管轨运输系统

摘要

本发明公开了交通运输控制技术领域中的管轨运输系统（Tube-rail）。管轨运输系统是一种在管道中运行的由直线电机驱动的轮轨运输方式，是介于管道运输与传统轮轨交通之间的一种交通方式，在支承和导向方面与轮轨系统相同，但在驱动方面却采用了直线电机的驱动方式；是有别于铁路、公路、航空、水路、管道交通运输五种运输方式的新型接入运输方式;包括：物理执行层，通信层，数据共享层，控制层，运营层和服务层。本发明实现了煤炭短距离支线运输，解决了煤炭短距离支线运输造成的石油资源过度消耗、污染环境和占用公路、水路空间的问题。

权利要求

1.一种管轨运输系统，采用分层支撑的结构模式，由下到上共分为6层，分别为物理执行层、通信层、数据共享层、控制层、运营层和服务层，其特征在于：所述物理执行层用于执行运行计划和调度命令，包括车辆子系统、管道子系统和绝对定位子系统；

所述车辆子系统由多个车辆编组而成，车辆分为动力车和非动力车；动力车采用全动力配置，每辆车下部都安装有车载牵引变流器、直线牵引电机、车载运行控制子系统和车载通信子系统；

所述管道子系统由管道、轮轨和反应板组成；

所述绝对定位子系统用于实现列车运行过程中的高精度定位，包括车载信号处理系统、车载阅码器和安装在地面的无源地址信标，车载阅码器用于读取无源地址信标的位置、方向信号和触发逻辑信息，并将读取的信息传给车载信号处理系统；车载信号处理系统用于接收车载阅码器传来的无源地址信标的位置、方向信号和触发逻辑信号，并对无源地址信标进行有效性判断及预处理，然后对无源地址信标进行解码和编码，并通过总线的形式传给控制层；

所述通信层包括通信子系统，所述通信子系统分别通过无线电台和CAN总线传输控制指令和状态信息；

所述数据共享层用于实现各层设备的信息采集以及业务系统的数据交换与共享；

所述控制层包括运行控制子系统和驱动控制子系统，运行控制子系统用于将运行计划解释为列车设备的运行指令，完成列车的运行控制；驱动控制子系统用于进行牵引特性计算并得到控制指令，并将控制指令解释为牵引电机的驱动指令并最终实现列车的驱动控制；

运行控制子系统包括轨旁运控模块、车载运控模块和中央运控模块；轨旁运控模块用于实现列车运行的顺序控制、联锁逻辑控制、装卸台控制与防护、速度防护、进路防护、牵引切断、电流回读检测和道岔控制与防护；车载运控模块用于实现列车安全停车点防护、列车超速防护、列车追踪距离控制和车门控制监督；中央运控模块用于实现线路和列车状态的安全操作和显示；

所述运营层包含运输组织子系统和综合安全监控子系统；其中，运输组织子系统包括基础数据获取模块、一体化运行计划编制模块、一体化运行计划调整模块、运行计划下达模块、计划执行状态接收模块和设备运行状态接受模块；其中，基础数据获取模块用于提取基础数据；一体化运行计划编制模块用于自动检查安全限制，根据运量需求和设备状态，实现对车站作业基本计划和列车区间运行基本计划的一体化自动编制，并通过运行计划下达模块将运行计划下达至运行控制子系统；一体化运行计划调整模块用于根据计划执行状态接收模块和设备运行状态接受模块接收到的实时状态，实现对车站作业和区间运行作业的一体化自动调整，并通过运行计划下达模块将运行计划下达至运行控制子系统；

所述综合安全监控子系统用于实现对系统的综合监控预警与评估；包括：实时监控模块、基础设施服役状态检测模块和车载设备服役状态检测模块；所述实时监控模块用于对关键设备进行实时监控，实现管轨运输系统的集成分析；所述基础设施服役状态检测模块用于对管轨运输系统的基础设施运营状态的数据采集、传输和检测分析以及车载设备数据的地面传输；所述车载设备服役状态检测模块用于采集、传输、分析车载设备运营状态的数据信息，并把所述数据信息通过无线方式转发至数据共享层；

所述服务层是用户与系统的交互接口，包括一体化计划编制与调整终端、综合指挥调度终端和综合监视与预警终端。

2.根据权利要求1所述的管轨运输系统，其特征是所述通信子系统采用主路通信设备和备路设备的双机热备容错的传输方式，当主路通信设备发生故障时，无缝切换到备路设备，用以实现整个系统的不间断正常通信。

说明书

管轨运输系统

技术领域

[0001] 本发明属于交通运输控制技术领域，尤其涉及管轨运输系统(Tube-rail)。

背景技术

[0002] 随着经济的发展、人口的剧增和生活水平的提高，世界能源需求量持续加大，资源有限，需求无限，能源供应安全成为世界各国共同关注的问题。而我国的能源安全形势更加严峻，一方面要保证国民经济的稳定增长，另一方面又要面临不断增加的能源需求，如何合理有效地使用能源，最大限度地发挥每一种能源的作用，成为一项重要的课题。

[0003] 在我国，一次性能源的储量中，煤炭、石油、天然气、水电分别居世界第3、第12、第22、第1位。而煤炭、石油、天然气的供应占整体能源供应的87.7％。相比较而言，我国的煤炭储量丰富，石油和天然气资源相对匮乏。然而，我国的大型煤田大多集中在中、西部地区和东北地区，距离相对发达且用煤量较大的东部地区较远。这种煤炭资源分布的不平衡使我们不得不付出更多的成本来进行煤炭的运输。

[0004] 目前，我国煤炭运输主要采用铁路干线运输，辅之以公路、水路的支线运输。从煤矿到铁路车站，从铁路车站到用户(包括发电厂、工厂)或者码头，都要使用公路或者水路运输方式。在我国的内蒙古自治区，现已查明含煤面积达10多万平方公里，累计探明储量2400亿吨,占全国探明储量的25％以上，居全国第二位。然而该地区突出问题在于，矿井与集装站之间和煤矿与发电企业之间的煤炭运输。内蒙古自治区现有重点发电企业33家，重点煤炭矿区28家，其中12个煤炭矿区直接为25个电厂点对点运煤，运距范围10～350公里，总计运输线为2135公里，而这些运输又都不可避免的采用公路运输的方式。公路运输不可避免要消耗石油资源，这种不得以而为之的办法，被专家称为：“用油这种相对比较昂贵的资源去运煤这种相对比较廉价的资源”。面对这样一种能源使用不合理的问题，本发明提出一种管轨运输系统，用以实现短距离支线煤炭运输，解决目前煤炭短距离支线运输以公路或水路为主，过度消耗石油资源、污染环境、占用公路水路空间的问题。

发明内容

[0005] 管轨运输系统(Tube-rail)是一种在管道中运行的由直线电机驱动的轮轨运输方式，是介于管道运输与传统轮轨交通之间的一种交通方式，在支承和导向方面与轮轨系统相同，但在驱动方面却采用了直线电机的驱动方式；是有别于铁路、公路、航空、水路、管道交通运输五种运输方式的新型接入运输方式。

[0006] 本发明的目的在于，提供管轨运输系统，用以解决目前在煤炭短距离支线运输过程中，主要采用公路或水路运输方式，造成的石油资源过度消耗、污染环境和占用公路、水路空间的问题。

[0007] 为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，管轨运输系统，采用分层支撑的结构模式，由下到上共分为6层，分别为物理执行层、通信层、数据共享层、控制层、运营层和服务层，其特征在于：

[0008] 所述物理执行层用于执行运行计划和调度命令，包括车辆子系统、管道子系统和绝对定位子系统；

[0009] 所述车辆子系统由多个车辆编组而成，车辆分为动力车和非动力车；动力车采用全动力配置，每辆车下部都安装有车载牵引变流器、直线牵引电机、车载运行控制子系统和车载通信子系统；

[0010] 所述管道子系统由管道、轮轨和反应板组成；

[0011] 所述绝对定位子系统用于实现列车运行过程中的高精度定位，包括车载信号处理系统、车载阅码器和安装在地面的无源地址信标，车载阅码器用于读取无源地址信标的位置、方向信号和触发逻辑信息，并将读取的信息传给车载信号处理系统；车载信号处理系统用于接收车载阅码器传来的无源地址信标的位置、方向信号和触发逻辑信号，并对无源地址信标进行有效性判断及预处理，然后对无源地址信标进行解码和编码，并通过总线的形式传给控制层；

[0012] 所述通信层包括通信子系统，所述通信子系统分别通过无线电台和CAN总线传输控制指令和状态信息；

[0013] 所述数据共享层用于实现各层设备的信息采集以及业务系统的数据交换与共享；

[0014] 所述控制层包括运行控制子系统和驱动控制子系统，运行控制子系统用于将运行计划解释为列车设备的运行指令，完成列车的运行控制；驱动控制子系统用于进行牵引特性计算并得到控制指令，并将控制指令解释为牵引电机的驱动指令并最终实现列车的驱动控制；

[0015] 所述运行控制子系统包括轨旁运控模块、车载运控模块和中央运控模块；轨旁运控模块用于实现列车运行的顺序控制、联锁逻辑控制、装卸台控制与防护、速度防护、进路防护、牵引切断、电流回读检测和道岔控制与防护；车载运控模块用于实现列车安全停车点防护、列车超速防护、列车追踪距离控制和车门控制监督；中央运控模块用于实现线路和列车状态的安全操作和显示；

[0016] 所述运营层包含运输组织子系统和综合安全监控子系统；其中，运输组织子系统包括基础数据获取模块、一体化运行计划编制模块、一体化运行计划调整模块、运行计划下达模块、计划执行状态接收模块和设备运行状态接受模块；其中，基础数据获取模块用于提取基础数据；一体化运行计划编制模块用于自动检查安全限制，根据运量需求和设备状态，实现对车站作业基本计划和列车区间运行基本计划的一体化自动编制，并通过运行计划下达模块将运行计划下达至运行控制子系统；一体化运行计划调整模块用于根据计划执行状态接收模块和设备运行状态接受模块接收到的实时状态，实现对车站作业和区间运行作业的一体化自动调整，并通过运行计划下达模块将运行计划下达至运行控制子系统；

[0017] 所述综合安全监控子系统用于实现对系统的综合监控预警与评估；包括：实时监控模块、基础设施服役状态检测模块和车载设备服役状态检测模块；所述实时监控模块用于对关键设备进行实时监控，实现管轨运输系统的集成分析；所述基础设施服役状态检测模块用于对管轨运输系统的基础设施运营状态的数据采集、传输和检测分析以及车载设备数据的地面传输；所述车载设备服役状态检测模块用于采集、传输、分析车载设备运营状态的数据信息，并把所述数据信息通过无线方式转发至数据共享层；

[0018] 所述服务层是用户与系统的交互接口，包括一体化计划编制与调整终端、综合指挥调度终端和综合监视与预警终端。

[0019] 所述通信子系统采用主路通信设备和备路设备的双机热备容错的传输方式，当主路通信设备发生故障时，无缝切换到备路设备，用以实现整个系统的不间断正常通信。

[0020] 本发明实现了煤炭短距离支线运输，解决了煤炭短距离支线运输造成的石油资源过度消耗、污染环境和占用公路、水路空间的问题。

附图说明

[0021] 图1是管轨运输系统体系结构图；

[0022] 图2是管轨运输系统管道子系统的铺设示意图；

[0023] 图3是管轨运输系统中的管道构成示意图；

[0024] 图4管轨运输系统车辆子系统的立体图；其中，(a)是车辆子系统的单侧斜视图，(b)是车辆子系统的另一侧单侧斜视图；

[0025] 图5是驱动控制子系统结构示意图。

[0026] 图6是绝对定位子系统结构示意图。

[0027] 图7是运行控制子系统结构示意图。

[0028] 图8是运输组织子系统结构示意图。

[0029] 图9是综合安全监控子系统结构示意图。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

[0031] 管轨运输系统是在机械、电力电子、通信技术等快速发展和运输能力不足、各运输方式缺乏协调的背景下产生的新型运输方式，是目前现存的公路、铁路、水路、航空、管道5种基本运输方式的有力补充。管轨运输系统的广泛应用，对我国煤炭产地从坑口到铁路编组站或电厂等直接用户之间煤炭运输和改变我国铁路干线煤运集货模式具有直接支撑作用，将根本改变我国现行以汽车运输和铁路专用线为主的煤炭集货模式、根本改变我国货运铁路干线末端接入运输能力布局和运行模式、铁路与海港货运码头联运方式和运行模式。既可解决制约我国煤炭运输瓶颈问题，又可带来巨大的经济、环保效益。

[0032] 图1是管轨运输系统体系结构图。其采用分层支撑的模式，由物理执行层101,通信层102,数据共享层103,控制层104,运营层105和服务层106组成。

[0033] 图2是管轨运输系统管道子系统的铺设示意图。图2中，管道子系统采用全封闭管道，管道子系统由管道201、轮轨202和反应板203组成，地面204可以全部覆盖管道201，也可以部分覆盖管道201，还可以不覆盖管道201，即可分别形成掩埋铺设方式205、半掩埋铺设方式206和高架掩埋铺设方式207。轮轨202对车辆起支撑和导向作用，轮轨202之间安装有反应板203，反应板203内安装直线电机线圈，用于为车辆208提供动力。

[0034] 图3是管轨运输系统中的管道构成示意图。图3中，管轨子系统的管道由管棚301和管棚骨架302构成。其中，管棚301由铝铁硼带石英棉材料制成，具有防水、防雷电、防冰雹、防腐蚀和隔音降噪的作用。管棚骨架302由钢材制成，对管棚301起支撑作用。

[0035] 图4(a)是管轨运输系统车辆子系统的车辆单侧斜视图。图4中，从车辆的一侧，可以看到，车辆包括箱体上门401、箱体侧门402、箱体403、第一控制室404、设备安装槽405、车轮406、牵引器407、液压开门装置408。图4(b)是管轨运输系统车辆子系统的车辆另一侧单侧斜视图。图4(b)中，从车辆的另一侧，可以看到，车辆还包括第二控制室409、卸车轮410和卸料轨道411。

[0036] 箱体上门401在装货时，可以通过运输组织子系统的地面运输组织单元，控制车载运输控制系统拉伸液压开门装置408，从而自动打开箱体上门401，进行自动装货。货物装完，地面运输组织单元控制车载运输控制系统，收缩液压开门装置408，关上箱体上门401。在卸货时，运输组织子系统地面运输组织单元控制车载运输控制系统，使列车在卸料轨道411上运行，继而将卸车轮410翘起，从而使箱体403向有箱体侧门402的一侧倾斜，箱体侧门402自动打开，并实现货物的卸下。车轮406可以沿轨道运动。牵引器407可以将各个车辆顺序连接，形成车辆编组。设备安装槽405设置在箱体底部，里面安装有直线牵引电机原边。第一控制室404也设置在箱体底部，并与设备安装槽405的前端相接，其中安装有车载牵引变流器的牵引逆变器的电抗器和接触器开关、车载主牵引控制系统和车载子牵引控制系统。第二控制室409也设置在箱体底部，并与设备安装槽405的后端相接，其中安装有车载牵引变流器的三相桥逆变主电路。第一控制室404和第二控制室409之间采用直流母线排相连。

[0037] 图5是驱动控制子系统结构示意图。驱动控制子系统的牵引供电子系统508通过交通开关柜509，主变压器510将高压交流电进行变压后，通过四象限整流器511进行整流，然后通过直流开关柜512将接触网直流电压通过输电线501送入管道201。随后，车辆208通过车载牵引变流器502，将输电线501输送的接触网直流电压提供给直线牵引电机原边504和其他车载设备。直线牵引电机原边504与铁轨中间反应板203内的直线电机线圈发生反应，为车辆208提供驱动动力。车辆编组的第一辆车安装有车载主牵引控制系统505和车载位置及速度检测设备506，车辆编组的其他车辆安装有车载子牵引控制系统503。车载主牵引控制系统505接收运行控制子系统的控制指令，并将指令传送给本车组的其它车辆208的车载子牵引控制系统503，从而实现车辆208的自动运行与货物的自动装卸。车载位置及速度检测设备506将车组运行过程中的数据，通过车载通信设备507，发送给综合安全监控子系统实现对车组的实时监控。

[0038] 图6是绝对定位子系统结构示意图。系统由车载信号处理系统601、车载阅码器602、安装在地面的无源地址信标603三个部分组成。车载阅码器602用以读取无源地址信标603的位置、方向信号和触发逻辑信息，并把该信息传给车载信号处理系统601。车载信号处理系统601通过位置信号接口及预处理模块604和触发逻辑信号接口及预处理模块
605用于接收车载阅码器602传来的位置、方向信号和触发逻辑信号，并对地址信息进行有效性判断及预处理，然后传送至信号解码模块606对地址信息进行解码和编码，然后通过总线的形式传给列车运行控制系统。

[0039] 图7是运行控制子系统结构示意图。列车运行控制系统700与车辆、牵引、线路及道岔等设备或系统相连，完成列车运行控制、安全防护、自动运行等功能，其主要包含轨旁运控模块701、车载运控模块702和中央运控模块703。轨旁运控模块701是整个运行控制系统的中枢，实现列车运行的顺序控制、联锁逻辑控制、装卸台控制与防护、速度防护、进路防护、牵引切断、电流回读检测、道岔控制与防护等功能；车载运控模块702位于列车之上，通过与车辆电控设备的接口，实现列车安全停车点防护、列车超速防护、列车追踪距离控制、车门控制监督等功能；中央运控模块703是整个运行控制系统和运营人员的操作接口，实现线路和列车状态的安全操作和显示，包括道岔的安全操作、列车运行授权的安全设置。

[0040] 图8是运输组织子系统结构示意图。运输组织子系统800是整个运输系统的指挥中心，涉及运输系统的生产计划、设备、人员等多个复杂因素的综合优化问题，为运输指挥调度人员提供现代化的指挥工具和技术手段。基础数据获取模块801提取车站,线路,装卸台,列车以及运量等基础数据；一体化运行计划编制模块802自动检查列车追踪间隔、敌对进路、列车限速等安全限制，根据运量需求和设备状态，实现对车站作业基本计划和列车区间运行基本计划的一体化自动编制；然后通过运行计划下达模块804将运行计划经过信息共享平台及时下达运行控制子系统；一体化运行计划调整模块803在满足列车运行安全的前提下，根据计划执行状态接收模块805和设备运行状态接受模块806接收到的计划执行情况、列车运行及相关设备的实时状态，实现对车站作业和区间运行作业的一体化自动调整，并通过运行计划下达模块804将运行计划经过信息共享平台及时下达运行控制子系统。

[0041] 图9是综合安全监控子系统结构示意图。综合安全监控子系统900通过对移动及固定设施实时状态信息的获取、传输、监控、预警、可视化展示及决策支持，实现对整个运输过程的综合监控预警与评估。其主要包括实时监控模块901、基础设施服役状态检测模块902和车载设备服役状态检测模块903。实时监控模块901采用基于GIS的时空信息集成技术，可对地面供电设备、区段道岔、车辆、管道、牵引供电、运行控制等系统的关键设备实时监控，实现管轨运输系统运营状态在统一的时空坐标体系内集成分析；基础设施服役状态检测模块902负责整个运输系统基础设施运营状态的数据采集、传输和检测分析以及车载设备数据的地面传输，保障系统数据安全有效；车载设备服役状态检测模块903负责采集、传输、分析车载设备运营状态的数据信息，并把接收到的数据信息通过无线通道转发至信息交互平台。

[0042] 本发明提供的管轨运输系统具有攀登坡度大、占地少、易于实现自动控制、无噪音、不排出有害废气等优点，是非铁磁货物理想的中短途运输方式。

[0043] 管轨运输系统具有如下特点：

[0044] (1)融合了管道运输和轮轨交通的优点，既有管道运输的高密闭性、高安全性、环境友好性(无污染)、占地面积小的优点，又有一般轮轨交通的可灵活编组和大运量的优点。

[0045] (2)采用直线电机驱动，由于采用非粘着牵引，车组不但具有优异的爬坡性能，而且能实现真正意义上的全天候运行。管线规划、建设、运营的难度及费用大大降低。

[0046] (3)管轨运输系统在管道中运行的车列由多个车辆编组而成，车辆分为动力车和非动力车，车列编成中动力车和非动力车的组成可根据运量需求灵活编组，使运能与运量形成最优匹配；每辆动力车采用全动力配置，每辆车下部都安装有车载牵引变流器、直线牵引电机、车载运行控制系统和车载通信系统等装置；非动力车的机械结构和动力车完全一致，但不包含车载牵引变流器、直线牵引电机、车载运行控制系统和车载通信系统等装置。

[0047] (4)管轨运输系统采用全自动无人运行方式，可通过设定最小发车间隔实现近乎连续运输；运输保障系统实时连续监控各子系统和设备运行状态，可实现运营维护成本极小化。

[0048] (5)管轨运输系统采用电力驱动，不直接消耗化石能源，对环境无污染，是一种完全绿色的运输方式。

[0049] (6)管轨运输系统具有可迁移性和可重构性，其各子系统的设计和制造都满足可迁移的技术要求，可异地重新部署投运。如一旦某矿井煤炭枯竭，即可将与之配套的管轨运输系统整体搬迁至新矿井，重新发挥作用，将大大将降低煤炭运输的一次投资。

[0050] (7)管轨运输系统具有可裁剪性，其各子系统的设计和制造都可根据货物运量的要求进行灵活地裁剪，更好地适应运量和运输距离的要求。如可根据运能需求和一次投资能力灵活设定管径、轨距、单车载荷等参数，形成同一结构下具有不同几何级电气参数的管轨运输系统。

[0051] 下面通过实例来比较管轨运输系统与现有公路煤炭运输的优劣。

[0052] 以一个运量要求为每年200万吨的矿井为例，运输距离为2.5公里，则设计的与之配套的管轨运输系统的主要技术指标为：

[0053] 1)线路：长度2.5公里，线路最大坡度不大于10％；

[0054] 2)车辆：每辆车净载重3.5吨，总重5吨，10辆为一编组，最高速度80公里/小时；

[0055] 3)直线电机：额定容量100kVA，额定电压500V，额定电流115A，气隙10mm，额定推力5kN，最高频率55Hz，效率0.55；

[0056] 4)牵引供电及驱动系统：供电容量2.5MVA，供电电压DC750V，供电方式为管道顶部输电线受流，采用直接转矩或矢量控制方式；

[0057] 5)运输组织、运行控制和运输保障系统：采用全自动无人驾驶控制方式，发车间隔6分钟，装载和卸载时间都不大于2分钟。

[0058] 该线路共需两列共20辆车，按每车运量3.5吨，每列10辆车，每小时发10列车，每天运行20小时，每年运行300天来计算，则每年的运量为：3.5吨/车*10车/列*10列/小时*20小时/天*300天/年＝210万元吨/年。

[0059] 仍以该线路为例，计算其经济性指标。每辆车净载重为3.5吨，10辆为一编组，每列车的总运量为3.5吨/车*10车/列＝35吨/列。在2.5公里线路运行的平均速度按60公里/小时计算，每列车的运行时间为2.5分钟，每辆车耗电为35kW÷0.55＝63.64kW/车，则每列车耗电63.64kW/车*10＝636.4kW，考虑到其他系统耗电，按10％计算，则为
636.4kW*1.1＝700kW，则每列车运行全程耗电700kW*2.5÷60.0＝29.17度，按每度电0.5元计算，则需29.17度*0.5元/度＝14.6元，则每吨每公里运行成本为14.6÷2.5÷35＝
0.17元/(吨·公里)，与传统的卡车运输运行成本0.6元/吨/公里相比，管轨(Tuberail)运输系统的运行成本不到卡车运输的1/3，节省了71.7％。从实例可以看出，在支线煤炭运输方面，管轨运输系统大大优于目前使用的公路运输系统。

[0060] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。