组合列车运行控制方法及运行控制系统

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组合列车运行控制方法及运行控制系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及组合列车多机车运输技术领域，特别是指一种组合列车运行控制方法和满足该方法的运行控制系统。\n背景技术\n[0002] 在重载运输常会发生机车牵引力不足的问题，需要在列车编组中增加机车数量，由两台或多台机车同时牵引，称为组合列车多机车重载运输，其中增加的机车称为从控机车。组合列车有多种编组方式，无论如何编组，各机车间都必须相互配合、协同操控。目前，一些国家和线路采用美国GE公司的Locotrol系统。Locotrol系统是一种同步控制系统，其功能是在列车运行时采集头部机车的司机手柄位置或牵引调压器位置和制动机状态，将其传给后部机车，使其与头部机车保持相同的操纵位置。当异步操纵时，则为司机手动控制，Locotrol系统不采集司机手柄位置或牵引调压器位置和制动机状态，由头部机车的司机发出要求后部机车执行的操纵方式。对司机的劳动强度和操作水平要求过高。\n[0003] Locotrol系统成功应用的区域主要是在北美、南非和澳大利亚，线路为平原和丘陵地带，列车运行状态和线路运行条件变化缓慢，运行模式相对固定，对列车动力学特性的要求不高，系统控制实时性要求相对较低。\n[0004] 但是，对于线路恶劣，如多建在山区的小区率半径的弯道和坡度变化较大的山区线路，如我国大秦线路，或运营密度较大的线路，对运行间隔要求比较苛刻，或频繁采用制动调速时，都会导致列车运行状态和运行条件经常变化，如果重载运输列车的多个机车采用同步控制，则会由于列车头部机车所处工况与后部机车所处工况不同，导致头部机车发出的同步控制信号不适用于后部机车而发生事故。\n发明内容\n[0005] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种组合列车运行控制方法和满足该方法的运行控制系统，以实现对各个机车的异步协同操作。\n[0006] 本发明提供的组合列车运行控制方法，包括：\n[0007] A、主控机车的控制设备实时采集主控机车工况信息并生成控制指令提供给从控机车的控制设备；\n[0008] B、从控机车的控制设备实时采集列车制动情况以判断主控机车运行状态以及从控机车自身工况信息；\n[0009] C、从控机车的控制设备根据所述主控机车工况信息、控制指令、运行状态，以及从控机车自身工况信息控制其运行状态。\n[0010] 其中，步骤A所述工况信息包括至少以下之一：主控机车获得的轨道电路信息、点式应答器提供的位置信息、机车上的传感器所检测的机车信息、车速信息、司机对机车的牵引和制动所作的操纵信息。\n[0011] 其中，步骤B所述主控机车运行状态包括：制动、切除动力、缓解和列车制动系统保压值。\n[0012] 其中，步骤C所述从控机车自身工况信息包括：所述从控机车位于所述组合列车中的位置、组合列车长度、牵引定数、组合列车编组方式、该从控机车当前位置的线路信息、该从控机车的当前运行状态。\n[0013] 其中，步骤C包括子步骤：从控机车的控制设备根据所述主控机车工况信息、运行状态，以及从控机车自身工况信息计算出该从控机车应采用的控车方式；根据计算出的信息控制从控机车的运行状态。\n[0014] 其中，步骤C后进一步包括：实时采集从控机车工况信息和运行状态提供给主控机车；主控机车根据从控机车的工况信息和运行状态调整列车的运行状态，发出新的控制命令。\n[0015] 本发明提供的满足该控制方法的组合列车运行控制系统，包括设置在主控机车和从控机车上的控制设备；其中，所述控制设备包括：控制单元、与控制单元相连的机车设备、通讯单元和制动单元、工况信息采集单元，其中：\n[0016] 所述各个机车的制动单元通过列车制动管连接，用于从控机车控制单元获取主控机车制动单元的制动、切除动力、缓解和列车制动系统保压值；\n[0017] 通讯单元用于主控机车与从控机车的控制设备之间传输控制命令和工况信息；\n[0018] 工况信息采集单元用于采集机车的工况信息；\n[0019] 控制单元用于对其他各个单元的执行进行控制，以及生成控制指令。\n[0020] 可选的，所述工况采集单元包括至少以下之一：轨道电路接收单元、点式应答器信息接收单元、列车状况传感信息处理单元、速度信息采集单元。\n[0021] 其中，所述通讯单元包括以下至少之一：数传电台、GSM-R接收和发送模块。\n[0022] 可选的，还包括记录单元，与控制单元相连，用于实时记录控制单元采集的工况信息和/和运行状态。\n[0023] 可选的，还包括人机接口单元，与控制单元相连，用于提供列车数据和其他相关运行数据的输入和向司机以及系统维修人员提供必要的系统运行状态显示信息。\n[0024] 可选的，还设置有机车状态控制驱动和采集系统，用于控制单元对机车设备的控制和对机车设备电路的工况信息的采集。\n[0025] 由上可以看出，本发明可以实现组合列车多机车重载运输的各个机车的异步协调控制，既在列车运行同步条件下各牵引点的机车有限制的根据自身的状态和所处线路条件对自身的运行控制给与有限的分散自律，以降低列车的纵向冲动，修正列车的动力学特性，满足机车和车辆的机械特性，保障行车安全。本发明尤其适用于线路恶劣，如多建在山区的小区率半径的弯道和坡度变化较大的山区线路，或运营密度较大的线路。\n附图说明\n[0026] 图1为组合列车运行控制系统示意图；\n[0027] 图2为主控机车控制系统的原理图；\n[0028] 图3为组合列车运行控制方法的流程图；\n[0029] 图4为坡度工况下组合列车控制示意图；\n[0030] 图5为制动下组合列车控制示意图；\n[0031] 图6为点式应答器下的组合列车控制示意图。\n具体实施方式\n[0032] 本发明的组合列车运行控制采用了分散自律的集散控制技术，其基本原理是：主控机车设备负责采集司机操纵及机车工况，然后发送给后面的从控机车设备；从控机车设备通过列车制动管感知主控机车列车制动信息，并结合已经接收的主控机车设备发送过来的信息、从控机车当前的工况和所处线路点的信息利用有限制的分散自律原则确定自身相应的动作以配合主控机车。并且从控机车还将其动作信息反馈给主控机车设备，以便于通过主控机车设备的监控和必要的调整。\n[0033] 图1示出了本发明组合列车运行控制系统，如图1所示，本发明组合列车运行控制系统的主控机车和从控机车上均设置有控制设备。各个控制设备包括控制单元11，与控制单元11相连的机车设备12、工况信息采集单元13、通讯单元14和制动单元15，各个机车的制动单元15通过列车制动管相连接。\n[0034] 图2示出了主控机车控制系统的原理图，参照该图对机车上的控制设备进一步详细说明：\n[0035] 工况信息采集单元13用于将当前机车的工况信息进行采集，这里的工况信息主要指的是机车当前各个检测器所获得的信息，这些信息包括轨道电路信号、位置信息、列车传感器所检测的列车信息、车速等信息。该工况信息采集单元13可以包括以下单元：\n[0036] 包含感应线圈的轨道电路接收单元131，通过感应的方式实时接收轨道的状况信息；包含点式应答器的点式信息接收单元132，通过配合轨道上设置的点式发射器来确定机车当前的位置信息；列车信息检测单元133，包含设置在列车不同部位上的若干传感器，用于检测列车不同部位的各个状况；速度信息采集单元134，例如为脉冲式速度传感器，以检测采集机车当前运行速度。\n[0037] 通讯单元14用于实现各个机车的工况信息、指令信息在主控机车的控制单元11与从控机车控制单元11之间的信息传输。通讯单元14可以采用数传电台141进行电台无线通信，或/和采用GSM-R接收发送模块142进行GSM-R网络通信。其中，通讯单元14可以采用双通道双备份的方式，即采用主备双套电台的同时，采用主备双套GSM-R通讯，两种方式可以相互校验、备用和互补，以保证通信的正常。\n[0038] 控制单元11用于对采集到的机车工况信息进行处理，以及实时生成控制命令送达各单元执行，以及协同其他各单元间的通信。通过各个机车控制单元11之间的通信和协同处理，可以实现各机车之间的协同操纵，保证列车安全、平稳运行。控制单元11是整个系统的核心部分，可以采用三取二的高可靠容错计算机来完成。\n[0039] 具体来说，主控机车的控制单元11主要根据工况信息采集单元13采集的工况信息控制主控机车的机车设备12的运行和制动单元15的动作，并将其所采集的主控机车的工况信息及所生成的控制指令通过通讯单元14发送给各个从控机车。各个从控机车的控制设备根据通过通讯单元14接收的主控机车工况信息、控制指令、以及通过制动单元15感知的主控机车的制动信息，结合其自身的工况信息去控制其机车设备12的运行。\n[0040] 其中，控制单元11在控制主控机车的机车设备12的运行和制动单元15的动作时，可以通过机车状态控制驱动和采集系统来实现控制单元11对机车设备12的控制和对机车设备12电路的工况信息的采集。机车状态控制驱动和采集系统是I/O控制器，除了具备常规I/O控制器的逻辑和数学计算功能，对输入信号进行扫描并按特定逻辑驱动现场控制元件，数字通信功能。通过机车状态控制驱动和采集系统执行整个联锁系统的控制与采样部分，直接与控制对象--机车相关。\n[0041] 主控机车和各个从控机车的制动单元15通过列车制动管相连，这样，各个从控机车便可以实时的通过列车制动管获知主控机车制动单元15的制动、缓解、保压等运动状态。其中，制动单元15可以采用空气制动机，如型号为DK1或JZ7的空气制动机，制动机内装有压力传感器，用于检测列车制动管内压力和波速的变化，以实现从控机车可以及时检测跟踪前部机车减压量，便于有效的配合主控机车进行制动。\n[0042] 控制设备还可以包括记录单元和人机接口单元，与控制单元11相连，记录单元用于记录控制单元11采集的工况信息和/和运行状态，人机接口单元用于提供人机对话，便于用户控制。\n[0043] 通过上述的组合列车运行控制系统，可以实现各个机车的协同操纵，使得从控机车根据主控机车的工况信息、运行状态及本身工况信息确定其操作，保证整列车的平稳运行。下面参见图3示出的控制方法的流程图，对本发明组合列车运行控制的实现方法进行详细说明，包括以下步骤：\n[0044] 步骤31：主控机车的控制设备实时采集主控机车工况信息，生成控制指令将工况信息和生成的指令通过通讯单元14传输给从控机车的控制设备。\n[0045] 其中，可以通过主控机车的工况信息采集单元13来采集工况信息。例如，可以通过感应的方式实时采集轨道的状况信息；由点式应答器配合轨道上设置的点式发射器来采集机车当前的位置信息；通过设置在列车不同部位上的若干传感器采集列车不同部位的状况信息；通过脉冲式速度传感器采集机车当前运行速度等。\n[0046] 步骤32：从控机车的控制设备采集主控机车制动情况判断主控机车当前所处的运行状态，如制动、缓解、保压状态。\n[0047] 其中，各个机车制动单元15通过列车制动管相连，因此控制设备的制动单元15可以实时的通过列车制动管采集到主控机车、以及前部机车的制动状态，具体来说，制动单元\n15中的压力传感器通过检测列车制动管内压力和波速的变化来检测跟踪前部机车减压量。\n[0048] 步骤33：从控机车的控制设备根据所述主控机车工况信息、控制指令、运行状态，以及从控机车自身工况信息计算出该从控机车应采用的控车方式；然后，根据计算出的信息控制从控机车的运行状态。\n[0049] 其中，这里描述的从控机车自身工况信息除了与主机检测的工况信息相同的内容，如从控机车当前位置信息、轨道电路信息外，还包括从控机车位于所述组合列车中的位置、组合列车长度，该机车负载(货物重量)是否故障等信息。关于该步骤中具体如何去控制从控机车，将在后文以实施例进行描述。\n[0050] 步骤34：实时采集从控机车工况信息和运行状态通过通讯单元14提供给主控机车；主控机车根据从控机车的工况信息和运行状态调整其运行状态。\n[0051] 其中，从控机车对工况信息和运行状态的采集可以参见上述步骤，此处不再赘述。\n本步骤将从控机车的工况信息和运行状态反馈给主控机车，是采用闭环控制的方式，使主控机车了解全列车的工作情况，以进行后续操作的修正。其中，为了使主控机车识别反馈信息的发送方，可以在反馈信息中加入发送方机车的标示信息。\n[0052] 下面以图4示出的坡度工况下组合列车控制示意图，对步骤33中控制从控机车的步骤进行描述：\n[0053] 对于多机牵引的重载列车，由于其自身的长度及线路的地理条件限制，列车会处于起伏路段或作曲线运行。当列车在不同坡度的线路上运行时，为了保证列车的正常运行，各个机车需处在不同操纵工况下工作才能使列车的各部分受力均匀，需要根据不同机车所在不同地形条件，根据列车动力学要求采用有限制的分散自律的原则对各牵引点的机车采用不同的机车操纵方法分别控制主控机车及被控机车的工况，包括：当从控机车接收到控制指令后，根据指令内容(如减速、加速、制动、启动)，列车所在的运行区段，本机车与相邻机车的位置关系及列车长度，计算得到在这种情况下列车松旷运动的传递速度，并计算出本机车的最佳控制时机(如减速、加速、制动、启动所延迟的时机)和控车方式去控制该机车。从图4分析这样控制的好处是：当列车启动时由于车钩间隙的影响，位于中部牵引点的机车除承受列车后部车体的拉伸力外，同时还承受前部车体的挤压力；而当前部列车的车钩间隙全部拉开时，机车将只承受后部列车的拉伸力(即牵引力)。因此在启动时位于后面各牵引点的机车将依次滞后前面机车一段时间再采取控制措施，有利于消除列车的松旷运动，同时也使机车和车辆的机械结构得到保护。\n[0054] 下面再以图5制动工况下组合列车控制示意图为例，对步骤33中控制从控机车的步骤进行描述。\n[0055] 列车在制动时，由于列车长度的影响，制动波速由列车前部传至中部机车需一定时间，在这段时间内制动波速未达到的车体依靠本身的惯性在压缩车钩间隙的同时对前面机车与已制动的车体产生推力，此时中部机车若不实施制动措施，则由于机车质量远大于车体，将使中部机车的降速过程比前后车体要长；产生的推力也比车体大，在中部机车前后产生冲撞与拖拽作用，振荡次数为2～3个周期，对机车与车体造成损害同时延长全列车的制动时间。在列车制动时，应控制中部机车在制动波速传递至中部机车前第10～20位车体时实施制动，当中部机车制动过程完成时，列车制动波速刚好通过中部机车向后传送。消除了机车的微分与积分效应，使机车的制动作用与列车一致。使列车制动性能得到改善，同时由于中部机车的作用加快了制动波速的传递过程，使列车制动距离大大缩短，提高了行车的安全性与可靠性。可以由制动机中装有压力传感器，检测减压量的变化，当司机进行制动，主控机车设备12检测后将制动指令发送给从控机车，从控机车根据给定的减压量，采用闭环控制，保证后部列车及时跟踪前部列车减压量。\n[0056] 同样的，对于制动后的减压调速的缓解过程中，也应控制中部机车的缓解时机，使中部机车在前部列车因制动而压缩的车钩间隙未完全拉开前实施缓解，使列车缓解的拉伸过程在中部机车前后实现平滑过渡。同时进行协助充风，加速后半部列车的缓解；缩短列车制动管压力的回升时间，为列车再制动作准备。\n[0057] 最后，再以图6示出的利用点式应答器提供的定位信息，实现组合列车自动过分相功能控制过程为例，对本发明控制方法进行举例说明：\n[0058] 本例中，在分相绝缘前一定的距离内，安放三个点式应答器，在各个机车通过第一个点式应答器的时候，其控制设备检测到应答器信息则开始计算距离，当通过第二个点式应答器的时候，则开始计算距离的校验，当通过第三个点式应答器的时候，进行自动操作来通过分相绝缘。下面具体说明各个机车的协同操作的情况：\n[0059] 当主控机车判断其工况信息为通过分相绝缘的时候，根据点式应答器的位置、距离以及控制设备计算的距离，只切除主控机车的动力，使得主控机车依靠惯性运动，平稳通过分相绝缘；而其他从控机车依然有动力。\n[0060] 当从控机车判断其工况信息为通过分相绝缘时，也根据点式应答器的位置、距离以及控制设备计算的距离，只切除从控机车自身的动力，而其他从控机车和主控机车依然有动力。\n[0061] 这就使得在同一时刻，只有一台机车切除动力，对整个列车的运行影响较小。同时只要当机车自身通过了分相绝缘，就可以恢复动力，大大减小了其依靠列车自身惯性运动的距离，对列车运行的速度影响也很小。\n[0062] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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保护范围之内。