CN1113197A - 自动驾驶火车的装置 - Google Patents

Abstract

火车在预定时间步距后应到达的位置是利用现 在时间-距离曲线获得的，而目标速度是根据现在位 置和该时间步距后的位置间的距离来确定。一个反 馈控制装置是由火车在铁路上的现在位置和速度以 及预置时间-距离曲线来执行的。在该反馈控制中， 火车不是根据现时误差来控制，火车状态在标定时间 步距中被控制以便转变成火车所期待在时间步距后 到达的位置的状态。然后输出一速度命令以减小每 个时间步距的累积时间误差，这样可控制火车正点而 无大的加速变化。

Description

本发明涉及一种自动驾驶火车的装置。

目前已发明了一些用于自动驾驶火车的方法，这些方法如下：

（1）一种根据现在火车速度和从预定的时间-速度模式得到的目标速度间的现时差值来控制一火车的方法。

（2）一种根据现在火车速度和从预定的距离-速度模式得到的目标速度间的现处差值来控制一火车的方法。

（3）一种根据现在火车位置和从预定的时间-距离模式得到的目标位置间的现时差值来控制火车的方法。

并且，已公开的号为1505/1979（参看参考文件1）的日本专利申请揭示了一种将三种方法（1）、（2）和（3）组合的方法。另外，已公开的号为56803/1984（参看参考文件2）的日本专利申请发明了一种决定目标速度的方法，这种方法通过得到至下一站的实际剩余运行时间和由在方法（3）中用时间-距离模式中获得的至下一站的参考剩余运行时间的比值用距离-速度模式对在方法（2）中所获得的速度进行修正。

在公开号为288706/1986的日本专利申请中所揭示的用控制扭矩（还叫做排挡槽notch）来驾驶火车的这样一种方法中，当速度差或距离差为0时，扭矩就变为0。上述这种控制方法对于在火车的动力运行和惯性滑行交替重复进行的普通铁路线上进行运行操作是有效的。然而，这样一种控制方法几乎不能用于在超特快铁路上进行运行操作，因为在超特快铁路上的火车始终是高速和长时间地用动力运行方式运行。

而且上述方法（1）、（2）和（3）具有下述问题。

尽管方法（1）根据时间参考控制，因而控制容易但不能实现对距离误差的校正，因此这种方法很可能引起由累积误差产生一个大的距离偏差。方法（2）不会引起距离误差的累积，但是由于时间误差的积累很可能在保持正点运行上产生问题，并且由于各个时间和速度不是相互独立的，这种方法比较复杂。在方法（3）中，虽然由于在这种方法的控制中使用的运行管理目标为“正点到达下一站”而使距离和时间的误差减小到最低限度，但由于这种运行控制是呆板执行因此乘车感觉变得较差。

至于文件1所述的这样一种组合方法而言，对如何权衡和组合这三个方法需要很多经验。

另外，在参考文件2所揭示的技术中，参考目标速度是通过使用方法（2）中所提到的距离-速度模式来获得，并用到达下站的实际剩余运行时间与计划的剩余运行时间的比值进行修正的。因此，采用这方法，为了减小累积的时间误差当火车接近下站时加速变化要较大（例如，如果一分钟误差未减并保持着，则在更接近下站前的地点上就需要更大的速度变化。）。

本发明是考虑到上述诸问题而实现的，它是为了提供一种能最大限度地同时满足使到达下站时的距离误差和时间误差减到最小的要求和良好乘车感觉要求的火车自动驾驶装置。

通过取得火车在预定的时间流逝间隔（定义为一置定时间步距）后应到达的位置和置定时间步距可以达到上述目的，而火车在置定时间步距后应到达的位置是通过使用预制的时间-距离曲线并根据在现时位置和在置定时间步距后的位置间的距离以决定目标速度而得到的。

在本发明中，利用现在的位置和速度以及预置的时间-距离曲线执行一反馈控制。在反馈控制中，由于火车不是根据现在误差来控制而且火车的状态是在置定时间步距得到控制使之转变到处在置定时间步距后火车所要求的状态，因此输出一速度命令以减少累积的每个时间步距的时间误差。因此，采用本发明就可以正点控制火车而不致有大的加速变化。

图1是示出本发明一实施例的火车自动驾驶装置结构的方框图;

图2是表示采用本发明计算目标速度的构思的曲线图;

图3是表示采用本发明计算目标速度的构思的另一曲线图;

图4是表示用于计算目标速度的一个时间步距变化例子的曲线图;

图5是表示速度差和推力间关系的曲线图;

图6是表示本发明另一实施例的火车自动驾驶装置的构造的方框图;

图7是表示排挡槽阶和平衡速度间关系的曲线图;

图8是示出排挡槽阶和速度差间关系的曲线图。

下面根据实施例并参照附图来具体说明本发明。

在图1中，标号1表示用于制作时间-距离曲线的装置。时间-距离曲线是一根表达时间和火车在该时刻应到达位置间关系的曲线。关于上述装置，可以有效地使用这样一种简易装置，它为运行线上所有各站储存有每两站间距离和到达各站时刻的数据，而需要时可查找储存在装置内的数据，通过将临时速度限制或火车晚点作为考虑因素来动态地确定时间-距离曲线，这样一个装置已在公开号为202206/1988的日本专利申请等中被发明。也可应用一个按固定周期接受或从分开安装的火车驾驶管理设备改变火车时刻表的装置。火车自动驾驶装置的目标是沿着时间-距离曲线驾驶一列火车。由装置1获得的时间-距离曲线是对一目标速度计算单元7的输出。

标号2表示一火车位置计算装置。一个通过用相应于一根轴的旋转产生脉冲并对所产生的脉冲计数的设备来计算距离的装置，一个根据从安装在固定地面位置上的设备输出的信号来确定火车位置的装置，一个利用人造地球卫星，使用位置测量方法的装置，等等都可应用于火车位置计算装置。由装置2计算到的火车位置向目标速度计算单元7和火车控制单元8输出。

标号3表示一个用于储存诸如路线坡度、弯道曲率及速度限制等铁路线情况数据的路线状况数据库。储存在路线状况数据库3中的数据向火车控制单元8输出。

标号4表示一个用于计算火车速度的火车速度计算装置。一用于通过对来自火车位置计算装置2的输出信号微分来计算火车速度的装置，一个通过使用设在轴上的发生器的输出来获得火车速度的装置等可以应用于火车速度计算装置4。将装置4计算得的火车速度值向火车控制单元8输出。

标号5表示一个用于获得火车总重量的火车重量的计算装置。可用一个将负荷补偿装置输出数据的转换值与火车本身重量相加的装置应用于火车重量计算装置5。将火车重量计算装置5计算到的重量值输出至火车控制装置。

标号6表示一个用于获得车轮与铁道表面间的附着力系数的附着力系数计算装置，一个根据如天气等环境条件用手工输入系数来置定系数的装置、一个根据打滑状态、滑行状态来估计该系数的装置以及其它类似装置可以适用于它。将从装置6得到的附着力系数输出给火车控制单元8。

标号7表示用于根据火车位置和时间-距离特性曲线计算现在的火车目标速度的装置，下面对装置7进行详细说明。将由目标速度计算装置7获得的目标速度值输出给火车控制单元8。

标号8表示用于根据火车位置以及在该火车位置时的速度限制、铁路坡度、弯曲率、火车速度，火车重量和附着力系数来确定一扭矩命令值的火车控制单元，下面详细说明该控制单元8。由火车控制控制单元8确定的扭矩命令值是用作对用于控制火车电动机（未图示）的装置的一个扭矩命令。作为电动机控制装置可应用一用于控制感应电动机的变换器、一个用于控制直流机的斩波器等。

下面详细地说明目标速度计算单元7。一时间步距置定装置701置定时间步距，利用该时间步距来考虑将来的各种状态并根据火车在置定时间步距的将来应到达位置上的各状态来控制火车。一参考位置计算装置702，根据给定的时间-距离曲线、时间步距置定装置701置定的时间步距和现在时间来获得从现在起置定时间步距的将来应处的位置并将所获得的位置输出作为用于火车控制的参考位置。

现参照图2来说明计算参考位置的方法。图2是表示在火车从站1出发和到达站2的情况下时间和火车的位置间关系的一个时间-位置示例曲线。在图中，离开站1的距离用横座标轴表示，而离开出发的时间流逝用纵座标轴表示。当火车处在站1和站2间的中间位置上，离开出发的时间流逝T由下面的用现在时间T_now和出发时间Ts₁表示的公式得到：

T＝T_now+Ts₁……（1）

T是由图2中纵座标轴表示的数值。如果由时间步距置定装置701所标定的时间步距用△T表示，则火车被检查的未来各种状态在图2上是从时间流逝T上方△t直到现在时刻位置时的状态。而所考虑的未来火车位置是火车处在离开出发的时间流逝（T＋△t）时的位置，且对应于图2中以参考位置P_f表示的位置。

图1中区分装置703根据现在火车位置、由参考位置计算装置702得到的参考位置以及由时间步距置定装置701置定的时间步距来计算目标速度。如果现在火车位置由P_now表示，参考位置用P_f表示而时间步距用△T表示，则目标速度V_r由下式表达。

V_r＝（P_f-P_now）/△t……（2）

目标速度V_r，参考位置P_f和现在火车位置P_now三者间的关系在图3中表示出。图3中显示出的各运行结果值是火车的实际运行的结果数据，而运行结果图在上部指出现在火车位置P_now。而由装置1制备的时间-距离曲线被称为“一计划的时间-距离曲线”以便区别由时间-距离曲线制备装置1得到曲线与结果数据的曲线。目标速度V_r是参考位置P_f和现时位置P_now连线坡度的倒数。下面接着说明时间步距△T对火车控制的影响。如果火车处在现在位置P_now并以目标速度V_r继续运行，则在标定时间步距△T之后火车到达参考位置P_f。这就是说，即使火车的发生晚点及现在火车位置P_now不处在如图3所示的计划的时间-距离曲线上，由于参考位置P_f是在计划的时间-位置曲线上的一点，因此时间和距离方面的误差可在置定时间步距△T之后得到校正。较小的置定时间步距△T产生较快的速度校正，这会给乘客不舒服的乘车感觉。相反，较大的置定时间步距△T产生较慢的速度校正，这就会保持良好的乘车感觉。如上所述，由现在的火车驾驶控制得到的速度校正的程度对置定时间步距△T是敏感的。于是，置定时间步距越小，则速度校正的程度对距离误差越敏感。

下面详细说明图1中的火车控制单元8。

标号801表示一数据选择装置，用来接收速度限制值、路线坡度和路线曲率的数据并选择现在火车所运行路线上的速度限值、坡度和曲率。由数据选择装置801所选择的速度限制数据向一速度命令发生装置803输出，而路线坡度的数据和路线曲率数据则输至运行阻力计算装置。

标号802表示运行阻力计算装置，用于使用路线坡度、路线曲率、速度命令值和火车重量诸数据来得到火车在以速度命令值运行时所接受的运行阻力值。然后，用下面公式借助传统方法计算运行阻力。

R＝R_r+R_g+R_c……（3）

式中R：运行阻力;

R_r：由空气、动力系统中的摩擦力产生的阻力;

R_g：由坡度产生的阻力，以及

R_c：由弯道产生的阻力。

运行阻力的各部分如下所述：

R_r＝（K1+K2×V_c）×W+K3×V² _c……（4）

其中，K1、K2和K3是根据火车形状、组成火车的车厢数目、隧道存在情况、动力传递系数等确定的，W是火车的重量而V_c是速度命令值。

在图4中示出一个利用前述的时间步距△T对火车控制的作用的实施例。在火车自动控制装置不包括用于使火车停止在固定位置上的控制设备的情况，火车自动控制装置控制火车直到进入站区;该控制设备是在火车进入车站区后控制火车停在固定位置上，而一般在火车进入站区后火车的各控制装置从作为本发明的火车自动控制装置的用于操纵两站间运行的这样一个控制系统通向该控制设备。在两站间运行中，重点放在乘车感觉和正常运行上。关于得到置定时间步距△T，可以用等分站1和站2间运行所需要的时间来置定。如果路线上有许多路线状况如倾斜、转弯等时，这就可能使火车晚点。因此，在火车可以准时运行的这样铁路线上将置定时间步距取得较小。在具有少量铁路情况的这种铁路线上，为了注重于改善乘车感觉将置定时间步距取得较大。通过按上述那样置定时间步距，就可能实现相应于各种铁路状况的运行。

如果火车没有用于使火车停止在固定位置上的控制设备，由于停止在固定位置上的控制（缓进）变得困难（如图4所示），当火车接近站2时，将时间间隔△T置定得较小。如上所述，通过在刚好进入站区的前或后将时间步距△T置得小，可改善使火车停止在固定位置上的控制准确度。

然后，阻力R_g和R_c以下式确定：

R_g＝g×w……（5）

R_c＝800×w/r……（6）

式中，g是路线斜坡的坡度，而r是弯道的曲率半径。

将由运行阻力计算装置802得到的运行阻力值发送到目标扭矩计算装置804。

速度命令比较发生装置803发生出的速度命令值和现在火车位置上的速度限值，并选择其较小的一个将之置定为速度命令值。所置定速度命令值是火车可以该速度实际运行的这样一个速度。于是将由速度命令发生装置803得到的置定速度命令发往目标扭矩计算装置804。

目标扭矩计算装置804根据现在速度与由速度命令发生装置803获得的速度命令值之差、由运行阻力计算装置802计算得到的阻力值以及火车重量来计算目标扭矩。下述的控制系统可用作目标扭矩计算装置804，这就是各参数可相应于运行阻力、火车重量和电动机扭矩特性作适应性变化的一个PID控制系统，例如一个根据速度差发生电动机电流命令的自动调速器（ASR），以及下述这样一种方法也可应用。

电动机的扭矩通过一动力传递机构传到一轴并通过车轮的轮面作为推力工作，扭矩和推力彼此间具有一一对应关系。火车在以速度命令值要求的速度运行时受到的运行阻力用R表示，而实际速度和速度命令值间的差值用△V表示。如果该速度差△V为正值，则现在速度小于速度命令值，而反之亦然。利用图5中所示的关系可得到推力值。在图5中，横座标轴表示速度差，而纵座标轴为推力，其中负值意味着制动。如图5所示，如果速度差为O，则即现时速度等于速度命令值R是扭矩所要求的，这意味着要求推力与运行阻力相平衡。由于运行阻力取决于铁路线状况，及速度命令值等，与运行阻力相平衡的推力始终在变化。在图5中所示的用于确定所要求推力的线条的坡度是由扭矩特性、火车重量等等决定的。而目标扭矩是从确定的推力值计算得到的。将计算得到的目标扭矩值送往一扭矩发命令发生装置805。

扭矩命令发生装置805通过将车轮轮面的附着力系数考虑进去而得到推力的上、下限值并调整通过目标扭矩计算装置804所得到的目标扭矩。火车在产生推力或制动力时不可能发挥生出大于车轮轮面的附着力的动力。注意到上述对推力的约束限制，如果由目标扭矩计算装置804算得的目标扭矩值超出上或下限值，则扭矩命令发生装置805便调整该扭矩命令值使之处于上、下限值间。经调整的目标扭矩作为扭矩命令值向电动机输出。

像用于控制一感应电动机的转换器或用于控制一直流电动机的斩波器这样的一种装置用作电动机控制（未图示）是比较理想的。

采用该实施例，由于是根据在用现在火车位置和时间-距离曲线所得到的置定时间步距之后的火车位置而发生速度命令，因此就可以保持良好的乘车感和正点运行。此外，通过改变置定时间步距的宽度可获得更为改进的自动驾驶。

下面参照图6示出输出用于动力运行或制动的排挡槽步距（notch step）的本发明的另一实施例。

每一个数据选择装置801和速度命令发生装置都具有与图1中所示的每个相应装置同样的功能。

标号806表示一个根据铁路线的坡度曲率和火车重量的数据来计算由坡度和弯道所产生的运行阻力的装置。计算方法与前述方法相同，阻力用下面公式表达：

R_gc＝R_g+R_c……（7）

式中R_gc是由坡度和弯道的运行阻力，R_g是坡度阻力而R_c是弯道阻力。

R_g和R_c分别与由公式（5）和（6）表示的阻力相同。由坡度和弯道运行阻力计算装置806得到的有关坡度和弯道的运行阻力被输往一平衡速度计算装置。

标号807表示一个借助所述坡度和弯道运行阻力和在动力运行中在各排挡槽上的推力-速度特性来计算一平衡速度的装置。所述平衡速度是一个在铁路线情况无任何变化下以不变的排挡槽阶运行时火车所达到的速度。现将由在火车速度V时的空气阻力、在动力系统中的摩擦力等产生的阻力称为R_r（V），而在动力运行中第K个排挡槽阶及在火车速度V时的推力称为F_K（V）。

利用公式（4）得到R_r（V）和通过火车的排挡槽特性得到F_K（V），则平衡速度用下面公式计算得到。

R_gc+R_r（V_K）＝F_K（V_K）……（8）

式中，V_K是一个在第K排挡槽阶时的平衡速度。

现参照图7说明通过解公式（8）获得V_K的过程。在图7中，横座标轴表示速度，而纵座标轴表示推力和阻力。推力和阻力用同样的座标轴和单位表示。图7示出排挡槽特性和运行阻力的各自例子。在每一排挡槽阶上的平衡速度是由推力曲线和阻力曲线的交点得到。由于R_gc随铁路线状况改变而始终变化，平衡速度V_K也相应于阻力变化而变化。由平衡速度计算装置807得到的在每一排挡阶的平衡速度值输向一排挡槽命令产生装置。

标号808表示一个用于根据现在火车速度和由速度命令发生装置803得到的速度命令值和由平衡速度计算装置807得到的在每一排挡槽阶上的平衡速度之间的差来发生排挡槽命令。下面说明获得排挡槽命令值的方法。

如果速度命令值称作V_c而运行阻力称作R_gc，则在第K排挡槽步距上的平衡速度称作V_K（R_gc）。在那些不超出速度命令值中相对于最大平衡速度的排挡槽阶称为n，而如前所述现在火车速度和速度命令值间的速度差称为△V。这样排挡槽阶用图8确定。在图8中，横座标轴表示速度差而纵座标轴表示排挡槽阶，排挡槽阶的负值指用于制动的排挡槽。代表排挡槽的一组线由电动机的排挡槽特性和火车重量确定。由于这组线代表排挡槽阶，由公开的号为288706/1986的日本专利申请发明的具有滞后的组线也可应用。在图8中，当速度差为零，即现在火车速度等于速度命令值时，则需要第n个排挡槽阶。然后，在现在火车速度大于速度命令值时则需要较小的排挡槽阶，反之亦然。

在该实施例中，由于排挡槽命令是作为控制信号的输出，凸轮轴控制方法作为电动机控制装置是有用的，而由排挡槽命令控制的转换器或斩波器的自动化通过手动操作和自动操作相结合可适当地实现。

另外，由于本发明实现了一种反馈控制，即运行点是置定在与运行阻力或平衡排挡槽步距相平衡的平衡速度及目标速度所确定的点上，因此对以高速长时间运行的这种一种超特快火车就可以始终地控制火车速度使它保持在目标速度附近。

采用本发明，由于在每个时间步距都根据现在火车运行状态和预置时间-距离曲线执行反馈控制，因此时间累积误差和距离累积误差两者都可被压缩在很小值内。另外，这种控制不是根据现在差值而是根据参照预制的时间-距离曲线确定的在置定时间步距后火车应到达的距离处执行，而且火车被控制得可在置定时间步距内到达目标距离上，这就可对控制实现一种所谓平均效果。采用这种平均效果，对那些用时间-距离曲线的控制所常见的不平衡控制就可避免而可以实现舒适的乘车感觉。

Claims (9)

1、一种根据表示时间和火车位置间关系的一时间-距离曲线，自动驾驶火车的火车自动驾驶装置，所述装置包括：

一个用于输出一预定时间步距的装置；

一个用于输出火车现在位置的装置；

一个用于利用所述时间-距离曲线输出所述火车在距现在时刻所述预定时间步距后应到达位置值装置；以及

一种利用所述火车的现时位置、所述火车在所述预定时间步距后应到达的位置以及所述预定的时间步距来确定所述火车的目标速度的装置。

2、如权利要求1所述的火车自动驾驶装置，其特征在于，所述的预定时间步距具有一个可变的宽度。

3、一种根据表示时间和火车位置间关系的一时间-距离曲线，自动驾驶火车的火车自动驾驶装置，所述装置包括：

一个用于输出一预定时间步距的装置;

一个用于输出火车现在位置的装置;

一个用于利用所述时间-距离曲线输出所述火车在离现在时刻所述预定时间步距后应到达的位置的装置;

一个用于利用所述火车的现在位置、所述火车在所述预定时间步距后应到达的位置和所述预定时间步距来确定火车的目标速度的装置;以及

一种用于当所述确定的目标速度超过火车速度的限值时将所述火车速度的限值置定为所述目标速度的装置。

4、如权利要求3所述的火车自动驾驶装置，其特征在于，所述的预定时间步距具有一可变的宽度。

5、如权利要求4所述的火车自动驾驶装置，其特征在于，所述预定时间步距的宽度相应于两站的距离而变化。

6、如权利要求4所述的火车自动驾驶装置，其特征在于，所述预定时间步距的宽度相应于至下站的一个距离而变化。

7、如权利要求3所述的火车自动驾驶装置，其特征在于，所述装置还包括：

一用于输出所述火车所运行的铁路线的运行阻力的装置;

一用于获得所述火车现在速度与目标速度间的差值的装置;以及

一种用于输出目标扭矩、所述目标扭矩是由所述运行阻力和所述目标速度来确定的。

8、如权利要求3所述的火车自动驾驶装置，其特征在于，所述装置还包括：

一种用于输出所述火车所运行的铁路线的运行阻力的装置;

一种用于获得所述火车现在速度和所述目标速度间差的装置;以及

一种用于输出多个被置定排挡槽阶之一的装置，所述排挡槽阶由运用所述运行阻力和所述目标速度确定。

9、如权利要求8所述的火车自动驾驶装置，其特征在于，所述的用于输出排挡槽阶的装置包括：

一用于获得所述运行阻力和在每个所述排挡槽阶上的所述平衡速度的装置;以及

一个用于选择多个所述排挡槽阶之一的装置，所述的多个排挡槽阶之一根据所述速度差和所述平衡速度来确定。

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