CN201400196Y - 固定闭塞模式列车自动防护系统 - Google Patents

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左贵民
杜雪生
王焱
刘玉霞
张卫宁
刘建春
袁媛
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Abstract

本实用新型公开了固定闭塞模式列车自动防护系统,地面子系统包括:各个码发生器内的芯片采用ZoomFFT算法和GOERTZEL算法处理控制信号并采用ASK调制,所述各个码发生器通过编码电路将所述ASK控制信号发送至连接的轨道电路发送器,所述轨道电路发送器重新调制成FSK控制信号传送至具有电容的轨道上的调谐单元,所述调谐单元与轨道电感形成LC调谐传输;所述车载子系统包括:接收控制信号的天线,连接车轮的测速电机,控制机柜内的芯片将天线的信号进行算法验证后进行逻辑运算,并按照运算结果向安全继电器单元输出控制信号,或,向显示单元发送运算结果。本实用新型采用提高了安全性能和安全防护能力,增加了轨道机车的信号传输的可靠性。

Description

固定闭塞模式列车自动防护系统
技术领域
本实用新型涉及轨道交通应用通信信号技术领域,特别涉及固定
闭塞模式列车自动控制系统(简称:TBTC)中的固定闭塞模式列车 自动防护系统。
背景技术
城市轨道交通系统中,通过分割轨道区段,控制列车在各个区段 的运行速度,这样的列车控制方式被称为固定闭塞模式。固定闭塞模 式下,在各个轨道区段内列车的运行速度^t地面信号所限制,通常的 做法是在进入一个轨道区段的端口处设置铁路信号机,通过色灯信号 显示,引导列车的运行,色灯所表示出的信号显示信息含意预先在技 术规则中规定。伴随列车运行速度提高,需要铁路信号自动控制列车 的运行,因此,现代铁路信号系统中列车控制广泛应用列车自动控制 系统(简称:ATC系统),该系统由三个主要子系统构成,列车自动 防护系统(简称ATP系统)、列车自动操作系统(简称ATO系统)与 列车自动监督系统(简称ATS系统)。其中,列车自动防护系统为最 关4泉的安全系统,才艮据中国国家标准GB/T 21562-2008《4九道交通一 可靠性、可用性、可维修性和安全性规范及示例》、欧洲安全标准 EN50128:2001《轨道交通——通信信号传输和处理系统——铁路控 制和防护系统的车欠"f牛》(Railway applications, Software for railway
control and protection systems )和EN50129:2003《轨道交通--通信
信号传输和处理系统——信号的相关电子系统安全》(Railway applications, Safety related electronic systems for signalling ), 定义其安 全完整性等级为4级(SIL4)。
尽管,现代轨道运输系统,特别是城市轨道交通线也并存其它方 式的控制与防护系统制式,例如,基于无线通信方式的列车控制系统 (简称:CBTC)、记轴方式的点式列车占用检查系统。但是,固定闭
3塞模式的列车防护系统仍旧与其可靠性、安全性高,造价低廉被大量 应用在城市、城郊轨道交通运输系统中,特别适用于列车运行速度小 于100公里/小时,列车之间的追踪间隔大于150秒的应用条件。
所述的固定闭塞模式列车自动防护系统采用了对轨道区段出口检
查方式,因此,ATP信号给出了列车的两类速度信息。其一,表明列
车在本轨道区段内所允许的最大运行速度,其二,表明了列车在下一 个轨道区段进入的目标速度。列车通过自身的测速电机还表明了列车 的实际运行速度。列车自动防护的作用在于,如果列车的实际运行速
度超出了 ATP信号所给定的限制速度,该系统将发出列车制动命令, 直到列车的实际运行速度小于了 ATP信号限制速度以后,这个制动命 令才被解除;如果列车处于运行状态,列车实际运行速度大于零的状 态下,该系统将发出不允许列车车门打开的防护命令;如果列车已经 停车,发生了不希望的溜车情况,该系统将发出列车制动命令。所述 的固定闭塞模式列车自动防护系统由地面ATP子系统与车载ATP子 系统构成。北京地铁1号线于上世纪90年代改造时,引进了英国西屋 铁路信号有限公司提供的固定闭塞模式列车自动防护(ATP)系统, 包括地面FS2500型轨道电路和FS2000型车载ATP系统。北京地铁 13号线依然采用FS2500型轨道电路制式,并配合引进了 TBS100型 车载ATP系统。该系统技术属于上世纪80年代,所应用的"车载ATP 计算机"主要构成的核心处理器是MOTOROLA />司早期6800系列 CPU产品,运算速度慢、存储器空间小,接口落后,多数电子元器件已 经停产,用于运营维修的备品备件供应不能得到保障。该系统属于早 期的技术,不能够与列车车辆提供合适的接口 ,由于过多地采用分立 电路元器件,减弱了系统设备的抗电磁干扰能力。地面ATP系统中的 ATP码发生器、轨道电路接收器的信号处理电路大量使用模拟滤波器 电路,不可避免运用到铁氧体磁性电感、变压器、槽路谐振电容,这 类元器件属于易于碎裂损坏、电气参数易变化,易于受温度、振动、 冲击、沙尘、和盐雾等环境影响,由于设备故障引起的交通运营中断 事件时有发生。由于可靠性与安全性要求高、应用环境综合技术构成与接口复杂。长期以来我国城市轨道交通应用到该系统都依赖进口 。
上述的ATP系统中普遍存在由于信号的调制方式简单,ATP系统
的安全性能较低的问题。 实用新型内容
有鉴于此,本实用新型在于提供固定闭塞模式列车自动防护系统,
以解决上述的ATP系统由于信号的调制方式简单,ATP系统的安全性 能较低的问题。
为解决上述问题,本实用新型提供固定闭塞模式列车自动防护系 统,包括车载子系统和地面子系统,
所述地面子系统包括:各个码发生器内的芯片采用ZoomFFT算 法和GOERTZEL算法处理控制信号并采用ASK调制,所述各个码发 生器通过编码电路将所述ASK控制信号发送至连接的轨道电路发送 器,所述轨道电路发送器重新调制成FSK控制信号传送至具有电容的 轨道上的调谐单元,所述调谐单元与轨道电感形成LC调谐传输;
所述车载子系统包括:接收轨道上控制信号的天线,连接车轮的 测速电机,控制才几拒内的芯片将天线的信号进行ZoomFFT算法和 GOERTZEL算法验证后和测速电机的信号进行逻辑运算,并按照运算 结果向连接的安全继电器单元输出控制信号,或,通过RS422串行接 口 、 RS485接口和RS232C接口向显示单元发送运算结果。
优选的,所述控制机拒还连接接收轨旁位置信标数据的位置信信 标读写器。
优选的,所述控制机拒包括:互为冗余的两套子控制机拒,每个 子控制机根内包括:
连接测速电机的测速电机接口单元,和,^r测控制信号并安装有 ZoomFFT算法和GOERTZEL算法验证芯片的轨道码信号检出单元, 测速电机接口单元和轨道码检出单元连接冗余设置的安全输入通信单 元、逻辑运算的安全计算机单元、安全输出通信单元和连接安全继电器单元的安全模块。
优选的,所述地面子系统的调谐单元还连4妄有ZoomFFT算法和 GOERTZEL算法验证芯片的轨道接收器。
本实用新型采用ASK、 FSK调制功能的模块,并内置"ZFFT和 GEROEZEL"算法芯片,提高了安全性能和安全防护能力,增加了轨 道机车的信号传输的可靠性。
附图说明
附图1是固定闭塞模式列车自动防护系统构成; 附图2是车载ATP控制拒内部模块构成。
具体实施方式
为清楚说明本实用新型中的方案,下面给出优选的实施例并结合 附图详细说明。
本实用新型描述的固定闭塞模式列车自动防护(ATP)系统包括 了车载ATP子系统与地面ATP子系统"。
参见图1,车载ATP子系统包括:车载ATP控制4几拒(ACU)、车 载ATP天线(4)、位置信标读写器(5)、天线接线盒(6)、测速电机(7)、 安全继电器单元(RALYU)、 ATP显示单元(DPU)。所述的车载ATP控 制机拒(ACU)通过天线接线盒(6)与车载ATP天线(4)之间信号电 缆连接,车载ATP天线(4)感应来自轨道或沿轨道铺设电缆的无线 载波ATP信号,通过信号电缆将此信号传送给车载ATP控制机柜 (ACU)。所述的车载ATP控制机拒(ACU)与测速电机(7)之间由信号电 缆连接,测速电机(7)的转子部分与列车驱动轴机械连接,测量列车车 轮的角频率脉沖,通过信号电缆将此测量脉沖传送给车载ATP控制机 拒(ACU),由拒内的ATP安全计算机^4居车轮轮径与角频率脉冲计算 出列车速度。所述的车载ATP控制机拒(ACU)通过天线接线盒(6) 与位置信标读写器(5)之间由信号电缆连接,位置信标读写器(5) 感应方式读取轨旁的位置信标(3)数据,由信号电缆将此数据传送给车载ATP控制机拒(ACU),由拒内的ATP计算机计算出列车停车位置准 确度与速度准确度。所述的车载ATP控制机拒(ACU)与安全继电器单 元(RALYU)之间由信号电缆连接,车载ATP控制机拒(ACU)输出列车 制动与列车车门允许继电器励磁电压,由安全继电器单元(RALYU)之 中的安全继电器接点提供给列车电路,执行控制列车的实际动作。所 述的ATP显示单元(DPU)安装在司机驾驶台上,车载ATP控制机拒 (ACU)与ATP显示单元(DPU)之间由信号电缆连接,ATP控制机拒 (ACU)输出并通过信号电缆,将列车速度与ATP信号传送给ATP显示 单元(DPU)并显示。
所述的地面ATP子系统包括:轨道电路接收器(RX)、轨道电路 发送器(TX)、 ATP码发生器(CG)、 ATP编码电路、电源单元(PSU)、 谐振单元(1)、轨道终端棒(2)与位置信标(3)。所述的ATP码发生 器(CG)通过信号电缆与ATP编码电路连接,ATP编码电路提供了接口 电路,此接口与车站联锁机通过电缆并接受来自车站联锁机的逻辑指 令。所述的ATP编码电路是一个矩阵电路,通过信号电缆与轨道电路 发送器(TX)相连接,被联锁所选择的ATP码发生器(CG)输出切换 连接到对应的轨道电路发送器(TX)输入端。所述的轨道电路发送器
(TX)输出一个指定特征载波频率的FSK载波ATP信号,通过信号 电缆与安装在轨道区段一端的调谐单元(1 )相连接。所述的调谐单元
(1)、调谐区轨道和轨道终端棒(2)之间采用多芯专用电缆连接,构 成LC调谐区,并谐振在轨道区段指定的特征载波频率上,将来自轨 道电路发送器(TX)输出的FSK载波ATP信号沿轨道(或电缆环路) 传输到轨道区段另外一端。轨道区段的另外 一端也设置了相同的调谐 单元(l)、调谐区轨道和轨道终端棒(2),该调谐单元(l)通过信号 电缆与信号室安装的轨道电路接收器(RX)连接。所述的轨道电路接 收器(RX)接收到来自调谐单元(1)传送的FSK载波ATP信号,对 该信号解调、识别,并输出驱动一个安全继电器。如果轨道区段没有 列车进入,则轨道接收器(RX)就可以完整地接收、解调、识别到一 个正确的ATP信号,输出安全继电器励一磁,表示一个轨道区段"空闲"状态,如果该轨道区段进入了列车,列车的轮轴将会分路FSK载波
ATP信号,处于轨道区段另外一端的调谐单元(1)所连接的轨道电 路接收器就不能输出一个正确的安全继电器励磁电压,导致安全继电 器失磁,表示该轨道区段处于列车"占用"状态。
由于所述的车载ATP天线(4)被安装在列车轮轴的前方,列车 轮轴对轨道的分路作用不会削弱车载ATP天线(4)对FSK载波ATP 信号的感应,使得车载ATP控制接柜(ACU)依然能够得到一个符合 规定参数的ATP信号。车载ATP天线(4)由多于一组的磁棒绕组构 成冗余结构,每组绕组分为主绕组与次绕组。
所述的车载ATP子系统的车载ATP控制机拒(ACU)包括轨道码信 号才企出单元(9)、测速电机接口单元(8)、安全计算才几单元(12)、安 全输入通信单元(10)、安全输出通信单元(14)、安全输出通信单元 的安全模块(16),安全模块之间由总线连接。所述安全计算机单元 (12)、安全输入通信单元(10)、安全输出通信单元(14)采用A、 B才几冗余方式。
所述的安全才莫块之间以分布式A才几、B才几双才几结构构成ATP组, 多于一组的ATP组相互构成ATP通道,多于一个ATP通道相互构成安 全控制器。所述的车载ATP控制机拒(ACU)将载波形式的ATP信 号分配给安全组的输入端,安全组模块的组合独立输入、处理、输出 一个同时刻、同种类的ATP信号。
所述的轨道码信号岸企出单元(9)包括输入电路、故障检测电路、 DSP处理器、故障-安全驱动电路。ATP信号经过一个接口变压器隔离、 一个机械带通滤波器后被送入DSP处理器,同时^皮送入的还有本模块 自身产生的一个标准频率脉冲,DSP处理器采用小波傅里叶ZoomFFT 算法和哥兹柔GOERTZEL算法,,对载波形式的ATP信号解调与识别。
对输入信号的处理过程为:数字滤波、FFT+GEROTZEL运算、 载频识别、zoomFFT运算、调频识别、安全逻辑判决。所述的故障检 测电路将一个标准脉冲信号输出给车载ATP天线(4)的副线圈,因 此,车载ATP天线(4)主线圈之中就被交调了所混入的标准脉冲信号,如果发生天线断线故障,则接收输入既不能检测到ATP信号,也
不能检测到标准检测脉冲的验证信号;如果故障来自地面ATP子系 统,则接收输入仅仅能够检测到标准检测脉冲的验证信号,而不能斗企 测到ATP信号。所述的ATP码发生器(CG)、轨道电路接收器(RX) 采用了与轨道码信号检出单元(9)相同的结构与信号处理。
所述的测速电机接口单元(8 )包括输入电路、故障检测电路、脉 冲解调电路和轮径补偿电路。由 一组隔离变压器对输入的测速电机(7 ) 角速度脉冲信号,这个信号同时叠加了故障检测电路的检查频率信号, 由解调电路和轮径补偿电路处理计算出列车的实际运行速度。
所述的安全计算机单元(12)、安全输入通信单元(10)、安全输 出通信单元(14)及其它们的冗余部分,安全计算机单元(13)、安全 输入通信单元(11 )、安全输出通信单元(15 )共同构成了冗余的车载 ATP安全计算机核心部件通过总线方式连接,处理ATP安全逻辑,所 述的安全逻辑提供了列车超速防护、列车车门防护、列车运行方式防 护和故障防护判断。
所述的安全输出单元(16)由冗余的故障-安全电路构成,所述的 故障-安全电路预置了 一个有约束条件的电压电平输出状态,当所述的 安全逻辑判定输出一个防护指令或判断出发生了故障时,故障-安全电 路关断,进入有约束条件的电压电平输出状态。
所述的位置信标读写器(5)感应接收来自轨旁安装的位置信标(3) 数据,位置信标(3)是个无源装置,在列车经过其区域时,车辆底部安 装的位置信标读写器(5)首先通过无线感应激励使得位置信标(3)进 入工作状态,发送内部数据。所述的位置信标读写器(5)与车载ATP 控制机拒(ACU)之间电缆连接,该装置将位置信标(3)数据传送给车载 ATP控制机拒(ACU)用于判断列车的进站停车位置准确度与速度准确 度,给出列车车门防护信号。
所述地面ATP子系统中的ATP码发生器(CG1 )至ATP码发生 器(CG14)各产生一个28Hz至80Hz,间隙为4Hz的ATP信号码频 率,此ATP信号码在ATP码发生器的内部调制一个2920 Hz的载频,
9成为ASK频波,通过ATP编码电路连接到相对应的轨道电路发送器。 所述ATP码发生器内部由DSP处理器以"ZoomFFT+GEROEZEL"算 法构成-睑证电^各,对所产生的ATP信号载波进4亍-验证。首先,采用 ZoomFFT 算法检验验证载波的频率,然后,采用
"ZoomFFT+GEROEZEL"算法解调出ATP信号码,也就是调制频率, 比较规定值,当满足精度与相对功率语电平规定指标后,由"故障一 安全驱动电路输出,车站联锁机决定ATP信号载波的送达目的地,通 过选择路径,切换送到相应的轨道电路发送器(TX)的输入端,首先, 该装置将接收到的ASK载波解调还原成ATP信号码,然后,进行二 次调制,产生ATP信号的FSK载波,该载频的特征是,由分成12个 种类的载波频率构成,分成为"2K"与"5K"两个波段,"2K"波段 的载波频率为:1700Hz、 2000Hz、 2300Hz、 2600Hz, "5K,, 波段的 载波频率为:4080Hz、 4320Hz、 4560Hz、 4細Hz、 5040Hz、 5280Hz、 5520Hz、 6000Hz,每个轨道电路发生器(TX)仅能够产生输出其中 之一的ATP信号FSK载波,由信号电缆传送给轨旁设备调谐单元
(TU),该装备安装在分割的轨道区段的一个端口处,与终端棒及封 闭区域的钢轨构成调谐区,谐振在与轨道电^各发送器(TX)相对应的 FSK特征载波频率上,该调谐单元(TU)装置共有12个种类,每对 应一种载频就构成该种载频的调谐单元。ATP信号FSK载波的传输有 两个方向,其一,通过轨道传输给轨道区段另外一端的调谐单元(TU),
再由信号电缆传回给轨道电路接收器(RX ),该轨道电路接收器(RX ) 采用与ATP码发生器相同的DSP处理器,"ZFFT+GEROEZEL"算法 解调ATP信号FSK载波的技术,并驱动一个安全继电器使其励^磁, 表示轨道区段没有列车"占用"。其二,如图二所示,由轨道传输的 ATP信号载波由车载ATP天线感应,继而通过列车内部信号电缆传送 到车载ATP控制机拒(ACU),该装置包括的轨道码输出单元(9)采 用了与ATP码发生器相同的DSP处理器,"ZFFT+GEROEZEL"算法 解调ATP信号FSK载波的技术,对接收的ATP信号载波解调,识另'J, 验证正确后,作为列车自动防护ATP信号指令使用。所述的车载ATP子系统的测速电机(7),传动转子与列车的轮轴连
接,实际测量列车运行中轮轴的实际转动角速度脉冲,并由列车信号
电缆传递给车载ATP控制机柜(ACU),该装置包括的测速电机接口单 元(8 )预先设定了列车的车轮直径参数,根据列车车轮直径参数与角 频率脉冲,计算出列车的实际运行速度,并以总线方式依次传输给安 全通信单元(IO)、安全计算机单元(12)、安全输出通信单元(14)、 安全输出单元(16)。安全输出单元(16)的"故障一安全"驱动电路 将安全输出结果输出给与列车接口的安全继电器单元(RALYU),提 供给列车自动防护功能。安全输出单元(16)的另一个输出通过信号 电缆传输给ATP显示信息给ATP显示单元(PPU),该装置安装在司 机操作控制台上,为司机提供驾驶信息。
所述的车载ATP子系统包括的位置信标读写器(5 ),以无线感应 方式接收轨旁位置信标的(3)的数据,并由列车信号电缆传输给车载 ATP控制机拒(ACU)。
所述的安全计算才几单元(12)、由一个分布式A机与B机构成安 全组,独立输入、处理、输出对列车超速时制动、车门控制、非控制 溜车与故障的防护安全逻辑。任何一个ATP组中存在一个持续、循环 安全的"2非健康《连路"信号,频率为1024Hz方波,由安全计算才几单 元(MPM )产生并发出,以串联接力方式依次传递到其它相关模块, 排列次序位于首位的相关模块接收"2非健康链路"信号,验证自身 处于健康状态下,以接力方式将"2非健康链路"信号输出给排列次 序位于第二位的相关模块,并重复首位模块的信号处理,直至轮回"2 非健康链路,,信号发出者安全计算机单元(MPM)模块,当"2非健 康链路,,信号连续、完整、频率正确,则表示车载ATP控制机柜(ACU) 装置处于健康状态。任何一个安全模块中存在一个持续、循环安全的 "1非健康链路"信号由信号处理电路产生并发出,以串联接力方式 依次传递到模块的输入电路、信号处理电路与输出电路。输入电路、 信号处理电路与输出电路验证自身处于健康状态下,轮回"1非健康 链路"信号发出者信号处理电路,验证了 "l非健康链路"信号连续、完整、频率正确,则表示相关安全模块处于健康状态。
本实用新型采用ASK、 FSK调制功能的模块,并内置"ZFFT和 GEROEZEL,,算法芯片,提高了安全性能。
对于本实用新型各个实施例中所阐述的系统,凡在本实用新型的
精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在 本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1、一种固定闭塞模式列车自动防护系统,包括车载子系统和地面子系统,其特征在于, 所述地面子系统包括:各个码发生器内的芯片采用小波傅里叶ZoomFFT算法和哥兹柔GOERTZEL算法处理控制信号并采用ASK调制,所述各个码发生器通过编码电路将所述ASK控制信号发送至连接的轨道电路发送器,所述轨道电路发送器重新调制成FSK控制信号传送至具有电容的轨道上的调谐单元,所述调谐单元与轨道电感形成LC调谐传输; 所述车载子系统包括:接收轨道上控制信号的天线,连接车轮的测速电机,控制机柜内的芯片将天线的信号进行ZoomFFT算法和GOERTZEL算法验证后和测速电机的信号进行逻辑运算,并按照运算结果向连接的安全继电器单元输出控制信号,或,通过RS422串行接口、RS485接口和RS232C接口向显示单元发送运算结果。
2、 根据权利要求1所述的固定闭塞模式列车自动防护系统,其 特征在于,所述控制机柜还连接接收轨旁位置信标数据的位置信信标 读写器。
3、 根据权利要求1所述的固定闭塞模式列车自动防护系统,其 特征在于,所述控制机拒包括:互为冗余的两套子控制机拒,每个子 控制机拒内包括:连接测速电才几的测速电机接口单元,和,纟企测控制信号并安装有 ZoomFFT算法和GOERTZEL算法验证芯片的轨道码信号检出单元, 测速电机接口单元和轨道码检出单元连接冗余i殳置的安全输入通信单 元、逻辑运算的安全计算机单元、安全输出通信单元和连接安全继电 器单元的安全模块。
4、 根据权利要求1所述的固定闭塞模式列车自动防护系统,其 特征在于,所述地面子系统的调谐单元还连接有ZoomFFT算法和 GOERTZEL算法验证芯片的轨道接收器。
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