专利名称：基于交流传动机车的分布动力远程无线重联同步控制方法
技术领域：
本发明涉及重载组合列车机车无线重联控制方法，尤其是涉及一种基于交流传动机车的分布动力远程无线重联同步控制方法。
背景技术：
随着铁路运输发展，国内货运铁路运输的重载要求日益提高，为了满足在有限的货运线路条件的基础上提高运输效率的要求，需要多台货运机车分布在长大货车车辆中不同位置组成重载组合列车运行以提高运能，这其中一方面要提高机车的牵引功率以提高牵引力，如大功率交流传动机车，同时保证各机车牵引驱动的同步性，保证列车牵引安全，另一方面要保证长大制动的同步性，列车列车制动的安全，提高这些达到重载运输同时保证列车安全运行品质。可见同步性是其中的关键，如何对列车中的机车远程进行同步控制是该问题的关键。为克服这些不足，采用无线重联方式是当前及未来一种可行及有效的途径。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于交流传动机车的分布动力机车远程无线重联同步控制控制方法，可靠地实现重载组合列车交流传动机车的远程重联同步控制。为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是一种基于交流传动机车的分布动力远程无线重联同步控制方法，在交流传动机车控制系统上增加一套机车远程无线重联同步控制装置，列车中的头部机车与其他位置的机车基于同步控制模式下运行，重载组合列车的头部机车称为主控机车或本务机车，重载组合列车中分布在其他位置的机车称为从控机车，重载组合列车中部或尾部位置布置有从控机车，该方法包括以下步骤(1)在原交流传动机车网络三级控制模式基础上，即在有线网络列车级的基础上并列增加无线网络列车级，通过无线数据传输及无线网络管理构建机车远程无线重联控制列车级，并以此构成列车级无线通信网关，第二级为机车车辆级，结合原交流传动机车车辆级实现机车的同步控制，第三级仍为驱动及功能级，其中第三级为原车的功能，并列增加一列车级即无线网络列车级，同时调整原第二级机车车辆级以适应增加的机车远程无线重联同步控制功能。当关闭机车远程无线重联同步控制系统不影响原有系统功能；(2)增加包括天线系统、多制式无线收发处理、无线通信数据传输及无线网络管理、同步控制、机车牵引传动/制动控制系统逻辑控制、故障预警与诊断以及安全导向、人机显示及对话、交流机车主控单元网络通信及数据交互、交流传动机车电气接口的机车分布动力远程无线重联同步控制系统；(3)基于无线网络的列车级无线网关实现重载组合列车机车远程之间的无线重联通信、管理以及列车级的控制及计算，无线重联各车之间的无线通信选择方式有(a)无线电空间波传输方式；(b)在电气化区段通过接触网感应通信；(c)通过GSM-R、3G以及4G等或更高性能的基于地面基站的宽带通信网络。各车之间的无线通信方式可以是上述的一种，也可以是上述的多种结合，并由系统进行无缝选择。通过多种制式的无线通信网络构建机车远程通信的桥梁，以此为基础来实现重载组合列车运程机车的无线重联同步控制，同时匹配数据处理方式消除因不同无线通信网络的传输速率不一致对同步控制的影响，并将各个机车的控制及状态数据统一为标准的无线通信协议数据，同时加密编码后再进行无线传输，接收到无线数据后进行解密处理，以无线通信建立起重载组合列车机车远程之间的列车级总线；(4)机车远程无线重联同步控制装置作为交流传动机车之间远程通信的无线列车级网关，通过机车车辆级总线与机车车辆主控制单元进行数据交换，同时又可作为机车车辆级的无线通信设备，结合机车车辆主控制单元实现包括主控车、从控车的无线重联方式下的本车控制及计算，将控制信息发送到机车车辆主控单元，同时通过机车车辆主控单元获取机车牵引设备信息及反馈。通过控制信息及反馈信息的交换，在主控机车其机车无线重联同步控制系统通过无线列车级网关发出控制信息并接收从控机车信息，在从根据主控机车发送的控制信息及本车的工况进行本车的控制，并反馈相应的信息给无线列车级，通过此实现机车远程的牵引驱动同步控制及制动同步控制。机车无线重联同步控制系统通过机车车辆主控单元及交流传动机车电气系统将机车主、辅、控系统以及制动系统的信息及数据进行统一标准的协议转换及数据处理，转换成为统一标准的列车级机车无线重联传输协议；(5)将上述统一标准的列车级机车无线重联传输协议内容转换成无线空中协议数据，借助机车无线重联同步控制系统中的各制式无线收发模块进行数据的发送，同时将各制式无线收发模块接收到的无线空中协议数据进行协议反向转换、选择并处理数据，把无线数据转换成需要的原机车车辆级机车远程重联同步控制协议数据，再基于机车车辆主控单元及相关执行设备控制，从而实现机车间的远程无线互联互通及同步控制，并经计算处理进行机车控制及特性的匹配，即实现机车间的远程无线重联同步控制。(6)基于交流传动机车的分布动力机车远程无线重联同步控制系统，在牵引运行时各从控车跟随主控机车动态调整牵引特性，以达到同步驱动牵引，减少列车的纵向作用力；在制动时，通过分布在重载组合列车一定距离长度上远程从控机车制动系统投入工作， 并同步跟随主控机车制动系统动作，形成多点列车管充排风，减少列车的充排风时间，加快列车循环制动周期，提高列车制动的安全性，防止制动或缓解时列车管空气压力波速不快造成的影响。(7)通过交流传动机车司机室机车状态显示装置进行人机对话实现机车远程重联时编组参数设定，编组及解编的执行、机车重联信息的实时显示及查询。所述的基于交流传动机车的分布动力机车远程无线重联同步控制系统与机车车辆级主控单元进行网络通信实现双向实时交互，所述的机车无线重联同步控制系统与机车牵引/制动系统及机车电气设备接口主要为网络通信接口、电气控制及反馈接口。所述的机车无线重联控制装置包括有天线、天线转接或合路装置、不同制式的无线收发模块、无线通信接口、无线通信数据传输及无线网络管理模块、同步控制模块、机车牵引传动/制动控制系统逻辑控制模块、故障预警与诊断以及安全导向模块、人机对话接口及显示模块、交流机车主控单元网络通信及数据交互模块、交流传动机车电气系统接口模块，前述的天线系统设备包括天线、天线转接或合路装置等与各制式的无线收发模块相
5连，前述的各制式无线收发模块与通过无线通信接口无线数据通信处理及无线网络管理模块相连，前述的同步控制模块、机车牵引传动/制动控制系统逻辑控制模块、故障预警与诊断以及安全导向模块与交流机车主控单元网络通信及数据交互模块、交流传动机车电气系统接口模块相连，前述的同步控制模块、机车牵引传动/制动控制系统逻辑控制模块、故障预警与诊断以及安全导向模块与交流传动机车司机室人机对话及显示模块相连，前述的交流机车主控单元网络通信及数据交互模块与交流机车车辆主控单元相连，前述的交流机车电气系统接口与交流机车电气系统相连，前述的交流机车车辆主控单元相连、交流机车电气系统与交流机车牵引/制动及机车电气设备相连。所述的无线通信选择方式有(a)无线电空间波传输方式；(b)在电气化区段通过接触网感应通信；(c)通过GSM-R、3G以及4G等或更高性能的基于地面基站的宽带通信网络。各车之间的无线通信方式可以是上述的一种，也可以是上述的多种结合，并有系统进行无缝选择，同时具备无线网络管理功能。基于无线通信方式建立机车远程之间列车级网络及网关，主控机车发送控制命令及接收反馈信息，从控机车接收主控控制命令进行本车的同步控制，同时反馈信息，从而达到由主控机车远程控制本列车中其他机车进行同步牵引驱动、同步制动及故障安全导向。 各车根据故障预警及诊断进行机车的安全导向，主控机车根据列车的故障预警及诊断进行全列车的安全导向，空中无线通信的数据进行加密处理再发送，接收到无线数据先进行解密后再处理。在所述的无线重联编组的状态下进行交流传动机车的远程同步牵引驱动控制和远程同步制动控制，通过交流传动机车车辆主控单元、交流传动机车电气控制线路对机车的牵引和制动控制命令进行同步传递。在所述的无线重联同步控制的状态下建立一套基于交流传动机车远程无线重联故障预警及安全导向策略。另外，系统可进行两套无线重联同步控制系统动态热备冗余，当主系统故障时进行自动切换；当一台交流传动机车由两个单节车组成时，两个单节车的机车远程无线重联同步控制系统可以构成互为冗余的系统，两套系统通过通信总线进行数据交换，当主系统故障时进行自动切换，两套系统的无线电通信频率的频点可以错开，这样取得的效果更好。所述的数据处理采用两级处理方式，即列车级采用具备有各不同无线通信制式能力的无线通信网关，负责交流传动机车多机之间的无线通信及组网；第二级为机车车辆级系统，由无线重联同步控制系统结合交流传动机车车辆主控单元及交流传动机车电气系统负责机车的控制信息与反馈信息的综合处理、计算、多机故障预警及安全导向，以及负责与交流传动机车主、辅、控系统的电气接口以及与机车车辆主控单元的总线接口。通过交流传动机车司机室人机对话装置实现机车重联时编组参数设定，同时进行编组及解编的执行、无线重联信息的实时显示及查询。本发明通过在交流传动机车控制系统上增加一套机车远程无线重联同步控制系统，以此进行重载组合列车分布动力机车无线重联同步控制，达到重载组合列车牵引运输， 并使之安全牵引及制动运行。
图1为机车远程无线重联同步控制系统可实现的重载组合列车编组示意图；(a) 表示实现“机车+货车车辆+机车+货车车辆+机车+货车车辆+机车+货车车辆”重载组合列车编组方式；(b)表示实现“机车+货车车辆+机车+机车+货车车辆+机车”重载组合列车编组方式；(c)表示实现“机车+货车车辆+机车+货车车辆”重载组合列车编组方式；图2为基于交流传动机车的机车远程无线重联同步控制系统三级构架方式；图3机车远程无线重联无线通信示意图；图4为机车远程无线重联同步控制两级数据流及处理方式图；图5为基于无线重联机车远程制动系统同步控制多点工作示意图；图6为机车远程无线重联控制系统的结构示意图；图7为交流传动机车无线重联同步控制系统冗余示意图；图8为基于两节内重联构成的一台交流传动机车无线重联同步控制系统冗余示意图；图9为本发明基于交流传动机车的远程无线重联同步控制方法流程图。其中1 列车级无线数据；2 天线；3 天线系统；4 天线转接或合路装置；5 无线收发模块；6 机车远程无线重联同步控制装置；7 无线通信接口 ；8 :CPU主处理模块；9 无线重联控制；10 =CPCI总线；11 数字量I/O板；12 网络通信及接口模块；13 电源模块；14 机车电气系统接口 ；15 交流机车车辆主控单元；16 人机对话接口及显示装置；17 交流机车牵引/制动系统及机车电气设备；18 交流机车设备；19 机车无线重联系统冗余网络通信及接口模块。
具体实施例方式以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式
。如图1所示，机车远程无线重联同步控制系统可实现多种重载组合列车编组方式。其中图(a)表示实现“机车+货车车辆+机车+货车车辆+机车+货车车辆+机车+ 货车车辆”重载组合列车编组方式，四台机车各自分布在重载组合列车的不同位置；图(b) 表示实现“机车+货车车辆+机车+机车+货车车辆+机车”重载组合列车编组方式，四台机车分布位置是列车头尾各一台机车，再加中部两台机车；图(c)表示实现“机车+货车车辆+机车+货车车辆”重载组合列车编组方式，两台机车分布在重载组合列车的头部及中部位置。如图2所示，基于交流传动机车的机车远程无线重联同步控制系统三级构架方式。第一级列车级采用无线通信列车网络，第二级无线重联同步控制系统结合交流机车主控单元构成新的机车车辆网络，同时不破坏原有机车车辆网络，第三级保持原有系统不变。 通过该处理方法，可将机车车辆级的机车状态数据，机车控制数据以及机车故障预警数据统一为标准的列车级无线数据。如图3所示，机车远程无线重联无线通信示意图，构成机车远程的无线通信选择方式有(a)无线电空间波传输方式；(b)在电气化区段通过接触网感应通信；(c)通过 GSM-R、3G以及4G等或更高性能的基于地面基站的宽带通信网络。各车之间的无线通信方式可以是上述的一种，也可以是上述的多种结合，并有系统进行无缝选择，同时具备无线网络管理功能。如图4所示，机车远程无线重联同步控制两级数据流及处理方式图，机车远程无线重联同步控制装置作为交流传动机车之间远程通信的无线列车级网关，通过机车车辆级总线与机车车辆主控制单元进行数据交换，同时又可作为机车车辆级的无线通信设备。因此首先进行统一标准的协议转换及数据处理，转换成为统一的机车无线重联同步控制协议；第二将上述标准的机车无线重联同步控制协议内容转换成统一的无线空中列车级协议数据。如图5所示，基于无线重联机车远程制动系统同步控制多点工作示意图。在制动时，通过分布在重载组合列车一定距离长度上远程从控机车制动系统投入工作，并同步跟随主控机车制动系统动作，形成多点列车管充排风，减少列车的充排风时间，加快列车循环制动周期，提高列车制动的安全性，防止制动或缓解时列车管空气压力波速不快造成的影响。如图6所示，机车远程无线重联控制系统的结构示意图。所述的机车无线重联控制装置包括天线、天线转接或合路装置、无线收发模块、无线通信接口、CPU主处理模块、内部重联冗余网络通信接口、数字量I/O板、网络通信接口、机车电气接口、交流机车主控单元、人机对话接口及显示模块、交流机车牵引/制动模块，天线、天线转接或合路装置、无线收发模块依次相连，无线收发模块与无线通信接口双向连接，无线通信接口、CPU主处理模块、内部冗余网络通信接口分别与CPCI总线双向连接，CPCI总线与数字量I/O板、网络通信接口双向连接，数字量I/O板与机车电气模块连接，网络通信接口与交流机车车辆主控单元、人机对话接口及显示模块连接，机车电气模块、交流机车车辆主控单元分别与交流机车牵引/制动及其它电气设备双向连接。天线系统设备包括天线、天线转接或合路装置等与各制式的无线收发模块相连，无线收发模块与通过无线通信接口无线数据通信处理及无线网络管理模块相连，前述的同步控制模块、机车牵引传动/制动控制系统逻辑控制模块、 故障预警与诊断以及安全导向模块与交流机车主控单元网络通信及数据交互模块、交流传动机车电气系统接口模块相连，前述的同步控制模块、机车牵引传动/制动控制系统逻辑控制模块、故障预警与诊断以及安全导向模块与交流传动机车司机室人机对话及显示模块相连，交流机车主控单元网络通信及数据交互模块与交流机车车辆主控单元相连，交流机车电气系统接口与交流机车电气系统相连，交流机车车辆主控单元相连、交流机车电气系统与交流机车牵引/制动及其它电气设备相连。如7所示，交流传动机车无线重联同步控制系统冗余示意图。进行两套无线重联同步控制系统动态热备冗余，两套系统通过通信总线模块19进行数据交换，当主系统故障时进行自动切换，而且不影响原有控制功能。如8所示，基于两节内重联构成的一台交流传动机车系统冗余示意图。当一台交流传动机车由两个单节车组成时，两个单节车的机车远程无线重联同步控制系统可以构成互为冗余的系统，两套系统通过通信总线模块19进行数据交换，当主系统故障时进行自动切换，而且不影响原有控制功能；两套的无线电通信频率的频点可以错开，这样取得的效果更好。
权利要求
1. 一种基于交流传动机车的分布动力远程无线重联同步控制方法，其特征在于在交流传动机车控制系统上增加一套机车远程无线重联同步控制装置，列车中的头部机车与其他位置的机车基于同步控制模式下运行，重载组合列车的头部机车称为主控机车或本务机车，重载组合列车中分布在其他位置的机车称为从控机车，重载组合列车中部或尾部位置布置有从控机车，该方法包括以下步骤(1)在原交流传动机车网络三级控制模式基础上，即在有线网络列车级的基础上并列增加无线网络列车级，通过无线数据传输及无线网络管理构建远程机车无线重联控制列车级，并以此构成列车级无线通信网关，第二级为机车车辆级，结合原交流传动机车车辆级实现机车的同步控制，第三级为驱动及功能级，其中第三级为原车的功能，并列增加一列车级即无线网络列车级，同时调整原第二级机车车辆级以适应增加的远程机车无线重联同步控制功能，当关闭机车远程无线重联同步控制系统时不影响原有系统功能；(2)增加包括天线系统、多制式无线收发处理、无线通信数据传输及无线网络管理、同步控制、机车牵引传动/制动控制系统逻辑控制、故障预警与诊断以及安全导向、人机显示及对话、交流机车主控单元网络通信及数据交互、交流传动机车电气接口的机车的分布动力远程无线重联同步控制系统；(3)基于无线网络的列车级无线网关实现重载组合列车机车远程之间的无线重联通信、管理以及列车级的控制及计算，通过多种制式的无线通信网络构建机车远程通信的桥梁，以此为基础来实现重载组合列车运程机车的无线重联同步控制，同时匹配数据处理方式消除因不同无线通信网络的传输速率不一致对同步控制的影响，并将各个机车的控制及状态数据统一为标准的无线通信协议数据，同时加密编码后再进行无线传输，接收到无线数据后进行解密处理，以无线通信建立起重载组合列车机车远程之间的列车级总线；(4)机车远程无线重联同步控制装置作为交流传动机车之间远程通信的无线列车级网关，通过机车车辆级总线与机车车辆主控制单元进行数据交换，同时作为机车车辆级的无线通信设备，结合机车车辆主控制单元实现包括主控车、从控车的无线重联方式下的本车控制及计算，将控制信息发送到机车车辆主控单元，同时通过机车车辆主控单元获取机车牵引设备信息及反馈信息，通过控制信息及反馈信息的交换，主控机车其机车无线重联同步控制系统通过无线列车级网关发出控制信息并接收从控机车信息，通过主控机车发送的控制信息及本车的工况进行本车的控制，并反馈相应的信息给无线列车级，实现机车远程的牵引驱动同步控制及制动同步控制，机车无线重联同步控制系统通过机车车辆主控单元及交流传动机车电气系统将机车主、辅、控系统以及制动系统的信息及数据进行统一标准的协议转换及数据处理，转换成为统一标准的列车级机车无线重联传输协议；(5)将上述统一标准的列车级机车无线重联传输协议内容转换成无线空中协议数据， 借助机车无线重联同步控制系统中的各制式无线收发模块进行数据的发送，同时将各制式无线收发模块接收到的无线空中协议数据进行协议反向转换、选择并处理数据，把无线数据转换成需要的原机车车辆级机车远程重联同步控制协议数据，再基于机车车辆主控单元及相关执行设备控制，实现机车间的远程无线互联互通及同步控制，并经计算处理进行机车控制及特性的匹配，实现机车间的远程无线重联同步控制；(6)基于交流传动机车的分布动力机车远程无线重联同步控制系统，在牵引运行时各从控车跟随主控机车动态调整牵引特性，实现同步驱动牵引；在制动时，通过分布在重载组合列车上不同位置的远程从控机车制动系统投入工作，并同步跟随主控机车制动系统动作，形成多点列车管充排风；(7)通过交流传动机车司机室机车状态显示装置进行人机对话实现机车远程重联时编组参数设定，同时进行编组及解编的执行、机车重联信息的实时显示及查询；
2.根据权利要求1所述的基于交流传动机车的分布动力远程无线重联同步控制方法， 其特征在于，进行两套无线重联同步控制系统动态热备冗余，两套系统通过通信总线进行数据交换，当主系统故障时进行自动切换；当一台交流传动机车由两个单节车组成时，两个单节车的机车远程无线重联同步控制系统可以构成互为冗余的系统，两套系统通过通信总线进行数据交换，当主系统故障时进行自动切换，两套无线重联同步控制系统的无线电通信频率的频点错开。
3.根据权利要求1所述的基于交流传动机车的分布动力远程无线重联同步控制方法， 其特征在于，无线重联各车之间的无线通信选择方式有(a)无线电空间波传输方式；(b) 在电气化区段通过接触网感应通信；(c)通过GSM-R、3G以及4G等或更高性能的基于地面基站的宽带通信网络，各车之间的无线通信方式为上述的一种或多种的结合，并由系统进行无缝选择。
4.基于权利要求1所述的基于交流传动机车的分布动力远程无线重联同步控制方法的系统，包括天线、天线转接或合路装置、无线收发模块、无线通信接口、CPU主处理模块、内部重联冗余网络通信接口、数字量I/O板、网络通信接口、机车电气系统接口、交流机车主控单元、人机对话接口及显示模块、交流机车牵引/制动模块，其特征在于，天线、天线转接或合路装置、无线收发模块依次相连，无线收发模块与无线通信接口双向连接，无线通信接口、CPU主处理模块、内部冗余网络通信接口分别与CPCI总线双向连接，CPCI总线与数字量I/O板、网络通信接口双向连接，数字量I/O板与机车电气系统接口连接，网络通信接口与交流机车车辆主控单元、人机对话接口及显示模块连接，机车电气系统接口、交流机车车辆主控单元分别与交流机车牵引/制动及机车电气设备双向连接。
全文摘要
本发明提供一种基于交流传动机车的分布动力远程无线重联同步控制方法，在原交流传动机车控制系统的基础上增加机车远程无线重联同步控制系统，从而实现由交流传动机车及货车车辆构成的重载组合列车牵引运行，并使列车的安全运行品质得到可靠保证。
文档编号G05B19/418GK102339049SQ20111020339
公开日2012年2月1日 申请日期2011年7月20日 优先权日2011年7月20日
发明者李蔚 申请人:长沙南睿轨道交通电气设备有限公司