基于DSPN的重载铁路机车同步操控性能研究

摘要

重载铁路运输技术目前已经成为国际上公认的铁路货运发展方向，通过加长列车编组、多机车同步牵引的工作方式可以大幅度提高运输能力，而多机车牵引对于各机车间的同步性要求非常高。同步操控是指各机车在允许的时间范围内按照主控机车的指令同时进行启动、加速、减速和制动等作业，如果牵引机车间的操控不同步，就可能引起车辆间的挤压或拉钩现象，严重影响铁路运输生产安全和运输效率，因此同步操控技术对于保障重载运输安全运行至关重要。
　　为实现机车同步操控，主控机车与从控机车间需要实时传递控制命令，当前世界上解决列车同步操纵问题主要采用机车无线动力分布式控制(Locotrol)和电控空气制动(ECP)两种技术。根据我国重载铁路以及重载机车车辆现状，我国选用Locotrol系统作为重载组合列车的同步操控系统。本文将同步操控命令的传递分为两部分，一是主控机车通过无线数据传输系统将控制命令传送给从控机车，二是控制命令以制动波的形式通过列车管传递到各个车辆。
　　本文选用800MHz无线电台、GSM-R(Global System for MobileCommunications-Railway)网络以及LTE(Long Term Evolution)网络作为机车同步操控信息传输系统，介绍了各个数据传输系统的组成、特性，结合Petri网的特点，选用确定与随机Petri网(DSPN)作为建模工具，建立了800MHz无线电台、GSM-R网络、LTE网络作为机车同步操控信息传输系统的故障及恢复DSPN模型、数据传输DSPN模型，并运用TimeNET4.0对所建立的模型进行仿真，根据仿真结果分析、比较不同通信方式下无线数据传输时延特性，同时分析了列车运行速度对通信的影响。结果表明三种通信方式在现有条件下可以满足同步操控系统的要求，但是LTE网络的数据传输时延更小。
　　由于制动波的传输时延受到列车管长度、三通阀性能等多种因素的影响，本文建立了简化的制动波传输DSPN模型，分析了制动波传输时延对列车同步操控性能的影响，同时也分析了通信故障、列车编组长度、制动波速对制动波传输时延的影响，并运用试验的方法验证了模型的可行性。结果表明当无线数据传输正常时，制动波传递控制命令的可靠性基本可以满足同步操控系统的要求，当无线数据传输出现故障时，控制命令很难在规定时间内到达从控机车，制动波传输时延加长，列车的同步操控性能会受到很大影响，同时列车的编组长度和制动波速也对制动波的传输时延有很大的影响。
　　论文研究结果对于重载组合列车机车同步操控系统性能的研究和改进有一定的实用价值。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 重载铁路运输发展状况

1．2．1 重载铁路运输的概念

1．2．2 国外重载铁路运输的发展

1．2．3 我国重载铁路运输的发展

1．3 重载铁路机车同步操控系统

1．3．1 Locotrol系统

1．3．2 ECP系统

1．3．3 Locotrol系统与ECP系统对比

1．4 国内外研究现状

1．5 论文结构及主要研究内容

2 确定与随机Petri网理论与建模工具

2．1 建模工具的选定

2．2 Petri网简介

2．3 确定与随机Petri网的概念

2．3．1 确定与随机Petri网的概念

2．3．2 确定与随机Petri网的常用分析方法

2．4 建模验证工具TimeNet4．0

2．5 本章小结

3 机车同步操控信息传输系统的DSPN建模与分析

3．1 800MHz无线数据传输系统建模与分析

3．1．1 800MHz无线数据传输系统

3．1．2 800MHz无线数据传输系统故障及恢复DSPN模型

3．1．3 800MHz无线数据传输系统数据传输DSPN模型

3．1．4 模型仿真结果及分析

3．2 GSM-R机车同步操控信息传输系统建模与分析

3．2．1 GSM-R机车同步操控信息传输系统

3．2．2 GSM-R机车同步操控信息传输系统故障及恢复DSPN模型

3．2．3 GSM-R机车同步操控信息传输系统数据传输DSPN模型

3．2．4 模型仿真结果及分析

3．3 LTE机车同步操控数据传输系统建模与分析

3．3．1 LTE系统简介

3．3．2 LTE机车同步操控信息传输系统

3．3．3 LTE机车同步操控信息传输系统故障及恢复DSPN模型

3．3．4 LTE机车同步操控信息传输系统DSPN模型

3．3．5 模型仿真结果及分析

3．4 三种无线通信系统性能比较

3．5 本章小结

4 重载组合列车制动波传输特性建模及分析

4．1 重载组合列车制动系统及制动波

4．1．1 重载组合列车制动系统

4．1．2 重载组合列车制动波

4．2 重载组合列车制动波传输模型

4．3 模型仿真结果及分析

4．4 重载组合列车制动波传输性能验证

4．5 本章小结

5 结论与展望

5．1 论文主要工作与结论

5．2 展望

参考文献

图索引

表索引

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果