列车中央控制单元、列车控制系统及控制实现方法与流程

本发明涉及列车控制技术领域，具体涉及一种列车中央控制单元、列车控制系统及控制实现方法。

背景技术：

现代轨道交通车载控制系统可以根据控制边界划分为以列车中央控制单元(ccu)为核心的车载网络控制系统、列车自动驾驶系统(ato)以及列车自动防护系统(atp)三部分。其中：ato系统负责列车的驾驶控制，atp系统负责列车走行过程的安全防护，列车网络控制系统负责除ato以及atp系统边界以外的所有其它车载设备控制。

在既有轨道交通系统中，ato系统归属于信号系统范围,其与列车网络控制系统以及牵引、制动等系统的接口关系如图1所示。

通常情况下ato、atp等信号系统设备和网络、牵引、制动等车辆控制系统一般由不同的公司提供。传统信号系统和车辆控制系统之间有明确的边界，两者之间的信息交互仅满足实现功能，而没有从全系统层面考虑最优的控制结构。传统atp和列车之间采用硬线互联，硬线包括紧急制动、门控制等信号；ato与列车网络控制系统之间采用mvb等总线接口，ato发送列车运行命令给列车网络控制系统，mvb带宽为1.5mbps，通讯周期约100ms，无法承担列车各控制系统的实时状态和ccu内部控制信息的实时传输。

ato系统与列车网络控制系统以及牵引、制动等控制系统之间虽然建立了接口，但并没有建立有关列车牵引、制动能力及状态的实时“透明”关系。因而ato系统普遍采用了以车辆预设参数为前提的、基于pid算法的“黑盒”列车控制策略。此方案虽然实现了所要求的列车驾驶功能，但本质上是以牺牲列车性能为代价的，因为：

以预设参数为前提的控制策略并未考虑牵引、制动系统的实时能力与状态(特别是当部分牵引单元或制动单元发生故障时),也未考虑车辆载重、空气制动过程的非线性以及轨道条件等因素的影响，因而用于控制的预设参数必定与车辆实时状态存在偏差，这种偏差只能通过pid调节进行调节；

当预设参数与车辆实时状态偏差较大时，可能导致列车牵引、惰行、制动之间频繁切换，不利于控制列车运行过程中的冲动，不利于提高列车乘坐舒适度，严重时还将难以保证ato的控制精度。

由于车辆特性的差异，ato系统投入运营前需经反复调试才能实现可接受的控制精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种集成了ato功能的列车中央控制单元，同时基于该中央控制单元提供一种列车控制系统及控制实现方法。本发明的技术方案可改进ato的控制模式，提高控制精度。

为了实现上述目的，本发明一些实施例中，提供如下技术方案：

一种列车中央控制单元，包括：

中央控制模块：经通信网络与列车牵引控制单元通信，以获取牵引系统实时状态信息及下发对牵引系统的控制信号，与列车制动控制单元通信，以获取制动系统实时状态信息及下发对制动系统的控制信号；

自动驾驶控制模块：与中央控制模块通信，以获取牵引系统实时状态信息及制动系统实时状态信息，计算自动驾驶状态下的牵引系统控制信号和制动系统控制信号，传递至中央控制模块。

本发明一些实施例中，所述自动驾驶控制模块进一步被配置为，与自动防护系统进行数据通信，获取列车安全防护运行数据，结合牵引系统状态信息、制动系统状态信息及列车安全防护运行数据，计算自动驾驶状态下牵引系统控制信号和制动系统控制信号。

本发明一些实施例中，包括第一运算板卡和第二运算板卡，所述中央控制模块搭载在第一运算板卡，所述自动驾驶模块搭载在第二运算板卡，所述中央控制模块与自动驾驶控制模块通过总线进行数据通信。

本发明一些实施例中，包括第一运算板卡，所述中央控制模块和自动驾驶模块均搭载在第一运算板卡，所述中央控制模块和自动驾驶模块通过内存进行数据通信。

本发明一些实施例中，进一步提供一种列车控制系统，包括车载网络控制系统，所述车载网络控制系统包括上述任意一项所述的列车中央控制单元。

本发明一些实施例中，所述列车控制系统进一步包括列车自动防护系统，所述列车防护系统经硬线与列车制动控制系统进行数据通信，以获取列车制动系统状态信息，并计算列车防护运行数据，所述防护运行数据包括速度防护曲线。

本发明一些实施例中，进一步提供一种列车控制实现方法，采用上述的列车控制系统，包括：

中央控制模块经将牵引系统实时状态信息及制动系统实时状态信息经总线或内存传递至自动驾驶模块；

自动驾驶模块基于中央控制模块反馈的信息，生成列车自动运行指令，并经中央控制模块传递至列车牵引控制单元和制动控制单元，以控制列车执行自动运行指令。

本发明一些实施例中，所述方法进一步包括以下步骤：

列车自动防护系统经列车硬线采集制动系统状态信息，并计算生成防护运行数据，并传递至自动驾驶模块；

自动驾驶模块基于系统实时状态信息、制动系统实时状态信息及列车防护运行数据，计算生成自动运行指令。

本发明一些实施例中，所述自动运行指令包括运行速度曲线，所述自动驾驶模块根据牵引系统实时状态信息和制动系统实时状态信息调整自动运行指令，控制列车追踪运行速度曲线。

较现有技术相比，本发明技术方案的有益效果在于：

本发明将传统的车载信号系统ato单元和列车中央控制单元深度融合，脱离了对信号系统的依赖。相对于传统的列车中央控制单元，集成ato功能的列车中央控制单元具备ccu逻辑控制及ato控制功能。ato模块将牵引、制动系统以及车辆自身的实时状态、ccu的内部控制信息纳入ato算法。ato算法根据列车的状态实时调整ato控制策略，可有效提高ato的控车精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中列车ato系统与中央控制单元控制结构示意图；

图2为本发明中央控制单元控制结构示意图；

图3为本发明中央控制单元一种实施结构示意图；

图4为本发明中央控制单元另一种实施结构示意图；

图5为本发明中央控制单元数据交互图；

以上各图中：

1-列车io硬线。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不暗指相对重要性。“连接”、“通信”等，即可以指部件之间的直接连接，直接通信，也可以指部件间的间接连接，间接通信。

本发明提供了一种列车中央控制单元，用于轨道列车的运行控制，包括：

中央控制模块ccu：经通信网络与列车牵引控制单元tcu通信，以获取牵引系统实时状态信息及下发对牵引系统的控制信号，与列车制动控制单元bcu通信，以获取制动系统实时状态信息及下发对制动系统的控制信号；

自动驾驶控制模块ato：与中央控制模块通信，以获取牵引系统实时状态信息及制动系统实时状态信息，计算自动驾驶状态下的牵引系统控制信号和制动系统控制信号，传递至中央控制模块。

与现有技术相比，本发明将自动驾驶模块ato集成至列车中央控制单元，一方面，不再依赖信号系统单元，提高了系统的融合性；另一方面，改进了自动驾驶模块的控制算法和控制方式，不再采用预设控制策略进行自动控制，可以采用车辆实施状态，包括部分牵引单元或制动单元发生故障时的实时状态，进行实时自动驾驶控制，并实施调整，以实现车辆对运行曲线的高精度跟踪。

本发明一些实施例中，通常，列车均设置有自动防护系统ato，用于运行防护。自动防护系统通过车辆硬线1连接至制动控制单元，以采集车辆制动系统的实时状态信息，以根据状态信息生成车辆的自动防护曲线。自动防护系统ato与列车自动驾驶控制模块之间可进行数据通信，所述自动驾驶控制模块进一步被配置为，与自动防护系统进行数据通信，获取列车安全防护运行数据，具体包括车辆的运行曲线数据，结合牵引系统状态信息、制动系统状态信息及列车安全防护运行数据，计算自动驾驶状态下牵引系统控制信号和制动系统控制信号，以提高车辆自动驾驶的控制精度。

集成ato功能的列车中央控制单元，可以采用如下两种硬件实施结构。

参考图3，本发明一些实施例中，包括第一运算板卡和第二运算板卡，所述中央控制模块搭载在第一运算板卡，定义为ccu运算板卡；所述自动驾驶模块搭载在第二运算板卡，定义为ato运算板卡；第一运算板卡和第二运算板卡之间通过总线连接，所述中央控制模块与自动驾驶控制模块通过总线进行数据通信。具体说，ccu模块和ato模块可以分别运行在两个独立的硬件板卡上，分别是ccu运算板和ato运算板。ccu运算板和ato运算板之间通过采用安全通讯协议的内部高速总线互联，ato运算板和车载信号设备之间通过采用安全通讯协议的外部总线互联。(1)ccu运算板将车辆状态信息通过内部高速总线传输给ato运算板；(2)ato运算板通过采用安全通讯协议的外部总线和车载信号设备通讯，获取加速度、速度、位置等信息；(3)ato运算板计算得出列车控制命令，并通过内部总线传输给ccu运算板执行。

参考图4，本发明一些实施例中，包括第一运算板卡，所述中央控制模块和自动驾驶模块均搭载在第一运算板卡，所述中央控制模块和自动驾驶模块通过内存进行数据通信。具体说，ccu模块和ato模块可以运行在1个运算板上。ccu模块和ato模块之间通过采用内存进行数据的高速交互。(1)ccu模块将车辆状态信号通过内存传输给ato模块；(2)ato模块通过采用安全通讯协议的外部总线和车载信号设备通讯，获取加速度、速度、位置等信息；(3)ato模块计算得出列车控制命令，并通过内存传输给ccu算法执行。

具体的，为了实现以上功能，ccu模块、ato模块和atp之间的数据交互结构参考图5，具体的接口和通信信号如下：

数据交互接口包括：

·i/f1：与ccu的数据接口

·i/f2：与atp的数据接口

ato对ccu之间的通信信号包：

ato->ccu：

·ato生命信号

·ato主备状态

·牵引/制动指令

·门控指令

ccu对ato之间的通信信号包：

ccu->ato：

·指令反馈信息

·列车动态载荷

·制动能力

·实际制动力

·牵引能力

·实际牵引力

·网压

·网流

ato对atp之间的通信信号包：

ato->atp：

·ato主备状态

·ato故障信息

·牵引制动状态

·推荐速度

atp对ato之间的通信信号包：

atp->ato：

·ato使能

·列车位置

·列车速度

·运行方向

·ma信息

集成于中央控制单元的ato系统可以发挥系统融合优势，从atp模块获取eb限制速度、ma信息等信息，从ccu模块获得列车载重信息、牵引/制动能力与状态以及指令反馈等信息，在线实时生成最优的ato目标速度曲线，动态调整ato牵引制动指令以满足各种复杂运营场景的需求，并且能够缩短ato闭环控制的周期，使ato系统的控制更精准，进一步提高ato系统相关控制性能，包括ato运行速度、冲动抑制水平、定点停车控制以及列车能耗等。

基于以上中央控制单元，本发明一些实施例中，进一步提供一种列车控制系统，包括车载网络控制系统，所述车载网络控制系统包括上述的列车中央控制单元。

本发明一些实施例中，所述列车控制系统进一步包括列车自动防护系统，所述列车防护系统经硬线与列车制动控制系统进行数据通信，以获取列车制动系统状态信息，并计算列车防护运行数据，所述防护运行数据包括速度防护曲线。

基于以上列车控制系统，本发明一些实施例中，进一步提供一种列车控制实现方法，采用上述的列车控制系统，包括以下步骤：

中央控制模块经将牵引系统实时状态信息及制动系统实时状态信息经总线或内存传递至自动驾驶模块；

自动驾驶模块基于中央控制模块反馈的信息，生成列车自动运行指令，运并经中央控制模块传递至列车牵引控制单元和制动控制单元，以控制列车执行自动运行指令。

本发明一些实施例中，所述方法进一步包括以下步骤：

列车自动防护系统经列车硬线采集制动系统状态信息，并计算生成防护运行数据，并传递至自动驾驶模块；

自动驾驶模块基于系统实时状态信息、制动系统实时状态信息及列车防护运行数据，计算生成自动运行指令。

本发明一些实施例中，所述自动运行指令包括运行速度曲线，所述自动驾驶模块根据牵引系统实时状态信息和制动系统实时状态信息调整自动运行指令，控制列车追踪运行速度曲线。

本发明提供的集成ato功能的列车中央控制单元ccu及相应的控制方法，相对于传统ato和ccu，ato模块和ccu模块之间通过内部高速总线或内存进行信息高速交互，通讯延时大幅降低，有利于提高控制系统整体实时性，进一步提高了ato的控车精度和实时性。ato的运算不再完全依赖于预先设置的车辆参数，提高了ato的自调整能力，可大大减少列车调试周期。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。