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城际列车自动驾驶系统（ATO）的研究

作　者: 林佳
导　师: 褚健；吕勇哉
学　校: 浙江大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 列车自动驾驶 CTCS-2级列控系统系统设计 SIL 4 Markov模型遗传算法
分类号: U284.48
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着区域经济的不断增长以及社会一体化进程的不断加快,我国区域城际铁路已进入了发展的黄金时期。列车运行速度在不断提高,运营密度在不断加大,而且城际轨道交通线路长,上下客频繁,使得传统的人工驾驶已经难以满足城际客运专线进一步发展的要求。在此背景下开发城际列车自动驾驶系统代替人工驾驶就显得极其重要。列车自动驾驶系统是一种集成了计算机、通信以及人工智能技术的自动化程度很高的控制系统,在取代司机驾驶列车的同时提升列车在节能性、舒适性、准时性等方面的性能。由于目前列车自动驾驶系统还只在城市轨道交通中得到应用,本文在分析国铁客运专线运行需求的基础上,借鉴了城轨自动驾驶技术,提出了适用于国铁CTCS-2级列控系统的列车自动驾驶系统,并且对该系统进行了仿真试验,取得了良好的效果。本文从城际铁路客运专线的功能需求出发,以国铁CTCS-2级列控系统为研究对象,参考城轨自动驾驶技术,设计了城际列车自动驾驶系统的软硬件平台,并对系统的控制效果进行仿真试验。主要研究内容如下：(1)通过对比城市轨道交通和城际轨道交通运行环境,总结出两者在系统功能以及软硬件结构上的不同。在此基础上对城际列车自动驾驶系统的整体结构进行设计。(2)参考城市轨道交通自动驾驶技术,对CTCS-2级列控系统的硬件进行了改造升级,主要从地面系统设计、车载系统设计、接口设计以及性能分析四方面进行说明。(3)列车自动驾驶软件的设计。该工作主要根据城际列车自动驾驶的功能需求,实时采集列车行车数据,利用遗传算法优化列车目标速度曲线,最后通过控制器跟踪目标曲线,实现列车自动驾驶。(4)对列车自动驾驶系统的控制效果进行仿真试验。在实验室中使用计算机模拟地面系统、车载系统,对本文设计的自动驾驶系统的控制效果进行验证,测试功能是否正常实现。通过实验室仿真验证了本研究提出的城际列车自动驾驶系统能够基本达到自动驾驶的要求,对ATO系统在城际线的推广具有重要的实际应用价值。

全文目录

致谢  7-8
摘要  8-10
Abstract  10-12
目录  12-15
第1章绪论  15-21
  1.1 课题研究背景和意义  15-16
  1.2 课题研究现状  16-18
    1.2.1 国外列车运行控制系统的研究现状  17-18
    1.2.2 国内列车运行控制系统的研究现状  18
  1.3 课题的研究内容  18-19
  1.4 论文内容安排  19-21
第2章城际ATO系统分析与介绍  21-31
  2.1 城市轨道交通列车自动驾驶系统简介  21-25
  2.2 国铁CTCS-2列控系统的自动驾驶需求分析  25-27
    2.2.1 CTCS-2系统总体构成  25-26
    2.2.2 CTCS-2系统控制模式  26-27
  2.3 城际自动驾驶系统分析  27-30
    2.3.1 城际铁路ATO与城轨ATO区别  27
    2.3.2 城际铁路ATO功能需求分析  27-28
    2.3.3 城际铁路ATO系统工作原理  28-30
  2.4 本章小结  30-31
第3章 ATO系统硬件平台设计  31-53
  3.1 系统总体设计方案  31-33
  3.2 列控地面设备设计  33-36
    3.2.1 地面设备设计原理  33-36
    3.2.2 地面设备信息流  36
  3.3 列控车载系统设计  36-39
    3.3.1 车载设备设计原理  36-39
    3.3.2 车载设备信息流  39
  3.4 接口设计  39-41
    3.4.1 ATO车地通信接口  39-40
    3.4.2 ATO与ATP及车辆接口  40-41
  3.5 系统性能分析  41-51
    3.5.1 安全系统结构约束  41-43
    3.5.2 数字量输入系统的设计  43-47
    3.5.3 安全完整性等级验证  47-51
  3.6 本章小结  51-53
第4章城际ATO系统软件设计  53-79
  4.1 城际线列车牵引计算模型  53-58
    4.1.1 线路基本模型  53-55
    4.1.2 列车行车模型  55-58
  4.2 基于遗传算法的列车目标速度曲线规划  58-73
    4.2.1 问题描述  59-62
    4.2.2 利用遗传算法优化列车目标速度曲线  62-69
    4.2.3 仿真结果分析  69-73
  4.3 通信层设计  73-77
    4.3.1 ATO与ATP通信  73-75
    4.3.2 ATO与地而通信  75-76
    4.3.3 ATO与DMI通信  76-77
  4.4 本章小结  77-79
第5章列车自动驾驶系统的验证  79-89
  5.1 仿真系统结构分析与设计  79-80
  5.2 仿真系统功能设计及实现  80-84
    5.2.1 仿真界面设计  80-82
    5.2.2 数据传输  82-83
    5.2.3 列车自动驾驶模块设计  83-84
  5.3 仿真测试  84-87
    5.3.1 数据初始化  84
    5.3.2 列车人工驾驶  84-85
    5.3.3 列车自动驾驶  85-87
  5.4 本章小结  87-89
第6章结束语  89-91
  6.1 工作总结  89
  6.2 研究展望  89-91
参考文献  91-95
攻读硕士学位期间的研究成果及作者简介  95

城际列车自动驾驶系统（ATO）的研究

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