列车运行防护系统及列车运行防护方法与流程

本发明涉及列车运行控制技术领域，具体涉及一种可简化地面设备，提高列车运营效率和运行安全性的列车运行防护系统及列车运行防护方法。

背景技术：

目前，在以地面为中心的cbtc系统中,列车之间没有直接的信息传输，列车之间的信息传递必须经过轨旁设备作为中转，此种列车间的信息传输方式会导致延迟，而且列车到轨旁设备的通信信道环境的改变也会影响cbtc的通信质量。此外,区域控制中心zc需要对大量列车的信息进行分析,导致工作负荷大,处理时间长。随着通信和控制技术的发展，铁路信号系统朝着去中心化、弱化地面设备份额、增强列车自主性的方向探索。在不影响和改动现有列车运行控制系统核心的前提下，引入可靠的车车通信将显著推进列车控制和信号向半自动或全自动运行发展，能显著提升控制系统安全和列车运营效率。因此，基于车车通信的无人驾驶系统来提高列车运营效率并简化地面设备的提出具有现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够提高列车间通信速度和质量，提高列车运营效率和运行安全性的列车运行防护系统及列车运行防护方法，以解决上述背景技术中存在的至少一个技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一方面，本发明提供一种列车运行防护系统，包括：

数据采集模块，用于采集列车的运行状态数据；

数据收发模块，用于根据前车的运行状态数据和后车的运行状态数据，选择直连式或蜂窝式的通信方式实现前车和后车间的所述运行状态数据的传送；

状态计算模块，用于根据运行状态数据更新ma终点，并根据运行状态数据判断列车当前是否处于安全防护范围之内。

优选的，所述运行状态数据包括列车的位置、速度和车次号。

优选的，所述数据收发模块包括：

距离计算单元，所述距离计算单元用于根据列车的位置和速度计算两列车间的距离；

判断单元，用于判断所述两列车间的距离是否在预设的通信方式转换距离之内；

直连式通信单元，用于实现两列车间的直连式通信方式；

蜂窝式通信单元，用于实现两列车间的蜂窝式通信方式。

优选的，所述系统还包括地面基站，所述地面基站用于将前车和后车的位置、速度和车次号发送给现有cbtc系统的中心ats。

另一方面，本发明还提供一种利用上述系统进行列车运行防护的方法，包括如下流程步骤：

分别获取前车的运行状态数据和后车的运行状态数据；

根据前车的运行状态数据和后车的运行状态数据，选择直连式或蜂窝式的通信方式实现前车和后车间的所述运行状态数据的传送；

后车根据前车的运行状态数据更新ma终点，并根据运行状态数据判断列车当前是否处于安全防护范围之内；

若列车处于安全防护范围之内，则列车继续正常行驶，否则，后车发送紧急信号给车载atp控制后车进行制动；

cbtc系统中的车载控制器根据更新的ma终点计算后车的列车目标速度曲线，cbtc系统根据列车目标速度曲线控制后车运行状态。

优选的，所述运行状态数据包括列车的位置、速度和车次号。

优选的，所述根据前车的运行状态数据和后车的运行状态数据，选择直连式或蜂窝式的通信方式实现前车和后车间的所述运行状态数据的传送具体包括：

根据后车的速度、后车的位置、前车的速度以及前车的位置确定两列车间的距离；

当列车当前的通信方式为直连式时，如果两列车间的距离大于1000m，则切换为蜂窝式通信方式，否则，继续保持直连式的通信方式；

当列车当前的通信方式为蜂窝式时，如果两列车间的距离小于或等于1000m，则切换为直连式通信方式，否则，继续保持蜂窝式的通信方式。

优选的，所述后车根据前车的运行状态数据更新ma终点具体包括：

根据后车的速度、后车的位置、前车的速度以及前车的位置确定两列车间的距离；

后车的安全制动距离为后车安全防护距离和后车制动距离之和；

则后车的ma终点为所述两列车间的距离与所述安全制动距离之差。

优选的，所述根据运行状态数据判断列车当前是否处于安全防护范围之内具体包括：

根据后车的速度、后车的位置、前车的速度以及前车的位置确定两列车间的距离；

后车的安全制动距离为后车安全防护距离和后车制动距离之和；

若两列车间的距离小于或等于后车的安全制动距离，则后车不处于安全防护范围之内；若两列车间的距离大于后车的安全制动距离，则后车处于安全防护范围之内。

优选的，所述方法还包括：将前车和后车的位置、速度和车次号发送给现有cbtc系统的中心ats；ats根据位置、速度和车次号来监督线路上各列车安全运行。

本发明有益效果：列车之间直接通信而不通过地面设备中转，列车控制器根据前车信息生成移动授权(ma),降低了区域控制中心zc需对大量列车的信息分析而导致的工作负荷，降低了列车信息传输过程中导致的时间延迟，提高了列车间的通信质量，缩短前后列车间的距离，提高了列车运行安全性和运营效率。

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为本发明实施例1所述的列车运行防护系统的功能原理框图。

图2为本发明实施例1所述的列车运行防护方法流程示意图。

图3为本发明实施例2所述的列车运行防护系统的功能原理框图。

图4为本发明实施例2所述的移动授权终点ma的计算方法示意图。

图5为本发明实施例2所述的lte-v两种通信方式示意图。

具体实施方式

下面详细叙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。

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、元件和/或它们的组。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“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专利和简化描述，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专利的限制。

在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。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在本专利中的具体含义。

为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供一种一种列车运行防护系统，该系统包括：

数据采集模块，用于采集列车的运行状态数据；

数据收发模块，用于根据前车的运行状态数据和后车的运行状态数据，选择直连式或蜂窝式的通信方式实现前车和后车间的所述运行状态数据的接收和传送；

状态计算模块，用于根据运行状态数据更新ma终点，并根据运行状态数据判断列车当前是否处于安全防护范围之内。

所述运行状态数据包括列车的位置、速度和车次号。

所述数据收发模块包括：

距离计算单元，所述距离计算单元用于根据列车的位置和速度计算两列车间的距离；

判断单元，用于判断所述两列车间的距离是否在预设的通信方式转换距离之内；

直连式通信单元，用于实现两列车间的直连式通信方式；

蜂窝式通信单元，用于实现两列车间的蜂窝式通信方式。

所述系统还包括地面基站，所述地面基站用于将前车和后车的位置、速度和车次号发送给现有cbtc系统的中心ats。

如图2所示，本发明实施例提供一种利用上述系统进行列车运行防护的方法，该方法包括如下流程步骤：

分别获取前车的运行状态数据和后车的运行状态数据；

根据前车的运行状态数据和后车的运行状态数据，选择直连式或蜂窝式的通信方式实现前车和后车间的所述运行状态数据的传送；

后车根据前车的运行状态数据更新ma终点，并根据运行状态数据判断列车当前是否处于安全防护范围之内；

若列车处于安全防护范围之内，则列车继续正常行驶，否则，后车发送紧急信号给车载atp控制后车进行制动；

cbtc系统中的车载控制器根据更新的ma终点计算后车的列车目标速度曲线，cbtc系统根据列车目标速度曲线控制后车运行状态。

所述根据前车的运行状态数据和后车的运行状态数据，选择直连式或蜂窝式的通信方式实现前车和后车间的所述运行状态数据的传送具体包括：

根据后车的速度、后车的位置、前车的速度以及前车的位置确定两列车间的距离；

当列车当前的通信方式为直连式时，如果两列车间的距离大于1000m，则切换为蜂窝式通信方式，否则，继续保持直连式的通信方式；

当列车当前的通信方式为蜂窝式时，如果两列车间的距离小于或等于1000m，则切换为直连式通信方式，否则，继续保持蜂窝式的通信方式。

所述后车根据前车的运行状态数据更新ma终点具体包括：

根据后车的速度、后车的位置、前车的速度以及前车的位置确定两列车间的距离；

后车的安全制动距离为后车安全防护距离和后车制动距离之和；

则后车的ma终点为所述两列车间的距离与所述安全制动距离之差。

所述根据运行状态数据判断列车当前是否处于安全防护范围之内具体包括：

根据后车的速度、后车的位置、前车的速度以及前车的位置确定两列车间的距离；

后车的安全制动距离为后车安全防护距离和后车制动距离之和；

若两列车间的距离小于或等于后车的安全制动距离，则后车不处于安全防护范围之内；若两列车间的距离大于后车的安全制动距离，则后车处于安全防护范围之内。

所述方法还包括：将前车和后车的位置、速度和车次号发送给现有cbtc系统的中心ats；ats根据位置、速度和车次号来监督线路上各列车安全运行。

实施例2

如图3所示，本发明实施例2提供一种用于城轨cbtc系统的列车无人驾驶运行防护系统，该系统主要由四部分组成：

(车载端)列车数据采集单元、(车载端)车车通信功能单元(即数据收发模块)、(车载端)列车车载计算单元(即状态计算单元)和(地面端)车车通信基站单元(即地面基站)；

系统主要有三个功能，即自动运行、自动防护、自动监督。

系统的自动运行功能主要流程为：

1)前车的装置列车数据采集单元获取前车位置、速度、车次号等信息并打包，将打包完成的数据信息发送给前车的通信功能单元(即数据收发模块)。

2)前车的通信功能单元(即数据收发模块)收到前车列车数据采集单元发来的数据包后，根据当前情况选择通信方式是直连式还是蜂窝式，然后将数据包发送给后车的通信功能单元(即数据收发模块)。

3)后车通信功能单元(即数据收发模块)收到前车发来的数据包后，再将数据包发送给后车的列车车载计算单元。

4)后车的(车载端)列车车载计算单元收到前车的数据包后，解析数据包获取前车状态信息，根据前车的位置与速度信息更新后车的ma终点。

5)将后车列车车载计算单元(即状态计算单元)更新后的ma终点发送给现有cbtc系统中的车载控制器，车载控制器根据其计算出列车目标速度曲线，现在cbtc系统中的车载ato根据计算的目标速度曲线自动运行。

系统的自动防护功能的主要流程为：

1)前车的装置列车数据采集单元获取前车位置、速度、车次号等信息并打包，将打包完成的数据信息发送给前车的通信功能单元(即数据收发模块)。

2)前车的通信功能单元(即数据收发模块)收到前车列车数据采集单元发来的数据包后，根据当前情况选择通信方式是直连式还是蜂窝式，然后将数据包发送给后车的通信功能单元(即数据收发模块)。

3)后车的通信功能单元收到前车发来的数据包后，再将数据包发送给后车的列车车载计算单元(即状态计算单元)。

4)后车的列车车载计算单元(即状态计算单元)收到前车的数据包后，解析数据包获取前车状态信息，根据前后车之间的距离和速度来判断列车当前是否处于安全防护范围之内，若是则列车继续正常行驶，否则转到流程5)。

5)后车列车车载计算单元(即状态计算单元)发送紧急信号给现有cbtc系统中的车载atp，后车车载atp触发紧急制动，列车紧急停车。

系统的自动监督流程为：

1)前车和后车的列车数据采集单元获取本车位置、速度、车次号等信息并打包，并将打包完成的数据信息通过装置4发送给现有cbtc系统的中心ats。

2)现有cbtc系统的中心ats解析各个列车发来的数据包获取线路上各个列车位置、速度等信息，通过这些信息来监督线路上各列车安全运行。

具体的，本发明实施例2所述的方法中，各个功能实现具体如下：

系统自动运行和自动防护系统中选择通信方式的流程如下：在本系统中，车车通信的实现方式选择lte-v(longtermevolution-vehicle)技术，如附图5所示，它有两种通信方式：蜂窝式(lte-v-cell)和直连式(lte-v-direct)。蜂窝式通信适用于长距离传输(距离大于1000米)，利用基站作为控制中心和中转站，实现列车间的信息交互。直连式通信即车与车之间不通过基站直接通信，针对短距离传输(1000米以内)，与蜂窝式形成互补，适用于对低时延、高速运动的场景。列车在通信过程中需要选择通信方式是选择蜂窝式通信还是直连式通信，其选择流程如下：

1.设后车的速度为v1，位置为s1，收到的前车速度为v2，位置为s2，则两列车间的距离为：s＝s2-s1；

2.列车当前的通信模式为直连式时，如果s＞1000且v1＜v2则切换为蜂窝式通信，否则保持直连式不变。

3.当列车当前的通信模式为蜂窝式时，若s≤1000且v1＞v2则切换为直连式通信，否则保持蜂窝式不变。

其中，系统的自动运行功能流程中的第4)步骤的计算过程如下：

在城轨cbtc系统中，列车运行的闭塞方式为移动闭塞，即后车以前车的位置为闭塞终点，车载计算单元计算移动授权终点，现有车载控制器根据移动授权终点生成列车目标速度曲线，现有车载ato根据目标速度曲线控制列车自动运行。示意图如附图4所示。步骤4)的计算过程为：

1.设后车的速度为v1，位置为s1，收到的前车速度为v2，位置为s2，则两列车间的距离为：s＝s2-s1；

2.设后车安全防护距离为ssafety，列车制动距离为sbrake，则后车的安全制动距离为：ssbd＝sbrake+ssafety；

3.根据1和2，则可以算出后车的移动授权终点为：sma＝s-ssafety，后车的制动起始点为：sb＝s-ssbd；

4.后车现有车载控制器根据移动授权终点生成列车目标速度曲线，现有的车载ato根据目标速度曲线控制列车自动运行。

系统的自动防护功能流程中的第4)步骤为当前后车的距离小于列车安全制动距离时，列车atp会触发紧急制动，其计算过程如下：

1.设后车的速度为v1，位置为s1，前车速度为v2，位置为s2，则两列车间的距离为：s＝s2-s1；

2.设后车安全防护距离为ssafety，后车制动距离为sbrake，则后车的安全制动距离为：ssbd＝sbrake+ssafety；

3.比较两列车的间隔距离s和后车安全制动距离ssbd，如果s≤ssbd，后车现有车载atp会触发紧急制动，列车紧急制动停车。

综上所述，本发明实施例所述的系统和方法，在较小的影响城轨cbtc系统架构的情况下，可以有效降低列车信息在传递过程中所造成的传输延迟，提高通信间的通信质量，减小前后车距提高运行效率，降低区域控制器zc的工作负荷，保障列车安全运行。

本领域普通技术人员可以理解：本发明实施例中的装置中的部件可以按照实施例的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。

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。