基于时间间隔保持的轨道车辆防碰撞系统及方法

摘要

提供一种基于时间间隔保持的轨道车辆防碰撞系统及方法，包括轨道上内设计时模块的计时应答器和车辆上内设计时模块的车载设备。利用车载设备控制计时应答器进行计时并确定车辆时间间隔，利用计时应答器控制车载设备进行计时并确定应答时间间隔，依此计算出保证当前车辆行车安全所需要的车辆时间间隔下限值和应答时间间隔下限值，判断当时间间隔达到下限值时生成制动用的控制信号进行制动控制，使随后到达前方计时应答器位置时确定的车辆时间间隔和应答时间间隔恢复且保持在依此计算出的各自下限值之上，判断当超时未恢复时生成碰撞预警信号。使用本发明，当前车辆可以主动保持与同轨在先车辆运行时间间隔，降低车辆冒进风险及缓解冒进危害。

说明书

技术领域

本发明属交通运输领域，涉及轨道上车辆之间防碰撞技术，尤其是主动防止轨道交通系统中运行车辆发生追尾事故，属于无线电技术及自动控制技术领域。

背景技术

在现代铁路运输系统中，除了铁路固定设备（线路、桥、隧）和移动设备（机车、车辆）以外，还需要铁路信号系统的支撑，共同构成铁路运输系统三个不可分割的技术基础，铁路信号系统的第一使命是保证行车安全，是铁路运输的神经中枢，在现代铁路运输系统中占有非常重要的地位，已经成为铁路现代化的重要标志之一，近年来随着“棱镜门”事件的持续发酵，网络空间已经成为陆、海、空和天之后各国博弈的另外一个空间，所涉及的网络空间安全也成为国家战略组成部分，涉及网络与信息安全的各个应用领域都在重新审视、关注和重视潜在的威胁及其应对方案。

我国高速铁路系统中列车运行主要依靠既有中国列车运行控制系统CTCS（Chinese Train Control System）防止车辆发生碰撞，CTCS共有5个等级，目前已实现了当今在线运行最先进列车自动防护(Automatic Train Protection，简称ATP)系统CTCS-3，最高等级CTCS-4是面向未来的发展规划，CTCS-3和CTCS-4都是由地面无线闭塞中心（RBC）和车载设备来完成列车占用检测及完整性检查的，列车行车安全与RBC发送的控车消息紧密相关，由于RBC的授权距离更长及与外部设备的信息交互方式更加复杂，因此从这些复杂的逻辑中准确地辨识出可能导致安全风险的原因也更加困难，虽然已采取优选的对策及实施多种技术措施，但车辆超速和车辆冒进依然是关注焦点。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明是为了解决在既有列车运行控制系统中存在车辆冒进风险的问题，提供一种基于时间间隔保持的轨道车辆防碰撞系统及方法，可以有效地降低车辆冒进风险及缓解车辆冒进危害，提高行车安全性。

（二）技术方案

为了实现上述目的，一方面，本发明提供一种基于时间间隔保持的轨道车辆防碰撞系统及方法，系统设有安装在车辆上的车载设备和安装在轨道线路上的计时应答器序列，当前车辆沿轨道线路正向追踪同轨在先车辆运行，在先车辆和当前车辆依次先后到达后方最近计时应答器位置和当前计时应答器位置，利用在先车辆上车载设备内设天线和当前车辆上车载设备内设天线发射的车辆信号控制设置于轨道上的计时应答器计时及生成车辆时间间隔，利用计时应答器发射的应答信号控制车辆上车载设备计时及生成应答时间间隔，依据车辆时间间隔和应答时间间隔计算出保证当前车辆行车安全所需要的车辆时间间隔下限值和应答时间间隔下限值，判断当车辆时间间隔达到下限值或者应答时间间隔达到下限值或者两者同时达到下限值时生成制动用的控制信号进行制动控制，使随后到达前方计时应答器位置时确定的车辆时间间隔和确定的应答时间间隔恢复且保持在依此计算出的各自下限值之上，判断当超过时间未恢复时生成碰撞预警信号，本发明的系统及方法包括步骤：

步骤A：确定当前车辆与在先车辆的车辆时间间隔和当前车辆的应答时间间隔；

步骤A中包括A1，确定车辆时间间隔：轨道上计时应答器内设计时模块累计由在先车辆先期到达该计时应答器位置时为起点至当前车辆后期到达该计时应答器位置时为终点的时间间隔；

步骤A中包括A2，确定应答时间间隔：当前车辆上车载设备内设计时模块累计由当前车辆先期到达后方最近计时应答器位置时为起点至后期到达当前计时应答器位置时为终点的时间间隔；

步骤B：依据确定的车辆时间间隔和应答时间间隔计算出当前车辆保证行车安全所需要的车辆时间间隔下限值和应答时间间隔下限值；

步骤C：判断当确定的车辆时间间隔达到车辆时间间隔下限值或者确定的应答时间间隔达到应答时间间隔下限值或者两者同时达到各自下限值时，生成制动用的控制信号进行制动控制，使当前车辆随后到达前方计时应答器位置时确定的车辆时间间隔和应答时间间隔恢复且保持在依此计算出的各自下限值之上；

步骤D：判断当确定的车辆时间间隔达到车辆时间间隔下限值或者确定的应答时间间隔达到应答时间间隔下限值或者两者同时达到各自下限值的连续累计时间达到时间阈值时生成碰撞预警信号；

所述当前车辆为利用本发明系统及方法进行控制的车辆，所述在先车辆为当前车辆正向追踪运行同轨道前方最近车辆；所述计时应答器为内部设有计时模块的应答器，并沿轨道线路按序列设置；所述车载设备为安装于车辆上内部设有计时模块并用于控制车辆的设备；所述当前计时应答器为当前车辆车载设备正在行驶到达的计时应答器；所述后方最近计时应答器为当前车辆在行驶到达当前计时应答器位置之前所到达过的所有计时应答器中的最后一个计时应答器。

另一方面，本发明还同时提供一种计时应答器，所述计时应答器包括：

计时模块：用于累计由在先车辆先期到达该计时应答器位置时为起点至当前车辆后期到达该计时应答器位置时为终点的时间间隔；

检测模块：用于检测计时模块累计时间是否超出其所设量程，判断及生成超出量程和未超量程两者之一的计时状态信息；

电源模块：用于计时模块和检测模块工作并可以保证计时模块每次由累计时间起点至累计时间终点的计时过程为完整的连续过程。

（三）有益效果

本发明为完整且独立的轨道车辆防碰撞信号系统，与既有CTCS-2级和CTCS-3级列车控制系统友好兼容，利用本发明的系统及方法，车辆可以控制自身速度以保持时间间隔运行，降低车辆冒进风险及缓解冒进危害。

附图说明

图1为本发明系统及方法流程图。

图2为本发明信息生成场景图。

图3为本发明较佳实施例一流程图。

图4为本发明较佳实施例一结构示意图。

图5为本发明较佳实施例一设备布置图。

具体实施方式

下面将结合本发明较佳实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出了用保持运行车辆间时间间隔的方法来防止车辆发生碰撞的概念，用生成车辆时间间隔信息的方法使轨道上留有同轨在先车辆行车状态关联信息，当前车辆用读取轨道上留有信息的方法来感知在先车辆的先期行车状态，并利用车辆速度惯性保持规律来确定当前车辆轨道前方在时间间隔内是否有车辆，用控制自身车辆速度的方法来达到保持运行时间间隔的目的，从而有效地控制车辆冒进风险及其危害。

图1为本发明提供的轨道车辆防碰撞系统及方法实施例1流程图，本实施例包括：

步骤11：确定当前车辆与在先车辆的车辆时间间隔和当前车辆的应答时间间隔，其中，确定车辆时间间隔为轨道上计时应答器内设计时模块累计由在先车辆先期到达该计时应答器位置时为起点至当前车辆后期到达该计时应答器位置时为终点的时间间隔，确定应答时间间隔为当前车辆上车载设备内设计时模块累计由当前车辆先期到达后方最近计时应答器位置时为起点至后期到达当前计时应答器位置时为终点的时间间隔。

上述步骤为电控自动过程，计时应答器累计时间的过程为在在先车辆和当前车辆控制下的过程，车载设备累计时间的过程为在后方最近计时应答器和当前计时应答器控制下的过程。在计时应答器确定车辆时间间隔过程中，计时应答器利用源自车载设备的车辆信号幅度达到预设阈值时的时间点确定在先车辆和当前车辆到达该计时应答器位置，用在先车辆先期到达其位置时的时间点作为累计时间的起点，用当前车辆后期到达其位置时的时间点作为累计时间的终点，将由起点至终点的时间间隔确定为当前车辆与在先车辆的车辆时间间隔。在车载设备确定应答时间间隔过程中，车载设备利用应答信号幅度达到预设阈值时的时间点确定当前车辆到达该计时应答器位置，用当前车辆先期到达后方最近计时应答器位置时的时间点作为累计时间的起点，用当前车辆后期到达当前计时应答器位置时的时间点作为累计时间的终点，将由起点至终点的时间间隔确定为当前车辆的应答时间间隔。

步骤12：依据确定的车辆时间间隔和应答时间间隔计算出当前车辆保证行车安全所需要的车辆时间间隔下限值和应答时间间隔下限值，其中，计算车辆时间间隔下限值的具体步骤为：

步骤B1：计算出在先车辆先期在当前计时应答器位置的在先车辆应答时间间隔T_tr；T_tr=T_vr+T_vvb-T_vv，其中，T_vr为当前车辆在当前计时应答器位置确定的应答时间间隔，T_vvb为当前车辆先期在后方最近计时应答器位置确定的车辆时间间隔，T_vv为当前车辆在当前计时应答器位置确定的车辆时间间隔；

步骤B2：计算出在先车辆先期在当前计时应答器位置的在先车辆应答时间间隔单位时间变化率ΔT_tr；

ΔT_tr=(T_tr-T_trb)/T_vr，其中，T_tr为按步骤B1计算出的在先车辆先期在当前计时应答器位置的在先车辆应答时间间隔，T_trb为按照步骤B1的方法计算出的在先车辆先期在后方最近计时应答器位置的在先车辆应答时间间隔，T_vr为当前车辆在当前计时应答器位置确定的应答时间间隔；

步骤B3：依据确定的车辆时间间隔T_vv和应答时间间隔T_vr读取所存储的与在先车辆应答时间间隔T_tr和在先车辆应答时间间隔单位时间变化率ΔT_tr情况相对应的车辆时间间隔下限值和应答时间间隔下限值。

如图2所示为本发明信息生成场景图，图中所述后方第二计时应答器为后方最近计时应答器的后方最近计时应答器。

上述步骤12中包括：计时应答器可以判断累计时间是否超出其所设的计时量程并生成超出量程和未超量程两者之一的计时状态信息；车载设备可以利用计时状态信息判断计时应答器所确定的车辆时间间隔是否超出其所设的计时量程。

优选地，计时应答器内设计时模块所设量程为相同的量程，且在全国范围是相同的。

上述步骤12中计算出车辆时间间隔下限值和应答时间间隔下限值，为预先采用仿真技术对型号车辆在既有线路中的运行状态进行模拟，编制车辆在各种状态下，包括不同T_tr和不同ΔT_tr情况下的车辆时间间隔下限值和应答时间间隔下限值数据，并存储在车载设备的数据库中，这样在车辆上运行本发明所述系统及方法时，当遇到与仿真同样的情况时，例如达到某个车辆时间间隔T_vv、应答时间间隔T_vr、在先车辆应答时间间隔T_tr和在先车辆应答时间间隔变化率ΔT_tr情况时，则可以调用所存储的该情况对应的车辆时间间隔下限值T_vlv和应答时间间隔下限值T_rlv。

上述步骤12中采用仿真技术编制车辆时间间隔下限值T_vlv和应答时间间隔下限值T_rlv，在计算中采用下述函数：T_vlv>f (T_vv，T_vr，T_e，L_v，L_t，L_r，L_p)，T_rlv>f (T_vv，T_vr，T_e，L_v，L_t，L_r，L_p)，其中，T_vv为当前车辆在当前计时应答器位置确定的车辆时间间隔，T_vr为当前车辆在当前计时应答器位置确定的应答时间间隔，T_e为当前车辆的制动空走时间，L_v为当前车辆由车头端至车载设备安装位置的距离长度，L_t为在先车辆由车载设备安装位置至车尾端的距离长度，L_r为由后方最近计时应答器位置至当前计时应答器位置的轨道线路长度，L_p为预设的当前车辆与在先车辆安全防护距离。

优选地，在我国客运专线运行情况下，车辆头部和车辆尾部均设置有相同的车载设备，在不改变本发明提供的功能情况下，利用车头车载设备实施本发明全部步骤及功能情况下，还可以开启尾部车载设备发射同样的车辆信号重复控制轨道上计时应答器累计时间，从而达到在车辆时间间隔下限值计算中缩减L_t数值的目的，这样有利于提高本系统及方法的有效性。

可选地，按上述情况，在车辆时间间隔下限值计算中，将在先车辆由车载设备安装位置至车尾端的距离长度L_t取值为3米，将当前车辆由车头端至车载设备安装位置的距离长度L_v取值为3米，将L_r取值为20米，将安全停车防护距离L_p取值为30米，依据车辆情况及轨道条件将当前车辆制动空走时间T_e取值为1.3秒。

步骤13：判断当确定的车辆时间间隔达到车辆时间间隔下限值或者确定的应答时间间隔达到应答时间间隔下限值及两者同时达到其各自下限值时，生成制动用的控制信号进行制动控制，使随后到达前方计时应答器位置时确定的车辆时间间隔和应答时间间隔恢复且保持在依此计算出的各自下限值之上；其中，利用当前车辆确定的车辆时间间隔与当前读取的车辆时间间隔下限值进行数值比较，判断是否小于或者等于车辆时间间隔下限值，若是，则为达到，若否，则为未达到；利用当前车辆确定的应答时间间隔与当前读取的应答时间间隔下限值进行数值比较，判断是否小于或者等于应答时间间隔下限值，若是，则为达到，若否，则为未达到；判断当两者之一达到或者两者同时达到为达到；所述车载设备生成制动用的控制信号是适用于具体型号车辆制动装置的控制信号，可以随车辆制动装置制型号不同或者车辆制动率不同而不同；通过自身车辆制动降低速度使随后确定的车辆时间间隔和应答时间间隔向数值增加的方向变化，通过控制制动系数和制动时间使当前车辆运行置于编制的车辆时间间隔下限值和应答时间间隔下限值之上。

步骤14：判断当确定的车辆时间间隔达到车辆时间间隔下限值或者确定的应答时间间隔达到应答时间间隔下限值或者两者同时达到各自下限值的连续累计时间达到时间阈值时生成碰撞预警信号，其中，利用当前车辆确定的车辆时间间隔与当前读取的车辆时间间隔下限值进行数值比较，判断是否小于或者等于车辆时间间隔下限值，若是，则为达到，若否，则为未达到；利用当前车辆确定的应答时间间隔与当前读取的应答时间间隔下限值进行数值比较，判断是否小于或者等于应答时间间隔下限值，若是，则为达到，若否，则为未达到；判断当两者之一达到或者两者同时达到为达到；车载设备内设的预警计时器在车辆时间间隔和应答时间间隔达到下限值时开始计时，在确定的车辆时间间隔和应答时间间隔恢复至未达到时停止计时，在每次到达计时应答器位置时用预警计时器的计时数值与读取的时间阈值进行数值比较，判断是否大于时间阈值，若是，则为达到时间阈值，生成碰撞预警信号，若否，则为未达到时间阈值，不生成碰撞预警信号；所述碰撞预警信号为适用于具体型号碰撞告警装置的控制信号及适用于具体形式碰撞缓解装置的控制信号，其信号形式可以随所使用告警装置及碰撞缓解装置不同而不同。

本发明的系统及方法基于下述前提条件实现：所有车辆可以保证在每次到达计时应答器位置时能够控制计时应答器进行时间累计，计时应答器内设电源模块可以保证其内设的计时模块每次由起点至终点的计时过程为完整的连续过程；所有计时应答器可以保证每次应答通信能够控制车载设备进行时间累计，车载设备内设电源模块可以保证其内设的计时模块每次由起点至终点的计时过程为完整的连续过程。

由上可以看出，通过本发明，当前车辆可以自主监控在先车辆运行状态，因当前车辆实际可用制动距离受T_e、L_v、L_t、L_r和L_p制约，故当在先车辆采用连续一次紧急制动停车时，使用本发明不能达到防止车辆发生追尾事故的目的，只可以大幅度地缓解追尾速度和碰撞动能，还可以看出，若设定有限制条件的制动规则，例如，设定本发明实际可用的最大制动系数略大于人工可操控的连续一次紧急制动停车最大可用制动系数，并利用车载电子设备自动控制及执行该规则，那么，使用本发明可以防止有限数量车辆发生追尾。

需要说明的是，虽然上述实施例是以监控相邻两列车辆之间的时间间隔以对车辆进行制动控制防碰撞为例进行说明的，不难理解，本系统及方法也可以用来监控自身车辆保证正常行驶，即控制车辆运行保持不低于设定的某个应答时间间隔阈值。例如，车辆在运行时，车载设备自主监控自身车辆的应答时间间隔，并与设定的应答时间间隔阈值作比较，生成控制信号输出并控制车辆的牵引与制动使车辆运行速度限制在需要范围之内。

本发明提供的轨道车辆防碰撞系统及方法可以用于实施例二：磁悬浮轨道车辆防碰撞，通过特别设计车辆，在磁悬浮轨道车辆的车头和车尾分别设置向外延伸的碰撞缓解装置及在该装置末端处设置相同的车辆信号用于减小L_v和L_t制约，在磁悬浮轨道车辆上设置快速响应制动器用于减小T_e制约，设置适宜的L_r，使用本发明可以防止追尾事故或者高速追尾事故。

本发明提供的轨道车辆防碰撞系统及方法可以用于实施例三：城市地铁轨道车辆防碰撞，通过特别设计车辆，在城市地铁轨道车辆车头端和车尾端分别设置碰撞缓解装置及在该装置末端处设置相同的车辆信号用于减小L_v和L_t制约，在城市地铁轨道轨道车辆上设置快速响应制动器用于减小T_e制约，设置适宜的L_r，使用本发明可以防止追尾事故或者高速追尾事故。

本发明提供的轨道车辆防碰撞系统及方法可以用于实施例四：城市空中轨道车辆防碰撞，通过特别设计车辆，在城市空中轨道车辆车头端和车尾端分别设置碰撞缓解装置及在该装置末端处设置相同的车辆信号用于减小L_v和L_t制约，在城市空中轨道轨道车辆上设置快速响应制动器用于减小T_e制约，设置适宜的L_r，使用本发明可以防止追尾事故或者高速追尾事故。

本发明提供的轨道车辆防碰撞系统及方法可以用于实施例五：高速真空管道运输轨道车辆防碰撞，通过特别设计车辆，在高速真空管道轨道车辆的车头和车尾分别设置向外延伸的碰撞缓解装置及在该装置末端处设置相同的车辆信号用于减小L_v和L_t制约，在高速真空管道轨道车辆上设置快速响应制动器用于减小T_e制约，设置适宜的L_r，使用本发明可以防止追尾事故或者高速追尾事故。

本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行过程时，包括上述实施例方法的各步骤，而所述的存储介质可以是：ROM/RAM、磁碟、光盘等。因此，与本发明的方法相对应的，本发明还同时包括一种计时应答器，该计时应答器通常以与方法各步骤相对应的功能模块的形式表示，但本领域技术人员应当理解，该模块化的表示并非是本发明的系统所唯一采用的方式，其实质上也应与具体的软件和/或硬件（计算机设备、微处理器或各类可编程逻辑器件）系统相对应。

与现有列车控制系统及控制技术相比，本发明提出的系统及方法不但能保证危害事件成因和后果控制的有效性，仅仅利用单一近距离无线电应答通信的方法实现本发明中全部信息的传输，不存在网络通信及其安全性问题，除了确定车辆时间间隔以外的全部操作步骤均设于当前车辆自身车载设备之内，实现无需任何外部信息支持及全部信息自主生成的以自身车辆信号作为主体信号的自主控制系统，达到功能完整和运行独立；而且采用本系统及方法对运行车辆间的时间间隔进行控制思路清晰，可以直接自动针对同轨在先车辆进行控制，有利于措施设置的有效性。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的技术范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。