CN116923502B - 一种多路权网络化运行的列车自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轨道交通技术领域，公开一种多路权网络化运行的列车自动控制系统，包括：网络化列车监控子系统，用于根据线网运行计划，编制当日运行图并将运行图信息、设置线路的临时速度限制信息和运行调整信息；并周期接收列车运行信息；线网控制子系统，用于接收当日运行图信息、临时限速信息、运行调整信息和列车运行信息；计算并发送每列通信列车的移动授权信息和线路运行信息；列车车载控制子系统，用于获取列车运行信息和列车运行环境感知障碍物信息；并根据移动授权信息和线路运行信息，结合运行环境感知障碍物信息，进行融合决策确定运行策略。本发明实现了多种路权网络化运行的列车自动控制技术，保障系统整体运行安全。

Description

一种多路权网络化运行的列车自动控制系统

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，特别涉及一种多路权网络化运行的列车自动控制系统。

背景技术

基于通信的列车控制系统（Communication Based Train Control System）简称CBTC系统，主要适用于独立路权系统，因为其运行路径是完全封闭式处理，在列车运行控制的过程中，仅考虑轨旁基础设备的状态和列车与线路的运行关系。其中，轨旁基础设备为线路固定位置，因此只进行这类设备的状态控制和采集，通过正常和异常状态进行控制列车处理，影响列车行径下的移动授权区域；线路其他列车由于在固定轨道运行，其运行位置、状态等信息都可实时进行监控，其存在前后、相对、相向等状态，相对半独立路权和混合路权运行路径相对简单、可控度高。

基于通信的CBTC系统的架构相对于独立路权系统可控度高，但是对于半独立路权的路口通行、线路路径上的随机危险障碍物（如：人、车、大型动物）等防护能力不足。对于混合路权（公交车、社会车辆混行）更是无法满足对列车安全运行的控制，整体来讲基于通信的CBTC系统对半独立路权和混合路权的安全防护能力不足，无法达到安全行车的要求。

同时，基于通信的CBTC系统通过计轴系统、应答器系统和轨道电路系统来进行列车运行位置的确定，且这类系统需要独立的路权进行安装，对安装条件限制性很大且整体成本较高，不利于在半独立路权和混合路权大面积应用。

此外，现行基于通信的CBTC系统为基础的互联互通技术，是建立在多年各家技术封闭的条件下，整合各家的需求针对系统间的功能进行最大集合的接口梳理。该方案缺乏初期的系统顶层设计，属于各方妥协的集合性方案，虽然满足线路间的互联互通运行条件，但是对于大规模的线网运行，存在接口复杂、系统间接口众多、需求实现方案不统一等突出问题，无法满足区域性大规模线网级网路化运行控制的需求。

发明内容

本发明提供了一种多路权网络化运行的列车自动控制系统，以解决现有技术中的上述相关技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种多路权网络化运行的列车自动控制系统，包括：网络化列车监控子系统、线网控制子系统和列车车载控制子系统，其中，

网络化列车监控子系统，用于根据线网运行计划，编制当日运行图并将运行图信息、设置线路的临时速度限制信息和运行调整信息；并周期接收列车运行信息；

线网控制子系统，用于不定周期接收网络化列车监控子系统输入的当日运行图信息、临时限速信息和运行调整信息，周期接收列车运行信息；并根据接收的当日运行图信息、临时限速信息和运行调整信息和列车运行信息，综合线网列车运行状态，计算每列通信列车的移动授权信息，根据当日运行图信息中当列车的运行计划和运行调整信息，周期性发送移动授权信息和线路运行信息至每列通信列车；

列车车载控制子系统，用于周期获取列车运行信息和列车运行环境感知障碍物信息；并根据线网控制子系统输入的移动授权信息和线路运行信息，结合运行环境感知障碍物信息，进行融合决策确定运行策略。

其中，所述网络化列车监控子系统和所述线网控制子系统均采用同一套安全云平台作为逻辑运行环境。

其中，所述列车运行信息包括：列车位置信息、列车速度信息和列车状态信息。

其中，所述列车车载控制子系统通过测速定位模块周期获取列车运行信息，通过运行环境感知模块获取列车运行环境感知障碍物信息。

其中，所述测速定位模块包括：北斗定位模块，用于接收北斗的位置、方向和速度信息；BTM通信模块，用于接收BTM设备输入的应答器报文信息；测速模块，用于采集两个冗余的速度传感器和一个加速度传感器的速度信息，并根据采集的速度信息对速度进行融合计算；逻辑处理模块，用于根据北斗定位模块、BTM通信模块、测速模块输入的信息，综合处理确定列车的运行速度和线路位置以及列车状态。

其中，所述运行环境感知模块包括：摄像机信息处理模块，用于接收长焦工业摄像机和短焦工业摄像机的图像信息；雷达信息处理模块，用于接收激光雷达和毫米波雷达的点云信息；逻辑处理模块，用于根据信息摄像机信息处理模块和雷达信息处理模块输入的潜在障碍物信息，综合处理确定列车运行环境感知障碍物信息。

其中，所述运行策略可包括：在独立路权下，列车车载控制子系统使用移动授权和线路运行信息作为运行策略规划，同时结合运行环境感知障碍物信息进行防护，最终周期输出控制信息指挥列车运行。

另外，所述运行策略还可包括：在半独立路权下，使用移动授权和线路运行信息作为运行策略规划，同时结合运行环境感知障碍物信息，采用移动授权、运行路径和障碍物防护融合的行车方案，以运行环境感知障碍物信息作为列车运行防护策略，当检测到按照移动授权下的运行路径环境存在不利于行车的障碍物信息时，主动进行列车运行防护。

此外，所述运行策略还可包括：在混合路权下，使用移动授权和线路运行信息作为运行策略规划，同时结合运行环境感知障碍物信息，采用移动授权、运行路径和障碍物防护融合的行车方案，以运行环境感知障碍物信息作为列车运行防护策略，当检测到按照移动授权下的运行路径环境存在不利于行车的障碍物信息时，主动进行列车运行防护；当具备更优运行路径时，控制列车进行运行路径调整。

本发明实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

通过设计基于云计算的安全平台满足网络化列车监控子系统和线网控制子系统的运行安全和网络化运营下的资源动态扩展和算力提升；满足列车车载控制子系统的运算、存储和通信，具备接口扩展、算力扩展和存储扩展能力，为多路权下的测速、定位、环境感知和运行策略运算提供承载平台；

通过设计的北斗定位、固定应答器和测速传感器的融合测速定位技术满足了多种路权切换下的测速精确和定位精准，为安全行车提供基础保障；

通过设计的多传感器融合运算的运行环境感知技术方实现了多种路权运行环境下的环境识别，为列车运行防护和列车运行路径优化确定运算数据；

通过设计针对独立路权、半独立路权和混合路权确定了不同的主动控制策略，保障系统整体运行安全。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种多路权网络化运行的列车自动控制系统的结构框图；

图2是根据一示例性实施例示出的支持网络化列车监控子系统和线网控制子系统的基于云计算的安全平台架构示意图；

图3是根据一示例性实施例示出列车车载控制子系统的设备组成示意图；

图4是根据一示例性实施例示出的融合测速定位原理示意图；

图5是根据一示例性实施例示出的多传感器融合运算的运行环境感知原理示意图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本文的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本文的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。本文中，术语“第一”、“第二”等仅被用来将一个元素与另一个元素区分开来，而不要求或者暗示这些元素之间存在任何实际的关系或者顺序。实际上第一元素也能够被称为第二元素，反之亦然。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的结构、装置或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种结构、装置或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的结构、装置或者设备中还存在另外的相同要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中的术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本文和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本文的描述中，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本文中，除非另有说明，术语“多个”表示两个或两个以上。

本文中，字符“/”表示前后对象是一种“或”的关系。例如，A/B表示：A或B。

本文中，术语“和/或”是一种描述对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，表示：A或B，或，A和B这三种关系。

应该理解的是，虽然流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

本申请的装置或系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1示出了本发明的一种多路权网络化运行的列车自动控制系统的一个实施例。

在该可选实施例中，所述多路权网络化运行的列车自动控制系统，包括：网络化列车监控子系统101、线网控制子系统103和列车车载控制子系统105，其中，

网络化列车监控子系统101，用于根据线网运行计划，编制当日运行图并将运行图信息、设置线路的临时速度限制信息和运行调整信息；并周期接收列车运行信息；

线网控制子系统103，用于不定周期接收网络化列车监控子系统输入的当日运行图信息、临时限速信息和运行调整信息，周期接收列车运行信息；并根据接收的当日运行图信息、临时限速信息和运行调整信息和列车运行信息，综合线网列车运行状态，计算每列通信列车的移动授权信息，根据当日运行图信息中当列车的运行计划和运行调整信息，周期性发送移动授权信息和线路运行信息至每列通信列车；

列车车载控制子系统105，用于周期获取列车运行信息和列车运行环境感知障碍物信息；并根据线网控制子系统输入的移动授权信息和线路运行信息，结合运行环境感知障碍物信息，进行融合决策确定运行策略。

在该可选实施例中，所述列车运行信息包括：列车位置信息、列车速度信息和列车状态信息，而所述运行策略可包括：在独立路权下，列车车载控制子系统使用移动授权和线路运行信息作为运行策略规划，同时结合运行环境感知障碍物信息进行防护，最终周期输出控制信息指挥列车运行。在半独立路权下，使用移动授权和线路运行信息作为运行策略规划，同时结合运行环境感知障碍物信息，采用移动授权、运行路径和障碍物防护融合的行车方案，以运行环境感知障碍物信息作为列车运行防护策略，当检测到按照移动授权下的运行路径环境存在不利于行车的障碍物信息时，主动进行列车运行防护。在混合路权下，使用移动授权和线路运行信息作为运行策略规划，同时结合运行环境感知障碍物信息，采用移动授权、运行路径和障碍物防护融合的行车方案，以运行环境感知障碍物信息作为列车运行防护策略，当检测到按照移动授权下的运行路径环境存在不利于行车的障碍物信息时，主动进行列车运行防护；当具备更优运行路径时，控制列车进行运行路径调整。

而对于所述网络化列车监控子系统101和所述线网控制子系统103来说，所述网络化列车监控子系统101和所述线网控制子系统103均采用同一套安全云平台作为逻辑运行环境。

安全云平台则如图2所示由形成主、备模式的两个独立设备组成，单个设备中包括：

1）基础安全云平台资源（底层硬件），由基于多核CPU的计算板卡、存储板卡、信息安全处理板卡、网络通信板卡和接口扩展板卡组成。

基于多核CPU的计算板卡归云管平台纳管并对上层提供计算资源，支持计算资源扩展。而存储板卡则归云管平台纳管并对上层提供计算资源，支持存储资源扩展。信息安全处理板卡归云管平台纳管并对上层提供经信息安全处理模块处理后的数据。网络通信板卡归云管平台纳管并对上层提供网络资源，信息经过网络通信板卡输入至信息安全处理模块，支持网络资源扩展。接口扩展板卡根据平台需要接入的外部接口进行接口集成和扩展。

2）云管理平台实现对计算、存储、网络、信息安全处理和接口扩展的资源纳管。通过Hypervisor（虚拟化）技术实现资源隔离，从硬件底层（基础安全云平台资源）逐层向上包括硬件隔离和虚拟化隔离。虚拟化隔离通过不同操作系统（安全的、非安全的）实现业务系统的独立性，保障系统的安全可靠和弹性灵活兼备。

3）业务系统采用虚拟机运行，通过虚拟机的隔离性特征对业务系统进行独立，虚拟机上运行安全的操作系统（safty OS）或者非安全的操作系统（unsafety OS），生层运行业务系统。

具体使用时，网络化列车监控子系统101在隔离的虚拟机上运行安全的操作系统（safty OS）、安全平台软件和网络化列车监控应用软件。线网控制子系统103在隔离的虚拟机上运行安全的操作系统（safty OS）、安全平台软件和线网控制器应用软件，并采用两个完全虚拟化独立的线网控制器系统构成2取2的逻辑。其他非安全系统（如维护系统）在隔离的虚拟机上运行非安全的操作系统（unsafty OS）和应用软件即可满足应用要求。

4）由两套独立的云计算的安全平台设备实现业务系统的主、备，业务系统的主、备切换由业务系统的安全平台软件之间完成切换的信息交互和逻辑实现，通过网络断线检测、平台健康诊断进行主备系的状态加权，由加权值高的担任业务系统主系。

而对于列车车载控制子系统105来说，列车车载控制子系统105的设备组成则如图3所示，其由3个3U的机笼和模块化硬件板卡组成，设备中包括：

1）热备架构的休眠唤醒子子系统，通过热备增强系统的可靠性和可用性，包括：电源板卡：热、备各模块的电源供应；继电器板卡：通过继电器的控制节点，完成外部通断和内部控制解耦；继电器扩展板卡：扩展控制外部节点的数量；基础接口板卡：执行外部数据的读取、下载的接口适配；输入输出板卡：执行外部连接的节点的输入采集和输出控制；输入输出扩展板卡：扩展外部输入采集和输出控制节点的数量；专用接口板卡：对接外部不同车辆通信协议；通信板卡：系统内部与系统外部的网络通信处理；休眠唤醒板卡：执行外部调度对列车车载控制子系统的休眠、唤醒操作。

2）主备架构的车载防护和自动驾驶子子系统，通过2乘2取2的架构保证系统的安全性、可靠性、可用性和可维护性，单系（主系或者备系）包括：电源板卡：热、备各模块的电源供应；摄像机信息处理板卡：外接长焦工业摄像机和短焦工业摄像机，采集运行环境图像信息；雷达信息处理板卡：外接激光雷达和毫米波雷达，采集运行环境点云信息；继电器板卡：通过继电器的控制节点，完成外部通断和内部控制解耦；继电器扩展板卡：扩展控制外部节点的数量；基础接口板卡：执行外部数据的读取、下载的接口适配；一般输入输出板卡：执行外部非安全的节点的输入采集和输出控制；安全输出板卡：执行外部安全类节点的输出控制；安全输出扩展板卡：扩展外部安全输出控制节点的数量；安全输入板卡：执行外部安全类节点的输出控制；安全输入扩展板卡：扩展外部安全输出控制节点的数量；测速接口板卡：采集外部速度传感器和加速度传感器信息；北斗通信接口模块：对接北斗定位设备实现列车位置信息计算；切换板卡：完成主、备系的切换；逻辑主控板卡-I-A、逻辑主控板卡-I-B:I系的2取2逻辑处理模块，处理列车防护和列车自动驾驶逻辑功能；通信板卡：系统内部与系统外部的网络通信处理；通信扩展（BTM）：连接BTM读取设备，接收BTM报文信息。

在该可选实施例中，所述列车车载控制子系统105通过测速定位模块周期获取列车运行信息，通过运行环境感知模块获取列车运行环境感知障碍物信息。

如图4所示，所述测速定位模块则包括：北斗定位模块，用于接收北斗的位置、方向和速度信息；BTM通信模块，用于接收BTM设备输入的应答器报文信息；测速模块，用于采集两个冗余的速度传感器和一个加速度传感器的速度信息，并根据采集的速度信息对速度进行融合计算；逻辑处理模块，用于根据北斗定位模块、BTM通信模块、测速模块输入的信息，综合处理确定列车的运行速度和线路位置以及列车状态。

具体使用时，当处于地下线路（独立路权）时，融合测速定位步骤则为：步骤一：地下段线路（独立路权）铺设应答器；步骤二：BTM通信模块，接收BTM设备输入的应答器报文信息，并输入至逻辑处理模块；步骤三：测速模块周期采集两个冗余的速度传感器和一个加速度传感器的信息，并由测速模块实现对速度的融合计算；融合计算采用冗余的速度传感器作为主要速度信息检测，加速度信息作为速度校准进行融合。步骤四：逻辑处理模块根据应答器报文获取当前列车通过的位置信息，进行位置信息更新；根据测速模块输入的速度信息，结合列车运行时间，计算列车走行距离，并根据上一个周期更新的列车位置进行走行距离累加，得到新的列车位置信息。

而当处于地上线路，融合测速定位步骤则为：步骤一：地下段（独立路权）与地上段衔接线路处铺设地下段终止应答器，地上段线路不再铺设应答器；步骤二：北斗定位模块，接收北斗卫星输入的位置、速度和方向信息，并输入至逻辑处理模块；步骤三：测速模块周期采集两个冗余的速度传感器和一个加速度传感器的信息，并由测速模块实现对速度的融合计算；融合计算采用冗余的速度传感器作为主要速度信息检测，加速度信息作为速度校准进行融合。步骤四：逻辑处理模块根据北斗模块输入的位置、速度和方向信息，进行周期列车运行位置信息更新；根据测速模块输入的速度信息，结合列车运行时间，计算列车走行距离，并根据上一个周期更新的列车位置进行走行距离累加，得到新的列车位置信息。

如图5所示，所述运行环境感知模块包括：摄像机信息处理模块，用于接收长焦工业摄像机和短焦工业摄像机的图像信息；雷达信息处理模块，用于接收激光雷达和毫米波雷达的点云信息；逻辑处理模块，用于根据信息摄像机信息处理模块和雷达信息处理模块输入的潜在障碍物信息，综合处理确定列车运行环境感知障碍物信息。

具体使用时，基于多传感器融合运算的运行环境感知步骤为：步骤一：摄像机信息处理模块周期采集长焦工业摄像机的图像信息和短焦工业摄像机的图像信息，通过识别算法进行探测、分类、识别和认清，形成远距离障碍物、近距离障碍物和重合区障碍物信息，并将障碍物信息传送至逻辑处理模块。步骤二：雷达信息处理模块周期接收激光雷达和毫米波雷达的点云信息，通过障碍物的三维位置X、Y、Z和反射强度信息，通过融合算法实现障碍物的识别，并将障碍物信息传送至逻辑处理模块。步骤三：逻辑处理模块根据雷达信息处理模块和摄像机信息处理模块输入的障碍物信息，结合线网控制子系统输入的列车移动授权信息，综合处理形成列车当前可运行路径。

本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (6)

1.一种多路权网络化运行的列车自动控制系统，其特征在于，包括：

网络化列车监控子系统，用于根据线网运行计划，编制当日运行图并将运行图信息、设置线路的临时速度限制信息和运行调整信息；并周期接收列车运行信息；

线网控制子系统，用于不定周期接收网络化列车监控子系统输入的当日运行图信息、临时限速信息和运行调整信息，周期接收列车运行信息；并根据接收的当日运行图信息、临时限速信息和运行调整信息和列车运行信息，综合线网列车运行状态，计算每列通信列车的移动授权信息，根据当日运行图信息中当列车的运行计划和运行调整信息，周期性发送移动授权信息和线路运行信息至每列通信列车；

列车车载控制子系统，用于周期获取列车运行信息和列车运行环境感知障碍物信息；并根据线网控制子系统输入的移动授权信息和线路运行信息，结合运行环境感知障碍物信息，进行融合决策确定运行策略；

所述运行策略包括：

在独立路权下，列车车载控制子系统使用移动授权和线路运行信息作为运行策略规划，同时结合运行环境感知障碍物信息进行防护，最终周期输出控制信息指挥列车运行；

在半独立路权下，使用移动授权和线路运行信息作为运行策略规划，同时结合运行环境感知障碍物信息，采用移动授权、运行路径和障碍物防护融合的行车方案，以运行环境感知障碍物信息作为列车运行防护策略，当检测到按照移动授权下的运行路径环境存在不利于行车的障碍物信息时，主动进行列车运行防护；

在混合路权下，使用移动授权和线路运行信息作为运行策略规划，同时结合运行环境感知障碍物信息，采用移动授权、运行路径和障碍物防护融合的行车方案，以运行环境感知障碍物信息作为列车运行防护策略，当检测到按照移动授权下的运行路径环境存在不利于行车的障碍物信息时，主动进行列车运行防护；当具备更优运行路径时，控制列车进行运行路径调整。

2.根据权利要求1所述的多路权网络化运行的列车自动控制系统，其特征在于，所述网络化列车监控子系统和所述线网控制子系统均采用同一套安全云平台作为逻辑运行环境。

3.根据权利要求1所述的多路权网络化运行的列车自动控制系统，其特征在于，所述列车运行信息包括：列车位置信息、列车速度信息和列车状态信息。

4.根据权利要求1所述的多路权网络化运行的列车自动控制系统，其特征在于，所述列车车载控制子系统通过测速定位模块周期获取列车运行信息，通过运行环境感知模块获取列车运行环境感知障碍物信息。

5.根据权利要求4所述的多路权网络化运行的列车自动控制系统，其特征在于，所述测速定位模块包括：

北斗定位模块，用于接收北斗的位置、方向和速度信息；

BTM通信模块，用于接收BTM设备输入的应答器报文信息；

测速模块，用于采集两个冗余的速度传感器和一个加速度传感器的速度信息，并根据采集的速度信息对速度进行融合计算；

逻辑处理模块，用于根据北斗定位模块、BTM通信模块、测速模块输入的信息，综合处理确定列车的运行速度和线路位置以及列车状态。

6.根据权利要求4所述的多路权网络化运行的列车自动控制系统，其特征在于，所述运行环境感知模块包括：

摄像机信息处理模块，用于接收长焦工业摄像机和短焦工业摄像机的图像信息；

雷达信息处理模块，用于接收激光雷达和毫米波雷达的点云信息；

逻辑处理模块，用于根据信息摄像机信息处理模块和雷达信息处理模块输入的潜在障碍物信息，综合处理确定列车运行环境感知障碍物信息。