CN103625507A - 高速铁路列车追踪接近预警方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
一种高速铁路列车追踪接近预警方法，它包括以下步骤：①在GPS信号覆盖区段，将设置在铁路线路上的应答器作为电子标签，建立全路GPS定位线路基础数据库；在GPS信号未覆盖区段，将应答器与位于列车上的惯性导航仪和陀螺仪结合起来作为电子标签，然后再与GPS结合构成综合多重定位模式，从而实现GPS覆盖区和非覆盖区的无缝连续定位；②在列车上安装车载装置，所述的车载装置一方面接收GPS定位信息，另一方面获取列车运行状态信息，并最终得到列车位置信息；然后车载装置把获取的列车位置信息通过无线网络发送到地面设备；③在地面建立预警系统，该预警系统根据接收车载设备提供的列车位置信息，对列车间的相对位置进行逻辑判断；根据判断结果把列车间的追踪关系发送到车载设备，实现列车的追踪接近预警功能。
Description
技术领域
本发明属于铁路列车运行应用领域，具体地说是涉及一种列车在运行过程中如何追踪接近列车预警的方法及其系统。
背景技术
随着高速铁路开通运行，中国铁路也进入快速发展阶段，如何安全有效的保证动车运营，不仅关系到动车组的运行效率，同时也关系到人民的生命安全。为了防止列车追尾等突发的小概率事件的发生，急需建立一套列车追踪接近预警系统。
一般来说，列车在运行过程中，列车的运行速度、运行位置信息是定位列车的重要数据，在铁路的运营中有很多确定列车位置的方法和设备，比如使用地面轨道信号确定列车对轨道的占用情况，来确定列车的运行区段。但是使用地面轨道信号只能在地面确定列车的位置，在列车上不能确定列车之间的相互位置关系。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速铁路列车追踪接近预警方法及其系统，利用GPS全球定位系统，应答器电子标签，结合惯性导航和陀螺仪，依靠车载设备确定列车位置，利用现有的GPRS/GMS-R无线通信网络，建立动态列车定位预警网络，实时监测列车运行状态，并把本车的运行状态和前车的运行状态实时的显示在车载显示屏上，为司机提供直观的预警信息，为指导司机安全行车提供参考依据，保障行车安全。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高速铁路列车追踪接近预警方法，它包括以下步骤：
①、在GPS信号覆盖区段，将设置在铁路线路上的应答器作为电子标签，建立全路GPS定位线路基础数据库；在GPS信号未覆盖区段，将应答器与位于列车上的惯性导航仪和陀螺仪结合起来作为电子标签，然后再与GPS结合构成综合多重定位模式，从而实现GPS覆盖区和非覆盖区的无缝连续定位；
②、在列车上安装车载设备，所述的车载设备一方面接收GPS定位信息，另一方面获取列车运行状态信息，并最终得到列车位置信息；然后车载设备把获取的列车位置信息通过无线网络发送到地面设备；
③、在地面建立预警系统，该预警系统根据接收车载设备提供的列车位置信息，对列车间的相对位置进行逻辑判断；根据判断结果把列车间的追踪关系发送到车载设备，实现列车的追踪接近预警功能。
步骤②中的列车运行状态信息包括列车的运行速度信息和运行方位信息；其中，在GPS信号覆盖区段，运行方位信息通过GPS定位获取；在GPS信号未覆盖区段，运行方位信息通过位于列车上的惯性导航仪和陀螺仪定位获取。
在GPS信号覆盖区段，运行方位信息是这样定位获取的：当收到应答器信息时，根据GPS定位线路基础数据库中的GPS坐标范围确定该应答器位置是否正确可用，如果不正确则忽略该应答器；如果正确利用应答器进行精确定位。
在GPS信号未覆盖区段，运行方位信息是这样定位获取的：通过惯性导航仪测量列车的运行速度，通过计算应答器的相对位移确定列车的位置；当收到应答器时，判断GPS定位线路基础数据库中的应答器电子标签位置是否正确可用，如果不正确则忽略该应答器；如果正确利用应答器进行精确定位。
列车运行在车站时，运行方位信息是这样定位获取的：利用位于列车上的惯性导航仪和陀螺仪输出的运行速度信息和运行方位信息，并结合GPS定位线路基础数据库，构建矢量轨迹数学模型；进而根据得到的矢量轨迹数学模型判别列车是正线运行还是进侧线。
一种高速铁路列车追踪接近预警系统，它包括位于铁路线路上的应答器及位于列车上的车载设备；所述的车载设备一方面接收GPS定位信息，另一方面获取列车运行状态信息，并最终得到列车位置信息；然后车载设备把获取的列车位置信息通过无线网络发送到地面设备；所述的地面设备接收来自车载设备的列车位置信息，对列车间的相对位置进行逻辑判断，根据判断结果产生预警信息发送到车载设备中。
所述的车载设备包括位于列车车顶的GPS天线、位于列车内部的GPS接收单元和定位单元；所述的GPS接收单元和定位单元均通过通信单元与地面设备通信连接；且来自地面设备的预警信息通过通信单元送至车载设备的预警单元中。
所述的定位单元由车载的惯性导航仪和陀螺仪构成；通信单元为GPRS或GSM-R无线数据传输模块。
地面设备由通信服务器、位置服务器及预警服务器组成；所述的通信服务器接收来自列车车载设备的列车位置信息，然后发送至位置服务器中；位置服务器对列车之间的相对位置进行逻辑判断，并将判断结果发送至预警服务器中，最终由预警服务器产生预警信息发送到车载设备的预警单元中。
采用上述技术方案的本发明，在列车上安装能检测列车位置信息的车载设备，使用车载设备确定列车的定位信息，并把定位信息通过GPRS/GSM-R无线网络发送到地面设备，地面设备通过列车的位置信息对列车间定位信息进行逻辑判断，并把预警的信息发送到车载设备，进行预警提示。它具有以下优点：
（1）本发明的车载设备，结构简单，不仅能满足对列车定位、显示、预警提示的需要，而且便于在列车内部安装；
（2）本发明的地面设备只有服务器，接口服务器、预警服务器、位置服务器，不仅能满足对列车接近预警的逻辑处理，而且建设的投资小，方便施工完成；
（3）本发明采用才用GPS全球定位系统，应答器电子标签，线路基础数据库，结合惯性导航和陀螺仪综合定位方式，保证列车定位的准确；
（4）本发明对列车运行状态的实时监测不依赖轨道地面设备确定列车位置信息，不受地面设备故障的影响；
（5）本发明对列车运行状态监测不依赖于列车其他设备，也不受列控设备故障的影响；
（6）本发明使用现有的GPRS/GSM-R网络做数据传输通道，不需要从新投资建设网络通讯；
（7）本发明使用既有的GPS全球定位系统，结合车载设备的其他定位设备来确定列车位置，系统施工方便，投资小。
附图说明
图1为本发明的整体结构图。
图2为本发明的区间定位原理图。
图3为本发明的隧道定位原理图。
图4为本发明的车站定位原理图。
图5为本发明的侧线判别原理图。
图6为本发明通信流程原理图。
具体实施方式
一种高速铁路列车追踪接近预警方法，它包括以下步骤：
①、在GPS信号覆盖区段，将设置在铁路线路上的应答器作为电子标签，建立全路GPS定位线路基础数据库，该全路GPS定位线路基础数据库以应答器电子标签为基本定位单元，即应答器标识了预警线路的起始和终止，并与线路GPS经纬度数据库结合。预警系统利用应答器电子标签作为列车位置的校核，线路GPS经纬度数据库作为线路运行定位标识。在GPS信号未覆盖区段，将应答器与位于列车上的惯性导航仪和陀螺仪结合起来作为电子标签，然后再与GPS结合构成综合多重定位模式，从而实现GPS覆盖区和非覆盖区的无缝连续定位。
②、在列车上安装车载设备，车载设备一方面利用GPS天线接收GPS定位信息，另一方面获取列车运行状态信息，并最终得到列车位置信息；然后车载设备把获取的列车位置信息通过无线网络发送到地面设备。
上述列车运行状态信息包括列车的运行速度信息和运行方位信息。在GPS信号覆盖区段，运行方位信息通过GPS定位获取；在GPS信号未覆盖区段，运行方位信息通过位于列车上的惯性导航仪和陀螺仪定位获取。具体地说：其一，在GPS信号覆盖区段，当收到应答器信息时，根据GPS定位线路基础数据库中的GPS坐标范围确定该应答器位置是否正确可用，如果不正确则忽略该应答器；如果正确利用应答器进行精确定位。其二，在GPS信号未覆盖区段，通过惯性导航仪测量列车的运行速度，通过计算应答器的相对位移确定列车的位置；当收到应答器时，判断GPS定位线路基础数据库中的应答器电子标签位置是否正确可用，如果不正确则忽略该应答器；如果正确利用应答器进行精确定位。其三，列车运行在车站时，利用位于列车上的惯性导航仪和陀螺仪输出的运行速度信息和运行方位信息，绘制列车运行的矢量曲线轨迹，根据惯性导航和陀螺仪在不同的曲线上的输出的信息不同，绘制惯性导航和陀螺仪的信息矢量轨迹数学模型。上述的矢量轨迹数学模型包括列车运行矢量轨迹图和铁路矢量轨迹数据模型，其中，列车运行矢量轨迹图由进侧线判别处理装置根据惯性导航仪和陀螺仪获取的数据绘制得出，铁路矢量轨迹数据模型根据线路基础数据库得到。需要说明的是，列车运行矢量轨迹图，是惯性导航和陀螺仪在不同的曲线上的输出的信息不同，绘制惯性导航和陀螺仪的信息矢量轨迹数学模型，因此它表征了列车运行的矢量曲线轨迹；而铁路矢量轨迹数据模型表征了铁路线路固有的信息状态。将列车运行矢量轨迹图和铁路矢量轨迹数据模型进行对比，可判别列车是正线运行还是进侧线。一般来说，如图5所示，列车在运行过程中，在进侧线运行时，都是需要经过道岔转换才能从正线运行转到侧线运行，同时在侧线运行的列车需要进入正线运行也需要经过道岔转换。经过对比可知，列车在正线运行时，列车运行矢量轨迹为直线；列车从正线转入侧线时，列车运行矢量轨迹则会出现波动。图5为列车从正线经过道岔转换进入侧线，再经过道岔转换进入正线的矢量轨迹数学模型。
③、在地面建立预警系统，该预警系统根据接收车载设备提供的列车位置信息，对列车间的相对位置进行逻辑判断；根据判断结果把列车间的追踪关系发送到车载设备，实现列车的追踪接近预警功能。
一种高速铁路列车追踪接近预警系统，它包括位于铁路线路上的应答器及位于列车上的车载设备；所述的车载设备一方面接收GPS定位信息，另一方面获取列车运行状态信息，并最终得到列车位置信息；然后车载设备把获取的列车位置信息通过无线网络发送到地面设备；所述的地面设备接收来自车载设备的列车位置信息，对列车间的相对位置进行逻辑判断，根据判断结果产生预警信息发送到车载设备中。
车载设备包括位于列车车顶的GPS天线、位于列车内部的GPS接收单元和定位单元，定位单元由车载的惯性导航仪和陀螺仪构成；所述的GPS接收单元和定位单元均通过通信单元与地面设备通信连接；且来自地面设备的预警信息通过通信单元送至预警单元中。
上述的GPS接收单元接收来自于全球卫星定位系统（Global Positioning System）的GPS定位信号，它是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统，是由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统。目前铁路信号、通信等系统也多采用GPS技术进行列车定位、系统校时等功能，同时许多研发在多条铁路线路上进行了GPS技术在铁路系统列车定位方面运用精度、准确度的研究和试验工作。高速铁路列车追踪接近预警系统深化研究GPS系统在列车定位中的运用，列车定位包括列车运行的线名、行别、里程等准确定位信息。GPS全球定位系统使用的是共用的定位系统，预警系统在列车上安装GPS天线和GPS接收装置，接收和解析列车的位置和速度等状态信息。
列车定位单元主要包括区间定位、隧道定位、车站定位、侧线判别等几种情况下的列车位置信息的采集和处理。如图2所示，列车运行在区间时，当收到应答器时，可以通过基础数据库中的GPS坐标范围确定该应答器位置是否正确可用，如果不正确则忽略该应答器；如果正确利用应答器进行精确定位。如图3所示，列车运行在隧道或者没有GPS信号的区间时，通过惯性导航测量列车的速度，通过计算应答器的相对位移确定列车的位置。当收到应答器时，可以通过基础数据库中的应答器电子标签位置是否正确可用，如果不正确则忽略该应答器；如果正确利用应答器进行精确定位。如图4和5所示，列车运行在车站时，利用车载的惯性导航和陀螺仪并结合线路基础数据库，使用数学模型计算列车运行的矢量轨迹，判断列车正线运行还是侧线运行。
如图6所示，车载设备与地面设备通过无线网络进行数据交换。车载设备把检测到列车的位置信息通过无线网络发送到地面设备的数据接收服务器。同时地面设备处理、判断列车间的相对位置，如果列车间的相对位置短于设定距离，则产生预警信息，地面设备把预警信息通过无线网络发送到车载设备。车载设备把预警信息显示到显示器上，对司机进行采用对不同预警等级采用不同的显示颜色和不同的声音进行预警提示。
需要说明的是：车载设备和地面设备使用的无线网络是现在的GPRS移动公网和GSM-R铁路专用网，在有GSM-R的铁路专用网的区段使用GSM-R铁路专用网，没有GMS-R铁路专用网的区段使用GPRS移动公网。通信单元为GPRS或GSM-R无线数据传输模块。
Claims (9)
1.一种高速铁路列车追踪接近预警方法，其特征在于，它包括以下步骤：
①、在GPS信号覆盖区段，将设置在铁路线路上的应答器作为电子标签，建立全路GPS定位线路基础数据库；在GPS信号未覆盖区段，将应答器与位于列车上的惯性导航仪和陀螺仪结合起来作为电子标签，然后再与GPS结合构成综合多重定位模式，从而实现GPS覆盖区和非覆盖区的无缝连续定位；
②、在列车上安装车载设备，所述的车载设备一方面接收GPS定位信息，另一方面获取列车运行状态信息，并最终得到列车位置信息；然后车载设备把获取的列车位置信息通过无线网络发送到地面设备；
③、在地面建立预警系统，该预警系统根据接收车载设备提供的列车位置信息，对列车间的相对位置进行逻辑判断；根据判断结果把列车间的追踪关系发送到车载设备，实现列车的追踪接近预警功能。
2.根据权利要求1所述的高速铁路列车追踪接近预警方法，其特征在于：步骤②中的列车运行状态信息包括列车的运行速度信息和运行方位信息；其中，在GPS信号覆盖区段，运行方位信息通过GPS定位获取；在GPS信号未覆盖区段，运行方位信息通过位于列车上的惯性导航仪和陀螺仪定位获取。
3.根据权利要求2所述的高速铁路列车追踪接近预警方法，其特征在于，在GPS信号覆盖区段，运行方位信息是这样定位获取的：当收到应答器信息时，根据GPS定位线路基础数据库中的GPS坐标范围确定该应答器位置是否正确可用，如果不正确则忽略该应答器；如果正确利用应答器进行精确定位。
4.根据权利要求2所述的高速铁路列车追踪接近预警方法，其特征在于，在GPS信号未覆盖区段，运行方位信息是这样定位获取的：通过惯性导航仪测量列车的运行速度，通过计算应答器的相对位移确定列车的位置；当收到应答器时，判断GPS定位线路基础数据库中的应答器电子标签位置是否正确可用，如果不正确则忽略该应答器；如果正确利用应答器进行精确定位。
5.根据权利要求2所述的高速铁路列车追踪接近预警方法，其特征在于：列车运行在车站时，运行方位信息是这样定位获取的：利用位于列车上的惯性导航仪和陀螺仪输出的运行速度信息和运行方位信息，并结合GPS定位线路基础数据库，构建矢量轨迹数学模型；进而根据得到的矢量轨迹数学模型判别列车是正线运行还是进侧线。
6.一种高速铁路列车追踪接近预警系统，其特征在于：它包括位于铁路线路上的应答器及位于列车上的车载设备；所述的车载设备一方面接收GPS定位信息，另一方面获取列车运行状态信息，并最终得到列车位置信息；然后车载设备把获取的列车位置信息通过无线网络发送到地面设备；所述的地面设备接收来自车载设备的列车位置信息，对列车间的相对位置进行逻辑判断，根据判断结果产生预警信息发送到车载设备中。
7.根据权利要求6所述的高速铁路列车追踪接近预警系统，其特征在于：所述的车载设备包括位于列车车顶的GPS天线、位于列车内部的GPS接收单元和定位单元；所述的GPS接收单元和定位单元均通过通信单元与地面设备通信连接；且来自地面设备的预警信息通过通信单元送至车载设备的预警单元中。
8.根据权利要求7所述的高速铁路列车追踪接近预警系统，其特征在于：所述的定位单元由车载的惯性导航仪和陀螺仪构成；通信单元为GPRS或GSM-R无线数据传输模块。
9.根据权利要求6所述的高速铁路列车追踪接近预警系统，其特征在于：地面设备由通信服务器、位置服务器及预警服务器组成；所述的通信服务器接收来自列车车载设备的列车位置信息，然后发送至位置服务器中；位置服务器对列车之间的相对位置进行逻辑判断，并将判断结果发送至预警服务器中，最终由预警服务器产生预警信息发送到车载设备的预警单元中。
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| PB01 | Publication | ||
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Address after: High tech Zone Henan city Zhengzhou province 450001 bamboo Street No. 6 Applicant after: Henan Lan Xin Science and Technology Co., Ltd. Address before: High tech Zone Henan city Zhengzhou province 450001 bamboo Street No. 6 Applicant before: Henan Lanxin Technology Co., Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 450001 63 Duan street, hi tech Industrial Development Zone, Zhengzhou, Henan Patentee after: Henan blue letter Technology Co., Ltd. Address before: 450001 Cui bamboo street, Zhengzhou hi tech Zone, Henan Province, No. 6 Patentee before: Henan Lan Xin Science and Technology Co., Ltd. |