CN101007537A - 通用列车自动防护(atp)车载***及模式控制方法 - Google Patents

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郜春海
张建明
李开成
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一种通用列车自动防护ATP车载***及模式控制方法，本发明主要采用数字信号处理和安全冗余控制技术设计成一个可以接收若干种地车信息传输方式、实现列车速度台阶控制与一次速度－距离模式曲线控制相结合的安全防护自动控制***，实现列车自动防护***车载设备的通用化。其中地车信息传输方式包括模拟和数字轨道电路、应答器、GSM－R传输、2.4GHz的无线传输等，安全防护控制是采用速度台阶和一次速度－距离模式曲线相结合的安全制动模型控制。该***的组成主要包括电源模块、地车信息传输接收模块、中央处理模块、记录模块和人机界面MMI模块等。有益效果是为用户在降低建设造价和互通运营上得到一个两全齐美的解决方案。

Description

通用列车自动防护(ATP)车载***及模式控制方法
技术领域：
本发明涉及一种通用列车自动防护(ATP)车载***及模式控制方法，特别涉及一种通用的、可以兼容接收多种地车信息传输方式的列车自动防护ATP车载***，属于轨道交通信号安全控制技术领域。
背景技术：
目前在轨道交通应用的列车自动防护***ATP的车载***，根据地-车信息传输方式的不同而不同，只能是什么样的地-车传输***配备相对应的ATP车载***。在铁路地-车信息传输***应用中，存在包括移频轨道电路、UM-71轨道电路、ZPW-2000型轨道电路、点式应答器和GSM-R等不同类型的传输方式；在城市轨道交通地-车信息传输***应用中，存在包括WG-21A移频轨道电路、FS2500轨道电路、FTGS数字轨道电路、点式应答器和2.4GHz的无线WLAN等不同类型的传输方式。对于以上这些地-车信息传输方式的线路，只能采用与之对应的ATP车载***，而不能做到一套ATP车载***运行在不同地面设备的线路上。
随着轨道交通的大力发展，轨道交通路网的建设和运营被提到重要日程，其中路网运营的基础条件就是要保证不同线路之间的列车可以互通运行，这样就需要保证行车安全的ATP车载***能够兼容或统一，对于还没有建设的线路可以采用与既有线路地面设备相同的地-车信息传输方式，但是对于那些已经存在的线路，则需要一个通用的ATP车载***或安装多套ATP车载***来满足互通运营要求。
另外，在基于轨道电路传输的轨道交通***中，由于地-车信息传输的信息量小，不能实现一次速度-距离模式曲线控制，这样就需要在列车停车点的后方设置一个安全防护区段来保证行车安全，该区段的长度一般比较长，特别是线路的折返区段，单独设置一个安全防护区段在建设造价上确实花费比较多，但安全设计又不能没有这个安全区段，就带来了矛盾，在该发明中，通用ATP车载***将充分合理利用轨道电路信息，实现在线路的折返区段采用一次速度-距离模式曲线控制方法，从而大大减少折返线路的长度，减低的建设造价。
鉴于以上情况，本发明在传统ATP车载***基础上，提出一种能够实现轨道交通路网互通运营的通用列车自动防护(ATP)车载***及模式控制方法。
发明内容：
本发明的目的是针对现有传统ATP车载***技术的不足，同时满足中国庞大铁路网和巨大城市轨道交通路网的互通要求，在传统ATP车载***技术基础上提出一种能够接收多种地车信息传输信息的通用列车自动防护(ATP)车载***，实现路网内列车的互通运营，同时针对基于轨道电路的轨道交通***，提出实现速度台阶控制和一次速度-距离模式曲线控制相结合的方法。为实现上述发明的目的，本发明是通过下述技术方案实现的。
通用列车自动防护(ATP)车载***及模式控制方法，其特征在于：将整个通用ATP车载***设计成规范的模块，包括地车信息接收模块、中央处理模块、电源***、人机界面MMI单元、记录模块、安全输入处理模块、非安全输入处理模块、安全输出处理模块、非安全输出处理模块、速度传感器与加速度传感器融合、牵引控制、车门控制、常用制动控制、紧急制动控制等模块。其中地车信息接收模块包括：轨道电路接收模块、应答器接收模块、GSM-R接收模块和无线WLAN接收模块，可以单独或组合接收不同类型的轨道电路信息、应答器信息、GSM-R信息、无线WLAN信息；中央处理模块可以实现速度台阶控制与一次速度-距离模式曲线控制相结合的控制方式，中央处理模块包括：安全控制模型模块、冗余管理单元、逻辑处理模块、安全管理单元、速度安全比较模块、通信管理单元、测速测距模块、自诊断管理模块和地车信息处理模块，主要完成车载***的安全管理和控制，实时计算和处理列车的限制速度和实际速度。同时采用特定轨道电路信息定义特定的区段和区段长度，从而可以在轨道电路方式下实现一次速度-距离模式曲线控制方式，有效缩短了折返线路的长度。
另外，本发明针对不同的车辆只需要做简单的用户数据修改即可，ATP车载***的关键模块和软件无需更改，这样针对不同线路和车辆需要修改的工作量大大减少。
本发明的有益效果是：将传统的ATP车载***在地车信息传输方式和中央安全处理方式上进行了通用化和模块化设计，在轨道交通路网运营中不再需要在一个列车上安装多套ATP车载***来保证行车安全，只需要安装一套通用的ATP车载***即可，这样大大提高列车调度的灵活性，同时可以减少备用车辆的数量等，同时节约了投资和后期维护成本。同时采用速度台阶控制与一次速度-距离模式曲线控制相结合的方法大大缩短了折返线路的长度，从而降低了建设造价。
附图说明：
图1为本发明的通用列车自动防护ATP车载***结构方框图；
图2为本发明的通用列车自动防护ATP车载***的模式控制方法示意图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明通用列车自动防护(ATP)车载***是采用通用的、标准的地-车信息接收模块和中央处理模块实现列车的安全防护。
地面各种轨道电路为ATP***的地面设备，在铁路应用中，包括移频轨道电路、UM-71轨道电路、ZPW-2000型轨道电路等；在城市轨道交通应用中，包括WG-21A移频轨道电路、FS-2500型轨道电路、FTGS数字轨道电路等，在本发明中需要针对不同的轨道电路进行车载轨道电路接收的通用化设计。
应答器为ATP***的地面设备，目前在国内轨道交通得到大面积推广应用的是欧洲标准EUROBALISE应答器，在本发明中需要针对应答器的地面设备进行车载应答器接收模块设计。
GSM-R基站为ATP***的地面设备，在中国CTCS技术规范中，将GSM-R作为CTCS3级的地车信息传输通道，在本发明中需要针对GSM-R的地面设备进行车载GSM-R接收模块设计。
无线WLAN基站为ATP***的地面设备，在中国城市轨道交通的技术发展规范中，将基于2.4GHz的WLAN作为地车信息传输通道，在本发明中需要针对无线WLAN的地面设备进行车载无线WLAN接收模块设计。
轨道电路接收模块为通用ATP车载***地车信息接收模块的一个部分，本发明采用DSP数字信号处理技术和计算机冗余技术对移频轨道电路、UM-71轨道电路、ZPW-2000型轨道电路、WG-21A移频轨道电路、FS-2500型轨道电路、FTGS数字轨道电路等的可靠接收和处理，本发明可靠接收的载频范围为500Hz—20kHz，低频信息最大可以达到220位的信息量。
应答器接收模块为通用ATP车载***地车信息接收模块的一个部分，本发明采用安全处理策略和串行通信接口对地面应答器信息进行可靠接收和处理，同时中央处理模块必须与应答器接收模块进行多种信息的交换和处理，以达到应答器作为地车单向信息传输介质的安全完善度SIL等级。
GSM-R接收模块为通用ATP车载***地车信息接收模块的一个部分，本发明采用安全处理策略和网络通信接口对GSM-R基站信息进行可靠接收和处理，同时中央处理模块必须与GSM-R接收模块进行多种信息的交换和处理，以达到GSM-R作为地车双向信息传输介质的安全完善度SIL等级。
无线WLAN接收模块为通用ATP车载***地车信息接收模块的一个部分，本发明采用安全处理策略和网络通信UDP接口协议对无线WLAN基站信息进行可靠接收和处理，同时中央处理模块必须与无线WLAN接收模块进行多种信息的交换和安全处理，以达到无线WLAN作为地车双向信息传输介质的安全完善度SIL等级。
地车信息接收模块为通用ATP车载***的重要组成部分，可以兼容接收不同类型的轨道电路信息、应答器信息、GSM-R信息、无线WLAN信息；包括轨道电路接收模块、应答器接收模块、GSM-R接收模块、无线WLAN接收模块四个部分。本发明采用对以上不同接收模块进行组合使用的方式来达到不同用户的要求。
中央处理模块为通用ATP车载***的重要组成部分，其包括：安全控制模型模块、冗余管理单元、逻辑处理模块、安全管理单元、速度安全比较模块、通信管理单元、测速测距模块、自诊断管理模块和地车信息处理模块；主要完成车载***的安全管理与控制，实时计算列车的限制速度和实际速度，当列车的实际速度大于限制速度，则输出安全控制信息控制列车制动，同时将ATP的可以兼容接收不同类型的轨道电路信息、应答器信息、GSM-R信息、无线WLAN信息；包括轨道电路接收模块、应答器接收模块、GSM-R接收模块、无线WLAN接收模块四个部分。本发明采用对以上不同接收模块进行组合使用的方式来达到不同用户的要求。
安全控制模型模块为ATP车载***实现速度台阶控制或一次速度-距离模式曲线控制的处理模块，采用列车的最不利参数计算出ATP车载***的紧急制动曲线，进而推导出ATP车载***的常用制动曲线，将采用减速度的控制方式实现列车的安全防护，该模块针对不同的车辆特性，只需要修改相关的列车性能参数即可。
冗余管理单元在通用ATP车载***的中央处理模块安全设计中，采用“3取2”或“2乘2取2”的冗余方式实现通用ATP***的冗余设计，从而保证***的安全性、可靠性和可用性，该模块与安全管理单元共同组成通用ATP车载***的安全平台。
逻辑处理模块采用合理性检查规则对所有输入信息、输出信息和中间处理信息的逻辑处理，将不合理的信息排除掉。
安全管理单元为中央处理模块的安全管理相关部分，采用CENELEC的安全设计标准对交换的信息进行安全编码和加密管理，从而保证与中央处理模块交换信息的安全，该模块与冗余单元共同组成通用ATP车载***的安全平台。
速度安全比较模块实时对列车的速度进行监督，该模块将实时比较列车的限制速度和列车实际速度，当列车实际速度大于限制速度，则采取常用制动或紧急制动实现列车速度的安全控制。
通信管理模块是为了实现中央处理模块内部之间的信息交换而设计的对这些信息进行统一调度和管理的模块，以保证信息的可靠传输。
测速测距模块采用两路独立的轮轴脉冲速度传感器进行速度和走行距离的测量，并且采取“高位优先”的安全策略进行列车速度的判断，同时为了防止空转和打滑，采取加装加速度传感器来预防空转和打滑，在安装加速度传感器困难的列车上，该发明通过软件判断列车的最大加速度和最大减速度范围来处理列车的空转和打滑。列车轮径的处理采用地面加装应答器校正或人工拨动轮径修正开关来实现。列车走行距离的校正采用地面加装应答器校正。
自诊断模块为提高通用ATP车载***的RAMS(安全性、可靠性、可维护性和可用性)设计了静态自诊断和动态自诊断程序，实时对ATP车载***进行检测和诊断，一旦发现故障，则立即报警或实施安全控制。
地车信息处理模块主要负责对从地车信息接收模块接收的移动授权信息进行整合处理，形成列车的实时限制速度。从地面传送的移动授权信息包括最简单的轨道电路速度台阶码信息，一个速度台阶码代表一个限制速度，而对于复杂的移动授权则包括列车前方障碍物的距离、状态、目标速度等，最终需要该模块对这些信息进行处理，实时换算出列车的限制速度。
速度传感器和加速度传感器融合为安全可靠检测列车的实际速度和走行距离设计了一套多传感器的融合***来实现列车速度和距离的测量，本发明采用两路独立脉冲的轮轴速度传感器实现列车速度和走行距离的测量，采用一路加速度传感器预防列车的空转和打滑。
电源***为保证整个通用ATP车载***的供电可靠，采用了完全独立的电源***给每个冗余单元和MMI单元分别供电，任何一个冗余模块故障，均不会影响其他模块的正常工作，与车辆蓄电池的接口是110VDC或24VDC。
记录模块为掌握ATP车载***的工作状态，以及列车的实际运行状态设计了独立供电和工作的记录模块，该模块采用FLASH芯片实时对设备状态和司机操作进行记录，并通过IC卡或无线将记录信息下载传输到地面处理中心，经过分析统计，为设备维护和事故分析提供了基础条件。
安全输入处理模块为ATP车载***采集关键的开关量信息，采用冗余编码的电路对车门状态信息、驾驶模式信息进行采集，有效防止采集信息的断线和粘连故障。
非安全输入处理模块为ATP车载***采集列车牵引手柄状态、方向手柄状态等其他非安全的辅助列车状态，这些非安全的开关量采集采用普通的采集电路即可，无需复杂的安全输入线路。
人机界面MMI单元向司机提供ATP车载***的驾驶信息并采集司机的运营信息，以实现ATP车载***与司机的交互，显示的主要信息包括：列车速度、限制速度、目标速度、目标距离、状态信息等，同时通过键盘或触摸屏实现司机信息的输入。MMI单元的供电则由安全输出处理模块和中央处理模块共同提供一个安全条件，一旦该安全条件失效，则MMI将断电，提醒司机设备出现故障。
安全输出处理模块主要实现列车牵引、车门、常用制动和紧急制动的安全控制，作为保证行车安全的ATP车载***的安全控制模块，该模块采用安全能量转换电路实现输出的故障-安全，保证在任何故障情况下，输出的控制是导向安全侧。
非安全输出处理模块向司机提供必要的指示和与***车辆的信息交换，可以设计简单的、与安全无关的电路来实现以上目标，具体的输出接口方式主要有对外通信接口和各种指示输出。
对外通信接口为实现ATP车载***与车辆其他设备的信息交换，设计了简单的串行通信或以太网方式实现信息的传递与交换。
各种指示输出为向司机或维护人员提供***的工作状态，设计了相关的各种指示，这些指示输出一般采用继电器接点控制的方式进行输出控制，提高了输出的可靠性和隔离性。
牵引控制为了保证ATP车载***实施制动控制时必须先期切断牵引，主要通过安全输出继电器的接点接入到列车的牵引回路控制中。同时牵引控制还在车门的控制上发挥重要作用，当ATP车载***检测到站台列车的车门是开着的，则切断列车牵引回路，不能让列车离开车站，以免造成乘客的伤害。
车门控制为保证乘客安全的重要模块。对车门的控制包括两个方面，一方面是列车车门状态是开着的，则立即紧急制动，即门开车不动；另一方面是当列车的实际速度大于规定速度，一般设计在3-5km/h，则不允许开车门，即车动门不开，从而有效保证了乘客的安全。另外对于有屏蔽门的车站，还需要检测列车的准确位置才能允许开车门。
常用制动控制为提高ATP车载***控制的舒适度的模块。在实施紧急制动前，如果列车实际速度未达到紧急制动触发速度则先进行常用制动，一旦列车速度下降，则不需要实施紧急制动，因为列车一旦紧急制动后，必须停车才能缓解，影响了运输效率。该发明将按照列车常用制动模型进行常用制动的速度控制。
紧急制动控制是ATP车载***实现安全控制的最后手段，一旦列车实际速度触发紧急制动曲线则实施紧急制动，直到列车完全停稳后才能缓解，保证了行车安全。该发明将按照列车紧急制动模型进行紧急制动的速度控制。
车门状态为列车将所有车门串联起来向ATP车载***提供的车门状态信息，如果有任何一个车门开，则车门状态是开，只有完全关闭才是关。本发明将采用安全输入处理模块对车门状态进行安全采集。
驾驶模式为ATP车载***给司机提供的包括编码CM模式、人工限制RM模式、紧急非限EUM和关断OFF模式，本发明将采用安全输入处理模块对驾驶模式状态进行安全采集，这些模式每个时刻只能有一种模式成功建立。
辅助列车状态主要为ATP车载***的记录模块提供列车牵引手柄状态、方向手柄状态等非安全的辅助列车状态，这些非安全的开关量采集通过非安全输入处理模块实现。
通用列车自动防护(ATP)车载***的工作流程是：地车信息接收模块根据地面的地车信息传输设备可靠接收来自地面控制中心的移动授权信息，中央处理模块的地车信息处理模块对这些移动授权信息进行转换运算，得出列车的最大允许速度V限，中央处理模块的测速测距模块进行列车速度和距离的测量，得出列车的实际速度V实，速度安全比较模块实时比较列车的V限和V实，当列车V实大于V限则启动安全控制模型模块，通过安全输出处理模块输出牵引控制、常用制动控制和紧急制动控制，同时通过人机界面MMI单元向司机提供相关驾驶信息，记录模块将实时记录ATP车载***的设备工作状态和司机操作流程，以便设备管理和事故分析。
在该发明中，另一个重要特征如图2所示：在地车传输信息量比较小、基于模拟轨道电路的轨道交通***中，如目前在国内应用的WG-21A型、FS2500型和UM-71型轨道电路，不增加任何地面辅助设备的基础上能够使ATP车载***实现一次速度-距离模式曲线控制，从而有效减少线路的折返区段长度，节约大量建设投资。
在图2中，基于轨道电路的通用列车自动防护(ATP)车载***全线的区间实现的是速度台阶控制(1)，在区段1、区段2、区段3、区段4地面轨道电路向ATP车载***传送的移动授权是每个区段的限制速度/目标速度，如区段1的限制速度/目标速度是93/77，则ATP车载***控制的限制速度就是93km/h，该区段的出口目标速度是77km/h。
而线路折返区段(3)的长度不足以速度台阶控制的防护区段设置，因而在区段5发送一个特定轨道电路低频信息f1，该信息代表两个含义，一个是该信息代表列车在规定距离内必须停车，另一个是代表一个特定车站的折返区段长度S，这样通用ATP车载***一旦接收到f1信息，则自动启动速度-距离模式曲线控制(2)，但在速度-距离模式曲线控制中，需要设置一个安全保护距离(4)S0来预防***的综合误差。举例说明，针对一个以28km/h进行折返的列车来说，如果采用速度台阶控制模式，则需要设置的防护区段长度大约在120米左右，而采用一次速度-距离模式曲线控制后，需要设置的安全保护距离则在40米以内，这样就减少了80米的线路建设费用。
对于在应答器传输、GSM-R、无线WLAN的信息传输方式下，地面控制设备可以向ATP车载***传输大量的线路数据和移动授权，从而非常容易就可以实现一次速度-距离模式曲线控制。

Claims (4)

1.一种通用列车自动防护(ATP)车载***及模式控制方法，其特征在于：将整个通用ATP车载***设计成规范的模块，包括地车信息接收模块、中央处理模块、电源***、人机界面MMI单元、记录模块、安全输入处理模块、非安全输入处理模块、安全输出处理模块、非安全输出处理模块、速度传感器与加速度传感器融合、牵引控制、车门控制、常用制动控制、紧急制动控制等模块；地车信息接收模块可以单独或组合接收不同类型的轨道电路信息、应答器信息、GSM-R信息、无线WLAN信息；中央处理模块可以实现速度台阶控制与一次速度-距离模式曲线控制相结合的控制方式；同时采用特定轨道电路信息定义特定的区段和区段长度，从而可以在轨道电路方式下实现一次速度-距离模式曲线控制方式，有效缩短了折返线路的长度。
2.根据权利要求1所述的一种通用列车自动防护(ATP)车载***及模式控制方法，其特征在于：所述地车信息接收模块包括轨道电路接收模块、应答器接收模块、GSM-R接收模块、无线WLAN接收模块，分别接收地面不同轨道电路、应答器、GSM-R基站和无线WLAN基站的信息。
3.根据权利要求1所述的一种通用列车自动防护(ATP)车载***及模式控制方法，其特征在于：所述的中央处理模块包括安全控制模型模块、冗余管理单元、逻辑处理模块、安全管理单元、速度安全比较模块、通信管理单元、测速测距模块、自诊断管理模块和地车信息处理模块；分别与地车信息接收模块、电源***、MMI单元、记录模块、安全输入处理模块、非安全输入处理模块、安全输出处理模块、非安全输出处理模块、速度传感器与加速度传感器融合相连接；主要完成车载***的安全管理与控制，实时计算和处理列车的限制速度和实际速度。
4.根据权利要求1所述的一种通用列车自动防护(ATP)车载***及模式控制方法，其特征在于：安全防护控制采用速度台阶和一次速度-距离模式曲线相结合的安全制动模型控制；在车载***运行线路全线的区间实现速度台阶控制，而在线路折返区段则自动启动速度-距离模式曲线控制，但需要设置一个安全保护距离来预防***的综合误差，从而可实现一次速度-距离模式曲线控制。
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