基于感应环线的中低速磁浮列车ATP系统工程化研究道

1、北京交通大学 硕士学位论文基于感应环线的中低速磁浮列车ATP系统工程化研究 姓名：齐洪峰 申请学位级别：硕士 专业：电子与通信工程 指导教师：郜春海 20211101 ， ， ， ； ， ， ， ， ， ， ： ， ， 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奉献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 糊躲铲啊黼期：一嘲帅 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全

2、了解北京交通大学有关保存、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局部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 籼躲弘晰 导师签名： 即旅晤 签字日期：列慨，矿月，日 签字日期：溯年月 日 致谢 在论文工作完成之际，首先要感谢我的导师郜春海副教授对论文工作的精心指导。在日常科研工作中，导师以勤勉的工作作风、宽厚豁达的人品和虚怀假设谷的治学态度为我做出了良好的表率，他以其严谨的学风、深厚的学术造诣和学者的风范引导我不断攻克技术难关。在完成论文

3、的过程中，导师非常关心我的工作进展情况，对具体设计工作提出了许多启发性意见，鼓励我踏实研究、大胆开拓，并为我提供了良好的研究环境，这些帮助将使我终生受益。 衷心感谢王平教授级高工、龙志强教授和骆力副教授。对于我在本课题开展过程中遇到的疑问和困难，各位老师都会耐心地帮助我分析，指导我解决难题。在三年的学习过程中，老师们在学术上严谨的治学态度、刻苦的工作作风和有序的工作方法给我今后的工作树立了优秀的典范。 还要感谢郑宝奎高工、张学山高工和张锟讲师，他们为我提供了许多有价值的资料，在平时的工作和生活中也给与了我大量无私的帮助。 最后，借此时机向一直鼓励和支持我的家人和朋友们致以深深的谢意，你们是我在

4、专业技术领域不断前进的力量之源。绪论 课题背景 随着我国经济开展及城市化进程的加快，城市交通问题日益突出，开展轨道交通是解决大中城市交通问题的最为有效的途径。自年英国伦敦建成世界上第一条地铁后的多年来，城市轨道交通不断开展，特别是在上世纪年代以后，轨道交通在全世界范围内呈加速开展趋势，年间全世界建有轨道交通的城市从个开展为个。目前世界上的轨道交通模式主要为地铁、轻轨和有轨电车等。现行轨道交通模式在对解决城市交通问题发挥积极作用的同时，也存在一定的缺乏，如地铁造价高、轻轨噪音大、实施难度高等问题。 中低速磁浮交通系统利用电磁力实现列车的无接触支承和导向，通过直线电机实现无接触牵引和制动，防止了传

5、统铁路中车轮和轨道之间的机械接触，克服了传统轮轨列车运行摩擦阻力和轮轨噪声。中低速磁浮列车具有乘坐舒适、低噪声、平安可靠、建设及运营本钱低等特点。与现有其它轨道交通工具相比具有明显性能优势，在一定程度上代表了政府、社会、消费者对未来城市轨道交通开展需求的价值取向。 我国自上世纪年代开始进行中低速磁浮列车技术研究，在国家“八五科技攻关课题一“磁浮列车关键技术研究支持下，国防科技大学年研制成功我国第一台全尺寸单转向架磁浮列车系统，当年被评为全国十大科技新闻。 从年开始，北京控股磁悬浮技术开展和国防科技大学共同联合国内航空、铁路、汽车相关行业最具优势的工程化研究、设计、生产和建设单位，合作进行中低速

6、磁浮交通技术工程化研发，并于年建成了长米的中低速磁浮列车长沙试验线；分别于年和年研制成功中低速磁浮试验车和工程化样车；成功地进行了单车运行试验和双车连挂运行试验，累计运行里程已经到达多公里；中低速磁浮列车试验车和试验线系统于年月通过了北京市科委主持的中试评审。经过年的努力，已经根本掌握了中低速磁浮交通系统的核心技术和系统集成技术，组织建立了工程化研发的研究、设计、制造和建设体系，初步形成了中低速磁浮交通工程化实施能力。 为完成国家“十一五科技支撑方案中的“中低速磁悬浮交通技术及工程化应用研究课题课题编号为，北京控股磁悬浮技术开展在唐山机车车辆厂内建设了公里的中低速磁浮列车试验、示范线，目前已经

7、竣工。其中作为磁浮交通系统关键技术的“基于交叉感应环线的移动闭塞系统及列车运行控制技术研究被列为其子课题，此子课题主要的研究内容如下： 中低速磁浮列车运行控制系统技术条件的研究； 车地双向数据通信技术的研究； 列车定位和测速技术的研究； 列车速度控制的研究； 故障平安表决方式的研究； 列车超速防护技术的研究； 列车自动驾驶技术的研究； 列车自动监控技术的研究。本子课题方案研制具有自主知识产权的，基于交叉感应环线实现移动闭塞的中低速磁浮列车运行控制系统包含卜，并在试验线进行应用试验，保障和监督磁浮列车按照一定的运行策略平安、高效地运行的目标。按照试验进程的要求分为两步骤实施，第一步实现系统可靠运

8、行，第二部到年底实现系统稳定运行。目前第一步工作已经根本完成，第二步正在按照课题方案实施。本文是这一子课题的组成局部，主要研究系统在工程化实施中的关键技术。 国内外研究现状 各国在开展磁浮列车技术研究的同时，也投入了大量的人力和物力对适用于磁浮列车的自动控制系统展开研究。国内对于列车自动运行控制系统的研究主要集中于铁路自动运行控制系统的研究，对磁浮列车的运行控制系统的研究根本处于起步阶段，通过对铁路列车自动运行控制系统的借鉴与移植，北京交通大学在对磁浮列车运行控制系统方面的研究已取得了显著的成果。国外对于磁浮列车运行控制系统的研究，德国和日本在此领域具有领先优势，它们研制的磁浮列车运行控制系统

9、都已投入实际商业应用，已取得很多实际的运行数据和经验。 德国磁浮列车运行控制系统简述 德国磁浮列车控制系统主要由公司研制，它是分级、多层次的系统，使用微波作为信号通信的主要手段。 图德国自动控制系统组成 在德国，考虑到磁浮列车任意长度线路和复杂性的需要，建立了一套基于计算机控制的列车自动控制系统。这套系统覆盖了一系列非常广泛的功能，包括和过程相关的平安控制功能以及多辆列车的调度管理功能，这套系统具有分散式控制、多通道冗余、故障一平安等特点。它由相互联系的几个局部组成，如图所示。其中，运行控制系统包含所有的功能和设备，如平安监控、运行控制、运行管理和运行规划等，它还提供乘客信息通道和保证设备间的

10、信息交换。 将运行控制系统从功能上划分，整个运行控制系统可以分为中心控制、分区控制和车载控制三个局部，如图所示。 运行控制中心 通信网络 通信网络 分敖控制 通信网络 移动无线通信 车辆 轨道 图德国磁浮列车控制系统结构图 图中：分散控制系统 分散点式防护装置 分散车站保护装置 分散驱动开关 、中心控制系统 中心控制主要负责列车的运行规划和运行管理等功能。方案：磁浮列车每天按日常方案运行。日常方案包括每辆车的运行顺序、运行 路线和收发车时间等。调度：控制中心按当前线路条件，依方案发出车辆，出现故障或冲突时，按照 预定好的策略改变或撤销方案。监视：通过比拟预定方案和实际执行情况，实现多辆列车的优

11、化运行。为了实 现无阻塞的调度，必须随时得到交通状况和各种设备的工作状况。控制：控制参数来自日常行车方案、调度情况和当前运行情况。并依照控制算 法来设定路线和行车速度。乘客通知信息：乘客通知信息大局部来自日常方案，按照列车行车位置的不同， 可以显示在车站、月台和车上。行车记录：列车的运行数据和各种与平安有关的数据都要记录下来，同时也要 记录驾驶员的各种操作。这些数据用于进一步的分析统计和故障诊断。自诊断：参与数据处理的各种硬件是由软件模块监视的，出现故障时，及时通 知诊断系统。、分区控制系统 分区控制系统由分布在线路两侧的许多设备组成，这些设备相互联系，共同保证列车在线路上的平安运行。 分散在

12、路轨旁的区间控制设备直接参与列车的控制和运行。它的功能是控制和保证本区段内列车的平安。它负责驱动的给定值设定、线路和列车保护。 分区控制系统和相邻的驱动、车辆、线路及运行控制中心通信。一般来说，它控制的区段只是复杂的磁浮列车运行网络的一段，在这个网络中，许多磁浮列车在预定的时间表或适宜的中央控制下自动运行。 在中心控制系统的指挥下，分区控制系统通过线路保护和控制单元，确保所需的线路平安可用。它会一直监测本区段，防止提前释放。 分区控制系统会根据具体的线路车辆条件，调整驱动单元的参数，具体实现调度要求。、车载控制系统 车载控制在车上实现，主要功能是监控车上设备的状态，保证和地面设备的通信，保证车

13、上设备故障一平安等。 车载控制系统实际上实现了整个磁浮列车运行控制系统的个子集，它的主要功能是保护和检测各种车载设备的平安。通过移动无线传输，车上的列车保护系统始终和分区控制系统保持着联系，即使在列车和分区控制系统的联系中断的情况下，运行所需要的各种参数也被车上的控制系统保持着。这些参数不断地和当前参数比拟，在超出允许范围之前，列车的自动保护系统就会被激活，并接管列车控制，通过列车上的后备制动装置，使列车减速或停止。 日本磁浮列车运行控制系统简述 在日本，已经试验了几代磁浮列车，有采用超导悬浮的如等，也有采用常导悬浮的如系列。每代车都实现了相应的、功能。日本的山梨磁浮列车示范线采用了一系列先进

14、的技术，在该线路上到达了的试验速度，并实现了比拟完善的运行控制功能。 日本东部丘陵线线采用常导吸引悬浮，直线感应电机推进的 系统，是日本首例城市磁浮交通系统的应用。它也是日本第一条磁浮实用化线路，长千米。现以线磁浮列车为例，简单介绍日本磁浮列车运行控制系统。线磁浮列车的系统由、以及三个子系统组成。图是日本磁浮列车运行控制系统组成框图。 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 图 日本磁浮列车系统组成框图 、列车监控系统 列车监控子系统由三个相互关联的子系统组成： 、控制台：控制面板、显示等； 、列车运行控制中心； 列车运行控制中心始终监视驾驶台以及每个设备的控制信息，并显示于列车控制台

15、和驾驶台，以便故障监视与检测，减轻乘务人员工作负荷，并提供适当信息指导乘务员减少维护量。通过使用软件逻辑和连续传输功能，所有设备的控制功能通过一综合的方式进行控制，使得列车系统到达最优。 、视觉显示终端：主要完成数据获取、数据诊断以及显示结果等功能。、列车自动防护系统 信号平安系统是磁浮列车系统关键的一环。运行平安设备包括列车检知装置、列车平安控制系统和列车无线通信装置。其中列车无线通信装置实时传送列车平安、运行控制情况。示意图如图。 孵。前向厂障一、凸 车载设备 傩号一天线 尸天线 ， 轨旁设备 图 示意图、列车自动驾驶系统 系统的组成如图卜所示。线磁浮列车由站台设备、异频雷达收发机天线以及

16、车载设备等组成。其中站台设备由安装在乘客站台导轨上的异频雷达收发机、安装在车站设备控制室的轨旁设备和安装在中央设备控制 室的站台发送装置组成；车载设备主要由车载计算机、列车检知装置和车地通信单元等组成。 图 系统组成 本文研究内容和总体结构 本文以唐山中低速磁浮试验、示范线国产化磁浮列车运行控制系统的研制为背景，并以北控磁浮公司承当国家“十一五科技支撑方案课题为依据，着重介绍了中低速磁浮列车平安速度防护算法和磁浮列车感应环线通信系统的工程化应用。下面是各章的内容提要： 第一章绪论。首先分析了课题的背景，明确了本课题的研究意义，综述了国内外系统研究情况，着重介绍了德国和日本磁浮列车运行控制系统的

17、结构、组成以及功能。 第二章中低速磁浮列车系统功能分析。首先从系统的控制层次和结构组成两方面介绍了磁浮列车系统总体结构，重点从列车定位和完整性检查、移动闭塞、进路控制、移动授权、双向运行、速度控制和车门控制等个方面分析了磁浮列车系统的根本功能。 第三章中低速磁浮列车平安速度防护算法设计。首先从分级速度模式控制和一次速度模式控制两方面分析了速度模式曲线的选取；完整的分析了中低速磁浮列车制动控制方式，得出磁浮列车运动合力方程；重点从最大常用制动、紧 急制动和快速制动计算，设计完成了唐山线磁浮列车系统速度控制曲线的数学模型。 第四章中低速磁浮列车感应环线通信系统工程化应用。首先介绍了磁浮列车运行控制

18、系统的三种通信方式及优缺点；重点从感应环线工程化硬件设计、通信系统软件编码设计、软件过失控制、分区控制和环线系统抗电磁干扰等几方面详细的分析了唐山试验线感应环线通信系统工程化应用。 第五章中低速磁浮列车系统工程化设计。首先介绍了唐山线磁浮列车系统的总体结构，重点从列车控制中心系统设计、车载控制中心 系统设计等方面详细的分析了初期唐山中低速磁浮列车试验、示范线各个子系统的工程化实现。 第六章结束语。总结全文，指明了本文所做工作，并对下一步要做工作提出了建议。中低速磁浮列车系统功能分析 在分析磁浮列车系统之前，首先应了解在整个系统中的作用及其所要完成的功能，因此很有必要对系统的总体结构进行分析。本章在介绍了系统根本功能和总体结构的根底上，重点对磁浮列车系统组成与功能进行分析。 系统总体结构 磁浮列车系统是基于感应环线双向通信的移动闭塞列车控制系统，集、功能于一身，实现对列车运行的平安控制。分别简述如下： 自动列车防护系统通过实施故障平安的概念来协助保障行车平安， 通过施加限速来到达保持列车平安行车间隔和保障列车在限速下运行。在 通过联锁区含有交叉渡线的车站时，保障列车只有在进路开放 及没有敌对进路并且道岔锁定的情况下，列车可以通