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        CTCS3級列控車載協(xié)同仿真子系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

        2013-11-27 07:18:58張亞東
        鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計 2013年11期

        劉 霄,張亞東,郭 進(jìn)

        (西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,成都 610031)

        隨著高速鐵路的快速發(fā)展,列車運(yùn)行速度越來越高,行車間隔不斷縮短,如何保障高速鐵路的行車安全,成為當(dāng)前高速鐵路科學(xué)發(fā)展的重大科研問題。高速鐵路系統(tǒng)由高速列車[1]、列控系統(tǒng)[2]、牽引供電[3]、鐵路線路[4]等子系統(tǒng)組成。其中列控車載子系統(tǒng)負(fù)責(zé)為高速列車的運(yùn)行提供控制信號,它的正確與否,對行車安全起著至關(guān)重要的作用。國內(nèi)外針對列控車載子系統(tǒng)進(jìn)行了大量的仿真研究,文獻(xiàn)[5-7]提出了車載中列車速度防護(hù)的算法;文獻(xiàn)[8-9]按照不同的功能模塊劃分實(shí)現(xiàn)了列控車載仿真系統(tǒng);文獻(xiàn)[10-12]對列控車載子系統(tǒng)進(jìn)行了仿真測試。上述研究提供了很多設(shè)計、實(shí)現(xiàn)和測試方法,但是缺少和高速列車、牽引供電、鐵路線路等其他高速鐵路子系統(tǒng)的聯(lián)合仿真,與高速鐵路實(shí)際運(yùn)營情況相差較大,仿真結(jié)果的可信性較低。

        本文通過研究如何實(shí)現(xiàn)高速鐵路耦合大系統(tǒng)下列控車載子系統(tǒng)與其他專業(yè)子系統(tǒng)之間的協(xié)同仿真,驗(yàn)證高速鐵路設(shè)計的安全性能,對于保障我國高速鐵路的運(yùn)營安全具有重要意義。

        1 列控車載協(xié)同仿真子系統(tǒng)對外接口及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

        1.1 車載協(xié)同仿真子系統(tǒng)對外接口

        在高速鐵路耦合大系統(tǒng)中,車載協(xié)同仿真子系統(tǒng)從列車自動駕駛子系統(tǒng)獲取列車控制方式、緩解、啟動指令和任務(wù)結(jié)束命令等;根據(jù)列控地面子系統(tǒng)提供的移動授權(quán)信息,結(jié)合高速列車動力學(xué)仿真子系統(tǒng)計算得到的列車位置和速度信息,完成列車速度防護(hù)曲線的計算,并生成控制命令;向自動駕駛子系統(tǒng)和牽引傳動子系統(tǒng)發(fā)送行車指導(dǎo)信息;實(shí)時記錄仿真結(jié)果數(shù)據(jù),存入高速鐵路系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。通過不同專業(yè)系統(tǒng)間的耦合仿真,較好地模擬了高速鐵路的實(shí)際運(yùn)營情況。車載協(xié)同仿真子系統(tǒng)與耦合大系統(tǒng)間的接口如圖1所示。

        圖1 車載協(xié)同仿真子系統(tǒng)與耦合大系統(tǒng)接口框圖

        1.2 車載協(xié)同仿真子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

        根據(jù)耦合大系統(tǒng)的功能需求,車載協(xié)同仿真子系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)交互及處理、車載計算與速度防護(hù)(ATP)、DMI和仿真數(shù)據(jù)記錄等4個子功能模塊,如圖2所示。

        圖2 車載協(xié)同仿真子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        數(shù)據(jù)交互及處理模塊負(fù)責(zé)完成車載協(xié)同仿真子系統(tǒng)與列控地面、列車自動駕駛、高速列車動力學(xué)、牽引傳動子系統(tǒng)和高速鐵路系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)交互,并對收發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。車載計算與速度防護(hù)(ATP)模塊根據(jù)數(shù)據(jù)交互及處理模塊提供的列車運(yùn)行參數(shù)、移動授權(quán)等信息,計算生成最限制速度曲線和目標(biāo)-距離速度防護(hù)曲線,實(shí)現(xiàn)速度防護(hù)。DMI模塊根據(jù)規(guī)范[13],完成列車運(yùn)行信息的顯示,并提供司機(jī)輸入數(shù)據(jù)接口。仿真數(shù)據(jù)記錄模塊實(shí)時將仿真結(jié)果數(shù)據(jù)存入高速鐵路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

        2 CTCS3級列控車載協(xié)同仿真子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

        列控車載協(xié)同仿真子系統(tǒng)負(fù)責(zé)保障行車安全,記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)等,因此它的設(shè)計一方面要研究速度防護(hù)算法,根據(jù)從自動駕駛、高速列車動力學(xué)和列控地面子系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù),設(shè)計仿真邏輯,實(shí)現(xiàn)速度防護(hù);另一方面要考慮與自動駕駛等子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的時序。由于車載協(xié)同仿真子系統(tǒng)需要與多個子系統(tǒng)建立通信連接,啟動過程復(fù)雜,因此需要嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)交互的內(nèi)容及時序,確保高速鐵路耦合大系統(tǒng)協(xié)同仿真順利進(jìn)行。

        2.1 列車速度防護(hù)曲線計算

        列車速度防護(hù)曲線包括緊急制動曲線和常用制動曲線[14]。緊急制動曲線保證了列車在最不利的情況下采取制動,而不會超出目標(biāo)距離和目標(biāo)速度。常用制動曲線是為降低列車觸發(fā)緊急制動頻度,提高列車運(yùn)行的穩(wěn)定性和舒適性而設(shè)定的。因此,緊急制動曲線是列車速度防護(hù)曲線計算的核心。當(dāng)前列車速度防護(hù)多采用目標(biāo)-距離模式曲線方式[15-16]。該方式根據(jù)一次制動曲線進(jìn)行制動,能有效減小行車間隔。根據(jù)該方式,進(jìn)行列車緊急制動曲線計算的方法如圖3所示。

        圖3 緊急制動曲線計算方法

        首先,根據(jù)目標(biāo)距離確定制動終點(diǎn),從制動終點(diǎn)開始計算,以ΔS為步長,根據(jù)公式(1)進(jìn)行迭代計算,直到計算結(jié)果v2大于或等于最限制速度,并將該段起點(diǎn)作為制動起點(diǎn)。

        式中 v1——列車制動初速度,km/h;

        w1——單位坡道附加阻力,N/kN;

        w0——單位基本阻力,N/kN;

        b——單位制動力,N/kN;

        r——轉(zhuǎn)動慣量系數(shù);

        v2——列車制動末速度,km/h。

        2.2 速度防護(hù)仿真實(shí)現(xiàn)

        為保障列車安全運(yùn)行,提高舒適性,車載協(xié)同仿真子系統(tǒng)需要根據(jù)從高速列車動力學(xué)仿真子系統(tǒng)獲得的列車當(dāng)前位置和速度,以速度防護(hù)曲線為基礎(chǔ),實(shí)時進(jìn)行超速判斷。當(dāng)列車超速時,及時向列車自動駕駛子系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)的制動命令。

        列車速度防護(hù)過程需要綜合考慮列車運(yùn)行等級、故障情況等因素。不同等級下速度防護(hù)曲線計算所需的數(shù)據(jù)獲取方式不同;根據(jù)故障-安全原則,發(fā)生故障時,車載子系統(tǒng)進(jìn)行降級運(yùn)行或轉(zhuǎn)換行車模式,并將相應(yīng)的控制信息發(fā)送給其他子系統(tǒng)。具體算法流程如圖4所示。

        圖4中的列車速度防護(hù)的算法充分考慮了CTCS2級、CTCS3級以及故障、運(yùn)行等情況,為高速鐵路耦合大系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)行提供了安全、可靠的控制信息。

        2.3 協(xié)同仿真時序控制

        在高速鐵路耦合大系統(tǒng)下進(jìn)行協(xié)同仿真時,列控車載協(xié)同仿真子系統(tǒng)的啟動,運(yùn)行和結(jié)束過程都牽涉到與其他子系統(tǒng)復(fù)雜的數(shù)據(jù)交互,因此需要進(jìn)行嚴(yán)格的時序控制。由于需要設(shè)計與多個子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的通信接口,為提高程序的性能,本文采用多線程方法,通過控制線程創(chuàng)建時機(jī),控制啟動時序。協(xié)同仿真運(yùn)行過程中,分別在每個線程中設(shè)計相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理函數(shù);最后各線程根據(jù)從列車自動駕駛子系統(tǒng)獲得的仿真結(jié)束指令發(fā)出任務(wù)結(jié)束信息。協(xié)同仿真時序見圖5。

        圖4 速度防護(hù)算法流程

        3 仿真測試

        車載協(xié)同仿真子系統(tǒng)DMI界面見圖6。

        車載協(xié)同仿真子系統(tǒng)將從高速列車動力學(xué)仿真子系統(tǒng)獲得的列車當(dāng)前速度、位置等信息以速度表盤的形式顯示;根據(jù)從列控地面子系統(tǒng)接收的移動授權(quán)以及線路數(shù)據(jù),生成制動曲線,顯示在坐標(biāo)區(qū);當(dāng)前系統(tǒng)時間、GSM-R連接狀態(tài)、制動預(yù)警信息等也以文本或圖標(biāo)的形式顯示。

        圖5 協(xié)同仿真時序圖

        圖6 車載DMI界面顯示

        本文以“鄭西客運(yùn)專線”的實(shí)際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行協(xié)同仿真。

        3.1 追蹤運(yùn)行測試

        測試結(jié)果如圖7。圖7(a)為追蹤列車G1005,圖7(b)為前行列車 G1003,從地面子系統(tǒng)界面(圖7(c))可以看出,G1005的目標(biāo)點(diǎn)為G1003所在閉塞分區(qū)的始端K965+768。

        圖7 列車追蹤運(yùn)行

        3.2 故障設(shè)置

        設(shè)置GSM-R故障或RBC故障,仿真結(jié)果如圖8所示。GSM-R/RBC故障前,列車處于CTCS3級運(yùn)行,坐標(biāo)區(qū)用藍(lán)色陰影顯示最限制速度曲線,見圖8(a);故障后,車載協(xié)同仿真子系統(tǒng)進(jìn)入CTCS2級部分監(jiān)控模式,坐標(biāo)區(qū)顯示常用制動曲線和緊急制動曲線,如圖8(b)所示。

        圖8 GSM-R故障/RBC故障設(shè)置

        3.3 臨時限速設(shè)置

        在K940+000~K942+000間設(shè)置限速值為80 km/h的臨時限速,仿真結(jié)果如圖9所示。從速度表盤可以看出,臨時限速設(shè)置前(圖9(a)),當(dāng)前允許速度是350 km/h,目標(biāo)速度為0 km/h,坐標(biāo)區(qū)顯示目標(biāo)點(diǎn)為移動授權(quán)終點(diǎn);設(shè)置臨時限速后(圖9(b)),當(dāng)前允許速度為200 km/h,目標(biāo)速度為80 km/h,目標(biāo)點(diǎn)為臨時限速的起點(diǎn)。

        3.4 仿真結(jié)果記錄

        圖9 臨時限速設(shè)置

        仿真結(jié)果數(shù)據(jù)在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中的實(shí)時記錄見圖10。每隔1 s,車載仿真子系統(tǒng)向數(shù)據(jù)庫記錄一次仿真結(jié)果數(shù)據(jù),從圖10所示的數(shù)據(jù)庫記錄表的表頭可以看出,記錄數(shù)據(jù)包括車次號(DMI_ID),線路名(INLINENAME),制動預(yù)警時間圖標(biāo)編碼(C_INT_BM)等。

        圖10 數(shù)據(jù)庫中的仿真數(shù)據(jù)記錄

        4 結(jié)論

        在高速鐵路耦合大系統(tǒng)的平臺下,研究列控車載協(xié)同仿真子系統(tǒng)與高速列車、牽引供電和鐵路線路等子系統(tǒng)間的耦合關(guān)系,設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了列控車載協(xié)同仿真子系統(tǒng)。本文以“鄭西客運(yùn)專線”實(shí)際線路數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行列車追蹤、故障設(shè)置、臨時限速設(shè)置等仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該子系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與高速列車動力學(xué)、牽引傳動和自動駕駛等各專業(yè)仿真子系統(tǒng)的可靠數(shù)據(jù)交互,能在復(fù)雜環(huán)境下保證列車安全運(yùn)行,可為高速鐵路耦合大系統(tǒng)進(jìn)行高速鐵路安全性仿真驗(yàn)證提供有力的保障。

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