一种虚拟编组列车安全防护方法、装置、设备及介质与流程

1.本发明涉及列车信号控制系统，尤其是涉及一种基于能量监控的虚拟编组列车安全防护方法、装置、设备及介质。


背景技术：

2.近年来，随着计算机及无线通信技术的发展，轨道交通列车自动控制领域出现一种虚拟编组的列车控制理念。其安全原理，是在前后车追踪运行过程中，后车不认为前车尾部是零速限制点，而是考虑最不利情况，前车经过最大制动减速度停车，后车基于相对制动距离曲线计算，保证在前车停车过程中不会发生追尾。
3.经过检索，中国专利公开号cn111942433a公开了一种协同编队列车安全防护方法、系统和装置，针对编队中前车和后车不同的运行场景分别建立了用于使得后车与前车保持安全距离的第一数学模型、第二数学模型、第三数学模型和第四数学模型，在不同运行场景下采用不同的数学模型确认后车的防护速度。
4.同时，中国专利公开号cn111994135a公开了一种基于迭代计算的协同编队列车安全防护方法及系统，通过确定协同编队列车的一系列参数，基于迭代控制的方法获取前后两车运行轨迹，通过调用两车相对追踪时的安全防护模型，保证协同状态下的任意时刻后车与前车不相撞。
5.此外，中国专利公开号cn114132366a公开了一种基于能量守恒原理，将列车运行过程中动能的改变量等同于所受重力、牵引力和制动力做功的结果。即通过分别计算上述作用力做功的值，判断列车动能是否满足下游限制点的动能限制要求
6.可见，现有公开的虚拟编组列车自动防护方法，需要根据前后车运行状态，区分不同运行场景，采用对应的安全速度曲线模型进行防护，此种方式较为繁琐。而已公开的采用能量监控的安全防护方式，相较速度监控计算量小，但不适用于虚拟编组的安全防护。


技术实现要素：

7.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种虚拟编组列车安全防护方法、装置、设备及介质。
8.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
9.根据本发明的第一方面，提供了一种虚拟编组列车安全防护方法，该方法基于能量监控来实现，其特征在于，所述防护方法包括以下步骤：
10.步骤s1，车载控制器预先存储电子地图以及线路上所有可能运行的列车的参数；
11.步骤s2，位于虚拟编组内的后方列车车载控制器周期获取编组内前方列车的信息；
12.步骤s3，后方列车车载控制器根据步骤s2获取信息计算出前车的动能；
13.步骤s4，后方列车车载控制器考虑前后车制动力做功的差值，和前后车受坡度影响的重力做功的差值，在步骤s3前车动能的基础上扣除这两个差值，计算出前车尾部限制
点对后车的限制能量；
14.步骤s5，后方列车车载控制器根据自身列车当前的动能，判断如果当前触发紧急制动，经过牵引力、制动力和坡度做功后到达前车尾部位置时，是否会超过步骤s4计算出的前车尾部限制点能量，如果超过，则应立即输出紧急制动；否则，无需输出紧急制动。
15.作为优选的技术方案，所述的步骤s1中的参数包括列车质量、转动惯量、车轮半径和最大减速度。
16.作为优选的技术方案，所述的步骤s2中获取的前方列车的信息包括车尾位置、运行速度、前车以最大制动力制动的停车点位置。
17.作为优选的技术方案，所述的步骤s4中的前后车制动力做功的差值具体计算如下：
18.从当前前车尾部所处位置到步骤s2所述前车以最大制动力减速停车后车尾位置的范围，对后车根据最小紧急制动保障率计算制动力做功，对前车根据最大减速度计算制动力做功，由此计算二者制动力做功的差值。
19.作为优选的技术方案，所述的步骤s4中的前后车受坡度影响的重力做功的差值具体计算如下：
20.后车将其车身内的坡度等效到车头，前车将其车身内的坡度等效到车尾，从当前前车尾部所处位置，到步骤s2所述前车以最大制动力减速停车后的车尾位置，在该范围内重力对于两车做功的差值。
21.根据本发明的第二方面，提供了一种用于所述虚拟编组列车安全防护方法的装置，包括车载控制器、列车测速定位设备和列车间通信设备，所述车载控制器分别与列车测速定位设备和列车间通信设备连接。
22.作为优选的技术方案，所述的车载控制器包括第一逻辑运算单元与第一存储设备。
23.作为优选的技术方案，所述的第一逻辑运算单元用于根据从列车测速定位设备获取的当前位置和速度，从列车间通信设备获得的前车信息，从第一存储设备获取的电子地图、线路上所有可能运行的列车参数信息，计算前后车是否存在发生碰撞的风险，并判断是否输出紧急制动。
24.作为优选的技术方案，所述的第一存储设备用于存储线路电子地图与列车参数。
25.作为优选的技术方案，所述的列车间通信设备用于前后列车的信息交互。
26.根据本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的方法。
27.根据本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现所述的方法。
28.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
29.1)本发明将列车速度监控转换为能量监控，简化了虚拟编组列车进行安全防护的计算方法，无需分段计算列车减速度，大大减少在线运算量。
30.2)本发明对于城轨项目，多为同质化列车，即前后车的车长、质量等参数相同，在计算能量差的过程中可以相互抵消，进一步简化的计算。
31.3)本发明能够处理线路上坡度变化的情况，具备实际工程实施的可行性。
附图说明
32.图1为本发明实施例中基于能量监控的虚拟编组列车安全防护方法的流程图；
33.图2为本发明实施例中单车进行能量监控的示意图；
34.图3为本发明实施例中虚拟编组中的后车进行能量监控的示意图；
35.图4为本发明实施例中基于能量监控的虚拟编组列车安全防护装置示意图。
具体实施方式
36.下面将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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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他实施例，都应属于本发明保护的范围。
37.图1为本发明实施例中的一种基于能量监控的虚拟编组列车安全防护方法的流程图，具体过程如下：
38.步骤s1，车载控制器预先存储电子地图以及线路上所有可能运行的列车的参数，包括列车质量、转动惯量、车轮半径、最大减速度等；
39.步骤s2，位于虚拟编组内的后方列车车载控制器周期获取编组内前方列车的车尾位置、运行速度、前车以最大制动力制动的停车点位置；
40.步骤s3，后车车载控制器根据步骤s2获取信息计算出前车的动能；
41.步骤s4，后车车载控制器考虑前后车制动力做功的差值，和前后车受坡度影响的重力做功的差值，在步骤s3前车动能的基础上扣除这两个差值，计算出前车尾部限制点对后车的限制能量。
42.其中，前后车制动力做功的差值，是指从当前前车尾部所处位置到步骤s2所述前车以最大制动力减速停车后车尾位置的范围，后车根据最小紧急制动保障率计算制动力做功，前车根据最大减速度计算制动力做功，由此计算二者制动力做功的差值。
43.其中，前后车受坡度影响重力做功的差值，是指后车将其车身内的坡度等效到车头，前车将其车身内的坡度等效到车尾，从当前前车尾部所处位置，到步骤s2所述前车以最大制动力减速停车后的车尾位置，在该范围内重力对于两车做功的差值。
44.步骤s5，后车车载控制器根据自身列车当前的动能，判断如果当前触发紧急制动，经过牵引力、制动力和坡度做功后到达前车尾部位置时，是否会超过步骤s4计算出的前车尾部限制点能量。如果超过，应立即输出紧急制动；否则，无需输出紧急制动。
45.图2为本发明实施例中单车进行能量监控的示意图。由于列车在运动过程中机械能守恒，因此可将列车运动过程中对车速的监控转换为对能量的监控。根据安全制动模型，描述如果列车在当前x
20
点输出紧急制动直至在xs点停车，在不同阶段会受不同作用力影响。如x
20
→
x
21
牵引力切除阶段受牵引力影响；x
20
→
xs全过程均受重力影响；制动施加的x
22
→
xs过程受制动力影响。在这些影响下，列车动能持续变化。
46.在列车的移动授权范围内，存在一系列对列车的最大速度有约束的点，如线路限速变化点x
sl2
，或者红灯信号机x
sig
等。根据限制点的限速，可以计算出列车通过该限制点时的最大允许动能，如图2中的e
lmt
(sl2)或e
lmt
(sig)。车载控制器通过计算当前输出紧急制动后经牵引、制动与重力做功后的剩余动能，与这些限制点的能量进行比较，判断是否超能。
如果超能，则应立即输出紧急制动，否则，无需输出紧急制动。
47.图3为本发明实施例中虚拟编组中的后车进行能量监控的示意图。图中xs表示前车以最大制动力减速停车时车尾的位置，也就是后车紧急制动停车后车头不能超过的位置。e
t1
(x
10
)表示前述步骤3中后车根据前车尾部位置x
10
和前车当前速度计算的前车动能。
48.考虑最不利情况，前车制动力大，后车制动力小，因此如果后车在x
10
处仅满足e
t1
(x
10
)动能，是无法实现在xs之前停车的，故要求后车在进入x
10
时进行监控的限制动能e
lmt
(x
10
)，应比e
t1
(x
10
)更小。这个动能差值，就是前后车制动力从x
10
→
xs过程做功的差异，以及该过程中重力对前后车做功的差异。
49.其中，x
10
→
xs范围内，前车制动力做功，根据前车的最大制动减速度计算得到；后车制动力做功，根据后车的最小紧急制动保障率减速度计算。
50.重力做功对于前后的范围不同，前车是将车身范围内的坡度等效到车尾质点，所以实际的重力作用范围是从x
10
点到xs+l
t1
点，l
t1
表示前车车长。后车是将车身范围内的坡度等效到车头质点，所以实际的重力作用范围是从x
10-l
t2
点到xs点，l
t2
表示后车车长。故而可计算出上述范围内重力做功的差异。
51.综上，如图3所示，可以根据前车尾部动能e
t1
(x
10
)，扣除前后车制动力差异和重力做功差异，计算出前车车尾x
10
处对于后车的限制能量e
lmt
(x
10
)。后车根据自身当前动能和施加紧急制动后牵引力、制动力、重力做功，判断在x
10
处的动能是否会超过e
lmt
(x
10
)，若超过则应立即施加紧急制动，否则无需施加紧急制动。
52.以上是关于方法实施例的介绍，以下通过装置实施例，对本发明所述方案进行进一步说明。
53.图4为本发明实施例中能量监控的虚拟编组列车安全防护装置示意图，所述装置包括车载控制器、列车测速定位设备，列车间通信设备。所述的车载控制器包括第一逻辑运算单元与第一存储设备。其中车载控制器中的第一逻辑运算单元用于根据从列车测速定位设备获取的当前位置和速度，从列车间通信设备获得的前车信息，从第一存储设备获取的电子地图、列车参数等信息，计算前后车是否存在发生碰撞的风险，判断是否输出紧急制动指令。
54.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，所述描述的模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
55.本发明电子设备包括中央处理单元(cpu)，其可以根据存储在只读存储器(rom)中的计算机程序指令或者从存储单元加载到随机访问存储器(ram)中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在ram中，还可以存储设备操作所需的各种程序和数据。cpu、rom以及ram通过总线彼此相连。输入/输出(i/o)接口也连接至总线。
56.设备中的多个部件连接至i/o接口，包括：输入单元，例如键盘、鼠标等；输出单元，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元，例如磁盘、光盘等；以及通信单元，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元允许设备通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
57.处理单元执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法s1～s5。例如，在一些实施例中，方法s1～s5可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由rom和/或通信单元而被载入
和/或安装到设备上。当计算机程序加载到ram并由cpu执行时，可以执行上文描述的方法s1～s5的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，cpu可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法s1～s5。
58.本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：现场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)、专用标准产品(assp)、片上系统(soc)、复杂可编程逻辑设备(cpld)等等。
59.用于实施本发明的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
60.在本发明的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(cd-rom)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
61.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种虚拟编组列车安全防护方法，该方法基于能量监控来实现，其特征在于，所述防护方法包括以下步骤：步骤s1，车载控制器预先存储电子地图以及线路上所有可能运行的列车的参数；步骤s2，位于虚拟编组内的后方列车车载控制器周期获取编组内前方列车的信息；步骤s3，后方列车车载控制器根据步骤s2获取信息计算出前车的动能；步骤s4，后方列车车载控制器考虑前后车制动力做功的差值，和前后车受坡度影响的重力做功的差值，在步骤s3前车动能的基础上扣除这两个差值，计算出前车尾部限制点对后车的限制能量；步骤s5，后方列车车载控制器根据自身列车当前的动能，判断如果当前触发紧急制动，经过牵引力、制动力和坡度做功后到达前车尾部位置时，是否会超过步骤s4计算出的前车尾部限制点能量，如果超过，则应立即输出紧急制动；否则，无需输出紧急制动。2.根据权利要求1所述的一种虚拟编组列车安全防护方法，其特征在于，所述的步骤s1中的参数包括列车质量、转动惯量、车轮半径和最大减速度。3.根据权利要求1所述的一种虚拟编组列车安全防护方法，其特征在于，所述的步骤s2中获取的前方列车的信息包括车尾位置、运行速度、前车以最大制动力制动的停车点位置。4.根据权利要求1所述的一种虚拟编组列车安全防护方法，其特征在于，所述的步骤s4中的前后车制动力做功的差值具体计算如下：从当前前车尾部所处位置到步骤s2所述前车以最大制动力减速停车后车尾位置的范围，对后车根据最小紧急制动保障率计算制动力做功，对前车根据最大减速度计算制动力做功，由此计算二者制动力做功的差值。5.根据权利要求1所述的一种虚拟编组列车安全防护方法，其特征在于，所述的步骤s4中的前后车受坡度影响的重力做功的差值具体计算如下：后车将其车身内的坡度等效到车头，前车将其车身内的坡度等效到车尾，从当前前车尾部所处位置，到步骤s2所述前车以最大制动力减速停车后的车尾位置，在该范围内重力对于两车做功的差值。6.一种用于权利要求1所述虚拟编组列车安全防护方法的装置，其特征在于，包括车载控制器、列车测速定位设备和列车间通信设备，所述车载控制器分别与列车测速定位设备和列车间通信设备连接。7.根据权利要求6所述的虚拟编组列车安全防护方法的装置，其特征在于，所述的车载控制器包括第一逻辑运算单元与第一存储设备。8.根据权利要求7所述的虚拟编组列车安全防护方法的装置，其特征在于，所述的第一逻辑运算单元用于根据从列车测速定位设备获取的当前位置和速度，从列车间通信设备获得的前车信息，从第一存储设备获取的电子地图、线路上所有可能运行的列车参数信息，计算前后车是否存在发生碰撞的风险，并判断是否输出紧急制动。9.根据权利要求7所述的虚拟编组列车安全防护方法的装置，其特征在于，所述的第一存储设备用于存储线路电子地图与列车参数。10.根据权利要求6所述的虚拟编组列车安全防护方法的装置，其特征在于，所述的列车间通信设备用于前后列车的信息交互。11.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在
于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1～5中任一项所述的方法。12.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1～5中任一项所述的方法。

技术总结
本发明涉及一种虚拟编组列车安全防护方法、装置、设备及介质，该方法包括：S1，车载控制器预先存储电子地图以及线路上所有可能运行的列车的参数；S2，位于虚拟编组内的后方列车车载控制器周期获取编组内前方列车的信息；S3，后方列车车载控制器计算出前车的动能；S4，后方列车车载控制器计算出前车尾部限制点对后车的限制能量；S5，后方列车车载控制器根据自身列车当前的动能，判断如果当前触发紧急制动，经过牵引力、制动力和坡度做功后到达前车尾部位置时，是否会超过步骤S4计算出的前车尾部限制点能量，如果超过，则应立即输出紧急制动；否则，无需输出紧急制动。与现有技术相比，本发明具有大大减少在线运算量等优点。本发明具有大大减少在线运算量等优点。本发明具有大大减少在线运算量等优点。


技术研发人员：崔科 常鸣 吕新军
受保护的技术使用者：卡斯柯信号有限公司
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/6/7