CN116573021A - 一种基于可配置制动模型的磁浮atp系统 - Google Patents

一种基于可配置制动模型的磁浮atp系统 Download PDF

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CN116573021A CN202310502147.XA CN202310502147A CN116573021A CN 116573021 A CN116573021 A CN 116573021A CN 202310502147 A CN202310502147 A CN 202310502147A CN 116573021 A CN116573021 A CN 116573021A
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王艺佳
李立
杨辉
周芳
王善磊
陈宜航
朱爱鹏
张辉
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Abstract

本发明公开了一种基于可配置制动模型的磁浮ATP系统，涉及轨道交通技术领域，包括测速采集模块、定位采集模块、车载主运算器和车载DMI，所述车载主运算器包括ATP控制模块和测速定位处理模块。ATP控制模块接收来自轨旁的移动授权及设备状态，结合来自车载DMI的输入数据以及来自测速定位处理模块的安全速度和安全位置数据，对磁悬浮列车速度进行监控，计算得到车辆控制命令给车辆。ATP控制模块、测速定位处理模块通过接口调用实现数据传输，保证了数据传输及时性；ATP控制模块可根据列车牵引状态选取相应制动模型，同时可根据项目需要配置牵引切除时牵引力的变化模型以及制动建立时的制动力变化模型。

Description

一种基于可配置制动模型的磁浮ATP系统
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域，更具体地说涉及一种基于可配置制动模型的磁浮ATP系统。
背景技术
ATP子系统(列车自动保护系统)是确保列车运行速度不超过目标速度的安全控制系统。它是列车自动控制(ATC)系统的子系统，也是确保列车安全运行，实现超速防护的关键设备。该子系统通过设于轨旁的ATP地面设备，连续地向列车传送“目标速度”或“目标距离”等信息，以保持后续列车与先行列车之间的安全间隔距离，并监督列车车门和站台屏蔽门的开启和关闭的程序控制，确保它们的安全操作。
现有技术中，公开号为CN205971371U的中国专利，公开了一种基于卫星定位和加速度传感器的车载ATP系统。该系统包括两两之间通过通信总线连接的安全计算机、测速测距单元、列车接口单元等。
公开号为CN205906003U的中国专利，公开了一种点连式ATP系统，该系统主要应用于容易升级成CBTC系统的信号系统，包括车载子系统、联锁子系统、轨旁设备、通信子系统等子系统，是在基于点式设备对列车防护的基础上，在关键区域增加连续式无线通信的准移动闭塞信号系统。
公开号为CN109367584A的中国专利，公开了一种用于有轨电车的ATP系统，该系统采用“信标+速度传感器”的方式实现测速定位，紧急制动运行学模型分为三个阶段，以能量守恒定律为基础，推导列车在紧急制动过程中的能量变化公式，计算列车不可超越的速度阈值。
上述专利公开的ATP系统，均不适用于磁悬浮列车的列车自动保护。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明公开了一种基于可配置制动模型的磁浮ATP系统，本发明的目的是解决现有技术中ATP系统不适用于磁悬浮列车的列车自动保护的问题。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案：
一种基于可配置制动模型的磁浮ATP系统，包括测速采集模块、定位采集模块、车载主运算器和车载DMI，所述车载主运算器包括ATP控制模块和测速定位处理模块；
所述测速采集模块，与所述测速定位处理模块通信连接，采集磁悬浮列车的速度信息并将其发送至测速定位处理模块；
所述定位采集模块，与所述测速定位处理模块通信连接，采集磁悬浮列车的位置信息并将其发送至测速定位处理模块；
所述测速定位处理模块，与所述ATP控制模块通信连接，接收来自测速采集模块和定位采集模块的信息生成安全速度和安全位置，并将安全速度和安全位置信息发送至ATP控制模块；
所述ATP控制模块，与所述车载DMI通信连接，接收来自轨旁的移动授权及设备状态，结合来自车载DMI的输入数据以及来自测速定位处理模块的安全速度和安全位置数据，对磁悬浮列车速度进行监控，计算得到车辆控制命令给车辆，并将列车状态信息和位置信息发送给轨旁设备。
优选的，所述ATP控制模块和测速定位处理模块集成于车载主运算器的同一块逻辑运算板。
本发明中，ATP控制模块和测速定位处理模块集成于车载主运算器。ATP控制模块与测速定位处理模块集成于同一块逻辑运算板，占用硬件更少，总体体积更小，数据交互时间更短。测速定位处理模块接收来自测速采集模块和定位采集模块的信息生成安全速度和安全位置，并将安全速度和安全位置信息传送给ATP控制模块。ATP控制模块接收来自轨旁的移动授权及设备状态，结合来自车载DMI的输入数据以及来自测速定位处理模块的速度和位置数据，计算得到车辆控制命令给车辆，并将列车状态信息和位置信息发送给轨旁设备。
优选的，所述ATP控制模块承载核心计算功能，包括用于线路地图管理、列车定位状态管理、列车超速防护、车门管理以及向轨旁发送列车状态。
优选的，所述测速定位处理模块接收来自测速采集模块及定位采集模块的数据，对采集到的速度及位置信息过滤校验融合，计算得到安全位置及安全速度，并提供给ATP控制模块。
优选的，所述测速采集模块和定位采集模块引用一种可组合复用的列车车载测速定位安全平台，对接不同传感器组合，接收来自加速度传感器、雷达或卫星传来的速度数据，实现多种传感器信息交互。
优选的，所述车载DMI用于接收来自驾驶员的按钮信息，显示来自ATP控制模块发送的线路地图、列车位置、列车速度、速度防护曲线、设备状态信息，辅助司机安全驾驶。
优选的，所述ATP控制模块内存储磁浮车辆参数、线路电子地图及实时运算逻辑模块；所述车辆参数包括车长、空载车重、满载车重；所述线路电子地图包括本条线路长度、公里标、区段划分及各区段上所有的信标、道岔、信号机、坡度，以及转弯点、保护区、永久限速区信息；所述实时运算逻辑模块存储牵引制动运行学模型，根据测速定位处理模块、DMI、ZC及CBI发送来的数据，实时计算输出列车控制命令。
本发明中，DMI是指司机人机交互界面，ZC是指区域控制中心，CBI是指计算机联锁系统。
优选的，所述ATP控制模块与ZC及CBI通信连通；列车定位后，车载设备先发起连接请求，通过通信协议与ZC建立连接；然后周期持续性发起注册请求，直到ZC回复注册成功；此后车载设备周期性向ZC发送位置报告、列车定位情况及ATP控制模块工作状态，同时监控自身与ZC的通信状态；ZC负责模拟移动授权信息、计算路径信息、临时限速信息、监控站台门状态，并通过无线通信周期性发送给ATP控制模块；当列车失去定位时，车载设备周期性持续发送注销请求，直到ZC反馈注销成功反馈信号；当列车最大安全前端运行至CBI通信区时，车载设备向CBI发送心跳帧直到CBI回复心跳帧；当车载设备判断列车安全定位与电子线路地图中CBI通信区域有交集时，车载设备向CBI发送车载控制消息，CBI回复CBI状态信息；当列车安全定位与CBI通信区无交集时，车载设备向CBI发送注销请求，直到收到CBI的注销回复信息至通信超时中断；
车载设备向CBI发送的车载控制信息包括列车运行方向、列车最大安全前端所在轨道区段、站台开门码、屏蔽门控制状态及查询信号机标识，CBI则向车载设备反馈屏蔽门、信号机状态信息。
优选的，所述ATP控制模块管理定位状态，所述定位状态包括：失去定位、连续信标定位及重定位；线路的所有信标都存储在线路地图中的，当读到信标时，ATP控制模块就得知列车在实际线路中的位置；当ATP控制模块不能从测速定位处理模块获取有效安全位置时，将列车定位状态置为失去定位状态；当ATP控制模块能从测速定位处理模块获取到连续的两个信标并确认列车实际位置和运行方向时，将列车定位状态置为连续信标定位；重定位则是在列车已定位的情况下，对测速定位处理模块计算数据进行矫正。
优选的，所述ATP控制模块的监控速度设定如下：
列车失位情况下，以电子地图中全线路所有限制速度中最限制速度为监控速度进行防护，包括列车刚上电未定位时、列车运行途中未收到测速定位处理模块的安全速度及位置信息时；
列车定位情况下，电子地图中存储的所有限制点，包括信号机、道岔、以及永久限速、保护区虚拟限制区域，每个限制点都有其固定限制速度，ATP控制模块将这些速度均作为监控速度，列车不允许超过运行前方所有限制点的限制速度；
在与ZC通信正常的情况下，将ZC发送的临时限速、前方运行列车速度信息纳入监控速度范围。
本发明中，ATP控制模块的速度监控原理具体如下：
1、速度监控流程
优选的，所述ATP控制模块的速度监控包括以下步骤：
S11、判断列车当前是处于牵引状态、惰行状态还是制动状态，并读取相应制动模型；若是牵引状态，则采用牵引状态制动模型；若是惰行状态，采用惰行状态制动模型；若是制动状态，采用制动状态制动模型；
S12、根据当前制动模型对列车进行受力分析，结合列车质量，计算列车当前周期加速度；
S13、利用S12步骤中的加速度，计算出本周期末的列车位置及列车速度；
S14、判断S13步骤所得列车速度是否小于等于0Km/h,若是则进入S19步骤，若否则进入S15步骤；
S15、断S13步骤所得列车位置是否超过移动授权，如果超出移动授权，则进入S18步骤；如果没有超出移动授权，则进入S16步骤；
S16、判断该位置有无限速点或者限速区域，如果没有则继续进行下个周期计算，转至S12步骤；如果有限速点或者限速区域，则获取当前限速值并转至S17步骤；
S17、判断S13步骤所得列车速度是否超过当前S16步骤所得限速值，如果超过，跳至S18步骤；如果没有，则继续进行下个周期计算，转至S12步骤；
S18、超速报警；
S19、结束运算。
本发明中，需要说明的是，ATP控制系统每ATP运算周期都需要运算速度监控算法，速度监控算法需要计算从当前时刻开始到列车制动至0Km/h之前内的运动状态，各制动模型拆分为多个运动阶段。为同时兼顾运算效率和精确度，其中列车从建立制动完成至列车速度为0Km/h阶段，计算每Inter*ATP运算周期的运动状态(Inter值需要静态配置)，其余运动阶段的每ATP运算周期的运动状态都需要计算。
优选的，所述ATP控制模块的速度监控，需要利用存储的磁浮车辆参数、线路电子地图、静态配置参数和实时输入信息。本发明中，静态配置参数主要用于列车受力分析、制动模型阶段分析、列车速度监控算法。实时输入信息则是从测速定位处理模块接收到的安全速度信息及安全位置信息。
2、列车运行过程受力分析
优选的，所述ATP控制模块对列车运行过程进行受力分析，列车受力如下：
F＝atracftracFtrac+abreakfbreakFbreak+OairFair+Fg+OelecFelec
其中，atracftracFtrac为总牵引力，abreakfbreakFbreak为总制动力，OairFair为总空气阻力，Fg为重力，OelecFelec为总电磁阻力；
本发明中，列车运行过程主要受到列车牵引力、空气阻力、列车重力、电磁阻力等影响，每ATP计算周期，列车受力如上式所示。
优选的，列车受力公式中：
Ftrac为牵引力，ATP控制模块内置了列车速度区间与列车牵引力的对应关系表，根据收到的当前速度，确定当前速度所在的列车速度区间，将该列车速度区间对应的列车牵引力作为Ftrac；
atrac为牵引力系数，对牵引力进行一个过估，atrac＞1；
ftrac为牵引力切除模型，用以描述牵引力变化，可根据实际情况进行配置，当牵引力以恒定变化率变化时，ftrac配置为其中N为牵引力切除阶段占用N个ATP计算周期，n代表当前周期处于牵引力切除的第n个周期；
本发明中，牵引力切除模型ftrac，描述牵引力变化。例如ftrac配置为1，表示某阶段的牵引力取恒定牵引力，如经典制动模型中的牵引力切除过程。实际应用中，牵引力切除过程牵引力的变化可能是以恒定变化率变化，也可能是先极速衰减后缓慢衰减，或者是先缓慢衰减后极速衰减，项目可根据实际情况进行配置ftrac。当牵引力以恒定变化率变化时，ftrac可配置为其中N为牵引力切除阶段占用N个ATP计算周期，n代表当前周期处于牵引力切除的第n个周期。这里的ftrac不仅限于函数，也可能是表格等形式，只要是能查找到当前周期变化后牵引力值即可。
Fbreak为制动力，ATP控制模块内置了列车速度区间与列车制动力的对应关系表，根据收到的当前速度，确定当前速度所在的列车速度区间，将该列车速度区间对应的列车制动力作为Fbreak；
abreak为制动力系数，对制动力进行一个保留估计，0＜abreak＜1；
fbreak为制动力建立模型，用以描述制动力变化，可根据实际情况进行配置，当制动力以恒定变化率变化时，fbreak配置为其中N为制动力建立阶段占用N个ATP计算周期，n代表当前周期处于制动力建立的第n个周期；
本发明中，制动力建立模型fbreak，描述制动力变化。例如fbreak配置为1，表示某阶段的制动力取恒定制动力，如经典制动模型中的制动力建立过程。但实际应用中，制动力建立过程中制动力的变化可能是以恒定变化率变化，也可能是先极速衰减后缓慢衰减，或者是先缓慢衰减后极速衰减，项目可根据实际情况进行配置fbreak。举例为：当制动力以恒定变化率变化时，fbreak可配置为其中N为制动力建立阶段占用N个ATP计算周期，n代表当前周期处于制动力建立的第n个周期。这里的fbreak不仅限于函数，也可能是表格等形式，只要是能查找到当前周期变化后制动力值即可。
是否计算空气阻力Oair，Oair＝0，不计算空气阻力，默认为Oair＝1；
是否计算电磁阻力Oelec，Oelec＝0时，不计算电磁阻力，默认为Oelec＝1；
优选的，(1)对于牵引力计算：从配置获取atrac，根据当前运行阶段、当前ATP计算周期从配置获取ftrac，根据速度-牵引力表获取Ftrac，计算得到牵引力为atracftracFtrac；
(2)对于制动力计算：从配置获取abreak，根据当前运行阶段、当前ATP计算周期从配置获取fbreak，根据速度-制动力表获取Fbreak，计算得到制动力为abreakfbreakFbreak；
(3)对于重力计算：其为平行于坡道的分力Fg＝Mgi，其中M为列车质量，i表示坡度的千分数，坡度取列车安全位置范围内的坡度最大值；
本发明中，列车处于坡道时，自身重力可以分解为垂直坡道的力和平行于坡道的力。可以看出，列车运行状况主要受平行于坡道的分力影响。当列车处于下坡时，平行于坡道的力相当于是牵引力；当列车处于上坡时，平行于坡道的分力才是阻力。平行于坡道的分力计算公式为：
Fg＝Mgi
i＝1000H/S
式中M为列车质量，i表示坡度的千分数，即坡道终点与坡道起点之间的高度差H除以坡道终点与坡道起点之间的距离S再乘1000。列车重力对列车速度影响主要视坡度而定，与坡道的坡度、方向密切相关。坡度取列车安全位置范围内的坡度最大值。示例性的，上坡方向的坡度标识信息可以是负号，下坡方向的坡度标识信息可以是正号。如果存在-20°、-10°、10°和20°这四个坡度信息，本文取-20°<-10°<10°<20°。
优选的，列车T时间内的最大坡度值取值的方法包括以下步骤：
S21、获取列车当前所在坡度值i；
S22、计算T时间内列车行驶距离S；
S23、判断列车行驶距离S后是否超出当前坡道；如果列车行驶距离S未超过当前坡道，进入步骤S29；如果列车行驶距离S超过当前坡道，进入步骤S24；
S24、计算运行至当前坡道末端所用时间t1；
S25、使用T-t1更新T值；
S26、列车驶入下一坡道；
S27、判断下一坡道值i1是否大于i，如果i1大于i，进入步骤S28，否则进入步骤S22；
S28、i＝i1；
S29、输出坡度值i作为最大坡度值。
(4)对于空气阻力计算：其中Cd为阻力系数，ρ为空气密度，V为平行于列车运动方向的气流相对速度，S为与列车垂直的最大迎风截面积；
本发明中，空气阻力大小与阻力系数、空气密度、运行速度、列车最大横截面积相关，由下式确定：
其中Cd为阻力系数，一般取值0.26；ρ为空气密度，标准情况下是1.293kg/m3，出于安全考虑，需要根据项目取当地的空气密度最小值；V为平行于列车运动方向的气流相对速度，本专利取值为列车当前运行速度V；S为与列车垂直的最大迎风截面积，需要根据项目进行配置。明显看出，空气阻力随速度的变化而变化。
优选的，空气阻力计算包括以下步骤：
S31、判断当前是否受到牵引力；
S32、如果受到牵引力，当前列车受到的力为F＝atracftracFtrac+Fg+OelecFelec，执行步骤S35；否则，执行步骤S33；
上述步骤受力分析没有加入空气阻力，实际上是导向安全侧的。
S33、判断当前是否已施加制动；
S34、如果已施加制动，当前列车受到的力为F＝abreakfbreakfbreak+Fg+OelecFelec，执行步骤S35；如果没有施加制动，当前列车受到的力为F＝Fg+OelecFelec，执行步骤S35；
上述步骤受力分析没有加入空气阻力，实际上是导向安全侧的。
S35、根据本周期受力分析计算本周期加速度a，结合本周期收到的当前速度V0以及ATP计算周期Δt，计算本周期末速度为V；
上述步骤中的Δt只是一个举例，在制动模型的建立制动完成到减速至0Km/h阶段，此处的Δt实际是Inter*Δt。
S36、比较V与V0之间大小，如果V＞V0，则V＝V0；
上述步骤需要比较V与V0之间大小，是因为列车所受各个力的大小预估均有误差，此时速度是增加的，也就是V＞V0，为导向安全侧应使用较小的速度，计算获得较小的空气阻力。
S37、计算Fair。
(5)对于电磁阻力计算：Fele＝0.005Mg；
本发明中，根据文献经验结论，电磁阻力取值约为车重的5‰。
3、计算列车加速度、T时间内列车位移及T时间后列车速度
优选的，所述ATP控制模块计算列车的加速度、T时间内列车位移及T时间后列车速度。
每周期加速度计算公式：
每周期速度计算公式：V＝V0+aΔt；
每周期位移计算公式：
上述公式中，V0表示本周期收到测速定位处理模块发来的安全速度；Δt表示单个ATP计算周期时长，此处Δt只是一个举例，在制动模型的建立制动完成到减速至0Km/h阶段，此处的Δt实际是Inter*Δt。
4、列车制动模型分析
优选的，所述ATP控制模块内设列车制动模型，若当前列车处于是牵引加速状态，列车制动模型包括以下阶段：
T1阶段：收到当前速度到开始切除牵引的过程；根据当前速度V0及T1阶段每周期受力情况，计算T1时间内列车行驶的距离S1和T1时间后列车的速度V1；
所述T1时间包括从收到当前速度到计算列车能量完毕并发出切除牵引命令的延时、车辆接受到切除牵引命令延时及车辆收到牵引命令到动作前的延时；
T1阶段列车总受力为：F＝atracFtrac+OairFair+Fg+OelecFelec；
本发明中，T1阶段列车主要受到列车牵引力、空气阻力、列车重力、电磁阻力影响，该阶段牵引力为恒定值，列车做匀加速运动，列车受力公式中ftrac＝1，fbreak＝0，列车总受力分析及如上式所示。
T2阶段：从开始切除牵引到牵引切除完毕过程；根据V1计算T2时间内列车行驶的距离S2和T2时间后列车的速度V2；
T2阶段列车总受力为：F＝atracftracFtrac+OairFair+Fg+OelecFelec；
本发明中，T2则是牵引加速度从100％到0％的延时。T2阶段列车主要受到列车牵引力、空气阻力、列车重力、电磁阻力影响。该阶段牵引力为变化值，列车做变加速运动，为使速度曲线更贴近真实运行场景，牵引力由Ftrac以及配置的牵引力切除模型ftrac共同决定，列车受力公式中ftrac按照配置取值，fbreak＝0，列车总受力情况如上式所示。
T3阶段：牵引切除完毕到转换为制动的过程；如果静态参数配置表中Otrans配置为1，则需要计算T3阶段，否则跳过该阶段，转至计算T4阶段；
T3阶段列车总受力为：F＝OairFair+Fg+OelecFelec；
本发明中，T3阶段为牵引切除完毕到转换为制动的过程。如果静态参数配置表中Otrans配置为1，则需要计算T3阶段，否则跳过该阶段，转至计算T4阶段。根据V2计算从牵引切除完毕到转换到制动的T3时间内列车行驶的距离S3和T3时间后列车的速度V3。T3时间内列车速度主要受到空气阻力、列车重力、电磁阻力等影响。因磁浮列车的特殊性，T3阶段可能不存在，也可能耗时较长，因此需要配置是否计算牵引切除完毕到转换为制动阶段，列车受力公式中ftrac＝0，fbreak＝0，因此列车总受力情况如上式所示。
T4阶段：加载制动到制动加载完成的过程；根据V3计算T4时间内列车行驶的距离S4和T4时间后列车的速度V4；
T4阶段列车总受力为：F＝abreakfbreakFbreak+OairFair+Fg+OelecFelec；
本发明中，T4则是制动力从0％到100％的延时。T4时间内列车速度主要受到列车制动力、空气阻力、列车重力、电磁阻力等影响，列车受力公式中ftrac＝0，fbreak按照配置取值，列车总受力情况如上式所示。
T5阶段：加载制动完成到列车减速至0Km/h的过程；根据V4计算T5时间内经过的距离S5；
T5阶段列车总受力为：F＝abreakFbreak+OairFair+Fg+OelecFelec；
本发明中，T5时间内列车速度主要受到列车制动力、空气阻力、列车重力、电磁阻力等影响，列车受力公式中ftrac＝0，fbreak＝1，列车总受力情况如上式所示。
优选的，所述ATP控制模块内设列车制动模型，若当前列车处于是惰性状态，列车制动模型包括以下阶段：
T1阶段：收到当前速度到开始加载制动的过程；根据当前速度V0及T1阶段每周期受力情况，计算T1时间内列车行驶的距离S1和T1时间后列车的速度V1；
T1时间包括从收到当前速度到计算列车能量完毕并发出加载制动命令的延时、车辆接收到加载制动命令延时及车辆收到建立制动命令到开始动作前的延时；
T1阶段列受力同牵引状态制动模型的T3阶段；
T2阶段：加载制动到制动加载完成的过程；同牵引状态制动模型的T4阶段；
T3阶段：加载制动完成到列车减速至0Km/h的过程，同牵引状态制动模型的T5阶段；
优选的，所述ATP控制模块内设列车制动模型，若当前列车处于是制动状态，列车制动模型包括以下阶段：
T1阶段：收到当前速度到开始加载制动的过程，同牵引状态制动模型的T3阶段；
T2阶段：从低制动力增加至紧急制动力的过程，根据本周期接受到的安全速度V0计算T1时间内经过的距离S1和T1时间后列车的速度V1；
T2阶段列车总受力为：F＝abreakfbreakFbreak+OairFair+Fg+OelecFelec；
本发明中，T2时间内列车速度主要受到列车制动力、空气阻力、列车重力、电磁阻力等影响，列车受力公式中ftrac＝0，fbreak按照配置取值，列车总受力情况如上式所示。
虽然制动状态制动模型T2阶段与牵引状态制动模型T4阶段的受力分析一样，但实际区别是，制动状态制动模型T2阶段时长小于等于牵引状态制动模型T4阶段时长。举例：如果制动状态制动模型T2阶段时长为/>
T3阶段：加载制动完成到列车减速至0Km/h的过程，同牵引状态制动模型的T5阶段。
优选的，所述ATP控制模块的车门管理功能包括：当且仅当确定列车车身范围完全在站台范围内，且保证安全停车时，才授权允许列车开站台指定侧的车门；若列车停在车站，当车门开启时，ATP保持输出停车制动。
优选的，所述测速定位处理模块生成安全速度和安全位置中：
测速方法包括卫星定位系统、Hasler、多普勒雷达、加速度计，至少选取两种测速方式形成测速组合；定位方法则包含绝对定位和相对定位，绝对定位和相对定位各自至少选取一种定位方式形成定位组合；绝对定位包括信标定位、卫星定位系统定位，其中必选项为信标定位，其余为可选项，可选项至少选取一种；相对定位则是由初始位置及测速组合累积计算生成；测速方法组合和定位方法组合须验证其满足安全需求；
若配置有卫星定位系统进行测速定位，则首先进行卫星电子地图采集，包括区段起止点、信标点、信号机、道岔及弯曲区段定位增补点关键点的经纬度信息；
由测速采集模块采集速度信息传至测速定位处理模块，测速定位处理模块验证各采集速度的有效性，通过融合计算出最小速度、最大速度及运行速度给ATP控制模块；
测速定位处理模块根据计算出的安全速度计算相对位移，根据列车初始位置及累计相对位移；
由定位采集模块采集绝对定位信息传至测速定位处理模块；当未采集到的绝对定位信息时，测速定位处理模块根据相对位移计算安全位置，并发送给ATP控制模块；当采集到绝对定位信息时，测速定位处理模块使用绝对定位信息对相对位移进行校验，并计算安全位置发送给ATP控制模块。
本发明的有益效果：
本发明提供的磁浮ATP系统，根据列车牵引制动状态选取相应制动模型。如果是牵引状态，采用牵引状态制动模型，其中切除牵引完毕到开始建立制动阶段，可根据项目实际情况配置是否需要该阶段的计算；如果是惰行状态，采用惰行状态制动模型；如果是制动状态，采用制动状态制动模型，提高了超速防护模型的精确度。
本发明提供的磁浮ATP系统，在牵引切除阶段和制动建立阶段，不采用恒定牵引力或制动力，而是根据项目需要配置牵引切除模型或制动建立模型，在保证了安全的同时，还尽可能贴合列车真实运行工况。提高超速防护算法精确度、保证列车高速安全运行。
本发明提供的磁浮ATP系统，可通过配置选择是否需要计算空气阻力、电磁阻力。计算空气阻力时，先计算不受空气阻力时的列车速度，用该列车速度与当前速度间的最小值计算空气阻力，对空气阻力进行一个保留估计，从而导向安全侧。
本发明提供的磁浮ATP系统，在计算超速防护曲线时，通过位置获取限速信息，及时判断是否超速，减少通过限速速度反推当前速度的过程，减少了计算量，提升系统运行效率。
本发明提供的磁浮ATP系统，将ATP控制模块、测速定位处理模块集成于车载主运算器，不通过通信总线，而是直接通过接口调用实现数据传输，保证了数据传输及时性，降低数据丢失风险，提升数据可靠性。
本发明提供的磁浮ATP系统，ATP控制模块、测速定位处理模块通过接口调用实现数据传输，保证了数据传输及时性；ATP控制模块可根据列车牵引状态选取相应制动模型，同时可根据项目需要配置牵引切除时牵引力的变化模型以及制动建立时的制动力变化模型，可配置是否计算空气阻力和电磁阻力。
附图说明
图1为本发明ATP系统结构图；
图2为本发明超速防护流程图；
图3为本发明列车重力分解示意图；
图4为本发明最大坡度计算流程图；
图5为本发明计算空气阻力流程图；
图6为本发明T时间内列车位移S及T时间后列车速度V的计算流程；
图7为本发明牵引加速状态列车制动模型；
图8为本发明惰行状态制动模型；
图9为本发明制动状态制动模型。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。
实施例1
一种基于可配置制动模型的磁浮ATP系统，如图1所示，包括测速采集模块、定位采集模块、车载主运算器和车载DMI，所述车载主运算器包括ATP控制模块和测速定位处理模块；
所述测速采集模块，与所述测速定位处理模块通信连接，采集磁悬浮列车的速度信息并将其发送至测速定位处理模块；
所述定位采集模块，与所述测速定位处理模块通信连接，采集磁悬浮列车的位置信息并将其发送至测速定位处理模块；
所述测速定位处理模块，与所述ATP控制模块通信连接，接收来自测速采集模块和定位采集模块的信息生成安全速度和安全位置，并将安全速度和安全位置信息发送至ATP控制模块；
所述ATP控制模块，与所述车载DMI通信连接，接收来自轨旁的移动授权及设备状态，结合来自车载DMI的输入数据以及来自测速定位处理模块的安全速度和安全位置数据，对磁悬浮列车速度进行监控，计算得到车辆控制命令给车辆，并将列车状态信息和位置信息发送给轨旁设备。
本实施例中，ATP控制模块和测速定位处理模块集成于车载主运算器。ATP控制模块与测速定位处理模块集成于同一块逻辑运算板，占用硬件更少，总体体积更小，数据交互时间更短。测速定位处理模块接收来自测速采集模块和定位采集模块的信息生成安全速度和安全位置，并将安全速度和安全位置信息传送给ATP控制模块。ATP控制模块接收来自轨旁的移动授权及设备状态，结合来自车载DMI的输入数据以及来自测速定位处理模块的速度和位置数据，计算得到车辆控制命令给车辆，并将列车状态信息和位置信息发送给轨旁设备。
本实施例中，ATP控制模块承载了核心计算功能，主要用于线路地图管理、列车定位状态管理、列车超速防护、车门管理以及向轨旁发送列车状态等。
测速定位处理模块接收来自测速采集模块及定位采集模块的数据，对采集到的速度及位置信息过滤校验融合，计算得到安全位置及安全速度，并提供给ATP控制模块。
测速采集模块及定位采集模块引用的是一种可组合复用的列车车载测速定位安全平台，可对接不同传感器组合，接收来自加速度传感器、雷达或卫星等传来的速度数据，实现多种传感器信息交互。
车载DMI主要用于接收来自驾驶员的按钮信息，显示来自ATP控制模块发送的线路地图、列车位置、列车速度、速度防护曲线、设备状态等信息，辅助司机安全驾驶。
ATP控制模块内存储磁浮车辆参数、线路电子地图及实时运算逻辑模块。车辆参数包括车长、空载车重、满载车重等。线路电子地图包括本条线路长度、公里标、区段划分及各区段上所有的信标、道岔、信号机、坡度，转弯点、保护区、永久限速区等信息。实时运算逻辑模块则存储牵引制动等运行学模型，根据测速定位处理模块、DMI、ZC(区域控制中心)及CBI(计算机联锁系统)发送来的数据，实时计算输出列车控制命令。
ATP控制模块负责与ZC及CBI通信。列车定位后，车载设备先发起连接请求，通过通信协议与ZC建立连接；然后周期持续性发起注册请求，直到ZC回复注册成功；此后车载设备应周期性向ZC发送位置报告、列车定位情况及ATP控制模块工作状态等，同时监控自身与ZC的通信状态。ZC负责模拟移动授权信息、计算路径信息、临时限速信息、监控站台门状态等，并通过无线通信周期性发送给ATP控制模块；当列车失去定位时，车载设备应周期性持续发送注销请求，直到ZC反馈注销成功反馈信号。当列车最大安全前端运行至CBI通信区时，车载设备向CBI发送心跳帧直到CBI回复心跳帧，当车载设备判断列车安全定位与电子线路地图中CBI通信区域有交集时，车载设备向CBI发送车载控制消息，CBI回复CBI状态信息。当列车安全定位与CBI通信区无交集时，车载设备向CBI发送注销请求，直到收到CBI的注销回复信息至通信超时中断。车载设备向CBI发送的车载控制信息包括列车运行方向、列车最大安全前端所在轨道区段、站台开门码、屏蔽门控制状态及查询信号机标识等。CBI则向车载设备反馈屏蔽门、信号机状态等信息。
ATP控制模块管理的定位状态包括：失去定位、连续信标定位及重定位。线路的所有信标都存储在线路地图中的，因此当读到信标时，ATP就知道列车在实际线路中的位置。当ATP控制模块不能从测度定位模块获取有效安全位置时，将列车定位状态置为失去定位状态。当ATP控制模块能从测速定位处理模块获取到连续的两个信标并确认列车实际位置和运行方向时，将列车定位状态置为连续信标定位。重定位则是在列车已定位的情况下，对测速定位处理模块计算数据的矫正。
ATP控制模块的监控速度设定：
1)列车失位情况下，以电子地图中全线路所有限制速度中最限制速度为监控速度进行防护。包括但不仅限于列车刚上电未定位时、列车运行途中未收到测速定位处理模块的安全速度及位置信息时。
2)列车定位情况下，电子地图中存储的所有限制点，包括但不仅限于信号机、道岔、以及永久限速、保护区等虚拟限制区域，每个限制点都有其固定限制速度，ATP控制模块应将这些速度均作为监控速度，列车不允许超过运行前方所有限制点的限制速度。
3)在与ZC通信正常的情况下，将ZC发送的临时限速、前方运行列车速度等信息纳入监控速度范围。
本实施例中，ATP控制模块的速度监控原理包括：
1、速度监控流程；
2、列车运行过程受力分析；
3、计算列车加速度、T时间内列车位移及T时间后列车速度；
4、列车制动模型分析。
上述各个原理具体见后续实施例2-5.
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，对ATP控制模块的速度监控原理中的速度监控作进一步的阐述，速度监控流程如图2所示，包括以下步骤：
步骤1：首先判断列车当前处于牵引状态、惰行状态还是制动状态，选取相应制动模型；如果是牵引状态，采用牵引状态制动模型；如果是惰行状态，采用惰行状态制动模型；如果是制动状态，采用制动状态制动模型。
步骤2：根据当前制动模型对列车进行受力分析，结合列车质量，计算列车当前计算周期加速度。
步骤3：根据步骤2的加速度，计算出本周期末的列车位置及列车速度。
步骤4：判断步骤3所得列车速度是否小于等于0Km/h,如果是，则转至步骤9，不是则转至步骤5。
步骤5：判断步骤3所得列车位置是否超过移动授权，如果超出移动授权，转至步骤8；如果没有超出移动授权，转至步骤6。
步骤6：判断该位置有无限速点或者限速区域，如果没有则继续进行下个周期计算，转至步骤2；如果有限速点或者限速区域，则获取当前限速值则转至步骤7。
步骤7：判断步骤3所得列车速度是否超过当前步骤6所得限速值，如果超过，跳至步骤8；如果没有，则继续进行下个周期计算，转至步骤2。
步骤8：超速报警。
步骤9：结束运算。
需要说明的是，ATP控制系统每ATP运算周期都需要运算速度监控算法，速度监控算法需要计算从当前时刻开始到列车制动至0Km/h之前内的运动状态，各制动模型拆分为多个运动阶段。为同时兼顾运算效率和精确度，其中列车从建立制动完成至列车速度为0Km/h阶段，计算每Inter*ATP运算周期的运动状态(Inter值需要静态配置)，其余运动阶段的每ATP运算周期的运动状态都需要计算。
ATP控制模块的速度监控，需要存储的磁浮车辆参数、线路电子地图、静态配置参数，实时输入信息等。静态配置参数主要用于列车受力分析、制动模型阶段分析、列车速度监控算法，具体描述如表1所示。实时输入信息则是从测速定位处理模块接收到的安全速度信息及安全位置信息。
表1静态参数配置表
实施例3
本实施例在实施例1的基础上，对ATP控制模块的速度监控原理中的列车运行过程受力分析作进一步的阐述。
列车运行过程主要受到列车牵引力、空气阻力、列车重力、电磁阻力等影响，每ATP计算周期，列车受力如下式所示：
F＝atracftracFtrac+abreakfbreakFbreak+OairFair+Fg+OelecFelec
其中，atracftracFtrac为总牵引力，abreakfbreakFbreak为总制动力，OairFair为总空气阻力，Fg为重力，OelecFelec为总电磁阻力。
可根据项目配置以下参数：
牵引力Ftrac，ATP控制模块内置了列车速度区间与列车牵引力的对应关系表。根据收到的当前速度，确定当前速度所在的列车速度区间，将该列车速度区间对应的列车牵引力作为Ftrac；
牵引力系数atrac，对牵引力进行一个过估，atrac＞1；
牵引力切除模型ftrac，描述牵引力变化。例如ftrac配置为1，表示某阶段的牵引力取恒定牵引力，如经典制动模型中的牵引力切除过程。实际应用中，牵引力切除过程牵引力的变化可能是以恒定变化率变化，也可能是先极速衰减后缓慢衰减，或者是先缓慢衰减后极速衰减，项目可根据实际情况进行配置ftrac。当牵引力以恒定变化率变化时，ftrac可配置为其中N为牵引力切除阶段占用N个ATP计算周期，n代表当前周期处于牵引力切除的第n个周期。这里的ftrac不仅限于函数，也可能是表格等形式，只要是能查找到当前周期变化后牵引力值即可。
制动力Fbreak，ATP控制模块内置了列车速度区间与列车制动力的对应关系表。根据收到的当前速度，确定当前速度所在的列车速度区间，将该列车速度区间对应的列车制动力作为Fbreak；
制动力系数abreak，对制动力进行一个保留估计，0＜abreak＜1；
制动力建立模型fbreak，描述制动力变化。例如fbreak配置为1，表示某阶段的制动力取恒定制动力，如经典制动模型中的制动力建立过程。但实际应用中，制动力建立过程中制动力的变化可能是以恒定变化率变化，也可能是先极速衰减后缓慢衰减，或者是先缓慢衰减后极速衰减，项目可根据实际情况进行配置fbreak。举例为：当制动力以恒定变化率变化时，fbreak可配置为其中N为制动力建立阶段占用N个ATP计算周期，n代表当前周期处于制动力建立的第n个周期。这里的fbreak不仅限于函数，也可能是表格等形式，只要是能查找到当前周期变化后制动力值即可。
是否计算空气阻力Oair，Oair＝0，不计算空气阻力，默认为Oair＝1；
是否计算电磁阻力Oelec，Oelec＝0时，不计算电磁阻力，默认为Oelec＝1；
本实施例中：
(1)计算牵引力：从配置获取atrac，根据当前运行阶段、当前ATP计算周期从配置获取ftrac，根据速度-牵引力表获取Ftrac，计算得到牵引力为atracftracFtrac；
(2)计算制动力：从配置获取abreak，根据当前运行阶段、当前ATP计算周期从配置获取fbreak，根据速度-制动力表获取Fbreak，计算得到制动力为abreakfbreakFbreak；
(3)计算重力：如图3所示，列车处于坡道时，自身重力可以分解为垂直坡道的力和平行于坡道的力。可以看出，列车运行状况主要受平行于坡道的分力影响。当列车处于下坡时，平行于坡道的力相当于是牵引力；当列车处于上坡时，平行于坡道的分力才是阻力。平行于坡道的分力计算公式为：
Fg＝Mgi
i＝1000H/S
式中M为列车质量，i表示坡度的千分数，即坡道终点与坡道起点之间的高度差H除以坡道终点与坡道起点之间的距离S再乘1000。列车重力对列车速度影响主要视坡度而定，与坡道的坡度、方向密切相关。坡度取列车安全位置范围内的坡度最大值。示例性的，上坡方向的坡度标识信息可以是负号，下坡方向的坡度标识信息可以是正号。如果存在-20°、-10°、10°和20°这四个坡度信息，本文取-20°<-10°<10°<20°。
如图4所示，列车T时间内的最大坡度值取值的方法包括以下步骤：
步骤1：获取列车当前所在坡度值i；
步骤2：计算T时间内列车行驶距离S；
步骤3：判断列车行驶距离S后是否超出当前坡道。如果列车行驶距离S未超过当前坡道，进入步骤9；如果列车行驶距离S超过当前坡道，进入步骤4；
步骤4：计算运行至当前坡道末端所用时间t1；
步骤5：使用T-t1更新T值；
步骤6：列车驶入下一坡道；
步骤7：判断下一坡道值i1是否大于i，如果i1大于i，进入步骤8，否则进入步骤2；取上坡为负值，下坡为正值，示例为-20°<-10°<10°<20°；
步骤8：i＝i1；
步骤9：输出坡度值i作为最大坡度值。
(4)计算空气阻力：空气阻力大小与阻力系数、空气密度、运行速度、列车最大横截面积相关，由下式确定：
其中Cd为阻力系数，一般取值0.26；ρ为空气密度，标准情况下是1.293kg/m^3，出于安全考虑，需要根据项目取当地的空气密度最小值；V为平行于列车运动方向的气流相对速度，本专利取值为列车当前运行速度V；S为与列车垂直的最大迎风截面积，需要根据项目进行配置。明显看出，空气阻力随速度的变化而变化。
如图5所示，空气阻力计算包括以下步骤：
步骤1：、判断当前是否受到牵引力；
步骤2：如果受到牵引力，当前列车受到的力为F＝atracftracFtrac+Fg+OelecFelec，执行步骤5；否则，执行步骤3；本步骤受力分析没有加入空气阻力，实际上是导向安全侧的。
步骤3：判断当前是否已施加制动；
步骤4：如果已施加制动，当前列车受到的力为F＝abreakfbreakFbreak+Fg+OelecFelec，执行步骤5；如果没有施加制动，当前列车受到的力为F＝Fg+OelecFelec，执行步骤5；本步骤受力分析没有加入空气阻力，实际上是导向安全侧的。
步骤5：根据本周期受力分析计算本周期加速度a，结合本周期收到的当前速度V0以及ATP计算周期Δt，计算本周期末速度为V；此处的Δt只是一个举例，在制动模型的建立制动完成到减速至0Km/h阶段，此处的Δt实际是Inter*Δt。
步骤6：比较V与V0之间大小，如果V＞V0，则V＝V0；此步骤需要比较V与V0之间大小，是因为列车所受各个力的大小预估均有误差，此时速度是增加的，也就是V＞V0，为导向安全侧应使用较小的速度，计算获得较小的空气阻力。
步骤7：计算Fair。
(5)计算电磁阻力：根据文献经验结论，电磁阻力取值约为车重的5‰。
Fele＝0.005Mg
实施例4
本实施例在实施例3的基础上，对ATP控制模块的速度监控原理作进一步的阐述，对于计算列车加速度、T时间内列车位移及T时间后列车速度：
每周期加速度计算公式：
每周期速度计算公式：V＝V0+aΔt；
每周期位移计算公式：
T时间内列车位移及T时间后列车速度的计算流程如图6所示，其中V0表示本周期收到测速定位处理模块发来的安全速度；Δt表示单个ATP计算周期时长，此处Δt只是一个举例，在制动模型的建立制动完成到减速至0Km/h阶段，此处的Δt实际是Inter*Δt；SEOA表示当前位置到移动授权的距离。
实施例5
本实施例在实施例4的基础上，对ATP控制模块的速度监控原理的列车制动模型分析作进一步的阐述。
(1)如果当前列车处于是牵引加速状态，列车制动模型如图7所示，分为以下五个阶段：
T1阶段：收到当前速度到开始切除牵引的过程。应根据当前速度V0及T1阶段每周期受力情况，计算T1时间内列车行驶的距离S1和T1时间后列车的速度V1。
T1时间包括从收到当前速度到计算列车能量完毕并发出切除牵引命令的延时、车辆接受到切除牵引命令延时及车辆收到牵引命令到动作前的延时。
T1阶段列车主要受到列车牵引力、空气阻力、列车重力、电磁阻力影响，该阶段牵引力为恒定值，列车做匀加速运动，列车受力公式中ftrac＝1，fbreak＝0，列车总受力分析及如下所示：
F＝atracFtrac+OairFair+Fg+OelecFelec
T2阶段：从开始切除牵引到牵引切除完毕过程。应根据V1计算T2时间内列车行驶的距离S2和T2时间后列车的速度V2。
T2则是牵引加速度从100％到0％的延时。
T2阶段列车主要受到列车牵引力、空气阻力、列车重力、电磁阻力影响。该阶段牵引力为变化值，列车做变加速运动，为使速度曲线更贴近真实运行场景，牵引力由Ftrac以及配置的牵引力切除模型ftrac共同决定，列车受力公式中ftrac按照配置取值，fbreak＝0，列车总受力情况如下式所示：
F＝atracftracFtrac+OairFair+Fg+OelecFelec；
T3阶段：牵引切除完毕到转换为制动的过程。如果静态参数配置表中Otrans配置为1，则需要计算T3阶段，否则跳过该阶段，转至计算T4阶段。根据V2计算从牵引切除完毕到转换到制动的T3时间内列车行驶的距离S3和T3时间后列车的速度V3。T3时间内列车速度主要受到空气阻力、列车重力、电磁阻力等影响。因磁浮列车的特殊性，T3阶段可能不存在，也可能耗时较长，因此需要配置是否计算牵引切除完毕到转换为制动阶段，列车受力公式中ftrac＝0，fbreak＝0，列车总受力情况如下式所示：
F＝OairFair+Fg+OelecFelec；
T4阶段：加载制动到制动加载完成的过程。根据V3计算T4时间内列车行驶的距离S4和T4时间后列车的速度V4。
T4则是制动力从0％到100％的延时。T4时间内列车速度主要受到列车制动力、空气阻力、列车重力、电磁阻力等影响，列车受力公式中ftrac＝0，fbreak按照配置取值，列车总受力情况如下式所示：
F＝abreakfbreakFbreak+OairFair+Fg+OelecFelec；
T5阶段：加载制动完成到列车减速至0Km/h的过程。根据V4计算T5时间内经过的距离S5。T5时间内列车速度主要受到列车制动力、空气阻力、列车重力、电磁阻力等影响，列车受力公式中ftrac＝0，fbreak＝1，列车总受力情况如下式所示：
F＝abreakFbreak+OairFair+Fg+OelecFelec；
(2)如果当前列车处于是惰性状态，列车制动模型如图8所示，分为以下三个阶段：
T1阶段：收到当前速度到开始加载制动的过程。应根据当前速度V0及T1阶段每周期受力情况，计算T1时间内列车行驶的距离S1和T1时间后列车的速度V1。
T1时间包括从收到当前速度到计算列车能量完毕并发出加载制动命令的延时、车辆接收到加载制动命令延时及车辆收到建立制动命令到开始动作前的延时。
T1阶段列受力同牵引状态制动模型的T3阶段，不再赘述。
T2阶段：加载制动到制动加载完成的过程。同牵引状态制动模型的T4阶段，不再赘述。
T3阶段：加载制动完成到列车减速至0Km/h的过程。同牵引状态制动模型的T5阶段，不再赘述。
(3)如果当前列车处于是制动状态，列车制动模型如图9所示，分为以下三个阶段。
T1阶段：收到当前速度到开始加载制动的过程。同惰行状态制动模型的T1阶段，不再赘述。
T2阶段：从低制动力增加至紧急制动力的过程。根据本周期接受到的安全速度V0计算T1时间内经过的距离S1和T1时间后列车的速度V1。T1时间内列车速度主要受到列车制动力、空气阻力、列车重力、电磁阻力等影响，列车受力公式中ftrac＝0，fbreak按照配置取值，列车总受力情况如下式所示：
F＝abreakfbreakFbreak+OairFair+Fg+OelecFelec；
虽然制动状态制动模型T2阶段与牵引状态制动模型T4阶段的受力分析一样，但实际区别是，制动状态制动模型T2阶段时长小于等于牵引状态制动模型T4阶段时长。举例：如果制动状态制动模型T2阶段时长为/>
T3阶段：加载制动完成到列车减速至0Km/h的过程。同牵引状态制动模型的T5阶段，不再赘述。
实施例6
本实施例在实施例5的基础上作进一步的阐述，ATP控制模块的车门管理功能包括但不仅限于：当且仅当确定列车车身范围完全在站台范围内，且保证安全停车时，才授权允许列车开站台指定侧的车门。若列车停在车站，当车门开启时，ATP应当保持输出停车制动等。
测速定位处理模块生成安全速度及安全位置的步骤：
1)测速方法包括卫星定位系统、Hasler、多普勒雷达、加速度计等，至少选取两种测速方式形成测速组合。定位方法则包含绝对定位和相对定位，绝对定位和相对定位各自至少选取一种定位方式形成定位组合。绝对定位包括信标定位、卫星定位系统定位等，其中必选项为信标定位，其余为可选项，可选项至少选取一种；相对定位则是由初始位置及测速组合累积计算生成。所选的测速方法组合和定位方法组合必须验证其满足安全需求。
2)若配置有卫星定位系统进行测速定位，则首先进行卫星电子地图采集，包括区段起止点、信标点、信号机、道岔及弯曲区段定位增补点等关键点的经纬度信息。
3)由测速采集模块采集速度信息传至测速定位处理模块，测速定位处理模块验证各采集速度的有效性，通过融合计算出最小速度、最大速度及运行速度给ATP控制模块。
4)测速定位处理模块根据计算出的安全速度计算相对位移，根据列车初始位置及累计相对位移。
5)由定位采集模块采集绝对定位信息传至测速定位处理模块。当未采集到的绝对定位信息时，测速定位处理模块根据步骤四产生的相对位移计算安全位置，并发送给ATP控制模块。当采集到绝对定位信息时，测速定位处理模块使用绝对定位信息对步骤四产生的相对位移进行校验，并计算安全位置发送给ATP模块。
以上对本发明的实施方式进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种等同变型或替换，这些等同或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于可配置制动模型的磁浮ATP系统，其特征在于，包括测速采集模块、定位采集模块、车载主运算器和车载DMI，所述车载主运算器包括ATP控制模块和测速定位处理模块；
所述测速采集模块，与所述测速定位处理模块通信连接，采集磁悬浮列车的速度信息并将其发送至测速定位处理模块；
所述定位采集模块，与所述测速定位处理模块通信连接，采集磁悬浮列车的位置信息并将其发送至测速定位处理模块；
所述测速定位处理模块，与所述ATP控制模块通信连接，接收来自测速采集模块和定位采集模块的信息生成安全速度和安全位置，并将安全速度和安全位置信息发送至ATP控制模块；
所述ATP控制模块，与所述车载DMI通信连接，接收来自轨旁的移动授权及设备状态，结合来自车载DMI的输入数据以及来自测速定位处理模块的安全速度和安全位置数据，对磁悬浮列车速度进行监控，计算得到车辆控制命令给车辆，并将列车状态信息和位置信息发送给轨旁设备。
2.如权利要求1所述的磁浮ATP系统，其特征在于，所述ATP控制模块承载核心计算功能，包括用于线路地图管理、列车定位状态管理、列车超速防护、车门管理以及向轨旁发送列车状态；
优选的，所述ATP控制模块的车门管理功能包括：当且仅当确定列车车身范围完全在站台范围内，且保证安全停车时，才授权允许列车开站台指定侧的车门；若列车停在车站，当车门开启时，ATP保持输出停车制动；
优选的，所述ATP控制模块内存储磁浮车辆参数、线路电子地图及实时运算逻辑模块；所述车辆参数包括车长、空载车重、满载车重；所述线路电子地图包括本条线路长度、公里标、区段划分及各区段上所有的信标、道岔、信号机、坡度，以及转弯点、保护区、永久限速区信息；所述实时运算逻辑模块存储牵引制动运行学模型，根据测速定位处理模块、DMI、ZC及CBI发送来的数据，实时计算输出列车控制命令；
优选的，所述ATP控制模块与ZC及CBI通信连通；列车定位后，车载设备先发起连接请求，通过通信协议与ZC建立连接；然后周期持续性发起注册请求，直到ZC回复注册成功；此后车载设备周期性向ZC发送位置报告、列车定位情况及ATP控制模块工作状态，同时监控自身与ZC的通信状态；ZC负责模拟移动授权信息、计算路径信息、临时限速信息、监控站台门状态，并通过无线通信周期性发送给ATP控制模块；当列车失去定位时，车载设备周期性持续发送注销请求，直到ZC反馈注销成功反馈信号；当列车最大安全前端运行至CBI通信区时，车载设备向CBI发送心跳帧直到CBI回复心跳帧；当车载设备判断列车安全定位与电子线路地图中CBI通信区域有交集时，车载设备向CBI发送车载控制消息，CBI回复CBI状态信息；当列车安全定位与CBI通信区无交集时，车载设备向CBI发送注销请求，直到收到CBI的注销回复信息至通信超时中断；
车载设备向CBI发送的车载控制信息包括列车运行方向、列车最大安全前端所在轨道区段、站台开门码、屏蔽门控制状态及查询信号机标识，CBI则向车载设备反馈屏蔽门、信号机状态信息；
优选的，所述ATP控制模块管理定位状态，所述定位状态包括：失去定位、连续信标定位及重定位；线路的所有信标都存储在线路地图中的，当读到信标时，ATP控制模块就得知列车在实际线路中的位置；当ATP控制模块不能从测速定位处理模块获取有效安全位置时，将列车定位状态置为失去定位状态；当ATP控制模块能从测速定位处理模块获取到连续的两个信标并确认列车实际位置和运行方向时，将列车定位状态置为连续信标定位；重定位则是在列车已定位的情况下，对测速定位处理模块计算数据进行矫正；
优选的，所述ATP控制模块的监控速度设定如下：
列车失位情况下，以电子地图中全线路所有限制速度中最限制速度为监控速度进行防护，包括列车刚上电未定位时、列车运行途中未收到测速定位处理模块的安全速度及位置信息时；
列车定位情况下，电子地图中存储的所有限制点，包括信号机、道岔、以及永久限速、保护区虚拟限制区域，每个限制点都有其固定限制速度，ATP控制模块将这些速度均作为监控速度，列车不允许超过运行前方所有限制点的限制速度；
在与ZC通信正常的情况下，将ZC发送的临时限速、前方运行列车速度信息纳入监控速度范围；
优选的，所述ATP控制模块的速度监控，需要利用存储的磁浮车辆参数、线路电子地图、静态配置参数和实时输入信息；
优选的，所述ATP控制模块计算列车的加速度、T时间内列车位移及T时间后列车速度。
3.如权利要求1所述的磁浮ATP系统，其特征在于，所述测速定位处理模块接收来自测速采集模块及定位采集模块的数据，对采集到的速度及位置信息过滤校验融合，计算得到安全位置及安全速度，并提供给ATP控制模块；
优选的，所述测速定位处理模块生成安全速度和安全位置中：
测速方法包括卫星定位系统、Hasler、多普勒雷达、加速度计，至少选取两种测速方式形成测速组合；定位方法则包含绝对定位和相对定位，绝对定位和相对定位各自至少选取一种定位方式形成定位组合；绝对定位包括信标定位、卫星定位系统定位，其中必选项为信标定位，其余为可选项，可选项至少选取一种；相对定位则是由初始位置及测速组合累积计算生成；测速方法组合和定位方法组合须验证其满足安全需求；
若配置有卫星定位系统进行测速定位，则首先进行卫星电子地图采集，包括区段起止点、信标点、信号机、道岔及弯曲区段定位增补点关键点的经纬度信息；
由测速采集模块采集速度信息传至测速定位处理模块，测速定位处理模块验证各采集速度的有效性，通过融合计算出最小速度、最大速度及运行速度给ATP控制模块；
测速定位处理模块根据计算出的安全速度计算相对位移，根据列车初始位置及累计相对位移；
由定位采集模块采集绝对定位信息传至测速定位处理模块；当未采集到的绝对定位信息时，测速定位处理模块根据相对位移计算安全位置，并发送给ATP控制模块；当采集到绝对定位信息时，测速定位处理模块使用绝对定位信息对相对位移进行校验，并计算安全位置发送给ATP控制模块。
4.如权利要求1所述的磁浮ATP系统，其特征在于，所述测速采集模块和定位采集模块引用一种可组合复用的列车车载测速定位安全平台，对接不同传感器组合，接收来自加速度传感器、雷达或卫星传来的速度数据，实现多种传感器信息交互。
5.如权利要求1所述的磁浮ATP系统，其特征在于，所述车载DMI用于接收来自驾驶员的按钮信息，显示来自ATP控制模块发送的线路地图、列车位置、列车速度、速度防护曲线、设备状态信息，辅助司机安全驾驶。
6.如权利要求1所述的磁浮ATP系统，其特征在于，所述ATP控制模块的速度监控包括以下步骤：
S11、判断列车当前是处于牵引状态、惰行状态还是制动状态，并读取相应制动模型；若是牵引状态，则采用牵引状态制动模型；若是惰行状态，采用惰行状态制动模型；若是制动状态，采用制动状态制动模型；
S12、根据当前制动模型对列车进行受力分析，结合列车质量，计算列车当前周期加速度；
S13、利用S12步骤中的加速度，计算出本周期末的列车位置及列车速度；
S14、判断S13步骤所得列车速度是否小于等于0Km/h，若是则进入S19步骤，若否则进入S15步骤；
S15、断S13步骤所得列车位置是否超过移动授权，如果超出移动授权，则进入S18步骤；如果没有超出移动授权，则进入S16步骤；
S16、判断该位置有无限速点或者限速区域，如果没有则继续进行下个周期计算，转至S12步骤；如果有限速点或者限速区域，则获取当前限速值并转至S17步骤；
S17、判断S13步骤所得列车速度是否超过当前S16步骤所得限速值，如果超过，跳至S18步骤；如果没有，则继续进行下个周期计算，转至S12步骤；
S18、超速报警；
S19、结束运算。
7.如权利要求6所述的磁浮ATP系统，其特征在于，所述ATP控制模块对列车运行过程进行受力分析，列车受力如下：
F＝atracftracFtrac+abreakfbreakFbreak+OairFair+Fg+OelecFelec
其中，atracftracFtrac为总牵引力，abreakfbreakFbreak为总制动力，OairFair为总空气阻力，Fg为重力，OelecFelec为总电磁阻力；
列车受力公式中：
Ftrac为牵引力，ATP控制模块内置了列车速度区间与列车牵引力的对应关系表，根据收到的当前速度，确定当前速度所在的列车速度区间，将该列车速度区间对应的列车牵引力作为Ftrac；
atrac为牵引力系数，对牵引力进行一个过估，atrac＞1；
ftrac为牵引力切除模型，用以描述牵引力变化，可根据实际情况进行配置，当牵引力以恒定变化率变化时，ftrac配置为其中N为牵引力切除阶段占用N个ATP计算周期，n代表当前周期处于牵引力切除的第n个周期；
Fbreak为制动力，ATP控制模块内置了列车速度区间与列车制动力的对应关系表，根据收到的当前速度，确定当前速度所在的列车速度区间，将该列车速度区间对应的列车制动力作为Fbreak；
abreak为制动力系数，对制动力进行一个保留估计，0＜abreak＜1；
fbreak为制动力建立模型，用以描述制动力变化，可根据实际情况进行配置，当制动力以恒定变化率变化时，fbreak配置为其中N为制动力建立阶段占用N个ATP计算周期，n代表当前周期处于制动力建立的第n个周期；
是否计算空气阻力Oair，Oair，＝0，不计算空气阻力，默认为Oair，＝1；
是否计算电磁阻力Oelec，Oelec＝0时，不计算电磁阻力，默认为Oelec＝1；
优选的，对于牵引力计算：从配置获取atrac，根据当前运行阶段、当前ATP计算周期从配置获取ftrac，根据速度-牵引力表获取Ftrac，计算得到牵引力为atracftracFtrac；
对于制动力计算：从配置获取abreak，根据当前运行阶段、当前ATP计算周期从配置获取fbreak，根据速度-制动力表获取Fbreak，计算得到制动力为abreakfbreakFbreak；
对于重力计算：其为平行于坡道的分力Fg＝Mgi，其中M为列车质量，i表示坡度的千分数，坡度取列车安全位置范围内的坡度最大值；
对于空气阻力计算：其中Cd为阻力系数，ρ为空气密度，V为平行于列车运动方向的气流相对速度，S为与列车垂直的最大迎风截面积；
对于电磁阻力计算：Fele＝0.005Mg。
8.如权利要求7所述的磁浮ATP系统，其特征在于，列车T时间内的最大坡度值取值的方法包括以下步骤：
S21、获取列车当前所在坡度值i；
S22、计算T时间内列车行驶距离S；
S23、判断列车行驶距离S后是否超出当前坡道；如果列车行驶距离S未超过当前坡道，进入步骤S29；如果列车行驶距离S超过当前坡道，进入步骤S24；
S24、计算运行至当前坡道末端所用时间t1；
S25、使用T-t1更新T值；
S26、列车驶入下一坡道；
S27、判断下一坡道值i1是否大于i，如果i1大于i，进入步骤S28，否则进入步骤S22；
S28、i＝i1；
S29、输出坡度值i作为最大坡度值。
9.如权利要求7所述的磁浮ATP系统，其特征在于，空气阻力计算包括以下步骤：
S31、判断当前是否受到牵引力；
S32、如果受到牵引力，当前列车受到的力为F＝atracftracFtrac+Fg+OelecFelec，执行步骤S35；否则，执行步骤S33；
S33、判断当前是否已施加制动；
S34、如果已施加制动，当前列车受到的力为F＝abreakfbreakFbreak+Fg+OelecFelec，执行步骤S35；如果没有施加制动，当前列车受到的力为F＝Fg+OelecFelec，执行步骤S35；
S35、根据本周期受力分析计算本周期加速度a，结合本周期收到的当前速度V0以及ATP计算周期Δt，计算本周期末速度为V；
S36、比较V与V0之间大小，如果V＞V0，则V＝V0；
S37、计算Fair。
10.如权利要求7所述的磁浮ATP系统，其特征在于，所述ATP控制模块内设列车制动模型，若当前列车处于是牵引加速状态，列车制动模型包括以下阶段：
T1阶段：收到当前速度到开始切除牵引的过程；根据当前速度V0及T1阶段每周期受力情况，计算T1时间内列车行驶的距离S1和T1时间后列车的速度V1；
所述T1时间包括从收到当前速度到计算列车能量完毕并发出切除牵引命令的延时、车辆接受到切除牵引命令延时及车辆收到牵引命令到动作前的延时；
T1阶段列车总受力为：F＝atracFtrac+OairFair+Fg+OelecFelec；
T2阶段：从开始切除牵引到牵引切除完毕过程；根据V1计算T2时间内列车行驶的距离S2和T2时间后列车的速度V2；
T2阶段列车总受力为：F＝atracftracFtrac+OairFair+Fg+OelecFelec；
T3阶段：牵引切除完毕到转换为制动的过程；如果静态参数配置表中Otrans配置为1，则需要计算T3阶段，否则跳过该阶段，转至计算T4阶段；
T3阶段列车总受力为：F＝OairFair+Fg+OelecFelec；
T4阶段：加载制动到制动加载完成的过程；根据V3计算T4时间内列车行驶的距离S4和T4时间后列车的速度V4；
T4阶段列车总受力为：F＝abreakfbreakFbreak+OairFair+Fg+OelecFelec；
T5阶段：加载制动完成到列车减速至0Km/h的过程；根据V4计算T5时间内经过的距离S5；
T5阶段列车总受力为：F＝abreakFbreak+OairFair+Fg+OelecFelec；
优选的，所述ATP控制模块内设列车制动模型，若当前列车处于是惰性状态，列车制动模型包括以下阶段：
T1阶段：收到当前速度到开始加载制动的过程；根据当前速度V0及T1阶段每周期受力情况，计算T1时间内列车行驶的距离S1和T1时间后列车的速度V1；
T1时间包括从收到当前速度到计算列车能量完毕并发出加载制动命令的延时、车辆接收到加载制动命令延时及车辆收到建立制动命令到开始动作前的延时；
T1阶段列受力同牵引状态制动模型的T3阶段；
T2阶段：加载制动到制动加载完成的过程；同牵引状态制动模型的T4阶段；
T3阶段：加载制动完成到列车减速至0Km/h的过程，同牵引状态制动模型的T5阶段；
优选的，所述ATP控制模块内设列车制动模型，若当前列车处于是制动状态，列车制动模型包括以下阶段：
T1阶段：收到当前速度到开始加载制动的过程，同牵引状态制动模型的T3阶段；
T2阶段：从低制动力增加至紧急制动力的过程，根据本周期接受到的安全速度V0计算T1时间内经过的距离S1和T1时间后列车的速度V1；
T2阶段列车总受力为：F＝abreakfbreakFbreak+OairFair+Fg+OelecFelec；
T3阶段：加载制动完成到列车减速至0Km/h的过程，同牵引状态制动模型的T5阶段。
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