CN112660202A - 一种与车辆深度融合的列车自动驾驶系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种与车辆深度融合的列车自动驾驶系统，系统作为独立模块集成在头尾车中央控制单元内部，构成头尾车两端双机热备冗余结构；列车自动驾驶系统与中央控制单元融合后包括用于实现ATO系统功能的融合ATO模块与用于实现中央控制单元功能的CCU模块，所述融合ATO模块与CCU模块直接通信，所述CCU模块统一负责对外与牵引/制动系统、ATP系统、ATS系统通信。本发明提供的融合ATO系统可以实时获取牵引系统和制动系统反馈的状态信息、能力信息、控制指令反馈信息等，在线实时生成最优ATO目标运行曲线同时优化目标跟踪控制策略，减少了通信链路，缩短闭环控制周期，提高控制精度和舒适性，增强ATO系统与牵引系统和制动系统之间配合度。
Description
技术领域
本发明属于列车运行控制系统技术领域，尤其涉及一种与车辆深度融合的列车自动驾驶系统。
背景技术
列车自动驾驶系统(ATO)是列车运行控制系统的重要组成部分，ATO系统在列车自动防护子系统(ATP)的安全防护和列车自动监控系统(ATS)的指挥和监督下计算列车控制指令并将控制指令发送给车辆牵引系统、制动系统，车辆牵引系统、制动系统负责按照ATO系统发送的控制指令完成对列车的自动驾驶控制。
在传统的ATO系统中，ATO系统通常集成在信号系统的车载列车运行控制单元中，ATO系统与车辆牵引系统、制动系统之间并没有直接建立相互间的实时数据交互，ATO系统生成的牵引/制动控制指令通过ATP系统先发送给中央控制单元(CCU)，再由CCU转发给牵引系统和制动系统，牵引系统和制动系统负责按照ATO系统发送的控制指令完成对列车的启动、加速、巡航、惰行、减速和制动停车的控制过程。同时，ATO系统也无法实时获取牵引系统和制动系统内部的工作状态信息，如实时控制状态和实际控制能力信息等，而是间接的通过测速定位设备获取列车的速度、位置、加速度等信息，ATO系统再利用采集的列车运行状态信息进行车辆运行控制。此外，传统的列车电路中涉及大量车载列车运行控制单元功能相关的输入/输出继电器接口硬线信号，这些信号中有很多是与车辆系统的硬线电路重复设置的，增大了导致列车电路复杂度。
在这种系统架构和控制方式下，ATO系统普遍采用了将列车作为黑盒，仅依据ATP系统的安全防护信息和ATS系统的运营调整信息等生成目标速度曲线并实现列车目标速度的跟踪控制。此种方案虽然能够实现列车速度控制、停车控制等ATO系统基本功能，但仍存在以下不足：
1)ATO系统发出控制指令后需通过ATP系统先发送给中央控制单元CCU，再由CCU统一接收判断后再转发给牵引/制动系统执行，控制周期较长；
2)ATO系统无法获取牵引/制动系统的实时状态和能力，可能导致控制指令与车辆实际控制能力不匹配，牵引、制动状态之间频繁切换；
3)信号系统与车辆系统硬线电路存在重复设置，导致列车电路较为冗杂，不利于可靠性提升；
4)没有充分发挥信号系统和车辆系统各自的优势和性能，不利于实现ATO系统与牵引系统和制动系统之间协同配合。
为解决上述问题，本发明提出一种与车辆深度融合的列车自动驾驶系统，对ATO系统的相关功能与性能进行了进一步优化与改进。
发明内容
本发明在上述传统的ATO系统的基础上改进提供了一种与车辆深度融合的列车自动驾驶系统，与车辆系统深度融合后，减少通信链路，缩短控制周期，提高控制精度和舒适性，增强ATO系统与牵引/制动系统之间配合度。
为了实现上述目的，本发明提供了一种与车辆深度融合的列车自动驾驶系统，系统作为独立模块集成在头尾车中央控制单元内部，构成头尾车两端双机热备冗余结构；
列车自动驾驶系统与中央控制单元融合后包括用于实现ATO系统功能的融合ATO模块与用于实现中央控制单元功能的CCU模块，所述融合ATO模块与CCU模块直接通信，所述CCU模块统一负责对外与牵引/制动系统、ATP系统、ATS系统通信。
优选的，所述融合ATO模块运行在独立的硬件板卡ATO控制板上，用于负责完成ATO系统的功能业务逻辑处理功能；所述CCU模块运行在独立的硬件板卡CCU控制板上，用于负责完成中央控制单元的功能业务逻辑处理功能；所述ATO控制板与CCU控制板之间通过采用安全通讯协议的内部高速总线互联，所述CCU控制板和外部设备之间通过采用安全通讯协议的外部总线互联。
优选的，列车自动驾驶系统与中央控制单元融合后的硬件系统还包括COM通信处理板以及PSU电源板。
优选的，所述CCU模块通过RIOM远程输入输出模块统一进行非安全输入信号和非安全输出信号的采集和输出，采集信息通过网络传输至所述融合ATO模块。
优选的，系统的软件系统包括控制策略优化单元，所述控制策略优化单元根据获取的ATP系统的EB限制速度、MA移动授权信息，牵引/制动系统的状态信息、能力信息、控制指令反馈信息、实际牵引/制动力大小信息，在线实时生成最优的ATO目标运行曲线，以实时调整牵引/制动控制指令，优化控制精度。
优选的，系统的软件系统还包括定点停车控制单元，所述定点停车控制单元用于在定点精确停车过程的低速阶段，计算目标停车曲线及目标停车点距离信息后发送给牵引/制动系统，牵引/制动系统收到停车控制权接管指令后结合电制动和空气制动的状态及转换信息等信息完成定点停车控制，以提高列车停车精度。
优选的，系统的软件系统还包括巡航控制单元，所述巡航控制单元用于在列车大幅欠标、检修库内或者站间平直区间判断是否需要进入巡航速度控制阶段并向牵引系统发送巡航指令、巡航速度，牵引系统选择最有节能效果的牵引控制量控制列车满足巡航速度控制要求，以减少不必要的过牵引。
优选的，系统的软件系统还包括滑行检测及控制单元，所述滑行检测及控制单元用于根据获取的牵引/制动系统发送的车轮滑行、空转信息，判断列车在区间运行时车轮滑行、空转信息是否超过给定数量限制，控制车轮滑行、空转信息在超过给定数量限制时，根据施加的牵引/制动控制指令，及时调整牵引/制动级位，以减轻列车的滑行、空转程度。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明提供的与车辆深度融合的列车自动驾驶系统作为独立模块集成在头尾车中央控制单元内部，构成头尾车两端双机热备冗余结构，融合ATO模块与CCU模块直接通信，CCU模块统一负责对外与牵引/制动系统、ATP系统、ATS系统通信，融合ATO模块计算生成的牵引/制动控制指令可直接发送给牵引/制动系统执行，减少通信链路，可以缩短闭环控制周期，提高控制精度；同时融合ATO系统可以获取更为丰富的车辆系统信息，充分考虑了牵引系统和制动系统的实时状态和控制能力，实时获取牵引系统和制动系统的状态信息、能力信息、控制反馈信息等，在线优化目标曲线并进行实时动态调整，使得融合ATO系统计算的控制指令与车辆实际控制能力更加匹配，减少牵引制动切换次数，提升控车舒适性。同时，融合ATO系统取消传统ATO系统相关的非安全输入信号和非安全输出信号的采集和传输电路，由CCU模块通过RIOM远程输入输出模块进行统一采集，减少了与车辆系统重复设置的硬线电路，降低列车电路冗杂度，进一步提升可靠性。同时，融合ATO系统优化了传统ATO系统功能并重新分配ATO系统与牵引系统/制动系统的功能界限，能够最大程度发挥车辆系统和信号系统的特性和优势，增强ATO系统与牵引系统和制动系统之间配合度，提升定点停车效果，降低能耗并提升整体控车效果。
附图说明
图1为本发明的与车辆深度融合的列车自动驾驶系统整体架构框图；
图2为系统的硬件架构示意图；
图3为系统与车辆接口示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。
由于传统ATO系统通常集成在信号系统的车载控制单元中，ATO系统与车辆牵引系统、制动系统之间并没有直接建立相互间的实时数据交互，ATO系统生成的牵引/制动控制指令通过ATP系统先发送给中央控制单元CCU，再由CCU转发给牵引系统和制动系统，控制周期较长。基于此，本发明对传统的ATO系统改进，提供了一种与车辆系统深度融合的列车自动驾驶系统(简称融合ATO系统)，将融合ATO系统作为独立模块集成在头尾车中央控制单元内部，构成头尾车两端双机热备冗余结构，融合ATO系统生成的牵引/制动控制指令可直接发送给牵引/制动系统。具体的，如图1所示，列车自动驾驶系统与中央控制单元融合后包括用于实现ATO系统功能的融合ATO模块与用于实现中央控制单元功能的CCU模块两部分，融合ATO模块与CCU模块直接通信，CCU模块通过背板为融合ATO系统提供对外通信接口及电源，CCU模块统一负责对外与牵引/制动系统、ATP系统、ATS系统通信。
具体的，列车自动驾驶系统与中央控制单元融合后的硬件系统架构设计如图2所示，其设置有ATO控制板、CCU控制板、COM通信处理板以及PSU电源板等板卡。其中：融合ATO模块运行在独立的硬件板卡ATO控制板上，用于负责完成ATO系统的功能业务逻辑处理功能；CCU模块运行在独立的硬件板卡CCU控制板上，用于负责完成中央控制单元的功能业务逻辑处理功能；融合ATO模块仅与CCU模块通过背板直接通信，不再设置其它的对外硬线或网络接口，具体将ATO控制板与CCU控制板之间通过采用安全通讯协议的内部高速总线互联，CCU控制板和外部设备之间通过采用安全通讯协议的外部总线互联。PSU电源板负责完成系统供电及110V电源转换功能；COM通信处理板，负责完成所有对外部设备的通信转发。
对于融合ATO系统与车辆系统的接口设置，如图3所示，本实施例中融合ATO模块仅与CCU模块通过背板直接通信，ATO功能相关的非安全关键信号不再采用继电接口和电流环，而改为网络接口实现，由CCU模块通过RIOM远程输入输出模块采集并传输至融合ATO模块，此类接口信息主要包括：列车车门控制模式选择信号、ATO牵引/制动指令、ATO牵引/制动级位、开门指令、关门指令等。而对于ATP功能相关的安全关键信号仍保留ATP系统继电接口不变，由车载列控系统负责采集。因此，本实施例中采用车辆接口融合的方式，可以在保证安全和基本功能的前提下，减少列车硬线电路，简化车辆硬线信号需求，降低车辆电路复杂度，提高系统可用性和可靠性。
与传统的ATO系统相比，融合ATO系统可以与车辆系统互相提供更为丰富的状态、控制信息，直接获取牵引系统和制动系统内部的工作状态和能力信息用于列车运行控制，不再仅仅通过测速定位设备间接的获取列车的速度、位置等信息进行车辆运行控制。融合ATO系统在既有传输数据的基础上新增融合ATO系统功能所需的数据，融合ATO系统实时获取牵引/制动系统传输的牵引/制动状态、牵引/制动可用率、牵引/制动实际作用力、滑行信息、空转信息、控制指令反馈等信息，并向牵引/制动系统实时传输牵引/制动指令、牵引/制动级位、运行工况、巡航指令、巡航速度、精确停车目标距离及目标速度、精确停车区间线路条件等信息，融合ATO系统能够最大程度发挥车辆系统和信号系统的特性和优势，使得融合ATO系统发出的控制指令与车辆牵引/制动系统的实际控制能力更加匹配，提升整体控车效果。具体的，对于融合ATO系统软件架构的设计，优化了传统ATO系统功能并重新分配ATO系统与牵引系统/制动系统的功能界限，本实施例中优化并新增了控制策略优化单元、定点停车控制单元、巡航控制单元、滑行检测及控制单元等多个功能单元，其中：控制策略优化单元根据获取的ATP系统的EB限制速度、MA移动授权信息，牵引/制动系统的状态信息、能力信息、控制指令反馈信息、实际牵引/制动力大小信息，在线实时生成最优的ATO目标运行曲线，以实时调整牵引/制动控制指令，优化控制精度。定点停车控制单元用于在定点精确停车过程的低速阶段，计算目标停车曲线及目标停车点距离等信息后发送给牵引/制动系统，牵引/制动系统收到停车控制权接管指令后结合电制动和空气制动的状态及转换信息等信息完成定点停车控制，以提高列车停车精度。巡航控制单元用于在列车大幅欠标、检修库内或者站间平直区间判断是否需要进入巡航速度控制阶段并向牵引系统发送巡航指令、巡航速度，牵引系统选择最有节能效果的牵引控制量控制列车满足巡航速度控制要求，减少不必要的过牵引。滑行检测及控制单元用于根据获取的牵引/制动系统发送的车轮滑行、空转信息，判断列车在区间运行时车轮滑行、空转信息是否超过给定数量限制，控制车轮滑行、空转信息在超过给定数量限制时，根据施加的牵引/制动控制指令，及时调整牵引/制动级位，以减轻列车的滑行、空转程度。
综上可知，与既有集成在信号系统的车载列车运行控制单元中ATO系统相比，本发明提供的融合ATO系统作为独立模块集成在头尾车中央控制单元内部，构成头尾车两端双机热备冗余结构，融合ATO模块与CCU模块直接通信，CCU模块统一负责对外与牵引/制动系统、ATP系统、ATS系统通信，融合ATO模块计算生成的牵引/制动控制指令可直接发送给牵引/制动系统执行，减少通信链路，可以缩短闭环控制周期，提高控制精度；同时融合ATO系统可以获取更为丰富的车辆系统信息，充分考虑了牵引系统和制动系统的实时状态和控制能力，实时获取牵引系统和制动系统的状态信息、能力信息、控制反馈信息等，在线优化目标曲线并进行实时动态调整，使得融合ATO系统计算的控制指令与车辆实际控制能力更加匹配，减少牵引制动切换次数，提升控车舒适性。同时，融合ATO系统取消传统ATO系统相关的非安全输入信号和非安全输出信号的采集和传输电路，由CCU模块通过RIOM远程输入输出模块进行统一采集，减少了与车辆系统重复设置的硬线电路，降低列车电路冗杂度，进一步提升可靠性。同时，融合ATO系统优化了既有ATO系统功能并重新分配ATO系统与牵引系统/制动系统的功能界限，能够最大程度发挥车辆系统和信号系统的特性和优势，增强ATO系统与牵引系统和制动系统之间配合度，提升定点停车效果，降低能耗并提升整体控车效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.一种与车辆深度融合的列车自动驾驶系统，其特征在于，系统作为独立模块集成在头尾车中央控制单元内部，构成头尾车两端双机热备冗余结构；
列车自动驾驶系统与中央控制单元融合后包括用于实现ATO系统功能的融合ATO模块与用于实现中央控制单元功能的CCU模块，所述融合ATO模块与CCU模块直接通信，所述CCU模块统一负责对外与牵引/制动系统、ATP系统、ATS系统通信。
2.根据权利要求1所述的与车辆深度融合的列车自动驾驶系统，其特征在于，所述融合ATO模块运行在独立的硬件板卡ATO控制板上，用于负责完成ATO系统的功能业务逻辑处理功能；所述CCU模块运行在独立的硬件板卡CCU控制板上，用于负责完成中央控制单元的功能业务逻辑处理功能；所述ATO控制板与CCU控制板之间通过采用安全通讯协议的内部高速总线互联，所述CCU控制板和外部设备之间通过采用安全通讯协议的外部总线互联。
3.根据权利要求2所述的与车辆深度融合的列车自动驾驶系统，其特征在于，列车自动驾驶系统与中央控制单元融合后硬件系统还包括COM通信处理板以及PSU电源板。
4.根据权利要求1所述的与车辆深度融合的列车自动驾驶系统，其特征在于，所述CCU模块通过RIOM远程输入输出模块统一进行非安全输入信号和非安全输出信号的采集和输出，采集信息通过网络传输至所述融合ATO模块。
5.根据权利要求1-4任一项所述的与车辆深度融合的列车自动驾驶系统，其特征在于，系统的软件系统包括控制策略优化单元，所述控制策略优化单元根据获取的ATP系统的EB限制速度、MA移动授权信息，牵引/制动系统的状态信息、能力信息、控制指令反馈信息、实际牵引/制动力大小信息，在线实时生成最优的ATO目标运行曲线，以实时调整牵引/制动控制指令，优化控制精度。
6.根据权利要求1-4任一项所述的与车辆深度融合的列车自动驾驶系统，其特征在于，系统的软件系统还包括定点停车控制单元，所述定点停车控制单元用于在定点精确停车过程的低速阶段，计算目标停车曲线及目标停车点距离信息后发送给牵引/制动系统，牵引/制动系统收到停车控制权接管指令后结合电制动和空气制动的状态及转换信息等信息完成定点停车控制，以提高列车停车精度。
7.根据权利要求1-4任一项所述的与车辆深度融合的列车自动驾驶系统，其特征在于，系统的软件系统还包括巡航控制单元，所述巡航控制单元用于在列车大幅欠标、检修库内或者站间平直区间判断是否需要进入巡航速度控制阶段并向牵引系统发送巡航指令、巡航速度，牵引系统选择最有节能效果的牵引控制量控制列车满足巡航速度控制要求，以减少不必要的过牵引。
8.根据权利要求1-4任一项所述的与车辆深度融合的列车自动驾驶系统，其特征在于，系统的软件系统还包括滑行检测及控制单元，所述滑行检测及控制单元用于根据获取的牵引/制动系统发送的车轮滑行、空转信息，判断列车在区间运行时车轮滑行、空转信息是否超过给定数量限制，控制车轮滑行、空转信息在超过给定数量限制时，根据施加的牵引/制动控制指令，及时调整牵引/制动级位，以减轻列车的滑行、空转程度。
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