CN210122120U - 融合障碍物检测的cbtc无人驾驶车载控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种融合障碍物检测的CBTC无人驾驶车载控制系统，包括CBTC无人驾驶车载控制系统机柜以及设于CBTC无人驾驶车载控制系统机柜中的障碍物检测系统主机、唤醒模块、ATP及ATO子系统，ATP及ATO子系统与障碍物检测系统主机及唤醒模块通讯连接，障碍物检测系统主机与非接触式远距离障碍物检测子系统和/或接触式障碍物检测子系统通讯连接，障碍物检测系统主机将检测到的障碍物信息传输给ATP。本实用新型可以实现CBTC无人驾驶车载控制系统的ATP及ATO子系统与障碍物检测及预警的融合，提高列车无人运行控制的安全性。

Description

融合障碍物检测的CBTC无人驾驶车载控制系统

技术领域

本实用新型涉及轨道交通技术，具体涉及CBTC无人驾驶车载控制系统。

背景技术

现有CBTC无人驾驶车载控制系统，是在ATP系统提供列车运行间隔控制、超速防护、车门和站台门监督等安全防护功能，采用连续速度-距离曲线控制模式进行列车控制，符合故障-安全原则的基础上，ATO系统根据线路条件、运营计划等信息自动完成车站定点停车、定时发车、站间驾驶、车门控制以及相应调度安排的功能，从而实现列车在既定线路的无人驾驶列车自动运行。

无人驾驶列车在行进过程中，不单单受限于线路条件、运营计划等控制，列车受到轨道以及隧道内障碍物的侵入，也应对列车行进状态进行处理，目前采用的技术方案，障碍物检测装置探测到障碍物的冲击力大于预设值则触发制动信号,该制动信号与列车制动回路相连。ATP子系统是保证列车运行安全的设备，提供列车运行间隔控制、超速防护、车门和站台门监督等安全防护功能。但是由于障碍物检测装置的检测信息并没有告知ATP子系统，因而无人驾驶车载控制系统确无法预知及进行列车运行控制处理，为进一步普及无人驾驶列车运行带来了隐患。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题就是提供一种融合障碍物检测的CBTC无人驾驶车载控制系统，提高列车无人运行控制的安全性。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：融合障碍物检测的 CBTC无人驾驶车载控制系统，包括CBTC无人驾驶车载控制系统机柜以及设于CBTC无人驾驶车载控制系统机柜中的障碍物检测系统主机、唤醒模块、ATP及 ATO子系统，ATP及ATO子系统与障碍物检测系统主机及唤醒模块通讯连接，障碍物检测系统主机与非接触式远距离障碍物检测子系统和/或接触式障碍物检测子系统通讯连接，障碍物检测系统主机将检测到的障碍物信息传输给ATP。

可选的，在车头和车尾均设置所述CBTC无人驾驶车载控制系统，分别作为主备系统。

可选的，所述非接触式远距离障碍物检测子系统包括摄像机和/或激光和/ 或雷达和/或超声波传感器和/或红外传感器。

可选的，所述接触式障碍物检测子系统包括检测横梁、与车辆固定的检测装置安装板以及与检测横梁连接的安装件，所述安装件与检测装置安装板弹性浮动连接，所述安装件与检测装置安装板之间设有检测该检测横梁受到障碍物冲击力的力传感器。

可选的，所述接触式障碍物检测子系统还包括用于调节检测横梁高度的高度调节机构，所述高度调节机构包括与检测横梁连接的高度调节支架，所述安装板为对应高度调节支架设置的高度调节支架安装件，所述高度调节支架可相对高度调节支架安装件调节高度并通过锁紧结构锁紧，以使高度调节支架高度固定，所述高度调节支架安装件与检测装置安装板弹性浮动连接。

可选的，所述高度调节支架安装件与检测装置安装板之间设有导向螺栓，所述导向螺栓在高度调节支架安装件与检测装置安装板之间外套有弹性元件。

可选的，所述检测横梁上安装有测量检测横梁与轨面高度差变化的测距传感器。

可选的，所述检测横梁通过带螺纹销钉与螺母配合安装在高度调节支架上，所述高度调节支架设有U型口且U型口两侧壁上下平行，所述检测横梁穿过U 型口，所述带螺纹销钉穿过U型口两侧壁，所述带螺纹销钉在检测横梁与U型口上侧壁之间外套弹性件。

可选的，所述检测横梁的两端设有向后延伸的倾斜部或者曲线部，用于在列车行进过程将小障碍物清除到轨道之外。

本实用新型采用上述技术方案，具有如下有益效果：

1、实现障碍物检测系统与ATP的通信，障碍物检测及预警系统将障碍物的识别信息实时反馈给ATP系统，可以实现CBTC无人驾驶车载控制系统的ATP及 ATO子系统与障碍物检测及预警的高度融合，提高列车无人运行控制的安全性。

2、接触式远距离障碍物检测子系统对障碍物进行预判，接触式障碍物检测子系统通过机械部件与障碍物接触，判别障碍物的危险情况。接触式障碍物检测与非接触障碍物进行融合，作为非接触检测的有效补充。

本实用新型的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图进行详细的说明。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型无人驾驶车载控制系统示意图；

图2为本实用新型接触式障碍物检测子系统结构示意图；

图3为电气元件盒内部结构示意图；

图4为高度调节机构的结构示意图；

图5为检测横梁的结构示意图；

图6为CBTC无人驾驶车载控制系统机柜结构示意图。

具体实施方式

参考图1所示，融合障碍物检测的CBTC无人驾驶车载控制系统，包括CC 子系统设备包括主控设备和外围设备，主控设备包括ATP、ATO、唤醒休眠模块、障碍物检测系统。外围设备包括速度传感器、雷达、BTM主机和BTM天线、司机操作显示单元(DMI)、车载TAU和天线、车辆接口单元。

其中：ATP子系统是保证列车运行安全的设备，提供列车运行间隔控制、超速防护、车门和站台门监督等安全防护功能，系统采用连续速度-距离曲线控制模式进行列车控制，符合故障-安全原则。采用高可靠性、高安全性硬件结构和软件设计以及必要的硬件、软件冗余措施来确保系统的高可靠性和高安全性。

ATO子系统根据线路条件、运营计划等信息自动完成车站定点停车、定时发车、站间驾驶、车门控制以及相应调度安排的功能。

ATO子系统与ATP子系统采用高可靠性的硬件结构和软件设计，采取冗余措施，共用部分车载硬件设备，但使用独立的CPU。

列车唤醒和休眠模块支持远程ATS人工/自动和本地按压唤醒按钮来唤醒列车，接收到唤醒命令后，发送唤醒命令给车辆，与车辆配合，实现单端发送唤醒指令使全列车设备完成唤醒。当列车运行到车辆段/停车场/存车线休眠区域停车后，ATP检查列车是否具备休眠条件，休眠条件具备后，支持远程ATS人工 /自动和本地按压休眠按钮来休眠列车。

障碍物检测系统包括非接触式远距离障碍物检测子系统和接触式障碍物检测子系统。

参考图6所示，障碍物检测系统主机102、BTM主机103、唤醒模块104、主系ATP及ATO子系统105、备系ATP及ATO子系统106安装于CBTC无人驾驶车载控制系统机柜101中，ATP及ATO子系统与障碍物检测系统主机、BTM主机、唤醒模块通讯连接障碍物检测系统主机与非接触式远距离障碍物检测子系统和 /或接触式障碍物检测子系统通讯连接，障碍物检测系统主机将检测到的障碍物信息传输给ATP。

所述非接触式远距离障碍物检测子系统在检测到列车运行前方轨道存在障碍物时提前输出告警信息给车载ATP，车载ATP根据告警等级对列车进行限速控制，所述接触式障碍物检测子系统在检测到列车碰撞到障碍物后输出信息给车载ATP,车载ATP立即实施紧急制动，并向ATS发送信息告警，在未人工确认障碍物清除时车载ATP不能授权列车发车。

告警级别依据障碍物的大小、在列车前方距离、拟与列车相关的碰撞位置设置为三级,告警级别分级见表1。

表1：告警分级表

当然，本领域技术人员可以理解的是，障碍物的大小、在列车前方距离、拟与列车相关的碰撞位置等告警阈值可以进行设定与修改。

参见表1，当告警级别为一级时，ATP控制列车正常前进，当告警级别为二级时，ATP施加FSB，当告警级别为三级时，ATP施加EB。

另外，ATP的轨道电子地图、速度、位置实时交互给障碍物检测系统，ATP 存储了信标及信号灯等轨道核心设备位置，尺寸信息。障碍物检测系统根据该信息对障碍物情况进行补充判别。

ATP系统慧存储信标几信号灯等轨道核心设备形状及位置，用以辅助图像识别，当图像检测实现疑似信标时，会自动调用ATP内信信标位置及尺寸进行校核，避免由于信标距离轨面过近，非接触检测系统识别误差导致列车频繁制动。同时通过图像识别出轨道的定位设备，如信号灯等，可以作为列车的辅助定位，并发送给ATP系统，实现列车位置精度的校核，利于减少列车定位设施，从而减少沿路轨设备的成本。

毫米波雷达测距和测速原理都是基于多普勒效应，其原始数据包括回波强度、距离、角度、运动状态等。通过分析处理毫米波雷达原始数据，例如回波强度，不同类型的障碍物在不同距离下的回波强度也会有所变化，如果回波强度太低可以认定该信号为噪声，再例如将原始的雷达数据点通过特定算法聚类后会得到一个区域，该区域的范围可认为是障碍物的宽度，如此通过障碍物的回波能量、距离、角度信息即可计算出障碍物相对于毫米波雷达设备的位置和轮廓。

车前视频采集的高清图像，经过图像预处理、铁轨信息检测、消除噪声干扰等步骤，采用增强图像对比度、全局最优阈值分割、局部线性检测算子等技术方法，并结合轨道电子地图，根据列车所处位置的曲率等参数计算拟合，能够有效检测复杂背景下的轨道边缘信息，获得轨道在图像中的位置坐标。

车载主机实时采集车前视频数据和雷达数据，通过雷达数据处理，获取列车前方障碍物的位置信息；通过图像分析和轨道参数运算识别出列车前方轨道限界和障碍物类别，最后通过数据融合处理得到轨道限界内的障碍物类别和位置，并结合当前列车车速和障碍物距离，发出对应3个等级的障碍物碰撞预警信息至车载CC。

非接触式远距离障碍物检测子系统包括摄像机和/或激光和/或雷达和/或超声波传感器和/或红外传感器，可以采用一种或者多种的融合，具体检测方法以及融合方法可以参考现有技术。

车载CC设备在列车头端和列车尾端各安装一套，即列车头端和列车尾端各安装一个CBTC无人驾驶车载控制系统机柜，“二乘二取二ATP+双系热备ATO”冗余架构的车载安全计算机。两套设备独立运行，并通过车内网络实时交换采集到的车辆接口输入信息。

双系热备ATO中，只有主系ATO输出牵引/制动的控制请求和门控请求。牵引制动控制命令通过MVB接口输出给车辆TCMS系统。在主系ATO发生故障的情况下，CC子系统将自动进行主备系统的切换，且该主备切换将不会影响列车的正常运行。

如图2至图5所示，接触式障碍物检测子系统，包括检测横梁6以及用于调节检测横梁高度的高度调节机构，所述高度调节机构包括高度调节支架安装件31、与检测横梁6连接的高度调节支架2，所述高度调节支架2与高度调节支架安装件31之间设有直线滑轨，通过驱动件驱动高度调节支架2沿直线滑轨调整高度。

可以选择的，高度调节支架2相对高度调节支架安装件31调节高度后通过锁紧结构锁紧，以使高度调节支架2高度固定。

其中，高度调节支架2连接有调节丝杠，调节丝杠与丝杠螺母螺纹连接形成丝杠副。在本实施例中，丝杠螺母设于元件盒3上。调节丝杠可以固定连接高度调节旋钮5，旋转高度调节旋钮5，调节丝杠转动并调节高度，从而带动高度调节支架2及检测横梁6调节高度，到达合适位置时可。由于调节丝杠具有自锁功能，因而也可以认为是锁紧结构的一部分,无需外加锁紧结构。

为了进一步防止列车在运动过程中，高度调节旋钮5松动。调节丝杠可以螺纹连接锁紧螺母4，这里锁紧螺母4也可以认为是锁紧结构的一部分。

也可以通过滚珠丝杆机构带动高度调节支架2上下运动，滚珠丝杆机构转动效率更高，但需增加锁止机构。为减少高度调节旋钮5的转动力，也可以增加蜗轮蜗杆及齿轮副等附属机构。

障碍物检测装置安装于列车转向架支架上，具体两侧分别固定于列车左右两侧的左列车转向架左安装板1和右列车转向架左安装板8，左列车转向架左安装板1和右列车转向架左安装板8分别位于两侧列车轮7的外侧。因而障碍物检测装置可以与列车头同步运动，检测横梁6垂直于列车轨道，且放置于列车轨道平面足够低的位置，这样才能最大可能的接触轨道的障碍物。当列车在运行过程中车轮与轨道摩擦会导致车轮磨损而使检测衡量与轨道平面过低，通过松开锁紧螺母4，旋转左右两侧高度调节旋钮5可以实现检测横梁6的高度调节，从而重新调整该检测横梁距离轨面的高度。

作为上述高度调节机构的变形，高度调节机构也可以采用如下设置。参考图4所示，所述高度调节支架2设有齿条22，所述驱动件包括齿轮以及与齿轮固定连接的调节丝杠，所述齿条与齿轮啮合，所述齿轮固定连接有调节丝杠，所述调节丝杠与丝杠螺母螺纹连接，同样的调节丝杠可以固定连接高度调节旋钮5，转动高度调节旋钮5可以带动齿轮旋转，齿轮旋转带动高度调节支架2上下移动。同样调节丝杠可以螺纹连接锁紧螺母4，也可以根据需要增加齿轮副，圆锥齿轮，蜗轮蜗杆等机构改变转动转速比及调整旋钮所在的位置。

通过直线滑轨可以引导高度调节支架2调节高度，防止错位，提高调整精度。直线滑轨可以采用多种形式，例如，参考图4所示，高度调节支架2设置的燕尾形或者矩形凸起21且表面为光滑面23，与高度调节支架安装件31上设置的燕尾形或者矩滑槽形成配合。

作为上述高度调节机构的变形，高度调节机构也可以采用如下设置。所述高度调节支架沿高度方向设有第一调高齿条，所述高度调节支架安装件沿高度方向设有第二调高齿条，所述第一调高齿条与第二调高齿条啮合，所述锁紧结构为将高度调节支架与高度调节支架安装件固定的锁紧螺栓。所述高度调节支架安装件沿高度方向设有调节长孔，所述高度调节支架设有固定孔，或者所述高度调节支架安装件设有固定孔，所述高度调节支架沿高度方向设有调节长孔，所述锁紧螺栓通过固定孔与调节长孔。这里，并不需要设置直线滑轨。

在本实施例中，所述检测横梁6通过带螺纹销钉10与螺母11配合安装在高度调节支架2上，当然也可以采用其他已有的紧固件进行紧固，这样通过调整高度调节支架即可实现检测横梁的高度调整。进一步的，参考图4所示，所述高度调节支架设有U型口且U型口两侧壁上下平行，所述检测横梁6穿过U 型口，所述带螺纹销钉10穿过U型口两侧壁上销钉孔26及检测横梁6。为了便于检测横梁与高度调节支架2固定，二者之间留有间隙，该间隙可通过垫片、弹簧等弹性件进行填充，即所述带螺纹销钉在检测横梁与U型口上侧壁之间外套弹性件。

另外，检测横梁6或者高度调节支架2上设有用于检测该检测横梁与轨道之间高度的测距传感器，从而检测检测横梁与轨面高度，进行列车的脱轨检测。当行驶过程中检测横梁与轨面距离突变小时，将脱轨信号上报给车载控制器进行紧急制动。当检测横梁与轨面距离(高度)达到设定数值时，可以通过高度调节机构调节检测横梁高度。参考图4所示，高度调节支架2预留有第一传感器安装孔24、第二传感器安装孔25，既可以用于安装测距传感器，也可以安装其他传感器。

参考图5所示，可以选择的，检测横梁的两端设有向后倾斜延伸的倾斜部 63或者曲线部，当检测横梁6碰到小障碍物时，经倾斜部63检测横梁6会将小障碍物排除轨道之外，避免对列车运行进行影响。检测横梁6具有空心结构62 便于减重，检测横梁的两端具有与高度调节支架2连接固定的安装孔61，由于该检测横梁经常与障碍物碰撞所以必须利于更换，可以采用螺栓连接。该检测横梁也可以为一字型，或者其他曲线形状。

接触式障碍物检测装置电气元件盒内的结构如图3所示，结合图2所示，检测横梁左右两侧的检测装置安装板38，列车左右两侧的转向架支架分别连接列车转向架左安装板1、列车转向架右安装板8，检测横梁左右两侧的检测装置安装板38与转向架左安装板1、列车转向架右安装板8固定。检测装置安装板 38与高度调节支架安装件31之间设有弹性元件36，该弹性元件为线性弹簧或者其他类别的弹簧。该弹簧通过预紧螺杆35与预紧螺母37配合实现弹簧的预紧。检测装置安装板38与高度调节支架安装件31之间设有在检测横梁接触到障碍物时检测接触的接触检测传感器，例如力传感器、测距传感器、行程开关或者接近开关，或者类似传感器。优选力传感器，可以直接获取精确的力的信息，障碍物对检测板最直接的作用是冲击力，因而对障碍物的检测更加直接和准确。力传感器包括高度调节支架安装件31上的凸柱32以及检测装置安装板 38上的检测元件33。当列车运行过程中检测横梁6触碰到轨道内交大的障碍物 9时，障碍物的冲击力会促使高度调节支架安装件31向检测装置安装板38方向移动。此时凸柱32作用于检测元件33，力传感器会获得冲击力的实时数值，并与触发制动力进行比较，当大于设定数值时，触发制动信号。该力传感器也可以替换为测距传感器，弹簧的变形量换算成具体力的数值。该力传感器也可以替换为行程开关。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本实用新型包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本实用新型的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (10)

1.融合障碍物检测的CBTC无人驾驶车载控制系统，其特征在于：包括CBTC无人驾驶车载控制系统机柜以及设于CBTC无人驾驶车载控制系统机柜中的障碍物检测系统主机、唤醒模块、ATP及ATO子系统，ATP及ATO子系统与障碍物检测系统主机及唤醒模块通讯连接，障碍物检测系统主机与非接触式远距离障碍物检测子系统和/或接触式障碍物检测子系统通讯连接，障碍物检测系统主机将检测到的障碍物信息传输给ATP。

2.根据权利要求1所述的融合障碍物检测的CBTC无人驾驶车载控制系统，其特征在于：在车头和车尾均设置所述CBTC无人驾驶车载控制系统，分别作为主备系统。

3.根据权利要求1所述的融合障碍物检测的CBTC无人驾驶车载控制系统，其特征在于：所述非接触式远距离障碍物检测子系统包括摄像机和/或激光和/或雷达和/或超声波传感器和/或红外传感器。

4.根据权利要求1所述的融合障碍物检测的CBTC无人驾驶车载控制系统，其特征在于：所述接触式障碍物检测子系统包括检测横梁、与车辆固定的检测装置安装板以及与检测横梁连接的安装件，所述安装件与检测装置安装板弹性浮动连接，所述安装件与检测装置安装板之间设有检测该检测横梁受到障碍物冲击力的力传感器。

5.根据权利要求4所述的融合障碍物检测的CBTC无人驾驶车载控制系统，其特征在于：所述接触式障碍物检测子系统还包括用于调节检测横梁高度的高度调节机构，所述高度调节机构包括与检测横梁连接的高度调节支架，所述安装板为对应高度调节支架设置的高度调节支架安装件，所述高度调节支架可相对高度调节支架安装件调节高度并通过锁紧结构锁紧，以使高度调节支架高度固定。

6.根据权利要求5所述的融合障碍物检测的CBTC无人驾驶车载控制系统，其特征在于：所述高度调节支架安装件与检测装置安装板弹性浮动连接。

7.根据权利要求6所述的融合障碍物检测的CBTC无人驾驶车载控制系统，其特征在于：所述高度调节支架安装件与检测装置安装板之间设有导向螺栓，所述导向螺栓在高度调节支架安装件与检测装置安装板之间外套有弹性元件。

8.根据权利要求4所述的融合障碍物检测的CBTC无人驾驶车载控制系统，其特征在于：所述检测横梁上安装有测量检测横梁与轨面高度差变化的测距传感器。

9.根据权利要求5所述的融合障碍物检测的CBTC无人驾驶车载控制系统，其特征在于：所述检测横梁通过带螺纹销钉与螺母配合安装在高度调节支架上，所述高度调节支架设有U型口且U型口两侧壁上下平行，所述检测横梁穿过U型口，所述带螺纹销钉穿过U型口两侧壁，所述带螺纹销钉在检测横梁与U型口上侧壁之间外套弹性件。

10.根据权利要求4所述的融合障碍物检测的CBTC无人驾驶车载控制系统，其特征在于：所述检测横梁的两端设有向后延伸的倾斜部或者曲线部，用于在列车行进过程将小障碍物清除到轨道之外。

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