城市轨道交通智能控制系统第三次作业

城市轨道交通——第三次作业CHENGSHIGUIDAOJIAOTONG制作：电车二班2010xxxx文xxPage2目录测速原理及技术速度控制列车定位CBTC闭塞技术Page3一、测速原理及技术城市规带交通中的列车速度信息在ATC系统中具有重要的地位。对列车的控制需要检测列车的速度，并由即时速度测算出列车位置，将这些信息汇集到控制中心。控制中心根据线路上列车流量的情况，生成对车流中各列车和地面设备的控制命令；店面设备接收到控制命令后完成相应操作；列车更根据控制命令，结合列车的速度信息、位置信息、线路地理以及列车状况等信息，对列车上的各种设备进行具体的控制。由此可见，几乎所有的ATC功能的实现都需要列的速度信息的支撑。Page4在车轮外侧安装测速发电机，发电机所产生的交流电压的频率与列车速度（主轮的速度）成正比。经过频率—电压的变换，把列车的实际运行速度变化为电压。在轴承盖上安装脉冲传感器，车轮每转一周，传感器输出一定数量的脉冲或方波信号，对输出信号计数测出脉冲或方波的频率，便可换算得出列车的运行速度。在车头位置安装多普勒雷达，雷达向地面发射一定频率的信号，并检测反射回来的信号。由信号之间的频率差便可以计算出列车运行方向和运行速度。常用的列车测速方法有：测速发电机测速、脉冲速度传感器测速、多普勒雷达测速。Page51、测速发电机测速输出电动势与转速成比例的微型电机。测速发电机的绕组和磁路经精确设计，其输出电动势E和转速n成线性关系，即E＝kn，其中k是常数。改变旋转方向时输出电动势的极性即相应改变。当被测机构与测速发电机同轴联接时，只要检测出输出电动势，即能获得被测机构的转速，故又称速度传感器。测速发电机广泛应用于各种速度或位置控制系统。测速发电机是速度信号电机的代表，其工作原理实质上是一种将转速变换为电信号的机电磁元件，其输出电压与转速成正比。从工作原理上讲，它属于“发电机”的范畴。Page6现代的列车控制功能需要监督列车的速度和确定列车与参考点的距离，同时应提供有用的与列车加速度、速度、车轴旋转方向有关的数据。因此，电子测速电机得到了使用，它安装在车轴上，快速的检测转速(数/分)的变化和旋转的方向。测速电机给ATP功能提供输入信息。该信息对于计算列车的速度、距离、方向信息和保证列车安全都是必需的。每个驾驶室/车载计算机单元配置一个测速电机，也就是说每列车需要装备两个测速电机。Page7测速发电机安装在车轮外侧，发电机所产生的交流电压的频率与列车速度（主轮的速度）成正比。经过频率——电压的变换，把列车的实际运行速度变化为电压。测速发电机所产生的频率与机车速度之间的关系是：所以由测速发电机频率可得机车速度：式中f——测速发电机产生的频率，Hz；V——列车速度，km/h;D——车轮直径，mZ——发电机的齿数；V=3.6DZf1VZ=3.6DfPage8为了确保发电机线圈断线的故障-安全，在频率变换电路中使机车速度为零时也产生一定的频率，这样就可以区分机车速度为零还是故障。当频率为零时（或某频率以下），设备就可以报警或自动停车。频率—电压变换电路的原理如下图所示。在速度增长时，即交流信号增大，这时多谐振荡器为发射极耦合触发器，其输出与测速发电机同步。当列车速度低于一定值（近似为零）时，电路由射极耦合触发器变为自激多谐振荡器。车轮直径越大输出速度电压频率越低，反之越高。因此需设置一个车轮直径补偿电路，已消除不同直径的车轮所产生的差异。多谐振荡器微分电路单稳态电路整形平滑电路去比较电路发电机Page92、脉冲速度传感器测速在轴承盖上安装脉冲传感器，车轮每转一周，传感器输出一定数量的脉冲或方波信号，对输出信号计数测出脉冲或方波的频率，便可换算得出列车的运行速度。采用霍尔效应原理实现的一种测速方法。其基本原理是对车轮旋转计数。Page10脉冲速度传感器的基本原理是对车轮旋转计数。因此需在轴承盖上安装信号发生器。车轮每转一周，发生器输出一定数量的脉冲或方波信号，对信号发生器输出信号计数，测出脉冲或方波的频率即可得出列车运行速度。V──列车实际运行速度，km/hD──机车轮径N──脉冲速度传感器车轮每转1圈的脉冲数f──测出的传感器输出的脉冲频率V=3.6DNfPage11霍尔脉冲速度传感器由铝盘和霍尔传感器探头组成。铝盘外缘有规则粘接了若干磁钢片，铝盘安装在机车动轮轴头的顶端，传感器探头安装在轴箱盖上。据采用的霍尔元件不同，一个探头可以输出一路或两路速度信号。霍尔脉冲传感器是采用霍尔效应原理测量转速的。当磁钢片在霍尔元件下方时，霍尔元件可以探测到霍尔电势，不在下方时就无霍尔电势。当铝盘转动时，霍尔元件就会产生与铝盘转速成正比的霍尔电势脉冲，通过对比脉冲分析计算就可测得铝盘转速。霍尔传感器示意图Page123、多普勒雷达测速多普勒雷达测速装置该方法利用多普勒效应测量列车的运行速度。在车头位置安装多普勒雷达，雷达向地面发送一定频率的信号，并检测反射回来的信号。由于列车的运动会产生多普勒效应，所以检测的信号频率与发射的信号频率是不完全相同的。如果列车在前进状态，反射的信号频率高于发射信号频率；反之，则低于发射信号频率。而且，列车的运行速度越快，两个信号之间的频率差越大。通过测量两个信号之间的频率差就可以获取列车的运行方向和即时运行速度。多普勒效应：物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高（蓝移blueshift）；当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低（红移redshift）；波源的速度越高，所产生的效应越大。根据波红（蓝）移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速。Page13雷达传感器和测速电机一起用于速度和距离的测量。通过使用雷达传感器，可以提高速度测量的精度。如将F=24.125GHz微波辐射到轨道，然后经过反射后被雷达传感器检测到。根据多普勒效应，将会发生随列车速度变化的频率漂移，由此检测实际列车速度和行驶距离，并且不受车轮空转/打滑的影响。多普勒雷达测速方法对于列车测速的精度和频率要求都比较高。采用此种方法的设备相对于采用脉冲速度传感器方法的较为复杂，如果地面不平导致电波的散射较厉害时，测量难度会加大。但它的优点在于克服了车轮磨损、空转、滑行等造成的误差，可以连续测速。Page14二、速度控制速度控制模式：在城市轨道交通领域中，列车运行自动控制系统主要是依靠控制列车运行的速度来实现的。其特点是列车从地面获取信息和命令，控制列车运行，确保在安全的前提下实现最小列车运行间隔。从列车速度控制方式的角度，列车运行自动控制系统可分为阶梯式控制和速度－距离模式曲线控制两种。阶梯式控制分超前式和滞后式两种。速度-距离模式曲线控制分分段曲线控制和目标-距离控制。Page151、阶梯式控制模式阶梯式控制模式是按照制动性能最差列车安全制动距离要求，以一定的速度等级将轨道划分成若干固定区段。一旦这种划分完成，每一列车无论其制动性能如何，其最小追踪距离至于其运行速度、区段划分有关，对于制动性能好的列车其运力将得不到充分的发挥。所以，这种速度控制模式一般用在运量不大，运行速度不高的固定闭塞线路，如，日本新干线ATC和法国TVM-300就分别用的这种模式中的超前式控制和滞后式控制。Page162、速度-距离模式曲线控制在速度-距离模式曲线控制中，列控地面设备向车载设备传送目标、线路参数、限制信息等信息，列控车载设备依据列车制动模型实际计算当前最大允许速度，并与列车运行比较，实时监控列车运行速度。由于车载设备按本车实际性能实时计算控制模式曲线，可以根据列车实际性能自行控制其追踪间隔，使各个列车的性能得到充分的发挥。其中的曲线式分级速度控制模式只适用于运行一种性能列车的情况。而对中、高速混跑运行的线路，如果列车制动性能相差较大，采用这种模式要想达到较高的通过能力是比较困难的。法国TVM-430列车控制系统就是采用这种控制模式。目标-距离控制模式适用于各种不同性能列车和不同运行速度的混合线路。Page17超前速度控制模式超前速度控制模式示意图5G4G3G2G1G0G543210速度控制曲线列车运行曲线V2V4V3V1Page18滞后速度控制模式滞后速度控制模式示意图速度控制曲线3G4G55G42G321G10G0列车运行曲线V13V3V4V2V2V4VPage19目标-距离模式曲线控制方式列车运行曲线4G5G543G32G21G0G10速度控制曲线目标-距离模式曲线控制方式Page20三、闭塞技术列车运行自动控制系统是依靠控制列车运行速度的方式来保证列车按照空间间隔制运行的。运行列车间必须保持的空间间隔首先是满足制动距离的需要，同时还要考虑适当的安全余量和确认信号时间内的运行距离。列车间的追踪运行间隔越小，运输能力就越大。由此可见，闭塞技术是解决缩小列车运行间隔提高线路的运输效率并保证列车安全运行的问题，目前用于城市轨道交通系统的闭塞方式有三种：固定闭塞、准移动闭塞和移动闭塞。Page21固定闭塞：由于以固定的闭塞分区为单位作为追踪列车间的安全间隔，现已不适合城市轨道交通发展的要求。准移动闭塞：闭塞分区是用轨道电路或计轴装置来划分的，它具有列车定位和占用轨道的检查功能。在城市轨道交通中使用较普遍。移动闭塞：代表目前闭塞技术的发展方向，正在发展完善之中。在我国城市轨道交通系统中已有应用，如武汉轻轨一期、广州地铁3号线、北京地铁10号线等。Page22移动闭塞、准移动闭塞与固定闭塞比较固定闭塞准移动闭塞移动闭塞制动的起点某一分区边界变化动态变化制动的终点某一分区边界某一分区边界动态变化追踪目标点闭塞分区始端闭塞分区始端前车尾部空间间隔长度固定不固定动态变化系统组成简单较复杂简单功能简单较强大强大列车定位技术轨道电路/计轴轨道电路/计轴列车自身定位列车定位精度一个轨道分区，几百米几十米几米地-车信息传输模拟轨道电路，单向传输数字轨道电路，单向传输环线/无线/波导管等，双向传输地-车传输信息量小，十几个信息较大，几百个信息内大，达到几兆正线间隔最小2.5分钟达到90秒最小70秒易实施性难难容易技术先进性落后较先进先进Page23闭塞制式固定闭塞准移动闭塞移动闭塞成熟度成熟成熟较成熟初期投入成本小较大较大全生命周期成本小大较大国家可持续发展有优势（非大运量交通）优势不明显优势明显（可实现跨越式发展）维护量大大小管理要求（人员和水平）低较高高RAMS低较高高智能化程度低较高高互联互通的支撑性弱较强强Page24移动闭塞技术的优势基于通信的移动闭塞列车控制技术是发展方向，代表了国际最先进水平。可实现双向、连续通信，且信息量大。进一步缩短行车间隔，提高载客量。可以节省基建投资(短车、高密度、短站台)。最大限度减少不必要的制动、平衡全线加速（或减速、停站时间等）实现节能。支持无人驾驶。可靠性高。通过对三种闭塞制式的比较，可以看出相比其他两种闭塞形式移动闭塞具有诸多优点。随着社会经济的不断发展和生产规模的不断扩大，轨道交通所承担的运输任务也将不断加大，这要求在轨道交通运行控制中不断缩小行车间隔，提高运行速度，以达到提升运输能力的目的，由此必然需要更安全有效的线路闭塞技术，移动闭塞具有诸多优点，可以在保证行车安全的基础上使线路运输能力得到很大的提升，所以，在闭塞技术中移动闭塞是目前主要的发展方向。Page25移动闭塞主要技术特征线路没有被固定划分的闭塞分区。列车间的间隔是动态的、并随前一列车的移动而移动。该间隔是按后续列车在当前速度下的所需制动距离、加上安全余量计算和控制的，确保不追尾。采用速度-目标距离控制模式（一次控制模式）。制动的起始和终点是动态的。后行列车从最高速开始制动的计算点是根据目标距离、目标速度及列车本身的性能计算决定的。目标点是前行列车的尾部，与前行列车的走行和速度有关，是随时变化的。轨旁设备的数量与列车运行间隔关系不大。Page26移动闭塞基本原理移动闭塞系统中列车和轨旁