專利名稱：基于車車通信的ctcs安全疊加列車碰撞防護(hù)系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種基于車車通信的CTCS安全疊加列車碰撞防護(hù)系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
2011年我國(guó)軌道交通領(lǐng)域發(fā)生了兩起嚴(yán)重的列車碰撞事故。雖然我國(guó)軌道交通領(lǐng)域已經(jīng)投入大量建設(shè)成本，完善中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(CTCS)，但仍無法完全避免列車間的碰撞問題。碰撞防護(hù)系統(tǒng)在海事、航空、公路交通領(lǐng)域已得到應(yīng)用。2006年德國(guó)航空航天中 心啟動(dòng)了鐵路防撞系統(tǒng)的課題研究，2009年美國(guó)阿拉斯加鐵路公司啟動(dòng)了此類系統(tǒng)研發(fā)，2011年印度起草了列車碰撞防護(hù)規(guī)范草案，我國(guó)該領(lǐng)域研究尚處于起步階段。CTCS是在借鑒ETCS的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)鐵路現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃，以分級(jí)形式滿足不同線路運(yùn)輸需求的列車控制系統(tǒng)。系統(tǒng)目的是適應(yīng)中國(guó)既有信號(hào)裝備現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)之間互聯(lián)互通，滿足最高速度160 350km/h列車運(yùn)行控制需求，控制等級(jí)分為5級(jí)。CTCS五級(jí)分級(jí)中，CTCS-3和CTCS-4采用車地?zé)o線通信系統(tǒng)GSM-R，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)完善的冗余覆蓋，可有效保證列車安全間隔。CTCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖I所示。系統(tǒng)分為車載子系統(tǒng)和地面子系統(tǒng)，車地之間經(jīng)由鐵路GSM-R(GSM for Railway，鐵路專用數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng))進(jìn)行信息實(shí)時(shí)交互。列車將自身運(yùn)行狀態(tài)信息經(jīng)由GSM-R網(wǎng)絡(luò)發(fā)給地面無線閉塞中心，無線閉塞中心根據(jù)軌道電路、聯(lián)鎖進(jìn)路等信息生成行車許可，通過GSM-R無線通信系統(tǒng)將行車許可、線路參數(shù)、臨時(shí)限速傳輸給CTCS-3級(jí)車載設(shè)備；車載設(shè)備根據(jù)無線閉塞中心的行車許可，生成連續(xù)速度控制模式曲線，實(shí)時(shí)監(jiān)控列車安全運(yùn)行；軌道電路實(shí)現(xiàn)列車占用檢查，在降級(jí)使用是可作為發(fā)送行車許可信息的備用系統(tǒng)；CTCS安全計(jì)算機(jī)根據(jù)地面設(shè)備提供的行車許可、線路參數(shù)、臨時(shí)限速等信息和列車參數(shù)，按照目標(biāo)距離連續(xù)速度控制模式生成動(dòng)態(tài)速度曲線，監(jiān)控列車的安全運(yùn)行；調(diào)度集中系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)列車調(diào)度指揮的中樞，對(duì)列車進(jìn)行集中控制，具有站場(chǎng)表示、車次號(hào)顯示、車次號(hào)管理、列車記點(diǎn)等功能，并兼具下達(dá)臨時(shí)限速命令，保障列車運(yùn)行間隔的作用。(I)系統(tǒng)運(yùn)行過度依賴地面基礎(chǔ)設(shè)施和調(diào)度中心，投資成本高；(2)司機(jī)無法自主判斷前行列車運(yùn)行狀態(tài)，無法及時(shí)主動(dòng)進(jìn)行碰撞防護(hù)操作。(3)列車和列車之間無法直接通信，本車無法判斷前行列車和隨行列車的運(yùn)行狀態(tài)，有無碰撞風(fēng)險(xiǎn)。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00620078858，一種鐵路列車全方位立體化自動(dòng)識(shí)別預(yù)警和避碰防護(hù)裝置，該實(shí)用新型公開了一種鐵路列車自動(dòng)識(shí)別預(yù)警和避碰防護(hù)裝置。主機(jī)上分別連接一根800M天線和一根GPS天線，同時(shí)還分別連接兩個(gè)終端控制器，所述主機(jī)是由通信單元和主處理器單元構(gòu)成。該裝置采用S0TDMA(自組織時(shí)分多址)技術(shù)，結(jié)構(gòu)合理，制式統(tǒng)一，能夠隨時(shí)收集本車、列尾、他車、道口和施工現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)信息，可實(shí)現(xiàn)列車間接近安全預(yù)警和避碰、列車尾部安全防護(hù)、上道作業(yè)人員對(duì)接近列車的防護(hù)、道口故障列車二次事故防護(hù)和線路施工時(shí)限速預(yù)警；還可以避免列車安全防護(hù)系統(tǒng)與無線列調(diào)的相互干擾，避免防護(hù)設(shè)備重復(fù)投資和建設(shè)，應(yīng)用于鐵路列車安全防護(hù)，也可以應(yīng)用于特種車輛和水上交通的安全防護(hù)和管理。(I)該設(shè)備采用800M獨(dú)立頻段，與鐵路專用GSM-R頻段接近，易于車地安全通信系統(tǒng)造成相互干擾，造成誤碼率偏高；(2)系統(tǒng)獨(dú)立安裝，且無法形成閉環(huán)實(shí)時(shí)傳輸。縮略語(yǔ)和關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)定義(I) CAS-T !Collision Avoidance System for Train,列車碰撞防護(hù)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱:列車避碰系統(tǒng))(2)CTCS Chinese Train Control System,中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(3) SOS Safety Overlay System,安全疊加系統(tǒng)，(5)V2V Vehicular to Vehicular,車車通信(6) ETCS European Trai n Control System,歐洲列車運(yùn)行控制系統(tǒng)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足提供ー種基于車車通信的CTCS安全疊加列車碰撞防護(hù)系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下ー種基于車車通信的CTCS安全疊加列車碰撞防護(hù)系統(tǒng)，包括測(cè)速定位子系統(tǒng)，設(shè)置于列車上，精確獲知列車在線路上的速度信息、位置信息和方向信息；車車通信子系統(tǒng)一方面向其他列車廣播本車的速度信息、位置信息和方向信息，一方面接收來自于其他列車的速度信息、位置信息和方向信息；在一定通信覆蓋范圍內(nèi)采用半雙エ或雙エ模式接收并發(fā)送列車速度信息、位置信息和方向信息；碰撞防護(hù)安全計(jì)算機(jī)，綜合本車的速度信息、位置信息和方向信息與來自車車通信子系統(tǒng)接收的鄰近列車的速度信息、位置信息和方向信息并結(jié)合電子地圖數(shù)據(jù)，計(jì)算并分析碰撞可能性，能根據(jù)碰撞級(jí)別給出告警提示和處置建議；電子地圖數(shù)據(jù)庫(kù)，為碰撞防護(hù)安全計(jì)算機(jī)和測(cè)速定位子系統(tǒng)提供電子地圖數(shù)據(jù)；人機(jī)交互子系統(tǒng)，完成列車數(shù)據(jù)的輸入，碰撞可能發(fā)生時(shí)給出顯示告警提示。所述的列車碰撞防護(hù)系統(tǒng)的碰撞防護(hù)方法，包括以下步驟(I)本車測(cè)速定位子系統(tǒng)將本車速度信息、位置信息和方向信息，送給碰撞防護(hù)安全計(jì)算機(jī)；(2)碰撞防護(hù)安全計(jì)算機(jī)將本車的速度信息、位置信息和方向信息送往兩處一方面顯示在本車的人機(jī)交互子系統(tǒng)上，供本車司機(jī)了解列車的運(yùn)行姿態(tài)信息；一方面送給車車通信子系統(tǒng)；(3)車車通信子系統(tǒng)將本車的速度信息、位置信息和方向信息通過廣播的方式向一定通信范圍內(nèi)進(jìn)行傳播，同時(shí)接收其它列車廣播的速度信息、位置信息和方向信息，并送給本車碰撞防護(hù)安全計(jì)算機(jī)；(4)碰撞防護(hù)安全計(jì)算機(jī)結(jié)合本車的列車速度信息、位置信息和方向信息和車車通信子系統(tǒng)接收的其它列車的速度信息、位置信息和方向信息，結(jié)合電子地圖數(shù)據(jù)庫(kù)的線路信息，進(jìn)行碰撞防護(hù)可能性的計(jì)算，并把計(jì)算結(jié)果送給人機(jī)交互子系統(tǒng)；(5)人機(jī)交互子系統(tǒng)在碰撞可能發(fā)生時(shí),給出聲光告警信號(hào),和操作措施建議。提醒司機(jī)采取必要制動(dòng)措施，避免列車碰撞。本發(fā)明是基于車車通信，并可安全疊加于列車運(yùn)行控制系統(tǒng)之上的列車碰撞防護(hù)系統(tǒng)。車載設(shè)備實(shí)時(shí)計(jì)算自身的位置和移動(dòng)向量，并將其廣播給一定區(qū)域內(nèi)的其他列車，人機(jī)接ロ設(shè)備顯示一定區(qū)域內(nèi)列車位置信息，車載計(jì)算機(jī)綜合自己位置信息和接收的其他列車位置信息監(jiān)測(cè)碰撞發(fā)生的可能性，并給出報(bào)警信號(hào)和防碰策略建議。司機(jī)可明確獲知前后列車的運(yùn)行姿態(tài)，當(dāng)碰撞風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)時(shí)，可根據(jù)報(bào)警信息采取有效的規(guī)避措施。CAS-T是完全基于車載設(shè)備的碰撞防護(hù)系統(tǒng)，不需要增加額外的地面基礎(chǔ)設(shè)施。其基本原理借助列車定位信息和車車通信及碰撞防護(hù)算法，完成碰撞預(yù)警和防護(hù)。有益效果(I)本發(fā)明可從本質(zhì)上提升鉄路運(yùn)輸安全水平，克服由于調(diào)度中心功能失調(diào)、車地 通信不暢時(shí)列車間會(huì)發(fā)生碰撞事故的缺陷，社會(huì)效益高；(2)本發(fā)明可疊加與現(xiàn)有的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)之上，與其共享列車數(shù)據(jù)信息，且不需要增加額外的地面設(shè)備投資，經(jīng)濟(jì)效益明顯。(3)本發(fā)明采用ISM開放頻段，可在保障安全的基礎(chǔ)上最大限度地與公路區(qū)域?qū)崿F(xiàn)信息互聯(lián)互通，可有效保證平交道ロ安全。同時(shí)隨著公路車路協(xié)同系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)公、鉄路信息共享，商業(yè)價(jià)值巨大。


圖I為現(xiàn)有技術(shù)的CTCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明CTCS疊加CAS-T系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。為實(shí)現(xiàn)列車碰撞防護(hù)的目的，基于車車通信的CTCS安全疊加列車碰撞防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,包括(I)測(cè)速定位子系統(tǒng)，設(shè)置于列車上，通過衛(wèi)星定位、測(cè)速傳感器、車載雷達(dá)和電渦流傳感器等多種組合方式，精確獲知列車在線路上的速度信息(V)、位置信息(L)和方向信息(D)，此部分可與CTCS實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備和定位信息的共享；(2)車車通信子系統(tǒng)車車通信子系統(tǒng)一方面向其他列車廣播自己的速度、位置和方向信息，一方面接收來自于其他列車的速度、位置和方向信息。在一定通信覆蓋范圍內(nèi)采用半雙エ模式或雙エ模式運(yùn)行。(3)碰撞防護(hù)安全計(jì)算機(jī)(CAS-VC，CAS Vital Computer)，綜合自身位置與來自車車通信子系統(tǒng)接收的鄰近列車位置并結(jié)合電子地圖數(shù)據(jù)，計(jì)算并分析碰撞可能性，能根據(jù)碰撞級(jí)別給出告警提示和處置建議；(4)電子地圖數(shù)據(jù)庫(kù)，為CAS-VC和定位子系統(tǒng)提供電子地圖數(shù)據(jù)；(5)人機(jī)交互子系統(tǒng)，完成列車數(shù)據(jù)的輸入，碰撞可能發(fā)生時(shí)給出顯示告警提示?；谲囓囃ㄐ诺腃TCS安全疊加列車碰撞防護(hù)系統(tǒng)系統(tǒng)工作流程為(I)本車“測(cè)速定位子系統(tǒng)”綜合衛(wèi)星定位和測(cè)速傳感定位等技術(shù)將本車速度信息(V)、位置信息(L)和方向信息(D)，送給“碰撞防護(hù)安全計(jì)算機(jī)”；
(2) “碰撞防護(hù)安全計(jì)算機(jī)”將本車的速度、位置、方向信息送往兩處一方面顯示在本車的“人機(jī)交互子系統(tǒng)”上，供本車司機(jī)了解列車的運(yùn)行姿態(tài)信息；一方面送給“車車通信子系統(tǒng)”。(3) “車車通信子系統(tǒng)”將本車的列車運(yùn)行信息通過廣播的方式向一定通信范圍內(nèi)進(jìn)行傳播，同時(shí)接收其它列車廣播的運(yùn)行信息，并送給本車“碰撞防護(hù)安全計(jì)算機(jī)”。(4) “碰撞防護(hù)安全計(jì)算機(jī)”結(jié)合本車的列車運(yùn)行姿態(tài)信息和“車車通信子系統(tǒng)”接收的其它列車的運(yùn)行姿態(tài)信息，結(jié)合“電子地圖數(shù)據(jù)庫(kù)”的線路信息，進(jìn)行碰撞防護(hù)可能性的計(jì)算，并把計(jì)算結(jié)果送給“人機(jī)交互子系統(tǒng)”。(5) “人機(jī)交互子系統(tǒng)”在碰撞可能性時(shí)，給出聲光告警信號(hào)，和操作措施建議。提醒司機(jī)采取必要制動(dòng)措施，避免列車碰撞。
(6) “CAS-T”利用獨(dú)立的“車車通信子系統(tǒng)”，在列車與列車間直接交互列車運(yùn)行速度、位置和方向信息，可在列車與列車間存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，及時(shí)給出預(yù)警信息和防護(hù)提示?！癈AS-T”作為“CTCS”的安全疊加系統(tǒng)與“CTCS”同時(shí)在線運(yùn)行^“CTCS”的列車間隔控制功能不完善(例如調(diào)度中心功能失常、車地通信不暢等)時(shí)，“CAS-T”可獨(dú)立運(yùn)行，避免列車間的碰撞。車車通信子系統(tǒng)是CAS-T的核心技術(shù)。根據(jù)CAS-T車車通信子系統(tǒng)內(nèi)車載通信單元所選用的通信制式和工作方式的差別，可將CAS-T系統(tǒng)分為兩種(I)半雙工模式在此種工作模式下，需要司機(jī)去觸發(fā)系統(tǒng)動(dòng)作，系統(tǒng)分為正常和告警兩種工作狀態(tài)。正常狀態(tài)列車處于正常運(yùn)行工作狀態(tài)時(shí)，車載通信單元處于接收狀態(tài)，無發(fā)送數(shù)據(jù)。告警狀態(tài)當(dāng)列車處于故障停車或非正常行駛時(shí)，由列車司機(jī)按故障鍵后，車載通信單元周期性發(fā)送告警信息，一定范圍內(nèi)的列車接收到該告警信息后進(jìn)行處理并發(fā)出相關(guān)告警提示信息(聲、光)，提示司機(jī)進(jìn)行故障確認(rèn)，進(jìn)行減速行駛或停車操作，避免追尾事故的發(fā)生。(2)雙工模式此種工作模式下，車載通信單元自動(dòng)實(shí)時(shí)地收發(fā)列車位置和其它相關(guān)信息并進(jìn)行碰撞可能性的判斷?？梢员ＷC司機(jī)能獲得最新的鄰近列車的運(yùn)行姿態(tài)，及時(shí)提醒司機(jī)采取相應(yīng)動(dòng)作，用以確保列車運(yùn)行安全。車車通信方式的不同表述，例如基于車載自組織網(wǎng)絡(luò)(VANET、MANET等)的列車碰撞防護(hù)系統(tǒng)。與列車運(yùn)行控制系統(tǒng)結(jié)合模式的不同表述。如適合于不同列車運(yùn)行控制等級(jí)(CTCS-2級(jí)、CTCS-3級(jí)和CTCS-4級(jí))的碰撞防護(hù)系統(tǒng)。應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于車車通信的CTCS安全疊加列車碰撞防護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，包括 測(cè)速定位子系統(tǒng)，設(shè)置于列車上，精確獲知列車在線路上的速度信息、位置信息和方向信息； 車車通信子系統(tǒng)一方面向其他列車廣播本車的速度信息、位置信息和方向信息，一方面接收來自于其他列車的速度信息、位置信息和方向信息；在一定通信覆蓋范圍內(nèi)采用半雙工或雙工模式接收并發(fā)送列車速度信息、位置信息和方向信息； 碰撞防護(hù)安全計(jì)算機(jī)，綜合本車的速度信息、位置信息和方向信息與來自車車通信子系統(tǒng)接收的鄰近列車的速度信息、位置信息和方向信息并結(jié)合電子地圖數(shù)據(jù)，計(jì)算并分析碰撞可能性，能根據(jù)碰撞級(jí)別給出告警提示和處置建議； 電子地圖數(shù)據(jù)庫(kù)，為碰撞防護(hù)安全計(jì)算機(jī)和測(cè)速定位子系統(tǒng)提供電子地圖數(shù)據(jù)； 人機(jī)交互子系統(tǒng)，完成列車數(shù)據(jù)的輸入，碰撞可能發(fā)生時(shí)給出顯示告警提示。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的列車碰撞防護(hù)系統(tǒng)的碰撞防護(hù)方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)本車測(cè)速定位子系統(tǒng)將本車速度信息、位置信息和方向信息，送給碰撞防護(hù)安全計(jì)算機(jī)； (2)碰撞防護(hù)安全計(jì)算機(jī)將本車的速度信息、位置信息和方向信息送往兩處一方面顯示在本車的人機(jī)交互子系統(tǒng)上，供本車司機(jī)了解列車的運(yùn)行姿態(tài)信息；一方面送給車車通信子系統(tǒng)； (3)車車通信子系統(tǒng)將本車的速度信息、位置信息和方向信息通過廣播的方式向一定通信范圍內(nèi)進(jìn)行傳播，同時(shí)接收其它列車廣播的速度信息、位置信息和方向信息，并送給本車碰撞防護(hù)安全計(jì)算機(jī)； (4)碰撞防護(hù)安全計(jì)算機(jī)結(jié)合本車的列車速度信息、位置信息和方向信息和車車通信子系統(tǒng)接收的其它列車的速度信息、位置信息和方向信息，結(jié)合電子地圖數(shù)據(jù)庫(kù)的線路信息，進(jìn)行碰撞防護(hù)可能性的計(jì)算，并把計(jì)算結(jié)果送給人機(jī)交互子系統(tǒng)； (5)人機(jī)交互子系統(tǒng)在碰撞可能發(fā)生時(shí)，給出聲、光告警信號(hào)，和操作措施建議。提醒司機(jī)采取必要制動(dòng)措施，避免列車碰撞。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于車車通信的CTCS安全疊加列車碰撞防護(hù)系統(tǒng)，包括碰撞防護(hù)安全計(jì)算機(jī)、電子地圖數(shù)據(jù)庫(kù)、測(cè)速定位子系統(tǒng)、車車通信子系統(tǒng)和人機(jī)交互子系統(tǒng)；碰撞防護(hù)安全計(jì)算機(jī)，綜合本車的速度信息、位置信息和方向信息與來自車車通信子系統(tǒng)接收的鄰近列車的速度信息、位置信息和方向信息并結(jié)合電子地圖數(shù)據(jù)，計(jì)算并分析碰撞可能性，能根據(jù)碰撞級(jí)別給出告警提示和處置建議；電子地圖數(shù)據(jù)庫(kù)，為碰撞防護(hù)安全計(jì)算機(jī)和測(cè)速定位子系統(tǒng)提供電子地圖數(shù)據(jù)；人機(jī)交互子系統(tǒng)，完成列車數(shù)據(jù)的輸入，碰撞可能發(fā)生時(shí)給出顯示告警提示。本發(fā)明可從本質(zhì)上提升鐵路運(yùn)輸安全水平，克服由于調(diào)度中心功能失調(diào)、車地通信不暢時(shí)列車間會(huì)發(fā)生碰撞事故的缺陷，社會(huì)效益高；可疊加與現(xiàn)有的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)之上，與其共享列車數(shù)據(jù)信息。
文檔編號(hào)B61L23/00GK102700571SQ201210164949
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月25日
發(fā)明者任靜梅, 黨建武, 李翠然, 李茂青, 林俊亭, 武曉春, 王曉明, 肖蒙, 董昱, 鄭云水, 陳永剛 申請(qǐng)人:蘭州交通大學(xué)