高速列车运行控制系统的研究

国铁道科学

2000年3月　

高速列车运行控制系统的研究

赵海东　刘贺文　杨悌惠　贾利民(铁道部科学研究院)

　　摘　要:列车运行控制系统是保证列车安全、高效运行的重要设备。以成功应用于广深线时速达200km・h-1的X2000及国产动力集中动车组上的速度分级控制系统为例,介绍系统原理、系统构成及该系统所采用的适用于广深线的各种控车模式。并且针对300km・h-1高速试验列车,结合智能控制技术的发展及高速列车对车载控制系统的要求,提出了适应高速列车特点,满足控制要求的车载系统方案,指明了高速车载信号控制技术的发展前景。　　关键词:高速列车　运行控制　模式　智能控制　　中图分类号:U284148+2　　文献标识码:A

1　引　　言

　　随着国民经济的迅速发展、改革开放的深入进行,铁路运输既遇到了前所未有的发展机遇,又受到了航空和高速公路等方面的激烈竞争。如何在激烈的竞争中,抓住机遇,提高自身实力,站稳脚跟,争取更大的发展,是摆在我们每个铁路员工面前的大问题。依靠自身优势,改进服务质量、提高列车速度、缩短运行时间,无疑是解决这一问题的关键,也是铁路赖以生存和发展的唯一出路。提高列车速度是我们追求的目标,但我们更时刻不能忘记的是,安全是运输的根本,没有安全的运输,一切都是无源之水、无本之木。列车运行控制系统正是在这一要求基础上提出和发展起来的,它是保障列车安全、高速、高效运行必不可少的行车安全保证设备。

2　系统简介

　　列车运行控制系统是在铁道部鉴定的准高速旅客列车速度分级控制系统基础上发展而来的。它完全满足时速200km的旅客列车的信号安全控制要求,并已成功地应用于广深线

-1

X2000及国产200km・h动车组上。

该系统采用“人机联控,人控优先”的控制原则:列车正常运行时,司机可以正常驾驶;当列车超速时,设备报警,并主要采用常用制动使列车减速;当列车速度低于目标速度后允许司机缓解。系统综合了信号安全技术、机电控制技术、计算机技术、可靠性与故障安全理论,形成了机电一体化信号安全防护系统。全系统采用VME总线技术及欧洲结构标准,符合国际标准要求,并采用了开放式结构。系统同时采用了双机冗余方式,从而具有较高的可靠　收稿日期:

1999212226　赵海东　研究实习员　铁道部科学研究院通信信号研究所　北京100081

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性和安全性。211　系统机构

列车运行控制系统(如图1所示)由主机柜、显示器、天线等组成,具体说明如下:　　(1)主机柜

列车运行控制系统主机柜由双套热备冗余的子系统组成。每套子系统包括连续信号译码单元、点式信号译码单元、速度控制单元及查询应答器单元等组成。

(2)显示器

彩色液晶显示器向司机提供目标速度、目标距离、列车速度及设备动作信息、故障信息等。

(3)连续式信号天线

连续式信号天线线圈用来接收线路连续信号。

(4)环线点式信号天线

图1　系统结构框图

环线点式天线用来接收点式信息。(5)速度传感器

选用轴端光电式脉冲速度传感器,每圈200脉冲,双路输出。(6)其他

包括ATP开关、信号切断按钮、警惕按钮、缓解按钮等。212　系统功能模块

(1)机车信号接收模块

该模块负责接收车载系统所需的地面信息。依据信息来源,可将其分为连续信号接收子模块、点式信号接收子模块。通过对地面信息的正确接收,可以获取作为行车凭证的机车信号。该模块采用了先进的DSP处理技术,通过对信号的数字滤波及频谱分析,经过谱线识别,判别地面发送的各种制式的信号。信息接收模块是运行控制系统的基础模块。

(2)测速测距模块

该模块负责测量列车的速度及走行距离。速度及走行距离是机车运行中的基本参数,也是速度控制系统判断机车运行状态,作出决策的主要依据,所以该模块必须为系统提供高精度、高可靠的速度及距离。同时在列车运行中,不可避免的会出现空转、打滑、蛇行等情况,所以必须根据列车运行特性,应用数字滤波、智能判别等技术,准确测量出列车速度及走行距离。

(3)人机接口模块

该模块主要完成司机与车载列控系统的信息交换。司机通过该模块向车载列控系统输入必要的信息,车载列控系统通过该模块向司机提供目标速度、目标距离、系统动作情况、系统工作状态、系统故障状况等信息。

(4)双机判决模块

第1期　　　　　　　　　　　　　高速列车运行控制系统的研究33

该模块完成双机信息交换,并通过对系统的实时监测;当发现异常和故障时实现双机转换。它是实现双机冗余的核心环节。

(5)网络通信模块该模块可以通过网络完成车载列控系统与其他系统的实时信息交换,简化列车配线,实现信息共享。通过该模块的主要信息有:列车控制系统发出的控制命令,列车的相关行车信息,以及提供给记录器的记录信息等。

(6)列车运行记录模块

该模块主要是完成对列车运行过程机车信号,车载设备控制命令,机车工况等数据的完整记录。

(7)机车控制系统接口模块该模块包含两个子模块,机车工况采集模块及制动控制输出模块。通过机车工况采集模块,采集诸如前行、后行、手柄位置等机车运行参数;通过制动控制输出模块将车载列控设备控制命令传给机车制动系统,实现卸载,制动减速,停车等操作。

(8)速度控制模块

列车运行控制系统的核心是列车速度控制模块。通过对列车运行速度的控制,保证列车安全运行。系统实时监测列车速度,并随时与列车的允许速度相比较。如果实际速度大于目标速度,设备向司机报警;如列车速度大于限制速度,设备发出卸载、制动等控制命令;当列车速度低于缓解速度,则向司机发出允许缓解指令,由司机负责缓解。当设备发出制动命令后,系统不仅实时监测控制输出接口,而且还对制动实施的效果进行检查,当制动没有达到预定效果时,系统将追加紧急制动,确保列车安全。

系统的功能框图如图2所示。

图2　系统功能模块框图

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3　广深线控车模式

　　为了更安全、高效的控制列车,针对不同的自动闭塞制式,该系统采用了不同的控制模式。实践证明这样灵活多样的控制模式是有效的,它完全适应广深线高速列车安全运行的要求,很好的实现了防“两冒一超”功能。311　阶梯控制模式

　　广深线地面采用UM71轨道电路,区间正线设有双红灯防护,所以车载速度控制系统采用了阶梯控制模式。

其控车原理如图3所示。312　模式曲线控制方式广深线侧线进站时为45E信号,为了

缩短进站时间,提高运行效率,在45E信号下采用模式曲线控制方式。控制原理如图4所示。图3　正线速度控制曲线

当列车正线进站停车收到02信号后,

设备限速值为65km・h-1;当达到限速点时,设备限速值为45km・h-1;并从限速点开始,以距出站信号机距离(减去一个防护距离)为目标距离生成从45km・h-1～0km・h-1的模式曲线,保证列车在出站信号机前方停车,不会冒出出站信号机。控制原理如图5所示。

图4　侧线进站信号45E下的速度控制　　　　　　图5　正线停车信号02下速度控制曲线

　　当列车进入侧线停车收到00S信号后,设备限速45km・h-1;当到达限速点时,以距出站信号机距离(减去一个防护距离)为目标距离生成从45km・h-1～0km・h-1的模式曲线,保证列车在出站信号机前方停车,不会冒出出站信号机。控制原理如图6所示。　　模式曲线计算的数学模型利用牵规,其数学模型为:

2

v0tk4117(v2v1)2-　　　　Sb=Sk+Se=+∑3161000Ηh7s+ws+ij

其中,Sb为列车有效制动距离;

Sk为列车空走距离;Se为列车实制动距离。

第1期　　　　　　　　　　　　　高速列车运行控制系统的研究35

图6　侧线停车信号00S下的速度控制曲线

4　发展展望　　随着列车速度的进一步提高,对列车速度控制系统提出了更高的要求。同时,系统的集成化、智能化、网络化、本地化及开放化正成为列控系统发展的主流。我国正在研制时速达300km・h-1的高速试验列车,为了更好的适应高速列车对车载控制系统的要求,车载速度控

制系统还应进一步改进。

(1)列车是一个多输入、多目标的复杂的非线行系统,列车运行过程充满了大量的不确定性,很难建立起精确的数学模型,因此采用经典控制理论很难取得满意的控制效果。而高速列车控制系统的改进及模糊控制技术、神经网络控制技术、专家系统的发展,为我们采用更好的控制机制提供了可能。高速车载系统向设备控制列车为主的方向发展,在ATP基础上增加ATO功能。ATP系统在列车超过线路允许的最高速度时,实施最大常用或紧急制动,保证行车安全。ATO系统根据列车信号,实际调度命令、列车性能,线路条件等因素,运用智能算法,自动控制高速列车启动、加速、惰行、平稳运行、制动减速、停车,使其以最优状态,安全、高速、舒适、正点地运行,从而替代、减轻司机劳动强度,也有利于列车调度系统的改进。

ATO的功能可以简单描述为:

　　　　列车状态向量Train(var1,var2,.........,varN)　　　　　　控制目标向量Object(aim1,aim2,.........,aimM)　　　　　　ATO的就描述为:

　　　　Train(var1,var2,……,varN)Object(aim1,aim2,……,aimM)

实质上PROCESS的处理过程就是寻求最优解的搜索过程。

(2)车载信号系统采用DSP技术的高质量滤波和频谱分析,智能化信号译码,并为接收数字轨道电路作好准备。

(3)采用查询应答器技术实现车载地面双向传输功能。

(4)网络化的信息传输,使列控系统与列车连接更紧密,成为整体。

PROCESS

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ResearchonTrainRunningControlSystem

forHighSpeed

ZhaoHaidong,LiuHewen,YangDihui,JiaLimin(ChinaAcademyofRailwaySciences)Abstract:Trainrunningcontrolsystemisaveryimportantcomponentforensuringsafetyandefficiency.

Thesystemprinciple,constructionandcontrolpatternsadoptedonGS

Inaddition,theauthorsputforwardsome

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railwaylineareintroducedinthispaper,basedonLSKtrainspeedcontrolsystem.WhichhasbeensuccessfullyusedonX2000andDDJ.

advicethatmighthelptosatisfytherequirementsofChina′s300km・honthebasisofnewtechnologiessuchasAIandDSP.

Keywords:Highspeedtrain,　Runningcontrol,　Pattern,　Intelligentcontrol

highspeedtrain