一种有轨电车控制系统及最大运行速度控制方法

摘要

本发明公开了一种有轨电车控制系统及最大运行速度控制方法，系统包括无源信标、信标读写器、第一无线通信模块、中心服务器、红外发射器、红外接收器和第二无线通信模块，中心服务器还连接有路由器、能见度检测仪、温度计和雨量计；无源信标设置在轨道旁；信标读写器设置在电车前部下方，第一无线通信模块与信标读写器连接，红外发射器设置在电车头部，红外接收器设置在轨道旁，红外接收器与第二无线通信模块连接。中心服务器通过能见度、环境温度、降水量和载重情况计算电车最高运行速度，确保电车运行的安全性。本发明适用于城市有轨电车系统。

说明书

技术领域

本发明涉及城市有轨交通控制，尤其是涉及一种安全性较高的有轨电车控制系统及最大运行速度控制方法。

背景技术

现代城市交通中，地铁以准点、运量大、投资大的特点成为目前国内大城市首选交通模式，但其投资过大、造成财政负担过重等负面影响也日益显现。而有轨电车则以其投资小、建设周期短、运量适中、项目审批简单等优点，成为受广大大中城市青睐的新型轨道交通模式。

地铁是在地下全封闭的状态下运行，通过ATP技术进行实时监控，驾驶也可实现全自动无人驾驶，达到SIL4的安全等级。而有轨电车则不得不在半隔离或混行模式下在城市里行使，由此产生了一个安全驾驶的问题。虽然欧美100多年来都采用驾驶员目测驾驶，凭借驾驶员的高素质和市民的高素质以及一整套的信号及安全技术系统而没有发生特大型的事故，但和国外不同的是中国大中城市的高峰时间，十字路口(平岔道口)或人流密集段的人流量是欧美国家不能相提并论的，也是超出国外专家的想像和设计理念的。同时目前国内市民文明出行的习惯也远远没有达到国外城市市民100多年来养成的文明习惯。即使采用国外达到SIL3标准最安全的信号及安全控制系统，有轨电车在中国城市行驶还是存在巨大的安全隐患。

中华人民共和国国家知识产权局于2000年11月8日公开了公开号为CN1272436A的专利文献，名称是一种实时显示地铁运行状态的监测系统。其包括光纤、光时域反射仪(OTDR)，光时域反射仪连接在光纤的任意一端，其还包括机械位移传感机构，所述的机械位移传感机构按一定的密度分布在光纤上。此方案通过机械位移传感机构将列车位置信息反应到光时域发射仪上，从而对列车进行定位，但此方案不适用于有轨电车。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的缺乏对有轨电车的有效安全保障系统的技术问题，提供一种安全性高、适用面广、对影响因子考虑全面的有轨电车控制系统及最大运行速度控制方法。

本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种有轨电车最大运行速度控制方法，包括以下步骤：

S01、系统启动；

S02、系统自检，如果有设备由于自检未通过而发出报警信号，则停机报警，否则进入步骤S03；

S03、判断能见度是否大于能见度阈值，如果是，则设定雾霾限制速度Vi为基础速度V0，然后进入步骤S04；如果能见度小于或等于能见度阈值，则根据能见度计算雾霾限制速度Vi，然后进入步骤S04；

S04、判断当天是否为霜冻天气，如果是霜冻天气则进入步骤S05；如果不是霜冻天气则设定第一中间速度V1为基础速度V0，并进入步骤S06；

S05、判断本车是否为本线路上当天的第一趟车次，如果是则第一中间速度V1由以下公式得出：V1=V0×K1，V0为基础速度，K1为霜冻系数，然后进入步骤S06；如果本车不是当前线路上的第一趟车次则设定第一中间速度V1为基础速度V0，并进入步骤S06；

S06、根据降水量调整第三中间速度V3；

S07、根据车辆载重调整第四中间速度V4；

S08、比较第四中间速度V4和雾霾限制速度Vi的大小，取其中的较小值为电车最大运行速度Vmax。

如果是霜冻天气，车辆在有结霜的轨道上刹车时的摩擦力会比正常情况小，所以需要降低运行速度。第一趟车经过以后轨道上的霜会被消除掉，对后续车辆不产生影响，故而只需要第一趟车减速通过。K1取值范围是0.8-0.9。

作为优选，所述根据降水量调整电车运行速度包括以下步骤：

S061、判断2小时内是否有降水，如果是，则第二中间速度V2由以下公式得出：V2=V1×K2，K2为降水系数，然后进入步骤S062；如果2小时内没有降水，则设定第二中间速度V2为第一中间速度V1，然后进入步骤S063；

S062、判断当前环境温度是否大于0摄氏度，如果是，则进入步骤S063；如果当前环境温度小于或等于0摄氏度，则第三中间速度V3由以下公式确定：V3=V2×K3，K3为结冰系数，然后进入步骤S07；

S063、设定第三中间速度V3为第二中间速度V2，然后进入步骤S07。

如果有降水，也会使电车与轨道摩擦力减小，从而导致刹车距离加大，所以需要降低速度上限，如果气温低于0摄氏度，会使降水在轨道上形成冰冻，进一步减小摩擦力，相应的速度上限也应当进一步降低。K2的取值范围是0.8-0.9，K3的取值范围是0.7-0.8。

作为优选，所述根据车辆载重确定电车运行最大速度具体为：

当载重量为满载时，第四中间速度V4由以下公式确定：V4=V3×K41，K41为满载系数；

当载重量为半载时，第四中间速度V4由以下公式确定：V4=V3×K42，K42为半载系数；

当载重量为半载时，设定第四中间速度V4为第三中间速度V3；

满载为电车载重量在最大负荷的75%以上，半载为电车载重量在最大负荷的25%-75%；空载为电车载重量在最大负荷的25%以下。

车辆在载重量不同的情况下刹车距离不同，载重越大则刹车距离越长，所以需要根据载重对最大速度进行修正。K41的取值范围是0.8-0.85，K42的取值范围是0.9-0.95。

作为优选，所述雾霾限制速度Vi由以下公式确定：

Vi=[(14.44+2S/a)^0.5-3.8]a

式中，S为能见度，a为电车刹车时的速度变化率。

司机在发现前方障碍以后的反应时间为1s，系统反应时间不超过1.2s，转辙设定时间为1.6s，也就是说在前方障碍出现在司机眼中开始到电车开始制动所需要的时间为1s+1.2s+1.6s=3.8s，电车运行速度为V，3.8s内经过的距离为3.8V，电车减速到静止所需时间为V/a，减速过程经过的距离为V²/2a，为保证列车与前方障碍不发生碰撞，能见度S必须大于3.8V+V²/2a，即

S≥3.8V+V²/2a

计算得出，电车运行速度V≤[(14.44+2S/a)^0.5-3.8]a，故雾霾限制速度Vi=[(14.44+2S/a)^0.5-3.8]a。

从安全角度考虑，电车刹车时的速度变化率也和降水、冰冻、载重的情况挂钩，需要根据实际情况进行调整。

一种有轨电车控制系统，包括能见度检测仪、温度计、雨量计、无源信标、信标读写器、第一无线通信模块、路由器、中心服务器、红外发射器、红外接收器和第二无线通信模块，所述无源信标有若干个，无源信标设置在轨道旁；信标读写器设置在电车前部下方，所述第一无线通信模块与信标读写器连接，所述中心服务器与路由器连接，所述红外发射器设置在电车头部，所述红外接收器设置在轨道旁，所述红外接收器与第二无线通信模块连接；所述能见度检测仪、温度计和雨量计都与中心服务器连接。

第一无线通信模块、第二无线通信模块和路由器都连接到无线网络。路由器和中心服务器设置在控制中心。无源信标每隔一段距离设置在轨道旁，每个无源信标中存储有自身设置位置的信息。信标读写器可以读取一定距离内的无源信标中存储的信息。这个距离一般为5-20米。电车开动时，信标读写器不断刷新读取到的信息，并将读取到的信息依次通过第一无线通信模块、无线网络和路由器发送到中心服务器，控制中心的工作人员可以在中心服务器上看到电车所处的位置。当电车靠近十字路口、平岔道口或人流密集区时，控制中心的工作人员可以根据实际情况对电车司机进行提醒。能见度检测仪检测当前的能见度并传递给中心服务器。温度计测量环境温度并传递给服务器。雨量计统计两个小时内的降水量并传递给服务器。电车载重情况由电车本身的重量检测系统通过第一无线通信模块、无线网络和路由器发送到中心服务器。中心服务器完成列车最高运行速度的计算以后发送给电车，电车运行速度必须小于最高运行速度。

红外接收器每隔一段距离设置在轨道旁。红外发射器发出的红外线被红外接收器接收。红外接收器接收到红外线以后，连同自身位置信息一起通过第二无线通信模块发送到无线网络，被第一无线模块和路由器接收。同时第二无线接收模块还通过第一无线通信模块发出的信标读写器读取到的信息来判断是否应该接收到红外线。如果有人在红外探测范围内进入轨道间，则红外线会被隔断一段时间。红外接收器发现应当接收到红外线的期间内持续一定时间没有接收到红外线则判定有人进入轨道间，然后将报警信息通过第二无线通信模块发送到无线网络。第一无线通信模块接收到报警信息以后通过电车上安装的显示屏、扬声器等设备向电车司机通报。同时控制中心的工作人员可以从中心服务器上得知是否有人进入轨道间，在需要的情况下提醒司机注意驾驶安全。红外发射器发出的红外线传输距离为300米以上，有轨电车在70公里/小时（接近路口或者人流密集区会远小于这个速度）的速度下刹车需要180米左右，足够司机作出适当的控制操作。

作为优选，有轨电车控制系统还包括热释电红外传感器，所述热释电红外传感器设置在人流密集区域，所述热释电红外传感器连接最近的第二无线通信模块。

轨道通过十字路口、平岔道口或人流密集区等需要中间监控的位置都设置有热释电红外传感器，负责检测是否有人进入轨道间。当电车靠近热释电红外传感器检测区域时（通过第一无线通信模块发出的信号判断是否靠近），热释电红外传感器开始工作，通过第二无线通信模块发送检测结果到无线网络，被第一无线通信模块和路由器所接收，帮助电车司机和控制中心工作人员进行控制管理。

作为优选，所述无源信标为RFID芯片，所述信标读取器为RFID读卡器。

作为优选，所述第一无线通信模块和第二无线通信模块都包括GPRS单元和WIFI单元。

GPRS单元用于同路由器的连接，WIFI单元用于第一无线通信模块和第二无线通信模块之间的连接。

作为优选，城市有轨电车保障系统还包括若干个感应环，所述感应环设置在轨道间的地面上且靠近安装有热释电红外传感器的区域，所述感应环与热释电红外传感器连接。

电车靠近热释电红外传感器的监控区域时，感应环产生感应信号并发送给热释电红外传感器，热释电红外传感器将检测结果通过第二无线通信模块进行发送。通过感应环可以更为精确地确定电车的位置。

作为优选，城市有轨电车保障系统还包括轨旁控制箱，所述热释电红外传感器和红外接收器都通过轨旁控制箱与第二无线通信模块连接，轨旁控制箱还与路口的红绿灯控制箱连接。

轨旁控制箱对各方信号进行处理并对连接的各模块进行控制，在必要时还可以控制红绿灯，对交通进行控制调节。

本发明带来的实质性效果是，能够根据环境调节计算获得电车的最大行驶速度，安全性高，可以通过全程监控系统确定车辆每时每刻的具体位置，可以通过安全行车系统确定车辆前方是否存在安全隐患，极大方便了调度和监控人员对即时情况的了解和指令下达。同时司机收到前方安全隐患的提醒信号和调度/控制中心的提醒指令，可以作出自己的判断。本系统并不设置自动刹车等自动驾驶功能，以区别有轨电车和地铁的不同，节省成本，建造简单快速。

附图说明

图1是本发明的一种有轨电车控制系统电路框图；

图2是本发明的一种控制过程流程图；

图中：1、信标读写器，2、第一无线通信模块，3、无源信标，4、路由器，5、中心服务器，6、红外发射器，7、红外接收器，8、第二无线通信模块，9、热释电红外传感器，10、感应环，11、无线网络，12、能见度检测仪，13、雨量计，14、温度计。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种有轨电车控制系统，如图1所示，包括信标读写器1、第一无线通信模块2、无源信标3、路由器4、中心服务器5、红外发射器6、红外接收器7、第二无线通信模块8、热释电红外传感器9、感应环10、无线网络11、能见度检测仪12、雨量计13和温度计14。

无源信标有若干个，每隔一段距离设置在轨道旁。红外接收器也有若干个，每隔一段距离设置在轨道旁。信标读写器设置在电车前部下方，红外发射器设置在电车前端。路由器和中心服务器设置在控制中心。信标读写器与第一无线通信模块连接。红外接收器与第二无线通信模块连接。可以多个位置靠近的红外接收器共用一个第二无线通信模块，也可以每个红外接收器连接有一个第二无线通信模块。

能见度检测仪检测当前的能见度并传递给中心服务器。温度计测量环境温度并传递给服务器。雨量计统计两个小时内的降水量并传递给服务器。电车载重情况由电车本身的重量检测系统通过第一无线通信模块、无线网络和路由器发送到中心服务器。

第一无线通信模块和第二无线通信模块都包含GPRS单元和WIFI单元。GPRS单元用于同路由器的连接，WIFI单元用于第一无线通信模块和第二无线通信模块之间的连接。

热释电红外传感器设置在人流密集区域并连接最近的第二无线通信模块。感应环设置在轨道间的地面上且靠近安装有热释电红外传感器的区域并与热释电红外传感器连接。

第一无线通信模块、第二无线通信模块和路由器都连接到无线网络。路由器和中心服务器设置在控制中心。无源信标每隔20米左右设置在轨道旁，每个无源信标中存储有自身设置位置的信息。.信标应能在低温-40°至60°均能正常工作。信标读写器可以读取一定距离内的无源信标中存储的信息。这个距离一般为5-20米。电车开动时，信标读写器不断刷新读取到的信息，并将读取到的信息依次通过第一无线通信模块、无线网络和路由器发送到中心服务器，控制中心的工作人员可以在中心服务器上看到电车所处的位置。当电车靠近十字路口、平岔道口或人流密集区时，控制中心的工作人员可以根据实际情况对电车司机进行提醒。

红外接收器每隔一段距离设置在轨道旁。红外发射器发出的红外线被红外接收器接收。红外接收器接收到红外线以后，连同自身位置信息一起通过第二无线通信模块发送到无线网络，被第一无线模块和路由器接收。同时第二无线接收模块还通过第一无线通信模块发出的信标读写器读取到的信息来判断是否应该接收到红外线。如果有人在红外探测范围内进入轨道间，则红外线会被隔断一段时间。红外接收器发现应当接收到红外线的期间内持续一定时间没有接收到红外线则判定有人进入轨道间，然后将报警信息通过第二无线通信模块发送到无线网络。第一无线通信模块接收到报警信息以后通过电车上安装的显示屏、扬声器等设备向电车司机通报。同时控制中心的工作人员可以从中心服务器上得知是否有人进入轨道间，在需要的情况下提醒司机注意驾驶安全。红外发射器发出的红外线传输距离为300米以上，有轨电车在70公里/小时（接近路口或者人流密集区会远小于这个速度）的速度下刹车需要180米左右，足够司机作出适当的控制操作。

轨道通过十字路口、平岔道口或人流密集区等需要中间监控的位置都设置有热释电红外传感器，负责检测是否有人进入轨道间。当电车靠近热释电红外传感器检测区域时（通过第一无线通信模块发出的信号判断是否靠近），热释电红外传感器开始工作，通过第二无线通信模块发送检测结果到无线网络，被第一无线通信模块和路由器所接收，帮助电车司机和控制中心工作人员进行控制管理。

电车靠近热释电红外传感器的监控区域时，感应环产生感应信号并发送给热释电红外传感器，热释电红外传感器将检测结果通过第二无线通信模块进行发送。通过感应环可以更为精确地确定电车的位置。

为了更好的处理红外接收器和热释电红外传感器的信号，还可以设置轨旁控制箱，红外接收器、热释电红外传感器和第二无线通信模块都与轨旁控制箱连接。路旁控制箱中设有单片机，对各方信号进行处理并对连接的各模块进行控制。轨旁控制箱还可以与路口的红绿灯控制系统连接。

平叉道口前方150米设置一个信标或感应环，车辆到达时通知道口设备，并采集信息。

平叉道口前方在70米处再埋一个信标或感应环，把采集到的信息通过信标或感应环和车辆上的读写器互动，通知驾驶员车辆要进入平叉道口，注意路面情况。

平叉道口设置基于Wifi 的体温检测仪。以检测是否有人(人群)正占用此空间，体温检测仪通过线缆和轨旁控制箱连接，经单片机分析后通过智能天线把路况信号传回驾驶室。

道口设置体温检测仪，并同时设置两面液晶显示牌和两个警示灯。只要有人在道口区域内，就通过线缆通知信标或感应环被占用信息。当车辆压在100米信标或感应环上时，液晶显示牌就通知路人，车辆到达，禁止通行。当还有人穿越时，警示灯亮起，警告司机，减速慢行。

本方案还包括司机减压系统，司机减压系统是在正常视力可见度范围内，在拐弯处，上下坡地段，事故多发地段，行人密集地段设置警示灯，液晶显示牌，地段前面50米设置信标或感应环，当车辆压到信标或感应环时，通知警示灯闪烁，显示牌提示行人“车辆靠近，行人迅速离开”。

地段前面设置信标或感应环，可以参照道口信号子系统的接近区段的长度来进行计算。

一种有轨电车最大运行速度控制方法，包括以下步骤：

S01、系统启动；

S02、系统自检，如果有设备由于自检未通过而发出报警信号，则停机报警，否则进入步骤S03；

S03、判断能见度是否大于能见度阈值，如果是，则设定雾霾限制速度Vi为基础速度V0，然后进入步骤S04；如果能见度小于或等于能见度阈值，则根据能见度计算雾霾限制速度Vi，然后进入步骤S04；

S04、判断当天是否为霜冻天气，如果是霜冻天气则进入步骤S05；如果不是霜冻天气则设定第一中间速度V1为基础速度V0，并进入步骤S06；

S05、判断本车是否为本线路上当天的第一趟车次，如果是则第一中间速度V1由以下公式得出：V1=V0×K1，V0为基础速度，K1为霜冻系数，然后进入步骤S06；如果本车不是当前线路上的第一趟车次则设定第一中间速度V1为基础速度V0，并进入步骤S06；

S06、根据降水量调整第三中间速度V3；

S07、根据车辆载重调整第四中间速度V4；

S08、比较第四中间速度V4和雾霾限制速度Vi的大小，取其中的较小值为电车最大运行速度Vmax。

如果是霜冻天气，车辆在有结霜的轨道上刹车时的摩擦力会比正常情况小，所以需要降低运行速度。第一趟车经过以后轨道上的霜会被消除掉，对后续车辆不产生影响，故而只需要第一趟车减速通过。K1取值范围是0.8-0.9。

作为优选，所述根据降水量调整电车运行速度包括以下步骤：

S061、判断2小时内是否有降水，如果是，则第二中间速度V2由以下公式得出：V2=V1×K2，K2为降水系数，然后进入步骤S062；如果2小时内没有降水，则设定第二中间速度V2为第一中间速度V1，然后进入步骤S063；

S062、判断当前环境温度是否大于0摄氏度，如果是，则进入步骤S063；如果当前环境温度小于或等于0摄氏度，则第三中间速度V3由以下公式确定：V3=V2×K3，K3为结冰系数，然后进入步骤S07；

S063、设定第三中间速度V3为第二中间速度V2，然后进入步骤S07。

如果有降水，也会使电车与轨道摩擦力减小，从而导致刹车距离加大，所以需要降低速度上限，如果气温低于0摄氏度，会使降水在轨道上形成冰冻，进一步减小摩擦力，相应的速度上限也应当进一步降低。K2的取值范围是0.8-0.9，K3的取值范围是0.7-0.8。

作为优选，所述根据车辆载重确定电车运行最大速度具体为：

当载重量为满载时，第四中间速度V4由以下公式确定：V4=V3×K41，K41为满载系数；

当载重量为半载时，第四中间速度V4由以下公式确定：V4=V3×K42，K42为半载系数；

当载重量为半载时，设定第四中间速度V4为第三中间速度V3；

满载为电车载重量在最大负荷的75%以上，半载为电车载重量在最大负荷的25%-75%；空载为电车载重量在最大负荷的25%以下。

车辆在载重量不同的情况下刹车距离不同，载重越大则刹车距离越长，所以需要根据载重对最大速度进行修正。K41的取值范围是0.8-0.85，K42的取值范围是0.9-0.95。

作为优选，所述雾霾限制速度Vi由以下公式确定：

Vi=[(14.44+2S/a)^0.5-3.8]a

式中，S为能见度，a为电车刹车时的速度变化率。

中心服务器完成列车最高运行速度的计算以后发送给电车，电车运行速度必须小于最高运行速度。

通过全程监控系统,正线红外探测系统和基于体温监控的重点区域清空系统可以组合成4种平岔道口轨道先行模式：

a) 自动轨道先行模式—当有轨电车驶入平岔道口的时间按正好是道口公交信号的同方向绿灯，则无须再从交警手中获取先行权,自动先行；

b) 部分先行模式—当有轨电车驶入平岔道口的时间按正好是道口公交信号的同方向绿灯变红灯时间，则从交警手中获取先行权,延长绿灯时间.列车通过后,归还信号权；

c) 正常信号模式—当有轨电车驶近平岔道口，遇上路口堵车，红外检测和热释电红外传感器均表示,道口被长时间占用(超过10分钟)，则有轨电车须减速慢行，等待路口正常交通通行信号或交警指挥。

d) 绝对先行模式—当有轨电车正线为专用路权时，通过平岔道口，通过轨旁控制箱和交警信号指挥箱连接，车辆接近时，强行获取先行权，同向信号灯自动从红灯变绿灯，列车通行后，先行能够权交回交警。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了能见度、温度、红外接收器等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。