CN102700571A - 基于车车通信的ctcs安全叠加列车碰撞防护系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于车车通信的CTCS安全叠加列车碰撞防护系统，包括：碰撞防护安全计算机、电子地图数据库、测速定位子系统、车车通信子系统和人机交互子系统；碰撞防护安全计算机，综合本车的速度信息、位置信息和方向信息与来自车车通信子系统接收的邻近列车的速度信息、位置信息和方向信息并结合电子地图数据，计算并分析碰撞可能性，能根据碰撞级别给出告警提示和处置建议；电子地图数据库，为碰撞防护安全计算机和测速定位子系统提供电子地图数据；人机交互子系统，完成列车数据的输入，碰撞可能发生时给出显示告警提示。本发明可从本质上提升铁路运输安全水平，克服由于调度中心功能失调、车地通信不畅时列车间会发生碰撞事故的缺陷，社会效益高；可叠加与现有的列车运行控制系统之上，与其共享列车数据信息。

Description

基于车车通信的CTCS安全叠加列车碰撞防护系统及方法

技术领域

本发明涉及的是一种基于车车通信的CTCS安全叠加列车碰撞防护系统及方法。

背景技术

2011年我国轨道交通领域发生了两起严重的列车碰撞事故。虽然我国轨道交通领域已经投入大量建设成本，完善中国列车运行控制系统(CTCS)，但仍无法完全避免列车间的碰撞问题。

碰撞防护系统在海事、航空、公路交通领域已得到应用。2006年德国航空航天中心启动了铁路防撞系统的课题研究，2009年美国阿拉斯加铁路公司启动了此类系统研发，2011年印度起草了列车碰撞防护规范草案，我国该领域研究尚处于起步阶段。

CTCS是在借鉴ETCS的基础上，结合我国铁路现状和发展规划，以分级形式满足不同线路运输需求的列车控制系统。系统目的是适应中国既有信号装备现状，实现路网之间互联互通，满足最高速度160～350km/h列车运行控制需求，控制等级分为5级。CTCS五级分级中，CTCS-3和CTCS-4采用车地无线通信系统GSM-R，并且已经实现完善的冗余覆盖，可有效保证列车安全间隔。

CTCS系统结构如图1所示。系统分为车载子系统和地面子系统，车地之间经由铁路GSM-R(GSM for Railway，铁路专用数字移动通信系统)进行信息实时交互。列车将自身运行状态信息经由GSM-R网络发给地面无线闭塞中心，无线闭塞中心根据轨道电路、联锁进路等信息生成行车许可，通过GSM-R无线通信系统将行车许可、线路参数、临时限速传输给CTCS-3级车载设备；车载设备根据无线闭塞中心的行车许可，生成连续速度控制模式曲线，实时监控列车安全运行；轨道电路实现列车占用检查，在降级使用是可作为发送行车许可信息的备用系统；CTCS安全计算机根据地面设备提供的行车许可、线路参数、临时限速等信息和列车参数，按照目标距离连续速度控制模式生成动态速度曲线，监控列车的安全运行；调度集中系统是实现列车调度指挥的中枢，对列车进行集中控制，具有站场表示、车次号显示、车次号管理、列车记点等功能，并兼具下达临时限速命令，保障列车运行间隔的作用。(1)系统运行过度依赖地面基础设施和调度中心，投资成本高；(2)司机无法自主判断前行列车运行状态，无法及时主动进行碰撞防护操作。(3)列车和列车之间无法直接通信，本车无法判断前行列车和随行列车的运行状态，有无碰撞风险。

中国专利申请号200620078858，一种铁路列车全方位立体化自动识别预警和避碰防护装置，该实用新型公开了一种铁路列车自动识别预警和避碰防护装置。主机上分别连接一根800M天线和一根GPS天线，同时还分别连接两个终端控制器，所述主机是由通信单元和主处理器单元构成。该装置采用SOTDMA(自组织时分多址)技术，结构合理，制式统一，能够随时收集本车、列尾、他车、道口和施工现场的动态信息，可实现列车间接近安全预警和避碰、列车尾部安全防护、上道作业人员对接近列车的防护、道口故障列车二次事故防护和线路施工时限速预警；还可以避免列车安全防护系统与无线列调的相互干扰，避免防护设备重复投资和建设，应用于铁路列车安全防护，也可以应用于特种车辆和水上交通的安全防护和管理。(1)该设备采用800M独立频段，与铁路专用GSM-R频段接近，易于车地安全通信系统造成相互干扰，造成误码率偏高；(2)系统独立安装，且无法形成闭环实时传输。

缩略语和关键术语定义

(1)CAS-T：Collision Avoidance System for Train，列车碰撞防护系统(简称：列车避碰系统)

(2)CTCS：Chinese Train Control System，中国列车运行控制系统

(3)SOS：Safety Overlay System，安全叠加系统，

(5)V2V：Vehicular to Vehicular，车车通信

(6)ETCS：European Trai n Control System，欧洲列车运行控制系统

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种基于车车通信的CTCS安全叠加列车碰撞防护系统及方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于车车通信的CTCS安全叠加列车碰撞防护系统，包括：

测速定位子系统，设置于列车上，精确获知列车在线路上的速度信息、位置信息和方向信息；

车车通信子系统：一方面向其他列车广播本车的速度信息、位置信息和方向信息，一方面接收来自于其他列车的速度信息、位置信息和方向信息；在一定通信覆盖范围内采用半双工或双工模式接收并发送列车速度信息、位置信息和方向信息；

碰撞防护安全计算机，综合本车的速度信息、位置信息和方向信息与来自车车通信子系统接收的邻近列车的速度信息、位置信息和方向信息并结合电子地图数据，计算并分析碰撞可能性，能根据碰撞级别给出告警提示和处置建议；

电子地图数据库，为碰撞防护安全计算机和测速定位子系统提供电子地图数据；

人机交互子系统，完成列车数据的输入，碰撞可能发生时给出显示告警提示。

所述的列车碰撞防护系统的碰撞防护方法，包括以下步骤：

(1)本车测速定位子系统将本车速度信息、位置信息和方向信息，送给碰撞防护安全计算机；

(2)碰撞防护安全计算机将本车的速度信息、位置信息和方向信息送往两处：一方面显示在本车的人机交互子系统上，供本车司机了解列车的运行姿态信息；一方面送给车车通信子系统；

(3)车车通信子系统将本车的速度信息、位置信息和方向信息通过广播的方式向一定通信范围内进行传播，同时接收其它列车广播的速度信息、位置信息和方向信息，并送给本车碰撞防护安全计算机；

(4)碰撞防护安全计算机结合本车的列车速度信息、位置信息和方向信息和车车通信子系统接收的其它列车的速度信息、位置信息和方向信息，结合电子地图数据库的线路信息，进行碰撞防护可能性的计算，并把计算结果送给人机交互子系统；

(5)人机交互子系统在碰撞可能发生时，给出声光告警信号，和操作措施建议。提醒司机采取必要制动措施，避免列车碰撞。

本发明是基于车车通信，并可安全叠加于列车运行控制系统之上的列车碰撞防护系统。车载设备实时计算自身的位置和移动向量，并将其广播给一定区域内的其他列车，人机接口设备显示一定区域内列车位置信息，车载计算机综合自己位置信息和接收的其他列车位置信息监测碰撞发生的可能性，并给出报警信号和防碰策略建议。司机可明确获知前后列车的运行姿态，当碰撞风险出现时，可根据报警信息采取有效的规避措施。

CAS-T是完全基于车载设备的碰撞防护系统，不需要增加额外的地面基础设施。其基本原理借助列车定位信息和车车通信及碰撞防护算法，完成碰撞预警和防护。

有益效果：

(1)本发明可从本质上提升铁路运输安全水平，克服由于调度中心功能失调、车地通信不畅时列车间会发生碰撞事故的缺陷，社会效益高；

(2)本发明可叠加与现有的列车运行控制系统之上，与其共享列车数据信息，且不需要增加额外的地面设备投资，经济效益明显。

(3)本发明采用ISM开放频段，可在保障安全的基础上最大限度地与公路区域实现信息互联互通，可有效保证平交道口安全。同时随着公路车路协同系统的应用，实现公、铁路信息共享，商业价值巨大。

附图说明

图1为现有技术的CTCS系统结构图；

图2为本发明CTCS叠加CAS-T系统结构图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

为实现列车碰撞防护的目的，基于车车通信的CTCS安全叠加列车碰撞防护系统结构如图2所示，包括：

(1)测速定位子系统，设置于列车上，通过卫星定位、测速传感器、车载雷达和电涡流传感器等多种组合方式，精确获知列车在线路上的速度信息(V)、位置信息(L)和方向信息(D)，此部分可与CTCS实现硬件设备和定位信息的共享；

(2)车车通信子系统：车车通信子系统一方面向其他列车广播自己的速度、位置和方向信息，一方面接收来自于其他列车的速度、位置和方向信息。在一定通信覆盖范围内采用半双工模式或双工模式运行。

(3)碰撞防护安全计算机(CAS-VC，CAS Vital Computer)，综合自身位置与来自车车通信子系统接收的邻近列车位置并结合电子地图数据，计算并分析碰撞可能性，能根据碰撞级别给出告警提示和处置建议；

(4)电子地图数据库，为CAS-VC和定位子系统提供电子地图数据；

(5)人机交互子系统，完成列车数据的输入，碰撞可能发生时给出显示告警提示。

基于车车通信的CTCS安全叠加列车碰撞防护系统系统工作流程为：

(1)本车“测速定位子系统”综合卫星定位和测速传感定位等技术将本车速度信息(V)、位置信息(L)和方向信息(D)，送给“碰撞防护安全计算机”；

(2)“碰撞防护安全计算机”将本车的速度、位置、方向信息送往两处：一方面显示在本车的“人机交互子系统”上，供本车司机了解列车的运行姿态信息；一方面送给“车车通信子系统”。

(3)“车车通信子系统”将本车的列车运行信息通过广播的方式向一定通信范围内进行传播，同时接收其它列车广播的运行信息，并送给本车“碰撞防护安全计算机”。

(4)“碰撞防护安全计算机”结合本车的列车运行姿态信息和“车车通信子系统”接收的其它列车的运行姿态信息，结合“电子地图数据库”的线路信息，进行碰撞防护可能性的计算，并把计算结果送给“人机交互子系统”。

(5)“人机交互子系统”在碰撞可能性时，给出声光告警信号，和操作措施建议。提醒司机采取必要制动措施，避免列车碰撞。

(6)“CAS-T”利用独立的“车车通信子系统”，在列车与列车间直接交互列车运行速度、位置和方向信息，可在列车与列车间存在碰撞风险时，及时给出预警信息和防护提示。“CAS-T”作为“CTCS”的安全叠加系统与“CTCS”同时在线运行；当“CTCS”的列车间隔控制功能不完善(例如：调度中心功能失常、车地通信不畅等)时，“CAS-T”可独立运行，避免列车间的碰撞。

车车通信子系统是CAS-T的核心技术。根据CAS-T车车通信子系统内车载通信单元所选用的通信制式和工作方式的差别，可将CAS-T系统分为两种：

(1)半双工模式

在此种工作模式下，需要司机去触发系统动作，系统分为正常和告警两种工作状态。

正常状态：列车处于正常运行工作状态时，车载通信单元处于接收状态，无发送数据。

告警状态：当列车处于故障停车或非正常行驶时，由列车司机按故障键后，车载通信单元周期性发送告警信息，一定范围内的列车接收到该告警信息后进行处理并发出相关告警提示信息(声、光)，提示司机进行故障确认，进行减速行驶或停车操作，避免追尾事故的发生。

(2)双工模式

此种工作模式下，车载通信单元自动实时地收发列车位置和其它相关信息并进行碰撞可能性的判断。可以保证司机能获得最新的邻近列车的运行姿态，及时提醒司机采取相应动作，用以确保列车运行安全。

车车通信方式的不同表述，例如：基于车载自组织网络(VANET、MANET等)的列车碰撞防护系统。

与列车运行控制系统结合模式的不同表述。如适合于不同列车运行控制等级(CTCS-2级、CTCS-3级和CTCS-4级)的碰撞防护系统。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于车车通信的CTCS安全叠加列车碰撞防护系统，其特征在于，包括：

测速定位子系统，设置于列车上，精确获知列车在线路上的速度信息、位置信息和方向信息；

车车通信子系统：一方面向其他列车广播本车的速度信息、位置信息和方向信息，一方面接收来自于其他列车的速度信息、位置信息和方向信息；在一定通信覆盖范围内采用半双工或双工模式接收并发送列车速度信息、位置信息和方向信息；

碰撞防护安全计算机，综合本车的速度信息、位置信息和方向信息与来自车车通信子系统接收的邻近列车的速度信息、位置信息和方向信息并结合电子地图数据，计算并分析碰撞可能性，能根据碰撞级别给出告警提示和处置建议；

电子地图数据库，为碰撞防护安全计算机和测速定位子系统提供电子地图数据；

人机交互子系统，完成列车数据的输入，碰撞可能发生时给出显示告警提示。

2.根据权利要求1所述的列车碰撞防护系统的碰撞防护方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)本车测速定位子系统将本车速度信息、位置信息和方向信息，送给碰撞防护安全计算机；

(2)碰撞防护安全计算机将本车的速度信息、位置信息和方向信息送往两处：一方面显示在本车的人机交互子系统上，供本车司机了解列车的运行姿态信息；一方面送给车车通信子系统；

(3)车车通信子系统将本车的速度信息、位置信息和方向信息通过广播的方式向一定通信范围内进行传播，同时接收其它列车广播的速度信息、位置信息和方向信息，并送给本车碰撞防护安全计算机；

(4)碰撞防护安全计算机结合本车的列车速度信息、位置信息和方向信息和车车通信子系统接收的其它列车的速度信息、位置信息和方向信息，结合电子地图数据库的线路信息，进行碰撞防护可能性的计算，并把计算结果送给人机交互子系统；

(5)人机交互子系统在碰撞可能发生时，给出声、光告警信号，和操作措施建议。提醒司机采取必要制动措施，避免列车碰撞。

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