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车辆安全防撞系统及其工作原理

时间:2023-08-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:车辆安全防撞系统主要由三部分组成:防护终端、主机和数据库。ZC是负责被指定区间内的列车间隔防护的子系统。在此区间内,防护所有设备或通信中断的列车间可能发生的任何碰撞。自动防护实际上是列车周围的屏蔽,即其他列车或轨道车辆不能进入另一个移动或静态列车的自动防护范围内。

车辆安全防撞系统及其工作原理

1.辅助防撞技术研究

车辆安全防撞系统是车辆在安全高效运行的重要保证,因此车辆安全防撞系统至关重要。地铁中ATP(Automatic Train Protection)系统不能对出入库时的列车进行防护,而有轨电车没有ATP系统。车辆安全防撞系统主要由三部分组成:防护终端、主机和数据库

地铁车辆安全防撞系统独立于ATP系统,通过后车发送调制脉冲(包括声波或无线射频信号),经前车反射回来,后车接收前车反射波,并计算发射到接收的时间差,通过计算公式自动估算出两车之间的相对距离,如图5-18所示。当计算距离小于设置的安全距离时,防撞系统将向司机室报警。地铁车辆防撞示意图如图5-19所示。

图5-18 辅助防撞原理示意图

图5-19 地铁车辆防撞示意图

地铁车辆安全防撞系统设备包括:测距主机、车载显示终端和后台服务器(数据存储)。

2.ATP系统

ATP系统是确保列车运行速度不超过目标速度的安全控制系统,起到确保列车安全运行,实现超速防护的作用。该系统通过设于轨旁的ATP地面设备,连续地向列车传送“目标速度”或“目标距离”等信息,以保持后续列车与先行列车之间的安全间隔距离,并监督列车车门和站台屏蔽门的开启和关闭的程序控制,确保它们的安全操作。

ATP系统始终严密监视不可超越的“目标速度”是以下四类速度限制:

(1)列车位置、停车点、联锁条件等的列车最大允许运行速度;

(2)取决于线路参数的区间最大允许速度;

(3)取决于列车的物理特性的列车最大允许速度;

(4)取决于随机事件的临时性速度限制。

一旦超过某一速度限制,先提出警告,后启动紧急制动。

1)基于车-地通信的传统ATP系统

传统的ATP系统基于车-地通信,其设备包括轨旁ATP设备和车载ATP设备。而轨旁ATP设备有安装在室内和轨道上两种安装位置。ATP系统设备如图5-20所示。

图5-20 ATP系统设备

安装在室内的ATP设备主要包括:

(1)区域控制器(ZC),是轨旁ATC的重要组成部分,它与联锁系统相连,为ATC控制列车提供了轨旁变量信息;

(2)线路控制器(LC),是轨旁ATC的组成部分之一,它负责管理临时速度限制和ATC软件的版本;

(3)欧式编码器(LEU),在后备模式下,LEU从联锁系统提取轨旁信息,再将信息编码后传给安装在轨旁的信标,从而使经过的车辆能够读取这些信息。

安装在轨道上的轨旁ATP设备主要是信标,一般是装有固定报文的应答器,用于列车自定位

安装在列车上的车载ATP设备主要包括:

(1)车载控制器(CC),是车载ATC的核心部分,主要由核心编码处理器和输入输出模块组成,它们分别负责信息的安全处理和安全输入输出;

(2)司机显示单元(DMI),供司机查看列车相关状态信息;

(3)编码里程计:用于测量列车位移,推算速度和加速度;

(4)信标天线:用于接收信标信号。

在正常情况下,CC利用信标和编码里程计进行定位,通过无线通信向ZC报告位置、获取限速信息。当ZC故障或无线通信中断时,可以进入后备模式,利用LEU将控制信息通过有源应答器传递给CC。轨旁设备结构如图5-21所示。

图5-21 轨旁设备结构

列车定位由编码里程计的位移数据和信标定位数据共同计算得到。

连接在车轴的编码里程计负责测量位移。为执行这项工作,编码里程计的计齿设备里有一个编码圆盘通过机械轴与车轴相连,能与车轴同步转动(图5-22)。编码圆盘上有连续的数圈小孔,通过光电耦合管读取编码盘,编码盘上的小孔将会产生电脉冲,对脉冲数进行计数,即可获得车轮转过的角位移,编码里程计电路结构示意图如图5-23所示。结合车辆的轮径和车辆角位移,编码里程计就可以计算列车位移并推算速度与角速度。编码里程计产生的数据由于受到多个传感器组合的保护,所以是安全的。若组合不正确,传感器检测为故障,CC则会失去定位,但因为备用ATP设备能无扰及时切换,故不影响列车运动。编码里程计发送计齿器计数信息和传感器信息的组合,计齿设备用于测量位移。

图5-22 编码里程计机械结构示意图(www.xing528.com)

图5-23 编码里程计电路结构示意图

CC计算机通过读取沿线的信标,计算其位置。当列车通过一个信标时,CC通过捕获轨道沿线的信标名和位置,计算其在轨道上的位置,并将其报告给ZC。车载ATP在每个周期中估计其在最小位置和最大位置之间的安全定位,而最小位置和最大位置通过测量到上一个信标的位移得到。

列车的实际位置总是保证在这两个位置之间。最小位置和最大位置之差称为定位误差。随着列车的移动,定位误差也随之增加,当检测到某个车轴发生空转或打滑时,ATP增加更多的误差以确保列车实际位置依然在ATP最小位置和ATP最大位置之间。这些最小和最大定位测量结果被发送给ZC,用于计算自动防护点。图5-24为列车定位原理。

列车防护是基于CC每隔600ms给ZC发送定位报告,ZC根据接收的列车位置信息来建立自动防护,CC负责根据ZC给出的安全限制控制列车运行。

CC向ZC发送的定位报告的主要信息为列车的最大和最小定位位置、速度、列车数量及其相应的时间标记和时效性。这些消息是防护原理的基础,因此使用变结构拥塞控制协议(Variable Structure Congestion Protocol,VCP)对其进行保护。对于无线DCS网络,使用了48位循环冗余校验,保证误码率低于2-40,双时间戳保证其有效性。

ZC是负责被指定区间内的列车间隔防护的子系统。在此区间内,防护所有设备或通信中断的列车间可能发生的任何碰撞。ZC为区域内每辆列车分配一个称为“自动防护”的安全范围,计算得到每个自动防护在线路上的位置,然后根据相邻自动防护的位置,计算每列列车的移动授权(Movement Authority,MA)限制,从而使列车之间可以相互提供防护。自动防护实际上是列车周围的屏蔽,即其他列车或轨道车辆不能进入另一个移动或静态列车的自动防护范围内。

图5-24 列车定位原理

ZC根据每个自动防护的位置和联锁机发送的轨旁设备状态向每列列车提供一个权限,该权限是根据相邻自动防护的位置计算出来的。被称为“授权终点(EOA)”的消息作为对位置报告的响应,发送给每辆列车。此消息包括列车不能通过的限制点,还包括有关道岔位置或信号机状态等方面的变量消息。图5-25为列车防护原理。

综上,传统的ATP系统的列车运行数据主要由地面安全设备产生(图5-26),车地之间通信要进行大量的数据交互,且数据的实时性也不高,故会影响列车的运行效率。另外,当线路上存在非通信车时,后方列车要根据计轴状态运行,这就极大地增加了列车追踪间隔。

图5-25 列车防护原理

2)基于车-车通信的ATP系统

若基于自律分散系统思想对传统ATP系统进行改进,可以将其改进为基于车-车通信的移动闭塞控制系统。系统架构上,将区域控制器(ZC)、计算机联锁(CI)合并到车载控制器(CC)中,轨旁仅设置控制轨旁设备的对象控制器(OC),列车通过前后车直接通信的方式来获取前车位置、运行速度等信息,并自行计算列车移动授权,从而控制列车的运行。该系统在大大降低轨旁设备的建设和维护成本的同时,提高了列车运行效率。

图5-26 传统ATP系统

在基于车-车通信的列车进入正线运行后,根据列车当前位置,确定需要建立通信的OC。随后列车与该OC通信,获取列车需要建立通信的OC的管辖范围内的所有列车的列车标识。分别与每个列车标识所对应的列车进行通信,获得每个列车标识所对应的列车的当前运行信息,从而识别出本列车(以下简称本车)的前方通信邻车。本车根据自身的当前位置信息和前方通信邻车的当前位置信息、运行速度信息,计算本车的当前MA。

对象控制器(OC)是基于车-车通信的列车超速防护系统中的线路资源控制管理设备,用于对线路资源进行分配、保存及更新等。OC通过与轨旁设备(道岔转辙机、计轴、紧急停车按钮等)交互,实时获取线路资源的状态信息,如计轴区段占用状态、道岔状态、紧急停车按钮信息和区段信息等。列车在进入OC的管辖范围时,需要与对应的OC建立通信,向OC汇报列车进入OC的管辖范围,将列车的标识(ID)等信息汇报给OC,OC保存其管辖范围内的所有通信列车的列车ID列表。

列车在运行时,首先要通过与OC通信来获取其他列车的ID,如图5-27所示。

图5-27 列车与OC进行通信

需要注意的是,若本车的当前位置与本车运行前方的下一OC的距离大于设定距离L,则本车需要建立通信的OC无须包括下一OC。若本车的当前位置与本车运行前方的下一OC的距离不大于设定距离L,则本车需要建立通信的OC包括下一OC,这样可以确保列车与OC不会失去联系。

随后列车通过OC获取列车需要建立通信的所有列车的列车标识。分别与每个列车标识所对应的列车进行通信,获得每个列车标识所对应的列车的当前运行信息,以此识别出本车的前方通信邻车。

在识别出列车的前方通信邻车后,列车即可根据本车的当前位置信息和前方通信邻车的当前位置信息,完成本车当前MA的计算,为本车对其前方通信邻车的追踪运行提供数据基础。

计算本车的当前MA时,若本车的车头与前方通信邻车的车尾之间的距离大于预设的MA最大值,则本车按单车区间运行计算本车的MA。若本车的车头与前方通信邻车的车尾之间的距离小于MA最大值,则本车的MA终点为本车运行前方距离前方通信邻车的车尾预设的安全防护距离处,如图5-28所示。

图5-28 列车安全防护距离

若本车与本车需要建立通信的OC通信后,得知本车运行前方无其他列车,即在本车的当前运行方向,本车为当前所在OC管辖范围内运行在最前方的列车。此时,本车可以根据列车运行线路上的轨旁设备(计轴器、轨道电路等)来确定本车的当前MA。

3.车辆云共享与故障挖掘系统

车辆云共享与故障挖掘系统能够有效提高列车的安全性,该系统分为两部分:数据采集存储模块和无线传输网络共享模块。其中,数据采集存储模块直接与车载控制器(Vehicle On-Board Controller,VOBC)相连,实时采集并存储诊断数据;无线传输网络共享模块可根据需求将指定列车的VOBC诊断数据通过无线链路实时传输至服务器,实现网络共享。

通过对VOBC系统架构及诊断数据记录共享需求的分析,VOBC诊断数据实时记录共享系统具备以下功能:

(1)通过与VOBC系统的通信,完整、可靠地获取VOBC诊断数据;

(2)具备大容量数据存储功能,可完整存储一个运营维护周期内的VOBC诊断数据;

(3)具备无线通信与网络共享功能,可实时获取在线运营列车的诊断数据;

(4)不影响VOBC现有功能,尽可能地减少对现有设备的干扰。

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