基于轨道电路的机车位置监测与安全控制装置及其控制方法

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基于轨道电路的机车位置监测与安全控制装置及其控制方\n法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及机车位置检测与行驶安全控制技术领域，公开了一种基于轨道电路的机车位置检测与安全控制方法。\n背景技术\n[0002] 目前工业现场的铁路轨道在电气上由多段分节组成的，其中的每一段称为轨道区段，每段轨道区段上有用于检测机车是否压在本区段上的轨道电路检测装置，当机车在铁路上行驶时，相配套的计算机联锁系统可以通过轨道电路检测装置实时检测出机车处于某一个区段上，之后根据信号联锁规则控制站场中的信号机显示不同的模式，驾驶机车的司机根据信号机的显示模式行车，以达到安全调度机车的目的。但是该方法为被动安全防护，当司机误看信号或操作失误时，本系统无法进行进一步的主动安全防护，存在着一定的缺点。\n[0003] 针对这种情况，市面上常见有采用GPS测量或在机车上加装点式应答器设备方法用于辅助检测机车头的准确位置，以便进行主动安全防护。\n[0004] 对于采用GPS的定位方法，可以方便的定位出机车的位置，但当机车在厂房内部作业时，GPS设备将无法工作，存在着一定的缺点，同时基于成本、供电、维护方便性等方面考虑，通常GPS定位设备只安装与机车头内部，不安装在车皮上，这样只可以定位出车头所处于的位置，无法定位挂接了车厢的车尾的位置，也不能采用此方法检测一列机车的车长，这样当机车在进行顶送作业时便难以实现安全防护功能，对于司机的超速、闯红灯等违章驾驶无法做到主动防护。\n[0005] 对于加装点式应答器方法需要在每个机车头上安装读卡器，并在地面特定位置安装点式应答器，在在机车头通过点式应答器时可以检测出机车的位置，这种方法具有位置检测准确的优点，但是同样存在着不便于安装在车皮上的缺点，不能定位挂接了车厢的车尾的位置。同时基于设备成本与安装维护成本考虑，点式应答器不可能连续或过多安装，所以采用此方法得到的机车位置也不是连续的，无法全程跟踪定位机车的位置，具有很大的局限性。\n[0006] 另外，目前很多机车安装了机车运行状态采集黑匣子装置，但这种装置一般只用于采集信息的记录，只能用于事后故障与事故分析，不能提供机车实际行驶过程中的实时防护提醒。\n发明内容\n[0007] 本发明为解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种基于轨道电路的机车位置监测与安全控制方法，可以对机车位置进行准确检测，并采用专门设计的安全控制方法使机车的运行更加安全可靠，提高机车作业效率、减轻司乘人员的劳动强度。\n[0008] 本发明的技术方案如下：\n[0009] 监测与控制装置包括固定设备部分与车载设备组成，固定设备由通信服务器(1)、调度集中主机(2)、数传电台基站(3)、GPS授时设备(4)及计算机联锁系统(5)组成，车载设备由安控主机(6)、车载数传电台(7)、车载GPS授时设备(8)、显示器(9)、语音报警音箱(10)、制动装置(11)及传感器(12)组成；\n[0010] 通信服务器(1)与每个区域中心的数传电台基站(3)及调度集中主机(2)通过以太网互联，起到统一管理与调度所有区域数传电台基站的作用；每个区域中心的调度集中主机(2)与各计算机联锁系统(5)采用以太网互联；安控主机(6)与车载数传电台(7)、车载GPS授时设备(8)、制动装置(11)及传感器(12)之间通过现场总线互联；\n[0011] 显示器(9)用于显示软件界面与提示信息，音箱(10)用于播放报警提示音，制动装置(11)用于对机车切除牵引力与进行制动，传感器(12)用于采集车速、手柄位置、缸压等机车运行工况信息。\n[0012] 调度集中主机(2)的时钟由GPS授时设备(4)进行校准，计算机联锁系统(5)的时钟与调度集中主机(2)进行同步，安控主机(6)的时钟由车载GPS授时设备(8)进行校准，从而使三者之间的时钟保持一致。\n[0013] 当调度集中主机(2)需要发送数据到机车上的安控主机(6)时，先把数据通过以太网发送到通信服务器(1)，再由通信服务器(1)统一处理后通过对应区域的数传电台基站(3)把数据发送到车载数传电台(7)，车载数传电台(7)再把数据转发给机车安控主机(6)；安控主机(6)上报数据到地面的调度集中主机(2)的流程与此相反。\n[0014] 对机车位置的检测是通过计算机车距离轨道区段两末端(轨道绝缘节)的相对位置来实现；机车所压在某个区段信息由调度集中软件通过已有算法实时获得，定时通过无线网络传输给安控主机(6)；机车距离轨道区段两端绝缘节的长度是通过机车驶入区段内的距离来等效计算出，机车驶入某一轨道区段内的距离通过车速与进入时间进行计算得来，其计算公式如下：\n[0015] \n[0016] 其中：\n[0017] Ta为机车到达某一轨道区段的时刻；\n[0018] Tb为当前时刻；\n[0019] S(t)为t时刻机车的运行速度；\n[0020] 机车进入某一轨道区段的时刻Ta由计算机联锁系统(5)通过轨道电路装置采集后发送给调度集中主机(2)，调度集中主机(2)再通过数传电台基站(3)把这个信息发送给对应的安控主机(6)；\n[0021] 机车的运行驶速度由安控主机(6)通过安装在轮轴上的光电式传感器采集所得；\n安控主机(6)以100毫秒为单位采集机车的运行速度，车载GPS授时设备提供实时时间，采集到的运行速度信息标记上实时时间后记录在存储器中，在使用时可以方便地调出任意微小时间段内的速度信息；\n[0022] 站场内各固定设备的物理位置与长度通过测绘的方式取得，当得知机车在轨道区段上的位置时，可方便计算出机车与信号机、轨道尽头、厂房等与安全行驶相关的设备的相对位置。\n[0023] 一列机车的车长的测算方法如下：\n[0024] \n[0025] 其中：\n[0026] Tc为机车到达某一轨道区段的时刻；\n[0027] Td为机车完全经过前方轨道绝缘节的时刻；\n[0028] S(t)为t时刻机车的运行速度；\n[0029] 机车进入某一轨道区段的时刻Tc与机车完全经过前方轨道绝缘节的时刻Td由计算机联锁系统(5)通过轨道电路装置采集后发送给调度集中主机(2)，调度集中主机(2)再通过数传电台基站(3)把这个信息发送给对应的安控主机(6)；\n[0030] 安控主机(6)定时将测算的车长信息上传给调度集中主机(2)，调集集中主机(2)可以根据车长信息换算出一列机车所挂接车皮数量，从而可与计划所挂接的车皮数量进行对比，判断是否有挂接错误。\n[0031] 安控主机(6)可以进行机车闯红灯预警及制动，判断方法为：安控主机(6)可根据机车的速度、载重以及当前轨道的坡度与弯度信息计算出机车的制动距离，然后根据制动距离与前方红灯之间的距离之间的关系，在必要时通过提前报警或者自动制动等方式进行安全控制。\n[0032] 安控主机(6)可以根据机车当前的行驶位置、机车的载重情况、机车的行驶状态(牵引车皮或顶送车皮)判断机车的最高安全限速，并在安全限速变化时进行语音提示，根据配置预案可对超速的机车实施报警或者自动切除牵引力等安全处理措施。\n[0033] 安控主机(6)可以根据采集到的机车运行工况信息，判断机车各部件是否处于正常工作状态，当发现工作异常时进行报警提示；安控主机(6)同时可以根据采集到的机车运行工况信息，经过推理运算，判断司机在机车的启动、行驶、停车过程中对机车的各项操作是符合操作规范，当发现不符合规范时，进行报警提示，并将报警信息上报给调集集中主机(2)，由调集集中主机(2)形成报表。\n[0034] 调度集中主机(2)实时地将机车周边的信号等信息传送给安控主机(6)，安控主机(6)将周边信号信息通过显示器显示出来，供司机查看，并在相关信号变换时同步进行语音提示，提醒司机操作；安控主机(6)可以对采集到的机车运行工况信息进行长时间记录，并可以对记录的数据进行回放分析。\n[0035] 本发明的有益效果是：本发明与其它同类发明相比，可以提高机车位置检测的准确度，采用本发明的安全控制方法使机车的运行更加安全可靠，并且实现成本低廉。\n附图说明\n[0036] 图1是本发明中装置的系统结构图。\n[0037] 图2是本发明中机车位置检测示意图。\n[0038] 图3是机车距前方信号机距离计算示意图。\n具体实施方式\n[0039] 参见附图1所示。\n[0040] 基于轨道电路的机车位置监测与安全的装置，监测与控制装置包括固定设备部分与车载设备组成，固定设备由通信服务器(1)、调度集中主机(2)、数传电台基站(3)、GPS授时设备(4)及计算机联锁系统(5)组成，车载设备由安控主机(6)、车载数传电台(7)、车载GPS授时设备(8)、制动装置(11)及传感器(12)组成；通信服务器(1)与每个区域中心的数传电台基站(3)及调度集中主机(2)通过以太网互联，每个区域中心的调度集中主机(2)与GPS授时设备(4)及各计算机联锁系统(5)采用以太网互联；安控主机(6)与车载数传电台(7)、车载GPS授时设备(8)、制动装置(11)、传感器(12)之间通过现场总线互联。车载设备设有语音报警音箱(10)，安控主机(6)与语音报警音箱(10)通过现场总线互联。：\n车载设备设有显示器(9)，安控主机(6)与显示器(9)通过现场总线互联。\n[0041] 参见附图2、3所示。\n[0042] 1、系统的搭建。\n[0043] 系统在调度中心设立一台通信服务器，在每个调度集中区域中心安装一台数传电台基站，在每台机车上安装一台数传电台。通信服务器与每个区域中心的数传电台基站通过以太网互联，起到统一管理与调度所有区域数传电台基站的作用。\n[0044] 在每个调度集中区域安装一台GPS授时系统，用于对调度集中主机的精确时间校准，同时在每台机车安装一台GPS授时系统，用于对安控主机的时间校准。通过GPS时间进行时间校准后，地面调度集中主机将与车载安控主机的时间保持一致。系统的组织结构图如图1所示。\n[0045] 2、无线传输功能实现。\n[0046] 当调度集中主机或其它计算机需要发送数据到机车上的安控主机时，其先把数据通过以太网发送给通信服务器，再由通信服务器通过对应区域的数传电台基站把数据发送到机车上，机车上的安控主机上报数据到地面的调度集中主机流程与此相反。每个调度集中区域的单台数传电台基站使用1对(2个)频点，使用专用的230M数传频段的频点1对(2个)，收发最小间隔为7MHz。信道传输速率为24000bps，为半双工传输。\n[0047] 3、机车位置检测实现。\n[0048] 本发明中对机车位置的确定是通过计算机车在区段内的相对位置实现的，即计算机车距离轨道区段两端的绝缘节的长度，因为站场内各区段的位置与长度GIS地图信息可以事先通过测绘的方式取得，所以只要得知机车与区段的相对位置信息可以知道机车的在整个站场中的准确位置。机车所压在某个区段信息由调度集中软件通过已有算法实时获得，定时通过无线网络传输给安控主机；机车距离轨道区段两端绝缘节的长度是通过机车进入某一区段内的距离来等效计算出，机车进入某一轨道区段内的距离是通过车速与进入时间进行计算的。机车实际行驶速度由安控主机通过检测机车轮轴上安装的光电式传感器DF8-200P/R(频率信号，每转脉冲数：200P/R)发出的速度频率量信号所得。安控主机以100毫秒为单位采集机车的运行速度，并记录在存储器中，同时对记录的车速进行时间标记，在使用时可以方便调出存储数据中的任意时间段内的速度信息。\n[0049] 机车在行驶过程中，如附图2所示，当从区段A越过轨道绝缘节达到前方的下一轨道B时(时刻Ta)，计算机联锁系统会检测到机车前方的轨道电路占用情况，并上报给调度机集中主机，再通过无线的方式发送到机车安控主机。由于站场状态信息的传输延时，区段B被占用的信息在Tb＝Ta+Td时刻(Td为传输延时)传输到机车上，此时机车已经进入到区段B内部距离为L1的地方。在Tb时刻之后的Tc时刻，机车进入区段B的位置可以表示为：Lb＝L1+L2，其中L2表示机车在Ta+Td至Tc时间段内行驶的距离，对于机车进入区段B的距离分2种方法进行\n[0050] (1)在Tb时刻之后，L的计算公式如下；\n[0051] \n[0052] 其中，需要使用到Ta至Tc之间的速度采样值，设Ta时刻(包含Ta时刻)与Tc时刻之间的速度采样值依次为S[1]、S[2]、…、S[n]，n＝(Tc-Ta)/0.1。\n[0053] (2)在Ta至Tb时刻之间，机车进入区段B的距离通过以下公式计算：\n[0054] Lb＝La-la\n[0055] 其中La为机车进入区段A的距离，其测量方法同上，la为区段的测绘长度；通过这种方法可以在地面的轨道区段占用信息发送到机车之前，提前判断出机车已经进入了前方区段，用这种方法来补偿因为数据传输延迟带来的问题。当安控主机由刚开机或由故障状态恢复时，要求机车以低速行驶一段时间跨越前方轨道绝缘节，以让上述传输延迟产生的L1距离尽可能短一些，以增加行车安全。\n[0056] 4、机车安控方法实现。\n[0057] 系统的防护控制采取声光报警、切除牵引力、常用制动等三步措施。具体功能有防止机车作业时冒进信号、防止列车运行速度超过允许的最高限速、控制车列在尽头线安全距离前方停车。\n[0058] (1)状态判断\n[0059] ①.距前方信号的距离：如图3所示，机车进入区段A的距离La可以通过上述方法计算出，一般信号机与轨道绝缘安装位置相同，所以机车距前方信号机的距离Lx可计算为：Lx＝la-La；其中la为区段A的测绘长度；\n[0060] ②.限速数据获取：限速表由牵引状态、区段、限速值组成，安控主机根据手柄位置可以的判断机车处于牵引或顶送状态，根据位置判断可知当前处于某个区段，然后根据限速表可查取限速值；\n[0061] (2)限速控制措施主要有：\n[0062] ③.列车速度在达到限速的90％时进行语音提醒“注意速度”。\n[0063] ④.超速5秒进行语音报警，乘务员须有响应；\n[0064] ⑤.报警5秒后，如司机无响应(速度未变化)，进行切除牵引力操作，列车管减压\n100kpa。\n[0065] ⑥.在距蓝灯或红灯“15米+制动距离Sz”处，如果速度不为零，则进行常规制动。\n[0066] ⑦.距离警冲标、尽头线前“15米+制动距离Sz”处，如果速度不为零，则进行常规制动。\n[0067] 列车制动距离Sz由以下公式求得：\n[0068] \n[0069] 具体计算方法参见《TBT 1407-1998列车牵引计算规程》。\n[0070] (3)信号语音提醒功能\n[0071] ①.前方进路信号为连续两白灯则语音提示：白灯。\n[0072] ②.前方进路信号为一白一蓝灯则语音提示：注意信号。语音提示时机：可以设置为定时提醒或检测到信号变化时提醒。\n[0073] (4)自动安全操控检查\n[0074] 安控主机可以通过采集到的机车工况数据变化情况，预测司机是否按规章行驶，以下列举一例：\n[0075] 按照通常行车操作规程，在机车停止走行超过30分钟后，再启动走车必须做制动机性能(刹车性能)检查试验，制动机试验标准为：\n[0076] ①.单阀全制动：制动缸压力由0上升到300kpa时间应在3S以内；\n[0077] ②.单阀缓解：制动缸压力由300kpa降到35kpa以下时间在4S以内。\n[0078] 安控主机实时采集制动缸压，在检测到机车停止30分站再重新启动后的，如果未检测到以上数据变化过程(试验过程)，便判断机车违规操作，将进行语音报警提示并进行数据记录。\n[0079] (5)数据记录\n[0080] 安控主机对于采集的机车工况数据通过内部的SD卡记录，SD容量为8G字节，记录时间可以超过一周。