CN109649443A - 一种城轨列车定位设备首尾冗余设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于城市轨道交通信号技术领域，涉及一种城轨列车定位设备首尾冗余设计方法，包括在CBTC信号系统中，车辆的首尾两端分别安装一套BTM定位设备；车辆首尾两端的车载ATP设有交互通道；车辆首尾两端的车载ATP交互通道进行信息交互，交互的信息包括定位信息；利用交互信息，完成首尾两端时间分布和尾端定位。本发明所述方法在首端定位设备发生故障时，可以使用尾端定位信息维持自身定位，提高了系统可用性。首端ATP切换到尾端ATP的定位时瞬间安全包络可能会扩大，在最不利的情况下安全包络超过最大允许范围，ATP输出紧急制动。
Description
技术领域
本发明属于城市轨道交通信号技术领域，特别涉及一种城轨列车定位设备首尾冗余设计方法。
背景技术
在城轨CBTC(Communication Based Train Control System基于通信的列车自动控制)信号系统中，列车的定位主要依据地面的应答器信息，当列车经过地面应答器时，车载应答器天线激活地面应答器，并接收应答器发送的应答器报文，应答器报文中包括应答器标识信息、应答器链接信息等。
如图1所示，车载信号设备主要由车载ATP(Automatic Train Control列车自动控制系统)、ATO(Automatic Train Operation列车自动运行系统)、MMI(Man MachineInterface人机接口)、BTM(Balise Transfer Module应答器传输模块)组成，其中BTM为列车的定位设备，用于从车载应答器天线中获取地面应答器信息，并将信息发送给车载ATP，车载ATP通过在电子地图中标识的对应应答器坐标来获取列车的初始位置，在列车初始定位的基础上，结合速度信息及连续的应答器信息，对列车的定位进行校正，这就是列车定位的建立和校正原理。
在既有的CBTC信号系统中，车辆首尾两端分别安装一套BTM定位设备。本端车载ATP只能采集到本端BTM设备的数据，且首尾端车载ATP之间没有定位信息交互，若本端BTM故障，则导致本端的车载ATP无法投入使用，严重降低了车载ATP系统的可用性。
对于技术交底书中出现的英文缩写或专业技术名词需要给出解释，对于英文缩写，还要有英文全拼及译文。
CBTC：Communication Based Train Control System基于通信的列车自动控制
FAO：Fully Automatic Operation全自动无人驾驶信号系统
ATP：Automatic Train Control列车自动控制系统
ATO：Automatic Train Operation列车自动运行系统
MMI：Man Machine Interface人机接口
BTM：Balise Transfer Module应答器传输模块
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：现有CBTC信号系统中，车辆首尾端车载ATP之间没有定位信息交互，若本端BTM故障，则导致本端的车载ATP无法投入使用，严重降低了车载ATP系统的可用性。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种城轨列车定位设备首端车载ATP实用性提升方法，包括
S1，在CBTC信号系统中，车辆的首尾两端分别安装一套BTM定位设备；
S2，车辆首尾两端的车载ATP设有交互通道；
S3，车辆首尾两端的车载ATP交互通道进行信息交互，交互的信息包括定位信息；
S4，利用交互信息，完成首尾两端时间分布和尾端定位，在首端出现故障的情况下，根据下列情况确定是否使用尾端信息：
若交互的信息中，首尾两端的信息无差异或者差异在预先设定的阈值内，则首尾两端都无问题，在首端出现故障的情况下，可使用尾端信息；
若交互的信息中，首尾两端的信息有差异，且差异不在预先设定的阈值内，则尾端存在问题，在首端出现故障的情况下，不可使用尾端信息。
进一步，步骤S4中，定位信息的阈值是定位误差为25m。
进一步，步骤S3中，交互的信息还包括安全包络信息、道岔信息和时间同步信息；
安全包络信息包括置信位置、最大安全前端、最小安全前端、最大安全后端、最小安全后端。
进一步，首尾端车载ATP进行时间同步，通过互相交互时间同步信息来实现，尾端ATP预先配置时间发送校时请求，尾端收到校时请求帧后，在相应帧中发送回复时间同步信息；尾端通过回复的时间同步信息来计算两个时钟的偏移，从而进行校时。
交互的时间同步信息如下表所示：
进一步，在首端设备故障时，首端ATP使用尾端定位，如果安全包络扩大超过允许阈值，则ATP输出紧急制动；
在首尾端经过时间同步的前提下，对于收到的任意一帧信息，首端均可以获得尾端的测量时间，进而计算通信帧的传输延时，利用传输延时计算定位及速度信息的误差；
设车辆的极限加速度为amin和amax，极限速度为vmin和vmax，传输延迟为t.
首端ATP收到时间t之前的尾端ATP定位信息s，在最不利情况下，车辆以极限速度运动，则由延时t造成的定位误差为[vmint，vmaxt]。
(三)有益效果
与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：
本发明所述方法在首端定位设备发生故障时，可以使用尾端定位信息维持自身定位，提高了系统可用性。首端ATP切换到尾端ATP的定位时瞬间安全包络可能会扩大，在最不利的情况下安全包络超过最大允许范围，ATP输出紧急制动。由于尾端ATP在运行过程中根据首端定位信息进行了包络收缩，使得正常情况下首尾包络偏差不大，降低了安全包络超过最大允许范围的概率。
附图说明
图1为车载信号设备组成示意图。
图2为车载通信网组网示意图。
图3为本发明本端BTM信息与对端ATP定位信息交互示意图。
图4为实施例中尾端定位示意图。
图5为实施例中尾端定位时，尾端BTM天线经过应答器示意图。
图6为实施例中尾端定位时，首端BTM天线经过应答器示意图。
图7为首端位置不确定性示意图。
具体实施方式
本发明中，本端指首端，对端指尾端。
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
实施例1
一种城轨列车定位设备首端车载ATP实用性提升方法，包括
S1，在CBTC信号系统中，车辆的首尾两端分别安装一套BTM定位设备；
S2，车辆首尾两端的车载ATP设有交互通道；
如图2所示，车载通信网通过以太网组网，保证了冗余数据的传输量及通信速率；首尾端车载ATP通过车载通信网进行通信，并对定位信息进行冗余和通信处理。
S3，车辆首尾两端的车载ATP交互通道进行信息交互；
如图3所示，本端的车载ATP采集本端BTM信息并与对端ATP进行定位信息交互，同时首尾端车载ATP进行时间同步，以保证交换数据的时效性，从而提高车载系统的可用性。
首端和尾端交互的信息相同，包括定位信息、安全包络信息、道岔信息和时间同步信息，如下表所示：
其中：定位信息用于尾端车载ATP的定位校正，备注栏里的内容是定位信息有效的先决条件。安全包络信息和道岔信息用于尾端搜索进路列表和应答器列表，备注栏里的内容是其一部分。
S4，利用交互信息，完成首尾两端时间分布和尾端定位；
尾端处理首端BTM接收的应答器信息建立定位，建立定位的条件与首端一致。尾端建立定位的过程不依赖于首端信息。
尾端处理首端的测速测距设备信息，完成运行速度测量和运行距离累加。尾端维护定位的过程不依赖于首端信息，如图4所示。
在车辆运行过程中，尾端需要使用首端定位信息校正本端的位置，则尾端进行位置校正和安全包络收缩分为两种情况：
情况1：尾端BTM天线经过应答器，此时尾端根据当前应答器校正位置，收缩位置不确定性为：校位固定误差，如图5所示；
情况2：首端BTM天线经过应答器，首端根据当前应答器校正位置，收缩位置不确定性为：校位固定误差。尾端根据首端发送的应答器信息和安全包络信息进行位置校正。如果校正后包络收缩则进行位置校正，调整当前位置不确定性为：校位固定误差+时间同步误差导致的包络扩大；否则不进行位置校正，如图6所示。
在首端出现故障的情况下，根据下列情况确定是否使用尾端信息：
若交互的信息中，首尾两端的信息无差异或者差异在预先设定的阈值内，如定位信息的阈值是定位误差为25m，则首尾两端都无问题，在首端出现故障的情况下，可使用尾端信息；
若交互的信息中，首尾两端的信息有差异，且差异不在预先设定的阈值内，则尾端存在问题，在首端出现故障的情况下，不可使用尾端信息。
当首端设备故障且尾端设备正常时，首端直接使用尾端的定位和速度信息。由于首尾时间同步存在误差，因此首端使用尾端的定位和速度时会引入额外的误差，会导致安全包络扩大和速度测量误差增大。
此时首端的位置不确定性为：校位固定误差+时间同步误差导致的包络误差+空转打滑导致的校位误差+未校位行驶距离的2％。
首端使用尾端速度进行监控限速时，增加由首尾传输延时导致的测速误差。首端使用尾端速度进行零速和停稳判断时，不增加由首尾传输延时导致的测速误差。
首尾时间同步
首尾端车载ATP应进行时间同步，可通过互相交互时间同步信息来实现，尾端ATP预先配置时间发送校时请求，尾端收到校时请求帧后，在相应帧中发送回复时间同步信息。尾端通过回复的时间同步信息来计算两个时钟的偏移，从而进行校时。交互的时间同步信息如下表所示：
如条件允许，首尾端的时间同步也可采用精度更高的1588时间同步协议来实现。
位置不确定性计算
在首端设备故障时，首端ATP使用尾端定位，可能会导致安全包络在切换瞬间发生变化，如果安全包络扩大超过允许阈值，则ATP输出紧急制动。
由于首端ATP与尾端ATP传输存在延时，导致首端收到的尾端定位及速度信息并非当前测量值，而是历史测量值。所以首端ATP不能直接使用尾端ATP的定位及速度信息。
在首尾端经过时间同步的前提下，对于收到的任意一帧信息，首端均可以获得尾端的测量时间，进而计算通信帧的传输延时。利用传输延时计算定位及速度信息的误差。
设车辆的极限加速度为amin和amax，极限速度为vmin和vmax，传输延迟为t.
首端ATP收到时间t之前的尾端ATP定位信息s，在最不利情况下，车辆以极限速度运动，则由延时t造成的定位误差为
[vmint，vmaxt]
因此在首端ATP使用尾端定位信息时，在计算位置不确定性时增加|vmint|，|vmaxt|即可，如图7所示。
本发明中具备首尾设备冗余功能的ATP在首端定位设备发生故障时，可以使用尾端定位信息维持自身定位，提高了系统可用性。
首端ATP切换到尾端ATP的定位时瞬间安全包络可能会扩大，在最不利的情况下安全包络超过最大允许范围，ATP输出紧急制动。由于尾端ATP在运行过程中根据首端定位信息进行了包络收缩，使得正常情况下首尾包络偏差不大，降低了安全包络超过最大允许范围的概率。
当首端ATP设备故障时，首端ATP使用尾端ATP定位和速度信息。相比本端未故障时，安全包络会扩大，限速会压低，导致可用性降低。
设延迟t＝100ms，最大加速度amax＝1.3m/s2，最大速度vmax＝20m/s，则由延迟增加的包络为Δs＝vmaxt＝2m，由延迟增加的测速误差Δv＝amaxt＝0.13m/s。
Claims (6)
1.一种城轨列车定位设备首端车载ATP实用性提升方法，其特征在于，包括
S1，在CBTC信号系统中，车辆的首尾两端分别安装一套BTM定位设备；
S2，车辆首尾两端的车载ATP设有交互通道；
S3，车辆首尾两端的车载ATP交互通道进行信息交互，交互的信息包括定位信息；
S4，利用交互信息，完成首尾两端时间分布和尾端定位，在首端出现故障的情况下，根据下列情况确定是否使用尾端信息：
若交互的信息中，首尾两端的信息无差异或者差异在预先设定的阈值内，则首尾两端都无问题，在首端出现故障的情况下，可使用尾端信息；
若交互的信息中，首尾两端的信息有差异，且差异不在预先设定的阈值内，则尾端存在问题，在首端出现故障的情况下，不可使用尾端信息。
2.根据权利要求1所述城轨列车定位设备首端车载ATP实用性提升方法，其特征在于，步骤S4中，定位信息的阈值是定位误差为25m。
3.根据权利要求1所述城轨列车定位设备首端车载ATP实用性提升方法，其特征在于，步骤S3中，交互的信息还包括安全包络信息、道岔信息和时间同步信息；
安全包络信息包括置信位置、最大安全前端、最小安全前端、最大安全后端、最小安全后端。
4.根据权利要求1所述城轨列车定位设备首端车载ATP实用性提升方法，其特征在于，首尾端车载ATP进行时间同步，通过互相交互时间同步信息来实现，尾端ATP预先配置时间发送校时请求，尾端收到校时请求帧后，在相应帧中发送回复时间同步信息；尾端通过回复的时间同步信息来计算两个时钟的偏移，从而进行校时。
5.根据权利要求4所述城轨列车定位设备首端车载ATP实用性提升方法，其特征在于，交互的时间同步信息如下表所示：
6.根据权利要求1所述城轨列车定位设备首端车载ATP实用性提升方法，其特征在于，在首端设备故障时，首端ATP使用尾端定位，如果安全包络扩大超过允许阈值，则ATP输出紧急制动；
在首尾端经过时间同步的前提下，对于收到的任意一帧信息，首端均可以获得尾端的测量时间，进而计算通信帧的传输延时，利用传输延时计算定位及速度信息的误差；
设车辆的极限加速度为amin和amax，极限速度为vmin和vmax，传输延迟为t.
首端ATP收到时间t之前的尾端ATP定位信息s，在最不利情况下，车辆以极限速度运动，则由延时t造成的定位误差为[vmint，vmaxt]。
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