城市轨道交通车载牵引制动控制器系统及其工作方法与流程

本发明涉及城市轨道交通技术领域，特别是一种城市轨道交通车载牵引制动控制器系统及其工作方法。

背景技术：

在我国几乎所有的大中城市将城市轨道交通作为整个城市交通系统的骨干，我国正迎来一轮城市轨道建设的热潮。北京、上海、天津、广州、长春、大连、深圳、武汉、南京、重庆10个城市已经开通运营的线路长达770公里。上述10个城市加上正在建设的沈阳、成都、杭州、西安、苏州共15个城市在建线路总长达到1100km。按目前每年开工建设100公里至120公里线路的发展速度，到2020年我国城市轨道交通线路将达到2000公里至2500公里。尤其是北京、上海、广州三个特大城市轨道交通网络己经初步形成。北京市在2009年地铁4号线开通运营以后，运营总里程达到230公里，2010年已达到300公里，2015年将形成三环、四横、五纵、七放射，总长561公里的轨道交通网络。届时北京轨道交通每天的运力将达到1000万到1200万人次。截至2013年6月,中国共有轨道交通运营城市16个,总计轨道交通运营线路达68条,比上年56条增加12条；运营长度总里程2060公里,比上年1677公里增长22.83％。截止目前，根据我们统计的36个计划建设城市轨道交通项目城市的规划，2009-2020年，城市轨道交通新增营业里程将达到6560公里。截至2020年，我国城市轨道交通累计营业里程将达到7395公里。以每公里5亿元造价计算，2009-2020年将投入3.3万亿，年均达2700亿元，我国城市轨道交通建设将迎来黄金十年。

目前，国内的城市轨道交通列车自动控制(Automatic Train Control，ATC)系统基本都是引进国外的设备和技术，如广东地铁一号线引进德国西门子的设备，上海地铁一号线引进美国GRS公司的设备。近些年来国内正致力于研究开发拥有自主产权的城市轨道交通自动列车运行装置(Automatic Train Operation，ATO)系统，为了确保ATO系统的安全性，在正式试车运营之前，需要对城市轨道交通ATO硬件设备、软件设备进行大量的测试和调试工作，这就需要能够利用先进的计算机仿真测试技术来对机车运行环境进行建模，构建“虚拟列车”来实现对ATO控制系统的测试。但是目前的测试系统还存在以下问题：不能精确地还原出列车的实时线路情况，准确度较低；对列车的故障情况模拟不够全面，不能真实地再现列车故障情况，因此ATO/ATP系统的容错率较低，ATO/ATP系统的安全性和稳定性较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种准确度高、稳定性好的城市轨道交通车载牵引制动控制器系统及其工作方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种城市轨道交通车载牵引制动控制器系统，包括数据输入模块、列车运行模拟仿真模块和通信接口模块，其中：

数据输入模块，为控制器系统提供初始参数，并对初始参数数据进行操作；

列车运行模拟仿真模块，根据初始参数获取列车的牵引制动力信息、线路信息以及列车属性，进行动力学运算，确定列车当前时刻的加速度和速度，并对列车进行故障模拟计算；

通信接口模块，接收ATO/ATP控制指令，发送列车运行模拟仿真模块计算所得列车速度和位置信息给ATO/ATP，并与电机通信以控制电机的运行。

进一步地，所述数据输入模块包括线路数据模块、列车属性数据模块和操作接口模块，线路数据模块、列车属性数据模块为控制器系统提供初始参数，操作接口模块提供对初始参数数据的操作，其中：

线路数据模块，提供线路站点位置列表和坡道弯道列表数据；

列车属性数据模块，提供列车运行的基本运行参数，包括列车编组、载客量、基本阻力参数、逆变器效率、牵引制动特性；

操作接口模块，提供对线路数据和列车属性数据进行删除、增加、修改的操作接口。

进一步地，所述列车运行模拟仿真模块包括列车牵引制动特性模型、列车阻力计算模型、列车运动计算模型以及列车故障模拟计算模型，其中：

列车牵引制动特性模型，根据列车的速度和牵引制动状态划分不同的运行特性区间，对ATO/ATP给出的牵引制动力进行限制，将所得牵引制动力的值传给列车运动计算模型；

列车阻力计算模型，阻力包括基本阻力和附加阻力，根据列车在线路中的位置以及速度计算当前的阻力信息，阻力计算采用多质点的方法，并将所得阻力信息的值传给列车运动计算模型；

列车运动计算模型，根据上述获取的牵引制动力和阻力信息，以固定时间间隔进行动力学运算，确定列车当前时刻的加速度和速度；

列车故障模拟计算模型，跟据列车的空转、打滑以及解列的故障情况，进行相应的故障模拟计算。

进一步地，所述通信接口模块包括ATO/ATP接口和电机接口，其中：

ATO/ATP接口，接收ATO/ATP的牵引/制动指令、牵引/制动力、上下行指令以及当前位置信息，并发送列车运行模拟仿真计算模块计算所得列车速度和位置信息给ATO/ATP；

电机接口，将列车运行模拟仿真模块运算所得的速度和加速度发送给电机控制板，实时控制电机的运行，电机的实际转速再反馈给ATO/ATP进行闭环控制。

一种城市轨道交通车载牵引制动控制器系统的工作方法，包括以下步骤：

步骤1，首先获取ATO/ATP控制指令，初始化当前位置、牵引制动控制指令以及上下行信息；

步骤2，判断是否有列车故障指令，没有则进行下一步；否则，根据列车打滑、空转和解列的不同故障指令，修改列车参数和运动学计算过程，并进行下一步；

步骤3，根据实际列车不同速度等级下的牵引制动特性曲线，包括恒力区、恒功区以及降功区的过程，对ATO/ATP牵引制动力进行限制；

步骤4，根据上述牵引制动力和位置信息条件，以固定时间步长进行动力学模型计算列车当前阻力、速度以及位置信息；

步骤5，将计算所得速度信息转换成转速指令，控制电机模拟列车运行，同时将速度信息反馈给ATO/ATP系统进行进一步优化计算。

进一步地，步骤4所述根据上述牵引制动力和位置信息条件，以固定时间步长进行动力学模型计算列车当前阻力、速度以及位置信息，具体步骤包括：

(1)更新当前列车的位置和速度信息；

(2)获取通过牵引制动特性曲线限制后的当前牵引制动力信息；

(3)根据当前位置和速度信息计算当前运行阻力，包括列车启动阻力、基本阻力、弯道阻力以及坡道阻力；

(4)由输入的列车牵引力和各部分阻力计算得到列车前次计算时刻所受的合力，已知列车质量的情况下，计算得到时间步长内的近似加速度；

(5)根据上一次列车位置和速度，以固定时间步长计算当前列车的速度和位置信息。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)提供一种多质点阻力模型，提高了阻力变化的连续性，精确地还原出列车实时的线路情况，提高速度计算的准确性；(2)引入列车的牵引制动特性曲线，对ATO输出的牵引制动力信号进行限制，真实地模拟列车车辆牵引制动过程的运行情况；(3)能够模拟列车常见的故障情况，如解列、打滑和空转，真实地再现列车故障情况能够提高ATO/ATP系统的容错率，提高ATO/ATP系统的安全性和稳定性，推动国内ATO/ATP系统的自主开发；(4)提供接口可修改数据模块的内容，包括列车属性和线路数据，方便应用于国内不同城市的地铁列车上，提高了程序代码的可移植性。

附图说明

图1是本发明城市轨道交通车载牵引制动控制器系统的结构示意图。

图2是本发明城市轨道交通车载牵引制动控制器系统的工作方法流程图。

图3是本发明中控制器系统与ATO/ATP通信的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

结合图1，本发明城市轨道交通车载牵引制动控制器系统，包括数据输入模块、列车运行模拟仿真模块和通信接口模块，其中：

一、所述数据输入模块，为控制器系统提供初始参数，并对初始参数数据进行操作；

具体地，所述数据输入模块包括线路数据模块、列车属性数据模块和操作接口模块，线路数据模块、列车属性数据模块为控制器系统提供初始参数，操作接口模块提供对初始参数数据的操作，其中：

线路数据模块，提供线路站点位置列表和坡道弯道列表数据；

列车属性数据模块，提供列车运行的基本运行参数，包括列车编组、载客量、基本阻力参数、逆变器效率、牵引制动特性；

操作接口模块，提供对线路数据和列车属性数据进行删除、增加、修改的操作接口。

二、列车运行模拟仿真模块，根据初始参数获取列车的牵引制动力信息、线路信息以及列车属性，进行动力学运算，确定列车当前时刻的加速度和速度，并对列车进行故障模拟计算；

具体地，所述列车运行模拟仿真模块包括列车牵引制动特性模型、列车阻力计算模型、列车运动计算模型以及列车故障模拟计算模型，其中：

列车牵引制动特性模型，根据列车的速度和牵引制动状态划分不同的运行特性区间，对ATO/ATP给出的牵引制动力进行限制，将所得牵引制动力的值传给列车运动计算模型；

列车阻力计算模型，阻力包括基本阻力和附加阻力，根据列车在线路中的位置以及速度计算当前的阻力信息，阻力计算采用多质点的方法提高计算精度，并将所得阻力信息的值传给列车运动计算模型；

列车运动计算模型，根据上述获取的牵引制动力和阻力信息，以固定很小的时间间隔进行动力学运算，确定列车当前时刻的加速度和速度；

列车故障模拟计算模型，跟据列车的空转、打滑以及解列的故障情况，进行相应的故障模拟计算。

三、通信接口模块，接收ATO/ATP控制指令，发送列车运行模拟仿真模块计算所得列车速度和位置信息给ATO/ATP，并与电机通信以控制电机的运行。

具体地，所述通信接口模块包括ATO/ATP接口和电机接口，其中：

ATO/ATP接口，接收ATO/ATP的牵引/制动指令、牵引/制动力、上下行指令以及当前位置信息，并发送列车运行模拟仿真计算模块计算所得列车速度和位置信息给ATO/ATP；

电机接口，将列车运行模拟仿真模块运算所得的速度和加速度发送给电机控制板，实时控制电机的运行，电机的实际转速再反馈给ATO/ATP进行闭环控制。

结合图2，本发明城市轨道交通车载牵引制动控制器系统的工作方法，包括以下步骤：

步骤1，首先获取ATO/ATP控制指令，初始化当前位置、牵引制动控制指令以及上下行信息等。

步骤2，判断是否有列车故障指令，没有则进行下一步；否则，根据列车打滑、空转和解列的不同故障指令，修改列车参数和运动学计算过程，并进行下一步。

步骤3，根据实际列车不同速度等级下的牵引制动特性曲线，主要包括恒力区、恒功区以及降功区的过程，对ATO/ATP牵引制动力进行限制，以便更加真实地模拟列车和防止损坏电机。

步骤4，根据上述牵引制动力和位置信息条件，以固定时间步长进行动力学模型计算列车当前阻力、速度以及位置信息，具体步骤包括：

(1)根据上一次列车的位置，更新当前列车的位置和速度信息；

(2)获取通过牵引制动特性曲线限制后的当前牵引制动力信息；

(3)根据当前位置和速度信息计算当前运行阻力，包括列车启动阻力、基本阻力、弯道阻力以及坡道阻力等；

(4)由输入的列车牵引力和各部分阻力计算得到列车前次计算时刻所受的合力，已知列车质量的情况下，计算得到时间步长内的近似加速度；

(5)根据上一次列车位置和速度，以固定时间步长计算当前列车的速度和位置信息。

步骤5，将计算所得速度信息转换成转速指令，控制电机模拟列车运行，同时将速度信息反馈给ATO/ATP系统进行进一步优化计算。

结合图3，所述建立数据通信的系统模块，包括：

ATO/ATP接口，接收ATO/ATP的牵引/制动指令、牵引/制动力、上下行指令以及当前位置信息，并发送列车运行模拟仿真计算模块计算所得列车速度和位置信息给ATO/ATP；

电机接口，将列车运行模拟仿真模块运算所得的速度和加速度发送给电机控制板，实时控制电机的运行，电机的实际转速再反馈给ATO/ATP进行闭环控制。

综上所述，本发明方法能够有效的模拟实际地铁列车运行状态和线路信息，以及能够模拟列车故障状态下列车的运行，作为ATO/ATP的测试系统，能够很好地验证ATO/ATP的安全性和准确性，提高我国的ATO/ATP系统的自主研发能力。