列車運(yùn)行控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、. . 磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的構(gòu)想與設(shè)計(jì)磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的構(gòu)想與設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 交通運(yùn)輸 專 業(yè)： 鐵道運(yùn)輸 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 北京交通大學(xué)北京交通大學(xué) 2020 年 11 月 . . 中文摘要 摘要摘要:本篇簡(jiǎn)單介紹了磁懸浮列車的特點(diǎn)及對(duì)列控系統(tǒng)的要求，磁懸浮列車列控 系統(tǒng)的特點(diǎn)以及磁懸浮列車應(yīng)當(dāng)具有的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:磁懸浮列車；超速防護(hù)；列車定位；列車測(cè)速；車地信息傳輸 . . 目 錄 中文摘要 .2 目 錄 .3 1 磁懸浮列車簡(jiǎn)介 .4 1.1 磁懸浮列車的特點(diǎn) .4 1.2 磁懸浮對(duì)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的基本要求 .4 2 列車運(yùn)行控制系統(tǒng) .5

2、5 2.1 列車運(yùn)行控制系統(tǒng)一般類型及速度防護(hù)模式 .5 2.2 磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng) .5 3 關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備 .8 8 3.1 列車定位和測(cè)速技術(shù) .8 3.2 車地間信息傳輸 .9 4 結(jié)語(yǔ) .1010 . . 1.磁懸浮列車簡(jiǎn)介 磁懸浮列車是一種靠磁懸浮力（即磁的吸力和斥力）來(lái)推動(dòng)的列車。由于 其軌道的磁力使之懸浮在空中，行走時(shí)不同于其他列車需要接觸地面，因此只 受來(lái)自空氣的阻力。 1.1 磁懸浮列車的特點(diǎn) 磁懸浮列車是依靠電磁吸力或電動(dòng)斥力將列車懸浮于空中并進(jìn)行導(dǎo)向，實(shí) 現(xiàn)列車與地面軌道間的無(wú)機(jī)械接觸，再利用線性電機(jī)驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行。鐵軌與車 輛不接觸，運(yùn)行速度快，而且運(yùn)行平穩(wěn)、舒適，

3、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；無(wú)噪音， 無(wú)有害的廢氣，有利于環(huán)境保護(hù)；可節(jié)省建設(shè)經(jīng)費(fèi)；運(yùn)營(yíng)、維護(hù)和耗能費(fèi)用低。 1.2 磁懸浮對(duì)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的基本要求 基于磁懸浮列車的上述特點(diǎn)和工作原理，其列車運(yùn)行控制系統(tǒng)必須滿足以 下幾點(diǎn)基本要求： 1.駕駛功能：參照現(xiàn)代鐵路高速列車與民航客機(jī)現(xiàn)行的控制系統(tǒng)，在將來(lái) 磁懸浮列車投入運(yùn)營(yíng)時(shí)應(yīng)采用自動(dòng)控制為主人工控制為輔的控制方式。具體包 括自動(dòng)懸浮控制功能、電力牽引控制功能、電力制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)控制功能、車 門控制功能、電源控制功能、輔助設(shè)備控制功能。 2.保護(hù)功能：保護(hù)功能參考鐵路高速列車現(xiàn)行控制系統(tǒng)與法國(guó)、德國(guó)以及 日本等國(guó)系統(tǒng)，應(yīng)采用全自動(dòng)移動(dòng)閉塞的方式。其基本功

4、能應(yīng)包括以下幾方面： 進(jìn)站保護(hù)功能、曲線限速保護(hù)功能、超速防護(hù)功能、對(duì)駕駛誤操作自動(dòng)保護(hù)功 能。 3.監(jiān)視功能：監(jiān)視系統(tǒng)也采用全自動(dòng)方式，具體包括：速度測(cè)量和列車定 位功能、進(jìn)站檢測(cè)功能、全列車狀態(tài)檢測(cè)與顯示功能、故障診斷功能。 . . 2.列車運(yùn)行控制系統(tǒng) 2.1 列車運(yùn)行控制系統(tǒng)一般類型及速度防護(hù)模式 列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是將先進(jìn)的控制技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與鐵路信 號(hào)技術(shù)溶為一體的行車指揮、控制、管理自動(dòng)化系統(tǒng)。它是現(xiàn)代鐵路保障行車 安全、提高運(yùn)輸效率的核心。如按照閉塞方式分：有固定閉塞、移動(dòng)閉塞。如 按照功效、人機(jī)分工和列車運(yùn)行控制系統(tǒng)化程度分： 1.列車運(yùn)行控制(ATS)系統(tǒng)；ATS

5、 是一種只在停車信號(hào)(紅燈)前實(shí)施列車速 度控制的裝備，是在非速差式信號(hào)系統(tǒng)下的產(chǎn)品，歸屬列車速度控制的低級(jí)階 段。 2.列車超速防護(hù)(ATP)系統(tǒng)；列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)可對(duì)列車運(yùn)行速度進(jìn)行實(shí)時(shí) 監(jiān)督，當(dāng)列車運(yùn)行速度超過(guò)最大允許速度時(shí)，自動(dòng)控制列車實(shí)施常用全制動(dòng)或 緊急制動(dòng)，使列車停在顯示禁止信號(hào)的信號(hào)機(jī)或停車標(biāo)前方。通俗地說(shuō)，一般 ATP 系統(tǒng)不包含列車的自動(dòng)加速和自動(dòng)減速，只是起到超速防護(hù)的目的，在國(guó) 內(nèi)也將 ATP 系統(tǒng)叫成列車超速防護(hù)系統(tǒng)。 3.列車運(yùn)行控制(ATC)系統(tǒng)；鐵路列車運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)可根據(jù)行車指揮命 令、線路參數(shù)、列車參數(shù)等實(shí)時(shí)監(jiān)督列車運(yùn)行速度，通過(guò)控制列車多級(jí)常用制 動(dòng)，自

6、動(dòng)降低列車運(yùn)行速度，保證行車安全。列車運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)是比列車 超速防護(hù)系統(tǒng)高一級(jí)的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)，它可替代司機(jī)的部分操作。 2.2 磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng) 磁懸浮 OCS 的基本功能和 ATC 相似，也可以分為這幾個(gè)部分由于磁懸浮列 車特殊的運(yùn)行機(jī)理，對(duì)它的運(yùn)行控制系統(tǒng)提出了特殊的要求，比如由同步控制 產(chǎn)生的測(cè)速定位的精度要求、自動(dòng)控制產(chǎn)生的大容量信息傳輸要求等。 在傳統(tǒng)輪軌鐵路中，閉塞的出現(xiàn)完全是為了保證列車安全運(yùn)行間隔，防止 發(fā)生列車碰撞。閉塞可分為固定閉塞和移動(dòng)閉塞兩種固定閉塞就是將線路分成 . . 固定的區(qū)段，每個(gè)區(qū)段為一個(gè)閉塞分區(qū)，當(dāng)分區(qū)內(nèi)有列車占用時(shí)，其他列車不 能進(jìn)人，以避免

7、發(fā)生列車碰撞移動(dòng)閉塞則是基于無(wú)線通信的一種技術(shù)，它的出 現(xiàn)主要是為了在保證列車安全的情況下提高線路行車密度。在移動(dòng)閉塞情況下， 后行列車的位置不受固定區(qū)段的限制，只與前行列車的位置有關(guān)，保證了列車 最小運(yùn)行間隔。 在磁懸浮交通中，列車運(yùn)行間隔等于一個(gè)供電區(qū)段的長(zhǎng)度，這是由一個(gè)變 電所只能控制一輛列車決定的。其供電區(qū)段為一個(gè)閉塞分區(qū)(與輪軌鐵路的閉塞 概念相同)，當(dāng)供電區(qū)段有列車占用時(shí)，后行列車不允許進(jìn)人分區(qū)開放條件不同， 磁懸浮閉塞分區(qū)開放條件為：1.線路被清空。2.閉塞區(qū)間中沒有列車占用。3. 完成了分區(qū)間的電源切換。由于列車的驅(qū)動(dòng)由列車經(jīng)過(guò)的區(qū)段供電進(jìn)行控制， 在供電區(qū)段開關(guān)控制正常的情況

8、下，后行列車是無(wú)法闖人被占用區(qū)段的，這就 在很大程度上避免了列車碰撞事件的發(fā)生。 無(wú)論 ATC 還是 OCS 都會(huì)對(duì)列車的最大速度進(jìn)行監(jiān)督，一旦發(fā)生超速將啟動(dòng) 制動(dòng)裝置。傳統(tǒng)列車的速度防護(hù)采用分級(jí)控制或速度模式曲線控制方式，模式 曲線控制方式最符合列車制動(dòng)過(guò)程，能進(jìn)一步縮短列車運(yùn)行間隔距離，是各國(guó) 系統(tǒng)發(fā)展的共同趨勢(shì).模式曲線控制方式在不同的閉塞方式下有不同的距離一速 度控制曲線在移動(dòng)閉塞情況下，控制的目標(biāo)距離在前行列車所在位置，因此這 種情況能獲得列車最小運(yùn)行間隔。磁懸浮列車采用前行車所在閉塞分區(qū)的人日 為目標(biāo)點(diǎn)的速度距離模式控制方式，被稱為準(zhǔn)移動(dòng)閉塞方式。 參考我國(guó)高速鐵路現(xiàn)行的 CTCS

9、 系列列控系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，基于之前論述的磁懸 浮列車列控系統(tǒng)的駕駛功能。磁懸浮列控系統(tǒng)應(yīng)類似 CTCS4 級(jí)系統(tǒng)，完全基于 無(wú)線控制和通信，衛(wèi)星定位，無(wú)須地面信號(hào)設(shè)備；車載列車完整性檢查；實(shí)現(xiàn) 移動(dòng)閉塞，提高運(yùn)輸能力。具體表現(xiàn)為： 1.自動(dòng)懸浮控制功能：通過(guò)自動(dòng)控制與車地感應(yīng)系統(tǒng)保證列車平穩(wěn)正常的 懸浮與運(yùn)行。 2.電力牽引控制功能：由大型電腦控制軌道交變電流的變化，增加精準(zhǔn)度 保證列車獲得穩(wěn)定的前進(jìn)動(dòng)力。 3.電力制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)控制功能：可采用機(jī)械制動(dòng)與電力再生制動(dòng)兩種方 式協(xié)同作用，保證停車距離的同時(shí)達(dá)到節(jié)能的效果。 . . 4.車門控制功能：保證列車?？空臼擒囬T順暢開啟以及在運(yùn)行過(guò)程中與外

10、界環(huán)境隔離。應(yīng)輔以手動(dòng)開關(guān)，以應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。 5.電源控制功能：利用列車移動(dòng)自行發(fā)電，控制車廂內(nèi)各電力設(shè)備正常工 作。包括照明、空調(diào)、換氣等。從而達(dá)到節(jié)省電能的目的 6.輔助設(shè)備控制功能：包括無(wú)線通訊，以及與客戶服務(wù)相關(guān)的功能。 高速鐵路現(xiàn)行的 CTCS4 級(jí)速度防護(hù)系統(tǒng)中，由地面無(wú)線閉塞中心(RBC）和 車載設(shè)備完成列車占用檢測(cè)及完整性檢查，點(diǎn)式信息設(shè)備提供列車用于測(cè)距修 正。其他方式同 CTCS3 級(jí)系統(tǒng)?，F(xiàn)階段適用 300km/h 及以上高速客運(yùn)專線，并 在應(yīng)用中表現(xiàn)良好。 為適應(yīng)磁懸浮列車的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)一系列技術(shù)改造，可將此類無(wú)線移動(dòng)閉塞 方式應(yīng)用到未來(lái)的磁懸浮列車速度防護(hù)中。具體表現(xiàn)為

11、： 1.進(jìn)站保護(hù)功能：參考地鐵采用的制動(dòng)方式，通過(guò)協(xié)調(diào)機(jī)械制動(dòng)與電力再 生制動(dòng)，控制列車進(jìn)站速度和?？课恢?，做到精準(zhǔn)停站。自動(dòng)化為主，人工制 動(dòng)為輔的方式，減小駕駛員工作量，盡可能避免人工失誤，提高列車運(yùn)行舒適 性。 2.曲線限速保護(hù)功能：采用移動(dòng)閉塞方式和曲線限速保護(hù)方式。此類方式 通過(guò)區(qū)段總控制室協(xié)調(diào)各車速度與距離，采用無(wú)線傳輸，最大程度釋放線路運(yùn) 能。 3.超速防護(hù)功能：列車速度防護(hù)系統(tǒng)通過(guò)列車自帶速度檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)獲取 列車運(yùn)行瞬時(shí)速度，并與控制系統(tǒng)發(fā)布的安全速度和區(qū)段頂棚速度相比較。確 保列車在安全速度下運(yùn)行。 4.對(duì)駕駛誤操作自動(dòng)保護(hù)功能：當(dāng)出于突發(fā)事件由自動(dòng)駕駛轉(zhuǎn)為人工駕駛 時(shí)，計(jì)

12、算機(jī)不是停止工作，而是后臺(tái)監(jiān)控人工駕駛操作。一旦出現(xiàn)操作失誤， 計(jì)算機(jī)馬上提示駕駛員更改操作，為列車運(yùn)行增加雙保險(xiǎn)。 . . 3.關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備 3.1 列車定位和測(cè)速技術(shù) 傳統(tǒng)輪軌列車測(cè)量列車速度和位置的方法有兩類，第一類是利用各種軌道 電路進(jìn)行測(cè)速，第二類為非軌道電路列車檢測(cè)法。非軌道電路法包括異頻雷達(dá) 收發(fā)機(jī)、衛(wèi)星定位法，多普勒雷達(dá)測(cè)速等各種軌道電路由于其自身的優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn) 代鐵路中仍是使用最廣泛的一種方式。但它的信息處理能力遠(yuǎn)不如非軌道電路 法，無(wú)法滿足高速列車運(yùn)行對(duì)測(cè)速和定位的要求，所以一些控制系統(tǒng)利用全球 定位系統(tǒng)獲取位置信息，以查詢應(yīng)答器作為絕對(duì)位置參考點(diǎn)進(jìn)行位置校正。 無(wú)論是在高速

13、輪軌鐵路還是磁懸浮交通中，準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的定位測(cè)速對(duì)運(yùn)行安 全都至關(guān)重要。對(duì)磁懸浮交通而言它還是列車驅(qū)動(dòng)的需要，這與磁懸浮列車的 運(yùn)行機(jī)理有關(guān)。磁懸浮列車采用的是長(zhǎng)定子線性同步電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)，驅(qū) 動(dòng)還是制動(dòng)，取決于車上勵(lì)磁相對(duì)于地面線圈產(chǎn)生的電磁回線的極位，當(dāng)?shù)孛?線圈產(chǎn)生的行波相位超前于車上勵(lì)磁時(shí)，列車加速，反之則制動(dòng)。因此要控制 列車運(yùn)行并保證最大的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)力，必須保證定位精確并且連續(xù)，要求定位 誤差小于 12mm。另外，由于變電所僅向列車經(jīng)過(guò)的區(qū)段供電，其供電區(qū)段的開 關(guān)控制也要求高精度連續(xù)的位置檢測(cè)。 在磁懸浮交通中，由于磁懸浮列車與軌道完全無(wú)機(jī)械接觸，無(wú)軌道電路可 以利用，它的定位測(cè)

14、速可以采用非軌道電路法以及根據(jù)磁懸浮特點(diǎn)研究的新的 方法。在德國(guó) TVE 試驗(yàn)線上，采用了定子組齒槽定位和車輛位置增量數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)進(jìn)行定位。 日本高速磁懸浮的測(cè)速定位由測(cè)速定位系統(tǒng)完成，該系統(tǒng)由車載設(shè)備和地 面設(shè)備組成，采用無(wú)線感應(yīng)環(huán)線方式。其原理為:車載設(shè)備中的位置信號(hào)振蕩器 . . 產(chǎn)生高頻振蕩信號(hào)，列車運(yùn)行中通過(guò)車上的矩形線圈向地面矩形感應(yīng)線圈發(fā)送 信號(hào)，在列車經(jīng)過(guò)的地面矩形感應(yīng)線圈中感應(yīng)出高頻信號(hào)，由與地面感應(yīng)線圈 相連的定位器接收處理后測(cè)定列車的位置和速度，然后傳給路邊的控制中心， 而不需第 4 期高速磁懸浮列車運(yùn)行控制與傳統(tǒng)輪軌列車運(yùn)行控制的比較要從車 上將位置速度信息傳到地面這

15、種方式可以實(shí)現(xiàn)位置的連續(xù)測(cè)量，其測(cè)量精度很 高，誤差僅在幾個(gè)毫米。另外采用漏泄同軸電纜作系統(tǒng)的冗余設(shè)備。 3.2 車地間信息傳輸 根據(jù)車地信息交互傳輸技術(shù)方式，可將車地傳輸技術(shù)分成點(diǎn)式交互傳輸和 連續(xù)式交互傳輸兩大類。 點(diǎn)式交互傳輸方式-是指在線路上的若干分散點(diǎn)布設(shè)感應(yīng)設(shè)備，只有通過(guò)點(diǎn) 感應(yīng)設(shè)備時(shí)才能實(shí)現(xiàn)地車信息交互傳送的方式，點(diǎn)式交互傳輸主要技術(shù)-采用感 應(yīng)器（線圈）或應(yīng)答器等設(shè)備的技術(shù)。 連續(xù)式交互傳輸方式-在地面與列車間建立連續(xù)的信息交互傳輸通道，連續(xù) 不斷地及時(shí)進(jìn)行車地間信息交互傳輸，連續(xù)式交互傳輸主要技術(shù)-采用移頻軌道 電路、交叉軌道電纜和無(wú)線通信網(wǎng) GSM-R、泄漏同軸電纜、毫米波

16、等設(shè)備的技 術(shù)。 在輪軌交通中，對(duì)信息傳輸?shù)囊笥幸粋€(gè)發(fā)展的過(guò)程在固定閉塞的情況下， 編碼的軌道電路是列車進(jìn)行中車上與地面信息傳輸?shù)闹饕ǖ?，軌道查詢?yīng)答 器、軌間電纜等作為列車位置參考點(diǎn)為列車提供絕對(duì)位置信息。列車的運(yùn)行權(quán) 限在列車通過(guò)定點(diǎn)位置時(shí)由地面以機(jī)車信號(hào)的形式發(fā)送給列車。在這種情況下 信息傳輸量相對(duì)較小，信息的傳輸屬點(diǎn)式傳輸。而在基于無(wú)線通信的移動(dòng)閉塞 情況下，需要列車將位置和速度信息連續(xù)地傳給無(wú)線閉塞中心(RBC),RBC 再將 運(yùn)行權(quán)限和限速等信息發(fā)送給列車。為了滿足信息傳輸需求并減少路邊設(shè)備和 設(shè)備成本，采用了無(wú)線傳輸為主，查詢應(yīng)答器為絕對(duì)位置參考點(diǎn)的信息傳輸方 式。 無(wú)論輪軌交通還是磁懸浮交通，傳輸?shù)男畔⒋笾驴煞譃閮深?安全信息和 非安全信息。安全信息直接關(guān)系到列車的運(yùn)行安全，因此它的信息的確定和傳 輸一般采用冗余通道來(lái)保證安全.安全信息主要包括列車的位置和速度信息、速 . . 度限制信息、運(yùn)行權(quán)限等，非安全信息包括旅客服務(wù)信息等一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的 自動(dòng)化程度越高，對(duì)信息傳輸?shù)囊笠簿驮礁摺?對(duì)于磁懸浮列車，它的運(yùn)行