CBTC故障模式下的点式列车控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及列车自动控制技术领域，特别是涉一种CBTC故障模式下的点式列车控制系统及其控制方法。

背景技术

基于无线通信的列车控制系统(CBTC，Communication-based Train Control)是信号系统技术最前沿的移动闭塞制式。在国际标准IEEE1474.2中，对CBTC特征描述为“不依赖于轨道电路的高精度列车定位，连续、大容量的双向车地数据通信，以及车载和轨旁执行安全功能的一种自动列车控制系统”。但值得注意的是，由于此技术采用双向车地通信，一旦无线网络被干扰、或区域控制器、车载天线发生故障，将导致严重的运营中断。此外，当ATP故障车、工程车等无车载设备的车辆需在线路上运行时，也无办法提供安全防护。故为了保证信号系统高效、安全、有序运行，全国各个城市普遍采用CBTC系统叠加后备模式的制式，而后备模式使用最多的为联锁站间闭塞或传统点式ATP方案。但是，上述二种方案存在如下缺点：

1）站间闭塞：效率过低，难以满足大客流所需的较短行车间隔，且不具备列车超速防护。

2）传统点式ATP方案：

a) 采用欧式信标，轨旁至车载传输信息量大，设计复杂，车上需装备欧式信标读取天线。

b) 线路需增加计轴点近80%，用作小区间防护。故障点多且设备费用高。

c)  不同批次采购的列车其参数发生变化时，需要对固定闭塞的边界（如信号机和计轴点）位置平移，后期改造成本很高。

3）二种方案均无法实现点式ATC自动驾驶，必须由司机纯人工或在ATP防护下驾驶列车。行车效率高低与司机水平相关性很大。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种CBTC故障模式下的点式列车控制系统及其控制方法。

所述点式列车控制系统包括：用于发送各种控制命令的ATS系统；以及用于监测列车位置的计轴系统；以及用于接收来自ATS系统控制命令的联锁系统、轨旁ATO；以及用于建立列车移动授权的轨旁ATP；以及用于发送所述轨旁ATP移动授权信息的轨旁电台；以及用于接收所述轨旁电台信息的车载电台；以及用于收集的轨旁设备状态信息的目标控制器；尤其还包括信号机、信号机信标、预告信标以及含有数据库的车载ATC。

优选地，进一步包括用于检测信号机信标、预告信标的信标天线。

优选地，，进一步包括若干用于列车精准定位和轮对校准的固定信标，且所述固定信标间隔距离小于150米。

优选地，所述车载ATC在经过所述固定信标时，会读取固定信标信息并更正列车自身计算位置过程中所累计的位移误差。

所述CBTC故障模式下的点式列车控制系统的控制方法为：当CBTC模式失效时，由所述计轴系统检测列车位置并告知ATS系统，所述联锁系统根据所述ATS系统发送的控制命令驱动所述信号机、信号机信标及预告信标。

优选地，当未检测到所述预告信标时，所述车载ATC会触发常用制动。

优选地，当未检测到所述信号机信标时，所述车载ATC会触发紧急制动。

本发明技术方案在有源信标（即预告信标与信号机信标）和车载ATC数据库相互配合下，实现点式ATC自动驾驶，同时具有双红灯防护、超速防护、列车能精准停站等功能，同时具有系统结构简单，调试工期短和造价低等优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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它的附图，其中：

图1是本发明具备点式ATC的CBTC系统架构示意图；

图2是本发明正线无道岔区域信号机和信标的布置示意图；

图3是图2的正线制动曲线模型示意图；

图4是本发明在单道岔区域的信标布置示意图；

图5是本发明在多道岔区域的信标布置示意图；

图6是图4、图5在道岔区制动曲线模型示意图；

图7是本发明在无道岔区域时列车读取信标的流程示意图；

图8是本发明在道岔区域的列车读取信标的流程示意图。

具体实施方式

下面将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前提下所获得的所有其它实施例，亦属于本发明保护的范围。

本发明下面所述的ATS即Automatic Train Supervision（自动列车监控）、所述的ATO即Automatic Train Operation（列车自动运行）、所述的ATP即Automatic Train Protection（列车自动防护）。

图1是本发明具备点式ATC功能的CBTC系统架构示意图。在CBTC模式下，ATS系统101通过轨旁ATO102，向轨旁ATP103和联锁系统104发送进路请求命令、道岔转换命令等控制命令，目标控制器113将收集的轨旁设备的状态信息（如道岔状态、信号机状态等）发送给联锁系统104，联锁系统104会进行安全逻辑运算，在满足联锁条件情况下办理进路，并将信息告知轨旁ATP103，轨旁ATP103根据列车位置、轨旁状态和办理的进路，为每列车生成移动授权，并通过轨旁电台111将其发送给列车的车载电台112，含有数据库的车载ATC109将根据移动授权来控制列车自动化运行。需说明的是，列车在CBTC模式下正常运行过程中，列车将忽略读取到的任何动态信标（信号机信标107和预告信标108）的信息。整个过程中，由轨旁ATP103保障进路中多列CBTC列车间的安全运行间隔。

但当轨旁ATP103、轨旁ATO102发生故障或者车地通信中断时，系统将自动切换到后备模式，即ATS系统101直接与联锁系统104通信。ATS系统101发送进路请求命令、道岔控制命令等给联锁系统104，联锁系统104根据目标控制器113采集到的轨旁设备状态（如道岔状态、信号机状态等），进行安全逻辑运算，在满足联锁条件后办理进路。车载ATC109与轨旁ATP无线通信中断后，列车将运行至上一个已知的移动授权限制点，并采用常用制动停车，，然后，列车司机切换至限制人工驾驶（RM）模式，当列车读到信号机信标后则点式ATP模式可用，，当列车读到预告信标108后，则可转换为点式ATO模式自动化驾驶。整个过程中，联锁系统104通过信号机106和预告信标108以及信号机信标107来保障后备模式下列车间的安全运行间隔。需说明的是，在CBTC模式发生故障时，列车的位置将通过计轴系统105采集并告知联锁系统104，联锁系统104据此和其它信息进行联锁逻辑计算，来防护列车运行。

此外，为实现列车的精准定位和轮对校准，全线会铺设若干固定信标200，且相邻2个固定信标间距离通常小于150米（取决于列车长度）。不管CBTC模式下还是点式ATC模式下，车载ATC109在经过固定信标200后会及时更正列车自身计算位置过程中所累计的位移误差，从而让列车精准定位。

图2是本发明正线无道岔区域信号机和信标的布置示意图，其采用传统信号原则，以确保列车之间保持双红灯安全间隔。当前方至少两个区段空闲，并且进路已授权，则信号机S1显示为绿灯，S1信标S1-A和对应的预告信标S1-B会“励磁”。当列车T1通过S1-B时，对照其车载ATC109的数据库，若检测到S1-B后，列车T1会让其移动授权延伸至信号机S2。而若列车运行在S1-B和S1-A间时，信号机因某种原因突然变红灯，则S1-A失磁，列车过冲S1信号机时，会产生紧急制动，而S1和S2间的距离设计为大于紧急制动的距离，以确保行车安全。当列车通过S1信号机后并经过S2预告信标S2-B时，若信号机S2红灯导致S2-B“失磁”，则列车会因无法检测到S2-B，而维持移动授权至S2不变，同时列车将采用常用制动减速并停到S2信号机前。之后，若S2又恢复到允许状态（绿灯），则S2-A励磁，司机RM模式（限制人工驾驶模式）驾驶列车通过励磁的S2-A后，将重新获得移动授权，可切换到点式ATO模式继续前行。而之前，若S2-B没有失磁，列车T1经过时，移动授权将延伸到S3信号机。以此类推，实现点式ATO或点式ATP。

图3是图2的正线制动曲线模型示意图。从图示中可以看出，预告信标到信号机的距离应大于列车通过预告信标后施加常用制动直到停车后的距离，并且列车停后的位置应靠近信号机，但是不会读取到对应的信号机信标，从而方便司机看到信号机变为允许后，低速驾驶列车通过对应的信号机信标以获得延伸的移动授权。此外，两架信号机间的距离须大于列车最高速度过冲信号机而发生紧急制动的距离，从而确保其安全。

图4是本发明在单道岔区域的信标布置示意图。当信号机为绿灯时，表明前方道岔为直向，信标S-B1励磁。列车运行并检测到预告信标S-B1后，以正常速度通过信号机。当信号机为黄灯时，道岔为反向，信标S-B2励磁。列车经过S-B2后，会采取常用制动并在信号机前减速到25km/h（此数值取决于道岔型号），以保证列车过道岔速度符合设计要求。

图5是本发明在多道岔区域的信标布置示意图。当道岔1在定位，信号机S为绿灯时，S-A1和S-B1励磁，列车检测到信标后按直向速度通过信号机S和道岔1。当道岔1在反位，道岔3在定位，信号机S为黄灯时，信标S-A2励磁，预告信标S-B2励磁，列车经过S-B2时，施加常用制动并在信号机S前减速到25km/h（此数值取决于道岔型号），然后以此速度通过信号机S、反位道岔1和定位道岔3。当道岔1在反位，道岔3在反位时，信号机S显示黄灯，信标S-A3励磁，预告信标S-B2励磁，列车经过S-B2时，施加常用制动并在信号机S前减速到25km/h（此数值取决于道岔型号），然后以此速度通过信号机S、反位道岔1和反位道岔3。

图6是图4、图5在道岔区制动曲线模型示意图，对于道岔防护信号机，会有2个预告信标与其关联，S-A1励磁时，S-B1励磁。S-A2或S-A3(如果有的话)励磁时，S-B2励磁。当防护信号机显示绿灯时，列车的制动曲线参看图3。而防护信号机显示为黄灯时，列车制动曲线见图6。其中，预告信标到信号机信标的距离应大于当列车开始施加常用制动时，减速到25km/h后刚好读取信号机信标点时的位置。从而确保列车安全的过岔速度。

需要注意的是，在任何情况下，信号机为引导或红灯状态时，都不会激活信号机信标或预告信标。也就是说，红灯或引导情况下，列车将读取不到动态信标，并会根据所经过的信标类型来施加常用制动或紧急制动。

图7是本发明在无道岔区域时列车读取信标的流程示意图。如图所示：

当列车行进位置经过车载ATC109的数据库定义的预告信标108位置时，列车会通过信标天线110检测此处线路上的预告信标108；

若预告信标失磁（前方为红灯），即没有检测到预告信标，则列车自动施加常用制动，车将慢慢停在信号机前（靠近信号机，但不会越过信号机信标），当信号机变为允许信号（绿灯）后，司机人工驾驶列车驶向信号机，读到绿灯信号机信标后，可变为点式ATO自动驾驶；

若检测到绿灯预告信标（前方为绿灯），则不减速，按照数据库中ATP/ATO速度曲线继续前行；

当列车位置经过车载ATC109的数据库定义好的信号机信标107位置时，列车会通过信标天线110检测此处线路上的信号机信标107；

若信号机信标失磁（前方为红灯），即没检测到信号机信标，则列车自动施加紧急制动。这种情况一般发生在信号机突然故障，或前方记轴区段突然受干扰等突然状况，列车会过冲信号机并施加紧急制动，车辆会停在下一个区段内（保证停止在下一个信号机前）。因为采用的是双红灯防护机制， 两个信号机间的距离或每个区段长度，一定大于列车在最坏工况（例如列车过冲信号机、列车1/4制动力失效，湿轨等情况）下的制动距离，从而实现SIL4级的安全防护；

若检测到绿灯信号机信标（前方为绿灯），则不减速，按照数据库中ATP/ATO速度曲线继续前行。

图8是本发明在道岔区域的列车读取信标的流程示意图。如图所示：

当列车行进位置经过车载ATC109的数据库定义的预告信标108位置时，列车会通过信标天线110检测此处线路上的预告信标108；

若预告信标失磁（前方为红灯），即没有检测到预告信标，则列车自动施加常用制动，车将慢慢停在信号机前（靠近信号机，但不会越过信号机信标），当信号机变为允许信号（绿灯）后，司机人工驾驶列车驶向信号机，读到绿灯信号机信标后，可变为点式ATO自动驾驶；

若检测到绿灯预告信标（前方为绿灯），则不减速，按照数据库中ATP/ATO速度曲线继续前行；

若检测到黄灯预告信标（前方为黄灯），则施加常用制动，把列车速度降到25km/h，准备通过前方信号机106；

当列车位置经过车载ATC109的数据库定义的信号机信标107位置时，列车会通过信标天线110检测此处线路上的信号机信标107；

若信号机信标失磁（前方为红灯），即没检测到信号机信标，则列车自动施加紧急制动。这种情况一般发生在信号机突然故障，或前方记轴区段突然受干扰等突然状况，列车会过冲信号机并施加紧急制动，车辆会停在下一个区段内（保证在下一个信号机前）。因为采用的是双红灯防护机制， 两个信号机间的距离或每个区段长度，一定大于列车在最坏工况（例如列车过冲信号机、列车1/4制动力失效，湿轨等情况）下的制动距离，从而实现SIL4级的安全防护；

若检测到绿灯信号机信标（前方为绿灯），则不减速，按照数据库中ATP/ATO速度曲线继续前行；

若检测到黄灯信号机信标（前方为黄灯），则维持列车25km/h速度不减，通过信号机和反向道岔，驶入渡线。

需要注意的是，黄灯信号机信标和黄灯预告信标是成对出现的。不会存在只有绿灯预告信标，紧接着又出现黄灯信号机信标的情况。此外，在接近道岔区域，即列车接近道岔防护信号机前，也不会出现列车先读取到绿灯预告信标（此时黄灯预告信标失磁），紧接着又读取到黄灯信号机信标的情况。其原因是，当列车读取到绿灯预告信标后，说明列车已经占用了进路的接近区段，联锁会执行进路接近锁闭功能，此时调度员是无法短时间内取消直向进路（延迟解锁）来办理反向进路的，故信号机不会亮黄灯，也就是说黄灯信号机信标无法励磁。

本发明的技术方案主要实现了以下功能：

1、提供了双红灯防护：未检测到预期的信号机信标，车载ATC会触发紧急制动。未检测到预期的预告信标，车载ATC会触发常用制动。

2、超速防护：基于车载ATC数据库定义的线路速度ATP曲线进行防护。

3、点式ATC功能：通过有源信标和车载数据库相互配合，实现点式ATC自动驾驶。

4、列车门控和监督：列车能精准停站，发出列车开门使能命令。

5、运行方向监控：在后备的点式ATC模式下，列车将在授权的运行方向上运行。

本点式ATC发明，具有系统结构简单，调试工期短和造价低等优势。由于与CBTC系统共用联锁等设备，可形成后备系统先期开通运营。并且可与CBTC模式形成混合运营方式，满足单列车故障或单个轨旁ATP发生故障时的降级运行需求。同时若部分项目后备模式的要求不高，如仅需要点式ATP功能的话，则可去除方案中绿灯相关联的预告信标，便能轻松降级实现点式ATP，具有很高的灵活性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。