一种高速列车自动驾驶控制器和控制机柜的制作方法

本实用新型实施例涉及列车控制技术，尤指一种高速列车自动驾驶控制器和控制机柜。

背景技术：

列车运行控制系统(ctcs，chinesetraincontrolsystem)是我国高速铁路中最重要的技术装备，担负着列车追踪安全控制和列车运行控制等安全功能。应用于200-250km/h线路的ctcs-2级列控系统和应用于300-350km/h线路的ctcs-3级列控系统技术都得到了快速发展和完善。目前国内高速铁路的发展逐渐由过去的高速发展期走向平稳建设期。

随着高速铁路总里程数的上升，提升高速铁路服务及乘客体验越来越受到重视，然而ctcs-3级高速铁路列控系统仍然由司机进行人工驾驶，人工驾驶受司机操作熟练程度影响，有时会造成列车牵引力和制动力过大情况，影响乘客乘车舒适度；同时司机长时间驾驶容易疲劳，不利于列车行车安全。因此，高速铁路列车自动驾驶运用的需求迫在眉睫。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供了一种高速列车自动驾驶控制器和控制机柜，能够在高速列车上实现自动驾驶技术，提高了运行效率，降低了司机工作强度，提升了乘客的乘车体验。

本实用新型实施例还提供了一种高速列车自动驾驶控制器，可以包括：一个或多个列车自动驾驶系统ato控制单元；所述ato控制单元包括：无线通信模块、车辆总线通信模块、模拟量采集模块和ato主控模块；

所述ato主控模块分别与所述无线通信模块、所述车辆总线通信模块和所述模拟量采集模块相连；

所述模拟量采集模块与列车上的轮轴速度传感器和加速度传感器相连，将采集到的轮轴速度和加速度发送给所述ato主控模块；

所述ato主控模块通过所述车辆总线通信模块与车辆主控单元ccu相连；

所述无线通信模块包括：列车自动保护系统atp通信模块和车地通信模块；其中，所述atp通信模块与列车运行控制系统ctcs的atp设备无线连接，设置成传输所述atp设备和所述ato主控模块之间交互的数据；所述车地通信模块包括通用分组无线服务gprs电台，所述车地通信模块通过所述gprs电台与地面设备无线连接，设置成传输所述地面设备和所述ato主控模块之间交互的数据。

在本申请的示例性实施例中，所述车辆总线通信模块通过多功能车辆总线mvb车辆总线和列车实时数据协议trdp实时以太网总线与ccu相连。

在本申请的示例性实施例中，所述ato控制单元可以为多个，多个ato控制单元可以包括：第一ato控制单元和第二ato控制单元；所述第一ato控制单元和所述第二ato控制单元互为冗余。

在本申请的示例性实施例中，所述ctcs的atp设备可以包括互为冗余的第一atp设备和第二atp设备；

所述第一atp设备分别与所述第一ato控制单元的第一atp通信模块和所述第二ato控制单元的第二atp通信模块相连；

所述第二atp设备分别与所述第一ato控制单元的第一atp通信模块和所述第二ato控制单元的第二atp通信模块相连。

在本申请的示例性实施例中，所述第一ato控制单元的第一ato主控模块和所述第二ato控制单元的第二ato主控模块之间通过串行接口相连。

在本申请的示例性实施例中，所述高速列车自动驾驶控制器还可以包括第一断路器和第二断路器；

所述第一断路器与所述第一ato控制单元相连，用于为所述第一ato控制单元上电和断电；

所述第二断路器与所述第二ato控制单元相连，用于为所述第二ato控制单元上电和断电。

在本申请的示例性实施例中，所述高速列车自动驾驶控制器还包括第一组继电器和第二组继电器；所述第一组继电器包括第一数字输入继电器和第一数字输出继电器,所述第二组继电器包括第二数字输入继电器和第二数字输出继电器；

所述第一组继电器均与所述第一ato控制单元相连；所述第二组继电器均与所述第二ato控制单元相连；

其中，所述第一车辆总线通信模块与所述第二车辆总线通信模块相连。

本申请还提供了一种高速列车自动驾驶控制机柜，可以包括上述任意一项所述的高速列车自动驾驶控制器；还可以包括：一个或多个ato控制板，所述ato控制板可以包括：无线通信板、车辆总线通信板、模拟量采集板和ato主控板；

所述无线通信板上设置有所述高速列车自动驾驶控制器中的无线通信模块；

所述车辆总线通信板上设置有所述高速列车自动驾驶控制器中的车辆总线通信模块；

所述模拟量采集板上设置有所述高速列车自动驾驶控制器中的模拟量采集模块；

所述ato主控板上设置有所述高速列车自动驾驶控制器中的ato主控模块。

在本申请的示例性实施例中，所述ato控制板为多个，多个ato控制板包括：第一ato控制板和第二ato控制板；所述第一ato控制板和所述第二ato控制板互为冗余；

所述高速列车自动驾驶控制机柜还可以包括：第一电源板以及第二电源板；所述第一电源板分别为所述第一ato控制板和第二ato控制板供电，用于将24v转为5/15v；所述第二电源板用于将车辆电压转换为24v电压；

所述第二电源板为两个，两个第二电源板相互冗余，分别与所述第一电源板相连。

在本申请的示例性实施例中，所述高速列车自动驾驶控制机柜还可以包括：第一断路器、第二断路器、对外连接器板和通用分组无线服务gprs电台板；

所述第一断路器与所述第一ato控制板相连，用于为所述第一ato控制板上电和断电；

所述第二断路器与所述第二ato控制板相连，用于为所述第二ato控制板上电和断电；

所述对外连接器板分别与第一ato控制板和第二ato控制板相连，并与车辆的信息接口相连；

所述gprs电台板分别与第一ato控制板和第二ato控制板中的无线通信板相连。

与相关技术相比，本申请的高速列车自动驾驶控制器可以包括：一个或多个列车自动驾驶系统ato控制单元；所述ato控制单元包括：无线通信模块、车辆总线通信模块、模拟量采集模块和ato主控模块；所述ato主控模块分别与所述无线通信模块、所述车辆总线通信模块和所述模拟量采集模块相连；所述模拟量采集模块与列车上的轮轴速度传感器和加速度传感器相连，将采集到的轮轴速度和加速度发送给所述ato主控模块；所述ato主控模块通过所述车辆总线通信模块与车辆主控单元ccu相连；所述无线通信模块包括：列车自动保护系统atp通信模块和车地通信模块；其中，所述atp通信模块与列车运行控制系统ctcs的atp设备无线连接，设置成传输所述atp设备和所述ato主控模块之间交互的数据；所述车地通信模块包括通用分组无线服务gprs电台，所述车地通信模块通过所述gprs电台与地面设备无线连接，设置成传输所述地面设备和所述ato主控模块之间交互的数据。通过该实施例方案，在300km/h以上的高速列车上实现了自动驾驶技术，提高了运行效率，降低了司机工作强度，提升了乘客的乘车体验。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本实用新型技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本实用新型的技术方案，并不构成对本实用新型技术方案的限制。

图1为本实用新型实施例的ato控制单元示意图；

图2为本实用新型实施例的两套冗余的ato控制单元内部逻辑关系及与外设连接关系示意图；

图3为本实用新型实施例的高速列车自动驾驶控制机柜组成框图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本申请提供了一种高速列车自动驾驶控制器，如图1所示，可以包括：一个或多个列车自动驾驶系统ato控制单元；所述ato控制单元(即图1中的ato)可以包括：无线通信模块1、车辆总线通信模块2、模拟量采集模块3和ato主控模块4；

所述ato主控模块4分别与所述无线通信模块1、所述车辆总线通信模块2和所述模拟量采集模块3相连；

所述模拟量采集模块3与列车5上的轮轴速度传感器和加速度传感器6相连，将采集到的轮轴速度和加速度发送给所述ato主控模块4；

所述ato主控模块4通过所述车辆总线通信模块2与列车5的车辆主控单元ccu相连；

所述无线通信模块1包括：列车自动保护系统atp通信模块11和车地通信模块12；其中，所述atp通信模块11与列车运行控制系统ctcs的atp设备7无线连接，设置成传输所述atp设备7和所述ato主控模块4之间交互的数据；所述车地通信模块12包括通用分组无线服务gprs电台121，所述车地通信模块12通过所述gprs电台121与地面设备8无线连接，设置成传输所述地面设备8和所述ato主控模块4之间交互的数据。

在本申请的示例性实施例中，基于引进的ctcs-3级atp(列车自动保护系统，automatictrainprotection，简称atp)系统，研制完全自主开发的ato(列车自动驾驶系统(automatictrainoperation,简称:ato)自动驾驶单元，即上述的ato控制单元，ato控制单元可在atp设备防护下实现300-350km/h的高速铁路自动驾驶。

在本申请的示例性实施例中，ato控制单元可以包括以下功能：atp通信(可以通过atp通信模块11实现)、测速测距处理(可以通过所述模拟量采集模块3和所述ato主控模块4实现)、列车控制(可以通过ato主控模块4实现)以及车地通信(可以通过包含所述gprs电台121的车地通信模块12实现)。

在本申请的示例性实施例中，atp通信模块11负责与ctcs-3的atp设备7进行通信，通信内容可以包括但不限于车门状态、车门允许、坡度数据、限速、隧道、分相区、移动授权以及状态信息等。

在本申请的示例性实施例中，ato主控模块4可以从atp设备7获取ato使能信号、车门允许信号、车门状态、牵引制动手柄状态、前进后退方向手柄状态、atp停准状态、驾驶台激活状态、坡道数据、限速等atp信息，用于ato控车。ato主控模块4则向atp设备7反馈如下信息：ato控制单元工作状态、门控模式、ato开门命令、牵引控制量、制动控制量、ato停车误差等信息。此外，ato控车提示司机的显示信息可以通过rs422发送给atp设备7，由atp设备7在人机界面上显示给司机查看。

在本申请的示例性实施例中，所述模拟量采集模块3可以采集轮轴速度传感器和加速度传感器的数据，所述ato主控模块4可以根据所采集的数据进行车轮的空转、滑行判断，再根据车轮的状态，采用不同的数据融合算法计算车轮的速度，最后根据车轮的速度和状态计算列车速度和运行距离。

在本申请的示例性实施例中，车地通信模块12通过gprs电台121接收地面设备8的运行计划、站间数据(含线路基础数据和临时限速)等信息，实现列车速度自动控制、自动开车门和车门/站台门联动控制等功能。

在本申请的示例性实施例中，列车控制的实现是ato主控模块4基于上述测速测距信息、无线通信获取的运行计划信息等，实现与车辆主控单元ccu通信，所述ato主控模块4向ccu发送牵引控制量等级、制动控制量等级、ato有效等信息，对列车进行自动驾驶控制，确保列车停准停稳。

在本申请的示例性实施例中，所述车辆总线通信模块2可以通过多功能车辆总线mvb车辆总线和列车实时数据协议trdp实时以太网总线与ccu相连。

在本申请的示例性实施例中，如图2所示，所述ato控制单元可以为多个，多个ato控制单元可以包括：第一ato控制单元(如图2中的ato-1所示)和第二ato控制单元(如图2中的ato-2所示)；所述第一ato控制单元和所述第二ato控制单元互为冗余。

在本申请的示例性实施例中，图2为ato控制单元的内部逻辑连接关系和与外设的连接关系图，虚框内为ato控制单元内部逻辑连接关系，虚框外为ato控制单元与外设连接关系。

在本申请的示例性实施例中，所述第一ato控制单元(ato-1)可以包括：第一无线通信模块1-1、第一车辆总线通信模块2-1、第一模拟量采集模块3-1和第一ato主控模块4-1；

所述第一ato主控模块4-1分别与所述第一无线通信模块1-1、所述第一车辆总线通信模块2-1和所述第一模拟量采集模块3-1相连；

所述第一模拟量采集模块3-1与列车5上的轮轴速度传感器和加速度传感器6相连；

所述第一ato主控模块4-1通过所述第一车辆总线通信模块2-1与列车5的车辆主控单元ccu相连；

所述第一无线通信模块1-1包括：第一atp通信模块11-1和第一车地通信模块12-1；其中，所述第一atp通信模块11-1与列车运行控制系统ctcs的atp设备7无线连接；所述第一车地通信模块12-1包括通用分组无线服务gprs电台121，所述第一车地通信模块12-1通过所述gprs电台121与地面设备8无线连接。

在本申请的示例性实施例中，所述第二ato控制单元(ato-2)可以包括：第二无线通信模块1-2、第二车辆总线通信模块2-2、第二模拟量采集模块3-2和第二ato主控模块4-2；

所述第二ato主控模块4-2分别与所述第二无线通信模块1-2、所述第二车辆总线通信模块2-2和所述第二模拟量采集模块3-2相连；

所述第二模拟量采集模块3-2与列车5上的轮轴速度传感器和加速度传感器6相连；

所述第二ato主控模块4-2通过所述第二车辆总线通信模块2-2与列车5的车辆主控单元ccu相连；

所述第二无线通信模块1-2包括：第二atp通信模块11-2和第二车地通信模块12-2；其中，所述第二atp通信模块11-2与列车运行控制系统ctcs的atp设备7无线连接；所述第二车地通信模块12-2包括通用分组无线服务gprs电台121，所述第二车地通信模块12-2通过所述gprs电台121与地面设备8无线连接。

在本申请的示例性实施例中，所述第一车地通信模块12-1可以和所述第二车地通信模块12-2共用一个gprs电台121，也可以分别采用各自的gprs电台121。

在本申请的示例性实施例中，所述第一车地通信模块12-1和所述第二车地通信模块12-2共用一个gprs电台121时，相互冗余的ato控制单元两系统中的主系统可以通过gprs电台与地面设备进行无线通信完成运行计划下达。

在本申请的示例性实施例中，所述第一ato控制单元(ato-1)的第一ato主控模块和所述第二ato控制单元的第二ato主控模块之间通过串行接口相连。

在本申请的示例性实施例中，所述第一ato控制单元(ato-1)和所述第二ato控制单元(ato-2)两系统之间可以通过系间的rs422实现系间通信和两系主备逻辑和切换。

在本申请的示例性实施例中，所述高速列车自动驾驶控制器还可以包括第一断路器和第二断路器；

所述第一断路器与所述第一ato控制单元(ato-1)相连，用于为所述第一ato控制单元(ato-1)上电和断电；

所述第二断路器与所述第二ato控制单元(ato-2)相连，用于为所述第二ato控制单元(ato-2)上电和断电。

在本申请的示例性实施例中，所述第一车辆总线通信模块2-1与所述第二车辆总线通信模块2-2相连。

在本申请的示例性实施例中，所述高速列车自动驾驶控制器还可以包括第一组继电器10-1和第二组继电器10-2；所述第一组继电器10-1包括第一数字输入继电器和第一数字输出继电器,所述第二组继电器10-2包括第二数字输入继电器和第二数字输出继电器；

所述第一组继电器10-1均与所述第一ato控制单元的ato主控模块相连；所述第二组继电器10-2均与所述第二ato控制单元的ato主控模块相连；

第一组继电器10-1和第二组继电器10-2可以分别实现两路do(数字输出)以及四路di(数字输入)。

在本申请的示例性实施例中，ato主控模块可以通过继电器(第一组继电器10-1和第二组继电器10-2)实现对车辆驾驶台按钮采集以及车门命令输出。

在本申请的示例性实施例中，第一组继电器10-1和第二组继电器10-2可以均设置在继电器板10上。

在本申请的示例性实施例中，由于板卡位置受限，可以把4路数字量采集电路(即数字输入)放到了无线通信板上，可以把2路数字量输出电路(即数字输出)放到了车辆总线通信板上。

在本申请的示例性实施例中，继电器本质上是均是直接与ato主控模块相连，ato主控模块对输入是采集继电器的接点，对输出是控制继电器的线圈，实现对车辆侧io信号的采集输出。

在本申请的示例性实施例中，继电器板10上包括两组继电器，分别用于第一ato控制单元和第二ato控制单元，其中两组继电器中的数字输入继电器采集外部同一个信号，两个ato控制单元中的任何一个ato控制单元均可独立采集。两组继电器中的数字输出继电器则并联在一起控制外部同一个信号，两个ato控制单元中的任何一个ato单元输出数字信息时则可输出对该外部信号的控制。在本申请的示例性实施例中，两个车辆总线通信模块连接(所述第一车辆总线通信模块2-1与所述第二车辆总线通信模块2-2相连)是因为两个ato主控模块均要串接进车辆网络中，与ccu通信，车辆总线物理上是rs485接口，因此只能串联在一起。一个ato控制单元故障时，另外一个ato控制单元可继续运行。

在本申请的示例性实施例中，所述ctcs的atp设备7还可以包括互为冗余的第一atp设备(如图2中的atp-1所示)和第二atp设备(如图2中的atp-2所示)；

所述第一atp设备(atp-1)分别与所述第一ato控制单元(ato-1)的第一atp通信模块11-1和所述第二ato控制单元(ato-2)的第二atp通信模块11-2相连；

所述第二atp设备(atp-2)分别与所述第一ato控制单元(ato-1)的第一atp通信模块11-1和所述第二ato控制单元(ato-2)的第二atp通信模块相连11-2。

在本申请的示例性实施例中，所述第一ato控制单元(ato-1)和所述第二ato控制单元(ato-2)两系统可以通过rs422分别与所述第一atp设备(atp-1)和所述第二atp设备(atp-2)两系实现通信。

在本申请的示例性实施例中，ato与atp通信接口采用atp设备中通用的rs422接口，可以支持较长距离通信，并支持ato控制单元独立安装于机柜外部。

本申请还提供了一种高速列车自动驾驶控制机柜，如图3所示，可以包括上述任意一项所述的高速列车自动驾驶控制器；还可以包括：一个或多个ato控制板(如图3中的ato-a和ato-b所示)，所述ato控制板可以包括：无线通信板(如图3中的1-a和1-b所示)、车辆总线通信板(如图3中的2-a和2-b所示)、模拟量采集板(如图3中的3-a和3-b所示)和ato主控板(如图3中的4-a和4-b所示)；

所述无线通信板上设置有所述高速列车自动驾驶控制器中的无线通信模块1；

所述车辆总线通信板上设置有所述高速列车自动驾驶控制器中的车辆总线通信模块2；

所述模拟量采集板上设置有所述高速列车自动驾驶控制器中的模拟量采集模块3；

所述ato主控板上设置有所述高速列车自动驾驶控制器中的ato主控模块4。

在本申请的示例性实施例中，ato控制单元可以设计为标准的6u机笼(即机柜)，如图3所示，为保证ato控制单元的可靠性，ato控制单元可以设计为冗余两系统，分别是ato-a和ato-b，同时两系统分别具备独立开关：第一断路器9-a和第二断路器9-b，实现单系统独立上电和断电。

在本申请的示例性实施例中，所述ato控制板为多个，多个ato控制板包括：第一ato控制板(ato-a)和第二ato控制板(ato-b)；所述第一ato控制板(ato-a)和所述第二ato控制板(ato-b)互为冗余；

所述高速列车自动驾驶控制机柜还可以包括：第一电源板v1以及第二电源板v2；所述第一电源板v1分别为所述第一ato控制板(ato-a)和第二ato控制板(ato-b)供电，可以用于将24v转为5/15v；所述第二电源板v2可以用于将车辆电压(如110v)转换为24v电压；

所述第二电源板v2可以为两个，两个第二电源板(如图3中的v2-1和v2-2所示)相互冗余，分别与所述第一电源板v1相连。

在本申请的示例性实施例中，第一电源板v1可以为24v转5/15v电源板，第二电源板v2可以为110v转24v电源板。其中，24v转5/15v电源板可以两系统共用。

在本申请的示例性实施例中，所述高速列车自动驾驶控制机柜还可以包括：第一断路器9-a、第二断路器9-b、对外连接器板10和通用分组无线服务gprs电台板(如图3中的gprs所示)；

所述第一断路器9-a与所述第一ato控制板相连，用于为所述第一ato控制板(ato-a)上电和断电；

所述第二断路器9-b与所述第二ato控制板(ato-b)相连，用于为所述第二ato控制板(ato-b)上电和断电；

所述对外连接器板m分别与第一ato控制板(ato-a)和第二ato控制板(ato-b)相连，并与车辆的信息接口相连；

所述gprs电台板分别与第一ato控制板(ato-b)和第二ato控制板(ato-b)中的无线通信板(1-a和1-b)相连。

在本申请的示例性实施例中，所述高速列车自动驾驶控制机柜还可以包括继电器板10ab；

所述继电器板10ab可以分别与所述第一无线通信板1-a和所述第二无线通信板1-b相连，可以分别实现两路do(数字输出)；所述继电器板10ab还可以分别与所述第一车辆总线通信板2-a与所述第二车辆总线通信板2-b相连，可以分别实现四路di(数字输入)。

在本申请的示例性实施例中，所述第一ato控制板(ato-a)和第二ato控制板(ato-b)可以通过继电器板提供对车辆驾驶台按钮采集以及车门命令输出等的接口。

在本申请的示例性实施例中，各个板卡可以设计为标准的5te或10te的6u模块，方便安装于机笼中，各个板卡功能可以如下：车辆总线通信板支持mvb车辆总线和trdp实时以太网总线，负责与车辆主控ccu进行通信；模拟量采集板支持模拟量采集，负责采集速度传感器脉冲信息；无线通信板支持车地通信协议，该板卡通过gprs电台板实现与地面设备的通信；ato主控板实现ato控车逻辑实现；110v转24v电源模块负责给将车辆110v电转换为24v电；24v转5/15v电源板负责给ato两系板卡进行供电；对外连接器板负责实现ato主控单元与车辆的接口连接。

在本申请的示例性实施例中，本申请至少具有以下优势：

1、针对目前广泛使用的ctcs-3atp设备，atp设备机柜为标准的19英寸机柜，ato控制单元也为标准19英寸的6u机笼，方便安装于atp设备机柜中。

2、ato控制单元基于广泛应用的ctcs-3atp设备进行设计，该单元独立设计为6u标准机笼，实现独立安装。

3、ato与atp通信接口采用atp设备中通用的rs422接口，支持较长距离通信，支持ato单元独立安装于机柜外部。

4、ato控制单元无需改动atp设备硬件，仅需atp设备修改软件进行适配，ato控制单元依托于既有的atp设备，完成对列车的自动控制，工作量小、可行性高。

5、ato控制单元支持300～350km/h下的自动驾驶，属于全球首次在300km/h以上的速度下的自动驾驶技术，提高了运行效率，降低了司机工作强度，提升了乘客的乘车体验。

在本实用新型中的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“一侧”、“另一侧”、“一端”、“另一端”、“边”、“相对”、“四角”、“周边”、“口”字结构等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“直接连接”、“间接连接”、“固定连接”、“安装”、“装配”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；术语“安装”、“连接”、“固定连接”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。任何本实用新型所属领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定为准。