CN107685743B - 智能车钩系统 - Google Patents

Abstract

智能车钩系统是代替传统密接式车钩，实现列车调车作业自动化的列车间连接装置，系统由自动车钩本体、物理测距器、距离/车速解析器、驱动操作转换器、传感器等构成，车钩本体中含有多个传感器，借助智能车钩以更好地实现轨道交通合分联运模式的操作转型，有利于降低铁路员工劳动负担和精神压力，提高调车质量效率，更有望打破铁路运输最高设计容量的机制约束，挖掘出巨大的产能潜力，使铁路运输更多更好地满足社会经济发展的需要。

Description

智能车钩系统

技术领域

本发明属于轨道交通中的列车设备领域，具体地说，涉及一种承担动车组列车之间连接的车钩装置。

背景技术

轨道交通是一种高能效、高集中度、高载量的运输体系，为陆上高速度、高效率、大运量、节能低碳的运输方式，这些优点是其它陆上交通所难以企及的；但是，它的缺点也同样明显，那就是，与其它陆上交通、特别是汽车运输相比，轨道交通列车运行的机动性非常差。

怎样更好发挥轨道交通的大运量低碳运输优势，同时克服其机动性差的缺点，必须找到一种全新的运行模式，这是轨道交通运输设备和运输技术领域，特别是高速客车运营中特别重大、实用的深刻创新课题。

中国发明专利授权201110023132.2《轨道交通合分联运方法》，以其非常简单明了的操作思路和非常低的改进成本，提出了一种新的运行模式，突破了阻绕轨道交通进一步发展的瓶颈制约，即以“合”的方式进一步发扬其高效大容量的优势，同时以“分”的方式改善、消除其缺乏机动性的劣势。但是，合分联运方法所带来的列车间频繁的合分操作又会加重列车车钩的负担，增加站务、车务人员的劳动强度，所以有必要解决列车合分的非人力操作问题。

目前动车组所使用的传统车钩，虽然已经属于密接式自动车钩的范畴，自动车钩可以按自动程序完成车钩动作，完成列车的连挂或解编，但列车间的连挂或解编，具体的驱动操作仍以人工操纵的方式运作，在连挂或解编过程中，不管是司驾人员、机务人员还是站务人员都得高度思想集中、妥善配合操作、防止冲撞，防止损坏车钩，所以思想压力重、紧张程度高，此外还特别要保证车钩连接的牢固性和可靠性，防止列车在运行中脱钩，产生严重的甩车事故。

中国发明专利申请201510084463.5《高铁合分联运列车连接装置》，提出了一种适应合分联运需要的改进的合分联运车钩装置，但该列车连接装置主要突出“合或分”时的联锁功能，基本上仍以人工连挂操作为基础，这将势必增加车务或站务人员的工作频度和工作压力，不利于合分联运列车运输技术的推广发展。

发明内容

本发明的改进路线是将合分联运单一车钩装置改进成智能车钩系统。

而系统的思路是将合分联运列车的连接操作由人工为主改变为自动操作为主，即靠把自动车钩升级为智能车钩的方式实现列车间的自动连挂和自动解编。

首先，本发明智能车钩的定义和特征是，能根据人工指令和程序，但不依赖人为操作，安全、正确地自动完成列车间的连挂、解编操作，并能采取适当的与合分联运相关的后续行为的车钩自动化系统装置。

本发明的智能车钩自动化系统，是由自动车钩本体、物理测距器、距离/车速解析器、驱动操作转换器、传感器所构成；自动车钩为列车间的连接器，连接器中含有多个传感器。

物理测距器用于探测需连挂的两列车间的距离；距离/车速解析器和驱动操作转换器用以生成主挂列车驱动信号并自动向列车驾驶台发送列车开行的操作指令；传感器则用以测定车钩状态和/或受力、形变和反映特定的连锁工况；驱动操作转换器安装在列车驾驶车钟上或车钩控制箱上。

本发明引申的方法，是使列车的连挂或解编完成自动化操作转型，由智能车钩自动完成列车连挂或解编的列车操作，可不依赖于人工操作，减轻了操作人员的劳动强度和精神负担，实现了合分联运中的频繁连挂或解编，使合分联运更好地发挥轨道交通运输的高速大运量优势，同时克服其机动性差的缺陷。

本发明的直接技术效果是解决了列车人工操作的低效和耗时，减轻了工作压力，提高了操作质量；而间接效果更由于有利于合分联运的运行，使列车组获得更大的客运量，以及远低于各车分别运行时的总能耗，有利于节能减排，降低交通碳排放，提高铁路运输效率，更好地发挥轨道交通的大流量、快速、节能、减排优势，同时也能克服轨道交通运输机动性差的缺点，是铁路运输中的一项重大技术进步的创新。

附图说明

图1、本发明的一种标尺式物理测距器结构简图

图2、标尺式物理测距器动作示意图

图3、本发明的利用射线测距的射线测距器结构简图

图4、射线测距器测距原理示意图

图5、本发明的连挂列车驱动信号特性曲线图

图6、智能车钩本体结构简图

图7、合分信号磁感应传感器示意图

图8、本发明的自动连挂解编准备工作示意图

图9、本发明的动态自动解编准备工作示意图。

具体实施方式

既然轨道交通运输体系具有大运量的优势，半个世纪前日本开发的东海道新干线又开创了全球铁路高速化新时代。今天，认为铁路运输是夕阳产业的观点正在淡出人们视线，高速铁路列车的优点已为包括美国在内的全球发达国家认可。那么通过列车，特别是客运列车的“合”，即连挂在一起运行的更多车厢的大列车组，可以更好地发挥轨道运输体系高速大运量的优势；同时，通过列车的“分”，即大列车组的解编，也就是在大列车组中的列车具有不同目的站，甚至不同方向车站的组合运输，或需要解决部分停和部分行的矛盾时，实行列车自由分拆解编(列车间的解编而并不是列车与车厢的解编)，就解决了体系机动性不足的难题。所以说，通过与“合分联运”的有机联合运行相结合，配合自动操作，可使轨道交通运输体系发生革命性的变革。

车钩属于车端连接装置，是用来实现机车与车辆或列车和列车之间的连接，传递牵引力及冲击力，并使车辆之间保持一定距离的车辆部件。车钩是体现轨道交通技术优势的精髓装置之一。在阐述本发明的智能车钩系统前，有必要对车钩历史、基础结构、动作原理和操作方法进行描述，作为智能车钩的知识铺垫。

车钩由最早人工操作的插销钩、螺旋链式钩，发展到詹尼式(Janney) 自动钩、旋转车钩等，在当今客运领域，已改进成密接式自动车钩，大量用在客运列车，特别是高速列车中列车间的连接。

旋转车钩主要用在货运列车中，车钩的构造与普通车钩不同，钩尾开有锁孔，钩尾销与钩尾框的转动套连接。钩尾端面为一球面，顶紧在带有凹球面的前从板上。当钩头受到扭转力矩作用时，钩身连同尾销以及转动套一起转动。这种车辆的一端装设旋转车钩，另一端装设固定车钩，整列车上每组连接的两个车钩，两两相互搭配。旋转车钩可以使车辆翻转卸货时不摘钩连续作业，缩短了卸货作业时间。

车钩缓冲器用来缓和列车在运行中由于机车牵引力的变化或在起动、制动及调车作业时车辆相互碰撞而引起的纵向冲击和振动。缓冲器有耗散车辆之间冲击力和振动的功能，从而减轻对车体结构和装载货物的破坏作用。缓冲器的工作原理是借助于压缩弹性元件来缓和冲击作用力，同时在弹性元件变形过程中利用摩擦和阻尼吸收冲击能量。缓冲器通常也可视为自动车钩中的重要配套部件。

整体自动车钩由钩头，钩身、钩尾三个部分组成、车钩前端粗大的部分称为钩头，在钩头内装有钩舌、钩舌销，锁提销，钩舌推铁和钩锁铁。车钩后部称为钩尾，在钩尾上开有垂直扁锁孔，以便与钩尾框联结。为了实现挂钩或摘钩，使车辆连接或分离，车钩具有以下三个位置，也就是车钩三态：

锁闭位置——车钩的钩舌被钩锁铁挡住不能向外转开的位置，两个车辆连挂在一起时车钩就处在这种位置。

开锁位置——即钩锁铁被提起，钩舌只要受到拉力就可以向外转开的位置。摘钩时，只要其中一个车钩处在开锁位置，就可以把两辆连挂在一起的列车分开。

全开位置——即钩舌已经完全向外转开的位置。当两车需要连挂时，只要其中一个车钩处在全开位置，与另一辆车钩碰撞后就可实现连挂。

密接式车钩一般用在高速铁路和地下铁道的车辆上。它的体积小、重量轻、两车钩连挂后各方向的相对移动量很小，可实现真正的“密接”；同时，对提高制动软管、电气接头自动对接的可靠性极为有利。是高速客运列车，特别是动车组列车间广泛采用的列车间连接装置。

现有的动车组列车通常采用密接式自动车钩，它包括机械钩、电路钩和气路钩，其构成了为列车间连接的整体结构。目前国际上密接式自动车钩有多种结构型式，主流结构为欧洲的沙库车钩和日本的柴田车钩等少数几种。

机械钩直接承受牵引力和冲击力，是列车之间连接的主体。电路钩和气路钩，分别用于列车之间电路、气路连接，是保证列车之间控制、供电、制动等功能连接的重要器件。另外，还有防止机械冲击的缓冲器，列车头尾车钩还有起保护作用兼改善列车空气动力学性能的导流罩。此外，为确保应急需要，自动车钩一般都设有手动操作功能，以防因车钩系统故障而无法连挂和脱钩，以最后人工操作手段实现车钩的挂合和解编。

现有自动车钩的大致工作过程分为连挂和解列，以动车组列车连挂加以具体说明。

在不连挂时，自动车钩通常收缩后藏在导流罩后面，导流罩处于关闭状态。

两列动车组列车连挂前，按要求在司机室触发本车的“连挂模式”，让车组的自动控制系统知道后续要进行的连挂作业，车组会自动做好动作准备。

连挂前，必须先行打开两车的导流罩，伸出机械钩。假设甲列车质量较大而乙列车质量较小，则通常甲列车处于静止制动状态，而由乙列车以低于5km/h的速度主动上前对接连挂，为减少连挂时的冲击，司机通常希望主动连挂车组的前进速度控制在2km/h内。

选定连挂模式后，除了自动开启导流罩伸出车钩外，被挂车组会自动做准备，预先施加紧急制动，对于没有停放制动的动车组也会施加制动力，确保连挂时主车组不会因为连挂冲击而串动。主动连挂的动车组在选定连挂模式后一般会自动限制可运行的最大速度以限制冲击力。

对于经常需要连挂的短编车组而言，导流罩和车钩的动作一般都是自动完成的，但连挂操作仍需由驾驶员和机械师配合人工操作，例如，司机则应驾驶其中一列动车组以很低的速度与另一列动车组靠近并对接，一般由机械师执行连挂操作。

由于动车组与动车组连挂时，车钩不一定是在一条直线上，沙库车钩在车钩的前面设置了凸锥、凹锥与导向杆。在这些部件作用下，两车机械钩将自动对中准备连挂。柴田车钩也有相应的导向机构。司机驾驶主动连挂车靠近被连挂车组，车钩自对中及机械钩的内部连挂装置将在机械师监督下完成连挂过程。

在机械钩连挂完成后，两列列车在机械上已经形成同一列型动车组。不过，此时两个动车组在电路上还是完全独立的。

机械钩连挂完毕后，紧跟着进行电路钩的伸出与对接。车组机械钩连通后，电钩驱动风缸的供风气路自动贯通，伸出电钩并对接。对接完毕后，控制系统通过确认电钩中的一组配合触点是否形成回路来判断电钩对接是否成功。就此，方可进行电路和网络的配置。以安全回路为例，这个时候，才通过接触器的通断，把两列列车各种安全回路由原来两个独立的小环组成一个大环。电路钩相连的前提是硬件结构相同且软件协议相容的同型动车组。列车级总线网络满足动态节点的功能，检测到有新的节点了， WTB也进行重新配置。这时，两列动车组才能组成为重联车组，连挂操作结束。

在车钩上部，安装有电气钩(切换器)，连接切换器可通过气缸的动作，将连接导线插座切换到“合并”或“分割”位置，“合并”时，则用于两动车组列车间连接电气线路。当车辆联挂时，插座防尘罩会自动抬起，插座连接面有防水密封垫，通过气缸的动作实现电气连接。

司机室左侧检修门内下部安装有连接插座切换器的操作器。选择操作器按钮，连接切换器可通过气缸的动作，将连接导线切换到“合并”或“分割”位置。

总风管接头较复杂，常态下利用弹簧压力将接口堵死，连挂时阀杆被连挂车推入，克服弹簧作用力将阀门打开，两列车总风管贯通。

车钩室内安装有空气管开闭器。动车组解编与联挂操作中，车钩带动空气管开闭器自动进行车辆联挂和解编后的MR空气回路接通和切断动作，完成气路连接。

车钩面接触后总风管导通，钩舌旋转后制动管导通，同时限位开关将钩舌动作信息反馈，主动连挂车知道自己连挂后也会触发紧急制动，这个就是连挂后通常会听到的制动气缸的排风声。

当然，即使紧急制动命令失效，对于设置有间接制动系统的车型，例如CRH3C型动车组，由于被连挂车组原来处于紧急制动状态，它的制动管还一直是开口的，连挂贯通制动管后，主动连挂车制动管也会通过被连挂车组排风口排风，在纯粹气路层面也会起到紧急制动的作用。这也就是产生“哗”的排风声的起因。

沙库车钩功能设置多、结构相应变得复杂，在现场应用中容易出现故障，德国的高速列车也如此。而柴田车钩的结构较简化，属于不可伸缩车钩。

上面谈到的是连挂，也就是“合”的操作，下面介绍的是解编，即“分”的操作，两者互为逆操作。

本处将现有传统解编操作涉及的设备动作说明如下：

需要解编时，先使电路钩脱钩，然后再给解构气缸充风，产生结构所需转矩，它克服钩锁弹簧的力，推动钩舌顺时针转向拉动钩舌转动，模拟解钩气缸动作的效果，实现解钩。

解钩风缸是一根直通的管道，当处于相连接状态的任何一组车发送解钩命令时，它能把本车组解钩风缸的驱动压缩空气提供给重联的另一个车，以便两车同时解钩，提高容错性。

总风管接头较复杂，解编后利用弹簧压力将接口堵死，各自保持本车的压力。

制动管的自动连通原理比总风管更复杂。尽管制动管与总风管都要求单编时截止，连挂后自动导通，但是考虑故障安全的原则，通常希望在动车组意外被拉断的情况下制动管能排风以产生紧急制动，所以制动管采用了不同的方案。其阀门是采用钩舌转动联动来实现的。

当车钩被意外拉断后，由于钩舌没有恢复，制动管依然处于开口排风状态，车组在气路层面上增加了自动施加紧急制动的机构。

电钩就是车钩中用来进行电路连接的机构，它是安装在机械钩上的电路“插座”。

电钩的动作一般也是通过气缸驱动的。不过电钩控制的特殊之处在于电钩的伸出必须建立在车组机械钩已经连挂好的前提上，否则电钩先伸出再进行机械钩的连接容易损坏电钩。而解编时，一般也要求在机械钩解钩之前，插座先行脱离，缩回电钩。

为了实现这个要求，在电钩的控制上与前面讨论的制动管导通非常类似，电钩动作风缸的供风也与钩舌中心转轴联动。

车组机械钩连通后，电钩驱动风缸的供风气路方才自动贯通，伸出电钩并对接，解编时则动作过程相反。

对于CRH2系列动车组所使用的柴田车钩，电路气路连接没有做得这么复杂，电钩使用机械联动，没有风缸伸缩机构。车钩端面上只设置总风管接口，未设制动管接口。总风管连挂完毕后通过电控的空气管开闭器控制其导通。使用机车拖动需要连接制动管时。预留了人工风管连接接口。此车钩未设有伸缩功能。从整体上讲，这种设计自动化程度低些，但可靠性较高。

传统动车组的连挂解编作业为：

两列动车组连挂前，按要求在司机室触发各车的“连挂模式”，让车组的自动控制系统知道后续要进行的连挂作业，车组会自动做好动作准备。两列车进行连挂端导流罩开启、车钩伸出的作业。

选定连挂模式后，除了自动开启导流罩伸出车钩外，被连挂车组会自动做准备，预先施加紧急制动，对于没有停放制动靴的动车组更需要施行紧急制动，确保连挂时车组不会因为连挂冲击而串动。主动连挂的动车组在选定连挂模式后一般会自动限制可运行的最大速度以限制冲击力。

司机驾驶其中一列动车组以很低的速度与另一列动车组靠近，车钩自对中及机械钩的内部连挂过程将自动完成。车钩面接触后总风管导通，钩舌旋转后制动管导通，同时限位开关将钩舌动作信息反馈，主动连挂车在连挂后也会触发紧急制动，这个就是连挂后我们听到压缩空气在列车间流动所产生的“哗”的排风声。当然，即使紧急制动命令失效，对于设置有间接制动系统的CRH3C型动车组，由于被连挂车组原来处于紧急制动状态。它的制动管还一直是开口的，连挂贯通制动管后，主动连挂车制动管也会通过被连挂车组排风口排风，在纯粹气路层面也会起紧急制动作用。

到这一步还远远没完，机械钩连挂完成后，两列列车组在机械上已经形成同列型动车组。不过，此时两个动车组在电路上还是完全独立的。

机械钩连挂完毕，紧跟着进行电钩的伸出与对接。对接完毕后，控制系统通过确认电钩中的一组配合触点是否形成回路来判断电钩对接是否成功。就此，方可进行电路和网络的配置。以安全回路为例，这个时候，才通过接触器的通断，把两列车各种安全回路由原来两个独立的小环组成一个大环。

列车级总线网络满足动态节点的功能，检测到有新的节点了，WTB 也进行重新配置。

确认上一步再进行下一步，这是保证系统正常工作的基本思路。整个过程这么多的作业，把车钩、制动、总线通信、安全回路全用上了，是不是容易出错呢？一般是不会的，各车型在整个过程中驾驶室显示器会自动地提示步骤信息。

最后，驾驶员换端激活车组，两个车组重联成一列车组。

电钩相连的前提是硬件结构相同且软件协议相容的同型动车组，作为一种运输车，必然有一种只是提供拖拉力的机械拖拉的模式，动车组也有这种只连挂机械钩，不连挂电钩的模式。

功能设置多了，结构自然变得复杂，现场应用中会经常出现故障，德国的高速列车也如此。我国车钩专家们在原型车的基础上，对德国新一代ValaroD动车组车钩进行了一些优化，如采用了与CRH2系列动车组类似的不可伸缩车钩的方案。

解编过程与重联过程相反。

如果自动解列操作故障，则列车上还可通过人工操纵解列，所以通常不存在因设备故障而引致不能解列的问题。

通过车钩使机车和车辆或车辆和车辆之间连挂、解编(去连挂)的操作是铁路调车的基础作业。

调车是铁路运输生产不可缺或的重要组成部分，调车作业是铁路系统为了解体、编组列车或摘挂、取送车辆等目的而使机车车辆在铁路线路上移动的作业。它是铁路行车工作的基本内容之一。安全是调车工作的基础，也是铁路运输生产的生命线和永恒的主题。

调车作业是铁路运输过程中最为重要的一个环节，但同时也是事故发生概率较高的一个环节。连挂控速不当，推送作业前端无人或人员不到位，连挂两车距离掌握上出现明显误差，导致与停留车超速连挂产生冲撞，并导致脱轨，在车务系统的事故中，其比例占事故发生总数的80％左右，所以调车安全仍是当前车务安全的薄弱环节和最大隐患。从原铁道部每月下发的车务系统安全通报来看，全路所发生的事故，几乎都与调车作业有关。这是因为调车作业总是伴随着机车、车辆的运动，是多工种、多环节的协同作业过程，随机性强，点多面广，要求机务、运转、客货运、装卸等多工种配合，受人——机——环境的影响，稍有不慎就会发生意外，造成人员伤亡、设备损坏，影响正常的运输生产秩序。由此可见，强化调车工作的安全管理对加速机车车辆周转，提高运输效率，降低运输成本，实现铁路的科学发展、和谐运行，甚至为国民经济又好又快发展具有十分重要的意义。

由上述描绘可知，车端连接系统是涉及调车作业的关键设备，也是体现轨道交通精髓的地方。

从上述存在的现状分析，有必要将现有的自动车钩，特别是密接式自动车钩升级为本发明的智能车钩。

智能车钩的定义和特征是，能根据人工指令和程序，但不依赖人为操作，安全、正确地自动完成列车间的连挂、解编过程，且采取与合分联运相关的适当的后续行为的车钩自动化系统装置。

一种轨道交通列车间的连接装置，其特征是，系统由自动车钩本体、物理测距器、距离/车速解析器、驱动操作转换器、传感器构成。

自动车钩本体为列车间的机械连接器，连接器中含有多个传感器；物理测距器用于探测需连挂的两列车间的距离；距离/车速解析器和驱动操作器转换器用以自动向列车驾驶台发送列车开行的操作指令；传感器则用以测定车钩状态和/或受力、形变和反映特定的联锁工况；转换器安装在列车驾驶车钟上或车钩控制箱上。

根据本发明智能车钩的定义，智能车钩本体由钩头，钩身、钩尾三个部分组成，钩头内装有钩舌、钩舌销，锁提销，钩舌推铁和钩锁铁。车钩本体与当前应用中的密接式车钩基本相似，前文已作说明。

用本发明的智能车钩取代动车组列车中的密接式车钩，是使列车的连挂或解编完成自动化操作转型，由智能车钩自动完成列车连挂或解编的列车操作，正常情况下无需人工操作，从而实现合分联运中的频繁连挂或解编，使合分联运更好地发挥轨道交通运输的高速大运量优势，同时克服轨道交通运输机动性差的缺陷。

智能车钩装置的操作层面包括自动操作、人工气动操作和完全手动操作三种模式，以自动操作为主，人工操作和手动操作作为自动操作失效时的辅助手段或应急操作下的补充手段。

自动连挂设计的具体设置描述为：

实现列车间的连挂模式是，希望主挂列车先以较快速度向被挂列车靠近，然后在接近被挂列车时，以仅可能低的速度接触被挂列车，最后以一个合适的冲击力将车钩头相互深入对方的车钩腔，所以测距器是自动连挂中的一个重要传感器。

为实现自动连挂和自动解编，本发明对原有列车驾驶操作台(通常称为车钟)作改进，所增加的驱动操作转换器(也可称合分操作转换开关) 设置在列车驾驶操作台或车钩控制箱上，为一种三位置转换开关；三位置为：正常运行操作位置、自动连挂操作位置和自动解编操作位置。

正常运行位置即列车正常运行时，由列车驾驶员操控列车运行速度或制动的操作工位，自动连挂(合操作)工位和自动解编(分操作工位)则为由机械师执行的车钩操作工位。

由于列车的正常驱动速度通常由驱动操纵器(俗称车钟)控制，所以必须在列车车钟上增设一个控制转换器，即控制转换开关，此开关在正常运行操作位置即“驾驶操作”位置时，由列车驾驶员控制列车运行速度，而当此转换开关转向或自动连挂操作位置和自动解编操作位置，统称“合”、“分”两位置时，则列车处于自动连挂或自动解编工况，由机械师操作。控制转换器也可设置在车钩控制箱上。

在车钩箱上已有一个车钩箱导流罩开启开关；自动连挂和自动解编的程序受车钩导流罩开启开关和列车驾驶操作器电源的连锁，只有二者条件满足时，自动连挂程序才能启动。只有列车驾驶操作器电源接通后，自动解编程序才能启动。

在列车作为主驾单独行驶时，车钩箱导流罩是关闭的，所以即使误操作，将合分操作转换开关置于自动连挂(合)或自动解编(分)的位置，也不会激活自动合分程序。

驱动操作转换器的特征是，驱动操作转换器设置在列车驾驶操作台或车钩控制箱上，为一种三位置转换开关；三位置为：正常运行操作位置、自动连挂操作位置和自动解编操作位置。

智能车钩中的物理测距器是用来测量两列车间距离的装置。

图1为最简单的物理测距器，即标尺式物理测距器结构简图。

图1中，在动车组列车车钩箱A内安装有车钩本体(2)、标尺总成 (3)和标尺挡板(4)；标尺总成(3)由标尺(30)、标尺架(31)组成；另外还有计数器以及标尺收放装置(图中未标出)。

标尺式测距器的特征是，物理测距器为标尺式；测距器由标尺总成(3)、标尺挡板(4)、计数器构成；标尺总成(3)由标尺(30)、标尺架 (31)和以及标尺收放装置组成；标尺总成(3)和标尺挡板(4)分居车钩两侧，并且使A车的标尺(30)刚好对准B车的标尺挡板(4)。

图2为标尺式物理测距器动作示意图。

如以A车的标尺伸展到欲对接车B的挡板，由标尺计数器产生一个电子读数，电子读数可采用模拟量也可采用数字量，电子读数输入列车驱动自动合分系统，系统的输出，即两列车间的距离显示在驾驶台连挂操作指示台或车钩控制箱上，安装在车钩操作台或车钟上的距离/车速解析器和解析器以特有的连挂程序，通过列车驱动电机的变频器，驱动列车以设定速度前行或后退。

标尺式测距器的测距方法大致有两大种，第一种是在两连接车组前，在较大的间距前就事先将主动连挂车，例如A车的标尺(3)伸出，当然标尺或者还够不到被连挂车B的标尺挡板(4)。然后开启A车的自动连挂程序，列车以预设低速向前行进；当A车的标尺触及B的标尺挡板后，标尺显示距离逐渐减小，同时A车的自动连挂驱动程序被激活，列车按列车距离接近反比例的速度更缓慢地行进，标尺受标尺挡板阻挡被动缩回，列车A慢慢向前推进，并以最小的的冲击力，将钩头伸入B车的钩头腔，减轻连挂时对车钩的冲击，直至车钩上的“连接”传感器输出“挂合”的信号，顺利完成机械钩、电路钩和气路钩的连接，标尺缩回到负值距离，自动连挂执行程序终止。

第二种自动连挂方法是，司机原先将A车开行到离B车的距离小于标尺最大长度的位置后停止前进，让主动车A车伸出标尺触及B车的标尺挡板，显示两车距离；然后开启A车的自动连挂驱动操作转换器，执行自动连挂操作，直至顺利实现两列车的自动连挂。

以实观的机械标尺为测距器的设备较简单直观并且易于操作实施，但标尺系统的部件体积和重量大、在狭窄的车钩箱中安装受到空间条件的限制，开启的导流罩也避免不了外物侵入，免不了产生碰撞损坏。而采用无形的波、场或射线的物理测距器应为比较科学和理想的选择，就像汽车中使用的各种无接触式测距器或探测器一样，有更广的应用选择空间。

图3为本发明的利用射线测距的射线测距器结构简图。图中，车钩(2) 位于车钩箱(1)的居中位置，射线收发器(5)和射线反射板(6)分居车钩两侧，所构成的一种无线测距器示意图。

其特征是，射线式物理测距器由射线收发器(5)和射线反射板(6) 构成，并分居车钩两侧。射线收发器(5)由射线发生器、射线发射器、射线接收器和信号处理器四部分组成。

图4为射线测距器又称无接触式测距器的基本工作原理图。射线收发器天线向列车前方发出集束射线R，R到达对方列车车钩箱中的射线反射器后被反射回到主发列车的接收器。接收器根据收发射线的时间差计算出距离S2，通过计算获得两车的距离数据S1，距离数据通过距离/车速解析器，计算出列车拟用车速信号，输入列车车钟，用以自动操作列车的前进或后退速度。

具体计算方法为：

1、假定两车车钩间距离为S1，要求在两车钩连挂后，S1＝0，

假设A车射线收发器到B车射线反射板距离为S2，

则二个距离差ΔS为：

ΔS＝S2-S1 (式1)

2、假设射线在空气中的前进速度为V，

射线收发器内所测得的收发时间差为Δt

S2＝{V×(Δt-Δte)}/2 (式2)

Δte为射线收发器内电子度越时间，

3、通过以上计算，可得到两车车钩间的实际距离S1为：

S1＝S2-ΔS＝{V×(Δt-Δte)}/2-ΔS (式3)

由于ΔS和Δte为系统常数，V为射线波速，通常也是常数，所以测得Δt后，即可获知列车间的实际距离。

射线收发器中的射线，就相当于伸出的“物理标尺”，当然，这是一把无形的标尺。按物理性质的不同，可供本发明采用的射线主要有以下几种：声波、电磁波、光波。

声波是空气振动所产生的机械波。人耳可感知，即能听到的声波频率大约在20Hz～20kHz间，声波频率越高，其集束性越强，所以如采用声波作为本发明的射线源，通常是采用超声波作为探测射线。因为超声波束的发散性较少，也可以减少其它可闻声源干扰，减少环境噪声污染。用超声波测距的原理，已广泛用于汽车倒车操作中。

所用超声波一般指频率在20kHz以上的机械波，具有穿透性较强、衰减小、反射能力强等特点。超声波测距器一般由超声波发生器、发射器、接收器和信号处理器四部分组成。工作时，超声波发射器不断发出一系列连续的脉冲，并给测量逻辑电路提供一个计时起点短脉冲。超声波接收器则在接收到被连挂列车射线反射板反射回来的回波后，也向测量逻辑电路提供一个短脉冲，两个短脉冲之差，即为Δt。最后由信号处理器对接收的信号依据时间差进行处理，自动计算出本车与被挂列车之间的距离。超声波测距原理简单，成本低、制作方便，但因为超声波的传输速度V受天气影响较大，不同的天气条件下传播速度不一样；海拔高度不同，空气密度也不一样，使超声波的波速变化，都可能影响到测距精度。另一方面超声波的集束性不如频率更高的其它射线，需要一定面积的反射板，才能获得足够的回波能量，以提高灵敏度。故超声波测距一般应用在短距离测距，最佳距离为4～5米。超声波发生器、发射器、接收器和信号处理器构成了本发明的射线收发器(5)。

电磁波是一种广谱无线电波，包括的频率范围较广，但主要采用微波段的频率。

当前，可用于本发明射线的测距微波使用频率主要集中在23～24 GHz，60～61GHz和76～77GHz三个频段，波长均为毫米级，故也称为毫米波测距雷达。在这些特殊频段上，微波的辐射能量在大气中具有很大的衰减特性。24GHz雷达信号在大气中传播的衰减系数约为0.2dB/km， 60GHz约为15dB/km，77GHz约为0.4dB/km，但应用在本发明中的探测距离均为米级，所以微波在大气中传播的衰减影响很小，可以忽略，整体上来说，微波衰减随频率的升高而上升，但在上述三个频段内由于大气中水蒸汽、氧分子的吸收和散射作用产生出衰减尖峰，使得雷达信号的传播被限制在一个较短的范围之内。也就是说，由于本发明中的检测距离很短，就可以用极微小的微波能量，来实现测距目标。从而可以尽量降低微波对列车连挂设备和对周围人体辐射的不利影响。

微波雷达测距器通常由毫米波信号发生器、发射和接收、信号处理器和控制器四部分组成，其组成相当于本发明的射线收发器(5)。

测距信号体系分为二类，线性FMCW和脉冲调频。

线性FMCW雷达结构简单，比较适宜测量近距离目标，故获得普遍选择使用。其基本原理可以描述为信号的瞬时频率随时间线性变换，当前方有单目标回波时，发射信号和反射信号将进行混频，混频后得到的信号中含有目标的相对距离和相对速度的信息。

微波测距器的外部基本组成部分有，雷达发射机，雷达接收机，收发天线。针对FMCW雷达，其工作原理是，由雷达发射三角波调频信号到目标，由目标反射雷达信号成回波信号，雷达接收机将接收到的回波信号与发射信号进行比较处理，得到回波信号的时间变化、频率变化，由这些变化量计算得到目标的距离和速度。

脉冲调制有两种含义。一是指脉冲本身的参数(幅度、宽度、相位) 随信号发生变化的过程。脉冲幅度随信号变化，称为脉冲振幅调制；脉冲相位随信号变化，称为脉冲相位调制；同理还有脉冲宽度调制、双脉冲间隔调制、脉冲编码调制等。其中，脉冲编码调制的抗干扰性最强，故在通信中应用最有前途。二是指用脉冲信号去调制高频振荡的过程。

两种含义的不同点是：前者脉冲本身是载波，后者高频振荡是载波。一般说的脉冲调制通常指前者。

脉冲调制是用脉冲调制代替线性调制，有脉冲振幅调制、脉冲宽度调制、脉冲位置调制和脉冲编码调制等不同调制的制式，在此不作详述。

测距雷达的工作原理是：首先由发射器通过天线发射出微波探测信号，并由天线接收经反射板反射回来的微波信号，送到信号处理器作分析处理，得出列车间的相对距离、速度等数据，并把该数据输送给主挂列车上解析器的信息处理中心，处理中心再与由本车传感器输入的有关信号，如车速、制动气压等综合处理，发出两种指令：一种指令给本车操作系统，如自动减速、加档、制动等；另一种指令则是给驾驶员的警示信号，如减速、加速、制动、停车等。从而起到操作连挂之合适速度，防止激烈冲撞之目的。现在，毫米波基础元器件和系统已具备工程应用的技术条件，特别是毫米波器件的模块化单片集成电路MMIC在工艺上的进展和突破，使毫米波器件能以被接受的价格提供批量产品。

可用于本发明的第三大类射线为光线，如激光或红外线。

激光测距的优点是结构相对简单，具有高单色性、高方向性、高集束性、不易散射，相干性好、测量精度较高、探测距离较远、价格便宜等特点。缺点是测量性能易受环境因素干扰，在雨、雪、雾等天气情况下，测量性能会有所下降，受测量原理限制只能传递相对距离信息。按测量原理不同可分为脉冲式激光测距雷达和相位式激光测距雷达两种。

激光测距将光源发出的经过强度调制的激光沿直线方向射出，照射到反射板后反射回激光接收器。

在激光测距系统中，要考虑其对人眼安全等因素影响，这些决定了其光源只能采用小功率的半导体激光器。

红外线是另一种光线，激光是可见光，被测物体上有个单色激光点，而红外是不可见光，就像家电中广泛采用的遥控器，是一种人类视觉不能觉察的光波，红外线在穿越其它物质时折射率很小。

激光测距仪或红外线测距的原理差别不大，都是通过光在空气中一定的传播速度，来计算出距离，相对来讲激光测距精度高些。由于光在空气中的传播速度很快，而本发明中所涉及的距离又很小，特别是两车车钩刚接触的时刻，距离接近于零，所以光波路径特别短，时间差特别小，测距精度反而不高，这一情况是在装置设计过程中特别需要考虑到的。

激光测距仪或红外线测距的射线收发器(5)结构，可以由射线发生器、发射和接收、信号处理器和控制器四部分组成，即发射和接收合一的收发器；也可由射射线发生器、射线发射器、射线接收器和信号处理器四部分组成，即发射器和接收器分开，而将控制器以软件形式储存在信号处理器中。

综上所述，本发明的物理测距器，其特征为，测距器可以是标尺式结构，也可以是射线式结构。

射线式结构物理测距器的特征为，射线可以是超声波，可以是无线电波或微波，也可以是激光或红外线。

射线式测距器的连挂方法与标尺式相仿，不作进一步描绘。

本发明采用测距器的目的，是为掌握列车间距离，然后以该距离为依据，代替驾驶员的操作，或者说先将驾驶员的操作固定在程序中，以程序操作代替驾驶员的人工操作，实现自动化目标。同样的道理，在车钩中设置的传感器，能够及时反映连挂过程中车钩敏感部位受冲击力的程度和牵挂力大小，以判断连挂的质量，这比机械师目测能更深刻了解车钩状况，既减轻了机械师的劳动，又可得到更高的操作质量。

距离/车速解析器，主要是根据测距器所得到的两车距离信息，将其转换为列车驱动变流器输出的涉及车速的控制信号装置。

众所周知，动车组列车几乎都采用交流电机驱动，不管是感应电机还是同步电机，电机的转速，也就是列车的前进速度，是由变流器输出的三相交流电的频率所决定的，频率低则车速慢，频率高则车速快，而列车连挂时的速度非常低，这决定了由变流器输出到驱动电机的交流电频率是非常低的。

列车刚开始连挂时，希望主挂列车速度与两列车间的距离呈正比的特性，即在距离较大时，速度可以稍高，以缩短连挂的时间，但如在距离很短时，速度几乎接近于零速，那也反而会无限延长连挂的时间，因此，当两列车在0.5m的距离时，主挂列车基本上是维持低速，靠惯性恒速移动的，这样，也有一股冲力作用在钩舌，以使一方车钩的钩舌深入对方列车的钩舌腔，牢靠地实现连挂。

距离/车速解析器是产生列车驱动信号的一块功能电子电路板(作为独立附件)或电子电路(放在驱动操作器的线路板上)。

图5为本发明的驱动信号特性曲线图。

特性曲线图的横坐标为两列车间的距离S，纵坐标为主挂列车的前进速度V。曲线可简化为二段直线，即恒速段水平线和正比段斜线，其交点 C的坐标约为(50cm，0.5km/h)，也就是说，在两列车的间距超过50cm 时，列车前进速度与距离成正比例关系，当两列车到达50cm的近距离时，主挂列车以最低速度(约0.5km/h)实现连挂，这样，对列车和对车钩的冲击将会很小，如图5a)所示。

特性曲线图也可以设计成二次方或三次方的连续曲线以代替二段式直线，如图5b)所示。工作点和曲线的设置可根据需要变更。

本发明中传感器的作用是多方面的，广义上说，测距器可以看作为一种位置传感器，即用于测量并提供两车距离的传感器。

列车是否挂住，也由一个位置传感器来给出一个信号，这个传感器也称合分信号传感器。

图6为本发明的智能车钩本体结构简图。图中，自动车钩(2)由凸出的锥形钩头(22)、凹进的锥形钩头腔(23)、钩舌(24)、接触平面(25)、分解气缸(26)、分解手柄(27)、钩身(28)、钩尾(29)构成，在接触平面(25)上还有由凸销(251)和凹孔(252)配对安装的合分信号传感器(图中未画出)。

锥形钩头(22)即前文提到的凸锥，有一定的导向作用，也是触动钩舌转动的触发器。

锥形钩腔(23)即前文提到的凹锥，用于容纳对方车钩的空腔，抵御列车横向力作用。

钩舌(24)实际上是一种二位置定位器，在转动后形成为两车钩的锁紧器，钩舌在弹簧力的作用下被锁紧，承载着列车间的牵引力和冲击力，能自动封闭，不易被冲动而解开。

接触平面(25)用于形成密接结构，防止异物侵入车钩内。

分解气缸(26)是机械车钩执行解列、实现车钩脱离接触的动力源。

分解手柄(27)是用于自动机构失灵、执行手动解列操作的操作杆。

钩身(28)、钩尾(29)为车钩的结构件，为钩体与车架安装或与缓冲器连接的装置。

凸销(251)和凹孔(252)配对安装有合分信号传感器。

合分信号传感器通常可放置在接触平面(25)上的凹孔(252)后延伸段内。如果需要，也可放置在车钩器身的其它合适位置。安装合分信号传感器的目的，就是能准确及时地向列车驾驶台发送列车之间的合或分信息，而这一合分，实际上反映着车钩的合分。

车钩合分传感器主要分为触头式和非触头式二种。

触头式通常为机械式的电触头，由凸销(251)直接接触与电触头相连的绝缘体，带动触头闭合或开启，通常有一副或多副触头，形成多个合分信号，以冗余的方式传送到列车驾驶控制系统，以提高可靠性，也能在驾驶室操纵台上显示。由于传统触头传感器产品丰富，选择余地大，本处不作详细描述。

在触头式传感器中，当机械钩完成连挂后，信号传感器中的触点闭合，两个传感器都能向两边各自列车发送列车已经连挂的信号。如果已连挂的列车解列时，凸销退出，触点打开，传感器又向双方列车发送成功解列的信号。当然，也可以采用连挂后断开和解列后闭合的触头结构，关系是哪一种结构形式更符合列车运行安全的大原则。

非触头式传感器不易受震动和环境因素的影响，可靠性高，更适合列车使用。非触头式传感器也有多种类型，如磁电式、光电式等等。

图7为一种安装在车钩平面上的合分信号磁感应传感器示意图。

图中，车钩信号传感器(250)由磁头(254)、传动杆(252)、弹簧 (253)和电子线路(255)构成，传感器与另一车钩上的凸销(251)配对运作。

磁头(254)为动杆头部安装的磁性器件，用于促使电子线路中电平的翻转。

传动杆(252)则能通过对方车钩的凸销(251)传递机械车钩的位置信息。

弹簧(253)用于在凸销退出后恢复电子线路(255)的自由状态。

在连挂时，两车车钩的钩头伸入对方车钩的钩腔，直到钩舌接触相互推挤而转动，车钩弹簧将车舌锁住，钩舌转动后两车钩相互牵连无法脱离，车钩的接触平面相碰而密接。机械连挂完成。

与此同时，接触平面上的凸销(251)伸入对方车钩的凹孔，推动传动杆(252)向左运动，传动杆(252)另一端的磁头(254)接近电子线路(255)，电子线路上的磁敏半导体改变电阻值，电子线路末端(255) 末端的电平翻转，输出一个有关于车钩合分的二位信号。

凹孔中的合分信号传感器动作后，将两车的合分情况分别反映给两车驾驶台系统和有关司乘人员。

对应于机械车钩的解列分开，接触平面上的凸销(251)离开对方车钩的凹孔，在弹簧(253)力的推动下，传动杆(252)向右运动，使传动杆(252)另一端的磁头(254)离开电子线路(255)，电子线路(255) 上的磁敏半导体再次改变电阻，电子线路(255)的电平再次翻转，输出一个有关于机械车钩已分离的信号。

另一大类传感器为测量车钩中主要受力部位应力的传感器和车钩测力传感器。

应力传感器是为监测车钩中包括缓冲器在内的主要受力部件或易断裂部件内嵌装的传感器，例如安装或埋在钩腔(23)、钩头(22)等受力部位的力传感器，可以采用随时显示应力的装置，也可以以记录出现超限值数值和时间的装置，如果出现裂纹或超限应变，也将为应力的传感器所发现，即可及时发现问题，以免部件的损坏发生在列车行驶过程中而引起重大安全事故。

车钩测力传感器可能为一种桥式电阻式传感器，有单应变电阻和桥式应变电阻两种。桥式应变电阻里面有四个应变片，拉伸阻值变大，压缩阻值变小，因受力产生的应变使测量桥平衡被打破而输出一个电压信号，电压信号的大小与形变成正比，而形变也就反映应力的大小，而电阻变化和电压变化成一定的函数关系，根据桥式电阻两端的电压变化，可以知道被测物体的所受拉力或压力。当然不用桥路而单独一个应变电阻也能反映应力，挤压力和拉压力跟阻值直接成正比，不过符号相反。

测力传感器能随时向系统反映敏感部位的受力数据，如果这些部位发生裂纹，则测力将发生超限的数值甚至应变片断裂，这些变化都能通过数据反映出被测部位的破坏性变化，及时避免更大的安全风险。

传感器不但可测量应力，也可直接测量车钩所受到的拉力和压力，当连挂的两列车完全同步时，车钩内力平衡，既没有拉力、也没有压力。在驱动力不平衡时，就有拉力或压力，据此可以微调两车的驱动功率，以达到最佳驱动效率，同时也减少了车钩部件的磨损，提高其运行寿命。

本发明智能车钩的操作方法，是使列车的连挂或解编完成自动化操作转型，由智能车钩自动完成列车连挂或解编的列车操作，无需人工操作，实现了合分联运中的频繁连挂或解编，简化操作步骤，使合分联运系统更好地发挥轨道交通运输的高速大运量优势，同时克服机动性差的缺陷。

本发明书将在下面阐述智能车钩的操作方法。操作方法有静态自动连挂、静态自动解编和动态自动解编三种不同方式，而第三种动态自动解编是在现有传统中所没有的。

图8为本发明的自动连挂准备工作示意图。

假设主挂车2的A端欲与被挂车1的B端连挂。假定连挂由两车的机械师操作，则1车的机械师位于1车B端，2车机械师位于2车的A 端，两位机械师在各自驾驶室中隔车相望进行操作，而不是在站台上，工作条件好，非但能照顾到自己的车，更易观察到对方车的细节，便于相互照看，保证了连挂的质量。

1车驾驶员按规定做好列车1的防溜保护。而由2车驾驶员按传统驾行作业将列车2人工操纵开近距被挂车5～10m距离间，然后停车，换上 2车机械师在驾驶室A端执行连挂作业。

自动连挂具体操作程序为：

1、确认两边列车车钩箱导流罩开启，检查车钩装置完好，车钟处于零速状态，然后两车机械师各自回到本车连挂端驾驶室，准备自动连挂操作。

2、2车机械师将车钟转换器开关置于“合”的位置，即自动连挂位置，连挂指示灯点亮，系统适当延时后连挂程序自动启动，连挂指示灯闪亮，主挂车开动并显示两列车间的距离在逐步缩小，说明自动连挂程序正在执行中，机械师可不予任何干扰。

3、主挂车的钩舌伸入连挂车钩舌腔，并发出碰撞声响，连挂指示灯快闪，说明机械钩连挂成功，距离/车速解析器输出归零，2车停止前进。

4、听到一声排气声后，说明列车车钩中的电路钩和气路钩自动接通，届时连挂指示灯改变为常亮状态，指示整个自动连挂程序完成并通知2 车驾驶员。

5、2车机械师将车钟转换开关置于正常运行位置，拔出操作钥匙，将整个列车运行权归于2车B端驾驶员，2车驾驶员试行开动一定距离，由2车机械师检查连挂质量是否合格并报告2车驾驶员。

6、1车机械师向1车驾驶员报告连挂程序完成。

自动连挂程序都是事先设定在系统中的，基本上实现了连挂的自动化，排除了人工操作的不确定性。也就是说，只要事先做好准备和检查，为程序正常运行创造好条件，连挂操作就变得非常轻松。除非在连挂过程中出现设备故障，必须使用人工操作的按钮，通常连挂程序都是自动进行的。当然，为安全操作考虑，原有人工操作的应急操作按钮还是保留的。

本发明智能车钩的解编操作分两种：静态解编和动态解编。

静态解编，即目前通常在两列车都处于静止状态下完成的解编，通常在车站内进行。而动态解编是两列车在行驶状态下实行的解编动作，是合分联运系统特定的解编方法，通常在主线轨道的解列区进行。

现将智能车钩自动解编分静态解编和动态解编两种不同运行模式分别进行说明。

自动静态解编可以看作自动连挂的反向操作。以图8中的列车为例，假定列车1为主车，1车的驾驶员在其A端操纵列车并使整列列车停留在合适轨道上，准备工作程序为，1车机械师进入1车B端驾驶室，2车机械师进入2车A端驾驶室，以1车机械师作为主动解编方，则2车处于制动状态。

1、1车驾驶员确认列车A端前方一定距离内可自由开行、无障碍物。

2、确认1车驾驶室车钟处于零速状态，列车操纵权下放到B端，准备自动解编列车的操作，并向位于B端驾驶室的1车机械师发出准予解编的指令。

3、1车机械师将车钟转换开关置于“分”的位置，即自动解编位置， 1车解编指示灯点亮，适当延时后解编程序自动启动，1车解编指示灯闪亮，车钩中的电路钩和气路钩首先自动脱离连接。

4、1车车钩的锁扣动作，两车钩脱离互锁状态，解编指示灯快闪。同时距离/车速解析器按连挂曲线输出倒车低速驱动信号，1车开始倒向运行，即1车向前方运行，物理测距器不断显示两列车间的距离在增加，在距离到达5米左右的设定限值时，1车停止输出开行信号，并立即转入制动状态，解编指示灯常亮，1车停止运行，说明自动解编成功。

5、1车机械师将车钟开关从自动解编位置回复到正常运行状态，解编指示灯熄灭，拔出操作钥匙。操作结束。

6、两列车的运行操作权限回复到各自驾驶员。

如果以2车机械师作为主动解编方，操作过程可以仿照上节内容执行

自动动态解编是合分联运系统所特有的操作方法，是本发明操作法的精粹，因为这在现有传统运行中是没有的。以图7的列车联合运行为例，其前提准备工作为，1车驾驶员在A端全程负责联运列车的操车并领导自动动态解编操作，1车机械师到1车B端就位主持自动动态解编的具体操作，2车驾驶员到2车A端就位，接管解编后2车的运行。

图9为本发明的动态自动解编准备工作示意图。

其具体的过程是：

准备阶段，1车驾驶员在A端驾驶室操车，列车1带动列车2处于前进运动状态。1车机械师进入1车B端驾驶室待命，2车驾驶员从休息状态转入工作状态，进入2车A端驾驶室待命，准备接管列车的操作权，见图9。

1、确认组合列车进入线路所设计的动态解编区段，前方线路视野清晰，驾驶员瞭望路况、气候状况适合解编操作，轨道无异常或影响解编的因素。B端车钟处于正常运行允许解编状态。

自动解编操作的命令由1车驾驶员发出，1车机械师和2车驾驶员具体执行；1车机械师和2车驾驶员在车钩连接处隔车相望，1车机械师将车钟处于零位，转换开关置于自动解编位置，解编指示灯点亮。

2、1车机械师在接到1车驾驶员解编命令后向2车驾驶员手势告示准备执行解编命令；1车机械师按解编按钮后，自动动态解编命令开始执行，1车解编指示灯闪亮。

3、适当延时后解编程序自动启动，车钩中的电路钩自动脱离连接；然后1车车钩的锁扣动作，车钩脱离互锁状态后，指示灯快闪，气路钩脱钩；两车系统自动程序分别向各自驾驶车钟自动发出改变列车运行速度控制操作信号，使1车在原有运行速度的基础上增加车速，增速幅值约10％； 2车在原有运行速度的基础上降低车速，降速幅值约10％。

1车机械师同时观察到两车距离的不断增加，将观察到的自车情况和与2车距离报告1车驾驶员，当两车距离超过10米后，1车解编指示灯变长亮，说明动态自动解编程序完成；1车机械师将操作转换开关从解编位置回复到正常运行位置，并关闭车钩箱导流罩，解编指示灯熄灭。

4、与此同时，2车驾驶员继续降低车速，使两列车距离迅速拉大。

5、当车距超过10米后，2车系统认可解编程序结束。2车机械师关闭车钩箱导流罩。

6、两列车的操作权限回归到各自驾驶员，两车在同一轨道上各自独立开行，两列车间距离不断拉大，安全风险越来越小，直至两列车进入不同轨道，回复正常的闭塞状态。

必须提出的是，根据本发明的系统特征，列车车钟的操作关系有待改进，例如增加车钟与分合系统的联系，允许同一列车两驾驶室的同时供电，但避免两车钟同时操作运行，等等。

在本发明智能车钩操作方法中，车钩的连挂或解编由程序完成；操作执行指令由驾驶员发布，机械师执行；设备正常情况下，连挂或解编的行车速度、操作时间均由程序设定，无须人工执行；机械师通常在驾驶室内执行操作，相互查看自方和对方车钩情况，除向本车驾驶员报告外，相对方机械师或驾驶员并相互通报，无须或一般无须在车外观察。

在上面针对智能车钩的描述中，可以发现智能车钩系统能将基本上还处于人工操作范畴的列车连挂和解编实现自动化操作，减少了人为操作的人员数量、劳动强度和思想压力。例如，传统连挂作业中，通常需要二位机械师与一位驾驶员联合操作，且机械师与驾驶员需要频繁通话联络，因为操作需要驾驶员驱动列车，而车钩的具体操作是由机械师执行的，所以必须两者密切配合；再加上列车间的接与断，另一车的机械师也必须参与，三个人员参与同一操作，且有一个机械师在站台上，工作条件不佳。而在智能车钩的方法中，静态连挂或静态解编都只要二位机械师在驾驶室内就可以相互照看，由一位机械师执行就够了。

虽然在智能车钩系统中，列车的运行权仍归驾驶员管辖，但在自动静态连挂操作中，列车的运行权为系统程序设定，驾驶员无须直接操作，仅担负车前观察和在系统失控状态下的应急处理。在自动静态解编操作中，列车的运行权仍为系统程序设定，无须驾驶员直接操作，只要同车的驾驶员和机械师二人配合，就可以执行任务，驾驶员仅担负车前观察和在系统失控状态下的应急操作。

此外，由于操作是按程序自动执行的，所以正常情况下机械师也无操作的压力，操作质量由系统负责和保证，而机械师除了做好准备工作外，无须经受调车作业的压力，承担的责任也少得多。

在上面针对智能车钩的描述中，可以发现智能车钩系统能将基本上还处于人工操作范畴的列车连挂和解编实现自动化操作，这已经是一项很大的进步。但是有了智能车钩，使原来不可能实现的动态解编成为可能，至于为什么要提出这么复杂的动态解编，这就牵涉到实现一项更重要的创新——合分联运模式。可以认为合分联运模式是智能车钩的创新动力，反过来说合分联运模式的技术效果也来源于由智能车钩这一重要硬件设施的实现。所以在阐述实施智能车钩后，有必要将高铁合分联运系统作一个简要描绘。

众所周知，现有的轮轨式轨道交通形式是钢轮在铁轨上滚动，优点是摩擦损耗低、驱动效率高，所以用一个不太大的功率就可载很多乘客快速行进，大运量是由列车承载的，所以合在一起运行的列车组就成为其优点的基本特征。此外，这个车组和轨道也反过来成为其最大的缺点，那就是铁路运输机动性差。

轨道交通要发展，即使向磁悬浮列车发展，但磁悬浮也同样有轨道，只是轨道的形式有所不同，也存在与轮轨系同样的问题。要发展就意味着要更大地扩展其优势，同时更从基础上克服其机动性差的缺点。从逻辑上说，更大的运量，较易达到目标的手段就是把更多的车厢“合”在一起运行；而为了达到较高的机动性，既要让到站的乘客下车，又要让不愿在此站下车的乘客减少在途时间，或者需要让一整列列车向不同方向运行，那最简单不过的方法将是让列车“分”，所以轨道交通合分联运系统就是轨道交通的重大技术发展方向，本说明书有必要在此展开论述。

轨道交通合分联运系统，主要提出一种新型客运模式，原理也简单明了，仅用26个字就可概括，那就是：

“道同而合，道异而分；合则两利，分则两宜”和“该走的不停，该停的不走”，这26字概括了合分联运的精粹。

意即，如果两列或多列列车同线同向行驶时，则让他们合在一起走；当他们不能再同道开行时，则分道而行；该走则走，该停则停，各取其宜。

高铁合分联运系统又称“动车组静态联发/动态解列系统”，这13个字又是系统运行技术特征的概括。

众所周知，要克服列车高速化后与大量停站所形成的时间上的冲突和矛盾，就拿京沪高铁为例，这条连接环渤海经济区和长三角经济区的重要交通要道，必须跨越冀鲁皖苏四省并连接京津沪三直辖市，为建设这条经济大动脉，前者为此贡献的土地量是后者的7倍，沿线各省大量二线三线城市都希望列车多在他们的城市停车，以便带动当地经济发展，这样一来，将严重影响京沪间列车的高速驰达。如果使列车可分可合，既可让该下车的乘客及时在这些中途站下车，又不增加不需在这些站下车乘客的无谓延时，势必采用可分可合的办法，将乘客按不同目的站预先安排在不同列车车厢内，在到达目的站时，将该列车车厢从大列车组中分离。分离的列车将以新的列车车次，重新载客后继续向前营运，在终点站里，各分离的列车将恢复重组合成原有列车返程，按回程合分联运列车运行。

按联合方式的不同，可分为静态连挂和动态连挂；而按分离方式的不同，也可分为静态解编和动态解编。

航天领域通过穿梭机沟通地面与空间站交通，将航天员从地面接送到空间站的原理，用于解决高速列车中的停站矛盾就产生了高铁载驳运输的方法。载驳系统的具体实施方法是让高速列车从起点站开出后不停靠任何中间车站，直达终点站，而在各中间站配置载驳车，欲上该列车的乘客在车站事先登上载驳车，载驳车载客后飞驰追上前进中的列车，与列车实现对接式的动态“连挂”，对接成功后载驳车和列车成为一体，就可以交换乘客，让欲上车的乘客进入列车，而让要在该车站下车的乘客转移到载驳车。乘客交换结束后，载驳车与列车执行动态解列，载驳车将乘客接送到车站，完成他们的旅程。

载驳车方案的过程看似简单明了，但实施起来却非常困难，根本原因在于动态连挂需要采用能精密驱动的列车控制技术和操纵技巧，才能保证运动中的列车安全对接，而这种精密驱动和对接技术目前在各国铁路列车系统中还不具备，所以无法执行载驳车对接，载驳车的安全性存在问题。

此外，载驳车与列车同轨道串联对接后交换乘客通道的设置，会影响列车高速运行对线型的要求，且改造不易。大量载驳车的购置成本，以及乘客需二次换位带来的安全性和舒适性都存在不少问题，所以载驳车方案在目前条件下实现的可行性几乎为零。

相比之下，合分联运系统的难点只有动态解列一项。但同样是动态运行，动态连挂涉及精密驱动，而动态解编并不需要精密驱动技术，因为动态解编的危险点仅在两列车分离的瞬间，只要在这极短时间内实现简单的自动化操作，让前车加速而后车减速，那么两列车间的距离将不断拉大，撞车的危险性将不断减小，直至分离后的列车安全驶入各自轨道。这一操作已在前面章节的动态自动解列中加以描述，靠自动化，其安全性是有保障的。

那么，合分联运方式究竟能产生什么技术效果呢？

首先，合分联运可将多列动车串联在一起行驶，将可能使客运量翻倍甚至翻几倍，提高了铁路利用率，从而产生巨大的经济利益，特别可以缓解节假日乘客对铁路列车一票难求的局面。

在每日运行的高峰时间，如将相邻时间的列车在始发站静态连挂一起发车，而在各不同车站前实行动态解列，就可消除大城市始发站发车列数瓶颈约束和客运量极限，方便乘客选择最佳出行时间。

根据上述两点，铁路原始设计的年最大人次的限制，铁路运量的饱和，将很容易为合分联运方式所突破。客流饱和后新建二线、三线的必要性也就不再存在，新建铁路线的大量建设投资可以节省下来。

由于列车，特别是高速列车中的运行耗能，很大部分源于克服列车排除车头空气的阻力，而产生的车头阻力损耗，两列或多列列车合分联运后，只有最前面的一列列车有车头阻力，只要排除一次车头空气，所以合在一起运行列车的能耗，小于两列或多列列车单独在线路上运行能耗之和，具有很明显的节能效果。而合分联运后，每节车厢只停一次站，也可减少停站过程中多消耗的能量，两者相加节能效果更显著。

Claims (10)

1.一种智能车钩系统，其特征是，智能车钩系统为列车间的连接器，系统由自动车钩本体增加物理测距器、距离/车速解析器、驱动操作转换器、传感器所构成；物理测距器安装在车钩箱内，用于探测需连挂的两列列车间的距离；距离/车速解析器和驱动操作转换器安装在驾驶室内的列车驾驶车钟上或车钩控制箱上，用以生成主挂列车驱动信号并自动向列车驾驶台发送列车开行的操作指令，实现列车的自动连挂和解编；若干传感器分别设在车钩中，用以测定车钩状态和/或受力、形变；所述系统有静态自动连挂、静态自动解编和动态自动解编三种不同方式，动态自动解编过程及所涉及的器件如下：

准备阶段：

1车驾驶员在前端驾驶室操车，带动2 车处于前进运动状态，1车机械师进入1车后端驾驶室待命，2车驾驶员进入2车前端驾驶室接管列车操作权，

操作阶段：

1车驾驶员确认组合列车进入线路所设计的动态解编区段后，发出自动解编操作命令，1车机械师和2车驾驶员具体执行解编操作，1车机械师将驱动操作转换器置于自动解编操作位置，向2车驾驶员手势告示准备执行解编命令，

1车机械师按解编按钮，适当延时后动态解编程序自动启动，车钩中的电路钩自动脱离连接，然后1车车钩的锁扣动作，车钩脱离互锁状态后，气路钩脱钩，两车系统动态解编程序分别向各自列车驾驶车钟自动发出改变列车运行速度控制操作信号，使1车在原有运行速度的基础上加速，2车在原有运行速度的基础上减速，当车距超过10米后，动态解编程序结束。

2.根据权利要求1所述的智能车钩系统，其特征是，系统能根据人工指令和程序，但不依赖人为操作，安全、正确地自动完成列车间的连挂、解编操作。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的智能车钩系统，其特征是，驱动操作转换器设置在列车驾驶车钟或车钩控制箱上，为一种三位置转换开关；三位置为：正常运行操作位置、自动连挂操作位置和自动解编操作位置。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的智能车钩系统，其特征是，驱动操作转换器受车钩导流罩开启开关和列车驾驶操作器电源的连锁。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的智能车钩系统，其特征是，物理测距器是标尺式或射线式。

6.根据权利要求5所述的智能车钩系统，其特征是，物理测距器为标尺式；测距器由标尺总成(3)、标尺挡板(4)、计数器构成；标尺总成(3)由标尺(30)、标尺架(31)和标尺收放装置组成；标尺总成(3)和标尺挡板(4)分居车钩两侧，并且使1车的标尺(30)刚好对准2车的标尺挡板(4)位置。

7.根据权利要求1或权利要求2所述的智能车钩系统，其特征是，物理测距器为射线式；射线为超声波、微波、激光或红外线。

8.根据权利要求7所述的智能车钩系统，其特征是，射线式物理测距器由射线收发器(5)和射线反射板(6)构成。

9.根据权利要求8所述的智能车钩系统，其特征是，射线收发器(5)由射线发生器、发射和接收器、信号处理器和控制器四部分组成，即发射和接收合一的收发器；也可由射线发生器、射线发射器、射线接收器和信号处理器四部分组成，即发射器和接收器分开的结构。

10.根据权利要求1或权利要求2所述的智能车钩系统，其特征是，在两车钩接触面上有一个发送合分信号的磁感应传感器；在钩腔和/或钩舌受力部位嵌装有测力传感器。

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