CN102897193B - 一种基于能量守恒原理的自动列车保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于能量守恒原理的自动列车保护方法，包括以下步骤：步骤A：计算列车的动能初始值E_k0；步骤B：计算列车从初始位置到牵引力切除过程中的牵引力做功W_traction；步骤C：计算列车从初始位置到停车过程中的重力做功W_g；步骤D：计算列车从施加制动位置到停车过程中的制动力做功W_braking；步骤E：计算列车从初始位置到停车点间的所有限制点的最大允许动能；步骤F：判断该列车动能是否超过限制点的最大允许动能，若为是，及时触发列车紧急制动，否则正常运行。与现有技术相比，本发明具有安全性高、可靠性高等优点。

Description

一种基于能量守恒原理的自动列车保护方法

技术领域

本发明涉及一种自动列车保护方法，尤其是涉及一种基于能量守恒原理的自动列车保护方法。

背景技术

自动列车保护系统(ATP)是自动列车控制系统的核心部分，负责保障行车安全。自动列车保护方法的基本思想，是根据列车速度及所在线路的坡度、限速或停车点等信息，计算列车在当前运行条件下如果触发紧急制动，是否会满足下游线路的安全限速或停车要求。其实质就是判断列车的运行速度是否会超过实时计算的紧急制动触发曲线，如果列车运行在该曲线之下，认为是安全的；否则，应立即触发紧急制动确保安全停车。

图1是列车运行时的ATP工作示意图，其中横坐标为列车的行走距离(以列车当前位置为原点)，纵坐标为列车速度。可以看到，线路上有一系列限速点(S1、S2、S3)、停车点(限制状态信号机)和坡度变化点(P1、P2)。ATP应始终判断列车速度与紧急制动触发曲线的关系，确保能够在停车点前安全停车。

图2是ATP请求紧急制动后的列车的运动示意图，图中横坐标为列车位移，纵坐标为速度，列车车头位于坐标原点X0。从请求紧急制动到停车将经历三个阶段，对于这三个阶段的成因，在列车牵引计算等相关书籍中已介绍，在此不作详细说明。

F201：X0到X1，即从请求紧急制动到牵引力切除阶段，此阶段中牵引力还未切除，制动力也未施加。

F202：X1到X2，此时列车牵引力已切除，但制动力还未施加，列车受惯性和重力(坡度)影响惰行前进。

F203：X2到XC，此阶段紧急制动已施加，列车处于制动状态，直到停止。列车停在限制停车点X3之前的XC点，车速为0。

现有方法中，分段使用匀加速运动计算公式，得到列车在紧急制动后各个运行位置的速度，通过与该位置的限速比较，可判断实际是否需要触发紧急制动。所用公式(1)如下：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{k+1}=V_k+\mathrm{\α}\·t\\ V_{k+1}=\sqrt{V_k^2+2\mathrm{\α}\·\mathrm{\Δs}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中V_k+1表示经过步长k后的列车速度；V_k表示步长k的起始速度；α表示步长k的加速度；t表示运行时间；Δs表示步长k的距离。

参照图3所示，为现有技术的自动列车保护方法计算过程流程图。

步骤F301：计算列车空走时间后的速度；

空走时间即对应图2的F201和F202阶段。

步骤F302：确定列车步长k的加速度；

列车加速度由紧急制动加速度和和坡度加速度叠加而成。

步骤F303：计算到下游第一个坡度/限速变化点处的速度。

步骤F304：判断是否坡度变化点。

如果是坡度变化点，则应修改当前使用的列车减速度，回到步骤F302.

步骤F305：判断是否结束。

如果计算得到速度为0，或者该速度已超过限制点限速，结束本过程。

否则，回到步骤F303，开始下个步长的计算。

使用图3所示方法，一方面其流程是嵌套结构，结构较为复杂；另外，在实时运行时需要进行包括开根号的浮点数运算，严重影响自动列车保护系统的执行效率。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种安全性高、可靠性高的基于能量守恒原理的自动列车保护方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于能量守恒原理的自动列车保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：计算列车的动能初始值E_k0；

步骤B：计算列车从初始位置到牵引力切除过程中的牵引力做功W_traction；

步骤C：计算列车从初始位置到停车过程中的重力做功W_g；

步骤D：计算列车从施加制动位置到停车过程中的制动力做功W_braking；

步骤E：计算列车从初始位置到停车点间的所有限制点的最大允许动能；

步骤F：根据以下公式可得到列车的动能，并判断该列车动能是否超过限制点的最大允许动能，若为是，及时触发列车紧急制动，否则正常运行；

E_k＝E_k0+W_g+W_traction+W_braking

式中E_k为列车动能；E_k0为列车动能初始值；W_g为重力做功；W_traction为牵引力做功；W_braking为制动力做功。

所述的步骤A：列车的动能初始值E_k0包括列车车体的平动动能和所有车轮的转动动能，具体计算如下，

$E_{k0}=\frac{1}{2}\·M_{\mathrm{train}}{V}_0^2+\frac{1}{2}\·\frac{J}{R^2}{V}_0^2$

式中，E_k0为列车动能初始值；M_train为列车质量；V₀为列车初始速度；J为列车转动惯量；R为车轮半径。

所述的步骤B：列车从初始位置到牵引力切除过程中的牵引力做功W_traction，可由列车在不同速度下的牵引加速度计算得到，具体计算如下，

$W_{\mathrm{traction}}(X_0\→X)={\∫}_{X_0}^X(M_{\mathrm{train}}\·{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{traction}}\left(X\right)+\frac{J}{R^2}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{traction}}\left(X\right))\∂X$

式中，W_traction为牵引力做功；M_train为列车质量；Γ_traction为当车速为V(X)时牵引力提供的加速度；J为列车转动惯量；R为车轮半径。

所述的步骤C：列车从初始位置到停车过程中的重力做功W_g，具体计算如下，

$W_g(X_0\→X)={-M}_{\mathrm{train}}\·g\·{\∫}_{X_0}^X\mathrm{grad}\mathrm{ient}\left(X\right)\∂X$

式中，W_g为重力做功；M_train为列车质量；g为重力加速度；gradient(X)为线路在X处的坡度。

所述的重力做功可由离线计算并存储在线路地图中。

所述的步骤D：列车从施加制动位置到停车过程中的制动力做功W_braking，具体计算如下，

$W_{\mathrm{braking}}(X_2\→X)={\∫}_{X_2}^X(M_{\mathrm{train}}\·{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{braking}}\left(X\right)+\frac{J}{R^2}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{braking}}\left(X\right))\∂X$

式中，W_braking为制动力做功；M_train为列车质量；Γ_braking为当车速为V(X)时紧急制动提供的减速度；J为列车转动惯量；R为车轮半径。

所述的制动力做功可由离线计算并存储在线路地图中。

所述的步骤E：列车从初始位置到停车点间的所有限制点的最大允许动能，具体计算如下所示，

$E_{\mathrm{limit}}=\frac{1}{2}\·M_{\mathrm{train}}{V}_{\mathrm{limit}}^2+\frac{1}{2}\·\frac{J}{R^2}{V}_{\mathrm{limit}}^2$

式中，E_limit为限制点的列车动能限制值；M_train为列车质量；V_limit为限制点列车限速；J为列车转动惯量；R为车轮半径。

所述的限制点为从列车初始位置下游到限制停车点间所有对列车最大速度有约束的区域的起始点。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、安全性高，通过比较紧急制动后列车运行到下游限制点时的动能和该限制点允许的动能，判断是否触发紧急制动，确保列车的安全运行。

2、可靠性高，将传统自动列车保护方法的执行流程简化为顺序执行，并可由离线计算坡度变化导致的重力做功和相邻限制点间的制动力做功值，避免了浮点数的开方运算，减小了在线计算的工作量，增强了计算的可靠性，提高了计算效率。

附图说明

图1为自动列车保护系统工作示意图；

图2为列车紧急制动后的运行示意图；

图3为现有技术的自动列车保护方法的流程图；

图4为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明一种基于能量守恒原理的自动列车保护方法，根据该方法的判断结果能够及时触发列车紧急制动，确保列车在行驶过程中满足线路的安全限速要求，同时利用离线计算结果减小在线运算量，提高执行效率。

本方法的基本思路，是根据能量守恒原理，将列车运行过程中动能的改变量等同于所受重力、牵引力和制动力做功的结果。即通过分别计算上述作用力做功的值，判断列车动能是否满足下游限制点的动能限制要求。能量守恒过程如公式(2)所示：

E_k＝E_k0+W_g+W_traction+W_braking(2)

式中E_k为列车动能；E_k0为列车动能初始值；W_g为重力做功；W_traction为牵引力做功；W_braking为制动力做功。

参照图4，为本发明实施基于能量守恒原理的自动列车保护方法的流程图。

所述方法具体包括以下步骤：

步骤F401：计算列车的动能初始值。

列车动能由列车车体的平动动能和所有车轮的转动动能两部分组成，如公式(3)所示。

$E_{k0}=\frac{1}{2}\·M_{\mathrm{train}}{V}_0^2+\frac{1}{2}\·\frac{J}{R^2}{V}_0^2---\left(3\right)$

式中，E_k0为列车动能初始值；M_train为列车质量；V₀为列车初始速度；J为列车转动惯量；R为车轮半径。

步骤F402：计算列车从初始位置到牵引力切除过程中的牵引力做功。

列车牵引力仅在从触发紧急制动到牵引力切除阶段做功，即图2所示的X0至X1阶段。

相对列车动能而言，牵引力总是做正功。

列车牵引力可由列车在不同速度下的牵引加速度计算，如公式(4)所示。

$W_{\mathrm{traction}}(X_0\→X)={\∫}_{X_0}^X(M_{\mathrm{train}}\·{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{traction}}\left(X\right)+\frac{J}{R^2}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{traction}}\left(X\right))\∂X---\left(4\right)$

式中，W_traction为牵引力做功；M_train为列车质量；Γ_traction为当车速为V(X)时牵引力提供的加速度；J为列车转动惯量；R为车轮半径；X₀为初始位置。

步骤F403：计算列车从初始位置到停车过程中的重力做功。

在整个列车运行过程中，如果线路坡度不为0，则重力均会做功。当上坡时，重力做负功，下坡时，重力做正功。

$W_g(X_0\→X)={-M}_{\mathrm{train}}\·g\·{\∫}_{X_0}^X\mathrm{grad}\mathrm{ient}\left(X\right)\∂X---\left(5\right)$

式中，W_g为重力做功；M_train为列车质量；g为重力加速度；gradient(X)为线路在X处的坡度。

重力做功受线路坡度影响，而线路坡度是静止不变的，因此相对于相邻坡度变化点的重力做功，可由离线计算并存储在线路地图中，减少ATP在线计算的工作量。

步骤F404：计算列车从施加制动位置到停车过程中的制动力做功。

制动力在X2到X3阶段做功，相对于列车动能，制动力做负功，如公式(6)所示：

$W_{\mathrm{braking}}(X_2\→X)={\∫}_{X_2}^X(M_{\mathrm{train}}\·{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{braking}}\left(X\right)+\frac{J}{R^2}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{braking}}\left(X\right))\∂X---\left(6\right)$

式中，W_braking为牵引力做功；M_train为列车质量；Γ_braking为当车速为V(X)时紧急制动提供的减速度；J为列车转动惯量；R为车轮半径。

列车在相邻限制点间的制动力做功，可由离线计算并存储在线路地图中，减少ATP在线计算的工作量。

步骤F405：计算列车从初始位置到停车点间的所有限制点的最大允许动能。

限制点是轨道上一系列对列车的最大速度有约束的点，根据限制点的限速，可以计算出该限制点允许的动能最大值，如公式(7)所示。

$E_{\mathrm{limit}}=\frac{1}{2}\·M_{\mathrm{train}}{V}_{\mathrm{limit}}^2+\frac{1}{2}\·\frac{J}{R^2}{V}_{\mathrm{limit}}^2---\left(7\right)$

式中，E_limit为限制点的列车动能限制值；M_train为列车质量；V_limit为限制点列车限速；J为列车转动惯量；R为车轮半径。

步骤F406：判断列车动能是否超过限制点的最大允许动能。

通过比较列车动能与限制点的限制动能，即可判断列车是否超能，即如公式(8)所示，式中左半部分即为公式(2)中的列车动能。

E_k0+W_g+W_traction+W_braking＜E_limit(8)

式中E_k0为列车动能初始值；W_g为重力做功；W_traction为牵引力做功；W_braking为制动力做功；E_limit为限制点的限制动能。

基于能量守恒的自动列车保护方法核心就是确保公式(8)的成立，如果计算发现该不等式不成立，则认为列车超能，应当触发紧急制动，确保安全停车。

Claims (4)

1.一种基于能量守恒原理的自动列车保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：计算列车的动能初始值E_k0；

步骤B：计算列车从初始位置到牵引力切除过程中的牵引力做功W_traction；

步骤C：计算列车从初始位置到停车过程中的重力做功W_g；

步骤D：计算列车从施加制动位置到停车过程中的制动力做功W_braking；

步骤E：计算列车从初始位置到停车点间的所有限制点的最大允许动能；

步骤F：根据公式(1)可得到列车的动能，并判断该列车动能是否超过限制点的最大允许动能，若为是，及时触发列车紧急制动，否则正常运行；

E_k＝E_k0+W_g+W_traction+W_braking(1)

式中E_k为列车动能；E_k0为列车动能初始值；W_g为重力做功；W_traction为牵引力做功；W_braking为制动力做功；

所述的步骤A：列车的动能初始值E_k0包括列车车体的平动动能和所有车轮的转动动能，具体计算为公式(2)所示，

$E_{k0}=\frac{1}{2}\·M_{train}{V}_0^2+\frac{1}{2}\·\frac{J}{R^2}{V}_0^2---\left(2\right)$

式中，E_k0为列车动能初始值；M_train为列车质量；V₀为列车初始速度；J为列车转动惯量；R为车轮半径；

所述的步骤B：列车从初始位置到牵引力切除过程中的牵引力做功W_traction，可由列车在不同速度下的牵引加速度计算得到，如公式(3)所示；

$W_{traction}(X_0\→X)={\∫}_{X_0}^X(M_{train}\·{\mathrm{\Γ}}_{traction}(X)+\frac{J}{R^2}{\mathrm{\Γ}}_{traction}(X\left)\right)\∂X---\left(3\right)$

式中，W_traction为牵引力做功；M_train为列车质量；T_traction为当车速为V(X)时牵引力提供的加速度；J为列车转动惯量；R为车轮半径；

所述的步骤C：列车从初始位置到停车过程中的重力做功W_g，具体计算如公式(4)所示，

$W_g(X_0\→X)=-M_{train}\·g\·{\∫}_{X_0}^{X}gradient\left(X\right)\∂X---\left(4\right)$

式中，W_g为重力做功；M_train为列车质量；为重力加速度；gradient(X)为线路在X处的坡度；

所述的步骤E：列车从初始位置到停车点间的所有限制点的最大允许动能，具体计算如公式(6)所示，

$E_{\lim it}=\frac{1}{2}\·M_{train}{V}_{\lim it}^2+\frac{1}{2}\·\frac{J}{R^2}{V}_{\lim it}^2---\left(6\right)$

式中，E_limit为限制点的列车动能限制值；M_train为列车质量；V_limit为限制点列车限速；J为列车转动惯量；R为车轮半径；

所述的限制点为从列车初始位置下游到限制停车点间所有对列车最大速度有约束的区域的起始点。

2.根据权利要求1所述的一种基于能量守恒原理的自动列车保护方法，其特征在于，所述的重力做功可由离线计算并存储在线路地图中。

3.根据权利要求1所述的一种基于能量守恒原理的自动列车保护方法，其特征在于，所述的步骤D：列车从施加制动位置到停车过程中的制动力做功W_braking，具体计算如公式(5)所示，

$W_{braking}(X_2\→X)={\∫}_{X_2}^X(M_{train}\·{\mathrm{\Γ}}_{braking}(X)+\frac{J}{R^2}{\mathrm{\Γ}}_{braking}(X\left)\right)\∂X---\left(5\right)$

式中，W_braking为制动力做功；M_train为列车质量；T_braking为当车速为V(X)时紧急制动提供的减速度；J为列车转动惯量；R为车轮半径。

4.根据权利要求3所述的一种基于能量守恒原理的自动列车保护方法，其特征在于，所述的制动力做功可由离线计算并存储在线路地图中。