CN105564466A - 一种地铁控制系统失效下的列车辅助安全驾驶决策系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地铁控制系统失效下的列车辅助安全驾驶决策系统，包括轨旁信标、车载设备和移动式智能终端；所述轨旁信标按照设定的间距安装于轨道上，用以发送信标位置和ID信息；所述车载设备分别安装于地铁列车两端车头内部，用以读取信标位置和ID信息，且通过无线的方式发送给本列车的移动式智能终端；所述的移动式智能终端通过无线的方式与车载设备通信从而定位显示所在位置，并接收显示相邻列车的位置信息，在地铁系统故障情况下决策列车速度进行显示。本发明使得轨道交通列车在失去信号系统防护的情况下安全行车。

Description

一种地铁控制系统失效下的列车辅助安全驾驶决策系统

技术领域

本发明涉及轨道交通安全行车技术领域，特别是涉及一种地铁控制系统失效下的列车辅助安全驾驶决策系统。

背景技术

随着轨道交通事业的飞速发展，地铁已经成为城市中不可或缺的交通方式，其安全、快捷、准时等优点成为了许多市民出行的首选交通工具。目前国内外地铁运行大多数采用CBTC信号系统(CommunicationBasedTrainControlSystem)，是一种无线通信的列车自动控制系统，可以实现车—地之间的双向通信，并且传输信息量大，传输速度快，很容易实现的移动自动闭塞系统。CBTC系统大量减少了区间敷设电缆，一次性投资及日常维护工作，大幅度提高了区间通过能力，灵活组织双向运行和单向连续发车，并且容易适应不同车速、不同运量、不同类型牵引的列车运行控制等等。在CBTC中不仅可以实现列车运行控制，而且可以综合成为运行管理，因为双向无线通信系统，既可以有安全类信息双向传输，也可以双向传输非安全类信息。

但是CBTC信号系统也存在很多不足，如：列车运行依靠无线传输系统以及地面调度中心控制，一旦发生设备故障，列车司机就无法获得同轨运行的其他车辆位置信息，加之调度错误，相互靠近的列车就容易引发安全事故。上海地铁10号线撞车事件就是由于信号设备失电，失去列车安全防护功能，人为定位列车中出现失误从而导致列车追尾。因此如何能在旁路信号系统安全防护后通过技防的方式来扶持人防，减少失误，加快列车的定位与准确性，提高地铁运行安全是非常有意义的研究。

文献1：一种地铁列车防撞预警装置(CN203211332U，申请日2013.04.18)指出卫星定位技术、基于毫米波雷达、基于声波、基于信标辅助定位等技术无法适应地铁列车长时间运行在地下隧道，和路线运行复杂的环境。同时，文献1给出了基于RFID标签的列车防撞预警装置，采用轨旁RFID标签和惯导设备联合定位，能够连续精确地获取本列车实时位置信息，采用双频无线收发设备与相邻列车通信，具有很强的抗干扰效果，从而给出司机相邻列车间距离，给出报警信号。但是，该发明成本较高，维护复杂，完全忽略了CBTC系统中可用设备，而且，发明中仅仅给出距离报警，很多时候在紧急情况下，会造成司机降速判断失误，无法及时在安全区域内停下列车。

文献2：基于主动定位技术的地铁列车追踪接近预警(CN202463845U，申请日2012.03.16)结合了CBTC系统中的轨道信标进行定位预警，但是同样仅仅从距离预警角度考虑，没有从速度角度出发，给司机降速的提示。

综上所述，现有的独立的列车防撞预警系统都是基于无线信号定位，能有很好的定位效果。但是很多定位技术成本较高，维护较复杂，而且仅仅从距离角度给出司机警报，不能很好地提示司机速度怎么控制，从而不能更好地避免列车运行事故发生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种地铁控制系统失效下的列车辅助安全驾驶决策系统，使得轨道交通列车在失去信号系统防护的情况下安全行车。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种地铁控制系统失效下的列车辅助安全驾驶决策系统，包括轨旁信标、车载设备和移动式智能终端；所述轨旁信标按照设定的间距安装于轨道上，用以发送信标位置和ID信息；所述车载设备分别安装于地铁列车两端车头内部，用以读取信标位置和ID信息，且通过无线的方式发送给本列车的移动式智能终端；所述的移动式智能终端通过无线的方式与车载设备通信从而定位显示所在位置，并接收显示相邻列车的位置信息，在地铁系统故障情况下决策列车速度进行显示。

所述车载设备包括主机、信标阅读器和天线；所述信标阅读器与主机连接，用以读取信标位置和ID信息，所述主机和天线连接，所述主机将读取的信标位置和ID信息通过天线发送给所在车辆上的移动式智能终端。

所述移动式智能终端包括中央处理器模块、输入模块、内存模块、显示模块、天线以及无线电台；所述中央处理器模块分别与输入模块、内存模块、显示模块、天线以及无线电台相连，用于确定该列车所处位置，并计算的本列车的安全距离、时间和速度；所述输入模块用于手动操作输入列车位置信息；所述内存模块用于存放算法信息以及整条线路的线路图；所述显示模块以线路图方式显示本列车、相邻列车及手动输入的列车位置信息，并显示由所述中央处理器模块计算的本列车的安全距离、时间和速度；所述天线与所在列车的车载设备实现无线通信，采集车头车尾读取的信标的ID信息，并将信息存于内存模块；所述无线电台和中央处理器模块相连接，将中央处理器模块发送过来的列车所在位置信息广播发送给相邻地铁列车。

所述中央处理器模块根据采集到的车头和车尾的信标位置进行对比判断，确定列车所处位置。

所述中央处理器模块在确定列车所处位置后，多列车在同一区间内时，通过列车的行驶、停站上下客以及驶离站台所需的时间，对后续列车的行车距离与行车时间进行约束。

如果其中的一辆车突发故障导致其未能按照既定方式运行，所述中央处理器模块需要重新进行列车定位及速度控制。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明利用了原有系统的特性结合无线网络技术，并借助嵌入式的平台，解决了列车在失去信号系统防护下的人工列车定位以及安全人工驾驶问题。通过在嵌入式平台内对相应的信息进行采集、运算，构建出一种直观有效的辅助列车司机进行列车定位，安全驾驶。

本发明是一种适用于采用CBTC信号系统的地铁安全运行辅助系统，可有效直接地帮助列车司机和行车调度做出准确及时的决策，保证列车定位的准确性以及行车安全性。本发明体积小、质量轻、成本小，只需在车辆的两个车头各安装一套设备。此外，该系统也可以安装在控制中心，替代原有沙盘方式定位方式，并进行大区域内的列车速度控制。

附图说明

图1为CBTC信号系统原理图；

图2-图4为列车定位方法原理图；

图5为列车头尾无线信号相同时的定位区域；

图6为列车头尾无线信号不同时的定位区域；

图7为不同区间内一辆车的滞留情况图；

图8为区间内多辆车的滞留情况图；

图9为列车速度控制下的前方列车停车位置示意图；

图10为列车速度控制下最终停车位置示意图；

图11特殊情况下的处理流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

图1为CBTC信号系统原理图，其中区域控制器是一个区域内系统的核心部分，它起到了列车定位、列车自动行驶、列车间隔控制以及显示信息等功能。由于该套区域控制器具有冗余设计，因此一般情况下其中一套设备故障，系统仍能正常使用。然而，在某些特定情况下，多套区域控制器均处于故障状态，则一些与安全相关的功能将无法实现。

图1所示为例，上述轨旁信标AP(接入点)按照设定间距设于轨道上，即每250m左右会铺设一个信标AP节点(接入点)，列车长度为定值175m。

上述的车载设备(无线设备MR)分别设置于地铁列车的两端车头内部，其包括主机、信标AP(接入点)阅读器、天线。其中，信标AP阅读器与主机连接，用以读取信标AP位置ID信息，主机和天线连接，主机将读取的信标AP位置ID信息通过天线发送给所在列车上的移动式智能终端。车载设备(无线设备MR)最多可以存在三个链接。

上述移动式智能终端位于列车驾驶室内，方便驾驶员使用。该设备包括中央处理器模块、输入模块、内存模块、显示模块、天线以及无线电台，该移动式终端通常设置于驾驶室内，方便驾驶员使用。所述的输入模块可以允许司机手动操作输入列车位置信息。所述的内存模块存放算法信息以及整条线路的线路图。所述的显示模块，以线路图方式显示本列车、相邻列车及手动输入的列车的位置，并根据中央处理器模块计算的本列车的安全距离、时间和速度显示给司机，以及显示其他一些信息如警报信息等。所述的天线与所在列车的车载设备无线通信采集车头车尾读取的信标AP的ID信息，并将信息存于内存模块方便中央处理器读取。所述的无线电台模块和中央处理器模块相连接，将处理器发送过来的列车所在位置信息广播发送给相邻地铁列车。所述的中央处理器模块，其功能为将接收到的本车的车头车尾的无线信标AP的ID信息进行梳理，确定该列车所处位置。随后将通过无线电台收到的或者司机手动输入的前后列车位置信息，通过预先设定的算法计算出本列车的安全行驶距离、时间以及速度。

列车定位方法

根据采集到的车头和车尾的信标位置进行对比判断，确定列车所处位置，具体如下：以图2所示，其中D为AP5的信号覆盖距离。图中状态为初始状态，列车车头的MR与AP3、AP4、AP5相连接，而车尾的MR与AP3、AP4、AP5相连接。随着列车继续沿箭头方向前进，AP5的信号已经无法覆盖，此时车头MR将与AP2、AP3、AP4相连，而车尾的MR仍旧与AP3、AP4、AP5相连接(见图3)。当车尾离开AP5的信号覆盖范围时，车头MR仍旧与AP2、AP3、AP4相连，而车尾的MR则与车头相同也与AP2、AP3、AP4相连(见图4)。直到车头经过AP4的信号范围外时，车头MR的连接将会变成AP1、AP2、AP3相连，而车尾的MR仍是AP2、AP3、AP4相连。然后周而复始，以此类推。

因此，在AP4的无线临界点与AP5的无线临界点之间的范围内，列车上的无线MR将只能收到特定的AP3、AP4、AP5这三个信号。因此，当列车车头与车尾同时进入该区域时，车头与车尾的MR收到了相同的AP，即车头未出AP4临界点，车尾已出AP5临界点。将AP5的临界线加上车长的175m，可以得到一条同步线。列车车头经过同步线到AP5临界线为止的距离内，列车车头与车尾均收到的是相同的AP。

由于无线信号覆盖范围D小于250m，则该算法无法实现，因此事先对距离进行测试，得到无线信号覆盖范围D为700m，因此根据该值对算法进行更新(见图5)。其中无线MR在AP5与AP6临界点之间区域内只能与AP3、AP4、AP5相连接。将AP6的临界线加上车长的175m，可以得到一条同步线，同步线至AP5无线临界点的间距d为同步范围，即列车头部进入同步线到列车车头越过AP5临界线为止的距离d内，列车车头与车尾均收到的是相同的AP。借此可以将该列车定位在上图中的250m的阴影范围内。

同理，在图6中，由于列车车头越过AP6临界线时，车尾仍旧处于AP6的覆盖范围，致使列车头收到的是AP3、AP4、AP5的信号，而车尾则是AP4、AP5、AP6，直到列车车尾离开AP6无线临界点时，车头车尾的连接才相同。因此通过计算发现，当车头收到AP3、AP4、AP5的信号，而车尾则是AP4、AP5、AP6信号时，借此可以将该列车定位在上图中350m的阴影范围内。

列车速度控制方法

在一般情况下，当列车定位完成后，调度将命令离车站较近或离正常区域最近的列车先行发车，恢复运营，从而减少隧道中乘客的等待时间。故障发生后，通过之前的定位算法，将区域内的列车位置进行定位。当列车位置明确后，通过列车的不同位置指导司机相应的以相应安全速度的行驶。一个区域控制器最多包含4个车站，其中阴影部分为区域控制器失效区域，红色的站台长度为200m、每列车的车长175m。由于在信号系统故障时，列车的理论最高车速为20km/h(一般为17km/h即4.72m/s)，由于列车的减速率为1m/s2,得出制动时间在4.4s至5.6s，制动距离在9.68m至15.68m，外加车辆制动能力差和司机反映时间等不稳定因素，制动距离会达到20m。因此为运营的安全性在计算中将两车之间的安全距离增加到100m。

由于在定位完成后，应该第一时间将列车驶入就近站台或者驶离故障区域，因此在类似情况下设立了故障区域以及站台，进行不同情况下的分析讨论。

图7为一种情况，列车以站台作为分界，分散于各个区间内，由于前方有站台这样一个定位可视区域的存在。因此，对列车的速度没有控制，3列车可以以17km/h的速度向最近的站台行驶，并进行上下客作业。加之车站上有CCTV监控的防护，后续的运营可以按照一个区间一辆车或者既定规则安全运营。

通过以上讨论不难发现，当列车处在不同区间时，列车的速度控制较为简单。如果列车均处于相同两个车站的同一区间内，则列车的运行较为复杂。因此图8为多列车在同一区间内的情况。

在站台所处的位置，列车驶入需要进行上下客作业，因此需要考虑每辆车的停站时间。以站台位置在AP0处为例，可以根据实际距离进行变化。

由于之前的定位是一个250m和350m的范围，列车在该范围内皆有可能，出于保证安全性考虑，在计算中将列车的位置定义在定位范围的极限位置，即将1号车的位置定义在该范围的最右侧，其余列车定义在范围的最左侧。

图8中AP0的坐标为X0，1号车的坐标为X1，2号车的坐标为X2，3号车的坐标为X3。当定位完成后，1号车前方并无列车，可以以17km/h(4.72m/s)的速度驶出故障区域，并在站台处进行上下客作业，时间为120s。因此1号车从发车、运行至站台直至停站结束需要t1时间。由于站台离故障区域距离很近，虽然途中速度可以提升至正常范围，但仍需减速至站台处停车进行上下客，其中随着速度提升而节约的时间可忽略不计。

t1＝[(x1-x0+200m)/4.72]+120S

由于在设定之初，增加了两车之间的安全距离。因此2号车将在安全距离100m外停车，以一号车的速度即17km/h为基准，计算到达红线处的时间t2

t2＝(x2-x0-100m)/4.72

将t1与t2进行比较，如果t2>t1，即2号车以17km/h的速度到达红线处时1号车已经驶离了站台。因此，列车2可以以17km/h的速度运行。

如果t2≤t1，即2号车以17km/h的速度到达红线处时1号车未驶离站台，需要2号车减速运行。因此，根据1号车的时间t1，对2号车的速度v2进行一定的约束。

V2＝(x2-x0-100m)/t1

即当1号车停站结束驶离站台时，2号车刚刚到达安全距离红线处(见图9)。类似的，当2号车停在红线处时，为了防止3号车的追尾，将2号车车尾加上100m安全距离设定为3号车的安全红线，并以1号车的时间t1作为约束条件。

V3＝(x3-x0-100m-175m-100m)/t1，

然而出于安全考虑V3的速度应当小于等于V2，当3号车运行t1时间后立即制动，防止追尾的发生。最终列车位置见图10。

特殊情况下的速度控制

图11为特殊状况下的处理流程图。如果其中的一辆车突发故障导致其未能按照既定方式运行，则需要重新进行列车定位及速度控制。当列车发生故障时，2号车司机通过对讲机通知调度以及后续列车，该些列车均立即制动停车，进行重新定位。通过之前的定位算法，定位列车位置，并将故障列车车尾增加100m的安全距离，得到3号车的安全距离d，由于前车修复时间未知，因此后车动车至安全距离处停车。

Claims (6)

1.一种地铁控制系统失效下的列车辅助安全驾驶决策系统，其特征在于，包括轨旁信标、车载设备和移动式智能终端；所述轨旁信标按照设定的间距安装于轨道上，用以发送信标位置和ID信息；所述车载设备分别安装于地铁列车两端车头内部，用以读取信标位置和ID信息，且通过无线的方式发送给本列车的移动式智能终端；所述的移动式智能终端通过无线的方式与车载设备通信从而定位显示所在位置，并接收显示相邻列车的位置信息，在地铁系统故障情况下决策列车速度进行显示。

2.根据权利要求1所述的地铁控制系统失效下的列车辅助安全驾驶决策系统，其特征在于，所述车载设备包括主机、信标阅读器和天线；所述信标阅读器与主机连接，用以读取信标位置和ID信息，所述主机和天线连接，所述主机将读取的信标位置和ID信息通过天线发送给所在车辆上的移动式智能终端。

3.根据权利要求1所述的地铁控制系统失效下的列车辅助安全驾驶决策系统，其特征在于，所述移动式智能终端包括中央处理器模块、输入模块、内存模块、显示模块、天线以及无线电台；所述中央处理器模块分别与输入模块、内存模块、显示模块、天线以及无线电台相连，用于确定该列车所处位置，并计算的本列车的安全距离、时间和速度；所述输入模块用于手动操作输入列车位置信息；所述内存模块用于存放算法信息以及整条线路的线路图；所述显示模块以线路图方式显示本列车、相邻列车及手动输入的列车位置信息，并显示由所述中央处理器模块计算的本列车的安全距离、时间和速度；所述天线与所在列车的车载设备实现无线通信，采集车头车尾读取的信标的ID信息，并将信息存于内存模块；所述无线电台和中央处理器模块相连接，将中央处理器模块发送过来的列车所在位置信息广播发送给相邻地铁列车。

4.根据权利要求3所述的地铁控制系统失效下的列车辅助安全驾驶决策系统，其特征在于，所述中央处理器模块根据采集到的车头和车尾的信标位置进行对比判断，确定列车所处位置。

5.根据权利要求3所述的地铁控制系统失效下的列车辅助安全驾驶决策系统，其特征在于，所述中央处理器模块在确定列车所处位置后，多列车在同一区间内时，通过列车的行驶、停站上下客以及驶离站台所需的时间，对后续列车的行车距离与行车时间进行约束。

6.根据权利要求3所述的地铁控制系统失效下的列车辅助安全驾驶决策系统，其特征在于，如果其中的一辆车突发故障导致其未能按照既定方式运行，所述中央处理器模块需要重新进行列车定位及速度控制。