基于ATP/ATO设备的重载机车信号的同步控制方法

摘要

一种基于ATP/ATO设备的重载机车信号的同步控制方法，其特征是它包括列车动力分布的同步控制及无线数据的同步传输：首先，为每个机车安装一套完全相同的ATP/ATO设备，以便于编组；其次，以沿运行方向的一端的机车作为列车的主控机车，负责与列控调度中心通信，同时由主控机车根据线路状况和编组情况计算动力分布并向从控机车发同步控制命令，从控机车接受主控机车的命令，同步施加牵引或制动力；第三，主从机车间控制命令采用GSM-R数字移动通信网作为机车信号的无线通信同步链路。本发明大大提高了控制系统的安全性和可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种重载机车控制技术，尤其是一种利用ATP-ATO设备作为控制设备的由多节机车编组组成的列车控制技术，具体地说是一种基于ATP-ATO设备的重载机车信号的同步控制方法。

背景技术

    目前，我国大秦重载列车专线作为我国第一条专门开行重载列车的电气化线路,以开行5000t～10000t级的煤炭专用列车为主,其机车信号系统是依靠450MHz/800MHz的无线通信链接来遥控多台从控机车，使这些机车联挂像一个整体列车一样运行，从而大大减少车钩力，各机车分别供气改善了制动性能。然而使用这种系统也有一些不令人满意的地方，如在使用中出现一些线路区段通信数据丢失或中断现象，主要是通信采用自覆盖技术，它的覆盖随位置、车长和会车情况而变化，使得通讯不可控。因此，国内重载运输的不断提升需要研究或研发具有本国技术知识产权的大吨位机车和机车控制信号系统。目前国内这方面的研究还处于起步阶段。

重载列车是长挂车、多台机车牵引的组合货运列车，在牵引和制动过程中，按照动力的分布各机车同步施力，把一列货车看成几个小编组列车运行，保证编组之间独立工况或同步工况，要达到此目的，需要解决两方面的技术难题，一是动力分布的计算并根据车况向各机车传达控制命令，主从机车同步动作；二是完成命令传达的同步。

发明内容

本发明的目的是针对现有的重载列车动力及控制信号难以同步的问题，发明一种基于ATP/ATO设备的重载机车信号的同步控制方法。

本发明的技术方案是：

一种基于ATP/ATO设备的重载机车信号的同步控制方法，其特征是它包括列车动力分布的同步控制及无线数据的同步传输：

    首先，为每个机车安装一套完全相同的ATP/ATO设备，以便于编组；

其次，以沿运行方向的一端的机车作为列车的主控机车，负责与列控调度中心通信，同时由主控机车根据线路状况和编组情况计算动力分布并向从控机车发同步控制命令，从控机车接受主控机车的命令，同步施加牵引或制动力；主控机车根据以下力学模型为从控机车分配牵引或制动力，车载ATP将调节各个机车的牵引和制动命令,车载ATO进行实时驱动或制动，从而达到有效的同步载荷控制：

M_ia_i=FC_i-l-FC_i –FW_i+FTE_i-FDB_i–FB_i                         

式中，ai为第i车的加速度；Mi为第i车的质量；FC_i-l为第i车的前车钩力，i=0时，FC_0-l=0；FC_i为第i车的后车钩力，当i=n时，FC_n=0；FW_i为第i车的总的运行阻力，包括等效运行阻力、坡道力、曲线阻力、起动阻力等；FTE_i为牵引力，仅作用于机车；FDB_i为动力制动力，仅作用于机车；FB_i为第i车的空气制动力；

第三，主从机车间控制命令采用GSM-R数字移动通信网作为机车信号的无线通信同步链路；主控机车ATP/ATO把命令信号通过车载通讯COM将数据发到GSM-R网的地面通讯节点，地面通讯节点经网络管理转发到从控机车的COM，从控机车的ATP/ATO接到命令后实现动力分布的阶梯控制，并采用心跳同步信号和镜像计数器技术实现信号同步。

所述的ATP/ATO控制设备的互通同步机制是在主从逻辑点对点的通讯中，实现时间同步，按50ms的心跳间隔输出同步信号，ATP/ATO内部的实时控制能捕捉到同步信号并跟踪，一旦发生同步信号错位，通过比对镜像计数器进行再同步；如果错位超过设定的时间阀门，主从机车的ATP/ATO按默认的动力分布经验模型采取紧急制动，防止断钩或其它事故发生，同时在司机室DMI（驾驶操作屏或人机界面）上发出报警信号，记录事故事件。

所述的ATP/ATO设备包括ATP插箱、ATO插箱、通讯COM模块、DMI界面、测速设备和天线，所述的ATP插箱采用3取2安全计算机， 3路CPU各自独立运行，当2路或3路CPU计算的结果相同时，输出控制逻辑；ATP插箱负责列车的安全性功能，包括命令的产生、传输以及施加紧急制动； 所述的ATO插箱是一个基于CPCI局部总线的嵌入式控制器，用于完成信号对机车的控制驱动；所述的通讯COM模块负责与地面GSM-R通讯节点链接通信；所述的DMI界面用于提供ATP/ATO控制设备的状态、显示列控中心的命令和列车运行速度；所述的天线用于在有地面应答器的线路上接受应答器提供的线路数据及临时限速；ATP插箱与ATO插箱及通讯COM模块采用以太网接口传递消息，与操作界面屏采用422接口。

本发明的有益效果：

本发明的基于ATP/ATO控制终端的重载机车信号的同步控制系统的主要特点是ATP负责列车的安全运行，控制器采用3取2的安全计算机结构和冗余设计，大大提高了控制系统的安全性和可靠性，车载ATO采用嵌入式实时控制技术，保证驱动的响应时间。本发明的通讯利用GSM-R网，传输距离远，可直接用既有的铁路网，经济可操作，便于推广。

本发明的每个机车均采用相同的车载设备，便于列车编组。采用GSM-R网作为无线网，可利用目前铁路系统已有的通讯网，一方面本技术方案易于实现，另一方面系统造价低，非常适应我国铁路线的实情。车载信号设备采用成熟的ATP/ATO产品，最大化保证产品质量系统可靠性和低成本。采用3取2安全计算机，系统安全性有保证。

附图说明

图1是本发明的列车控制系统组成原理框图。

图2是本发明的车载ATP/ATO设备机柜结构示意图。

图3是本发明的无线同步的车地逻辑构成原理框图。

图4是本发明的主从机车同步机理框图。

图5是本发明的机车同步控制的力学模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

    如图1-5所示。

一种基于ATP/ATO设备的重载机车信号的同步控制方法，是重载货运列车车载信号系统电气化设备的一个重要组成部分，整个系统的设备组成见图1；整个控制方法包括列车动力分布的同步控制及无线数据的同步传输，具体步骤如下： 

    首先，为每个机车安装一套完全相同的ATP/ATO设备，以便于编组；

其次，以沿运行方向的一端的机车作为列车的主控机车，负责与列控调度中心通信，同时由主控机车根据线路状况和编组情况计算动力分布并向从控机车发同步控制命令，从控机车接受主控机车的命令，同步施加牵引或制动力；主控机车根据以下力学模型为从控机车分配牵引或制动力，车载ATP将调节各个机车的牵引和制动命令,车载ATO进行实时驱动或制动，从而达到有效的同步载荷控制：

M_ia_i=FC_i-l-FC_i –FW_i+FTE_i-FDB_i–FB_i                         

式中，ai为第i车的加速度；Mi为第i车的质量；FC_i-l为第i车的前车钩力，i=0时，FC_0-l=0；FC_i为第i车的后车钩力，当i=n时，FC_n=0；FW_i为第i车的总的运行阻力，包括等效运行阻力、坡道力、曲线阻力、起动阻力等；FTE_i为牵引力，仅作用于机车；FDB_i为动力制动力，仅作用于机车；FB_i为第i车的空气制动力；

第三，主从机车间控制命令采用GSM-R数字移动通信网作为机车信号的无线通信同步链路；主控机车ATP/ATO把命令信号通过车载通讯COM将数据发到GSM-R网的地面通讯节点，地面通讯节点经网络管理转发到从控机车的COM，从控机车的ATP/ATO接到命令后实现动力分布的阶梯控制，并采用心跳同步信号和镜像计数器技术实现信号同步。

本发明的ATP/ATO控制设备目前已被广泛应用于地铁控制中，它的互通同步机制是在主从逻辑点对点的通讯中实现时间同步，按50ms的心跳间隔输出同步信号，ATP/ATO内部的实时控制能捕捉到同步信号并跟踪，一旦发生同步信号错位，通过比对镜像计数器进行再同步；如果错位超过设定的时间阀门，主从机车的ATP/ATO按默认的动力分布经验模型采取紧急制动，防止断钩或其它事故发生，同时在司机室DMI（中文名称？）上发出报警信号，记录事故事件。本发明的ATP/ATO设备包括ATP插箱、ATO插箱、通讯COM模块、DMI界面、测速设备和天线，所述的ATP插箱采用3取2安全计算机， 3路CPU各自独立运行，当2路或3路CPU计算的结果相同时，输出控制逻辑；ATP插箱负责列车的安全性功能，包括命令的产生、传输以及施加紧急制动； 所述的ATO插箱是一个基于CPCI局部总线的嵌入式控制器，用于完成信号对机车的控制驱动；所述的通讯COM模块负责与地面GSM-R通讯节点链接通信；所述的DMI界面用于提供ATP/ATO控制设备的状态、显示列控中心的命令和列车运行速度；所述的天线用于在有地面应答器的线路上接受应答器提供的线路数据及临时限速；ATP插箱与ATO插箱及通讯COM模块采用以太网接口传递消息，与操作界面屏采用422接口。

详述如下：

整个系统的设备组成见图1。 图1由三个机车驱动的重载货运列车信号控制的组成，头尾ATP/ATO控制设备在编组后沿运行方向的一端作为 列车的主控机车，负责与列控调度中心通信，同时根据线路状况和编组情况计算动力分布并向从控机车发同步控制命令。中间机车和尾部机车接受主控机车的命令，同步施加牵引或制动力。

     每个机车所安装的ATP/ATO设备完全相同，目的是便于编组。每套ATP/ATO设备主要有下列部件组成：

ü     ATP插箱：采用3取2安全计算机， 3路CPU各自独立运行，当2路或3路CPU计算的结果相同时，输出控制逻辑。ATP负责列车的安全性功能，包括命令的产生、传输以及施加紧急制动。ATP与ATO、通讯COM传递消息采用以太网接口，与操作界面屏采用422接口，与车辆控制采用硬线连接。

ü     ATO插箱：一个基于CPCI局部总线的嵌入式控制器，主要完成信号对机车的控制驱动。

ü     通讯COM：负责与地面GSM-R通讯节点链接通信。

ü     DMI界面：提供ATP/ATO控制设备的状态、显示列控中心的命令和列车运行速度。

ü     OPG：列车的测速设备。

ü     天线（备用）：在有地面应答器的线路上可接受应答器提供的线路数据及临时限速。

车载信号设备的机柜布置图见图2。

重载列车无线同步的构成见图3。无线同步有车载无线COM和地面GSM-R通讯

节点和GSM-R网。

本发明可实现重载列车信号系统的：

ü     动力分布的同步计算与控制

ü     数据、命令的同步传输

ü     列车的安全行驶控制。

ü     工作状态的自动诊断功能，提供故障告警。

本发明的同步控制是通过主控机车车载信号设备ATP/ATO收到列控中心的运行命令后，根据线路特性及车况按图5的力学模型计算动力分布，通过车地无线同步网（图3）向各从控机车发控制命令，从控机车收到命令后对机车施加控制信号，确保列车各联挂车钩不被受过负荷断裂，达到列车运行的安全、可靠。

重载机车的同步控制主要包含两个层面的内容，一是列车动力分布的同步控制，二是如何保证列车各机车命令的同步实施，前者的任务由车载ATP/ATO来完成，后者由无线网来保证命令的正确、可靠、实时传达，保证无线通信无延时或信息丢失。

一、     列车动力分布及控制同步

车头是指列车运行方向的一端，重载列车车上信号系统由分布在列车头部的主控ATP/ATO和尾部及中间机车的从控ATP/ATO构成，主从设备通过无线信道交换信息。主控ATP接受与列控中心的调度命令，同时根据线路条件和重载组合列车动力学性能计算各牵引机车的牵引或制动能力的大小，按能量阶梯同步施加，防止车钩因受过大的纵向冲击断裂。

重载组合列车制动性能和车钩力的分析一直是重载列车的研究重点，本发明按动力分布将列车虚拟分成几个编组，每个编组就象一列列车一样控制。制动采用空气制动，在多列虚拟编组控制中，列车多台机车在不同位置同时向列车管充气，缩短了列车管空气波的传播距离（图4制动波示意），响应时间加快，制动效率大大提高。车头主控ATP利用无线网络向从控ATP/ATO同步发送控制信号，实现多台机车的同步联动控制，将动力分散布置在列车中，大大降低列车头部牵引力，还有利于改善轮轨粘着，多台机车同时向列车管充风，大大提高了制动与缓解速度，从而保证车钩不至于集中承载所有负载和列车纵向冲击。

   车载ATP/ATO动力分布计算的力学模型见图5。列车纵向动力学主要用来分析不同的列车编组、车辆配置、运行工况及线路条件下列车车辆间的纵向动力作用。

取一节车为一个分离体，整列车的自由度等于组成列车的机车车辆的总辆数。其纵向动力学方程的形式为：

   M_ia_i=FC_i-l-FC_i –FW_i+FTE_i-FDB_i–FB_i                         

式中，ai为第i车的加速度；Mi为第i车的质量；FC_i-l为第i车的前车钩力，i=0时，FC_0-l=0；FC_i为第i车的后车钩力，当i=n时，FC_n=0；FW_i为第i车的总的运行阻力，包括等效运行阻力、坡道力、曲线阻力、起动阻力等；FTE_i为牵引力，仅作用于机车；FDB_i为动力制动力，仅作用于机车；FB_i为第i车的空气制动力。

根据这个力学模型,车载ATP将调节列车各个机车的牵引和制动命令,车载ATO进行实时驱动，从而达到有效的同步载荷控制.

二、     重载机车信号的无线同步

主从机车间控制命令传输可以有有线方式也可以有无线方式，但采用有线时对长列车编组每节车厢间用电缆连接可靠性低同时不利于机动列车编组。本发明采用GSM-R数字移动通信网作为机车信号的无线通信同步链路。

选用GSM-R数字移动通信网的优势是重载铁路线路地形复杂，有山林、丘陵和隧道，通信基站间距离较远，而GSM-R数字通信传输距离远，能满足这种信号体制的需求；另一方面铁路沿线已建设GSM-R数字通信网，无需再新建网络，系统实现起来方便造价低。

主从机车间命令、状态等数据互传的基本策略是主控机车ATP/ATO把命令信号通过车载通讯COM将数据发到GSM-R网的地面通讯节点，地面通讯节点经网络管理转发到从控机车的COM，从控机车的ATP/ATO接到命令后实现动力分布的阶梯控制。命令从主控机车经GSM-R网络再发到从控机车，期间有时间延迟，为了能让信号同步，在软件的设计上采取了心跳同步信号和镜像计数器技术。

ATP/ATO控制设备的优点是它具备了互通同步机制、安全机制和优化的载荷分布计算模型。同步机制实现方法是在主从逻辑点对点的通讯中，实现时间同步，按50ms的心跳间隔输出同步信号，ATP/ATO内部的实时控制能捕捉到同步信号并跟踪，一旦发生同步信号错位，通过比对镜像计数器进行再同步。如果错位超过一定的时间阀门，主从机车的ATP/ATO按默认的动力分布经验模型采取紧急制动，防止断钩或其它事故发生，同时在司机室DMI上发出报警信号，记录事故事件。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。