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1、现代有轨电车新型车载运行控制系统原理样机的研制 北京交通大学硕士学位论文现代有轨电车新型车载运行控制系统原理样机的研制姓名:原志彬申请学位级别:硕士专业:交通信息工程及控制指导教师:徐洪泽201112中文摘要摘要:能源危机、环境污染、交通拥堵等已成为世界各国所面临的共同问题。轨道交通作为一种运量大、速度快、绿色节能的公共交通方式,成为解决城市问题的最佳选择。与地铁、轻轨相比,现代有轨电车具有运营成本低、建设周期短等特点,特别适用于解决中小城市的交通拥堵问题,具有广阔的发展前景。运行控制系统是现代有轨电车系统的核一之一,完成对列车的运行指挥、安全防护和调度管理。目前,现代有轨电车运行控制系统的研
2、究还处于起步阶段,尚未形成统一的标准。因此,研究现代有轨电车运行控制系统具有重要的意义。本文从现代有轨电车的业务流程出发,分析了车载运行控制系统的功能需求,并提出了自动驾驶系统和自动防护系统的一体化设计方案,在此基础上,研制了车载运行控制系统的原理样机。论文的主要内容如下:第一,分析了现代有轨电车的业务流程,在此基础上,完成了车载运行控制系统的功能需求分析。第二,提出了自动驾驶系统和自动防护系统的一体化设计方案,完成了车载运行控制系统的功能分解,设计了车载运行控制系统与轨旁运行控制系统和车载设备之间的接口。第三,基于和操作系统研制了车载运行控制系统功能软件,主要包括定位模块、防护曲线计算模块、
3、驾驶曲线计算模块、安全防护模块和速度调节模块;基于机和操作系统开发了人机交互软件,主要包括信息显示模块和操作模块。第四,基于内置协议栈的无线微控制器研制了车地无线通信单元,完成了硬件电路板的设计、调试和嵌入式无线通信软件的开发。最后,搭建了车载运行控制子系统,在此基础上,联合轨旁运行控制子系统、中央运行控制子系统,并基于环境仿真系统完成了现代有轨电车的系统联调,调试结果表明新型车载运控子系统满足现代有轨电车的功能需求。关键词:现代有轨电车;运行控制;车载子系统;原理样机分类号:.: , . , , .,. , ,., . . ,.,. .: , ,.,. , . ? ;. ,. ., .:;
4、; ;.:.致谢本论文的工作是在我的导师徐洪泽教授的悉心指导下完成的,徐洪泽教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来徐洪泽老师对我的关心和指导。仲维锋、岳强、张文静、杨光等老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见,在此表示衷心的感谢。在实验室工作及撰写论文期问,周鹏师兄、郭廓、马亮、吴成元、马作泽等同学以及罗强、张伟星、段宏伟等师弟对我论文中的研究工作给予了热情帮助,在此向他们表达我的感激之情。另外也感谢家人,他们的理解和支持伎我能够在学校专心完成我的学业。引言.课题研究背景随着世界经济的发展,以汽车为主导的交通模式所带来的问题日显严重,能源危机、环
5、境污染、土地紧缺、交通拥堵等问题,迫使世界各国重新将大容量的轨道交通作为城市公共交通发展的重点?。但是由于地铁初期投资大、运营效益低、成本回收周期长等原因,一些中小城市无法承受其巨额的投资压力,迫使其去寻求一种更加经济的交通方式,现代有轨电车应运而生【。现代有轨电车是一种在传统有轨电车基础上全面改造升级的先进公共交通方式,具有绿色环保、舒适型强、运能高、投资较低等特点,在全球诸多国家中得到广泛的应用【。目前在我国国内,现代有轨电车的发展还处于起步阶段,只在上海、天津开通了现代有轨电车线路。但是,随着我国城市化进程的加快,城市化引发的交通拥堵问题目益加剧,现代有轨电车系统凭借其在公共交通领域的独
6、特优势,必将成为城市轨道交通的重要系统之,具有广阔的发展前景。运行控制系统作为现代有轨电车系统的重要组成部分,刘现代有轨电车起着运行控制和安全防护的作用,是保证列车安全、高效运行的关键,而车载运行控制系统是保障列车安全运行的最后道屏障,因此研究高效可靠的车载运行控制系统具有十分重大的意义。.研究及应用现状.现代有轨电车研究现状年巴黎北郊.星城圣德里诺通到西郊金融商业区拉台芳斯现代有轨电车线路的开通,掀起了现代有轨电车的回潮】。在近年中,现代有轨电车取得了较快的发展,阿尔斯通、庞巴迪、西门子、劳尔等公司相继推出了自己的现代有轨电车。与传统有轨电车相比,现代有轨电车在车辆性能、舒适度和环保方面都有
7、了极大的提高,主要表现在以下几个方面:车辆性能显著提高。现代有轨电车目前普遍采用交流传动技术,使列车运行的平稳性极大提高,曲线通过性能得到优化,车辆行驶过程中产生的噪声极大的降低【。运输能力强。现代有轨电车运能一般可达万人次/小时,比公交车的运:世 塞 盆 熊 厶 堂 亟 堂 位 迨 塞 皇 矗能高出一倍以上,而且有轨电车可根据客流的改变进行灵活编组,极大的提高了运输效率。舒适新颖。现代有轨电年采用了交流传动和微机控制制动技术,其平稳性和舒适性明显优于公交汽车,与地铁车辆相当。而且现代有轨电车采用低地板结构设计,使乘客的上。车变得极为方便。绿色环保。于现代有轨电车采用电力驱动和大量的噪音降低措
8、施,使现代有轨包车对爿:境造成的影响大大。供电方式的多样性。现代有轨电车除了采用原有高架线的供电,还可以采用第三轨和蓄电池供电,彳仅提高了现代有轨电车的适用范围,而且减少了对城市景观的影响。/日对低廉的造价。由于现代有轨电车对车站和线路的要求不高,车站无需昂贵的环控设备,机动性强,基本建设投资小,其造价费用仅为地铁的/,轻轨的/。,根拂:运行系统同,现代有轨电车主要分为两类:以阿尔斯通公司的系列为代表的钢轮钢轨式现代有轨电年,如图?所示;以劳尔公亩的为代表的胶轮导轨式两科制式,如图.所示,一:者的区别二立要表现在以。个方面:图? 铡轮钢轨式现代年轨电印 幽.胶轮导现代肖轨乍 ?钢轮钢轨式有轨/
9、:在地而的两条型钢轨既承担钢轮的重量,又对钢轮起导向限捌作:胶轮导轨式现代有轨电车轨道?类似道路的行:/道和条引导乍辆运行的特殊导轨组成,橡胶轮胎刚来承担乍身的重量,导轨川来限制引导车辆运行的运行。铡轮钢轨式受转向架、铡轮钏轨摩擦性能限制,在爬坡、转弯、加速、战速方内,邑胶轮寸.耖式。仑导轨式要低。钏轮钏轨弋仃轨巳乍技术比较成熟,列一二成木匕 立 童 塑 态 堂 亟 堂 焦 途 塞 里 查.现代有轨电车运行控制系统现状目前,国内外对于现代有轨电车的研究还处于起步阶段,研究的重点的主要集中在车辆、授电方式、制动系统和牵引系统等方面,而对运行控制系统的研究几乎处于空白。与地铁、轻轨相似,现代有轨电
10、车系统由车辆系统、线路系统、牵引供电系统和运行控制系统组成。运行控制系统是现代有轨电车系统的核心,用于完成对现代有轨电车的运行指挥和安全防护,其可靠性和安全性直接关系到现代有轨电车的可靠性和安全性。相对于现代有轨电车运行控制系统,地铁、轻轨等轨道交通的列车运行控制系统已经取得了长足的发展,是一种经过验证的成熟、可靠的运行控制系统,尤其以,基于通信的列车运行控制系统列车运行控制系统最为突出。鉴于城市轨道交通系统在组成上的相似性,可以借鉴系统的结构设计和功能设计,为研究现代有轨电车运行控制系统提供技术支持。系统基于连续可靠的车地双向信息传输,借助于高精度的列车定位技术,采用移动闭塞的方式控制列车运
11、行,保证行车安全。目前,国内外多家厂商都有了相对成熟的列车系统产品,均基于中的典型系统结构所设计【】【】,如图所示。列车自动监督系统?。一。一?百?.、.一?一一一?土?联锁系统卜一 区域控制器.相邻区域控制器,一?一?。 一?奉? 王 。相邻联锁一系统一数据通信系统一?一?车载自黎防护系一一列车自黎驾驶系?望?列年子系统典型系统结构图所示,系统由列车自动监督系统、区域控制器、车载自动防护系统、列车自动驾驶系统、联锁系统和数据通信系统组成。但是将系统的各个子系统进行分层归类,不难发现其由中央、轨旁和车载三部分组成。中央子系统包括系统,其主要完成时刻表的编辑,列车运营时刻表调整,进路自动排列,列
12、车运行状态实时追踪及显示,线路信息管理和显示等,并提供人机交互界面接口。轨旁子系统由、和室外信号设备组成。其中子系统负责执行下发的进路命令,轨旁设备状态的采集,信号机、道岔、屏蔽门等设备的状态控制,等,为和提供线路状态信息;子系统根据提供的轨旁设备状态信息、进路信息及列车的位置信息为区域内所有列车计算移动授权,同时向转发列车的状态信息,向列车传送的运行调整指令,对区域内室外信号设备状态进行监控。车载子系统由和组成,其中子系统根据子系统提供的移动授权、轨旁设备状态信息、线路信息、临时限速等信息,为列车计算安全防护曲线,并依据该曲线监控列车运行,同时还对列车的其它状态进行监督;子系统根据安全防护曲
13、线、列车运行时刻表等信息为列车计算本次运行的牵引特性曲线,自动指挥列车运行。现代有轨电车起步较晚,目前还未形成统一制式的运行控制系统标准,只有西门子、阿尔斯通、泰雷兹、劳尔等少数几个公司推出了自己的现代有轨电车系统。这里以我国上海张江开通的现代有轨电车运行控制系统为例进行说咧,其具体结构如图所示。嗵示终臭黪国黧滞删/。:黑.墨嚣置墨置:互互鼹蔫蔫黧:.黑一懋鍪潮羔竺型隧鎏鍪漤图.现代有轨电车运行控制系统结构 张江现代有轨电车运营控制系统由中央子系统、轨旁子系统和车载予系统三部分组成。中央子系统是实现有轨电车运营管理的关键设备,可实现时刻表编制与调整、车组配班计划与调整、车辆运行监视、运营数据分
14、析统计、系统设备状态豁视及报警等功能。轨旁子系统由道岔控制器、区域控制器和站台旅客信息系统组成。轨旁子系统根据有轨电车传递的位置信息和当前的进路信息为指定车辆发送行车许可,并根据车载子系统的控制指令转换道岔和更新站台的旅客信息。车载子系统能实现列车的精确定位,从而实现对车辆的实时位置监控,为运营调度和应急处理抢修和应急指挥调度提供协助服务。同时通过对有轨电车行车间隔的控制,更好地保证有轨电车遵守行车计划,并向在车站候车的乘客提供实时的车辆时刻表信息等。通过对比发现,现代有轨电车运行控制系统与列车运行控制系统相似,均采用中央、地面和车载的层次化结构,而且各个子系统在功能上存在很大的相似性。但是由
15、于现代有轨电车运行控制系统的功能运营环境和运行需求的改变,其在功能上也发生了一定的变化,主要表现在:联锁功能被弱化,进路设置功能由车载子系统自主完成。不享有独立路权,在平面交叉道口,车载子系统需请求优先通过权。正线卅在设有轨道电路,列车的位置检测通过车地连续的双向通信来完成。除此之外,与地铁相比,现代有轨电车在运行速度、运行的时效性方面也存在较大的差异。借鉴已有的轨道交通运行控制系统的体系结构,结合现代有轨电车运行控制系统的自身特点,本文提出了车载运行控制系统的一体化设计方案,将列车的自动驾驶功能和自动防护功能进行有机结合,在保证功能完备和系统安全的前提下,不仅简化了系统结构,而且在一定程度上
16、提高了系统的运行效率,降低了系统成本。.论文主要内容本文首先阐述了现代有轨电车及其运行控制系统的研究和应用现状,在此基础上,分析了现代有轨电车的业务流程及其车载运行控制系统的功能需求,提出了现代有轨电车车载运行控制系统的一体化设计方案,最后,完成了车载运行控制系统原理样机的研制。具体内容如下:第一,分析现代有轨电车的业务流程及其车载运行控制系统的功能需求。途 塞 昱 宣生 立 童 适 太 堂 亟 堂 僮第二,进行车载运行控制系统的功能分解,提出自动驾驶系统和自动防护系统的一体化设计方案,设计车载运行控制系统的内外部接口。第三,基于和操作系统研制车载运行控制系统的核心功能软件,基于机和操作系统研
17、制人机交互软件。研制车地无线通信仿真第四,基于内置协议栈的无线微控制器单元,完成硬件电路板的设计、调试和嵌入式无线通信软件的开发。最后,搭建车载运行控制系统原理样机,联合其它子系统和环境仿真系统完成系统联调。新型车载运行控制系统总体设计本章从系统设计的角度出发,首先分析了现代有轨电车的业务流程及其子系统之间的逻辑关系,然后分析了车载运行控制系统的功能需求,在此基础上,提出了自动防护和自动驾驶系统的一体化设计方案,并进行了功能分解,完成了新型车载运行控制系统的结构和接口设计。.现代有轨电车业务流程分析现代有轨电车系统是当代城市公共交通不可或缺的组成部分,由线路、牵引供电系统、车辆系统、运行控制系
18、统和通信系统组成【】。其中,运行控制系统是整个系统的核心,协调各个子系统之问的关系,保证列车安全高效的运行。根据行车计划,现代有轨电车按照既定线路在车辆段、正线问运行,完成旅客的输送任务。现代有轨电车的业务流程可分为运营准备、投入线、正线运行和退出线四个阶段,其具体业务流程如图?所示。.运营准备阶段在车辆段内,即将投入运行的车辆首先进行上电白检,主要对门控系统、牵引系统、制动系统等进行测试。列车自检通过后,司机输入司机号,完成列车登录,等待发车信号。.投入正线运行阶段车辆段调度员根据运营计划为即将投入运营的列车排列由车辆段到转换轨的进路。当进路排列完毕后,行车信号开放,司机根据信号灯指示驾驶列
19、车向转换轨运行。当列车经过设置在转换轨的两个连续信标后,完成列车绝对位置和运行方向的初始化,同时向轨旁运行控制系统发起通信连接。通信建立后,列车向控制中心报告列车位置,请求登陆。登陆成功后,列车向控制中心申请车次号和运营时刻表,向轨旁运行控制系统核对电子地图版本号。待以上条件都满足后,司机将列车的驾驶模式切换到自动驾驶模式。根据运营时刻表,列车自动运行到线第一站台。.下线运行阶段根据运行计划,列车在正线运行主要可以分为列车进站、列车出站、站间运行和区域交接四个阶段。列车进站阶段列车检测到自己即将驶入站台区域,向站台发送列车信息,更新站台的旅客信息系统。列车进站停稳后,车载运行控制系统向轨旁运行
20、控制系统报告列车停稳,启动停车倒计时,打开车门,等待旅客乘降。在站停期问,车载运行控制系统对列车的状态进行实时监督,防止危险发生。列车出站阶段在出站前,列车获取下一阶段的运行信息,并计算列车的自动驾驶曲线。停车倒计时结束后,列车自动关闭车门。待发车条件满足后,列车才允许向下一站运行。站间运行阶段在站间运行期间,列车实时采集自己的速度、位置及其它状态信息,同时将这些信息通过无线的方式实时传送给轨旁运行控制系统和控制中心。轨旁运行控制系统根据列车状态信息、线路信息为列车计算移动授权,并将移动授权发送给车载运行控制系统;控制中心实时追踪列车的运行。车载运控系统在接收到列车的移动授权后,根据移动授权计
21、算自动防护曲线,并依据这条曲线对列车的速度进行监督,防止列车超速。一旦发现列车超速,则向车辆系统发出紧急制动指令,使列车停车,保障行车安全。同时在运行期间,车载运行控制系统根据自动驾驶曲线对列车的速度进行调节,保证列车平稳、高效的运行。当接近平交道时,列车向轨旁运行控制系统发出通过请求,待道信号灯变为允许信号时,列车运行通过道口。当接近道岔区段,列车获取道岔控制权,将道俞转换到运行要求的位置并将其锁闭;待列车通过道岔区段后,释放道岔的控制权。区域交接当列车进入两个分区的重叠区域时,向当前分区的轨旁运行控制系统发送区域交接请求;当列车越过两个分区的物理分界点后,针对目标分区设置移动数据电台的频率
22、,向目标分区发起通信连接:待接收到目标分区的移动授权后,列车完成区域交接。.退出正线运行阶段根据运营计划,列车在完成一天的运营任务后,驶离最后一站返回车辆段。在此运行过程中,列车向轨旁运行控制系统发送注销请求,在收到轨旁运行控制系统的确认后,司机将列车的驾驶模式切换到人工驾驶模式,切断与轨旁运行控制系统的通信连接,列车根据信号灯的指示运行。待到车辆段的进路排列完毕,信号开放后,司机驾驶列车返回车辆段,下电注销。车辆段人。入转换轨正线。卜人。八车辆段图? 现代有轨电下业务.蚓?.车载运行控制系统功能需求分析由现代有轨电车的业务流程分析可知,现代有轨电车运行控制系统采用中央、地面和车载三层结构,各
23、个子系统之间相互独立而又紧密联系,共同完成列车的运行指挥和安全防护。运行控制系统各个子系统间的功能关系如图?所示。中央运行控制系统轨旁运行控制系统幽船车载运行控制系统图?子系统间功能关系中央运行控制系统是整个运行控制系统的中枢,其编制列车运行时刻表,为全线车辆制定运行计划,同时通过地面控制系统实时采集轨旁设备状态和列车的状态信息,对现代有轨电车系统进行全面监督,并可根据实际情况调整运营计划,生成相应的行车调整命令。地面运行控制系统实时获取列车状态信息,并根据室外轨旁设备状态信息和列车信息,为本分区内的所有列车计算移动授权,实现列车的问隔控制。车载运行控制系统自动完成列车定位,测速,计算列车的安
24、全防护曲线和自动驾驶曲线,完成列车的安全防护和自动驾驶功能,并将列车的状态信息实时传送给轨旁运行控制系统。车载运行控制系统是运行控制系统在车辆上的延伸,是保证列车安全运行,实施列车安全防护的最后一道屏障,完成列车的安全防护和自动驾驶功能,其主要功能如下:定位测速车载运行控制系统在保证安全的前提下,实现列车的高精度定位。列车的定位测速主要完成:列车处于未定位状态时,借助两个连续信标确定列车的绝对位置和运行方向;根据速度传感器采集的速度信息,计算列车的走行距离,对列车位置进行连续更新;考虑列车通信延迟、测速误差等因素对列车定位精度造成的影响,确定列车的最大安全位置。自动驾驶宝童逗厶堂亟堂鱼途塞逝型
25、奎载运堑撞亟丕统亟生遮过自动驾驶是提高列车运行效率,保证列车平稳、准时运行的关键。自动驾驶功能主要完成:综合考虑运营计划、线路限速、车辆限速、临时限速和防护曲线的制约等条件,计算列车的驾驶曲线;根据驾驶曲线,对列车速度进行闭环调节,计算牵引加速度,控制列车运行;当列车接近站台区域的指定位置时,根据预设的进站停车曲线控制列车进站停车。速度防护速度防护其主要功能是防止列车超速,保证行车安全,包括防护曲线的计算和速度监督两个子功能。防护曲线以列车的安全制动模型为基础,采用一次制动模式】进行计算。根据轨旁实时发送的移动授权,车载运控系统确定列车当前位置和移动授权点之间的线路限速、临时限速、道岔限速等信
26、息,从移动授权点开始逆向计算列车的防护曲线点。速度监督则根据防护曲线对列车速度进行实时监督,若当前速度触犯防护曲线,则进行紧急制动。正线道岔控制为提高列车运行效率,车载运行控制系统可不通过轨旁运行控制系统直接控制道甜】。当列车接近道岔区域,车载运控系统向道岔发起控制权请求;获得道岔控制权后,根据运行需要,车载运控系统将道岔转动到指定位置并锁闭;当列车离开道俞区域后,释放道翁控制权。区域切换考虑到在线路较长、运营车辆较多的现代有轨电车系统中,受控制能力、接口能力的限制,单分区控制可能不能满足列车的需要,采用多分区控制。在多分区控制中,车载运控系统主要完成以下功能:列车进入分区交叉区域,向当前分区
27、发起区域切换请求;当列车到达分区物理分界点,向目标分区切断当前分区的通信连接,向目标分区发起通信连接;当收到目标分区的移动授权后,区域交接完成。车门控制车载运行控制系统对车门状态进行实时监督,当检测到列车在站台区域停稳后,允许列车打开车门;待列车停站时问结束后,自动关闭车门;若在列车运行途中,车门异常丌启,则尝试关闭车门;若车门不能关闭,则进行紧急制动。道口优先权控制由于现代有轨电车与其它城市公共交通方式共享路权【】,为提高运行效率,现代有轨电车在非繁忙路口享有优先通过的权利。当列车接近道口时,向信号机发送优先通过请求,待信号灯变为绿色后行驶通过道口;当列车完全通过道口后,向信号机报告己通过道
28、口,信号机恢复正常。状态监督车载运控系统实时对列车的完整性、运行方向、车载设备状态、车地通信状态进行监督。其它辅助功能车载运控系统具有故障报警、行为汜录、为司机提供辅助驾驶信息等功能。.新型车载运行控制系统的功能分解由前文可知现代有轨电车运行控制系统由中央运行控制子系统、轨旁运行控制子系统和车载运行控制子系统组成,各个子系统之问通过数据通信系统相连,共同完成列车的运行指挥和安全防护。目前,现代有轨电车车载运行控制系统主要采用自动驾驶功能和自动防护功能独立设计的方法,将其分为两个子系统,通过总线相连。本文考虑到现代有轨电车车载运行控制系统在结构和功能上相对简单,车载外部设备较少,控制精度要求相对
29、较低,对计算机性能要求不高,再加上自动驾驶和自动防护两个子系统在功能上紧密相关、相互耦合,所以将自动驾驶和自动防护两个功能合二为一,进行一体化设计。根据车载运行控制的功能需求分析,本文研制的新型车载运行控制系统的功能分解为逻辑控制计算机、人机交互计算机和通信接口单元三部分,其系统结构如图?所示。中央运行控制系统/一轨旁运行控制系统一车地无线通信网,?卜逻辑控制计算机车载设备图?新型车载运行控制系统结构 逻辑控制计算机是车载运行控制系统的核心,实现列车的安全防护、自动驾驶及其它核心功能。通信接口单元实现车载运行控制系统与轨旁运行控制系统的无线数据传输及夏窒适太堂亟堂焦途塞逝型奎载运堑撞剑丕筮望笠
30、退让对车载设备的驱动和采集功能。人机交互计算机是车载运行控制系统的辅助设备,为用户提供操作指令输入接,实现列车状态信息、辅助驾驶信息的实时显示,为系统调试和维护提供图形化显示界面。.新型车载运行控制系统的接口设计由新型车载运行控制系统的功能分解可知,其在结构上划分为人机交互层、逻辑控制层和对外接口层。其中,人机交互层由人机交互交互计算机实现,完成车载运行控制系统与用户的信息交互;逻辑控制层由逻辑控制计算实现,主要同车载运行控制系统内部各个子系统完成信息交互;对外接口层由通信接口单元实现,主要完成与外部系统的数据交互。综上所述,车载运控系统的接可以分为内部接口和外部接口两类,其接口关系如图.所示
31、。车载运行控制系统人机交互计算机轨旁以太网 队”。毒运行跫机控制毒 无线系统厂通信单元逻辑控制计算机唰通信网 ;以太厢 士车载设备图新型车载运行控制系统接关系 系统的内部接口包括:逻辑控制计算机同人机交互计算机的接口,采用以太网进行连接;逻辑控制计算机同通信接单元的接口,采用异步串行通信接口进行连接。系统的外部接口包括:同轨旁运行控制系统的接口,采用无线的方式进行连接;同车载设备问的接口通过,采用以太网和/两种方式进行连接。.内部接口设计逻辑控制计算机同人机交互计算机的接口逻辑控制计算机同人机交互计算机通过以太网相连,基于面向连接的可靠传输协议?/协议进行通信。为便于系统问的信息交互,各个系统
32、问以太网通信报文采用统一格式。其中,数据类型为十六进制,报文格式为“报文头用户数据校验码”,如表.所示。报文头由序列号、重复计数器、报文长度、发送接收方标识和报文类型标识组成。序列号用来标识报文的发送和接收顺序,判断报文的丢失和过滤。报文长度用来标识包括校验码在内的数据长度,此外,通过报文长度还可对粘包情况下进行处理。报文类型用来标识报文的类型,包括周期报文、命令报文和应答报文三种。其它用户数据为报文的核心内容,主要用于实现系统的控制功能,因数据接收方的不同而不同。最后两位为循环冗余校验码,在本设计中采用位循环冗余校验码进行差错传输控制,其校验码生成多项式为。表?以太网通信报文格式字节数值 描
33、述, 变量 序列号码变量 重复计数器变量 用双字节倍数表示的报文长度,包括? 发送方标识部件号?接收方标识部件号?报文类型,?, . 其它用户数据一.一错误检测后缀逻辑控制计算机同人机交互计算机之间全部采用周期报文的方式进行传输,通信周期为。通过此接口,逻辑控制计算机主要向人机交互计算机提供列车的实时状态信息包括位置、速度、完整性、车门状态、车地通信状态等、辅助驾驶信息包括目标速度、目标距离、推荐速度等、报警信息包括超速报警等用于显示;同时接受用户的操作指令,记录用户的个人信息、调试命令等。逻辑控制计算机同通信单元之问的接口逻辑控制计算机同通信接口单元通过异步串行通信接口进行连接。在本设计中串
34、口的配置参数为:波特率为,数据位为位,停止位为位,奇偶校验方式为奇校验。通过串行通信接口的交互数据主要包括逻辑控制计算机同轨旁控制系统的数据交互信息和同车载设备之间的/控制指令和状态采集信息。这些数据主要为车载运控系统同其它系统之问的信息交互,在外部接口设计中进行阐述。.外部接口设计同轨旁运行控制系统问的接口车载运控系统通过基于协议的无线通信方式与轨旁运行控制系统进行数据传输。是一种网络协议,其协议栈基于.标准构建,通信频率为,传输速率最大为,拥有个不同的通信信道,与相比具有传输效果好、成本低等特点【】。车载运行控制系统发送给轨旁运行控制系统的信息包括列车周期报文和命令报文两类。周期报文主要是
35、列车的状态信息,主要有位置、速度、运行方向、停稳状态、车门状态、完整性、前溜和倒溜等;命令报文包括列车登录、列车注销、电子地图版本号核对、车次号申请、区域交接申请等。除此之外,当车载收到轨旁的命令报文后,要对其进行应答,应答报文的格式如表.所示。表应答报文格式字节 数值 描述, 变量序列号码变量 重复计数器变量 用双字节倍数表示的报文长度,包括?发送方标识部件号?接收方标识部件号? 报文类型.应答报文类型、?应答结果?.一错误检测后缀轨旁运行控制系统发送给车载运控系统的报文同样分为周期报文和命令报文两类。其中周期报文主要包括移动授权、轨旁的道岔状态锁闭、解锁、定位、反位、临时限速信息限速起点、
36、限速终点、限速值等等;命令信息包括运营时刻表、扣车/取消扣车、跳停/取消跳停、紧急制动、提前发车、电子地图版本号等。同车载设备间的接口车载运行控制系统同车载设备的接口有/接口和以太网两种方式,在本系统中车载设备通过车载环境仿真系统实现。通过/接口,车载运行控制系统采集司机驾驶台的操作指令、车门状态、制动系统的状态等开关量信息,同时根据车载运行控制系统的操作指令驱动车门丌闭、进行紧急制动等。通过以太网,车载运行控制系统同车载环境仿真系统的和列车运动学仿真模块相连。通过此接口,向车载环境仿真系统传送牵引相关信息牵引力的大小和方向、列车的实时状态信息和辅助驾驶信息,同时接受司机输入的操作指令。.小结
37、本章首先分析了现代有轨电车的业务流程和车载运行控制系统的功能需求,在此基础上提出了车载运行控制系统的一体化设计方案,完成了新型车载运行控制系统的功能分解和接口设计。新型车载运行控制系统的软件设计与实现与结构相对应,车载运行控制系统的软件可分为三个部分:逻辑控制软件、人机交互软件和通信接口单元软件。本章主要基于和研制了逻辑控制软件,基于机和研制了人机交互软件。.逻辑控制软件的设计与实现逻辑控制软件是整个车载运行控制软件的核心,其基于操作系统和硬件平台,采用语言进行开发。逻辑控制软件采用结构化程序设计的方法,按照自顶向下、逐步求精、模块化的原则进行设训】。本节从软件的总体设计、数据设计和模块设计详
38、细介绍了逻辑控制软件的实现过程。.软件的总体设计由系统的总体设计可知,逻辑控制软件是这个系统的核心,其运行于逻辑控制计算机内部,对来自轨旁控制系统、控制中心和车载环境仿真系统的数据进行综合处理并生成相应的控制命令,确保列车安全平稳高效的运行。逻辑控制软件一厂?:?辅助模块 逻辑运算模块 通信模块 厂?厂.?。以出系 状太太统 。十网测 监 通通试督 定位测速 车门控制 安全防护 速度调节 道岔控制 信优先权控制 信防护曲线计算 驾驶曲线计算图? 逻辑控制软件系统功能结构?如图所示,逻辑控制软件在功能上分为逻辑运算模块、通信模块和辅助模块三部分。其中数据处理模块是逻辑控制软件的核心,包括定位测速
39、子模块、防护曲线计算子模块、安全防护子模块、驾驶曲线计算子模块、速度调节子模块、正线道岔控制子模块、道口优先权控制子模块和车门控制子模块。通信模块实现宝童适态堂亟堂焦途塞堑型至毯堡堑蕉剑丕统的筮丝遮盐当塞邋逻辑控制计算机同其它设备的数据交互,包括以太网通信子模块和串行通信子模块。辅助模块是逻辑控制软件的补充模块,包括系统测试子模块和状态监督子模块。逻辑控制软件基于操作系统进行开发,任务的划分、任务优先级设置和任务问的通信机制是逻辑控制软件设计的根本。本文遵循.原贝.】,以时间关键性和周期执行功能为标准对任务进行划分。依据这个原则,逻辑控制软件的任务分为逻辑数据处理任务、通信任务和辅助单元任务三
40、大类。其中,通信任务负责逻辑控制计算机同外界的数据交互;逻辑处理任务完成定位测速、防护曲线计算、驾驶曲线计算、速度调节、正线道岔控制、道口优先权控制和车门控制功能;辅助单元任务完成系统测试和状态监督功能,提高系统的可靠性。在本软件设计中,任务问采用二进制信号量和消息队列的方式进行通信,任务间调度主要采用时间片轮询的方式进行。任务的调度的主要流程如图所示。开始设备初始化.结束图?逻辑控制软件任务调度图.数据设计数据是计算机化的信息,它是计算机可以直接处理的最基本和最重要的对象。软件执行的过程就是对数据进行加工处理的过程。因此,合理有效的数据结构是设计高效可靠软件的前提和基础。逻辑控制软件的数据包
41、括静态数据和动态数据两部分:静态数据包括列车的固有属性如车长、车号、牵引特性、制动特性等和线路的数据信息道岔和信标的物理坐标以及各个设备之问的逻辑关系;动态数据是在车列运行过程中可能实时发生改变的信息,包括限速信息、行车计划信息、车列的状态信息、曲线信息等。主要静态数据结构:道岔的静态属性定义: /道岔编号/道岔公里标;/类型:单/双动;/对应双动道岔号;/所在区段号;/道岔定位上一设备;/道岔反位上一设备;/道岔定位下一设备;/道岔反位下一设备;区段的静态属性定义基本区段编号;/左、右端公里标;/所在线路;默认运行方向;对应站台编号;/从属轨道区段;、./上一设备;吓一设备;信标的静态属性定
42、义/信标编号;所在联锁区;/应答器公里标;/应答器类型静态、动态;/上一静态信标编号;/下一静态信标编号;所属区段,即埋设在哪条区段范围内;/关联信号机;主要动态数据结构:行车计划信息定义行车计划序列号、;作业名称;/运行方向;/发车站;/发车时问;/到达站;/站时问;限速信息定义/邝艮速方向;/限速起点;/限速终点;/限速值;/限速信息;列车状态信息定义; 列车/驾驶模式; 运行状态; 运行方向/倒溜;/空转打滑;/紧急制动状态; /牵引工作状态/完整性;左侧车门状态;/右侧车、状态;/超速状态;/当前速度? ;/当前位置;?/与轨旁通信状态;曲线信息表定义/曲线的防护方向; /曲线包含的点
43、数;/速度位置点.;.逻辑数据处理模块的设计与实现逻辑数据处理模块是逻辑控制软件的核心模块,其包含定位测速、防护曲线计算、安全防护、驾驶曲线计算、速度调节、优先权控制、道岔控制和车门控制个子模块.定位测速模块列车定位测速处理主要借助测速电机和地面信标来完成。其中,测速电机主要完成列车速度和相对位移的测量,其是周期执行的;通过地面信标,列车完成绝对定位、运行方向确认、轮径校正和位置校准功能,具体流程如图所示。当接收到信标信息后,若列车处于定位状态,此时信标仅起到位置校准的功能;若列车处于未定位状态,则对信标的顺序进行判断:若此信标为第一个信标,则进行绝对位置的初始化;若此信标为第二个信标,则可根
44、据两信标的位置确定列车运行方向,并根据列车的走形距离和车轮的转动的圈数计算轮径。:开始一:接收到信标孓查询信标信息结束图.信标信息处理流程.防护曲线计算模块防护曲线计算是车载运行控制系统的主要功能,是列车完成安全防护、实现间隔控制的基础和前提。目前列车防护主要有点式叠加方式和速度距离模式曲线方式两种,前者速度曲线呈阶梯状,后者是连续平滑的二次曲线。本文以列车的安全制动模型为基础,采用速度距离模式计算防护曲线。安全制动模型如图?所示,列车的制动过程分为牵引切断、紧急制动建立和紧急制动施加个阶段。牵引切断如中?,和州。所处,在此阶段由于车载设备响应时问造成,列车不断加速,并达到最大速度;紧急制动建立阶段如图中。帆所示,在此阶段列车牵引力完全切除,而制动力还未施加,列车处于匀速状态;制动施加阶段如图中瓦。靠所示,在此阶段列车紧急制动力已完全施加,列车以最大制动力进行紧急制动。为了保证列车安全停车
