专利名称：一种重载机车信号的同步控制系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种重载机车信号的同步控制系统及方法，尤其涉及一种基于ATP-ATO模式的重载机车信号的同步控制系统及方法。本方法应用于重载货运列车的机车信号系统中，实现重载货运列车动力分布同步控制功能。
背景技术：
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5 000 t 10 000 t级的煤炭专用列车为主，其机车信号系统是引进GE公司L0C0TR0L系统。基本原理是依靠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，主要有核心技术受制于人，对不断增长的运输能力的保障有困难。L0C0TR0L系统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。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。随着我国客货列车线的分离，货运物流量的大幅提升，研制大轴重机车及机车控制信号已列入国内铁路货运重大装备的规划中。车载信号系统电气化设备的研究是该项目的重要内容，基于ATP-ATO模式的重载机车信号的同步控制方法是车载信号关键技术成果O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
针对以上问题本发明提供了一种通讯可控、动力分布均匀、命令传达同步的一种基于ATP / ATO模式的重载机车信号的同步控制系统及方法。技术方案为了解决以上问题本发明提供了一种重载机车信号的同步控制系统，其特征在于包括ΑΤΡ/ΑΤ0设备，其ΑΤΡ/ΑΤ0设备设置在主控机车、中间机车、从控机车中；每个机车所安装的ΑΤΡ/ΑΤ0设备完全相同，
每套ΑΤΡ/ΑΤ0设备包括ATP插箱、ATO插箱、无线COM、DMI界面、车辆控制；
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；
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；
无线COM，即车载无线处理单元COM :负责与地面GSM-R通讯节点链接通信；
DMI界面提供ΑΤΡ/ΑΤ0设备的状态、显示列控中心的命令和列车运行速度；
ATP插箱与ATO插箱、无线COM传递消息采用以太网接口，与DMI界面采用422接口，与车辆控制采用硬线连接；
地面管理GSM-R网通过地面GSM-R通讯节点向主控机车发运营命令，主控机车的车载无线COM收到命令后送给主控列车的ΑΤΡ/ΑΤ0设备，ΑΤΡ/ΑΤ0设备根据线路数据和机车的当前状态计算主控机车、从控机车的牵引或制动力大小并输出命令，该指令由主控机车的无线COM发到地面GSM-R通讯节点，通讯节点按IP地址转发命令给中间机车和从控机车，中间机车和从控机车的无线COM收到各自的命令后转给本机车的ΑΤΡ/ΑΤ0设备，ΑΤΡ/ΑΤ0设备收到命令后进行驱动或制动控制，保证机车编组控制同步。
所述的主控机车和从控机车上都设有OPG和天线，OPG为列车的测速设备；天线用于备用，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。一种重载机车信号的同步控制方法，包括以下步骤
第一步列车动力分布主控机车上的车载信号设备，即ΑΤΡ/ΑΤ0设备上的ATP插箱接收到列控中心的运行命令后，根据其纵向动力学方程计算载荷控制量。MiBi=FC^1-FCi - Fffi+FTEi-FDBi - FBi 式中，ai为第i车的加速度；Mi为第i车的质量JCg为第i车的前车钩力，i=0时，FCch1=O ;FCi为第i车的后车钩力，当i=n时，FCn=O ^ffi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；FTEi为牵引力，仅作用于机车；FDBi为动力制动力，仅作用于机车；FBi为第i车的空气制动力；
根据这个力学模型，车载ATP插箱将根据计算得到的载荷控制量调节列车各个机车的牵引和制动命令，车载ATO插箱进行实时驱动，从而达到同步载荷控制；
第二步无线通信同步链路主控机车ΑΤΡ/ΑΤ0设备把命令信号通过车载无线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和中间机车的无线C0M，从控机车和中间机车的ΑΤΡ/ΑΤ0设备接到命令后实现动力分布的驱动控制；第三步同步机制的实现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，ΑΤΡ/ΑΤ0设备内部的实时控制捕捉同步信号并跟踪，一旦发生同步信号错位，通过比对镜像计数器进行再同步；如果错位超过规定的时间阀门，主从机车的ATP/ATO设备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界面上发出报警信号，记录事故事件。有益效果本发明研究了重载列车的实际工作环境，利用自己研制的ΑΤΡ/ΑΤ0设备，并结合目前国内成熟应用的GSM-R网络有机集成重载列车的同步控制方案。本发明是ATP插箱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插箱采用嵌入式实时控制技术，保证驱动的响应时间；我国铁路线多为丘陵山区、隧道地形，在本发明中通讯利用GSM-R网，好处是传输距离远，可直接用既有的铁路网，经济可操作，便于推广。
图I本发明系统的设备组成框图2重载列车无线同步的逻辑构成框图3主从机车同步机理示意框图4机车同步控制的力学模型示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的描述。如图I所示，本重载机车信号的同步控制系统有主控机车、中间机车、从控机车，在主控机车、中间机车、从控机车中都设有ΑΤΡ/ΑΤ0设备。每个机车所安装的ΑΤΡ/ΑΤ0设备完全相同，目的是便于编组。每套ΑΤΡ/ΑΤ0设备包括ATP插箱、ATO插箱、无线COM、DMI界面、车辆控制；
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。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。无线COM (车载无线处理单元COM):负责与地面GSM-R通讯节点链接通信。DMI界面提供ΑΤΡ/ΑΤ0设备的状态、显示列控中心的命令和列车运行速度。ATP插箱与ATO插箱、无线COM传递消息采用以太网接口，与DMI界面采用422接口，与车辆控制采用硬线连接。主控机车和从控机车上都设有OPG和天线，OPG为列车的测速设备。天线用于备用，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。重载列车无线同步的构成见图2。无线同步有车载无线COM和地面GSM-R通讯节点和GSM-R网。地面管理网通过地面GSM-R通讯节点向重载主控机车发运营命令，主控机车的车载无线COM收到命令后送给主控列车的ΑΤΡ/ΑΤ0设备，ΑΤΡ/ΑΤ0设备根据线路数据和机车的当前状态计算主控机车、从控机车的牵引或制动力大小并输出命令，该指令由主控机车的无线COM发到地面GSM-R通讯节点，通讯节点按IP地址转发命令给中间机车和从控机车，中间机车和从控机车的无线COM收到各自的命令后转给本机车的ΑΤΡ/ΑΤ0设备，ATP/ATO设备收到命令后进行驱动或制动控制，保证机车编组控制同步。
头尾ΑΤΡ/ΑΤ0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(从控机车)接受主控机车的命令，同步施加牵引或制动力。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ΑΤΡ/ΑΤ0设备来完成，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
主控机车上的ATP插箱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，本方案的思路是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3制动波示意)响应时间加快，制动效率大大提高。主控机车ATP插箱利用无线网络向从控机车ΑΤΡ/ΑΤ0设备同步发送控制信号，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ΑΤΡ/ΑΤ0设备动力分布计算的力学模型见图4。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。在图4中将组合列车抽象为一个多质点的质量弹簧阻尼系统，每个小车代表一节车辆，Mi表示该节车辆的质量，利用此模型可计算车辆间车钩的负载大小。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
MiBi=FC^1-FCi - FWfFTEi-FDBi - FBi式中，ai为第i车的加速度；Mi为第i车的质量JCg为第i车的前车钩力，i=0时，FCch1=O ;FCi为第i车的后车钩力，当i=n时，FCn=O ^ffi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；FTEi为牵引力，仅作用于机车；FDBi为动力制动力，仅作用于机车；FBi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，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。本方案采用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、状态等数据的互传，基本策略是主控机车ΑΤΡ/ΑΤ0设备把命令信号通过车载无线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无线C0M，从控机车的ΑΤΡ/ΑΤ0接到命令后实现动力分布的驱动控制。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。采用ΑΤΡ/ΑΤ0设备，在于这种设备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，ΑΤΡ/ΑΤ0设备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ΑΤΡ/ΑΤ0设备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。
一种重载机车信号的同步控制方法，包括以下步骤
第一步列车动力分布主控机车上的车载信号设备，即ΑΤΡ/ΑΤ0设备上的ATP插箱接收到列控中心的运行命令后，根据其纵向动力学方程计算载荷控制量。MiBi=FC^1-FCi - Fff^FTEi-FDBi - FBi
式中，ai为第i车的加速度；Mi为第i车的质量JCg为第i车的前车钩力，i=0时，FCch1=O ;FCi为第i车的后车钩力，当i=n时，FCn=O ^ffi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；FTEi为牵引力，仅作用于机车；FDBi为动力制动力，仅作用于机车；FBi为第i车的空气制动力；
根据这个力学模型，车载ATP插箱将根据计算得到的载荷控制量调节列车各个机车的牵引和制动命令，车载ATO插箱进行实时驱动，从而达到有效的同步载荷控制.
第二步无线通信同步链路主控机车ΑΤΡ/ΑΤ0设备把命令信号通过车载无线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和中间机车的无线C0M，从控机车和中间机车的ΑΤΡ/ΑΤ0设备接到命令后实现动力分布的驱动控制。第三步同步机制的实现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，ΑΤΡ/ΑΤ0设备内部的实时控制捕捉同步信号并跟踪，一旦发生同步信号错位，通过比对镜像计数器进行再同步。如果错位超过规定的时间阀门，主从机车的ΑΤΡ/ΑΤ0设备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界面上发出报警信号，记录事故事件。本发明系统实现动力分布的同步计算与控制，数据、命令的同步传输，列车的安全行驶控制，工作状态的自动诊断功能，提供故障告警。本发明系统的每个机车采用相同的车载设备，便于列车编组。本发明系统采用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。本发明车载信号设备采用ΑΤΡ/ΑΤ0产品，最大化保证产品质量系统可靠性和低成本。本发明采用3取2安全计算机，系统安全性有保证。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限制于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
权利要求
1.一种重载机车信号的同步控制系统，其特征在于包括ATP/ATO设备，其ATP/ATO设备设置在主控机车、中间机车、从控机车中；每个机车所安装的ATP/ATO设备完全相同， 每套ATP/ATO设备包括ATP插箱、ATO插箱、无线COM、DMI界面、车辆控制； 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； 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； 无线C0M，即车载无线处理单元COM :负责与地面GSM-R通讯节点链接通信； DMI界面提供ΑΤΡ/ΑΤ0设备的状态、显示列控中心的命令和列车运行速度； ATP插箱与ATO插箱、无线COM传递消息采用以太网接口，与DMI界面采用422接口，与车辆控制采用硬线连接； 地面管理GSM-R网通过地面GSM-R通讯节点向主控机车发运营命令，主控机车的车载无线COM收到命令后送给主控列车的ΑΤΡ/ΑΤ0设备，ΑΤΡ/ΑΤ0设备根据线路数据和机车的当前状态计算主控机车、从控机车的牵引或制动力大小并输出命令，该指令由主控机车的无线COM发到地面GSM-R通讯节点，通讯节点按IP地址转发命令给中间机车和从控机车，中间机车和从控机车的无线COM收到各自的命令后转给本机车的ΑΤΡ/ΑΤ0设备，ΑΤΡ/ΑΤ0设备收到命令后进行驱动或制动控制，保证机车编组控制同步。
2.根据权利要求I所述的一种重载机车信号的同步控制系统，其特征在于所述的主控机车和从控机车上都设有OPG和天线，OPG为列车的测速设备；天线用于备用，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。
3.一种重载机车信号的同步控制方法，包括以下步骤 第一步列车动力分布主控机车上的车载信号设备，即ΑΤΡ/ΑΤ0设备上的ATP插箱接收到列控中心的运行命令后，根据其纵向动力学方程计算载荷控制量；MiBi=FC^1-FCi - FWfFTEi-FDBi - FBi 式中，ai为第i车的加速度；Mi为第i车的质量JCg为第i车的前车钩力，i=0时，FCch1=O ;FCi为第i车的后车钩力，当i=n时，FCn=O ^ffi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；FTEi为牵引力，仅作用于机车；FDBi为动力制动力，仅作用于机车；FBi为第i车的空气制动力； 根据这个力学模型，车载ATP插箱将根据计算得到的载荷控制量调节列车各个机车的牵引和制动命令，车载ATO插箱进行实时驱动，从而达到同步载荷控制； 第二步无线通信同步链路主控机车ΑΤΡ/ΑΤ0设备把命令信号通过车载无线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和中间机车的无线C0M，从控机车和中间机车的ΑΤΡ/ΑΤ0设备接到命令后实现动力分布的驱动控制；第三步同步机制的实现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，ΑΤΡ/ΑΤ0设备内部的实时控制捕捉同步信号并跟踪，一旦发生同步信号错位，通过比对镜像计数器进行再同步；如果错位超过规定的时间阀门，主从机车的ATP/ATO设备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界面上发出报警信号，记录事故事件。
全文摘要
一种重载机车信号的同步控制系统及方法，其系统ATP插箱与ATO插箱、无线COM传递消息采用以太网接口，与DMI界面采用422接口，与车辆控制采用硬线连接；其方法地面管理GSM-R网通过地面通讯节点向主控机车发运营命令，主控机车的无线COM收到命令后送给主控列车的ATP/ATO设备，ATP/ATO设备根据线路数据和机车的当前状态计算主从控机车的牵引或制动力大小并输出命令，该指令由主控机车的无线COM发到地面通讯节点，通讯节点按IP地址转发命令给中间、从控机车，中间、从控机车的无线COM收到各自的命令后转给本机车的ATP/ATO设备，其收到命令后进行驱动或制动控制，保证机车编组控制同步。
文档编号B61C17/12GK102774389SQ20121026209
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月27日 优先权日2012年7月27日
发明者任兴明, 姜康, 李文明 申请人:南京恩瑞特实业有限公司