CN108263449B - 一种基于速度追踪的城轨列车追踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于速度追踪的城轨列车追踪方法，该方法主要用于城市轨道交通，在车地通信/车车通信中增加前车速度信息，并重新计算出基于速度追踪方案中的移动授权，根据计算分析，当在区间追踪时，采用基于速度追踪方式车辆相比基于位置追踪的车辆追踪间隔明显变短，当前后两车速度相同的情况下追踪间隔可以缩短20％～30％。在进站过程中，采用基于速度追踪方式下后车可以更晚开始减速，这样减少了从开始减速至完全停车花费的时间和距离，增加了进站效率，经分析效率最高可以提升8％左右。

Description

一种基于速度追踪的城轨列车追踪方法

技术领域

本发明属于城轨列车追踪技术领域，具体涉及一种基于速度追踪的城轨列车追踪方法。

背景技术

在轨道交通中，为保证列车行车安全，需保证列车以一定的安全间隔运行，因此使用了闭塞技术。信号闭塞基本分为三类，即固定闭塞、准移动闭塞和移动闭塞。固定闭塞制式下,***无法知道列车在分区内的具***置,因此列车制动的起点和终点总在某一分区的边界。准移动闭塞通过采用轨道电路来判断分区占用并传输信息，列车制动的起点可延伸至保证其安全制动的地点,但后车的最大目标制动点仍必须在前车占用分区的外方。移动闭塞取消了以信号机分隔的固定闭塞区间，通过车载设备和轨旁设备不间断的双向通信,控制中心根据前车实时的速度和位置以及防护距离动态计算列车出一个与列车同步移动的虚拟分区，这样后车的最大目标制动点可以到达前车后方，这使列车能以较高的速度和较小的间隔运行,从而提高运营效率。

目前主流的城市轨道交通信号***是CBTC(Communication Based TrainControl)信号***，该***采用的就是移动闭塞技术，通过无线通信技术实现车地通信并实时地传递列车定位信息。地面ZC设备根据列车定位信息计算列车的移动授权并发送给车辆，移动授权的终点位于前车尾部回缩一定的安全距离。安全距离是基于列车安全制动模型计算出的一个附加距离，它保证追踪列车在最不利的条件下仍能安全停在前行列车后方。

车载设备在接收到移动授权后，为保证车辆可以在移动授权终点停车，会根据移动授权终点位置和车辆减速度计算出车辆限速曲线(参见图1)，保证车辆安全运行。

从上面针对CBTC信号***描述可以看出，当前计算车辆的移动授权时只考虑前车的位置信息，相当于将前车当作静止的情况来考虑，后车在最不利的情况下都不能越过前车尾部。但实际上前车可能并不是静止的，而且前车也不可能在一瞬间从运动状态变为静止状态，前车与后车的追踪效果不理想。

术语解释

基于通信的列车控制communication based train control(CBTC)

基于大容量、连续的车地信息双向通信及列车定位与控制技术，实现列车的速度控制。采用不依赖轨旁列车占用检测设备的列车主动定位技术和连续车-地双向数据通信技术，通过能够执行安全功能的车载和地面处理器而构建的连续式列车自动控制***。

列车自动控制automatic train control(ATC)

信号***自动实现列车监控、安全防护和运行控制等技术的总称。

列车自动监控automatic train supervision(ATS)

根据列车时刻表为列车运行自动设定进路，指挥行车，实施列车运行管理等技术的总称。

列车自动防护automatic train protection(ATP)

自动实现列车运行间隔、超速防护、进路安全和车门等监控技术的总称。

列车自动运行automatic train operation(ATO)

自动实现列车加速、调速、停车和车门开闭、提示等控制技术的总称。

计算机联锁computer interlocking(CI)

列车自动控制***的子***，以计算机技术为核心，自动实现进路、道岔、信号机等控制和防护技术的总称。

区域控制器Zone Controller(ZC)

负责与车载设备交互大量数据，并根据列车信息、站场信息计算列车移动授权并告知车载的设备。

移动授权movement authority(MA)

列车沿给定的行驶方向进入并在某一特定区域内行车的许可，移动授权应考虑列车运行前方的各种危险点信息，应保证列车在授权范围内的正常移动不受限制，移动授权的末端不应越过危险点。

列车自动运行模式(AM)

在司机监控下，CBTC***自动控制列车运行，并进行安全防护的列车驾驶模式。

列车自动防护模式(CM)

在列车自动防护设备防护下，司机驾驶列车运行的列车驾驶模式。

限制人工驾驶模式(RM)

司机按规定的目视行车限速控车运行，列车自动防护设备进行超速防护的列车驾驶模式。

非限制人工驾驶模式(EUM)

ATP设备己被切除，车载设备不对列车运行进行监控，司机按操作规程驾驶列车的列车驾驶模式。

轨道区段

轨道区段作为线路拓扑的基本构成单元，按照线路元素特征进行区段划分，划分原则不依赖于线路物理分界点，用于描述线路基本信息。

道岔区段

道岔区段为属性为道岔的轨道区段，描述了线路拓扑中道岔区域的线路数据信息。

闭塞

闭塞就是用信号或者凭证，保证列车按照前行列车和追踪列车之间必须保持一定距离(空间间隔制)运行的技术方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是，提供一种基于速度追踪的城轨列车追踪方法。该方法主要用于城市轨道交通，在计算车辆移动授权时综合考虑当前车辆的位置、速度、安全距离等因素，在保证安全的前提条件下提高车辆运行速度，缩短列车的追踪间隔，提高城市轨道交通运行效率，从而节约运营成本，提高运力。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种基于速度追踪的城轨列车追踪方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：基于速度的追踪方案运行时首先需要车载ATP判断是否满足速度追踪的条件，具体条件包括：

1)列车运行模式为列车自动防护模式或列车自动运行模式；

2)列车通信级别为连续通信模式；

3)列车能够收到区域控制器(ZC)发送的基于位置的移动授权信息；

4)列车能够获取前车的速度信息；

如果满足以上条件，车载ATP才能给出允许进入基于速度追踪模式提示，自动或经人工确认进入速度追踪模式；

步骤二：车载ATP获取前车速度、前车位置和基于位置追踪方式下区域控制器计算出的移动授权；

步骤三：计算基于速度追踪方案下车辆的移动授权：

在ZC发送的基于位置追踪的移动授权基础上，考虑前车在当前速度下以最大减速度减速至停车走行距离，同时需要考虑信息传输时的延时，计算出基于速度追踪方案下车辆的移动授权；假设收到的基于位置追踪的移动授权为S，前车速度为V，最大减速度为a，延时时间为t，则计算得到基于速度追踪方案下车辆的移动授权S'为：

步骤四：根据基于速度追踪方案下车辆的移动授权计算车辆限速曲线，得到限速曲线后列车根据限速曲线进行控车。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明基于速度追踪的城轨列车追踪方法在车地通信/车车通信中增加前车速度信息，并重新计算出基于速度追踪方案中的移动授权，根据计算分析，当在区间追踪时，采用基于速度追踪方式车辆相比基于位置追踪的车辆追踪间隔明显变短，当前后两车速度相同的情况下追踪间隔可以缩短20％～30％。在进站过程中，采用基于速度追踪方式下后车可以更晚开始减速，这样减少了从开始减速至完全停车花费的时间和距离，增加了进站效率，经分析效率最高可以提升8％左右。

附图说明

图1为基于位置追踪方法的示意图；

图2为本发明基于速度追踪的城轨列车追踪方法的示意图；

图3为本发明基于速度追踪的城轨列车追踪方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明基于速度追踪的城轨列车追踪方法(简称方法，参见图2-3)，该方法包括以下步骤：

步骤一：基于速度的追踪方案运行时首先需要车载ATP判断是否满足速度追踪的条件，具体条件包括：

1)列车运行模式为列车自动防护模式(CM)或列车自动运行模式(AM)；

2)列车通信级别为连续通信模式(CTC)；

3)列车能够收到区域控制器(ZC)发送的基于位置的移动授权信息；

4)列车能够获取前车的速度信息(获取前车速度需要实现车车通信或通过区域控制器转发)；

如果满足以上条件，车载ATP(列车自动防护)才能给出允许进入基于速度追踪模式提示，自动或经人工确认进入速度追踪模式；

步骤二：车载ATP获取前车速度、位置和基于位置追踪方式下区域控制器计算出的移动授权，对于区域控制器(ZC)计算基于位置追踪方式计算的移动授权方法为现有方法；

前车速度的获取方案有两种：方案一：实现车车通信，由前车通知后车本车速度，目前主流CBTC***不包含车车通信功能，实现车车通信，需要在车辆上增加车车间无线通信设备，车车通信只是作为车辆间传递速度、位置信息的方法之一；

方案二：由ZC转发前车速度。

对于方案一需要实现车车通信功能，优点是ZC功能修改较少，时效性较好，缺点是需要增加车载ATP相关逻辑以及相关通信(增加的主要是车车通信相关的软件逻辑和通信设备)。方案二不需要实现车车通信功能，但存在延时较大的缺点。对于已经实现车车通信的信号***推荐方案一，对未实现车车通信的使用方案二，但在延时方面需要多加考虑。

步骤三：计算基于速度追踪方案下车辆的移动授权：

在计算移动授权时，在ZC发送的基于位置追踪的移动授权基础上，考虑前车在当前速度下以最大减速度减速至停车走行距离，同时需要考虑信息传输时的延时，计算出基于速度追踪方案下车辆的移动授权；假设收到的基于位置追踪的移动授权为S，前车速度为V，最大减速度为a，延时时间为t，则计算得到基于速度追踪方案下车辆的移动授权为：

步骤四：根据基于速度追踪方案下车辆的移动授权计算车辆限速曲线，得到限速曲线后列车根据限速曲线进行控车，然后时刻判断是否满足速度追踪条件，如果满足继续重复上述步骤计算出当前时刻车辆限速曲线，保证列车能在安全距离条件下，尽可能快速高效地停车或启动，提高运行效率。计算限速曲线方法与基于位置限速曲线方法一致。

本发明在描述基于速度追踪的城轨列车追踪方案前首先需要确定速度追踪遵循的安全原则，主要有如下几点：

1.后车的移动授权不能超越两辆车，即不能越过前车的移动授权终点；

2.如果前车出现异常降级的情况，后车的移动授权需要立即回缩，回缩的位置的确定，应与位置追踪方式下前车异常降级的处理相同；

3.后车与前车的安全包络不能重叠，安全包络如果重叠表明会有两车相撞的风险，安全包络不能重叠是通过计算给出后车的安全的移动授权来实现的；

4.基于速度的追踪方案应作为一种可选的列车追踪方式，列车满足一定条件后可以进入该追踪方式，也可从该追踪方式退出采用基于位置的追踪方式。

因此如果考虑前车在后车减速时仍在向前运动，后车在当前时间立即减速停下来的点可以到达甚至越过当前时间前车的尾部，这样后车与前车的追踪距离就可以更近，提高了运行效率。

实施例1

与基于位置的追踪方案相比，采用基于速度的追踪方案可以有效的提高区间追踪效率以及进站效率。

对于区间追踪效率，假设一个简化版列车追踪模型，假设线路上有两辆车A和B，A车为前车，B车为后车，T时刻B车收到的A车速度为V_A，B车速度为V_B，车辆最大减速度为a₁，ATO控车最大减速度为a₂，两车间通信处理延时为t₁，制动施加时间为t₂。

则此时B车计算A车停车距离为：

B车停车距离为：

此时A车位置不确定性值为P_A，B车位置不确定性值为P_B，停车时考虑前车退行安全余量为D，为保证停下时两车安全包络不重叠，则可计算得到基于速度追踪方案下T时刻两车追踪间隔需要满足条件：

在基于位置追踪方案下根据车辆速度推算两车追踪间隔满足条件：

现在假设t₁＝1s，t₂＝1.5s，D＝10m，a₁＝2m/s²，a₂＝0.75m/s²，P_A+P_B＝20m，通过计算可以比较不同速度下基于速度追踪和基于位置追踪列车追踪间隔的效率的差异，见表1。

表1两种追踪方式下车辆追踪间隔

对于进站效率，假设站台长度为120m，车长为100m，停车点距站台边界为10m。轨道限速80km/h，站台限速为50km/h(对应的列车紧急制动触发速度约为20m/s和11m/s)。车辆减速度为0.75m/s²。

如果站台没有车辆，则列车开始从区间开始减速到站台限速再在停车点停车可以分为两个阶段考虑，第一阶段为从轨道限速减速到站台限速进站，第二阶段为进入站台后减速到停车点停稳。对于第一阶段，车辆按照减速度0.75m/s²减速，从20m/s减到11m/s的时间为：

此段减速距离为：

对于第2阶段，假设车辆先匀速再匀减速在停车点停车，则可算出减速距离为：

则第二阶段所花的时间为：

根据上述计算，整个进站过程所花的时间为29.34s，经过的距离为296m。这个计算结果是单独一列车不考虑追踪情况下进站时间和经过的距离，因为不需要考虑前车的位置和速度，此时两种追踪方式得到的结果相同。

对于站台有车辆的情况，按基于速度追踪方式下两列车不能同时进入站台和可以同时进入站台两种情况进行分析。对于基于位置追踪方式进入站台效率两种情况下相同。

1)两列车不能同时进入站台区域

在两列车不能同时进入站台区域的情况下，基于位置追踪方式下，当前车A在站台停车时，后车B移动授权位于站台入口处，则B车开始减速距离为：

此时B车开始减速，而A车开始驶离站台，设A车加速度为1m/s²，则A车驶离站台时间为：

此时B车速度为：

20-0.75*15.5＝8.375m/s

距站台入口处距离为：

此时B车停车点位于站台停车点，假设其匀加速至站台入口时速度为站台限速，则花费时间为：

进入站台后停下的时间为17.34s(站台无其他车辆时一辆在站台起点以站台限速行驶的车辆匀减速在停车点停下所需要的时间，由上述站台无车辆时第二阶段为进入站台后减速到停车点停稳计算的时间获得)，则得到总时间为17.34+4.83+15.5＝37.67s。

而采用基于速度的追踪方式下，假设A车速度达到V时即使立即以最大减速度减速仍然可以驶离站台，花费时间为12.75s，则此时B车速度为：

20-0.75*12.75＝10.44m/s

距站台入口处距离为：

仍假设其匀加速至站台入口时速度为站台限速，则花费时间为：

进入站台后停下的时间为17.34s，则得到总时间为17.34+6.75+12.75＝36.84s。与基于位置的追踪方式相比效率提高约2.2％。这里停车的时间包含两个阶段，第一阶段是开始减速到站台起点所花的时间，第二阶段是从站台起点到在停车点停下所花费的时间，在站台不允许两辆车同时进入的情况下，两种追踪方式第二阶段所花的时间相同，但第一阶段基于位置追踪相比基于速度追踪会更早减速，导致所花费的时间有差异。

2)两列车可以同时进入站台区域

若基于速度追踪方式下两列车可以同时进入站台区域时，当前车A在站台停车时，后车B移动授权位于站台入口处，则B车开始减速距离为：

此时B车开始减速，而A车开始驶离站台，设A车加速度为1m/s²，则A车驶离站台时间为：

此时B车的移动授权向站台内延伸，此时计算出B车减速度与时间的关系为：

根据此加速度计算得到当B车进入站台时时间为16.79s，速度为11.76m/s，高于站台限速11m/s，为保证不超速，在加速度上乘以一固定系数n，则得到以下方程：

经过计算得到n＝1.085，t＝17.2s

进入站台后停下的时间为17.34s，则得到总时间为17.34+17.2＝34.54s。与基于位置的追踪方式相比效率提高约8.3％。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (2)

1.一种基于速度追踪的城轨列车追踪方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：基于速度的追踪方案运行时首先需要车载ATP判断是否满足速度追踪的条件，具体条件包括：

1)列车运行模式为列车自动防护模式或列车自动运行模式；

2)列车通信级别为连续通信模式；

3)列车能够收到区域控制器(ZC)发送的基于位置的移动授权信息；

4)列车能够获取前车的速度信息；

如果满足以上条件，车载ATP才能给出允许进入基于速度追踪模式提示，自动或经人工确认进入速度追踪模式；

步骤二：车载ATP获取前车速度、前车位置和基于位置追踪方式下区域控制器计算出的移动授权；

步骤三：计算基于速度追踪方案下车辆的移动授权：

在ZC发送的基于位置追踪的移动授权基础上，考虑前车在当前速度下以最大减速度减速至停车走行距离，同时需要考虑信息传输时的延时，计算出基于速度追踪方案下车辆的移动授权；假设收到的基于位置追踪的移动授权为S，前车速度为V，最大减速度为a，延时时间为t，则计算得到基于速度追踪方案下车辆的移动授权S'为：

步骤四：根据基于速度追踪方案下车辆的移动授权计算车辆限速曲线，得到限速曲线后列车根据限速曲线进行控车；

在该方法实行前需要确定速度追踪遵循的安全原则，包括：

1)后车的移动授权不能超越两辆车，即不能越过前车的移动授权终点；

2)如果前车出现异常降级的情况，后车的移动授权需要立即回缩，回缩的位置的确定应与位置追踪方式下前车异常降级的处理相同；

3)后车与前车的安全包络不能重叠；

4)基于速度的追踪方法应作为一种可选的列车追踪方式，列车满足条件后可以进入该追踪方式，也可从该追踪方式退出采用基于位置的追踪方式。

2.根据权利要求1所述的基于速度追踪的城轨列车追踪方法，其特征在于，前车速度的获取方案有两种：

方案一：通过车车间无线通信设备实现车车通信，由前车通知后车本车速度；

方案二：由ZC转发前车速度。

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