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汽车列队行驶技术在铁路系统的应用方案

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发表于 2019-4-4 21:39:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
列队行驶技术在铁路系统的应用方案

作者:吴琦
单位:齐鲁银行双龙支行
电子邮件地址:15615618636@163.com
摘要
本文将智能交通技术引入铁路系统,围绕提高通行能力、提高及时性、提高灵活性,对铁路技术进行创新。在充分利用智能交通技术的同时,加入了创新的固定道岔与导向轮,使铁路在及时性、灵活性、方便性上超过了汽车-高速公路交通方式。使铁路系统的通行能力成倍提高。

前言

我们知道铁路运输具有节能、安全、受气候影响小、环保性能好、通过能力大(按吨位计,如按辆计不如高速公路。)的特点,汽车—高速公路运输系统具有及时性好,方便灵活的特点,能不能将铁路技术与基于高速公路的智能交通技术相结合,使陆路交通同时具有铁路运输的安全、节能、环保、受气候影响小,公路运输的及时、方便、灵活性好的特点。
智能交通方案中的列队行驶技术,在保持了汽车运输的方便性、及时性的基础上,具有大幅提高高速公路通行能力的效果。铁路系统同样需要提高通行能力。及时性、方便性、灵活性又是汽车——高速公路运输方式与铁路竞争的唯一法宝。我们在路况相对简单的铁路上,利用列队行驶技术对铁路技术进行改造,完全可以达到使铁路的技术性能全面超过汽车——高速公路系统的目的。
一. 汽车在铁路上行驶需要具备的条件
汽车在铁路上行驶必须解决车轮问题。目前铁路系统已经使用公铁两用车作为工程车辆使用。为了减少改造成本,我们在汽车车轮外加装一个符合轨道数据要求的钢圈。汽车就完全可以在铁路上行驶了,如图1. 图2.。当然为了在铁路上行驶,还必须保证左右轮缘的距离与现有铁路车辆轮对相同,车轮内侧距离为1353±3毫米,轮缘宽度为3.2毫米。轨道行驶专用钢圈有车站提供,车辆安装专用钢圈后进入待发线等待发车。
二.车辆的自动控制与信息系统
1. 必须使用的自动驾驶
由于驾驶员需要反应时间,控制机构需要时间消除间隙, 车辆要实现精确控制必须依靠计算机。目前智能交通技术中的自动驾驶系统,在微型雷达的帮助下,已能满足保持车距30厘米的列队行驶。
2. 信息传递
为了保证车辆在铁路上安全地追赶车队,组成汽车列车。自动驾驶仪必须获得车前5公里内,与自己相邻的前车的状态数据与控制指令,以便本车的精确驾驶与指令的同步执行。这就要求前车控制计算机,连续不断的将本车的控制指令、车速、加速率或减速率、本车的定位数据,传递给车后与本车相距最近地车辆的控制计算机。
目前计算机的无线联网技术告诉我们,计算机可以使用无线电波来进行数据交换。我们要求相邻的车辆必须进行连续的数据专递。我们知道,前车的最后一个轮对与后车的最前一个轮对与两条铁轨组成了一个导电的闭合回路,目前使用的机车信号机的感应器,就是接收的轨道上的交流信号。根据电磁感应原理,如果我们利用机车信号机的感应器原理设计发射器,同样可以使计算机信号在轨道回路中感应出感应电流,后车在车前安装感应器就可以连续接收前车的计算机信息。由于前车的最后一个轮对与后车的前轮对对信号的屏蔽,实现了车辆间的信息一级一级地传递。本车控制计算机根据前车计算机传来的定位数据、车速、控制指令、加速率或减速率等数据结合本车的定位数据、车速、加速率或减速率等数据,通过计算向本车控制系统发出精确的控制指令,并将本车定位数据、车速、控制指令、加速率或减速率传到车后发射器,发射给后车。
3.卫星定位与车距的确定
卫星定位仪与电子地图可以为车辆提供定位数据,使车辆可以知道自己的位置。车辆控制计算机在获得前车定位数据后,结合本车定位数据准确计算出本车与前车距离。当车距小于20米时,利用车前微型雷达测出精确距离,供本车控制计算机使用。
地面调度可以利用卫星定位系统,对在线车辆进行监控。根据车站繁忙程度、线路情况,将车站信息与调度命令发送给再现车辆。
4.车站信息指挥系统
  车站信息与指挥指令可以利用计算机无线传输技术,向车辆计算机及时发送调度指令。无线电信号的发送功率可以根据本站的控制范围来确定。
三.最大制动减速率与最大加速率的确定
在线路上每隔一定时间必须设定一辆头车,以便控制列车的速度。
头车的最大减速率必须小于车队中,最大减速率最小的车辆。这样的设置是为了保证列车的同步制动,防止后车顶撞前车而发生危险。
头车的最大加速率必须小于车队中,最大加速率最小的车辆。这样的设置是为了防止头车使用最大加速造成后车无法保持30厘米的车距。

四.汽车列车的组合与分解
为了保证及时性、灵活性,列车的组合与分解必须在行驶中完成。
1.列车的组合
列车的组合我们采用跟踪追赶组合的方式,也就是说在列车尾部经过车站上线道岔后,等待上线的车辆,上线追赶列车尾部进行组合。所谓组合并不是使用车钩进行连接,而是依靠微型雷达与自动驾驶仪使其与前车保持30厘米的车距行驶。
2.列车的分解
由于使用跟踪追赶组合,我们无法按到达先后进行编组。我们又要求车辆必须保持汽车-高速公路系统原有的灵活性,也就是说任意一辆到达目的地的车辆,必须在高速行驶的列车中顺利分解出来,而30厘米的车距在每小时120公里以上的车速下,又不能为我们提供充分的转辙时间,所以我们必须引进可以满足要求的固定道岔。
固定道岔可以利用现有道岔进行改造。具体方法是:将现有右出单开道岔的转辙机械拆除,将两条尖轨与各自的基本轨进行紧密结合并固定牢固,利用切割机械沿尖轨与基本轨的贴合线切割尖轨,使尖轨与基本轨之间产生一条43毫米的间隙,两条尖轨切割完毕,此道岔已可以作为上线道岔使用。见图3
下线道岔使用左出单开道岔改造,由于车辆进入下线道岔是迎尖轨方向行驶,为了保证车辆的行驶方向,所以必须设置导向轮,保证车辆经过下线道岔时,直行车辆的右侧车轮轮缘紧贴直行基本轨内侧行驶。下线车辆的左侧车轮轮缘紧贴下线基本轨内侧行驶。向车辆提供侧向力有很多方式,图4.图5.图6.图7.是其中一种。
  虽然固定道岔可以强制车辆安全正确的完成转辙,但是为了增加乘员的舒适性,车辆有必要考虑使用倾斜装置和大号道岔。
五.行车方式与车站结构
1. 行车方式:我们以京沪线为例来说明新的行车方式。北京站每隔10分钟发一辆头车去上海,在待发线等待的南下车辆跟随头车一起南下,中途到达目的地的车辆,自行分解下线进入车站,卸下钢圈后进入公路驶离车站。由于车辆分解下线,列车出现的空挡由后车加速追赶填补。沿途各站南下车辆,在列车尾部通过上线道岔后,在不影响后续车辆行驶的情况下,调度发出上线信号,车辆上线追赶列车尾部组合成新列车。北上车辆在上海每隔10分钟向北京发一辆头车,所有北上车辆跟随头车北上,沿途到站车辆自行分解下线进站,沿途各站北上车辆,当列车尾部通过上线道岔后,调度发出上线信号,北上车辆上线追赶列车尾部进行组合。当列车尾部与后续头车距离不足5分钟的路程时,调度通过无线电话命令后续头车追赶前车尾部,组成更大的组合列车。调度可以利用卫星定位系统,对再线车辆进行监控,根据线路繁忙程度及时安排列车组合成更大的列车,提高线路的通行能力。
2. 车站结构:为了减少车辆对车站的无效占用,参考高速公路出口进行车站的简化设计。
六.方案的效果预测
1. 铁路通行能力大幅提高。我们按具有上行线、下行线2条线路的复线铁路计算,列车间隔5分钟, 车长13.5米,车距0.3米 车速120公里/每小时, 每天18小时计算。
120000÷60×5÷(13.5+0.3)×6×18×2=156521(辆)。
通过改变通行间隔,通行能力还可以提高。
2. 由于铁路设计时速高于高速公路,所以汽车-铁路的运输组合方式,再途时间将少于汽车-高速公路的运输方式。
3. 由于汽车在铁路上列队行驶其空气阻力可以减少到原来的15%左右,滚动阻力降低到原来的1/7左右,所以能耗将大幅度降低。如果结合电气化铁路与电动汽车进行综合设计,其节能效果将更加显著。
4. 由于铁路交通具有路况简单、安全的特性,所以汽车在铁路上行驶,将使陆路交通的安全性得到提高。
5. 由于在铁路上行驶具有劳动强度低、节能、安全、省时的特点,所以驾驶员愿意放弃汽车-高速公路交通系统,而选择汽车-铁路交通系统。使铁路系统的市场份额得到提高。使国家可以节省投向高速公路的资金,可以节约大量的建设高速公路的耕地。
6. 由于可以大量的节油,可以使我国的燃油自给自足,并可节约大量用于进口石油的外汇。如果采用电动汽车利用电气化铁路的电力网进行充电,节油效果将更加显著。改造车辆与线路的费用通过节油来弥补完全可能。
7. 与高速公路比铁路路况相对简单,并且有两条可以传递信息的钢轨,所以铁路实现部分自动驾驶的技术障碍要比高速公路少的多。
8. 如果结合铁路系统的体制改革实施该技术,将可以为中小投资者提供一个新的投资渠道,符合国家拉动内需的要求。
参考书目
1.《汽车动力学》[西德]M.米奇克 
2.《交通运输的可持续发展》杨浩 赵鹏
3.《行车设备》铁道部运输局


 楼主| 发表于 2019-4-6 15:33:13 | 显示全部楼层
此方案给出的通行能力计算公式为:车速120公里/小时÷60分钟×5分钟÷(车13.5+间隔0.3米)×每小时6列×18小时×双向2=156521(辆)。
 楼主| 发表于 2019-4-6 15:38:29 | 显示全部楼层
大家可以用最高允许车速带入计算,为了让车辆追赶组列,最高车速减50留给后车追赶组列使用。
 楼主| 发表于 2019-5-3 19:13:29 | 显示全部楼层
京沪高铁可以达到的通过能力,车速300公里/小时÷60分钟×5分钟÷(车13.5+间隔0.3米)×每小时6列×18小时×双向2=391304(辆)。
 楼主| 发表于 2019-7-31 12:07:16 | 显示全部楼层
汽车列队行驶可以保持汽车运输的直达特性,铁路使用列队行驶技术也可以达到所有车辆都具直达特性。
 楼主| 发表于 2019-12-8 20:18:25 | 显示全部楼层
大小站通吃应该是铁路领导的追求。铁路由于安全、节能、环保完全可以垄断陆璐运输市场,
发表于 2020-1-5 09:59:58 | 显示全部楼层
90年代末,2000年代初,那时候在国企,用工程师报刊津贴订阅了不少杂志,包括《汽车之友》。里面就提到美国通用别克曾在美国的一段高速公路上进行了类似机辆模式的定编、定速巡航技术改造和测试:
高速公路上定距设置收发式感应器;
十二辆测试用通用别克轿车也进行了相应的改造;
首车有人驾驶,后面十一辆车有人监控、无人驾驶(无驾驶行为),根据高速公路感应器信号和前后车感应器信号进行无人驾驶定速、定距巡航。
但是最后测试以后,迄今为止也未能正式投入商用。
现实是,在无人驾驶领域开拓至今,2019年美国正式许可投入商用的无人驾驶汽车发生过多起交通肇事(甚至有死亡案例)。定居加拿大的同学说加拿大也有类似案例。
另外,高速公路上一定是有多种品牌,不同时期的汽车在行驶。尤其是私家车辆车况和车主是最为良莠不齐的。
万一队列中某渣人突然手贱,切断了自动联锁模式,变速、变道。
或者车列中某车正要退出队列,从某口下高速,正常退出变道过程中,忽然发现所要变道上一渣主违规超速或者低速占道,错过窗口期……
其它非队列车辆非法违规变道,比如某岔路口……
 楼主| 发表于 2020-1-5 12:48:40 | 显示全部楼层
酒后胡言您好!
      在轨道上方向不受驾驶员控制,驾驶员只能控制车速,可以对危害列队车辆的只有上线道岔位置,所以非队列车辆无法违规变道,如果等待上线的车辆违规上线,可以利用脱轨装置使违规车辆脱轨。如果队列中的某车突然改变车速,后车自动驾驶仪可以同步执行。这可以影响整个后续车队速度,但不会造成事故。
(高速公路上一定是有多种品牌,不同时期的汽车在行驶。尤其是私家车辆车况和车主是最为良莠不齐的。)为什么不利用上线车辆标准统一性能?例如:高铁统一限制軸重限制在十吨以下。这在方案中对加速性能、减速率、都有要求。
(现实是,在无人驾驶领域开拓至今,2019年美国正式许可投入商用的无人驾驶汽车发生过多起交通肇事(甚至有死亡案例)。定居加拿大的同学说加拿大也有类似案例。)如果在线路设计时就有防止插队的装置,违规插队车辆无法违规插队,就不会造成事故。
(或者车列中某车正要退出队列,从某口下高速,正常退出变道过程中,忽然发现所要变道上一渣主违规超速或者低速占道,错过窗口期……)铁路只有一条同向行驶线,没有可能出现并排行驶的低速、超速,占道问题。
 楼主| 发表于 2020-1-14 19:37:59 | 显示全部楼层
安全交通 发表于 2019-12-8 20:18
大小站通吃应该是铁路领导的追求。铁路由于安全、节能、环保完全可以垄断陆璐运输市场,

铁路车辆要进站停车,必须提前收起右侧导线轮,伸出左侧导向轮,在经过下线道岔时就会自动转向进入减速线,进站停车。
 楼主| 发表于 2020-2-6 19:05:07 | 显示全部楼层
酒后胡言 发表于 2020-1-5 09:59
90年代末,2000年代初,那时候在国企,用工程师报刊津贴订阅了不少杂志,包括《汽车之友》。里面就提到美国 ...

这就是没有从跟根本上选好基础件的问题,汽车可以违规轨道车就没有这个条件了。
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