一种列车失联时无人机智能防撞预警控制方法与系统

摘要

本发明公开了一种列车失联时无人机智能防撞预警控制方法与系统，该方法通过对无人机进行改进，并且在铁路轨道沿线分散布置工作站，充分地利用无人机的灵活性，主动寻找失联列车并进行追踪，实现了监控的全覆盖，填补了对失联列车进行监控的盲区；此外，该系统还利用无人机预警装置在工作站进行任务交接，保证了监控任务的可靠性；同时，列车失联预警中心自动计算失联列车与前置列车、失联列车与后置列车之间的距离，并与前置安全距离和后置安全距离作比较，实现了自动控制的警报触发机制，简单可靠。

说明书

技术领域

本发明属于轨道交通领域，特别涉及一种列车失联时无人机智能防撞预警控制方法与系统。

背景技术

轨道交通是国家综合运输体系中不可或缺的运输形式之一，以其成本低廉，运输能力大，受气候和自然条件影响小，安全可靠等特点，长期作为国家综合运输体系中最重要的组成部分，在推动国民经济的发展中起着举足轻重的作用。

随着轨道交通系统的日渐繁忙，在实际的运营与调度过程之中，技术失误或运行环境的突然变化都有可能造成严重的行车事故。如果列车与调度中心失去了联系，即使失联时间非常短，也会在铁路线路上出现了一个列车实时状态无法被实时监测到的盲区。这个盲区的存在使得调度部分无法掌握列车的运行情况，无法作出有效的指挥，也无法发出准确的警报，这不论对于失联列车本身还是在该线路上运行的其他列车而言都是一个巨大的安全隐患。

当列车与调度中心失去联系这种突发状况发生时，如何对运行在盲区中的列车以及正常运行的列车作出预警警告是保障安全的有效措施之一。然而，在现行的安全防护技术中，无人机的使用在大多数时候仅仅是作为人力的替代，如无人机巡线等，多数安全防护技术并未针对失联这一可能出现的突发状况做出应对。

发明内容

本发明为了填补现行安全防护技术中针对失联情况的空白，对铁路运行中存在的盲区进行排除，提出了一种用于失联列车无人机防碰撞预警方法与系统，利用改进的无人机预警装置对列车进行追踪和数据的实时采集，即使列车与调度中心失去联系，可以在很大程度上避免安全事故的发生，显著提高了列车在失联情况下的运行安全性。

一种列车失联时无人机智能防撞预警控制方法，包括以下步骤：

步骤1：沿铁路轨道线路等距离间隔设置工作站，每个工作站设置若干个无人机预警装置；

所述无人机预警装置与所述工作站进行通信，所述工作站、列车失联预警中心和地面控制中心依次进行通信；

步骤2：当列车与地面列车控制中心失去联系时，地面列车控制中心向列车失联预警中心发送失联列车编号以及该列车失联前记载的最后位置坐标；

步骤3：通过列车失联预警中心发出寻找指令至失联列车的最后位置坐标所在区间的前后两个相邻工作站，每个工作站启动一个无人机预警装置朝失联列车的最后位置坐标飞行；

步骤4：当无人机预警装置监测到列车后，利用机载的Kinect传感器采集列车编号，与失联列车编号进行比对，若比对成功，则进入步骤5，否则，继续飞行，重复步骤4；

步骤5：列车失联预警中心发出控制指令使得无人机预警装置与列车保持相同速度同向行驶，同时，利用无人机预警装置上的速度传感器、GPS定位装置以及距离传感器测量列车实时运行速度、列车实时位置坐标以及无人机预警装置与列车相对距离，且同步发送至所从属的工作站后传送至列车失联预警中心；

步骤6：列车失联预警中心利用工作站传送来的失联列车的GPS信息计算失联列车在轨道上的位置，同时，结合移动闭塞系统，依据失联列车在轨道上的位置、实时GPS坐标以及实时运行速度计算失联列车与前置列车和后置列车的距离；

前置列车和后置列车是指在发车次序上位于失联列车之前和之后的列车；

步骤7：当失联列车与前置列车之间的距离小于等于前置安全距离，或者失联列车与后置列车之间的距离小于等于后置安全距离时，向地面列车控制中心发出警报，地面列车控制中心对前置列车和后置列车进行车速的实时调控。

前置安全距离：

当前置列车实时车速V1大于失联列车实时车速V0时，不考虑前置安全距离，因两列车没有相撞的危险；

当前置列车实时车速V1小于失联列车实时车速V0时，前置安全距离其中，K为安全系数考虑到轨道半径以及轨道不平直度，K取1.1-1.2，a为列车制动加速度；

K的设置是为了弥补由轨道半径、信息传输、处理延迟而带来的误差；

后置安全距离：

当失联列车实时车速V0大于后置列车实时车速V2时，不考虑前置安全距离，因两列车没有相撞的危险；

当失联列车实时车速V0小于后置列车实时车速V2时，后置安全距离

进一步地，当无人机预警装置与失联列车同步时，其中一个无人机预警装置位于失联列车车头，另一个无人机预警装置位于失联列车车尾。

进一步地，当无人机预警装置与失联列车同步前行后，在失联列车行驶至下个工作站时，无人机预警装置进行任务交接，列车失联控制中心向失联列车进入的最新工作站发出指令，使得该工作站的两个无人机预警装置起飞同步跟踪失联列车，原先飞行的两个无人机预警装置进入该工作站，进行充电，并将失联列车的实时车速和位置发送至列车失联预警中心。

进行任务交接能够使得无人机预警装置的电量得以维持，防止电量耗尽无法持续跟踪。

进一步地，在列车运行过程中，若失联列车恢复了与地面列车控制中心的通信，则地面列车控制中心向列车失联预警中心发送任务终止的指令，从而列车失联预警中心向工作站发出指令，控制正在工作的无人机预警装置返回距离其最近的工作站；

若失联列车一直未能恢复与地面列车控制中心恢复联系，则两个无人机预警装置一直处在工作状态。

一种列车失联时无人机智能防撞预警控制系统，包括：

地面列车控制中心，包括列车调度模块、预警信息存储模块以及第一无线通讯模块；

列车失联预警中心，包括无人机调度模块、碰撞预警数据存储模块、中央处理器模块以及第二无线通讯模块；

工作站，等间距设置在铁路轨道线路上，包括无人机操作模块、无人机数据库、第三无线通讯模块以及至少两个无人机预警装置；

其中，每个无人机预警装置包括飞行装置以及装载在飞行装置上的GPS定位装置、距离传感器、Kinect传感器、列车速度传感器以及第四无线通讯模块；

无人机预警装置实时采集失联列车的车速和位置，同时通过Kinect传感器采集列车编号；

工作站接收无人机预警装置实时采集的消息，并将消息传送至列车失联预警中心，列车失联预警中心对消息进行分析处理，将处理结果实时发送至地面列车控制中心；

有碰撞危险时，将警报信息发送至地面列车控制中心；没有碰撞危险时，不进行后续操作，仍然继续执行防碰撞监测操作；

所述列车失联预警中心和地面列车控制中心按照上述的方法对无人机预警装置和列车进行调度控制，从而实现碰撞预警。

碰撞预警数据存储模块用于存储无人机预警装置实时采集的数据和实时的处理数据；

进一步地，所述无人机预警装置上还设置有LED灯。

有益效果

本发明提供了一种列车失联时无人机智能防撞预警控制方法与系统，该方法通过对无人机进行改进，并且在铁路轨道沿线分散布置工作站，充分地利用无人机的灵活性，主动寻找失联列车并进行追踪，实现了监控的全覆盖，填补了对失联列车进行监控的盲区；两个处在工作状态的无人机预警装置测量并传输列车实时运行速度与列车实时位置坐标，形成了两组数据流，这两组数据流保证了失联列车对于地面控制中心的可见性，使得地面列车控制中心能够通过对其他列车进行调度来避免碰撞的发生；无人机预警装置连续返回的信息构成了数据流网络，这个网络中的每一点与失联列车运行过程中的每一点一一对应，实现了对失联列车的无缝监控；此外，该系统还利用无人机预警装置在工作站进行任务交接，保证了监控任务的可靠性；同时，列车失联预警中心自动计算失联列车与前置列车、失联列车与后置列车之间的距离，并与前置安全距离和后置安全距离作比较，实现了自动控制的警报触发机制，简单可靠。

附图说明

图1为无人机预警装置工作状态示意图；

图2为本发明所述预警系统的整体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

普通铁路的运行速度普遍在180km/h以下，使用现有技术中的无人机用于本方案中的无人机预警装置，日本生产的的GTR DRONE的百公里加速时间仅为1.3s，并可保持185km/h的巡航速度，现有技术中的部分无人机速度可达200km/h以上。

一种列车失联时无人机智能防撞预警控制方法，包括以下步骤：

步骤1：沿铁路轨道线路等距离间隔设置工作站，每个工作站设置若干个无人机预警装置；

所述无人机预警装置与所述工作站进行通信，所述工作站、列车失联预警中心和地面控制中心依次进行通信；

步骤2：当列车与地面列车控制中心失去联系时，地面列车控制中心向列车失联预警中心发送失联列车编号以及该列车失联前记载的最后位置坐标；

步骤3：通过列车失联预警中心发出寻找指令至失联列车的最后位置坐标所在区间的前后两个相邻工作站，每个工作站启动一个无人机预警装置朝失联列车的最后位置坐标飞行；

步骤4：当无人机预警装置监测到列车后，利用机载的Kinect传感器采集列车编号，与失联列车编号进行比对，若比对成功，则进入步骤5，否则，继续飞行，重复步骤4；

步骤5：列车失联预警中心发出控制指令使得无人机预警装置与列车保持相同速度同向行驶，同时，利用无人机预警装置上的速度传感器、GPS定位装置以及距离传感器测量列车实时运行速度、列车实时位置坐标以及无人机预警装置与列车相对距离，且同步发送至所从属的工作站后传送至列车失联预警中心；

如图1所示，无人机预警装置与失联列车同步时，其中一个无人机预警装置位于失联列车车头，另一个无人机预警装置位于失联列车车尾。

列车失联预警中心将工作站返回的实时数据存储到碰撞预警数据存储模块；

步骤6：列车失联预警中心利用工作站传送来的失联列车的GPS信息计算失联列车在轨道上的位置，同时，结合移动闭塞系统，依据失联列车在轨道上的位置、实时GPS坐标以及实时运行速度计算失联列车与前置列车和后置列车的距离；

前置列车和后置列车是指在发车次序上位于失联列车之前和之后的列车；

步骤7：当失联列车与前置列车之间的距离小于等于前置安全距离，或者失联列车与后置列车之间的距离小于等于后置安全距离时，向地面列车控制中心发出警报，地面列车控制中心对前置列车和后置列车进行车速的实时调控；

地面列车控制中心将列车失联预警中心发送的警报信息存储到预警信息存储模块；

前置安全距离：

当前置列车实时车速V1大于失联列车实时车速V0时，不考虑前置安全距离，因两列车没有相撞的危险；

当前置列车实时车速V1小于失联列车实时车速V0时，前置安全距离其中，K为安全系数考虑到轨道半径以及轨道不平直度，K取1.1-1.2，a为列车制动加速度；

K的设置是为了弥补由轨道半径、信息传输、处理延迟而带来的误差；

后置安全距离：

当失联列车实时车速V0大于后置列车实时车速V2时，不考虑前置安全距离，因两列车没有相撞的危险；

当失联列车实时车速V0小于后置列车实时车速V2时，后置安全距离

当无人机预警装置与失联列车同步前行后，在失联列车行驶至下个工作站时，无人机预警装置进行任务交接，列车失联控制中心向失联列车进入的最新工作站发出指令，使得该工作站的两个无人机预警装置起飞同步跟踪失联列车，原先飞行的两个无人机预警装置进入该工作站，进行充电，并将失联列车的实时车速和位置发送至列车失联预警中心。

在列车运行过程中，若失联列车恢复了与地面列车控制中心的通信，则地面列车控制中心向列车失联预警中心发送任务终止的指令，从而列车失联预警中心向工作站发出指令，控制正在工作的无人机预警装置返回距离其最近的工作站；

若失联列车一直未能恢复与地面列车控制中心恢复联系，则两个无人机预警装置一直处在工作状态。

如图2所示，一种列车失联时无人机智能防撞预警控制系统，其特征在于，包括：

地面列车控制中心，包括列车调度模块、预警信息存储模块以及第一无线通讯模块；

第一无线通讯模块，用于实现地面列车控制中心与列车失联预警中心的通信，包括向列车失联预警中心发送任务初始化指令(包含列车编号、列车最后出现时刻位置坐标)和接收来自列车失联预警中心的警报信息；以及实现地面列车控制中心与列车的通信，包括进行列车的实时调度。

列车失联预警中心，包括无人机调度模块、碰撞预警数据存储模块、中央处理器模块以及第二无线通讯模块；

第二无线通讯模块，用于实现列车失联预警中心与工作站的通信，包括接受工作站返回的实时数据(如列车实时运行速度、列车实时位置坐标等)和向工作站发送指令(如无人机预警装置起飞并追踪目标受控列车等)；以及用于实现列车失联预警中心与地面列车控制中心的通信，包括接受地面列车控制中心的任务初始化指令(包含列车编号、列车最后出现时刻位置坐标)和向地面列车控制中心发送警报信息。

工作站编号、工作站位置坐标、无人机预警装置编号以及列车在不同环境不同运行速度下的安全制动距离存放到列车失联预警中心中的碰撞数据存储模块中；

工作站，等间距设置在铁路轨道线路上，包括无人机操作模块、无人机数据库、第三无线通讯模块以及至少两个无人机预警装置；

无人机操作模块，用于接受来自列车失联预警中心的指令，对无人机预警装置进行操控，包括对无人机任务的初始化与结束、飞行速度与高度的控制等；当无人机预警装置处于待命状态时，供其停放与充电。

无人机数据库，用于存储下辖的无人机编号，无人机预警装置返回的信息；包括无人机预警装置与列车的相对距离、列车的实时运行速度、列车的地理位置坐标、测量时间以及无人机编号；同时，存储列车在不同环境不同运行速度下的安全制动距离。

第三无线通讯模块用于实现工作站与无人机预警装置之间的通信，包括接受无人机预警装置返回的实时数据(如列车实时运行速度、列车实时位置坐标等)和向无人机预警装置发送操作指令(如无人机预警装置起飞并追踪目标受控列车等)；以及实现工作站与列车失联预警中心的通信，包括接受列车失联预警中心的指令(如无人机预警装置起飞并追踪目标受控列车等)和向列车失联预警中心返回实时数据(如列车实时运行速度、列车实时位置坐标等)；

其中，每个无人机预警装置包括飞行装置以及装载在飞行装置上的GPS定位装置、距离传感器、Kinect传感器、列车速度传感器以及第四无线通讯模块；

Kinect传感器用于识别列车车号以及其他的无人机预警装置；列车速度传感器用于测量当前运行列车的实时行驶速度；GPS定位装置用于确定当前时刻列车的地理位置坐标；第四无线通讯模块用于无人机与工作站之间的信息交流；距离传感器为保持无人机与列车相对静止提供反馈数据；

为了保证无人机预警装置在夜间能够正常飞行工作，还设置有LED灯；

无人机预警装置实时采集失联列车的车速和位置，同时通过Kinect传感器采集列车编号；

工作站接收无人机预警装置实时采集的消息，并将消息传送至列车失联预警中心，列车失联预警中心对消息进行分析处理，将处理结果实时发送至地面列车控制中心；

有碰撞危险时，将警报信息发送至地面列车控制中心；没有碰撞危险时，不进行后续操作，仍然继续执行防碰撞监测操作；

所述列车失联预警中心和地面列车控制中心按照上述的方法对无人机预警装置和列车进行调度控制，从而实现碰撞预警。

碰撞预警数据存储模块用于存储无人机预警装置实时采集的数据和实时的处理数据。

综上所述，利用本发明提供的预警系统，即使列车与调度中心失去联系，也可以在很大程度上避免安全事故的发生，显著提高了列车在失联情况下的运行安全性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。