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基于北斗二代的移动自动闭塞下列车运行组织方法分析.pdf

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西南交通大学硕士学位论文主要工作贡献声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下1.根据移动闭塞系统结构及北斗卫星导航系统功能特点,对基于北斗卫星导航的移动闭塞系统硬件、软件结构进行了设计,构建了该系统的理论架构,并对核心功能模块的数据内容与交互流程进行了分析。2.针对移动闭塞系统的三项关键技术列车自主定位、列车无线通信、列车完整性检测提出了相对应的基于北斗卫星导航技术的解决方案,分别为由电子轨道地图进行辅助的多传感器组合定位方法、结合GSM-R与北斗卫星通信两种通信手段的多源无线通信系统,以及基于北斗卫星导航的组合式列车完整性检测方法。3.对移动闭塞下行车调度指挥与列车运行控制一体化系统的基本原理进行了分析,设计了该系统的实施方案,并对相关辅助功能子系统列车运行实时调整系统、列车运行安全监控系统以及列车运行安全主动控制系统的功能模块、工作逻辑等进行了分析与设计。本人郑重声明所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均己在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。文作~肄噜哥,日期l伊ff.g-·留万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1页摘 要运能无法充分满足市场运量需求是我国铁路运输领域长期面临的问题之一。而移动闭塞基于其构建的动态、虚拟闭塞区间,可极大程度缩短列车追踪问隔,从而提升铁路运输能力。通常,移动闭塞的实现往往需要大量的实时行车信息作为数据支撑,这将涉及信息的采集与传输工作。而作为我国自主研发与控制的北斗卫星导航系统,兼备测速、导航、定位、双向短报文通信等功能,具有实现移动闭塞系统组建任务的技术条件。因此,本文围绕如何利用北斗卫星导航技术建立移动闭塞系统,以及移动闭塞下的行车调度指挥系统展开研究。首先,本文分析了移动闭塞系统的宏观结构以及每一结构层次所具备的应用功能,并对系统特性进行了总结。与此同时,概述了北斗卫星导航的系统组成,着重阐述了北斗车载型终端和北斗指挥机的功能特性,并基于此分析了北斗卫星导航系统在铁路领域的应用需求,而列车运行控制与铁路运输调度优化均在此应用需求范围之内。其次,以数据的采集、传输与应用过程为主线,对基于北斗卫星导航的移动闭塞系统中,各逻辑控制层面列车、车站、调度控制中心的硬件与软件结构进行了设计,提出了适应于小规模车站的基于北斗指挥机的组网方案,以及适应于大规模车站或调度控制中心的基于网络的组网方案。此外,对系统核心应用模块的数据交互内容与流程也进行了分析。 ·接着,针对移动闭塞系统涉及的三项关键技术列车自主定位、列车无线通信以及列车完整性检测,提出了相对应的解决方案,分别为电子轨道地图辅助的多传感器北斗车载终端、加速度计和陀螺仪组合定位方法、结合GSM.R与北斗卫星通信两种通信手段的多源无线通信系统、以及基于北斗卫星导航的组合式列车完整性检测方法。最后,以所建立的基于北斗卫星导航的移动闭塞系统能够提供大量且连续的列车运行数据为前提,从增强行车调度指挥鲁棒性、实时性与强控制性的角度,提出了移动闭塞下的行车调度指挥与列车运行控制一体化概念,并对其功能辅助子系统列车运行实时调整系统、列车运行安全监控系统与列车运行安全主动控制系统的应用需求、功能模块、工作逻辑进行了分析。关键词移动闭塞;北斗卫星导航;调度控制一体化;列车运行调整;预测控制万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 I页AbstractIn China,the fact that the transport capacity cannot meet the traffic volume needs is oneof the longterm problems in railway transportation.However,moving block technology cansignificantly shorten the headways between trains based on its creation of dynamic andvirtual blocking sections,which is beneficial for improving railway transport capacity.Generally,the realization of moving block requires massive realtime operation inationof the trains as data support,and this involve the implementation of ination acquisitionand transmission.As a product ofindependent development and control of China,the Beidousatellite navigation systemBDSwith the ability of velocity measurement,navigation,localization,bidirectional shortmessage communication and SO forth,possesses thetechnical requirements of building the moving block systemMBS.Therefore,the authoraddresses the adoption of BDS technology to establish the MBS,and the conceptualarchitecture ofthe train operation and dispatching system under the MBS.Firstly,the author analyzes the MBS’S macrostructure and the application functions ofeach hierarchical structure,and summarizes the characteristics of the MBS.Meanwhile,anoverview of the BDS composition is presented and the functional characteristics of theBDS’S vehicle terminal and dispatching terminal are emphatically elaborated.Based on themajor characteristics of the BDS,the application requirements of the BDS in railwaytransportation are analyzed,which include the requirements of the train operation controland the optimization of railway transportation scheduling.Secondly,the author designs the hardware and software structure of each logic controllayer with the data acquisition,transmission and application aS the principal line.Then,based on the BDS’S dispatching terminal,the networking schemes adapted to a small-scalestation and largescale station are proposed respectively.In addition,the author analyzes thecontents and processes of the data interactions among the main application modules in theMBS.Thirdly,the solutions related to three different key technologies including the trainself-localization,wireless communication and train integrity detection in MBS are proposedrespectively,which are the electronic rail map assisted multisensorBDS’S vehicle terminal,accelerometer and gyroscopeintegrated positioning ,the GSMR and BDScommunication combined multisource wireless communication system and the combinedtrain integrity detection based on BDS.Finally,from the perspective of improving the robustness,the author proposes the万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第ll I页instantaneity and controllability of the dispatching command,all integration concept of thetrain dispatching command and train operation control under MBS on condition that theestablished MBS via BDS could provide massive and continuous train operation data.Furthermore,the application requirements,function module and function logic of thefunctional subsystems are analyzed,including the realtime train operation adjustmentsystem,train operation safety monitoring system and train operation safety active controlsystem.KeywordsMoving block;Beidou satellite navigation system;Integration ofdispatchingand controlling;Train operation adjusting;Predictive control万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第l V页目 录第1章绪论l1.1研究背景与意义l1.1.1移动闭塞系统的研究背景与意义l1.1.2北斗研究背景及其应用于移动闭塞系统的意义21.2铁路移动闭塞系统相关理论研究51.2.1国外研究概况51.2.2国内研究概况613北斗卫星导航系统的应用研究71.3.1北斗卫星导航系统在交通领域的应用研究.....81.3.2北斗卫星导航系统在铁路领域的应用研究91.4研究内容与结构.10第2章移动闭塞系统与北斗卫星导航系统概述.。122.1移动闭塞系统.122.1.1移动闭塞系统与CBTC的关系..122.1.2移动闭塞系统的宏观结构一132.1.3移动闭塞系统的具体结构及基本功能一152.1.4移动闭塞系统的主要特性一192.2北斗卫星导航系统.19第3章基于北斗的移动闭塞系统架构设计..223.1基于北斗卫星导航的移动闭塞系统硬件结构分析.223.1.1车载设备层的数据采集与传输一233.1.2车站控制中心的数据采集与传输一233.1.3调度控制中心的数据采集与传输..253.2基于北斗卫星导航的移动闭塞系统软件结构分析.253.2.1车载设备层的数据应用..263.2.2车站控制中心的数据应用一273.2.3调度控制中心的数据应用一273.3基于北斗卫星导航的移动闭塞系统总体结构设计.28万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第V页3.4系统数据信息内容及流向分析.29第4章基于北斗的移动闭塞系统关键技术~324.1列车定位一324.1.1列车定位需求分析324.1.2列车定位精度与定位连续性要求分析..334.1.3将北斗应用于列车定位的可行性分析一354.1.4基于北斗的列车定位实现方法分析..404.2列车无线通信.424.2.1列车无线通信的应用需求..424.2.2列车无线通信的技术需求一434.2.3列车无线通信的硬件设备配置一444.3列车完整性检测.464.3.1列车完整性检测的应用需求分析..464.3.2多种列车完整性检测方法优劣分析..464.3.3基于北斗卫星导航的组合式列车完整性检测系统..48第5章基于北斗的移动闭塞下行车调度指挥系统研究..505.1现有铁路行车调度指挥特点505.2移动闭塞下的行车调度指挥与列车运行控制一体化研究.515.2.1基于北斗的移动闭塞下行车调度指挥特点..5l5.2.2一体化基本原理..525.2.3一体化系统实施方案..545.2.4一体化系统实现可能性分析..555.3列车运行实时调整系统.555.3.1预测控制的基本原理..555.3.2系统结构分析一575.3.3系统功能模块分析..585.3.4系统基本原理分析一595.4列车运行安全监控系统.605.4.1应用需求分析..605.4_2系统功能模块及其工作逻辑分析一60万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第V I页5.5列车运行安全主动控制系统.635.5.1应用需求分析。635.5.2系统功能模块及其工作逻辑分析。635.6一体化系统稳定性分析.64结论与展望66致谢68参考文献69攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果75万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1页第1章绪论1.1研究背景与意义铁路具有运量大、运距长、安全、环保、低能耗等优势,适应于我国幅员辽阔、自然资源与工业布局错位的特点。铁路运输作为我国综合运输体系中的骨干,能够促进社会经济的发展,提高广大人民的生活水平。然而,虽然我国己实施了多次铁路提速,并在技术改造方面付出了诸多努力,铁路运输需求与运能的矛盾仍然十分突出。铁路作为国民经济的大动脉,其运能受限,必将对我国经济的发展产生一定的消极影响。因此,如何提高区段通过能力,线路运输能力、乃至整个路网的运能显得尤为必要。1.1.1移动闭塞系统的研究背景与意义目前,我国铁路主要采用固定闭塞制式,这在一定程度上限制了铁路运能的上升潜力。传统的固定闭塞系统主要包含三显示闭塞、四显示闭塞。个别国家甚至采用五显示闭塞制式,但由于投资与维护成本较大,并未得到广泛的应用。此外,相对于多显示闭塞系统而言,速差制信号的应用,使得司机能够凭借车内信号的速差显示进行速度控制,这又进一步缩小了列车间的运行距离。然而,在固定闭塞系统下,由于无法准确获知列车位置,为保证安全,必须在前后行列车间设置固定的防护区段。通常,闭塞分区长度的计算,是以区间所运行的最坏性能列车为参考,并结合线路参数来确定;而闭塞分区的数量则是根据速度等级的划分而形成。基于这一特征,在固定闭塞系统下提出减小列车间隔距离的新方法具有很大的难度。而相比于固定闭塞而言,准移动闭塞在控制列车间隔距离方面又进了一步。目前,我国青藏线所采用的列车运行控制系统为CTCSChinese Train Control System,应用等级为3级【1,21,实施的闭塞制式即为准移动闭塞。准移动闭塞制式下的列车运行控制系统采用的是目标距离控制模式,后行列车从最高运行速度开始制动的计算点是根据目标距离、速度,以及列车自身的相关性能决定,追踪目标点为前行列车所占用闭塞分区的始端。制动计算点会随列车自身性能和的线路参数不同而改变,目标点则在前行列车位于同一闭塞分区内走行时相对固定。移动闭塞制式下的列车运行控制系统也同样采用目标距离控制模式。但区别在于,万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第2页追踪目标点并非前方列车所占用闭塞分区的始端,面是进一步精确到了前方列车尾部。追踪目标点是随时变化的,其变动幅度与前行列车的走行速度有关。正是由于移闭塞所具有的这一“移动的、随机的”虚拟闭塞区间特征,使得列车问隔距离能够大幅度减小,行车密度有较大地提升,从而达到提高铁路通过能力的目的【3’41。因此,将移动闭塞系统应用于我国铁路运输网络,将对我国运能长期无法充分满足运量需求的状况有所改善。当前,移动闭塞系统作为列车运行与控制领域的前沿技术,主要应用于世界发达国家的城市轨道交通[5,61。我国广州、北京、武汉、上海等地的城市轨道交通也先后引进并应用。但就世界范围内的铁路运输网络而言,固定闭塞仍然是各国主要采用的闭塞制式,尚无移动闭塞应用的先例。 因此,如何将移动闭塞系统应用于铁路,亦研究移动闭塞在铁路运输中的实现方法具有重要意义。在研究过程中,可以充分参考移动闭塞系统在城市轨道交通中的应用实例,但由于干线铁路网络更为错综复杂、所处地理环境更为多变且不可控,加之干线铁路还存在客货混跑的状况,故铁路对列车运行控制的实时性、无线通信传输的连续性以及整个移动闭塞系统的安全性与可靠性有着更高的要求。通常,在城市轨道交通中, 列车运行控制系统ATCAutomatic Train Contr01是由列车自动超速防护系统ATPAutomaticTrainProtection、列车自动监控系统ATSAutomaticTrainSupervision以及列车自动驾驶系统ATOAutomaticTrainOperation构成,它们共同完成对城轨列车的移动追踪间隔控制;但在铁路移动闭塞系统的研究中,考虑到干线铁路运行环境的复杂性,故并未涉及铁路列车自动驾驶的研究,即不包含ATO系统。此外,城市轨道交通多是基于惯性传感器、里程计等进行列车的自主定位,因其大多为地下轨道,因而不适用卫星定位技术。相反地,铁路线路涉及地域广泛,且除隧道外大多位于地面之上,故基于卫星导航系统的定位方式可以用于铁路移动闭塞系统。同时,相比于在轨旁铺设应答器的定位方式,卫星定位更具优势,它不会受到强自然灾害天气的影响。1.1.2北斗研究背景及其应用于移动闭塞系统的意义目前,我国自主研发、独立控制运行的北斗卫星导航系统,是继美国全球卫星定位系统GPSGlobal Position System和俄罗斯全球卫星导航系统GLONASSGlobal万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第3页Navigation Satellite System之后的第三个卫星导航系统。截至目前,我国已先后发射北斗导航试验卫星4颗,以及16颗北斗导航卫星,按计划成功实现区域组网。并预计在2020年左右,顺利组建由5颗地球静止轨道卫星和30颗非地球静止轨道卫星构成的北斗全球卫星导航系统。届时,可向全球领域的用户提供高精准度与高可靠性的定位、授时和导航服务,并在一定区域范围内提供双向短报文通信服务。近年来,北斗卫星导航系统的社会与产业化应用开发受到我国的高度重视。北斗卫星导航系统的不断发展,为我国诸多领域带来了显著的经济和社会效益。例如,在科学研究领域、金融、电力、通信等行业利用北斗卫星导航系统进行时间传递、时间同步;在渔业中,根据不同种类鱼群随洋流定期洄游的特点,利用北斗卫星导航系统进行鱼群的定位搜寻;在汶川地震、舟曲特大泥石流等抗灾行动中,利用北斗卫星导航系统的定位功能以及其特有的短报文通信功能实现了个人用户终端之问,以及单用户与指挥部之间的信息联络,保障了救灾行动的顺利开展;在水文监测领域,利用北斗卫星导航系统实时监测和传递河流湖海的水文或潮汐信息;在森林安全保障领域,基于北斗卫星导航的森林防火系统,可以实现消防员的实时位置追踪及任务派遣。由此看出,北斗卫星导航系统已逐步应用于我国各行各业之中。国家建设与发展北斗卫星导航系统的最终目的,即为将其应用推广于各项产业的发展之中,北斗卫星导航系统不仅要建成,更要用好。因此,研究北斗在铁路领域的应用,一方面是顺应国家发展之需;另一方面,也为我国研发具有自主知识产权的铁路领域卫星导航应用提供了条件。这是由于当前我国铁路在列车行车安全、铁路沿线灾害及基础设施监测、基础设施建设等领域,凡涉及卫星导航系统应用技术的产品一般都采用GPS,但因GPS系统完全受控于美国,且一直存在人为干扰,故只有打破对GPS的单一依靠才能从战略上解决系统的安全性问题,全面提升铁路基础支撑系统的安全性与可靠性【71。与此同时,随着我国既有线列车提速和客运专线建设步伐的加快,铁路智能化与信息化的发展与研究也应逐步提上日程。而在此方面,北斗卫星导航系统能够提供强有力的技术支撑。当前,无论是在铁路运输安全领域防灾监测、列车完整性检测、列车追踪接近预警等,还是非安全应用领域铁路授时网、旅客信息服务、运输调度等,基于位置的应用服务都日益突显出其重要性[81。而北斗卫星导航系统因其所具备的定位、测速、双向通信等功能,能够为上述位置应用服务提供良好的技术基础。图1.1简要概括了北斗卫星导航系统在铁路领域的应用需求。万方数据
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