CN106809253B - 一种基于通信的分布式列车运行控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于通信的分布式列车运行控制系统，结合目前高速发展的计算机控制技术和数字通信技术，满足日益增长的高密度、长线路的运力需求。其技术方案为：由列车自动监督系统(ATS)、轨旁终端控制器(TDC)、车载ATC设备和数据通信系统组成，可实现列车路径的计算以及列车运行路径危险障碍物的防护。

Description

一种基于通信的分布式列车运行控制系统

技术领域

本发明涉及一种列车运行控制系统，尤其涉及一种分布式通信的列车运行控制系统。

背景技术

随着我国城市轨道交通信号控制技术的发展，CBTC信号系统(基于通信的列车控制，Communication Based Train Control)目前成为了广泛采用的信号控制技术。CBTC信号系统广泛适用于城市轨道交通的列车安全运行防护信号控制系统。CBTC信号系统是基于大容量、连续的车-地之间双向无线通信技术和移动闭塞控制原理，基于列车定位与控制技术，实现列车速度控制与安全防护的控制系统。CBTC信号系统的构成框图如图1所示。

轨旁CBTC设备通过获取前方障碍物状态信息，障碍物包括前行列车的安全尾部位置信息(通过车-地双向无线由列车向地面CBTC设备进行报告)，轨旁设备例如道岔、信号机和防淹门等状态信息。计算列车安全的移动授权，并通过车-地双向无线发送给后续的追踪列车，以实现列车与前方障碍物之间的安全间隔避免列车追尾、脱轨和侧冲等危险事故发生。移动授权是指列车沿着给定的行驶方向进入并在某一特定区域内行车的许可，移动授权应考虑列车运行前方的各种危险点信息，应保证列车在授权范围内的正常移动不受限制，移动授权的末端不应越过危险点。

车载CBTC设备根据轨旁CBTC设备所提供的移动授权对列车进行安全方式，其中移动授权包含了安全的列车运行方向和运行距离信息。

从系统角度分析传统CBTC系统中的轨旁CBTC设备为整个系统的控制主体。因为轨旁CBTC设备(即轨旁ATP或区域控制器)需根据所采集或控制的基础设备(即道岔和信号机等)的状态，计算出安全的列车运行移动授权信息并发送给车载CBTC设备，而车载CBTC设备按照轨旁CBTC的移动授权信息控制列车运行并将列车的运行状态信息实时反馈给轨旁CBTC设备。在系统中列车与其他信号基础设备(即道岔和信号机等)均视为轨旁CBTC设备的控制终端对象，统一都由轨旁CBTC设备集中控制和监督。

现有的基于通信的互联互通I-CBTC列车运行控制系统是采用无线通信方式实现地面控制中心与列车间信息传输的移动闭塞安全控制系统，由列车自动监督ATS或CTC系统、数据库存储单元DSU系统、计算机联锁CI系统、地面区域控制器ZC或RBC系统、车载控制器VOBC系统、双环冗余骨干网络COM_network系统、地-车冗余无线网络DCS系统以及网络节点间的接口组成。

传统的CBTC信号系统存在如下的缺点：

提升CBTC系统的性能的问题：在目前的CBTC系统构架中轨旁CBTC设备的计算处理和通信能力将制约整个CBTC系统的性能。在IEEE 1474.1标准中为了尽可能提升整个CBTC系统性能，要求轨旁CBTC设备最大控制列车数量需要达到40列。但是在实际工程项目实施中特别是为了确保CBTC系统的可靠运行，依据轨旁CBTC设备的处理能力基础上预留一定的余量将整个线路划分成若干个轨旁CBTC控制区域。因此为了提升整条线路的CBTC系统性能，需打破原有以轨旁CBTC设备集中控制的系统构架，将系统的控制权分散到系统各设备中从而实现高密度线路的运营需求；

简化CBTC技术设计的问题：传统的联锁作为成熟的设备其功能相对独立并得到充分现场验证，后期的开发CBTC设备和功能的都在尽可能在已有联锁功能的基础上进行功能叠加的。因此在CBTC技术设计发展过程中对于新增的功能和技术需求研发过程中，往往受到之前成熟功能和复杂系统间接口等重重的限制。因此需采用分布式控制体系将系统功能分配到个独立的部件中，以对减少对新增功能和需求的开发限制；

精简系统构架的问题：在传统的CBTC系统构架中由联锁、ATS、轨旁CBTC设备、车载CBTC设备和通信系统构成，各系统之间接口相互错综复杂，增加了系统的复杂度。其中系统中任何一个部件设备出现问题都为导致系统不能正常运行，影响了整个运营效率和乘客舒适度。同时各厂商在系统中各部件之间采用专用的通信协议或物理传输通道，并以保障系统安全为由向用户推荐全套系统，给用户带来了巨大的经济负担。

随着计算机控制技术和数字通信技术的发展，目前CBTC信号系统构架限制了整个CBTC系统的性能和技术提升，因此需打破原CBTC系统构架体系。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种基于通信的分布式列车运行控制系统，结合目前高速发展的计算机控制技术和数字通信技术，满足日益增长的高密度、长线路的运力需求。

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种基于通信的分布式列车运行控制系统，其特征在于，包括列车自动监督系统、轨旁终端控制器、车载ATC设备和数据通信系统，列车自动监督系统、轨旁终端控制器、车载ATC设备分别通过数据通信系统进行通讯，基于分布式控制实现自动调度指挥、运行控制、安全运行防护和自动驾驶。

根据本发明的基于通信的分布式列车运行控制系统的一实施例，列车自动监督系统向车载ATC设备下发列车运行控制指令，同时轨旁终端控制器接收调度操作人员的控制指令，车载ATC设备和轨旁终端控制器在获取到控制指令进行合法性检查，车载ATC设备和轨旁终端控制器还向列车自动监督系统汇报控区内的所有列车运行状态、列车位置和轨旁设备状态信息。

根据本发明的基于通信的分布式列车运行控制系统的一实施例，车载ATC设备获取列车自动监督系统向车载ATC设备下发的列车期望的列车运行路径和调度操作指令，告知列车所期望到达的目标位置和所期望的列车控制操作，由车载ATC设备根据列车自动监督系统的运行需求结合车载线路数据库，从轨旁终端控制器获取轨旁设备的状态信息计算列车的安全运行路径，由车载ATC设备向轨旁终端控制器下发对控制轨旁设备的征用和释放。

根据本发明的基于通信的分布式列车运行控制系统的一实施例，车载ATC设备依据自身所在位置为起点，根据车载ATC设备所存储的描述线路数据信息和列车自动监督系统所发送的路径运行需求，两者结合后计算确定列车的运行线路，在确定列车的运行线路后车载ATC设备将会通过车地无线通信网络与涉及列车自动监督系统请求路径上的轨旁终端控制器通信，获取在轨旁终端控制器区域内的轨旁设备的状态信息，车载ATC将轨旁设备的状态信息于列车将要运行的路径进行比对，依据是否与列车运行路径一致采取不同的控制策略。

根据本发明的基于通信的分布式列车运行控制系统的一实施例，所采取的控制策略为：若轨旁设备的状态信息与列车期望的运行路径一致，则车载ATC设备将向轨旁终端控制器发送锁闭信号，表示该轨旁设备已被列车占用，其他列车只有当该列车释放后才能占用该轨旁设备；若轨旁设备的状态信息与列车期望的运行路径不一致，则车载ATC设备在确定其未被占用情况下，车载ATC设备将根据列车的运行路径需求向轨旁终端控制器发送控制请求，使轨道设备符合列车运行方向的需求。

根据本发明的基于通信的分布式列车运行控制系统的一实施例，车载ATC设备通过与轨旁终端控制器通信获取危险障碍物的状态信息，同时车载ATC设备通过车-车之间无线通信获取在相邻列车的位置和状态信息。

根据本发明的基于通信的分布式列车运行控制系统的一实施例，车载ATC设备基于从轨旁终端控制器获取到的危险障碍物的状态信息、从相邻列车获取到的位置和状态信息，实施计算列车所能移动的最大安全距离。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明的基于通信的分布式列车运行控制系统，由列车自动监督系统(ATS)、轨旁终端控制器(TDC)、车载ATC设备和数据通信系统组成，可实现列车路径的计算以及列车运行路径危险障碍物的防护。本发明打破了之前轨旁CBTC设备控制区域的限制，满足了高密度、大运量和长线路的运营需求。

详细而言，本发明具有如下的优点：

①.本发明大大地简化原有CBTC系统的数据交互的复杂度，减少信号系统网络的负荷，缩短通信的延迟时间等优势，从而提高整个系统的性能；

②.本发明省略了原有CBTC系统中复杂的轨旁子系统，降低了信号系统的建设投资和维护成本；

③.本发明相比传统的CBTC而言，基于车—车通信的新型CBTC系统，减少了轨旁子系统，减少了系统的接口数量，从而降低了系统的复杂性。

附图说明

图1示出了典型的CBTC系统的功能框图。

图2示出了CBTC系统的列车安全防护的示意图。

图3示出了本发明的基于通信的分布式列车运行控制系统的实施例的系统框图。

图4示出了本发明的基于通信的分布式列车运行控制系统的实施例的实现原理的流程图。

图5示出了本发明的基于通信的分布式列车运行控制系统的实施例的列车运行路径的示意图。

具体实施方式

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图3示出了本发明的基于通信的分布式列车运行控制系统的实施例的系统构成。请参见图3，本实施例的系统包括列车自动监督系统(ATS系统)1、轨旁终端控制器(TDC)2、车载ATC设备3和数据通信系统4(冗余设置的轨旁有线网络和车-地冗余无线网络)。ATS系统1、车载ATC设备3、轨旁终端控制器2之间通过数据通信系统4完成通讯连接。

ATS系统1的设备由分布于运行控制中心和各车站的中心应用服务、中心的接口服务器、车站的应用服务器和控制工作站等设备组成，主要用于实现列车行车调度、轨旁基础信号设备控制、站场信息显示和设备维护报警的功能。ATS系统1中关键核心的设备均采用热备冗余构架方式，确保了ATS系统的可靠性。

在线路上运营的每列载客列车均安装了车载ATC设备3，由列车自动防护ATP和列车自动运行ATO设备构成，其负责列车安全防护的设备采用“2乘2取2”的安全计算机架构，负责列车自动运行的设备采用了“热备冗余”的构架。车载ATC设备3装载了描述线路和列车控制参数等信息的数据库。车载ATC设备3中包括了互为热备冗余的双向通信设备，以实现列车与地面和列车与列车之间的通信。

轨旁终端控制器2沿线路分布安装，负责对轨旁的转辙机、站台门和防淹门等设备的控制和状态监督。轨旁终端控制器2采用“2乘2取2”的安全计算机架构，每个轨旁终端控制器2控制若干个终端对象。

数据通信系统4以地面各设备为通信节点，各设备之间采用有线环网(采用光缆或以太网线作为传输介质)和沿线路布置的无线通信接入点设备构成。为了确保各设备之间通信的可靠数据通信系统4采用冗余设置的原则。

本实施例的基于通信的分布式列车运行控制系统通过网络将地面局域网及车地间无线通信网将轨道交通信号系统的ATS设备、车载设备和轨旁设备连成一个有机整体。同时基于分布式控制原理将自动调度指挥、运行控制、安全运行防护和自动驾驶等功能分配到各个子系统中，形成功能完善、层次分明的综合自动化系统。

图4示出了本发明的基于通信的分布式列车运行控制系统的实施例的实现原理。请参见图4，信号系统是提供列车运营调度指挥的重要支持系统，能根据线路上客流的运营需求调度控制列车的运行，通过合理列车时刻和列车运行等级的控制同时实现整个城轨系统节能环保目标。

具体实现上，调度控制指令由ATS系统根据列车时刻表或调度操作人员人工操作下发到轨旁终端控制器和车载ATC设备。在具体执行中分为两部分车载ATC设备所处理的调度控制指令和轨旁终端控制器所处理的调度控制指令。

车载ATC设备所处理的调度控制指令是指：ATS系统根据调度人员的控制操作或列车运行时刻表需求向车载ATC设备下发计划或临时调整的列车运行控制指令。控制指令通过数据通信系统传输给列车，其中控制指令包括但不限于以下操作：列车前方车站的到站时间、列车运行的路径、调度人员的设置操作(包括临时限速、扣车和跳停等运营调度操作指令)。

轨旁终端控制器所处理的调度控制指令是指：同时调度人员可人工实现对轨旁基础信号设备的直接控制，ATS系统将调度操作人员的控制指令下发到轨旁终端控制器。轨旁终端控制器实现对轨旁基础信号设备的直接控制。其中控制指令包括但不限于以下操作：信号机的控制操作、道岔的控制操作。

信号系统同时实时接收来自车载ATC设备和轨旁终端控制器所汇报的控区内所有列车运行状态、列车位置和轨旁设备状态信息，便于运营调度人员实时掌握相关信息，根据客流需求统一调度指挥列车的运行。

车载ATC和轨旁终端控制器在获取ATS调度控制指令后，需要进行指令合法性判定。例如判定指令执行对象是否准确、指令数据准确性、时效性和完整性等防护性判定。只有判定合法的数据车载ATC设备和轨旁终端控制器才会执行，对于不合法的指令不予执行。

随后，由车载ATC设备执行列车运行路径的计算。车载ATC设备获取ATS系统向车载ATC设备下发针对本车期望的列车运行路径和调度操作指令，告知列车所期望到达的目标位置和所期望的列车控制操作。其中车载ATC设备所获取ATS系统下发的调度控制信息包括：期望列车到达的位置(站台停车点、存车线和系统边界处等位置)、期望列车运行的路径、期望列车运行速度等级和其他调度控制指令如扣车或跳停等、期望列车运行的路径方向。

由车载ATC设备根据ATS的运行需求结合车载线路数据库，从轨旁终端控制器获取轨旁设备的状态信息计算列车的安全运行路径。由车载设备向轨旁终端控制器下发对控制轨旁设备(道岔、站台门和防淹门等轨旁设备)的设备征用和释放。

列车运行的路径和方向是指：路径是指从整个城轨信号系统控制的区域的一个边界到另一边界可能存在的列车运行线路。在城轨信号系统控制的所管控的范围内，因线路中会存在渡线或存车线等复杂线路场景，因此需多种运行路径的可能。

在描述路径方向分为正向和反向两种定义，根据线路图列车从左至右运行定义为正向，从右至左定义为反向，如图5所示。

在列车运行路径的计算中，车载ATC设备依据其自身所在位置为起点，根据车载ATC设备所存储的描述线路数据信息和ATS所发送的路径运行需求，两者结合后计算确定列车的运行线路。在确定列车的运行线路后车载ATC设备将会通过车—地无线通信网络与涉及ATS请求路径上的轨旁终端控制器通信，获取在轨旁终端控制器区域内的道岔、站台门和防淹门等轨旁设备的状态信息。车载ATC将设备的状态信息于列车将要运行的路径进行比对，依据是否与列车运行路径是否一致(其中关键信息为影响列车运行的设备例如道岔、防淹门和站台门等设备)采取不同的控制策略。控制策略的内容为：若与列车期望的运行路径一致，车载设备将向轨旁终端控制器发送锁闭信号，表示该轨旁设备已被列车占用，其他列车只有当该列车释放后才能占用该设备；若不一致，车载设备在确定其未被占用情况下，车载ATC将根据列车的运行路径需求向轨旁控制器发送控制请求，使与符合列车运行方向的需求，例如命令控制道岔转辙机转动转向符合列车运行路径的方向，控制防淹门禁止关闭只有当列车完全通过后才允许其关闭。

信号系统最为关键的任务是负责列车安全运行，因此首先必须需要识别出列车在运行过程中可能将会导致乘客等人员伤亡或设备损坏的危险障碍物，从而能进行列车运行路径危险障碍物的防护。

列车运行路径中的危险障碍物包括：道岔、站台安全门、防淹门、在同一运行路径内运行的相邻列车、已被其他列车征用的轨旁设备、车档、系统边界等。

列车运行路径中危险障碍物的信息汇总：列车运行路径内危险障碍物的搜索由车载ATC中的列车自动防护设备负责搜索，其中信息来源包括轨旁终端控制器和相邻列车的车载ATC设备。车载列车自动防护设备通过与轨旁终端控制器通信获取危险障碍物的状态信息，其中包括道岔状态、信号机灯显状态、站台安全门状态、防淹门状态和轨道区段的占用状态信息。同时车载ATC设备通过车-车之间无线通信获取在路径上相邻列车的位置和状态信息。

车载列车自动防护设备通过这些信息汇总后实时计算列车在控制中心要求下所能移动的最大安全距离。车载列车防护设备根据列车的运行方向，从列车运行方向端头开始沿着ATS所要求的运行路径搜索在该条路径上所可能存在的障碍物。并实时监督各危险障碍物的状态，实时计算列车的安全制动距离防止列车驶入危险区域。

车载ATC设备根据列车当前运行速度计算所需要最不利情况下安全的紧急制动距离，在计算中应基于列车最不利紧急制动率和整个系统网络传输延时时间和轨旁设备的操作时间等因素，计算列车在最不利情况下从列车运行安全尾部起始的安全运行距离范围。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑板块、模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (5)

1.一种基于通信的分布式列车运行控制系统，其特征在于，包括列车自动监督系统、轨旁终端控制器、车载ATC设备和数据通信系统，列车自动监督系统、轨旁终端控制器、车载ATC设备分别通过数据通信系统进行通讯，基于分布式控制实现自动调度指挥、运行控制、安全运行防护和自动驾驶；

其中列车自动监督系统向车载ATC设备下发列车运行控制指令，同时轨旁终端控制器接收调度操作人员的控制指令，车载ATC设备和轨旁终端控制器在获取到控制指令后进行合法性检查，车载ATC设备和轨旁终端控制器还向列车自动监督系统汇报控区内的所有列车运行状态、列车位置和轨旁设备状态信息；

车载ATC设备获取列车自动监督系统向车载ATC设备下发的列车期望的列车运行路径和调度操作指令，告知列车所期望到达的目标位置和所期望的列车控制操作，由车载ATC设备根据列车自动监督系统的运行需求结合车载线路数据库，从轨旁终端控制器获取轨旁设备的状态信息计算列车的安全运行路径，由车载ATC设备向轨旁终端控制器下发对控制轨旁设备的征用和释放。

2.根据权利要求1所述的基于通信的分布式列车运行控制系统，其特征在于，车载ATC设备依据自身所在位置为起点，根据车载ATC设备所存储的描述线路数据信息和列车自动监督系统所发送的路径运行需求，两者结合后计算确定列车的运行线路，在确定列车的运行线路后车载ATC设备将会通过车地无线通信网络与涉及列车自动监督系统请求路径上的轨旁终端控制器通信，获取在轨旁终端控制器区域内的轨旁设备的状态信息，车载ATC将轨旁设备的状态信息与列车将要运行的路径进行比对，依据是否与列车运行路径一致采取不同的控制策略。

3.根据权利要求2所述的基于通信的分布式列车运行控制系统，其特征在于，所采取的控制策略为：若轨旁设备的状态信息与列车期望的运行路径一致，则车载ATC设备将向轨旁终端控制器发送锁闭信号，表示该轨旁设备已被列车占用，其他列车只有当该列车释放后才能占用该轨旁设备；若轨旁设备的状态信息与列车期望的运行路径不一致，则车载ATC设备在确定其未被占用情况下，车载ATC设备将根据列车的运行路径需求向轨旁终端控制器发送控制请求，使轨道设备符合列车运行方向的需求。

4.根据权利要求3所述的基于通信的分布式列车运行控制系统，其特征在于，车载ATC设备通过与轨旁终端控制器通信获取危险障碍物的状态信息，同时车载ATC设备通过车-车之间无线通信获取在相邻列车的位置和状态信息。

5.根据权利要求4所述的基于通信的分布式列车运行控制系统，其特征在于，车载ATC设备基于从轨旁终端控制器获取到的危险障碍物的状态信息、从相邻列车获取到的位置和状态信息，实施计算列车所能移动的最大安全距离。