CN107685749B - 一种基于车车通信的虚拟连挂小编组列车控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于车车通信的虚拟连挂小编组列车控制系统及方法，是一种保障行车安全，提高列车运行效率的方案，该方案中，在一个小编组范围内，主车通过不断检测自身的环境感知和状态数据，并通过点对点直接通信获得前车的环境感知和状态数据，进行比较计算，根据计算结果形成控制策略，调整后车保持一个动态安全距离去跟随前车运行。通过这种策略控制主车自适应跟随前车运行，帮助小编组内列车能够协同做出正确的主动车辆控制决策和操作。通过使用该方案能够大大提高系统的运行性能，更好地满足城市轨道交通灵活运营的要求，具有极大的发展空间和潜力，这也是城市轨道交通信号系统未来的发展趋势和发展方向。
Description
技术领域
本发明涉及城市轨道交通技术领域，尤其涉及一种基于车车通信的虚拟连挂小编组列车控制系统及方法。
背景技术
城市轨道交通的列车控制系统一直在不断发展，从只依靠信号机和轨道电路等地面设备辅助列车运行的点式系统，到实现车-地连续双向通信，基于通信的列车自动控制系统(以下简称车地通信的CBTC系统)，列车控制技术实现了巨大的变革。传统的CBTC系统的特点是用无线通信媒体来实现列车和地面设备的双向通信，传输信息量大，传输速度快，大幅提高了区间运行通过能力，缩短列车运行间隔。
传统车地通信的CBTC系统结构如图1所示。其中列车自动监督系统(ATS)发送进路请求的消息给轨旁的区域控制器(ZC)和车站的本地ATS，ZC根据列车报告的位置计算该移动授权，然后将移动授权再发送给该列车。因此车地通信的CBTC系统中，车载控制单元与轨旁控制单元之间需要实时交互大量的数据信息，其中的通信时延无法避免。同时在计算列车位置时还需要使用应答器、计轴等轨旁辅助定位设备，导致系统的轨旁设备较多，维护成本比较高。
目前车地通信的CBTC系统，在技术上已经实现了移动闭塞的功能。但它还存在一些缺陷，主要包括：
1)各个子系统之间的接口太多，增加了系统的复杂性；
2)车地通信的轨旁设备较多，导致系统的维护成本比较高；
3)列车需要经过ZC的中转才能获得前方列车的运行状态信息，无法直接获得该信息，从而增加了系统运行的反应时间，降低了性能；
4)由于轨旁各个子系统的互相限制，系统运营的灵活程度较差。
有相关科研机构针对车车通信进行了一系列研究，主要包括如下两类方案：
第一类：基于车车通信的CTCS安全叠加列车碰撞防护系统及方法(201210164949.6)，该方案公开了一种针对高速铁路的列车碰撞防护技术。该方案主要是通过车车通信子系统将本车的速度位置方向信息通过广播的方式向一定范围内进行传播，并同时接收其它列车广播的速度位置方向信息。然后由防碰撞计算机结合本车速度位置方向信息、其它列车的速度位置方向信息和电子地图数据库的线路信息，进行碰撞防护可能性计算。最后将计算结果发送给人机交互子系统，通过声光告警信号提醒司机采取措施避免列车碰撞。然而该方案的缺陷在于：1)主要应用于高速铁路的列车碰撞防护，无法应用于城市轨道交通中提高列车运输能力和运行效率；2)每列车不仅要进行一对多和多对一的车车直接通信，还需要同时与地面进行车地通信，对车载设备的要求过高。3)防碰撞计算结果发送给人机交互子系统，由司机人工进行避撞操作，这种方式在执行时还需要考虑司机的反应时间等特殊情况，有一定的安全隐患。
第二类：基于动态间隔的运能可配置列车运行控制系统及方法(201610799966.5)以及《基于车-车通信的新型CBTC系统分析》和《新一代CBTC系统方案研究与关键技术探索》等文章中提到的以列车为核心的CBTC系统方案。这一类方案提出将传统CBTC系统的区域控制器(ZC)和联锁等轨旁核心功能设备移植到车载设备中，通过对象控制器对地面设备进行控制，进而优化系统结构，减少轨旁设备数量。同时还提出了一种“撞软墙”的相对速度的列车追踪方式。然而，这一类方案的缺陷在于：1)城市轨道交通的线路较长，车车通信的列车间距从几百米到几千米不确定，且部分高架线路在开阔空间，列车间直接通信的情况复杂，目前没有能够完全满足这一类方案需求且安全可靠的列车间直接通信的技术。同时，专利(201610799966.5)中提到的卫星通讯子系统在城市轨道交通地下的封闭空间内，效果不好。2)虽然取消了部分地面设备，但列车需要同时进行车地通信和车车通信，这对车载设备要求过高。3)“撞软墙”的相对速度列车追踪技术其安全性和可靠性仍有待商榷。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于车车通信的虚拟连挂小编组列车控制系统及方法，能够大大提高系统的运行性能，更好地满足城市轨道交通灵活运营的要求，具有极大的发展空间和潜力，这也是城市轨道交通信号系统未来的发展趋势和发展方向。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于车车通信的虚拟连挂小编组列车控制系统，包括：前后列车基于车载VOBC实现一定范围内的点对点通信，构成虚拟连挂小编组；所述车载VOBC包括：车车通信电台及天线、测速定位模块、车车通信模块以及车载ATO；
虚拟连挂小编组中，后车通过自身的车车通信电台及天线实时与前车的车车通信电台及天线进行全双工的点对点通信，获得前车的运行状态信息；
后车的测速定位模块获取的测速及定位信息，以及获得的前车的运行状态信息均通过车车通信模块传输至车载ATO，由车载ATO控制后车保持一个动态的安全距离去跟随前车运行。
在一个虚拟连挂小编组中后车作为主车，实时计算自身的运行速度曲线以及保护距离信息，从而控制列车运行；虚拟连挂小编组内部的运行间隔由主车控制，当虚拟连挂小编组有效时后车不进行车地通信；
主车还将其当前速度、位置、安全距离、最小车尾位置以及车尾安全补偿包络信息实时发送给前车，前车负责与地面的区域控制器进行车地通信来获得前方的进路和限速信息，并将主车发送的信息传输给地面的区域控制器，由地面的区域控制器将这个虚拟连挂编组作为一个整体在实时数据库中跟踪。
主车对前车的追踪原理是一种自适应的跟随控制，以一定的策略跟随前车运行：主车跟随前车的加速、巡航与减速运行状态，控制模型是一个以距离偏差和速度偏差为输入，基于加速度的闭环反馈控制，同时根据当前速度实时计算相对安全距离，作为控制模型的安全限制条件。
虚拟连挂小编组中列车之间的车车通信，以及各列车与地面之间的车地通信为独立系统，具备相互冗余功能；
如果列车间车车通信工作正常，但车地通信设备故障，所有列车全部切换为车车通信模式，将全线列车虚拟连挂；
如果列车间车车通信故障，车地通信工作正常，由地面的应答器、计轴和DCS网络设备保障行车安全，虚拟连挂小编组解编，列车以独立的车地通信方式运行；
如果列车间车车通信和车地通信都不能正常工作，虚拟连挂小编组解编，降级为人工驾驶或列车紧急制动。
一种基于车车通信的虚拟连挂小编组列车控制方法，基于前述系统实现，包括：前后列车基于车载VOBC实现一定范围内的点对点通信，构成虚拟连挂小编组；
虚拟连挂小编组中，后车通过自身的车车通信电台及天线实时与前车的车车通信电台及天线进行全双工的点对点通信，获得前车的运行状态信息；
后车的测速定位模块获取的测速及定位信息，以及获得的前车的运行状态信息均通过车车通信模块传输至车载ATO，由车载ATO控制后车保持一个动态的安全距离去跟随前车运行。
在一个虚拟连挂小编组中后车作为主车，实时计算自身的运行速度曲线以及保护距离信息，从而控制列车运行；虚拟连挂小编组内部的运行间隔由主车控制，当虚拟连挂小编组有效时后车不进行车地通信；
主车还将其当前速度、位置、安全距离、最小车尾位置以及车尾安全补偿包络信息实时发送给前车，前车负责与地面的区域控制器进行车地通信来获得前方的进路和限速信息，并将主车发送的信息传输给地面的区域控制器，由地面的区域控制器将这个虚拟连挂编组作为一个整体在实时数据库中跟踪。
主车对前车的追踪原理是一种自适应的跟随控制，以一定的策略跟随前车运行：主车跟随前车的加速、巡航与减速运行状态，控制模型是一个以距离偏差和速度偏差为输入，基于加速度的闭环反馈控制，同时根据当前速度实时计算相对安全距离，作为控制模型的安全限制条件。
虚拟连挂小编组中列车之间的车车通信，以及各列车与地面之间的车地通信为独立系统，具备相互冗余功能；
如果列车间车车通信工作正常，但车地通信设备故障，所有列车全部切换为车车通信模式，将全线列车虚拟连挂；
如果列车间车车通信故障，车地通信工作正常，由地面的应答器、计轴和DCS网络设备保障行车安全，虚拟连挂小编组解编，列车以独立的车地通信方式运行；
如果列车间车车通信和车地通信都不能正常工作，虚拟连挂小编组解编，降级为人工驾驶或列车紧急制动。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，1)提出的不基于地面设备的车车直接通信方式，在提高效率同时缓解了传统车地通信CBTC系统中区域控制器(ZC)的压力，减小车地通信网络的负载。2)提出的不基于地面设备的车车直接通信系统同时也作为车地通信的一种安全冗余方案，在车地通信故障时能保障列车以一定速度安全运行。3)将虚拟连挂技术引入城市轨道交通列车运行控制中，提出一种新的小编组运行的运输组织形式，能在小范围内提高列车运行效率，这种更灵活的运输组织形式，对于工程车救援和实施互联互通都有巨大的优势。4)提出的应用于小编组虚拟连挂中的，主车速度自适应跟随前车的基本控制策略。该策略是一个以距离偏差和速度偏差为输入，考虑了安全距离作为限制条件，基于加速度的闭环反馈。该策略能够保障小编组车车通信的列车安全高效的运行。
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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
图1为本发明背景技术提供的传统CBTC系统结构的示意图；
图2为本发明实施例提供的基于车车通信的虚拟连挂小编组列车控制系统的示意图；
图3为本发明实施例提供的车载VOBC的结构结构示意图；
图4为本发明实施例提供的车车通信与车地通信的冗余规则流程图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
在城市轨道交通不断发展的今天，部分大城市地铁线路的运力始终无法满足人民群众的出行需求，由于人流过多，这些线路在早晚高峰时期经常发生拥挤、踩踏等危害乘客安全的事故。这个情况目前没有很好的解决方法：因为这些新建线路的线路限速、站台长度等外部条件目前很难改变，提高速度和增加列车编组的方法并不适用；现有的车地通信CBTC信号系统的追踪间隔受车地通信延时、多个子系统的反应时间等关键因素制约，列车运行间隔很难再缩小；同时车地通信的CBTC系统中各子系统间接口较多，轨旁设备也多，任何一个设备故障都会引发一系列的信号系统故障，盲目加大信号系统负载反而会影响列车正常运行。
针对目前的使用需求以及现有技术所存在的缺陷，本发明实施例提出一种基于车车通信的虚拟连挂小编组列车控制系统，该系统不仅能作为车-地通信系统的一种冗余和应急通信保障行车安全，还能提高小编组内的运行效率和运营灵活性。
本发明实施例所提供的基于车车通信的虚拟连挂小编组列车控制系统如图2所示，主要包括：前后列车基于车载VOBC实现一定范围内的点对点通信，构成虚拟连挂小编组；虚拟连挂小编组中，后车通过自身的车车通信电台及天线实时与前车的车车通信电台及天线进行全双工的点对点通信，获得前车的运行状态信息(包括速度、加速度、位置、运行进路等)；后车的测速定位模块获取的测速及定位信息，以及获得的前车的运行状态信息均通过车车通信模块传输至车载ATO，由车载ATO控制后车保持一个动态的安全距离去跟随前车运行。
车车通信的虚拟连挂命令可以在发车前预设，也可以在运行过程中由ATS发送并经过ZC判断为安全命令才能执行。虚拟连挂的通信距离有一定的要求，需要将两列车的间距保持在一定范围内，才能进行可靠的点对点信息传输。对于这个虚拟连挂的小编组，地面ZC会计算一个最大的虚拟连挂车长(简称虚拟车长)，小编组后方的列车仍然以车地通信的模式追踪小编组尾部。
如图3所示，所述车载VOBC主要包括：车车通信电台及天线、测速定位模块、车车通信模块以及车载ATO。
本发明实施例中，一个虚拟连挂小编组中后车作为主车，实时计算自身的运行速度曲线以及保护距离信息，从而控制列车运行；虚拟连挂小编组内部的运行间隔由主车控制，当虚拟连挂小编组有效时后车不进行车地通信；主车还将其当前速度、位置、安全距离、最小车尾位置以及车尾安全补偿包络信息实时发送给前车，前车负责与地面的区域控制器进行车地通信来获得前方的进路和限速信息，并将主车发送的信息传输给地面的区域控制器，由地面的区域控制器将这个虚拟连挂编组作为一个整体在实时数据库中跟踪。
此外，虚拟连挂只能在一定距离的小范围内工作，一旦虚拟车长大于最大值，则虚拟连挂失败，车载系统切换为车地通信模式。同时，当虚拟连挂小编组内部的两列车编组解编或交换位置时，编组外的后行列车追踪目标会从小编组的尾端转变为列车的尾端。系统理论上支持多列车编组，但运行效率会随着列车数量增加而有所降低，因此，可以根据实际情况来确定虚拟连挂小编组中列车的数量。
本发明实施例中，主车速度曲线计算原理如下：主车对前车的追踪原理是一种自适应的跟随控制，以一定的策略跟随前车运行：主车跟随前车的加速、巡航与减速运行状态，控制模型是一个以距离偏差和速度偏差为输入，基于加速度的闭环反馈控制，同时根据当前速度实时计算相对安全距离，作为控制模型的安全限制条件。
另一方面，从安全角度来看，本发明实施例提供的车车直接通信系统同时也作为车地通信的一种安全冗余方案，虚拟连挂小编组中列车之间的车车通信，以及各列车与地面之间的车地通信为独立系统，具备相互冗余功能；车地通信主要采用GSM-R或LTE的方式，车车通信可采用车载电台或超短波等多种方式。如图4所示。
1)如果列车间车车通信工作正常，但车地通信设备故障，所有列车全部切换为车车通信模式，将全线列车虚拟连挂；
2)如果列车间车车通信故障，车地通信工作正常，由地面的应答器、计轴和DCS网络设备保障行车安全，虚拟连挂小编组解编，列车以独立的车地通信方式运行；
3)如果列车间车车通信和车地通信都不能正常工作，虚拟连挂小编组解编，降级为人工驾驶或列车紧急制动。
本发明实施例所提供的基于车车通信的虚拟连挂小编组列车控制系统，是一种保障行车安全，提高列车运行效率的方案。在一个小编组范围内，主车通过不断检测自身的环境感知和状态数据，并通过点对点直接通信获得前车的环境感知和状态数据，进行比较计算，根据计算结果形成控制策略，调整后车保持一个动态安全距离去跟随前车运行。通过这种策略控制主车自适应跟随前车运行，帮助小编组内列车能够协同做出正确的主动车辆控制决策和操作。其主要具有如下有益效果：
1)提出的不基于地面设备的车车直接通信方式，在提高效率同时缓解了传统车地通信CBTC系统中区域控制器(ZC)的压力，减小车地通信网络的负载。
2)提出的不基于地面设备的车车直接通信系统同时也作为车地通信的一种安全冗余方案，在车地通信故障时能保障列车以一定速度安全运行。
3)将虚拟连挂技术引入城市轨道交通列车运行控制中，提出一种新的小编组运行的运输组织形式，能在小范围内提高列车运行效率，这种更灵活的运输组织形式，对于工程车救援和实施互联互通都有巨大的优势。
4)提出的应用于小编组虚拟连挂中的，主车速度自适应跟随前车的基本控制策略。该策略是一个以距离偏差和速度偏差为输入，考虑了安全距离作为限制条件，基于加速度的闭环反馈。该策略能够保障小编组车车通信的列车安全高效的运行。
本发明另一实施例还提供一种基于车车通信的虚拟连挂小编组列车控制方法，该方法基于前述实施例所提供的系统实现，主要包括：前后列车基于车载VOBC实现一定范围内的点对点通信，构成虚拟连挂小编组；
虚拟连挂小编组中，后车通过自身的车车通信电台及天线实时与前车的车车通信电台及天线进行全双工的点对点通信，获得前车的运行状态信息；
后车的测速定位模块获取的测速及定位信息，以及获得的前车的运行状态信息均通过车车通信模块传输至车载ATO，由车载ATO控制后车保持一个动态的安全距离去跟随前车运行。
进一步的，在一个虚拟连挂小编组中后车作为主车，实时计算自身的运行速度曲线以及保护距离信息，从而控制列车运行；虚拟连挂小编组内部的运行间隔由主车控制，当虚拟连挂小编组有效时后车不进行车地通信；
主车还将其当前速度、位置、安全距离、最小车尾位置以及车尾安全补偿包络信息实时发送给前车，前车负责与地面的区域控制器进行车地通信来获得前方的进路和限速信息，并将主车发送的信息传输给地面的区域控制器，由地面的区域控制器将这个虚拟连挂编组作为一个整体在实时数据库中跟踪。
进一步的，主车对前车的追踪原理是一种自适应的跟随控制，以一定的策略跟随前车运行：主车跟随前车的加速、巡航与减速运行状态，控制模型是一个以距离偏差和速度偏差为输入，基于加速度的闭环反馈控制，同时根据当前速度实时计算相对安全距离，作为控制模型的安全限制条件。
进一步的，虚拟连挂小编组中列车之间的车车通信，以及各列车与地面之间的车地通信为独立系统，具备相互冗余功能；
如果列车间车车通信工作正常，但车地通信设备故障，所有列车全部切换为车车通信模式，将全线列车虚拟连挂；
如果列车间车车通信故障，车地通信工作正常，由地面的应答器、计轴和DCS网络设备保障行车安全，虚拟连挂小编组解编，列车以独立的车地通信方式运行；
如果列车间车车通信和车地通信都不能正常工作，虚拟连挂小编组解编，降级为人工驾驶或列车紧急制动。
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披露的技术范围内，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书的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种基于车车通信的虚拟连挂小编组列车控制系统，其特征在于，包括：前后列车基于车载VOBC实现一定范围内的点对点通信，构成虚拟连挂小编组；所述车载VOBC包括：车车通信电台及天线、测速定位模块、车车通信模块以及车载ATO；
虚拟连挂小编组中，后车通过自身的车车通信电台及天线实时与前车的车车通信电台及天线进行全双工的点对点通信，获得前车的运行状态信息；
后车的测速定位模块获取的测速及定位信息，以及获得的前车的运行状态信息均通过车车通信模块传输至车载ATO，由车载ATO控制后车保持一个动态的安全距离去跟随前车运行；
在一个虚拟连挂小编组中后车作为主车，在一个虚拟连挂小编组中后车作为主车，主车通过不断检测自身的环境感知和状态数据，并通过点对点直接通信获得前车的环境感知和状态数据，进行比较计算，根据计算结果形成控制策略，调整后车保持一个动态安全距离去跟随前车运行；主车对前车的追踪原理是一种自适应的跟随控制，以一定的控制策略跟随前车运行：主车跟随前车的加速、巡航与减速运行状态，控制模型是一个以距离偏差和速度偏差为输入，基于加速度的闭环反馈控制，同时根据当前速度实时计算相对安全距离，作为控制模型的安全限制条件；
主车还将其当前速度、位置、安全距离、最小车尾位置以及车尾安全补偿包络信息实时发送给前车，前车负责与地面的区域控制器进行车地通信来获得前方的进路和限速信息，并将主车发送的信息传输给地面的区域控制器，由地面的区域控制器将这个虚拟连挂编组作为一个整体在实时数据库中跟踪；
虚拟连挂小编组中列车之间的车车通信，以及各列车与地面之间的车地通信为独立系统，具备相互冗余功能；如果列车间车车通信工作正常，但车地通信设备故障，所有列车全部切换为车车通信模式，将全线列车虚拟连挂；如果列车间车车通信故障，车地通信工作正常，由地面的应答器、计轴和DCS网络设备保障行车安全，虚拟连挂小编组解编，列车以独立的车地通信方式运行；如果列车间车车通信和车地通信都不能正常工作，虚拟连挂小编组解编，降级为人工驾驶或列车紧急制动。
2.根据权利要求1所述的一种基于车车通信的虚拟连挂小编组列车控制系统，其特征在于，主车实时计算自身的运行速度曲线以及保护距离信息，从而控制列车运行；虚拟连挂小编组内部的运行间隔由主车控制，当虚拟连挂小编组有效时后车不进行车地通信。
3.一种基于车车通信的虚拟连挂小编组列车控制方法，其特征在于，基于权利要求1-2任一项所述系统实现，包括：前后列车基于车载VOBC实现一定范围内的点对点通信，构成虚拟连挂小编组；
虚拟连挂小编组中，后车通过自身的车车通信电台及天线实时与前车的车车通信电台及天线进行全双工的点对点通信，获得前车的运行状态信息；
后车的测速定位模块获取的测速及定位信息，以及获得的前车的运行状态信息均通过车车通信模块传输至车载ATO，由车载ATO控制后车保持一个动态的安全距离去跟随前车运行；
在一个虚拟连挂小编组中后车作为主车，在一个虚拟连挂小编组中后车作为主车，主车通过不断检测自身的环境感知和状态数据，并通过点对点直接通信获得前车的环境感知和状态数据，进行比较计算，根据计算结果形成控制策略，调整后车保持一个动态安全距离去跟随前车运行；主车对前车的追踪原理是一种自适应的跟随控制，以一定的控制策略跟随前车运行：主车跟随前车的加速、巡航与减速运行状态，控制模型是一个以距离偏差和速度偏差为输入，基于加速度的闭环反馈控制，同时根据当前速度实时计算相对安全距离，作为控制模型的安全限制条件；
主车还将其当前速度、位置、安全距离、最小车尾位置以及车尾安全补偿包络信息实时发送给前车，前车负责与地面的区域控制器进行车地通信来获得前方的进路和限速信息，并将主车发送的信息传输给地面的区域控制器，由地面的区域控制器将这个虚拟连挂编组作为一个整体在实时数据库中跟踪；
虚拟连挂小编组中列车之间的车车通信，以及各列车与地面之间的车地通信为独立系统，具备相互冗余功能；如果列车间车车通信工作正常，但车地通信设备故障，所有列车全部切换为车车通信模式，将全线列车虚拟连挂；如果列车间车车通信故障，车地通信工作正常，由地面的应答器、计轴和DCS网络设备保障行车安全，虚拟连挂小编组解编，列车以独立的车地通信方式运行；如果列车间车车通信和车地通信都不能正常工作，虚拟连挂小编组解编，降级为人工驾驶或列车紧急制动。
4.根据权利要求3所述的一种基于车车通信的虚拟连挂小编组列车控制方法，其特征在于，在一个虚拟连挂小编组中后车作为主车，主车实时计算自身的运行速度曲线以及保护距离信息，从而控制列车运行；虚拟连挂小编组内部的运行间隔由主车控制，当虚拟连挂小编组有效时后车不进行车地通信。
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