp a r to fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ，s h u n t i n gw o r k l sac o m p l l c a t e d i o bw i t hh i g ht e c h n i q u ea n dd e m a n d b e c a u s es i g n a ls t a t u si sc o n f i r m e db yd r i v 锻 锄ds h u n t e r s ，a c c i d e n t sh a p p e nf r o mt i m et ot i m e i th a sb e e nab i gt h r e a tt ot h e r a i l w a vt r a n s p o r t a t i o ns a f e t y s ow en e e dt od e v e l o pas y s t e m t o p r o t e c tt h e l o c o m o t i v ea n dd r i v e r sa n dt h i ss y s t e mc a nb ec a l l e dc a b s i g n a la n ds u p e r v t s l o n s y s t e mi nr a d i os h u n t i n g t h e r ea r em a i n l yt w op a r t si nt h i ss y s t e m ：t h es e r v e ro i l t h eg r o u n da n dt h e m 1 3 n i t o r i n gu n i to nt h el o c o m o t i v e ，i n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e nt h e s e 觚op a n sb y t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h es e r v e rs e n d s t h es t a t i o ni n f o r m a t i o nt h el o c o m o t i v e n e e d e dt 0t h em o n i t o r i n gu n i ta n dt h eu n i tu s e st h i s i n f o r m a t i o nt or e a l i z et h e d e s t i n a t i o no fp r o t e c t i n gt h el o c o m o t i v e t h es e r v e ro nt h eg r o u n dc o n c e r n sm o r e a b o u tt h et r u t ha n da c t u a l i t yo ft h es t a t i o ni n f o r m a t i o na n dt h em o n i t o r i n gu n l t l s r e s p o n s i b l ef o r t h ec a l c u l a t i o no f t h ed i s t a n c et h el o c o m o t i v ec o v e r s t h i ss y s t e mc a np r o t e c tt h el o c o m o t i v ef r o mg o i n gp a s tt h ec l o s e ds i g n a l d 0 1 n g t h ew o r kw i t ha ne x c e s s i v es p e e d w i t ht h eh e l po fl k j 2 0 0 0l o c o m o t i v e m o n i t o r i n g a n dr e c o r d i n gs y s t e m ，i tc a nt r a c kt h ep o s i t i o na n ds p e e do ft h el o c o m o t i v ea n d t h e n r e a l i z ei t sd e s t i n a t i o n b e s i d e s ，t h i ss y s t e mc a n r e c o r dt h ed a t ai n c l u d i n gs i g n a ls t a t u s ， l o c o m o t i v es p e e da n dc o n t r o l l i n gm o d e t h e s ea r ev e r yu s e f u lw h e nf a u l ta n a l y s i s a n dd i a g n o s i sa r en e e d e d t h e r ea r em a i n l ys i xp a r t si nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ef i r s to n e i si n t r o d u c t i o n i q a e i m d o r t a n c ea n da c t u a l i t yo ft h es h u n t i n gw o r ka n dt h en e c e s s i t yo ft h e w l r e l e s s s h u n t i n gl o c o m o t i v es i g n a l i n ga n dm o n i t o r i n gs y s t e ma r ep o i n t e do u t l i lt h l sp a r t t l l ed e v e l o p i n gp l a t f o r mi sa l s oi n t r o d u c e di nt h i sp a r t t h em a i nf u n c t l o no ft h l s s v s t e n li se x p l a i n e di nt h es e c o n dp a r t i nt h et h i r dp a r ts o m e c r i t i c a lt e c h n i q u eu s e d i nt h eg r o u n dp a r to ft h i ss y s t e mi s d i s c u s s e da n dt h ep r o b l e m st h a ts h o u l db e c o n c e m e da b o u td u r i n gt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n t h eg r o u n da n dt h el o c o m o t l v e a r ep o i n t e do u ti np a r t4 i np a r t5 ，m o r et h a nt e nk i n d so fs a f e t yc o n t r o l l i n gm o d e a n ds o m er e l a t e da r i t h m e t i cu s e di nt h em o n i t o r i n gu n i t o nt h el o c o m o t l v ea r e d i s c u s s e d o u rp l a nt oi m p r o v et h i ss y s t e mi sm e n t i o n e d i nt h el a s tp a r t k e y w o r d s ：s h u n t i n g 、m o n i t o r i n g 、w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 、s a f e t ym o d e 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：声复够县少 洌p 年名月- 7 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名祝劾 训孑年专月7 日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 调车工作的定义及分类 除列车在车站到达、出发、通过及在区间内运行外，凡机车车辆进行一切 有目的的移动，统称为调车【1 】。如列车的编组、解体、摘挂、转线，车辆的取 送、转场、调移，以及机车的对位、转线、出入段等。 调车按其设备不同分为牵出线调车和驼峰调车两种，按其作业目的不同分 为： 1 解体调车：是将到达的车列，按车组分解到指定的线路内的作业。 2 编组调车：是根据列车编组计划、列车运行图、有关规章制度和特殊要 求，将车辆选编成车列或车组的作业。 3 取送调车：是为装卸货物、检修、洗刷消毒车辆等目的，向指定地点送 车或取回车辆的作业。 4 摘挂调车：是为列车进行补轴、减轴、换挂车组及车辆摘挂等作业。 5 其他调车：包括车列转线、整理车场、对货位、机车转线、机车出入段 等。 车站由于作业性质不同，完成各种调车工作的比重也不一样。例如，编组 站要进行大量的解体和编组调车，而中间站一般只进行摘挂和取送调车。 作为一项比较复杂而涉及面广的工作，它具有以下特点： 1 作业地点涉及面广：从调车场到到发线；从调车线到货物线、段管线、 岔线；从牵出线到驼峰；从站内到站外，调车工作几乎涉及到整个铁 路线。 2 多种的作业方法：例如牵出线上就涉及到牵出、推送、溜放等多种作业 方式，在驼峰上作业涉及到定速、变速溜放等作业方式。 3 涉及多种作业人员：每次的调车作业参与的工作人员包括：车站调度员、 车站值班员、助理值班员、调车区长、调车长、连结员、调车司机、 副司机等。需要各工种工作人员的协同配合才能保证调车工作的j i l 页n 完成。 4 涉及多种作业对象：被调动的包括机车、客车和货车，货车中又有棚、 敞、平、沙、罐等各种车辆。 5 作业效率受多方因素影响：包括调车人员的思想情况及水平、天气情 况、站场条件、车上装载货物的种类等，这些都会对调车效率及作业 第1 章引言 安全情况造成不同程度的直接或间接影响【2 3 】。 1 2 调车工作的重要性 调车工作是铁路运输生产的重要组成部分，是车站运输工作中一项技术性 强、要求较高而又复杂的工作。对编组站、区段站来说，调车工作是它的重要 生产活动。中间站调车作业量较少，但遍布铁路沿线，因此，调车工作是确保 列车编组计划、列车运行图的一个重要环节。 从整个运输过程来看，车辆在车站的停留时间，在车辆周转时间中占很大 的比重。货车在一次周转中，一般要进行5 - 6 次调车作业【6 】。因而，调车作业 质量的好坏，效率的高低，调车的安全程度，不仅对完成车站的装卸工作，缩 短车辆停留时间，加速车辆周转等各项指标有很大的影响，而且对保证行车安 全和实现列车编组计划、列车运行图、运输方案，也有直接的关系。 1 3 调车监控系统提出的必要性 作为铁路运输生产的重要组成部分，调车作业过程涉及多部门、多工种的 联合协同。由于目前调车作业过程中信号的状态主要依靠司机和调车员的人工 确认，“冲、挤、脱”等事故时有发生，对运输安全构成了严重威胁。据有关资 料统计，调车事故占铁路行车事故总数的8 0 。特别是发生在车站临近或穿越 j 下线的调车事故，直接威胁到列车的安全运行。 无线调车机车信号和监控系统是随着l k j 2 0 0 0 列控装置、t d c s 和t m i s 在全路的普及和推广而发展起来的一种铁路信号控制技术，它综合了无线通信、 计算机、显示和机车控制技术，是c b t c ( 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 基于通信的列车控制) 和a t p ( a u t o m a t i ct r a i np r o t e c t i o n 列车超速防护) 技术 在调车作业安全防护方面的特殊应用。该系统充分利用计算机技术和无线通信 技术，实现了机车和地面的信息交互，是机车司机能够充分掌握站场的各种信 息，为机车作业提供了实时的安全保证。“作为新一代调度集中的配套技术”， 重点解决专用调机在固定调车场、本务机在中间站调车作业的安全防护，为调 车作业现代化管理提供先进、可靠的技术手段，将进一步提升铁路运输生产的 安全和效率。 该系统具有以下功能： ( 1 ) 通过无线网络实现车地通信。通过专用的网络通信设备( 无线电台或 g s m r 设备) 将地面调车进路的开放、调车作业单、调车限制条件等发送到机 车并实时显示，将驾驶员的进路请求和机车收到的控制信息等传回地面，构成 闭环控制： ( 2 ) 防止冒进关闭的信号机、防止超过规定速度作业。基于车地通信、进 2 第1 章引言 路搜索和站场拓扑结构自动跟踪车列位置和速度，结合l k j 2 0 0 0 列车运行监控 记录装置实现对调车作业的安全防护，防止调车作业事故的发生； ( 3 ) 作业现场数据实时记录，将作业期问的调车信号、运行速度、车速控 制方式等实时信息全部保存，可进行历史回放，用于事后的故障分析和诊断。 1 4 开发工具概述 本系统地面部分采用c + + 语言v i s u a lc + + 平台进行开发，之所以采用这袍 方式，与c + + 语言和v i s u a lc + + 平台的特点是分不开的，理解编程语言的发展 和特点，对我们的软件实现大有裨益。 1 4 1 c + + 语言的发展和特点 1 9 5 6 年首先在i b m 公司的计算机上实现的由美国的计算机科学家巴科斯设 计f o r t r a n 语言，标志着高级语言的到来。f o r t r a n 语言以它的简洁、高 效性，成为此后几十年科学和工程计算的主流语言，除了f o r t r a n 以外，还 有a l g o l 6 0 等科学和工程计算语言。随着计算机应用的深入，产生了使用计 算机来进行商业管理的需求，于是c o b o l 这类商业和行政管理语言出现了， 并一直流行至今。 早期的这些计算机语言都是面向计算机专业人员，为了普及计算机语言， 使计算机更为大众化，出现了入门级的b a s i c 语言，至今b a s i c 语言仍然是 绝大多数软件开发人员接触到的第一门计算机语言，同时也是最流行的计算机 语言。 七十年代初，结构化程序设计的思想孵化出两种结构化程序设计语言，一 种是p a s c a l 语言，另一种是c 语言。这两种语言的语法结构基本上是等价的， 它们都是通过函数和过程等语言特性来构成结构化程序设计的基础。但是很主 要的区别在于p a s c a l 语言强调的是语言的可读性，因此p a s c a l 语言至今成 为学习算法和数据结构等软件基础知识的教学语言；而c 语言强调的是语言的 简洁性以及高效性，因此c 语言成为之后几十年中主流的软件开发语言，高效 性使c 语言的地位已相当于一种“高级汇编语言”。 虽然面向对象的思想可以追溯到六十年代，但是面向对象思想被普遍接受 还是得益于面向对象语言的功劳。在众多的面向对象语言当中，最为突出的就 是c + + 语言。c + + 语言是在八十年代初由a t & t 贝尔实验室b j a r n es t r o u s t r u p 在c 语言的基础上设计并实现的。c + + 语言继承了c 语言的所有优点，如简洁 性和高效性，同时引入了面向对象的思想，如类、封装、继承、多态等。c + + 语言的这些特性使得c 程序员在学习面向对象思想的同时不必放弃已有的知识 第1 章引言 和经验，原有的软件积累同样可以利用，同时面向对象的设计开发方法使得软 件的分析、设计、构造更为完美，因此，c + + 借助c 语言的庞大程序员队伍， 成为主流的面向对象语言，并促使面向对象的思想被普遍接受。c + + 是一种混 合型的面向对象语言。像任何人类的自然语言一样，c + + 语言提供一种表达思 想和概念的方法，当问题变得大而复杂时，使用c + + 语言来解决问题将会比使 用其它语言更加容易、更加灵活。 1 4 2v c + + 6 0 编程软件的特点 m i c r o s o f tv i s u a lc + + 是运行于w i n d o w s 上的交互式集成开发环境，是 m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o6 0 家族成员之一。同其他的可视化开发环境( 如d e l p h i 、 c + + b u i l d e r ) 一样，v i s u a lc + + 6 0 集程序的代码编辑、编译、链接、调试等功 能于一体，给编程人员提供了一个完整而又方便的编程界面，并提供了许多有 效的辅助开发工具。v i s u a lc + + 6 0 的a p p w i z a r d 可以为很大一部分类型的应 用程序提供框架代码，用户不需要书写代码，只需几个按钮就可以生成一个完 整的、可以运行的程序。 长期以来，v i s u a lc + + - - 直拥有能够创建短小高效程序的美誉。使用这种语 言编写的程序几乎可以与用汇编语言编写的程序达到相同的运行速度，并且避 免了汇编语言存在的各种问题。 另外，c + + 是编写诸如操作系统、设备驱动程序以及动态链接库( d l l ) 的强大语言，这三种领域代码的开发依然是v i s u a lc + + 的主要优势。v i s u a lc + + 生成的短小、快速的代码在对时间要求很高的系统中获得了极高的赞誉。 v c 的另一大特点是微软公司做了一个自己独有的类库m f c ，里面封装了 绝大多数的a p i 函数，使得w i n d o w s 程序的开发变的高效和易于理解，如果用 a p i 直接开发w i n d o w s 程序的话，将会是一件非常烦琐的工作。w i n d o w s 对资 源的管理是非常严格的，这与d o s 可直接用中断处理程序和i o 指令操作硬件 端口是截然相反的，所以m f c 的出现为w i n d o w s 程序员提供了一个面向对象 的w i n d o w s 编程接口，它的产生大大简化了对w i n d o w s 的编程工作。 1 4 3m f c 简介 m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s sl i b r a r y ) q b 的各种类结合起束构成了一个 应用程序框架，它的目的就是让程序员在此基础上来建立w i n d o w s 下的应用程 序，这是一种相对s d k 来说更为简单的方法。因为总体上，m f c 框架定义了 应用程序的轮廓，并提供了用户接口的标准实现方法，程序员所要做的就是通 过预定义的接口把具体应用程序特有的东西填入这个轮廓。m i c r o s o f tv i s u a l c + + 提供了相应的工具来完成这个工作：a p p w i z a r d 可以用束生成初步的框架 4 第1 章引言 文件( 代码和资源等) ；资源编辑器用于帮助直观地设计用户接口；c l a s s w i z a r d 用来协助添加代码到框架文件；最后，编译，则通过类库实现了应用程序特定 的逻辑。 封装 构成m f c 框架的是m f c 类库。m f c 类库是c + + 类库。这些类或者封装 了w i n 3 2 应用程序编程接口，或者封装了应用程序的概念，或者封装了o l e 特性，或者封装了o d b c 和d a o 数据访问的功能等等，分述如下。 ( 1 ) 对w i n 3 2 应用程序编程接口的封装 用一个c + + o b j e c t 来包装一个w i n d o w so b j e c t 。例如：c l a s sc w n d 是一个 c + + w i n d o w o b j e c t ，它把w i n d o w sw i n d o w ( h w n d ) 和w i n d o w sw i n d o w 有关的 a p i 函数封装在c + + w i n d o wo b j e c t 的成员函数内，后者的成员变量mh w n d 就是前者的窗口句柄。 ( 2 ) 对应用程序概念的封装 使用s d k 编写w i n d o w s 应用程序时，总要定义窗口过程，登记w i n d o w s c l a s s ，创建窗口等等。m f c 把许多类似的处理封装起来，替程序员完成这些工 作。另外，m f c 提出了以文档视图为中心的编程模式，m f c 类库封装了对它 的支持。文档是用户操作的数据对象，视图是数据操作的窗口，用户通过它处 理、查看数据。 ( 3 ) 对c o m o l e 特性的封装 o l e 建立在c o m 模型之上，由于支持o l e 的应用程序必须实现一系列的 接口( i n t e r f a c e ) ，因而相当繁琐。m f c 的o l e 类封装了o l e a p i 大量的复杂 工作，这些类提供了实现o l e 的更高级接口。 ( 4 ) 对o d b c 功能的封装 以少量的能提供与o d b c 之间更高级接口的c + + 类，封装了o d b c a p i 的 大量的复杂的工作，提供了一种数据库编程模式。 继承 首先，m f c 抽象出众多类的共同特性，设计出一些基类作为实现其他类的 基础。这些类中，最重要的类是c o b j e c t 和c c m d t a r g e t 。c o b j e c t 是m f c 的根 类，绝大多数m f c 类是其派生的，包括c c m d t a r g e t 。c o b j e c t 实现了一些重 要的特性，包括动态类信息、动态创建、对象序列化、对程序调试的支持，等 等。所有从c o b j e c t 派生的类都将具备或者可以具备c o b j e c t 所拥有的特性。 c c m d t a r g e t 通过封装一些属性和方法，提供了消息处理的架构。m f c 中，任 何可以处理消息的类都从c c m d t a r g e t 派生。 针对每种不同的对象，m f c 都设计了一组类对这些对象进行封装，每一组 第1 章引言 类都有一个基类，从基类派生出众多更具体的类。这些对象包括以下种类：窗 口对象，基类是c w n d ；应用程序对象，基类是c w i n t h r e a d ；文档对象，基类 是c d o c u m e n t ，等等。 程序员将结合自己的实际，从适当的m f c 类中派生出自己的类，实现特定 的功能，达到自己的编程目的。 虚拟函数和动态约束 m f c 以“c + + ”为基础，自然支持虚拟函数和动态约束。但是作为一个编程 框架，有一个问题必须解决：如果仅仅通过虚拟函数来支持动态约束，必然导 致虚拟函数表过于臃肿，消耗内存，效率低下。例如，c w n d 封装w i n d o w s 窗 口对象时，每一条w i n d o w s 消息对应一个成员函数，这些成员函数为派生类所 继承。如果这些函数都设计成虚拟函数，由于数量太多，实现起来不现实。于 是，m f c 建立了消息映射机制，以一种富有效率、便于使用的手段解决消息处 理函数的动态约束问题。 这样，通过虚拟函数和消息映射，m f c 类提供了丰富的编程接口。程序员 继承基类的同时，把自己实现的虚拟函数和消息处理函数嵌入m f c 的编程框 架。m f c 编程框架将在适当的时候、适当的地方来调用程序的代码【8 】。 1 4 4m f c 的宏观框架体系 如前所述，m f c 实现了对应用程序概念的封装，把类、类的继承、动态约 束、类的关系和相互作用等封装起来。这样封装的结果对程序员来说，是一套 开发模板( 或者说模式) 。针对不同的应用和目的，程序员采用不同的模板。例 如，s d i 应用程序的模板，m d i 应用程序的模板，规则d l l 应用程序的模板， 扩展d l l 应用程序的模板，o l e a c t i v e x 应用程序的模板，等等。 为了支持对应用程序概念的封装，m f c 内部必须作大量的工作。例如，为 了实现消息映射机制，m f c 编程框架必须要保证首先得到消息，然后按既定的 方法进行处理。又如，为了实现对d l l 编程的支持和多线程编程的支持，m f c 内部使用了特别的处理方法，使用模块状态、线程状态等来管理一些重要信息。 虽然，这些内部处理对程序员来说是透明的，但是，懂得和理解m f c 内部机制 有助于写出功能灵活而强大的程序。 总之，m f c 封装了w i n 3 2a p i ，o l ea p i ，o d b ca p i 等底层函数的功能， 并提供更高一层的接口，简化了w i n d o w s 编程。同时，m f c 支持对底层a p i 的直接调用【9 】。 正是由于微软公司提供的v i s u a lc + + 6 0 诸多的优势，我们在系统开发时才 选择此种开发平台。事实证明，v c 平台确实为我们的系统开发提供了诸多的 便利，大大减少了界面设计中所要耗费的时i 日j 和精力，另外各种功能完善的控 6 第1 章引言 件的提供也方便了系统开发。 笔者参与了该系统大部分的软件开发，对系统地面部分的机车定位跟踪算 法和车地通信技术作了重点研究，这些都会在文章的后续部分进行详细介绍。 另外，文章中对于车载部分技术和应答器在本系统中的作用也进行了解释，力 图对整个系统中的关键技术做出完整翔实的说明j 第2 章系统结构及功能 第2 章系统结构及功能 无线调车机车信号和监控系统是一个旨在对机车作业过程中进行安全控制 的系统，本章从总体上对该系统进行全面的介绍。 2 1 系统结构 该系统主要由地面设备和车载设备两部分组成，两部分通过无线方式进行 信息交换，其总体结构如图2 1 所示。 2 1 1 地面设备及功能 一个联锁站场配置一套地面设备，一站多场时可根据实际情况配置多套。 地面设备包括： 站场采集：采集站场信号( 道佾、区段、信号机等) 状态。单独采集则 采用基于c a n 总线、与t j w x 2 0 0 0 监测兼容的基层数据采集系统，或 通过r s 2 3 2 接收计算机联锁t d c s 系统采集的数据。 地面主机：采用可靠度较高、速度较快的工控机，今后拟采用“双机热 备+ 嵌入式l i n u x ”架构高可靠性工控机，这是地面系统的核心。其主 要功能是综合处理站场信息，并将这些信息发送到车载主机。 车务终端：采用i p c 工控机，主要功能是接收地面主机传送的站场数据 并实时显示站场状态，方便车站工作人员了解现场情况。 无线通信设备：采用美国m d s 4 7 1 0 c 数传电台，主要用于与车载主机 进行无线通信。 点式应答器；分为2 种，第一种是在联锁区入出口安装多字节应答器， 该应答器主要为机车出站、进站提供位置参考；第二种是1 b i t 的应答器， 目的是为提高车列定位的可靠性和准确性，可在站场的关键位置增设。 g p s 设备：辅助定位手段，进一步提高车列定位的精度。 第2 章系统结构及功能 乏k 0 2 靠黟o 芽。；f 粤。k 一 l 。鞭j z 0 纷罄； t 拯 r 一一一一“1 ；蕊； f 强 图2 1 无线凋车机布信号和监控系统结构图 9 叩 第2 章系统结构及功能 2 1 2车载设备 一个调机包含一套。车载设备包括： 车载主机：车载核心设备之一，负责处理地面数据，并将数据提交列车 运行监控记录装置。 无线通信设备：采用美国m d s 4 7 1 0 c 数传电台，负责车地无线通信。 列车运行监控记录装置：或称l k j 2 0 0 0 ，车载设备的另一核心，负责 计算机车走行距离和安全控制。 g p s 设备：辅助设备，用于提高机车定位精度。 应答器查询器：辅助设备，用于提高机车定位精度。 2 1 3 与其它系统的接口 站场信息采集接口：地面主机通过r s 4 2 2 r s 4 8 5 接口与计算机联锁、 t d c s 或c t c 系统通信，获取后者提供的站场状态信息；采集联锁信 息符合“故障一安全原则”，信息应变时间不超过2 0 0 m s 。 调车作业单系统的接口：采用r s 4 8 5 单向串口与现有的调车作业单系 统以侦听方式进行通信。 与l k j 2 0 0 0 列车运行监控装置主机的接口：采用c a n 接口。 2 2系统功能 2 2 1 安全防护 防止调车作业中车列冒进阻挡信号机。 防止调车作业中车列不停车，直接越过站场规定的停车点( 一度停车标、 分区点、站界、手工道岔、脱轨器、专用调车线路的大门等) 。 控制车列在尽头线安全距离前方停车。 防止调车作业中运行速度超过道岔、线路、特殊车辆允许的最高限速。 防止连挂作业时超过连挂作业允许的最高限速。 系统故障或相关系统故障时的处理符合“故障一安全”原则。 2 2 2 人机交互 该系统对于机务管理人员、机车乘务人员、电务维修人员及调车人员都有 交互过程，系统对于各类人员提供的功能如图2 2 所示： l o 第2 章系统结构及功能 、一， _ j 至 毒! 糖 黼 敞 窥 图2 2 无线调车机车信号和监控系统功能示意图 第2 章系统结构及功能 车载显示器和车务终端上实时显示： 以站场图形方式实时显示站场调车信号、调车进路、轨道区段占用状况、 列车信号和列车进路；以表格方式实时显示调车作业通知单和勾作业进 度；以图标方式实时跟踪并显示车列在调车作业区位置；以文本方式实 时显示调车作业关键状态信息；实时显示车列前方调车信号、调车限速、 实际速度、防护距离和平调信号控制命令。 人机交互控制功能 一1 通过车载l k j 2 0 0 0 显示器按键实现调车作业单查询、勾作业确认、人工 解锁等操作。 报警提示功能 通过车载显示器或机车语音箱乘务员发出语音提示、报警音响；通过 l k j 2 0 0 0 显示器发出文字提示信息。 车务终端功能 车务值班人员通过键盘或鼠标实现调车作业通知单录入、编辑、打印和 向指定机车传送调车作业单等功能。 2 2 3 记录处理功能 地面主机、车载主机分别记录保存调车作业过程的实时信息。 利用转储设备将车载数据转储到地面设备进行分析处理。 在地面主机和车务终端上对调车作业的历史记录进行回放和检索处理。 2 2 4 系统管理 所有采集数据、人工录入数据以及加工处理后数据的记录存贮及管理。 地面操作人员权限的安全管理。 2 2 5 其他附加功能 g p s 校j 下时间功能。 j 下线列车进站侧线自动输入和乘务员确认功能。 无线电台频点自动切换功能。 1 2 第3 章系统地面部分关键技术 第3 章系统地面部分关键技术 3 1 车列的定位与防护 车列的定位与防护是无线调车机车信号和监控系统的核心技术。根据活动范 围和移动性车列对象可分为以下两类： ( 1 ) 移动车列( 单机或行驶中的车列) ； ( 2 ) 固定车列( 存留车) ； 上述两类对象的跟踪与定位相互关联，构成一个完整的互动反馈系统。 站场中包括道岔区段、无岔区段以及股道在内的各个区段的联锁区都是有轨 道电路的，在车列行驶到该区段后，轨道电路的继电器落下，反映到站场图上这 一区段就用红色来表示。而当车列全部通过该区段，区段出清后，继电器落下， 站场图上的红光带消失。这些条件都可以通过各种手段采集到，通过这种手段了 解机车行驶到的位置，这也构成了地面判断车列位置的基础。而在没有轨道电路 的非联锁区，我们则采用其他方法进行机车定位。 3 1 1 移动车列的跟踪与定位 3 1 1 1 机车在车列位置的确定 指通过跟踪进路、信号和区段状态的变化，结合1 b i t 应答器的信息，确定车 列的运行方向、机车在行驶中车列的位置，即机车在车列前端还是后端( 模型图 如下图3 1 ) 。包括以下几种情况： ( 1 ) 地面系统初启动后，在调车区跟踪到一移动车列，车列进入股道作业 后，通过判定离开股道的开放信号方向( 上行下行) ，就能确定机车 在剩余车列中的位置( 前端或后端) ； ( 2 ) 刷过入口应答器进入联锁区，则车列为单机或机车在前端； ( 3 ) 在机车的跟踪信息丢失( 机车号和注册号) 时，由人工在补输信息时 将机车位置一并输入； 确定了本勾作业完成后机车在剩余车列的位置，就能推算出在后续作业车列 中的位置。 3 1 1 2 跟踪定位算法 跟踪模型如图3 1 和图3 2 所示。包含以下阶段： ( 1 ) 确定机车初始位置。刷过联锁区入口应答器后，可确定机车当前所在区 段，根据运行方向和开放信号确定前方区段； ( 2 ) 确定机车( 车列) 所在进路。地面主机根据道俞位置、信号开放情况和 第3 章系统地面部分关键技术 列车所在区段搜出所在进路；根据区段状态变化完成机车( 车列) 在进路内的连续跟踪，定位精确到区段( 初次定位) ； ( 3 )计算车列在区段内部的位置。车载主机在轨道电路变为占用状态后确 定车列已驶入前方区段，开始计算在该区段内行驶的距离；结合刷 绝缘节处1 b i t 应答器消除数据传输延迟产生的距离误差，定位精确到 “控制距离”( 二次定位) ；从而算出距前方目标( 信号、存留车、道岔 和土挡等) 的距离，找出合理的控制模式并在适当时机启动； ( 4 ) 如刷过联锁区出口应答器，则车列从控制台上消失，脱离本系统地面服 务器的跟踪； ( 5 ) 跟踪过程中，如果地面主机重启导致机车( 车列) 跟踪位置丢失，则需 在车列离开股道时从监控席上重新输入( 包括机车号、注册号等) 。 3 1 2 固定车列的跟踪与定位 实现跟踪、记录存留车的数量和位置( 即距股道两侧信号机的距离) ，用于 计算下次进入股道甩挂车作业时的控制模式。跟踪定位模型如下图所示。包含 以下几个阶段： ( 1 ) 股道初态为空时，在本勾甩车作业完成后，根据第5 章的车列长度算 法可算出存留车的数量和位置；当股道的数量和位置未知时( 系统启 动后首次检测到区段为占用状态或无轨道电路) ，机车从上行( 或下行) 咽喉进入股道作业，完成后可算出存留车距该方向出发信号( 调车信 号) 的距离，存留车数量未知；机车再从下行( 或上行) 咽喉进入股 道作业，作业完成后可算出存留车距该方向出发信号的( 调车信号) 距离，这样股道存留车数量可自动算出；如在系统启动后人工输入存 留车数量，则在股道单侧完成首次作业后存留车位置就能算出。 ( 2 ) 在存留车数量和位置已知的自仃提下，可推算出股道每次完成挂车甩 车作业后存留车的数量和位置。 在股道存留车数量和位置未知时，如机车首次进入该股道作业，可采用最安 全的控制模式( 或“十、五、三车”距离信号控制) 进入股道；以后在存留车位 置已知的情况下，每次都可计算出机车距作业股道存留车的距离，从而找出最佳 的限速控制模式，防护机车安全完成连挂作业。上述算法同样适用于跟踪无轨道 电路区段的存留车和位置。 1 4 第3 章系统地面部分关键技术 l5 囫u一彗*阱*型丹2奔啪寄跚 第3 章系统地面部分关键技术 1 6 囫u祜咎*望，定奔疑霈感性 第3 章系统地面部分关键技术 3 1 3 移动一固定车列跟踪反馈模型 模型如下图3 3 所示。地面系统和车载系统都设有移动车列定位和固定车列 定位模块。地面系统的固定车列跟踪模块将本勾作业前股道存留车的数量和位置 ( 全部未知、部分已知或全部已知) 发给车载系统的固定车列跟踪模块，车载系 统再从本地的移动车列跟踪模块获得本勾甩车挂车的数量，从而算出该勾作业 完成后存留车的数量和位置，再发到地面系统保存，等下次本股道有车作业时再 发给作业机车。 幽3 3移动7 f 体i 叫定乍体足艮踪反馈模型 第3 章系统地面部分关键技术 3 1 4 区段一进路的跟踪 在联锁区，调车进路的每个区段( 无岔区段除外) 都要接受联锁条件关系 检查。基本调车进路由防护信号机和数个区段组成，包括空闲、锁闭和占用三 种状态。为加快进路搜索速度，为进路分设4 个不同的数据结构：进路总表， 就绪进路队列、锁闭进路队列和占用进路队列。就绪进路队列包括道岔位置已 满足联锁条件的进路号码，锁闭进路队列包含区段全部锁闭、防护信号已经开 放的进路号码，占用进路队列包含部分区段已被占用的进路号码。当有道岔表 示条件变化时，进路总表中道岔位置满足联锁条件的进路号码进入就绪队列； 根据下图所示状态转换过程，进路号码将在锁闭队列、占用队列和就绪队列之 间移动，或被删除。根据车列前端当前占用区段和行驶方向从进路队列中搜索 车列当前占用的进路。为准确跟踪每个区段状态，防止由于轨道电路异常( 异 常红轨、光带丢失、漏解锁等) 导致的进路跟踪、车列跟踪失效，为每个区段 设置一个状态跟踪表，实时记录跟踪当前状态( 包含解锁、锁闭和占用三种) ， 并依照电气集中轨道区段连续占用原则( 3 点检查) 检查相邻区段( 根据进路结 构和邻接表查找) 的状态。区段邻接结构表保存了道龠、区段和信号之间的邻 接关系，用于车列跟踪中快速搜索车列前方区段、信号状态以及复合进路。进 路i 结构保存了进路i 设备的实际状态。 图3 4 进路轨道区段状态跟踪模型 第3 章系统地面部分关键技术 圃 p 啊 冈 船 阵 盔 锄 烈 霈 磐 茹 i ；：i 茎 1 i = ) 第3 章系统地面部分关键技术 邂 进路总表 图3 6 进路数据跟踪结构 2 0 躞锾鬟袭 满 第3 章系统地面部分关键技术 3 2 调车作业单执行过程跟踪 地面系统除了要将作业单发送到机车上之外，还要对作业单的执行情况进行 跟踪，并能实时对已完成的勾计划进行抹消，其主要跟踪步骤如下： ( 1 ) 地面主机收到某机车的作业单( 从t m l s 或调车作业计划管理系统侦 听、或从t d c s 接收) 后，立即向对应机车发送； ( 2 ) 确定机车当前所在位置，检查前方开放进路，找到作业股道；在车列 压入前方区段后，表明车列已开始调车作业，这时用股道号搜索作业 单，找出当前勾序号并发往机车； ( 3 ) 车列进入股道、出清股道接近区段后，就可算出机车推送牵引车列 的辆数； ( 4 ) 在车列离开股道、进入股道接近区段后，表明本勾作业已经完成；车 列离开股道接近区段后，可算出车列的剩余辆数；在存留车数量、作 业前后车列的辆数已知时，就能算出本勾实际甩挂车的辆数； 作业过程跟踪提供两种模式： ( 1 ) 每勾作业严格遵从调车单要求( 勾序、甩挂车辆数等) ； ( 2 ) 允许部分勾有所变动( 少于3 勾) 。 两种模式都可自动跟踪计算每勾作业“实际”甩挂车的辆数，并与“计 划”勾要求进行校核，记录实际作业过程；模式( 1 ) 还能自动跟踪进路的办 理过程，在错办时向值班员发出报警。 第3 章系统地面部分关键技术 固u q 1乍皓忸疑霈砗黹 第3 章系统地面部分关键技术 3 31 b i t 应答器在调车作业中的应用 l b i t 应答器的地面部分是无源设备，安装在与绝缘节对齐的轨枕中心，车载 阅读器安装在机车腹部( 为提高可靠性可装两个) 。当机车行驶到距应答器地面 设备一定距离时就能收到一个状态固定的信息。 在联锁区作业中，l b i t 应答器具有如下作用： 一( 1 ) 辅助校正机车定位，消除数据传输的延迟误差和距离计算的累计误差； ( 2 ) 辅助判断机车在车列中的位置( 前端或后端) 。 在非联锁区中，l b i t 应答器具有如下作用： ( 1 ) 在无轨道电路的区段校正车列定位，跟踪存车数量和位置； ( 2 ) 跟踪机车在非联锁区的行驶位置，拓展对机车的监控范围。 下面详细说明。 3 3 1 在联锁区的作用 在联锁区的每个绝缘节处装一个应答器，图3 8 中为应答器。 图3 8 应答器安装位置 3 3 1 1 机车牵引车列作业 如图3 9 ，车列从区段i i b g 进入i i g ，机车前轮压入区段i i g 的时刻为t o 。 由于数据传输等造成的延迟，等到t l 时刻车载主机才收到地面发来的i i g 轨道电 路( 无轨道电路情况后面介绍) 占用的信息，开始计算机车进入区段i i g 后走行 的距离，这样必然产生误差( 从t 0 到t l 时间内驶过的距离) 。在绝缘节附近安装 l b i t 应答器能最大限度消除这种误差，校正机车位置。 校正方法如下： 。 t o l _ | - , j 刎： t l 时囊9 ： 打坐= 三，g q 注：为1 l l ：特j 遁器撩 幽3 9 机车牵引乍列作业 2 3 第3 章系统地面部分关键技术 ( 1 ) t o 时刻机车驶过应答器上方，车载查询器收到l b i t 应答器的 位置信息，从t o 时刻开始计算走行距离；在t l 时刻收到地面 发来的轨道区段占用信息后，判定车载查询器接收到