劉建秀,谷明輝

(鄭州輕工業(yè)學院 機電工程學院,河南鄭州450002)

自動過分相的關鍵技術是定位,定位準確是系統(tǒng)可靠性的關鍵,也是機車運行中安全的關鍵。GFX-3型自動過分相系統(tǒng)的定位主要是靠車載感應器在機車運行中接收地面定位器信號來確定機車位置的。地面定位器和車載感應器分別采用斜對稱埋設和備份安裝(分相區(qū)前后分別埋有兩個地面定位器),以保證自動過分相的安全和可靠。此型號自動過分相系統(tǒng)不可避免地存在一些不足。通過對鄭州機務段GFX-3型自動過分相裝置使用情況的調查,發(fā)現(xiàn)一些隱患。

(1)地面定位器可能損壞或者反應不靈敏。導致機車感應器無法正常接收信號,從而機車不能進行自動過分相操作。(2)車載感應器可能損壞甚至丟失。列車在行駛或連掛或制動停車時,車輛之間會有沖擊振動,由此引起車載感應器安裝支架松動,因碰撞而損壞甚至丟失。(3)過分相信號單一,沒用冗余。在鋪軌過程中,如果人為失誤造成地面定位器錯位,將使機車接收過分相信號不準,造成分相區(qū)提前或者滯后的假象;機車行駛中路面上有磁性物體或許能造成假的過分相信號,使機車誤進行自動過分相操作。為解除這些隱患,有針對性的設計了一種新型自動過分相系統(tǒng)。

1 新系統(tǒng)簡介

新型的自動過分相系統(tǒng)是在GFX-3型系統(tǒng)的基礎上,增加新的過分相信號發(fā)生模塊,從而實現(xiàn)過分相信號的冗余,保證了機車運行安全。

新增加的過分相信號發(fā)生模塊有兩個,分別是時間模塊和車載GPS定位模塊。機車行駛時,車載GPS定位模塊在能和衛(wèi)星系統(tǒng)正常通信的情況下,時刻監(jiān)測機車當前地理坐標,并把當前地理坐標與預輸入的各點地理坐標進行比較,以確定機車是否接近進入分相區(qū)、處在分相區(qū)或駛出分相區(qū);時間模塊則根據(jù)監(jiān)測的機車當前行進速率和地理坐標,當機車行進在接近分相區(qū)時,計算出機車到達分相點的剩余時間(即以倒計時的形式顯示),以提示司機距離過分相動作剩余的時間,當機車行進在分相區(qū)時,會計算出機車已進入分相區(qū)的時間;當機車在接近分相區(qū)行駛時,司機操作臺指示燈會有預警信號,為“黃色”;當機車到達過分相點時,指示燈顯示為“紅色”,同時蜂鳴器響起,提示司機自動過分相開始。因此機車的過分相信號發(fā)生源有3種,分別是GPS定位模塊、時間模塊、地面定位器,3種冗余信號源中如果有一種出現(xiàn)故障,系統(tǒng)會及時作出提示以引起司機注意,司機可觀察自動過分相系統(tǒng)的運行情況作相應處理,必要時可作手動過分相,以避免發(fā)生行車事故。

新系統(tǒng)采用VB 6.0軟件創(chuàng)建人機交互界面,便于操作。

1.1 時間模塊

利用監(jiān)測到的機車運行速度和機車當前地理坐標,計算出機車到達分相點的剩余時間或機車已進入分相區(qū)的時間。當機車在駛入接近分相區(qū)那一刻時,時間模塊從GPS定位模塊中取得機車當前地理坐標,然后和預輸入分相點地理坐標比較,確定機車與分相點的距離S。同時時間模塊又根據(jù)監(jiān)測到的機車當前行駛速率v,可計算獲得機車到達分相區(qū)所需時間t=S/v。當機車在駛入分相區(qū)的那一刻時,以同樣的方法獲得機車在分相區(qū)中行駛的時間t′。各個分相區(qū)的這兩個時間值都要預輸入時間模塊,并在每次機車運行前要對這些預輸入時間值在人機交互界面上進行確認。如圖1所示。

圖1 定位預輸入部分界面

當機車經過過分相倒計時點后,即在接近分相區(qū)行駛時,人機交互界面定位系統(tǒng)部分會同步顯示機車到達分相點的剩余時間,如圖2所示。

圖2 機車在接近分相區(qū)行駛時的定位系統(tǒng)顯示信息

當“微機計算到達剩余時間”(倒計時)為0時,機車將進行斷主斷等過分相操作。機車并于此刻進入分相區(qū),此時人機交互界面定位系統(tǒng)部分將同步顯示機車在分相區(qū)中行駛的時間,如圖3所示。

圖3 機車在分相區(qū)中行駛時定位系統(tǒng)顯示信息

當機車駛出分相區(qū)后,時間模塊會根據(jù)當前地理坐標,判斷機車是否在過分相倒計時區(qū)域(即是否在接近分相區(qū)),不在則定義為機車在自由區(qū)行駛,此時人機交互界面定位系統(tǒng)部分將同步顯示“準備下次倒計時!”,直到機車再次進入接近分相區(qū),如圖4所示。

機車行駛的路況是復雜的,存在隧道等影響GPS定位模塊與衛(wèi)星通信的路段。即當機車駛入隧道時,車載GPS定位模塊會和衛(wèi)星失去通信聯(lián)系。在這種情況下,時間模塊是將GPS定位模塊起作用的最后一刻記為機車于此刻進入接近分相區(qū),這樣就可按正常程序計算出機車到達分相點的所需時間t=S/v,以后的倒計時及過分相操作如常。

自動過分相系統(tǒng)啟用前,需要對路況信息進行統(tǒng)計,其中包括地面定位器的地理坐標和不能GPS通信的隧道等路段的地理坐標等。然后根據(jù)統(tǒng)計的路況信息,確定自動過分相系統(tǒng)時間模塊的過分相倒計時點,對于GPS定位系統(tǒng)無法工作的區(qū)域,要把倒計時點提前或滯后。確定的倒計時點時兩個地理坐標的比較有一個誤差范圍,此誤差范圍是根據(jù)機車運行速率狀況統(tǒng)計計算出的。最后把統(tǒng)計好的各種數(shù)據(jù)輸入時間模塊。

1.2 GPS定位模塊

自動過分相系統(tǒng)GPS定位模塊的作用是動態(tài)監(jiān)測機車在運行中的地理坐標,以確定機車在軌道中的位置,并將地理坐標動態(tài)地顯示在人機交互界面上,如圖1～圖4所示。機車運行中,GPS定位模塊會把監(jiān)測到的當前地理坐標實時與預輸入的接近分相點地理坐標和地面定位器地理坐標進行比較,以確定是否到達接近分相區(qū)、處在分相區(qū)。當監(jiān)測到的坐標值在指定范圍內時,機車會進行相應的時間模塊的倒計時操作或系統(tǒng)的自動過分相操作;不在指定范圍時,GPS定位模塊正常監(jiān)測,機車正常行駛。

自動過分相系統(tǒng)啟用前,同樣需要統(tǒng)計地面定位器的地理坐標并預輸入GPS定位模塊,預輸入值要保證準確性。這里預輸入的地面定位器的地理位置坐標,不是所有地面定位器的地理位置坐標,只是預斷點地面定位器的地理坐標和強合點的地理坐標。GPS定位模塊中地面定位器地理坐標的預輸入是一次性的,如果以后鐵道線路有所改動,只需預輸入地理坐標進行更改即可。機車運行前需要對這些預輸入的地理坐標進行確認。人機交互界面的相應部分如圖5。

當機車進入隧道時,GPS定位模塊會無法工作。而統(tǒng)計的路況信息中有隧道前一段某一點的地理坐標,當機車到達該點時,過分相信號的控制權將移交給時間模塊,由時間模塊監(jiān)測機車的過分相狀態(tài),保證機車的運行安全。

2 新型自動過分相系統(tǒng)運行機制

新型自動過分相系統(tǒng)不只依賴地面定位器對機車進行定位,它還有另外兩種定位信號源選擇,即GPS定位模塊和時間模塊。這兩種模塊的定位方法跟地面定位器的定位方法不同,它們有各自的特點。

GPS定位模塊實時監(jiān)測機車的當前地理坐標,并把它輸入到時間模塊。GPS定位模塊實時把機車當前地理坐標與預輸入的過分相倒計時點的地理坐標或地面定位器預斷點地理坐標或地面定位器強合點地理坐標進行比較,確定機車相對于分相區(qū)的位置。當機車當前地理坐標與相應的過分相倒計時點的地理坐標在比較誤差范圍內時,時間模塊根據(jù)采集的地理坐標數(shù)據(jù)計算出距離S,又利用采集的速度v,計算出倒計時間t=S/v,并依此開始倒計時,倒計時狀態(tài)同步在人機交互界面上顯示。當?shù)褂嫊r為0時,機車即開始執(zhí)行自動過分相的斷主斷等操作。當機車當前地理坐標與相應的地面定位器預斷點地理坐標在比較誤差范圍內時,機車同樣即開始執(zhí)行自動過分相的斷主斷等操作。而當機車經過地面定位器預斷點時,機車依然會執(zhí)行自動過分相的斷主斷等操作。這3種分相區(qū)前的過分相信號為邏輯或關系,即若有一種信號先起作用,則其余后來的兩種信號就失去作用,機車以此先到來的信號為觸發(fā)條件進行相應的自動過分相操作。

當機車在分相區(qū)行駛時,時間模塊對機車在分相區(qū)中的行駛時間進行計時,當計時達到預輸入的此分相區(qū)機車過分相統(tǒng)計時間時,機車開始執(zhí)行自動過分相的合主斷等操作。當機車的當前地理坐標與相應的地面定位器強合點地理坐標在比較誤差范圍內時,機車亦開始執(zhí)行自動過分相的合主斷等操作。而當機車經過地面定位器強合點時,機車依然會執(zhí)行自動過分相的合主斷等操作。這3種分相區(qū)后的過分相信號任意兩種先來的過分相信號被接收確認后,第3種后來的信號將不起作用時,機車才會被觸發(fā)進行自動過分相的合主斷等操作。

3種過分相信號之間的邏輯關系,很好地實現(xiàn)定位信號的冗余,保證了在某一種定位信號失效的情況下機車仍能正常地進行自動過分相,進一步保障了機車在行進中過分相時的安全。

3 搭建設備時的疑難及其解決策略

搭建設備時,要實現(xiàn)新增加自動過分相定位模塊的功能,會遇到的問題有:(1)GPS定位模塊如何嵌入自動過分相系統(tǒng),并與系統(tǒng)實現(xiàn)通信;(2)時間模塊和GPS定位模塊如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)的預存和處理。

針對這兩個問題的解決策略是:(1)GPS定位模塊可使用GPS信號接收機,它能夠對GPS衛(wèi)星信號進行搜索、捕捉,并因有通信接口,很容易實現(xiàn)與自動過分相系統(tǒng)通信。(2)數(shù)據(jù)預存和處理可通過單片機實現(xiàn);數(shù)據(jù)處理較復雜,可用64位單片機;數(shù)據(jù)處理程序寫入ROM(只讀存儲器),預存數(shù)據(jù)寫入 RAM(隨機存儲器);為了保證數(shù)據(jù)預存與處理的正確性與安全性,可將寫好程序的單片機統(tǒng)一化,作為自動過分相系統(tǒng)的專用設備。

4 結束語

在進行新型自動過分相系統(tǒng)的設備搭建時,僅需要在GFX-3型自動過分相系統(tǒng)基礎上新嵌入兩個定位模塊,GFX-3型系統(tǒng)的原有部分改動很少,因而節(jié)約了研究成本。與GFX-3型系統(tǒng)相比較,在性能上,新型自動過分相裝置更優(yōu)越,它能更有效避免機車運行時發(fā)生意外,進一步地保證機車通過分相區(qū)時安全,從而使機車的運行更具可控性。系統(tǒng)在一定程度上是具有試用推廣價值。

[1] 謝興中.電力機車過分相問題的探討[J].機車電傳動,2008,(3):64-66.

[2] 曾曉安,李 明.大秦線車載自動過分相系統(tǒng)的研制與應用[J].機車電傳動,2007,(4):11-14.

[3] 寧 濤,李 明.電力機車自動過分相系統(tǒng)專用檢測臺的設計[J].機車電傳動,2007,(3):65-73.

[4] 姚孝剛,陳 娟.電力機車自動過分相功能檢測系統(tǒng)研制[J].鐵道機車車輛,2006,(5):67-68.

[5] 姚孝剛.大秦線自動過分相裝置誤動的處理[J].機車電傳動,2006,(4):70-71.

[6] 李官軍,馮曉云.高速動車組自動過分相控制策略研究與仿真[J].電工技術學報,2007,(7):181-185.

[7] 姚孝剛.自動過分相系統(tǒng)設計與改進[J].機車電傳動,2009,(4):41-43.