WO2022012166A1 - 一种基于相对速度的列车安全追踪防护方法和装置 - Google Patents

一种基于相对速度的列车安全追踪防护方法和装置 Download PDF

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WO2022012166A1 PCT/CN2021/095468 CN2021095468W WO2022012166A1 WO 2022012166 A1 WO2022012166 A1 WO 2022012166A1 CN 2021095468 W CN2021095468 W CN 2021095468W WO 2022012166 A1 WO2022012166 A1 WO 2022012166A1
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刘宏杰
宿帅
柴铭
吕继东
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北京交通大学
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    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L23/00—Control, warning, or like safety means along the route or between vehicles or vehicle trains
    • B61L23/08—Control, warning, or like safety means along the route or between vehicles or vehicle trains for controlling traffic in one direction only
    • B61L23/14—Control, warning, or like safety means along the route or between vehicles or vehicle trains for controlling traffic in one direction only automatically operated
    • B61L23/18—Control, warning, or like safety means along the route or between vehicles or vehicle trains for controlling traffic in one direction only automatically operated specially adapted for changing lengths of track sections in dependence upon speed and traffic density

Abstract

一种基于相对速度的列车安全追踪防护方法和装置，方法包括：步骤1，追踪运行的前车和后车利用电子地图及自主测速定位信息结合列车性能，分别得到本列车在停车过程中的安全时空轨迹信息（S11）；步骤2，利用车车之间通信方式，后车获得前车的安全时空轨迹信息（S12）；步骤3，后车结合前车和后车的安全时空轨迹信息，按照任意时刻后车的位置不能超前车位置的约束建立安全条件，求解后车的紧急制动触发EBI速度（S13）；步骤4，后车比较后车的当前测量速度v 2(t 0)是否超过后车的EBI速度E 2(t 0)；若v 2(t 0)＞E 2(t 0)，则输出紧急制动指令，使后车减速至停车（S14）。

Description

一种基于相对速度的列车安全追踪防护方法和装置 技术领域
本发明涉及交通领域，尤其涉及一种基于相对速度的列车安全追踪防护方法和装置。
背景技术
随着我国国民经济发展和城镇化建设步伐的加快，轨道交通面临着运输更多乘客和货物的需求成为缓解交通压力的重要手段。作为轨道交通的“大脑和神经中枢”，列车运行控制系统的控制目标是确保列车在保障安全的前提下高效运行。
目前基于移动闭塞的列控系统中，理论上存在“撞硬墙”(认为前车瞬时停车)和“撞软墙”(考虑追踪列车间的相对速度)两种方式对列车进行超速防护。在采用“撞硬墙”模型时，后车的移动授权终点(后车绝对不允许越过的位置点)设置为前车的车尾位置(还可考虑预留一段保护距离)。列车自动防护系统(Automatic Train Protection,ATP)防护列车在移动授权(Movement Authority,MA)范围内运行，保证列车位置不会超过MA终点的限制。“撞硬墙”模型下以后续列车的绝对制动距离为基础控制列车间隔，即d＝d brake2+S，式中，d为两列车安全追踪间隔距离；d brake2为后车的制动距离；S为安全距离裕量。因此，从后车接收到以前行列车尾部为终点的MA时刻起，两列车的运行轨迹不存在交叉的可能性，后车只需要根据MA计算速度-距离曲线并据此对列车实际运行速度进行防护，保证后车不超速，即可保证后车不约过MA终点的限制，从而能够保证列车追踪运行的安全性(不会发生追尾事故)。但是，这种方式下要求列车的追踪间隔距离相对较大，限制了线路运能的发挥，难以满足持续快速增长的客流需求。
与“撞硬墙”方式相比，“撞软墙”方式利用了前行列车的速度和制动过程信息，从而能够缩短列车追踪间隔，提升追踪效率。当前行列车具有一定速度时，后续列车的MA终点不再设置为前行列车的尾部(考虑一定的安全距离裕量)，而是可以根据预估的前行列车向前运行的距离，将后续列车的防护点设置为前行列车当前时刻尾部位置之前的某个位置(本文中用p表示)，从而可以缩短列车追踪间隔。既有文献中，通常预估前行列车停车时刻的位置作为上述位置p，将此位置作为后行列车的MA终点，据此获得后行列车在停车时刻能够到达的最大位置极限(后车车头位置不能超过前行列车车尾位置，并考虑一定的保护距离裕量)，进而结合后续列车停车过程中的制动距离，可以计算出后续列车与前行列车的最小安全追踪间隔，即d＝d brake2-d brake1+S，式中，d brake1为前车的制动距离；d为两列车安全追踪间隔距离；d brake2为后车的制动距离；S为安全距离裕 量。上述公式规定了前行列车和后续列车速度确定的情况下，两车在安全前提下的最小间隔。实际中，根据前、后两追踪列车的距离以及前车的速度，结合线路参数和两车的安全制动模型(包含了最不利条件下的列车制动过程描述、性能参数等)，可以计算获得后续列车的紧急制动触发(EBI)速度，并对列车实际速度进行防护，即如果后续列车的实际速度超过EBI速度时则输出紧急制动使列车减速至停车，从而可能够保证后车停车后的实际位置不超过上述目标位置的限制。显然，“撞软墙”模型能够有效缩短列车最小安全追踪间隔距离。
但是，上述“撞软墙”方式仅考虑了两车停车时刻的位置关系，未考虑列车运行过程中全时空位置关系的安全性要求，从而在前、后车性能参数及初始速度不同的情况下存在发生追尾事故的安全隐患。“撞硬墙”和“撞软墙”模型的对比及上述方式的隐患示意如图1所示。下面对该“撞软墙”方式存在安全隐患的场景进行具体说明。
由“撞软墙”方式下的列车安全追踪间隔计算公式(即d＝d brake2-d brake1+S)可知，在d brake2＜d brake1时，按照该方式获得的列车追踪间隔将可能小于最小的安全距离裕量，甚至小于0(即d＜0)，从而存在安全隐患。进一步分析可知，当前车初始速度低但制动加速度小(减速慢)，而后车初始速度高但制动加速度大(减速快)时，两车间距会出现先减小后增大的情况，从而使两车间的距离变化呈现非单调性，两车间的最小距离并不一定发生在停车时刻。所以，既有“撞软墙”方式仅考虑停车时刻两车不相撞的约束条件不足以保证列车追踪全过程的安全性。
发明内容
本发明的实施例提供了一种基于相对速度的列车安全追踪防护方法和装置，考虑列车追踪全过程中前、后列车时空轨迹的安全约束条件，能保证前后列车任意性能组合条件下追踪全过程的安全性，避免追尾事故的发生。
一种基于相对速度的列车安全追踪防护方法，包括：
步骤1，追踪运行的前车和后车利用电子地图及自主测速定位信息结合列车性能，分别得到本列车在停车过程中的安全时空轨迹信息；所述安全时空轨迹信息包括：位置随时间变化的曲线；
步骤2，利用车车之间通信方式，所述后车获得所述前车的所述安全时空轨迹信息；
步骤3，所述后车结合所述前车和所述后车的安全时空轨迹信息，按照任意时刻后车的位置不能超所述前车位置的约束建立安全条件，求解所述后车的紧急制动触发EBI速度；
步骤4，所述后车比较所述后车的当前测量速度v 2(t 0)是否超过所述后车的EBI速度E 2(t 0)；若v 2(t 0)＞E 2(t 0)，则输出紧急制动指令，使所述后车减速至停车。
一种基于相对速度的列车安全追踪防护装置，包括：
第一生成单元，用于追踪运行的前车和后车利用电子地图及自主测速定位信息结合列车性能，分别得到本列车在停车过程中的安全时空轨迹信息；所述安全时空轨迹信息包括：位置随时间变化的曲线；
获取单元，利用车车之间通信方式，所述后车获得所述前车的所述安全时空轨迹信息；
求解单元，所述后车结合所述前车和所述后车的安全时空轨迹信息，按照任意时刻后车的位置不能超所述前车位置的约束建立安全条件，求解所述后车的紧急制动触发EBI速度；
比较单元，所述后车比较所述后车的当前测量速度v 2(t 0)是否超过所述后车的EBI速度E 2(t 0)；若v 2(t 0)＞E 2(t 0)，则输出紧急制动指令，使所述后车减速至停车。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例中，通过采用车车通信系统和超速防护设计方法，可以实现基于相对速度的列车安全追踪防护，避免追尾事故的发生。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为“撞硬墙”和“撞软墙”模型对比示意图；
图2为本发明所述的基于相对速度的列车安全追踪防护方法的流程示意图；
图3为本发明中后车紧急制动触发速度EBI速度的计算流程图；
图4为本发明基于相对速度的列车安全追踪防护方法的具体实施方式流程图。
图5为本发明所述的基于相对速度的列车安全追踪防护装置的结构图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出， 其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以多个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明实施例提供的一种基于相对速度的列车安全追踪防护方法的处理流程如图2所示，包括如下的处理步骤：
步骤11，追踪运行的前车和后车利用电子地图及自主测速定位信息结合列车性能，分别得到本列车在停车过程中的安全时空轨迹信息；所述安全时空轨迹信息包括：位置随时间变化的曲线；
步骤12，利用车车之间通信方式，所述后车获得所述前车的所述安全时空轨迹信息；
步骤13，所述后车结合所述前车和所述后车的安全时空轨迹信息，按照任意时刻后车的位置不能超所述前车位置的约束建立安全条件，求解所述后车的紧急制动触发EBI速度；
步骤14，所述后车比较所述后车的当前测量速度v 2(t 0)是否超过所述后车的EBI速度E 2(t 0)；若v 2(t 0)＞E 2(t 0)，则输出紧急制动指令，使所述后车减速至停车。
所述步骤11具体包括：
所述前车利用测速定位技术，获得其自身的速度v 1(t 0)及位置信息x 1(t 0)，所述后车获得自身的速度v 2(t 0)及位置信息x 2(t 0)；
所述前车获得在紧急制动过程中的最不利坡度加速度β 1、最大紧急制动加速度α 1，所述后车获得从触发紧急制动至停车期间的最不利坡度加速度 β 2、牵引阶段时长δ 2、最大牵引加速度值γ 2、惰行阶段时长ε 2、最不利条件下能够保证的紧急制动加速度α 2；
所述前车以实际测量的车尾位置和速度信息作为初始状态，按照列车立即实施紧急制动的模型，结合查询获得的列车制动性能和线路参数，计算列车制动过程中位置随时间变化的曲线；
所述后车以实际测量的列车车头位置信息和EBI速度作为初始状态，按照IEEE1474.1规定的安全制动模型，结合查询获得的列车牵引、制动性能和线路参数，计算列车制动过程中位置随时间变化的曲线。
所述步骤13具体包括：
步骤131，计算前车制动阶段时长τ 1，即
Figure PCTCN2021095468-appb-000001
步骤132，根据前车制动阶段时长τ 1、前车牵引阶段时长δ 2、前车惰行阶段时长ε 2、前车制动阶段时长τ 1、最大紧急制动加速度α 1、前车在紧急制动过程中的最不利坡度加速度β 1、所述后车最不利条件下能够保证的紧急制动加速度α 2、后车从触发紧急制动至停车期间的最不利坡度加速度β 2，确定后车EBI速度的计算方法。
当τ 1＜δ 2+ε 2时计算后车初速度的约束条件，即v 2(t 0)≤f 5(t)且v 2(t 0)≤f 4(t m1)时，后车EBI速度的计算方式为：E 2(t 0)＝min(f 5(t),f 4(t m1))
当δ 2+ε 2≤τ 1，且(α 1+β 1)-(α 2+β 2)＞0时，分别计算后车初速度的约束条件，v 2(t 0)≤f 5(t),v 2(t 0)≤f 4(t m1),v 2(t 0)≤f 4(t 1)且v 2(t 0)≤f 3(t n1)；后车EBI速度的计算方式为：E 2(t 0)＝min(f 5(t),f 4(t m1),f 4(t 1),f 3(t n1))
当δ 2+ε 2≤τ 1，且(α 1+β 1)-(α 2+β 2)≤0时，分别计算后车初速度的约束条件，即v 2(t 0)≤f 5(t),v 2(t 0)≤f 4(t m1)且v 2(t 0)≤f 4(t 1)，后车EBI速度的计算方式为：E 2(t 0)＝min(f 4(t 1),f 5(t),f 4(t m1))。
以下描述本发明应用场景。
本发明提出了一种基于相对速度的列车安全追踪防护方法，即保证两车追踪过程中的全时空安全(不发生追尾事故)，又能够充分考虑前行列车的实际状态和制动距离，从而缩短列车追踪间隔，提升轨道交通系统运输效率，促进城轨列车系统安全防护技术的发展，保证列车在全时空范围内的安全性，避免追尾事故的发生。该发明基于车车列控系统，通过明确车车通信时传输的信息内容和信息具体使用方式，实现列车高密度安全追踪的目的。基于追踪列车间的相对速度对后续列车进行超速防护的方法，可以应用于轨道交通信号安全防护技术。
车车通信的追踪列车均可以实现自主测速定位，并在相邻列车之间建立端到端的通信链接(具体通信制式不受限制，可以采用点对点的直接车 车通信，也可以采用WLAN、LTE或5G的通信通道)。列车车载控制器内部存储了有关线路数据的电子地图，能够查询到各种需要的线路参数信息(例如线路坡度加速度)。为实现列车高密度安全追踪的目的，对追踪列车信息交互和使用的流程设计如下：
相邻列车间传输的内容应包括列车ID、列车位置、列车速度、列车“最有利”情况下的时空轨迹等信息；其中，列车“最有利”情况下的时空轨迹是指列车在当前位置、速度、列车性能参数和线路参数条件下，按照最快制动停车的方式运行所形成的位置-时间函数曲线。
根据列车控制因素中能使得列车最快停车的相关参数，前行列车按照已实施最大紧急制动的模型计算列车“最有利”情况下的时空轨迹。其中，列车最大紧急加速度按照车辆系统提供的列车性能参数中的紧急制动最大值取值；制动过程中的线路坡度加速度按照列车制动过程中可能所处的最大上坡道的坡度加速度取值(即使得列车更快停车的加速度)，当不存在上坡道时但有平坡时，按照平坡取值；否则按照所有下坡道中的最小值取值；为方便描述，本文中统称为“最大上坡道”。
前行列车将计算生成的“最有利”情况下的时空轨迹同列车ID、位置和速度等信息一起发送给后续列车；
后续列车收到前行列车的信息后，将其作为运行过程中不可越过的防护目标曲线；
后续列车按照IEEE1474.1标准中规定的列车按照制动模型，计算列车“最不利”情况下的时空轨迹曲线，即其在立即输出紧急制动的情况下，列车最慢停车的运行过程曲线；其中，后续列车计算“最不利”情况下的时空轨迹曲线时，列车制动加速度按照“最不利”紧急制动加速度取值，列车制动过程中的线路坡度加速度按照最大下坡道加速度取值。
后续列车比较本车的“最不利”情况下的时空轨迹曲线和前行列车的“最有利”情况下的时空轨迹曲线，保证前车在任意时刻的位置取值(即后车的最大前端位置)不超对对应时刻后者的位置取值(即前车的最大安全后端)，从而保证列车追踪运行的安全性。由于后续列车“最有利”情况下的时空轨迹曲线与其“初始速度”相关，在保证上述安全前提下，后续列车计算该“初始速度”的最大值，即为后续列车计算的安全防护速度(也称紧急制动触发速度)。
后续列车比较本车的实际速度与计算获得的紧急制动触发速度，当实际速度超过紧急制动触发速度时，输出紧急制动使列车制动停车，从而保证列车追踪过程中不会发生追尾事故。
实际多车追踪过程中，中间的任意列车即可作为其后续列车的前车，也可作为其前行列车的后车，即可同时完成前行列车和后续列车的功能，从而实现列车高密度安全追踪运行。
除了车车通信的具体内容和处理原则外，该发明的核心内容是前行列 车和后续列车的运行过程模型，以及在此基础上所提出的面向全时空避撞的后车紧急制动触发速度计算方法。
下面对前后车的运行过程数学模型和具体的列车紧急制动触发速度计算方法进行说明。
1.列车安全追踪过程分析与建模
根据列车防护系统设计实际经验，前车采用最大紧急制动停车、后车采用IEEE 1474.1标准规定的安全制动模型运行时，对应两车追踪运行时的安全边界条件。因此，下面以此条件为基础建立两列车安全追踪模型。
1)两列车追踪过程模型
根据上述安全边界条件，前车的运行过程为匀加速直线运动、后车的运行过程为分段匀加速直线运动。下文中出现的所有列车1表示前车，列车2表示后车。下文以沿着列车线路正方向运行(沿着运行方向列车位置不断增大)为例进行说明(沿线路反方向运行是的道理与此类似)，前车的运行过程可采用如下公式描述：
Figure PCTCN2021095468-appb-000002
式中，a 1(t)为前车在任意时刻的加速度；α 1为前车(列车1)的最大紧急制动加速度(常量)；β 1为前车在紧急制动过程中的最不利坡度(上坡)加速度(常量)；t b为两列车都停车的时刻值；t 1为前车停车的时刻值,满足t 1＝t 0+τ 1(其中τ 1为前车的制动时长，满足
Figure PCTCN2021095468-appb-000003
在此基础上，可以得到前车在任意时刻的速度和车尾位置，分别如公式(2)和(3)所示：
Figure PCTCN2021095468-appb-000004
Figure PCTCN2021095468-appb-000005
根据列车安全制动模型，后车经历了牵引、惰行(没有牵引和制动加速度，但可能受坡度加速度影响而处于加速状态)、紧急制动三个阶段，后车在任意时刻的加速度如公式(4)所示：
Figure PCTCN2021095468-appb-000006
式中a 2(t)为后车在任意时刻的加速度；γ 2为后车在触发紧急制动时的最大牵引加速度值(常量)；β 2为后车从触发紧急制动至停车期间的最不利坡度(下坡)加速度(常量)；α 2为后车在平直轨道上、最不利条件下 能够保证的紧急制动加速度(常量)；b 2为后车牵引阶段结束的时刻(即开始惰行阶段的时刻)；c 2为后车惰行阶段结束的时刻(即开始紧急制动的时刻)；t 2为后车紧急制动停车的时刻。
可以得到后车在任意时刻的速度，如公式(5)所示：
Figure PCTCN2021095468-appb-000007
式中，
Figure PCTCN2021095468-appb-000008
为后车在牵引结束时刻
Figure PCTCN2021095468-appb-000009
的速度值，满足:
Figure PCTCN2021095468-appb-000010
式中，δ 2为后车牵引阶段的时长，满足δ 2＝b 2-t 0；v 2(c 2)为后车在惰行结束时刻c 2的速度值，满足：
v 2(c 2)＝v 2(b 2)+β 2ε 2    (7)
式中，ε 2为后车惰行阶段的时长，满足：ε 2＝c 2-b 2。
进一步可以得到后车在任意时刻的车头位置，如公式(8)所示：
Figure PCTCN2021095468-appb-000011
式中，x 2(b 2)为后车在牵引结束时刻b 2的位置，满足:
Figure PCTCN2021095468-appb-000012
式中，x 2(c 2)为后车在惰行结束时刻c 2的位置，满足:
Figure PCTCN2021095468-appb-000013
2)列车追踪运行的安全条件约束
根据沿着列车运行方向列车位置不断增大的基本假设，以及列车安全追踪运行的基本知识，保证列车不发生追尾事故的安全条件可以描述为：
x 2(t)≤x 1(t)-S,t∈[t 0，t b]    (11)
式中，S为保护距离裕量(常量)；上式表明任意时刻的后车车头位 置与前车车尾位置之间的距离不能小于该保护距离裕量，从而可保证列车追踪安全。需要注意的是，根据最短追踪间隔的需要，两车运行过程中距离的最小值应该最小化(即两车距离的最小值恰好等于S时，列车追踪效率最高)。
3)后车紧急制动触发速度计算方法
后车的紧急制动触发(EBI)曲线应为根据前后列车状态计算获得的能保证后车运行安全的最大速度。因此，后车的EBI曲线应按照如下思路求解：
A.首先定义任意时刻的列车间隔距离为d(t)＝x 1(t)-x 2(t)；
B.根据列车运行过程中列车间隔距离需满足大于规定的安全防护距离的约束条件，得到d(t)≥S；
C.根据上述约束条件，可计算获得后车初速度v 2(t 0)与v 1(t 0)、x 2(t 0)、x 1(t 0)相关的不等式约束关系,假设可记为v 2(t 0)≤f n(v 1(t 0)，x 2(t 0)，x 1(t 0))；其中，f n()表示满足某种函数关系；此时获得的v 2(t 0)的最大值即为该列车的紧急制动触发速度。
D.实际中获得的f n()是一系列函数的集合，需要根据列车分类条件求取所有函数的最小值，作为列车的紧急制动触发(Emergency Brake Intervention,EBI)速度。具体计算流程如图3所示。其中，公式1：
Figure PCTCN2021095468-appb-000014
其中，
Figure PCTCN2021095468-appb-000015
Figure PCTCN2021095468-appb-000016
公式2中，
Figure PCTCN2021095468-appb-000017
其中，
Figure PCTCN2021095468-appb-000018
Figure PCTCN2021095468-appb-000019
公式3：
Figure PCTCN2021095468-appb-000020
Figure PCTCN2021095468-appb-000021
公式4：
Figure PCTCN2021095468-appb-000022
其中，
Figure PCTCN2021095468-appb-000023
Figure PCTCN2021095468-appb-000024
根据上述流程，后车即可根据前行列车的位置、速度和性能参数以及后续列车的位置和性能参数等信息，计算获得后车的EBI速度，作为列车实施超速防护的安全限制条件(实际速度超过EBI速度时，后车输出紧急制动使列车减速至停车)。
下面结合图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：
在列车运行控制系统中，车载控制器(Vehicle On-Board Controller，VOBC)具有列车自主测速定位功能。VOBC不仅能够安全精确的测量列车在线路上的位置及运行状态信息，还能够结合内部存储的电子地图获得线路相关信息，作为列车定位的重要补充。在车车通信列控系统中，借助高精度定位以及低延时大容量通信技术基础，列车之间可以通过直接或间接的无线通信方式传递速度、位置、加速度和列车运行时空轨迹等信息。另外，列车在ATP防护下运行，ATP根据追踪列车运行状态实施计算EBI速度，并对列车速度和计算获得的EBI速度进行比较，当发生超速事件时，ATP将立即实施紧急制动使列车减速直至停车。
本发明为了尽量缩短列车追踪间隔，前行列车需要预计本车“最有利”情况下的制动过程时空轨迹并发送给后车，作为后车的安全防护目标；后车必须计算本车“最不利”情况下的时空轨迹，并根据前车的安全防护目标，根据全时空避撞原则计算EBI速度。本发明重点基于车车通信列控系统，但对于前车信息需要经过地面区域控制器(Zone Controller,ZC)中转的传统CBTC系统同样适用。
下面对本发明实施的具体流程进行说明。
追踪列车(包括追踪运行的前车和后车)利用电子地图及自主测速定位信息结合列车性能，可分别得到本列车在停车过程中的安全时空轨迹信息。具体为：
列车利用测速定位技术可获得其速度及位置信息，如列车1(前车)可 获得自身的速度及位置信息：v 1(t 0)、x 1(t 0)，列车2(后车)可获得自身的速度及位置信息：v 2(t 0)、x 2(t 0)；
利用车载存储的电子地图和列车性能参数信息,列车可以实时查询到线路坡度加速度及列车牵引/制动性能参数等信息，如列车1(前车)可获得在紧急制动过程中的最不利坡度加速度β 1、最大紧急制动加速度α 1，列车2(后车)可获得从触发紧急制动至停车期间的最不利坡度加速度β 2、牵引阶段时长δ 2、最大牵引加速度值γ 2、惰行阶段时长ε 2、最不利条件下能够保证的紧急制动加速度α 2等；
前车以实际测量的车尾位置和速度信息作为初始状态，按照列车立即实施紧急制动的模型，结合查询获得的列车制动性能和线路参数，计算列车制动过程中位置随时间变化的曲线；后车以实际测量的列车车头位置信息和待求解变量(EBI速度)作为初始状态，按照IEEE1474.1规定的安全制动模型，结合查询获得的列车牵引、制动性能和线路参数，计算列车制动过程中位置随时间变化的曲线；
后车利用车车之间直接或间接的通信方式，可直接获取前车的位置、速度及加速度信息，即v 1(t 0)、x 1(t 0)、β 1、α 1。
利用车车之间直接或间接的通信方式，后车获得前车计算得到的时空轨迹信息(位置随时间变化的曲线)；
后车结合前车和本车的时空轨迹信息，按照任意时刻后车的位置不能超所前车位置的约束建立安全条件(即x 2(t)≤x 2(t)-S)，并求解后车的EBI速度。即，将前、后车的初始状态信息(v 1(t 0)、x 2(t 0)、x 1(t 0))代入后车EBI速度E 2(t 0)的计算公式，可获得后车在初始时刻的EBI值。实际中，根据前后车实际参数和初始状态的不同，EBI计算的公式也不同，应根据不同条件选择相应的计算函数。具体分类条件和计算函数按如下所示：
首先计算前车制动阶段时长τ 1，即
Figure PCTCN2021095468-appb-000025
根据τ 1、δ 2、ε 2的大小关系，对后车EBI速度E 2(t 0)的求解可分为下列两种情况：
当τ 1＜δ 2+ε 2时
根据图4公式(一)、公式(二)计算后车初速度的约束条件，即v 2(t 0)≤f 5(t)且v 2(t 0)≤f 4(t m1)。此时，后车EBI速度的计算方式为：
E 2(t 0)＝min(f 5(t),f 4(t m1))
当δ 2+ε 2≤τ 1时，首先判断前后列车的制动性能的大小关系：
①若(α 1+β 1)-(α 2+β 2)＞0，根据图4公式(一)至公式(四)分别计算后车初速度的约束条件，即v 2(t 0)≤f 5(t),v 2(t 0)≤f 4(t m1),v 2(t 0)≤f 4(t 1)且v 2(t 0)≤f 3(t n1)。此时，后车EBI速度的计算方式为：
E 2(t 0)＝min(f 5(t),f 4(t m1),f 4(t 1),f 3(t n1))
②若(α 1+β 1)-(α 2+β 2)≤0，根据图4公式(一)至公式(三)分别计算后车初速度的约束条件，即v 2(t 0)≤f 5(t),v 2(t 0)≤f 4(t m1)且v 2(t 0)≤f 4(t 1)。此时后车EBI速度的计算方式为：
E 2(t 0)＝min(f 4(t 1),f 5(t),f 4(t m1))
利用EBI曲线对列车进行超速防护，即比较后车当前测量速度v 2(t 0)是否超过EBI速度E 2(t 0),若v 2(t 0)＞E 2(t 0)，则输出紧急制动使列车减速至停车，以避免列车发生追尾事故。
通过采用车车通信系统和上述超速防护设计方法，可以实现基于相对速度的列车安全追踪防护，在保证不发生追尾事故的前提下，最大程度缩短列车追踪间隔，提升城轨系统运输效率。
本发明实施例提供的一种基于相对速度的列车安全追踪防护装置的结构图如图5所示，包括：
第一生成单元，用于追踪运行的前车和后车利用电子地图及自主测速定位信息结合列车性能，分别得到本列车在停车过程中的安全时空轨迹信息；所述安全时空轨迹信息包括：位置随时间变化的曲线；
获取单元，利用车车之间通信方式，所述后车获得所述前车的所述安全时空轨迹信息；
求解单元，所述后车结合所述前车和所述后车的安全时空轨迹信息，按照任意时刻后车的位置不能超所述前车位置的约束建立安全条件，求解所述后车的紧急制动触发EBI速度；
比较单元，所述后车比较所述后车的当前测量速度v 2(t 0)是否超过所述后车的EBI速度E 2(t 0)；若v 2(t 0)＞E 2(t 0)，则输出紧急制动指令，使所述后车减速至停车。
用本发明实施例的装置进行基于相对速度的列车安全追踪防护的具体过程与前述方法实施例类似，此处不再赘述。
本发明的有益效果如下：
1、与传统“撞硬墙”追踪防护方式相比，在保证安全的基础上有效缩短了列车追踪距离，提升了系统运能；
2、与背景技术中的“撞软墙”模型相比，能保证任意性能组合的列车全时空追踪的安全性，避免追尾事故的发生。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

  1. 一种基于相对速度的列车安全追踪防护方法，其特征在于，包括：
    步骤1，追踪运行的前车和后车利用电子地图及自主测速定位信息结合列车性能，分别得到本列车在停车过程中的安全时空轨迹信息；所述安全时空轨迹信息包括：位置随时间变化的曲线；
    步骤2，利用车车之间通信方式，所述后车获得所述前车的所述安全时空轨迹信息；
    步骤3，所述后车结合所述前车和所述后车的安全时空轨迹信息，按照任意时刻后车的位置不能超所述前车位置的约束建立安全条件，求解所述后车的紧急制动触发EBI速度；
    步骤4，所述后车比较所述后车的当前测量速度v 2(t 0)是否超过所述后车的EBI速度E 2(t 0)；若v 2(t 0)＞E 2(t 0)，则输出紧急制动指令，使所述后车减速至停车。
  2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：所述步骤1包括；
    所述前车利用测速定位技术，获得其自身的速度v 1(t 0)及位置信息x 1(t 0)，所述后车获得自身的速度v 2(t 0)及位置信息x 2(t 0)；
    所述前车获得在紧急制动过程中的最不利坡度加速度β 1、最大紧急制动加速度α 1，所述后车获得从触发紧急制动至停车期间的最不利坡度加速度β 2、牵引阶段时长δ 2、最大牵引加速度值γ 2、惰行阶段时长ε 2、最不利条件下能够保证的紧急制动加速度α 2；
    所述前车以实际测量的车尾位置和速度信息作为初始状态，按照列车立即实施紧急制动的模型，结合查询获得的列车制动性能和线路参数，计算列车制动过程中位置随时间变化的曲线；
    所述后车以实际测量的列车车头位置信息和EBI速度作为初始状态，按照IEEE1474.1规定的安全制动模型，结合查询获得的列车牵引、制动性能和线路参数，计算列车制动过程中位置随时间变化的曲线。
  3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括：
    步骤31，计算前车制动阶段时长τ 1，即
    Figure PCTCN2021095468-appb-100001
    步骤32，根据前车制动阶段时长τ 1、前车牵引阶段时长δ 2、前车惰行阶段时长ε 2、前车制动阶段时长τ 1、最大紧急制动加速度α 1、前车在紧急制动过程中的最不利坡度加速度β 1、所述后车最不利条件下能够保证的紧急制动加速度α 2、后车从触发紧急制动至停车期间的最不利坡度加速度β 2，确定后车EBI速度的计算方法。
  4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤32包括：
    当τ 1＜δ 2+ε 2时计算后车初速度的约束条件，即v 2(t 0)≤f 5(t)且v 2(t 0)≤f 4(t m1)时，后车EBI速度的计算方式为：E 2(t 0)＝min(f 5(t),f 4(t m1))
    当δ 2+ε 2≤τ 1，且(α 1+β 1)-(α 2+β 2)＞0时，分别计算后车初速度的约束条件，v 2(t 0)≤f 5(t),v 2(t 0)≤f 4(t m1),v 2(t 0)≤f 4(t 1)且v 2(t 0)≤f 3(t n1)；后车EBI速度的计算方式为：E 2(t 0)＝min(f 5(t),f 4(t m1),f 4(t 1),f 3(t n1))
    当δ 2+ε 2≤τ 1，且(α 1+β 1)-(α 2+β 2)≤0时，分别计算后车初速度的约束条件，即v 2(t 0)≤f 5(t),v 2(t 0)≤f 4(t m1)且v 2(t 0)≤f 4(t 1)，后车EBI速度的计算方式为：E 2(t 0)＝min(f 4(t 1),f 5(t),f 4(t m1))。
  5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，：
    其中，公式1：
    Figure PCTCN2021095468-appb-100002
    其中，
    Figure PCTCN2021095468-appb-100003
    Figure PCTCN2021095468-appb-100004
    公式2中，
    Figure PCTCN2021095468-appb-100005
    其中，
    Figure PCTCN2021095468-appb-100006
    Figure PCTCN2021095468-appb-100007
    公式3：
    Figure PCTCN2021095468-appb-100008
    Figure PCTCN2021095468-appb-100009
    公式4：
    Figure PCTCN2021095468-appb-100010
    其中，
    Figure PCTCN2021095468-appb-100011
    Figure PCTCN2021095468-appb-100012
  6. 一种基于相对速度的列车安全追踪防护装置，其特征在于，包括：
    第一生成单元，用于追踪运行的前车和后车利用电子地图及自主测速定位信息结合列车性能，分别得到本列车在停车过程中的安全时空轨迹信息；所述安全时空轨迹信息包括：位置随时间变化的曲线；
    获取单元，利用车车之间通信方式，所述后车获得所述前车的所述安全时空轨迹信息；
    求解单元，所述后车结合所述前车和所述后车的安全时空轨迹信息，按照任意时刻后车的位置不能超所述前车位置的约束建立安全条件，求解所述后车的紧急制动触发EBI速度；
    比较单元，所述后车比较所述后车的当前测量速度v 2(t 0)是否超过所述后车的EBI速度E 2(t 0)；若v 2(t 0)＞E 2(t 0)，则输出紧急制动指令，使所述后车减速至停车。
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