CN108839677A - 一种列车完整性检测方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种列车完整性检测方法和系统。本发明中列首卫星定位模块与速度传感器估计的列车二维位置和速度信息进行信息融合，融合结果与电子轨道地图进行地图匹配，最终得到精确在轨列车列首位置，由信息融合算法提供的残差估计出当前在轨列车列首位置的TPL数值，并根据获得的列首沿股道方向位置与相应的TPL值，计算出列车头部位置安全阈值。列尾设备利用卫星定位模块实现在轨列车列尾二维位置获取，通过通信模块向列首处理单元传送列尾位置信息，列尾的TPL值在列首处理单元中进行解算。分别将列首列尾的HPL值与相应的HAL值比较，检测定位信息是否可用。在可用的情况下，利用得到的沿股道方向的位置解与估计的TPL值，根据一定的算法，估计出安全车长，从而进行列车完整性判断。

Description

一种列车完整性检测方法和系统
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域。更具体地，涉及一种列车完整性检测方法和系统。
背景技术
随着铁路的发展，列车之间的运行间隔对铁路运输效率有着重大的影响。在保证列车运行安全的前提下，尽可能地缩短列车间的追踪距离，可以极大地提高运输效率。列车的追踪运行，需要获得前行列车的车长和检测前行列车的完整性，否则当列车发生脱钩等现象时，可能造成两辆列车相撞等事故。
目前，列车完整性检测主要有以下三种方式：
1、通过轨道电路进行列车的占用检测，通过轨旁计轴单元统计经过列车的轮对数从而实现列车的完整性检测。但是这种方式需要在轨旁安装大量设备，成本高，维修困难，而且随着列车的提速，计轴设备将不能可靠的工作。
2、通过列尾安装风压监测装置，当列车分离，风压管漏风，泄漏量超过规定值时，列尾设备报警，实现列车完整性检测。但是该方法中的列尾风压装置需要安装于列车尾部车钩或提钩杆上，与列车尾部制动管连接，安装困难，且列尾风压装置查询频率较低，不能保证列车完整性检测的实时性，尤其在列车提速后，实时性对列车安全有很大影响。
3、基于卫星导航定位的列车完整性检测方法：在列车的头部(列首)和列车最后一节车厢(列尾)内分别安装卫星导航(包括GPS、北斗、GLONASS等)接收机，实时解算列首、列尾位置，通过列首、列尾的位置差估计列车长度，与列车的实际长度比较，检测列车的完整性。现有的基于卫星导航定位的列车完整性检测方法在定位结果偏差较大时，导致计算的列首、列尾位置不准确，此时估计的车长误差很大，可能导致误警或漏警。
发明内容
为了克服现有基于卫星导航定位的列车完整性检测方法的不足，本发明提供一种列车完整性检测方法和系统，本发明的方法为基于卫星导航的组合定位中的列车沿股道方向保护距离的列车车长计算及列车完整性检测方法，并且实时计算列车的安全包络，缩短列车追踪间隔，提高运行效率。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种列车完整性检测方法，包括以下步骤：
获取导航笛卡尔坐标系下的当前列首位置和列车的当前速度信息；
将所述导航笛卡尔坐标系下的当前列首位置和列车的当前速度信息进行信息融合，将信息融合结果与电子轨道地图进行地图匹配，得到投影的列首公里标位置；
根据信息融合算法提供的残差估计计算得到列首(HOT:Head of Train)的TPLHOT值(Tangential Protection Limit,沿股道方向安全保护级别数值)；
获取导航笛卡尔坐标系下的列尾位置，将所述导航笛卡尔坐标系下的列尾位置与所述电子轨道地图进行地图匹配，得到投影的列尾公里标位置；
根据列尾定位中卫星观测的残差估计计算出列尾(EOT:End of Train)的沿股道方向安全保护级别数值TPLEOT值；
根据所述投影的列首公里标位置和投影的列尾公里标位置，利用列车长度估计方法估计安全范围内最大和最小允许列车长度估计值；并将所述最大和最小列车长度估计值与经验允许数据进行比较，判断列车的完整性。
优选地，所述根据信息融合算法提供的残差估计计算得到列首的TPLHOT值的计算过程包括：得到列首的水平保护距离数值HPLHOT(Horizontal Protection Limit)；
将列首的HPLHOT值与水平告警门限值HAL值(Horizontal Alarm Limit)比较，判断当前时刻卫星定位系统的可用性，如不可用则发出卫星定位系统不可用告警信号；
所述根据列尾定位中卫星观测的残差估计计算出列尾的TPLEOT值包括：
得到列尾的水平保护距离数值HPLEOT；
将列尾的HPLEOT值与水平告警门限值HAL值比较，判断当前时刻卫星定位系统的可用性，如不可用则发出卫星定位系统不可用告警信号。列控中心收到告警后及时采取其他措施进行列车完整性检查。
优选地，所述投影的列首公里标位置为M(xHOT,yHOT)，其中，xHOT表示沿股道方向列首位置公里标，yHOT表示垂直股道方向列首位置偏移值；
所述投影的列尾公里标位置为M(xEOT,yEOT)，其中，xEOT表示沿股道方向列尾位置公里标，yEOT表示垂直股道方向列尾位置偏移值。
优选地，所述处理模块在计算得到投影的列首公里标位置之后，进行列首的TPLHOT值计算之前，还包括检测是否存在故障卫星的步骤：
构造基于伪距残差向量的统计量，由伪距残差向量判断是否存在故障卫星；若存在，则在进行列首TPLHOT值和列尾的TPLEOT值计算过程中引入伪距偏差向量。
优选地，所述最大允许列车长度估计值为：Lmax＝(xHOT+TPLHOT)-(xEOT-TPLEOT)；
所述最小允许列车长度估计值为：Lmin＝(xHOT-TPLHOT)-(xEOT+TPLEOT)；
当Lmin>列车实际车长或者Lmax>列车实际车长+2TAL时，表明此时列车不完整，发出列车不完整告警信息；其中TAL为沿股道方向告警门限值。
本发明另一方面还提供一种列车完整性检测系统，包括列首装置和列尾装置；
所述列首装置包括列首卫星定位模块、速度传感器、电子轨道地图模块、列首通信模块和处理模块；
所述列首卫星定位模块获得导航笛卡尔坐标系下的列首位置；速度传感器得到列车的速度信息；
所述处理模块将所述导航笛卡尔坐标系下的列首位置和速度信息进行信息融合，并从电子轨道地图模块中调取电子轨道地图；所述处理模块将信息融合结果与所述电子轨道地图进行地图匹配，并计算得到投影的列首公里标位置；
所述处理模块由信息融合算法列尾定位装置卫星观测的残差提供的残差估计计算出列首的TPLHOT值；
所述列尾装置包括列尾卫星定位模块和列尾通信模块；
列尾卫星定位模块获得导航笛卡尔坐标系下的列尾位置，并通过列尾通信模块传输给处理模块；
所述处理模块将所述导航笛卡尔坐标系下的列尾位置与所述电子轨道地图进行地图匹配，并计算得到投影的列尾公里标位置；
所述处理模块由列尾定位装置卫星观测的残差估计计算出列尾的TPLEOT值；
所述处理模块利用列车长度估计方法估计安全范围内允许的最大和最小列车长度估计值；并将所述最大和最小列车长度估计值与经验允许数据进行比较，判断列车的完整性。
优选地，所述处理模块判断出列车不完整时，控制列首通信模块发出警告信息。
优选地，所述处理模块在计算得到投影的列首公里标位置之后，进行列首的TPLHOT值计算之前，还包括检测是否存在故障卫星的步骤：
所述处理模块构造基于伪距残差向量的统计量，由伪距残差向量判断是否存在故障卫星；若存在，则在进行列首TPLHOT值和列尾的TPLEOT值计算过程中引入伪距偏差向量。
优选地，所述处理模块由信息融合算法提供的残差估计计算出列首的TPLHOT值的计算过程包括：得到列首的水平保护距离数值HPLHOT；
所述处理模块将列首的HPLHOT值与水平告警门限值HAL值比较，判断当前时刻卫星定位系统的可用性，如不可用则控制所述列首通信模块发出卫星定位系统不可用告警信号；
所述处理模块由列尾定位装置卫星观测的残差计算出列尾的TPLEOT值的计算过程包括：得到列尾的水平保护距离数值HPLEOT；
所述处理模块将列尾的HPLEOT值与水平告警门限值HAL值比较，判断当前时刻卫星定位系统的可用性，如不可用则控制所述列首通信模块发出卫星定位系统不可用告警信号。
优选地，所述的列车完整性检测系统还包括列尾风压监测装置；当列控中心收到卫星定位系统不可用告警信号时，则启用所述列尾风压监测装置进行列车完整性检测。
本发明中，列首卫星定位模块与速度传感器估计的列车位置和速度信息进行信息融合，融合结果与电子轨道地图进行地图匹配，最终得到较为精确的在轨列车列首位置，在列首的处理模块中由信息融合算法提供的残差估计计算出当前在轨列车列首位置的TPL数值,并根据获得的列首沿股道方向位置解与相应的TPL值，计算出列车头部位置安全阈值。列尾设备只负责通过通信模块向列首处理单元传送列尾位置信息，列尾的TPL值在列首处理单元中进行解算。分别将列首列尾的HPL值与相应的HAL值比较，检测定位信息是否可用。在可用的情况下，利用得到的沿股道方向的位置解信息与TPL值，根据一定的算法，估计出安全车长，从而进行列车完整性判断。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的列车完整性检测方法利用的是TPL值进行列车完整性判断，考虑了定位结果可能出现的误差，在此基础上进行列车完整性的判断，弥补了现有基于卫星导航定位的列车完整性检测方法的不足。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明的列车完整性检测装置示意框图。
图2为本发明的优选的列车完整性检测方法流程图。
图3为本发明的列车完整性检测方法的原理说明图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供一种列车完整性检测系统，包括列首装置和列尾装置；
所述列首装置包括列首卫星定位模块、速度传感器、电子轨道地图模块、列首通信模块和处理模块；
所述列首卫星定位模块获得导航笛卡尔坐标系下的列首位置；速度传感器得到列车的速度信息；
所述处理模块将所述导航笛卡尔坐标系下的列首位置和速度信息进行信息融合，并从电子轨道地图模块中调取电子轨道地图；所述处理模块将信息融合结果与所述电子轨道地图进行地图匹配，并计算得到投影的列首公里标位置；
所述处理模块由信息融合算法提供的残差估计计算出列首的TPLHOT值；
所述列尾装置包括列尾卫星定位模块和列尾通信模块；
列尾卫星定位模块获得导航笛卡尔坐标系下的列尾位置，并通过列尾通信模块传输给处理模块；
所述处理模块将所述导航笛卡尔坐标系下的列尾位置与所述电子轨道地图进行地图匹配，并计算得到投影的列尾公里标位置；
所述处理模块由列尾定位装置卫星观测的残差估计计算出列尾的TPLEOT值；
所述处理模块利用列车长度估计方法估计安全范围内的最大和最小允许列车长度估计值；并将所述最大和最小列车长度估计值与经验允许数据进行比较，判断列车的完整性。
进一步的，若列车不完整，则所述控制模块控制列首通信模块发出告警信息。
如图2所示为本发明提供的一种列车完整性检测方法的优选过程：
S1：列首设备基于卫星组合导航定位设备计算列首位置。
卫星导航伪距观测模型为y＝Hx+ε，其中，观测矩阵H：
矩阵中EN指第N颗卫星的仰角，AN指第N颗卫星的方位角，这两个值可从卫星定位原始数据中得出。
依据加权最小二乘残差原理以及观测伪距的加权矩阵，可得用户状态加权最小二乘解为：
利用速度传感器采集的速度信息与卫星导航系统采集的速度信息进行信息融合，采取“当前”统计模型下的卡尔曼滤波算法。采用的模型为
X(k+1)＝ΦgX(k)+U(k)+w(k)
Y(k)＝HgX(k)+v(k)
其中，w(状态噪声)和v(观测噪声)都是服从零均值的高斯白噪声。
根据已知的列车初始位置，得到导航笛卡尔坐标系(东、北、地坐标系)下的列首位置：
利用电子轨道地图进行地图匹配的过程，以电子轨道地图中记录的公里标信息以及2维参考地图公里标数据进行地图投影计算，利用卫星定位模块中的位置记录P(x,y)与电子轨道地图中的相邻POI(Point of Interest)进行计算。投影的公里标位置记为M(xHOT,yHOT)。电子轨道地图中相邻的POI点记做POIj和POIj+1。根据地图投影的相关方法，作为矢量的向量应当符合：
利用相应的计算规则，计算投影的公里标M(xHOT,yHOT)，其中xHOT表示沿股道方向列首位置坐标，yHOT表示垂直股道位置坐标。
S2：检测是否存在故障卫星。
伪距残差向量：
其中,R＝(HTPH)-1HTP，Q＝H-1-H(HTPH)-1HT，P-1是卫星观测噪声构成的协因数矩阵。
构造基于伪距残差向量v的统计量，由v可知是否有故障卫星存在。若有，则存在伪距偏差向量b，根据统计分布理论，得若无，则向量b为零，得其中，是先验单位全方差。
S3：列首设备TPL值估计
TPL值表示的是某一时刻沿股道方向上所允许的最大定位误差，是一个基于伪距残差向量v的统计误差。本发明提出一种基于最大偏差的TPL算法。列车在导航笛卡尔坐标系下的定位误差为：
(δE,δN)T＝(I2,0)(HTPH)-1HTPb)
令则水平方向最大定位偏差可表示为：
得到列首设备的HPL估计值：HPL＝max{Errh}，将HPL值与告警门限值HAL进行计较，检测此时定位信息是否可用。
将HPL值分解为东、北向的坐标P(xE,yN)，与电子轨道地图中的相邻POI进行计算。投影的公里标位置记为MH(xTH,yPH)。电子轨道地图中相邻的POI点记做POIj和POIj+1。根据地图投影的相关方法，作为矢量的向量应当符合：
计算投影的公里标MH(xTH,yPH)其中xT表示沿股道方向的保护距离，记为TPLHOT，yP表示垂直股道的保护距离。
S4：列尾设备向列首传送位置信息并在列首处理单元中进行列尾TPLEOT值估计。
列尾设备包含卫星定位模块以及通信模块，通信模块将卫星定位的列尾位置传输给列首的处理模块进行列尾位置计算，列首处理单元根据接收到的列尾数据信息，通过S1中的计算方法，得到列尾在地图上的投影坐标ME(xTE,yPE)，则列尾沿股道方向位置为xEOT和垂直股道方向位置yEOT，通过S2和S3进行列尾值TPLEOT估计。将估计过程中计算出的水平保护距离HPL值与告警门限值HAL进行计较，检测此时定位信息是否可用。
S5：列车安全车长估计
将得到的列首沿股道方向一维位置解xHOT，TPLHOT值，以及列尾沿股道方向一维位置解xEOT、TPLEOT进行运算，可得最大允许列车长度估计值为：
Lmax＝(xHOT+TPLHOT)-(xEOT-TPLEOT)
最小允许列车长度估计值为：Lmin＝(xHOT-TPLHOT)-(xEOT+TPLEOT)
S6：基于安全车长的列车完整性检测
当Lmin>列车实际车长或者Lmax>列车实际车长+2TAL时，表明此时列车不完整，可能已发生脱钩事故，列首设备将及时向ATP发出告警信息，实现了列车完整性检测。
本发明的列车完整性检测系统，还包括列尾风压监测装置；当列控中心收到卫星定位系统不可用告警信号时，则启用所述列尾风压监测装置进行列车完整性检测。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种列车完整性检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取导航笛卡尔坐标系下的当前列首位置和列车的当前速度信息；
将所述导航笛卡尔坐标系下的当前列首位置和列车的当前速度信息进行信息融合，将信息融合结果与电子轨道地图进行地图匹配，得到投影的列首公里标位置；
根据信息融合算法提供的残差估计计算得到列首沿股道方向安全保护级别数值TPLHOT；
获取导航笛卡尔坐标系下的列尾位置，将所述导航笛卡尔坐标系下的列尾位置与所述电子轨道地图进行地图匹配，得到投影的列尾公里标位置；
根据列尾定位中卫星观测的残差估计计算出列尾沿股道方向安全保护级别数值TPLEOT值；
根据所述投影的列首公里标位置和投影的列尾公里标位置，利用列车长度估计方法估计安全范围内最大和最小允许列车长度估计值；并将所述最大和最小列车长度估计值与经验允许数据进行比较，判断列车的完整性。
2.根据权利要求1所述的列车完整性检测方法，其特征在于，
所述根据信息融合算法提供的残差估计计算得到列首的TPLHOT值的计算过程包括：得到列首的水平保护距离数值HPLHOT；
将列首的HPLHOT值与水平告警门限值HAL值比较，判断当前时刻卫星定位系统的可用性，如不可用则发出卫星定位系统不可用告警信号；
所述根据列尾定位中卫星观测的残差估计计算出列尾的TPLEOT值包括：得到列尾的水平保护距离数值HPLEOT；
将列尾的HPLEOT值与水平告警门限值HAL值比较，判断当前时刻卫星定位系统的可用性，如不可用则发出卫星定位系统不可用告警信号。
3.根据权利要求1所述的列车完整性检测方法，其特征在于，所述投影的列首公里标位置为M(xHOT,yHOT)，其中，xHOT表示沿股道方向列首位置公里标，yHOT表示垂直股道方向列首位置偏移值；
所述投影的列尾公里标位置为M(xEOT,yEOT)，其中，xEOT表示沿股道方向列尾位置公里标，yEOT表示垂直股道方向列尾位置偏移值。
4.根据权利要求1所述的列车完整性检测方法，其特征在于，在计算得到投影的列首公里标位置之后，进行列首的TPLHOT值计算之前，还包括检测是否存在故障卫星的步骤：
构造基于伪距残差向量的统计量，由伪距残差向量判断是否存在故障卫星；若存在，则在进行列首TPLHOT值和列尾的TPLEOT值计算过程中引入伪距偏差向量。
5.根据权利要求3所述的列车完整性检测方法，其特征在于，所述最大允许列车长度估计值为：Lmax＝(xHOT+TPLHOT)-(xEOT-TPLEOT)；
所述最小允许列车长度估计值为：Lmin＝(xHOT-TPLHOT)-(xEOT+TPLEOT)；
当Lmin>列车实际车长或者Lmax>列车实际车长+2TAL时，表明此时列车不完整，发出列车不完整告警信息；
其中TAL为沿股道方向告警门限值。
6.一种列车完整性检测系统，其特征在于，包括列首装置和列尾装置；
所述列首装置包括列首卫星定位模块、速度传感器、电子轨道地图模块、列首通信模块和处理模块；
所述列首卫星定位模块获得导航笛卡尔坐标系下的列首位置；速度传感器得到列车的速度信息；
所述处理模块将所述导航笛卡尔坐标系下的列首位置和速度信息进行信息融合，并从电子轨道地图模块中调取电子轨道地图；所述处理模块将信息融合结果与所述电子轨道地图进行地图匹配，并计算得到投影的列首公里标位置；
所述处理模块由信息融合算法提供的残差估计计算出列首的TPLHOT值；
所述列尾装置包括列尾卫星定位模块和列尾通信模块；
列尾卫星定位模块获得导航笛卡尔坐标系下的列尾位置，并通过列尾通信模块传输给处理模块；
所述处理模块将所述导航笛卡尔坐标系下的列尾位置与所述电子轨道地图进行地图匹配，并计算得到投影的列尾公里标位置；
所述处理模块由列尾定位装置卫星观测的残差计算出列尾的TPLEOT值；
所述处理模块利用列车长度估计方法估计安全范围内允许的最大和最小列车长度估计值；并将所述最大和最小列车长度估计值与经验允许数据进行比较，判断列车的完整性。
7.根据权利要求6所述的列车完整性检测系统，其特征在于，所述处理模块判断出列车不完整时，控制列首通信模块发出警告信息。
8.根据权利要求6所述的列车完整性检测系统，其特征在于，所述处理模块在计算得到投影的列首公里标位置之后，进行列首的TPLHOT值计算之前，还包括检测是否存在故障卫星的步骤：
所述处理模块构造基于伪距残差向量的统计量，由伪距残差向量判断是否存在故障卫星；若存在，则在进行列首TPLHOT值和列尾的TPLEOT值计算过程中引入伪距偏差向量。
9.根据权利要求6所述的列车完整性检测系统，其特征在于，
所述处理模块由信息融合算法提供的残差估计计算出列首的TPLHOT值的计算过程包括：得到列首的水平保护距离数值HPLHOT；
所述处理模块将列首的HPLHOT值与水平告警门限值HAL值比较，判断当前时刻卫星定位系统的可用性，如不可用则控制所述列首通信模块发出卫星定位系统不可用告警信号；
所述处理模块由列尾定位装置卫星观测的残差计算出列尾的TPLEOT值的计算过程包括：得到列尾的水平保护距离数值HPLEOT；
所述处理模块将列尾的HPLEOT值与水平告警门限值HAL值比较，判断当前时刻卫星定位系统的可用性，如不可用则控制所述列首通信模块发出卫星定位系统不可用告警信号。
10.根据权利要求9所述的列车完整性检测系统，其特征在于，包括列尾风压监测装置；当列控中心收到卫星定位系统不可用告警信号时，则启用所述列尾风压监测装置进行列车完整性检测。
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