CN206606211U - 适用于单轨的列车自动防护系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于单轨的列车自动防护系统，它涉及列车防护系统技术领域。车载控制器分别与无线通信终端、GPS、人机交互界面、应答器传输模块、速度传感器、列车接口单元连接，车载控制器由Ⅰ系安全计算机、Ⅱ系安全计算机两套安全计算机机箱及一套列车接口机箱组成，两套安全计算机机箱构成了能提升系统可用性的“二乘”结构。本实用新型根据单轨列车的特点，实现地面对列车通过非接触方式定位，列车自身实现三维空间定位，更加安全、丰富的信号输入输出接口，在大幅提升列车自动防护系统的安全性及可扩展性的同时，适应了单轨列车系统。

Description

适用于单轨的列车自动防护系统

技术领域

本实用新型涉及的是列车防护系统技术领域，具体涉及适用于单轨的列车自动防护系统。

背景技术

列车自动防护系统主要依靠外部设备，如传感器、应答器等外部设备接收地面位置、限速等信息，并将地面信息与车上当前信息进行比较，根据地面状况控制列车制动系统，保障列车运行安全。现有列车自动防护系统主要针对大铁、地铁等双轨线路，列车采用钢轮，地面定位通过钢轮与双轨接触将其短路，形成闭合回路的轨道电路方式。而单轨线路无法满足轨道电路应用基本条件，列车采用橡胶轮胎不与轨道接触，且单轨无法形成闭合回路；列车定位方面，现有列车自动防护系统采用二维坐标系，存储地面相对坐标及某些特殊点位的坡度信息，不能满足单轨线路(跨座式或悬挂式)复杂的空间变化需求；信号控制方面，随着传感器技术的迅速发展，列车需要获取的信息、需要控制的设备越来越多，现有的信号输入、输出机制可扩展性不强，在数量及安全性上都已无法满足日益增长的需求。

为了解决上述问题，设计一种新型的适用于单轨的列车自动防护系统还是很有必要的。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本实用新型目的是在于提供一种适用于单轨的列车自动防护系统，结构设计合理，根据单轨列车的特点，实现地面对列车通过非接触方式定位，列车自身实现三维空间定位，更加安全、丰富的信号输入输出接口，在大幅提升列车自动防护系统的安全性及可扩展性的同时，适应了单轨列车系统，实用性强，易于推广使用。

为了实现上述目的，本实用新型是通过如下的技术方案来实现：适用于单轨的列车自动防护系统，包括车载控制器、无线通信终端、GPS、人机交互界面、应答器传输模块、速度传感器、列车接口单元，车载控制器分别与无线通信终端、GPS、人机交互界面、应答器传输模块、速度传感器、列车接口单元连接，所述车载控制器由Ⅰ系安全计算机、Ⅱ系安全计算机两套安全计算机机箱及一套列车接口机箱组成，两套安全计算机机箱构成了能提升系统可用性的“二乘”结构。

作为优选，所述的安全计算机机箱包括有主控单元、交换单元、记录单元、测速测距单元、安全输入单元、安全输出单元、CAN接口单元、电源单元、输入调理板、输出调理板；所述的列车接口机箱包括有电源单元、GPS单元、继电器板、转接板，各单元采用1000M网络与交换模块相连，通过交换单元实现数据的安全传输。

作为优选，所述的主控单元内部采用CPUM、CPUC两块CPU控制器组成二取二表决系统，同时采用2套安全计算机进行热备冗余，组成了二乘二取二的系统架构，提高了系统的可用性、可靠性和安全性。

作为优选，所述的测速测距单元、安全输入单元、安全输出单元均内置有两块FPGA作为主控器，两块FPGA的数据通过表决通道实现二取二表决；所述安全输入单元具备24路安全数字量输入采集能力，使用24路双通道表决安全输入模块，同时采用双通道对输入信号进行表决处理，提升系统安全性；所述安全输出单元备8路安全数字量输出驱动能力，使用8路双通道表决安全输出模块，对输出信号通过进行双驱表决，同时对表决后的输出信号进行回检，确保输出信号的正确，提升系统安全性。

作为优选，使用GPS提供速度信息作为参考，通过物理方法检测列车空转、打滑等异常状况，提升了异常状况检测准确性；使用GPS提供的空间三维坐标，通过无线通信终端将列车空间坐标发送至控制中心，实现GIS地图功能，可提升控制中心根据外部突发状况，对列车运行安全进行预判的准确性。

作为优选，使用速度传感器+GPS的组合测速算法，通过三取二方式对测速信息的有效性进行判断，能够对不可用的设备信息进行过滤，提高列车测速精度，且当侦测到该设备信息可用时，能够自动将其恢复，提高系统可用性；使用速度传感器+GPS的组合定位算法，提高列车定位精度，有效避免单一定位装置失效后，列车定位丢失的问题。

本实用新型的有益效果：根据单轨列车的特点，实现地面对列车通过非接触方式定位，解决了单轨列车无法与轨道接触、无双轨形成闭合回路等列车定位的问题，提升了异常状况检测准确性，列车自身实现三维空间定位，更加安全、丰富的信号输入输出接口，在大幅提升列车自动防护系统的安全性及可扩展性、可靠性、可用性、可维护性的同时，适应了单轨列车系统。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本实用新型；

图1为本实用新型的结构框图；

图2为本实用新型安全计算机机箱的结构示意图；

图3为本实用新型列车接口机箱的结构示意图；

图4为本实用新型应用于单轨信号系统的整体结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。

参照图1-4，本具体实施方式采用以下技术方案：适用于单轨的列车自动防护系统，包括车载控制器CC、无线通信终端MR、GPS、人机交互界面TOD、应答器传输模块BTM、速度传感器ODO、列车接口单元TIU，车载控制器CC分别与无线通信终端MR、GPS、人机交互界面TOD、应答器传输模块BTM、速度传感器ODO、列车接口单元TIU连接。

本具体实施方式车载控制器作为列车自动防护系统的核心设备，由Ⅰ系安全计算机、Ⅱ系安全计算机两套结构一致的安全计算机机箱及一套列车接口机箱组成，其中两套安全计算机机箱构成了能提升系统可用性的“二乘”结构，提升系统的可用性，所述的安全计算机机箱包括有主控单元CPU、交换单元SWM、记录单元DRU、测速测距单元SMU、安全输入单元VIU、安全输出单元VOU、CAN接口单元CAN、电源单元PSU、输入调理板ITB、输出调理板OTB；所述的列车接口机箱包括有电源单元PSU、GPS单元GPU、继电器板RLY、转接板TB，各单元采用1000M网络与交换模块相连，通过交换单元实现数据的安全传输；在不同的应用环境中实施时，可将图2中安全输入单元VIU、安全输出单元VOU板卡根据输入、输出接口的数量按需配置，也可将图3中继电器板RLY板卡根据接口方式的不同替换为对应接口的板卡，以提升系统的可扩展性。

(1)主控单元CPU：作为车载控制器的主处理单元，完成车载控制大部分功能，每个主控单元内部采用CPUM、CPUC两块CPU控制器组成二取二表决系统，同时采用2套安全计算机进行热备冗余，组成了二乘二取二的系统架构，提高了系统的可用性、可靠性和安全性。

(2)交换单元SWM：采用1000M以太网通信方式，负责安全计算机与外部输入、输出等板卡间的以太网数据交互。

(3)记录单元DRU：负责记录车载控制器自诊断、故障报警及列车运行重要数据，数据以日志文件的形式保存在外置存储设备中，调试人员或维护人员可通过日志查看工具分析日志文件。

(4)测速测距单元SMU：通过采集速度传感器和GPS传感器的信息实现速度测量与走行距离计算，测速测距单元内置两块FPGA作为主控器，两块FPGA的数据通过表决通道实现二取二表决。

(5)安全输入单元VIU：具备24路安全数字量输入采集能力，安全输入单元内置两块FPGA作为主控器，两块FPGA的数据通过表决通道实现二取二表决。

(6)安全输出单元VOU：具备8路安全数字量输出驱动能力，安全输出单元内置两块FPGA作为主控器，两块FPGA的数据通过表决通道实现二取二表决。

(7)CAN接口单元CAN：通过CAN总线通信方式与应答器传输模块BTM进行数据交互获取地面应答器信息，同时也预留与感应环线等设备的通信通道。

(8)电源单元PSU：负责为其它板卡提供+12VDC供电。

(9)GPS单元GPU：为测速测距单元提供列车速度及位置信息。

(10)继电器板RLY：布置安全继电器，对外提供继电器干接点信号。

(11)输入调理板ITB：负责速度传感器脉冲信号转接、安全型数字量输入对外保护(防雷防浪涌功能和防静电设计)以及同步脉冲信号触发。

(12)输出调理板OTB：负责安全型数字量输出驱动对外保护(防雷防浪涌功能和防静电设计)，同时为继电器板提供电源。

(13)转接板TB：输出调理板至继电器板信号转接板。

本具体实施方式的主要功能是连续检测列车位置，并根据点式通信设备发送的地面移动授权执行超速防护、紧急停车、车门监控等功能。主要功能包括：

(1)列车速度检测：根据测速装置、GPS模块的输入信息实现列车速度和运行方向的检测。

(2)列车定位：根据列车测速装置、点式应答器和GPS模块提供的定位信息进行位置校正，ATP系统实时计算列车的位置。

(3)速度-距离安全制动模型：根据线路数据和列车属性，计算列车的安全制动模型，采用连续式速度－距离式控制模式。

(4)超速防护：ATP自动检测列车运行速度是否符合当前允许速度，否则触发紧急制动。包括两方面的安全限制：最严格限速曲线(MRSP)、行车许可终点。

(5)退行防护：ATP实时监测列车运行方向，在有地面授权的情况下，允许反向运行一定的容忍范围，超出将导致ATP系统实施紧急制动，一般适用于列车站台停车时。

(6)溜车防护：对停稳的列车进行监控，防止列车向与本务操作台方向控制器的当前状态冲突的方向运行，ATP检测到列车溜车超过容忍范围后触发紧急制动。

(7)零速检测和停稳监督：根据测速装置的信息，判断列车是否达到零速，监控列车停稳是在站内打开车门和站台屏蔽门的安全前提。

(8)列车完整性监督：ATP实时监测来自列车安全输入的列车完整性信号，当列车完整性信号缺失时触发紧急制动。

(9)车门及屏蔽门/安全门的监控：ATP系统实时监控车门及屏蔽门/安全门的状态，当到站列车在站台区停稳后并满足停车精度要求时，ATP才允许打开车门及屏蔽门/安全门；车门及屏蔽门/安全门安全关闭后才允许列车自车站发车；列车在站间运行时，若检测到车门打开，ATP应报警，该报警信息将在下一站停站时才能清除。

(10)发车监督：列车在站台停稳且车门打开后，系统输出切除牵引，此时发车监督功能启动。该功能启动后ATP将禁止列车移动，直至检测到车门、屏蔽门/安全门、出站信号机等发车条件满足时，车载ATP恢复牵引并允许司机发车。

(11)驾驶模式切换：根据运营场景和列车状态，ATP系统可在不同驾驶模式中切换。

(12)线路数据管理：ATP系统负责维护自身的线路数据库，并确保数据库版本号与中心服务器中保持一致，不一致时从中心服务器获取最新线路数据。

(13)数据通信：包括ATP与外部设备ZC、ATO等的通信。

单轨信号系统的整体结构由车载和轨旁两大子系统所组成(图4)，车载列车自动防护系统ATP是车载子系统的核心，是列车控制的关键设备，车载ATP可通过与轨旁计算机联锁子系统CI及区域控制器ZC的配合，实现单轨列车运行的自动防护功能。

本具体实施方式与已有技术在硬件方面对比，具有以下技术优势：

(1)使用计轴、欧标应答器等非接触设备，解决了单轨列车(橡胶轮胎、跨座式或悬挂式)无法与轨道接触、无双轨形成闭合回路等列车定位的问题；

(2)使用GPS提供的速度信息作为参考，通过物理方法检测列车空转、打滑等异常状况，提升了异常状况检测准确性；

(3)使用24路双通道表决安全输入模块，大幅提升了列车自动防护系统输入设备接口扩展性能，同时采用双通道对输入信号进行表决处理，提升了系统的安全性；

(4)使用8路双通道表决安全输出模块，对输出信号通过进行双驱表决，同时对表决后的输出信号进行回检，确保输出信号的正确，提升了系统的安全性；

(5)对RS-485、RS-422、CAN、ETH等通信模块提供预留接口，可根据具体的应用需求，配置不同的通信模块，大幅提升了系统的可扩展性；

(6)本系统与地面控制中心之间通过无线通信终端进行通信，可将列车运行情况实时发送至地面控制中心，同时地面也可将当前路况、车辆限速等信息实时发送至列车，提升了列车的安全性；

(7)系统中所有设备均采用双通道，进行二取二表决，在双通道表决一致的前提下，相应的控制命令才执行，以提升系统的可靠性；

(8)系统核心设备均采用两套冗余，进行二乘二热备，一套系统发生故障，另一套系统可以实现无缝切换，提升了系统的可用性；

(9)系统采用前出线接口方式，且所有板块采用前插拔式，并配有助拔器，一旦出现故障，可方便的进行维修，提升了系统的可维护性。

本具体实施方式与已有技术在软件方面对比，具有以下技术优势：

(1)使用GPS提供的空间三维坐标，通过无线通信终端将列车空间坐标发送至控制中心，实现GIS地图功能，可提升控制中心根据外部突发状况，对列车运行安全进行预判的准确性；

(2)使用“速度传感器+GPS”的组合定位算法，提高列车定位精度，且有效避免了单一定位装置失效后，列车定位丢失的问题；

(3)使用“速度传感器+GPS”的组合测速算法，通过三取二方式对测速信息的有效性进行判断，能够对不可用的设备信息进行过滤，提高列车测速精度，且当侦测到该设备信息可用时，能够自动将其恢复，提高了系统的可用性；

(4)使用获取到的欧标应答器的位置信息，通过计算得出列车安全定位，同时对列车运行累计误差进行消除，进一步提高列车定位精度；

(5)设定速度-距离安全制动模型，优化算法，通过计算绘制列车制动曲线，提升计算效率；

(6)设定最严格限速曲线及移动授权终点，优化算法，通过计算绘制紧急制动曲线、常用制动曲线，提升列车运行安全性；

(7)设定移动授权终点，优化算法，对移动授权进行计算，并对移动授权有效性进行监督、验证，提升列车运行安全性。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.适用于单轨的列车自动防护系统，其特征在于，包括车载控制器、无线通信终端、GPS、人机交互界面、应答器传输模块、速度传感器、列车接口单元，车载控制器分别与无线通信终端、GPS、人机交互界面、应答器传输模块、速度传感器、列车接口单元连接，所述车载控制器由Ⅰ系安全计算机、Ⅱ系安全计算机两套安全计算机机箱及一套列车接口机箱组成，两套安全计算机机箱构成了能提升系统可用性的“二乘”结构。

2.根据权利要求1所述的适用于单轨的列车自动防护系统，其特征在于，所述的安全计算机机箱包括有主控单元、交换单元、记录单元、测速测距单元、安全输入单元、安全输出单元、CAN接口单元、电源单元、输入调理板、输出调理板。

3.根据权利要求1所述的适用于单轨的列车自动防护系统，其特征在于，所述的列车接口机箱包括有电源单元、GPS单元、继电器板、转接板。

4.根据权利要求2所述的适用于单轨的列车自动防护系统，其特征在于，所述的主控单元内部采用CPUM、CPUC两块CPU控制器组成二取二表决系统，同时采用两套安全计算机进行热备冗余，组成了二乘二取二的系统架构，提高了系统的可用性、可靠性和安全性。

5.根据权利要求2所述的适用于单轨的列车自动防护系统，其特征在于，所述的测速测距单元、安全输入单元、安全输出单元均内置有两块FPGA作为主控器，两块FPGA的数据通过表决通道实现二取二表决。

6.根据权利要求2所述的适用于单轨的列车自动防护系统，其特征在于，所述安全输入单元具备24路安全数字量输入采集能力，使用24路双通道表决安全输入模块，同时采用双通道对输入信号进行表决处理，提升系统安全性。

7.根据权利要求2所述的适用于单轨的列车自动防护系统，其特征在于，所述安全输出单元具备8路安全数字量输出驱动能力，使用8路双通道表决安全输出模块，对输出信号通过进行双驱表决，同时对表决后的输出信号进行回检，确保输出信号的正确，提升系统安全性。