一种基于激光检测的列车防护系统及方法与流程

本发明涉及轨道交通领域，尤其涉及一种基于激光检测的列车防护系统及方法。

背景技术：

现有技术中，城市轨道交通采用列车自动保护系统(AutomaticTrainProtection，ATP)进行列车行车安全防护，即在每一列车安装定位设备、通信设备以及地面站用检测设备，各设备之间进行通信，通过追踪列车防止碰撞追尾。

为实现对前方列车进行检测，某公司设计一种有轨列车检测前方障碍物的系统，包括摄像头、毫米波雷达和轨道控制单元组成，利用摄像头所采集的图像来识别障碍物，并根据速度等变量确定与障碍物之间的距离，并计算与前车发生碰撞的可能性，进而避免碰撞追尾现象的发生。

上述方法存在以下缺陷：(1)ATP系统需要在地面安装设备，并且依赖于另一列车设备的正常运行。若某一列车处于非正常工作状态时，在直道、弯道等路段的行车安全依靠司机观察或电话闭塞措施来判断，存在列车追尾的隐患。(2)采用图像识别时，由于图像识别算法复杂，运算量大，对系统性能要求高；并且需要多传感器融合，成本较高。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于激光检测的列车防护系统及方法，用于解决现有技术中ATP系统安装复杂且依赖另一列车正常运行，或者图像识别算法复杂对系统性能高的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于激光检测的列车防护系统，所述系统包括：激光传感器模块、电子地图定位模块、信息采集存储模块和数据处理分析模块；其中，

所述激光传感器模块包括至少二个激光测距仪，安装在当前列车的车头位置，用于向所述当前列车前方发射激光脉冲并接收回波脉冲信息；

所述电子地图定位模块用于获取当前列车的当前位置，以及根据上述当前位置在电子地图中查询确定所述当前列车在电子地图中是否处于弯道和处于弯道时弯道曲率信息；

所述信息采集存储模块与所述激光传感器模块相连接，用于实时采集和存储所述激光传感器模块所接收的回波脉冲信息；

所述数据处理分析模块分别与所述激光传感器模块、所述电子地图定位模块和所述信息采集存储模块相连接，用于根据上述回波脉冲信息获取测距数据，并结合当前列车的当前位置和/或弯道曲率信息获取所述当前列车行驶的安全速度V，以及根据所述安全速度V调整当前列车的运行速度。

可选地，所述系统还包括与所述数据处理分析模块相连接的声光报警模块，该声光报警模块用于在所述数据处理分析模块产生声光报警控制信号时以声光方式进行报警。

可选地，所述激光传感器模块包括三个激光测距仪；所述三个激光测距仪安装在所述当前列车的车头区域，且所述三个激光测距仪的轴线平行。

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于激光检测的列车防护方法，基于第一方面所述的列车防护系统实现，所述方法包括：

激光传感器模块向列车前方发射激光脉冲并接收回波脉冲信息；

电子地图定位模块获取当前列车的当前位置，以及根据上述当前位置在电子地图中查询所述当前列车是否处于弯道和处于弯道时弯道曲率信息；

数据处理分析模块根据上述回波脉冲信息获取测距数据，并结合当前列车的当前位置和/或弯道曲率信息获取所述当前列车行驶的安全速度V，以及根据所述安全速度V调整当前列车的运行速度。

可选地，所述方法还包括：

声光报警模块在接收到所述数据处理分析模块生成声光报警控制信号时启动声光报警。

可选地，所述数据处理分析模块结合当前列车的当前位置和/或弯道曲率信息获取所述当前列车行驶的安全速度V的步骤包括：

根据所述当前位置在电子地图中查询所述当前列车是否处于直道；

若是，则计算所有测距数据的平均值并将该平均值作为测距结果；

根据所述测距结果计算当前列车行驶的安全速度V。

可选地，所述数据处理分析模块结合当前列车的当前位置和/或弯道曲率信息获取所述当前列车行驶的安全速度V的步骤包括

根据所述当前位置在电子地图中查询所述当前列车是否处于弯道；

若是，则获取所述弯道的曲率信息以及对应所述弯道的速率最高值V0；

从所有的测距数据中选择最小测距值作为测距结果；

根据所述测距结果获取当前列车行驶的安全速度V；

判断所述安全速度V是否大于所述速率最高值V0，若是，则将所述速率最高值V0替换为当前列车行驶的安全速度；

其中，所述弯道包括：隧道内弯道和隧道外弯道。

可选地，所述数据处理分析模块根据上述回波脉冲信息获取测距数据的步骤之后，所述方法还包括：

判断所述测距数据是否为有效值，若是，则执行根据所述测距数据、所述位置信息获取所述当前列车行驶的安全速度V的步骤；

若否，则当前列车的前方无车且处于直道行驶状态按照当前运行速度行驶，或者当前列车无车且处于弯道行驶状态则按照该弯道的速率最高值V0行驶。

可选地，所述数据处理分析模块根据上述回波脉冲信息获取测距数据的步骤之后，所述方法还包括：

将所述测距数据和预设的最小安全距离进行比较；

若所述测距数据小于所述最小安全距离，则向声光报警模块发送用于报警的声光报警控制信号。

可选地，所述数据处理分析模块根据上述回波脉冲信息获取测距数据的步骤之后，所述方法还包括：信息采集存储模块存储所述测距数据。

由上述技术方案可知，本发明通过在当前列车的车头区域安装包括激光传感器模块、电子地图定位模块、信息采集存储模块、数据处理分析模块和声光报警模块；所述激光传感器模块包括至少二个激光测距仪，安装在当前列车的车头位置，用于向所述当前列车前方发射激光脉冲并接收回波脉冲信息；所述电子地图定位模块用于获取当前列车的当前位置，以及根据上述当前位置确定所述当前列车在电子地图中是否处于弯道和处于弯道时弯道曲率信息；所述信息采集存储模块与所述激光传感器模块相连接，用于实时采集和存储所述激光传感器模块所接收的回波脉冲信息；所述数据处理分析模块分别与所述激光传感器模块、所述电子地图定位模块和所述信息采集存储模块相连接，用于根据所述回波脉冲信息获取测距数据，以及根据当前列车在电子地图中的当前位置和/或弯道曲率信息调整所述当前列车的运行速度；所述声光报警模块与所述数据处理分析模块相连接，用于在所述数据处理分析模块产生声光报警控制信号时以声光方式进行报警。与现有技术相比较，本发明仅需要在列车前部安装相应的设备即可，无需在每个车站安装地面设备，也无需依赖其他列车处于正常工作状态，占用车载空间小，安装简单方便。同时，本发明还可以作为ATP系统的辅助系统，减少列车碰撞的可能性，提高列车行驶安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图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他的附图。

图1为本发明提供的一种基于激光检测的列车防护系统框图；

图2为激光测距仪安装示意图

图3为激光测距原理示意图；

图4为本发明提供的一种基于激光检测的列车防护方法的流程示意图；

图5～图6为列车直道行驶时检测原理示意图；

图7～图13为列车弯道行驶时检测原理示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明提供的一种基于激光检测的列车防护系统框图。参见图1，该列车防护系统包括：激光传感器模块、电子地图定位模块、信息采集存储模块和数据处理分析模块；其中，

所述激光传感器模块包括至少二个激光测距仪，安装在当前列车的车头位置，用于向所述当前列车前方发射激光脉冲并接收回波脉冲信息；

所述电子地图定位模块用于获取当前列车的当前位置，以及根据上述当前位置在电子地图中查询所述当前列车是否处于弯道和处于弯道时弯道曲率信息；

所述信息采集存储模块与所述激光传感器模块相连接，用于实时采集和存储所述激光传感器模块所接收的回波脉冲信息；

所述数据处理分析模块分别与所述激光传感器模块、所述电子地图定位模块和所述信息采集存储模块相连接，用于根据上述回波脉冲信息获取测距数据，并结合当前列车的当前位置和/或弯道曲率信息获取所述当前列车行驶的安全速度V，以及根据所述安全速度V调整当前列车的运行速度。

本发明中上述激光传感器模块至少包括二个激光测距仪。可选地，本发明一实施例中激光传感器模块包括三个激光测距仪，如图2所示，三个激光测距仪分别安装在所述当前列车的车头区域，且所述三个激光测距仪的轴线平行(如图3所示)。可理解的是，轴线平行有利于检测弯道内的前方列车，提高检测的精度。需要说明的是，激光测距仪的数量可以根据具体场景进行调整，例如，设置四个、五个甚至更多的激光测距仪，这样可以提高测距结果的准确度。但是激光测距仪数量的增加也会增加数据处理分析模块的计算量，降低数据处理速度，此时需要本领域技术人员在处理速度与准确度进行平衡。

上述电子地图定位模块包括定位单元和电子地图单元，上述定位单元可以是当前列车上已有的定位装置，例如，GPS定位装置，也可以是为电子地图定位模块单独设置的GPS定位装置或者其他定位设备。可理解的是，为该电子地图定位模块单独设置定位装置时，可以减少与当前列车的交互信息，提高系统的可靠性。定位单元获取当前列车的地理位置，即列车的经纬度坐标。电子地图单元从上述定位单元读取经纬度坐标，然后根据该经纬度坐标结合电子地图确定当前列车在电子地图上的位置，从而可以得到当前位置下列车所处轨道的形状。上述轨道形状包括直道和弯道，其中弯道包括隧道内弯道和隧道外弯道。

需要说明的是，上述电子地图是指预先存储在车载设备中的地图数据。所述地图数据包括各个地理位置的轨道形状，例如是直道还是弯道。并且，当是弯道时，所述地图数据还包括弯道的曲率信息以及该弯道的速率最高值V0。该电子地图可以从地图提供商获得，还可以是企业进行数据处理后自己建立的电子地图。无论何种电子地图都可以实现本发明实施例的方案，都落入本发明实施例的保护范围。

本发明实施例中数据处理分析模块可以采用单片机、ARM芯片或者DSP芯片实现。该数据处理分析模块用于判断当前列车之前是否存在前方列车、存在前方列车时计算两车之间的距离以及计算该当前列车安全行驶速度等，本领域技术人员根据具体应用场景进行选择，本发明实施例不作限定。

如图1所示，本发明实施例中信息采集存储模块分别连接激光传感器模块和数据处理分析模块，用于采集和存储激光测距仪获取的回波信息和数据处理分析模块计算的测距数据。当然，该信息采集存储模块还可以存储数据处理分析模块处理的中间数据以及最终数据等(例如，当前列车的运行速度、安全速度)，也可以存储上述电子地图数据。

本发明一实施例提供的列车防护系统还包括声光报警模块。如图1所示，该声光报警模块连接数据处理分析模块，用于根据数据处理分析模块发送的声光报警控制信号进行报警。该声光报警模块可以采用现有技术中的指示灯和蜂鸣器实现，本发明实施例不作限定。

本发明一实施例还提供了一种基于激光检测的列车防护方法，基于上文中的列车防护系统实现，如图4所示，所述列车防护方法包括：

S1、激光传感器模块向列车前列车前方发射激光脉冲并接收回波脉冲信息；

S2、电子地图定位模块获取当前列车的当前位置，以及根据上述当前位置在电子地图中查询所述当前列车是否处于弯道和处于弯道时弯道曲率信息；

S3、数据处理分析模块根据上述回波脉冲信息获取测距数据，并结合当前列车的当前位置和/或弯道曲率信息获取所述当前列车行驶的安全速度V，以及根据所述安全速度V调整当前列车的运行速度。

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的检测方法各步骤进行详细说明。

首先，介绍S1、激光传感器模块向列车前列车前方发射激光脉冲并接收回波脉冲信息的步骤。

本发明实施例中采用三个激光测距仪实现上述检测方法。可以理解的是，随着激光测距仪数量的增加，检测方法所得结果的准确性同样提高，但是会增加数据处理分析模块的计算量。当列车防护系统还包括信息采集存储模块时，该信息采集存储模块所存储的数据量也会线性增长，增加存储设备的成本。因此，本领域技术人员可以根据具体使用场景的实际需求，选择合适数量的激光测距仪。因此，本发明实施例中，激光测距仪的数量设置在三个，即可应用于高速列车的前方前方列车检测。

实际应用中，如图2所示，上述三个激光测距仪(图2中标号1，2，3)安装在当前列车的车头位置，每个激光测距仪的出光方向与当前列车直接行驶时的方向相平行。也就是说，如图3所示，出光方向为当前列车的正前方，三个激光测距仪在每个测量周期内会发射一次激光脉冲，发射时间可以同步的。当遇到障碍物(隧道壁、前方列车、建筑物等)时，激光脉冲会返回形成回波信号；激光测距仪可以实时获取得到回波信号。

需要说明的是，上述激光测距仪具有有效测距量程，并且该有效测距量程会远大于当前列车与前方列车之间允许的最小距离即两车安全距离。本领域技术人员可以根据具体使用场景选择合适类型的激光测距仪，本发明不作限定。

其次，介绍S2、电子地图定位模块获取当前列车的当前位置，以及根据上述当前位置在电子地图中查询所述当前列车是否处于弯道和处于弯道时弯道曲率信息的步骤。

上述电子地图定位模块实时获取当前列车的当前位置(主要指地理位置信息如经纬度坐标)。然后，该电子地图定位模块将上述当前位置与电子地图进行匹配得到当前列车在电子地图以及轨道中的准确位置，进而从匹配后的电子地图中得到当前列车所处轨道的形状，例如当前轨道为直道、弯道、单轨道弯道或者多轨道弯道等，其中弯道又包括隧道内弯道和隧道外弯道。

当当前列车所处位置为弯道时，从电子地图数据库时读取该弯道的曲率以及速率最高值V0。

最后，介绍S3、数据处理分析模块根据上述回波脉冲信息获取测距数据，并结合当前列车的当前位置和/或弯道曲率信息获取所述当前列车行驶的安全速度V，以及根据所述安全速度V调整当前列车的运行速度的步骤。

数据处理分析模块接收来自每个激光测距仪传输的回波信号计算当前列车自身与前方障碍物之间的测距数据，电子地图定位模块传输的当前列车所处位置的轨道形状和/或弯道曲率以及速率最高值V0，计算在当前位置情况下当前列车的行驶速度，包括：

1、轨道形状为直道。

(1)如图5所示，若三个激光测距仪所测得的距离为该测距仪的最大量程值或者没有，则表明当前列车在直道上行驶，且其正前方没有障碍物(即前方没有列车)，该情况下，当前列车按照现有速度行驶。

(2)若三个激光测距仪所对应的测距距离相等(实际应用中，由于前方列车的形状存在一定的差别，允许存在一定的误差，这可以根据实际需要进行设定。若在误差范围内，本发明认为两者距离相等)，则列车在直道上行驶，且当前列车的正前方存在障碍物即前方列车，如图6所示，该情况下，以一个激光测距仪与前方列车的测距距离作为测距结果Z。可选地，为消除误差对测距结果的影响，可以将三个测距距离的平均值作为测距结果Z。

然后将上述测距结果与两车安全距离Z0进行比较，当测距结果Z大于或者等于两车安全距离Z0时，根据当前列车的预设制动速度a0以及上述测距结果Z计算当前列车的安全速度V，此时当前列车按照以上述安全速度V行驶。其中，安全速度V的计算公式如下：

式中，V表示当前列车此时刻的安全速度；a0表示预设制动速度，通常情况下是指当前列车的最差制动速度；Z表示测距结果。

当测距结果Z小于两车安全距离Z0时，数据处理分析模块生成声光报警控制信号，用于提示司机人工减速或者制动。当测距结果Z大于两车安全距离Z0时，按照所计算的安全速度V行驶，此时危险解除。

2、轨道形状为弯道

当前列车处理弯道时，对应三个激光测距仪的距离会发生变化，根据弯道的不同，其变化方式也不同。下面以右弯道为例进行说明

1)单轨道弯道

(1)隧道内弯道

当前列车处于隧道内时，包括则进入弯道、弯道中和即将出弯道三种情况，该三种情况下，当前列车都沿着弯道切线前行，所有三种情况下测距方式相同。若每个激光测距仪与前方障碍物之间的距离按照当前列车所处弯道方向依次增大，则将距离最小值作为测距结果Z。

如图7所示，当前列车刚进入弯道时，由于隧道壁的影响，三个激光测距仪所对应的测距数据不一致。对应激光测距仪A的距离为A-A1，对应激光测距仪B的距离为B-B1，对应激光测距仪C的距离为C-C1，其长度依次增加。即距离A-A1为本周期内测距结果Z。如图8所示，距离A-A1可以通过以下公式计算：

式中，Z表示测距结果即距离A-A1的长度；R表示当前弯道的曲率即当前列车的拐弯半径；AO表示激光测距仪A到弯道圆心的距离。

如图7与图8所示，当当前列车前方没有列车时，以三个激光测距仪中最小距离A-A1作为测距结果Z，即刚进入弯道、弯道中和即将出弯道时，距离A-A1理论上保持不变。此时以预设制动速度和上述测距结果Z即距离A-A1计算当前列车的安全速度V。若该安全速度V大于或者等于隧道的速率最高值V0，则以隧道的速率最高值V0行驶，反之以安全速度V行驶。

当前列车前方存在列车时，当前列车从直道进入弯道，如图9所示，前方列车开始遮挡当前列车右侧的激光脉冲即激光测距仪C所发出的激光脉冲，此时A-A1<B-B1且C-C1<B-B1；当两车靠近时，如图10所示，前方列车遮挡激光测距仪C和B所发出的激光脉冲，此时A-A1<B-B1且C-C1<B-B1；当两车进一步靠近时，如图11所示，前方列车遮挡激光测距仪C、B和A所发出的激光脉冲，此时A-A1>B-B1>C-C1。如图12所示，当前列车在弯道中时，前方列车遮挡激光测距仪C、B和A所发出的激光脉冲。

根据上述四种情况可知，三个激光测距仪对应的测距距离未按照弯道方向依次增大(依次增大是指：A-A1<B-B1<C-C1)，则将距离最小值作为测距结果Z。然后数据处理分析模块继续计算当前列车的安全速度V，对比安全速度V与隧道的速率最高值V0，安全速度V大，则当前列车以隧道的速率最高值V0行驶，反之以安全速度V行驶。

(2)隧道外弯道

当前列车在隧道外即开阔地带弯道运行时，由于没有隧道壁遮挡，则激光测距方式与隧道中不同。

若每个激光测距仪未得到测距结果，即当前列车前方没有障碍物时，当前列车以所处弯道的弯道安全速度行驶，该情况与单轨道弯道的计算方法相同，请参考上文。若至少一个激光测距仪得到与前方障碍物之间的距离，则将该距离中的最小值作为测距结果Z。然后根据预设制动速度a0和测距结果Z计算当前列车的安全速度V。数据处理分析模块对比安全速度V与弯道的速率最高值V0，若安全速度V大，则当前列车以弯道的速率最高值V0行驶，反之以安全速度V行驶。

如图11与图12所示，每个激光测距仪与前方障碍物之间的距离按照当前列车所处弯道方向依次减小，则将距离最小值作为测距结果，即距离C-C1最小此时当前列车前方有列车。然后数据处理分析模块根据上文计算安全速度V，请参考上文，在此不再赘述。

2)多轨道弯道，以双轨道为例。

(1)临道无车且本道有车时，以每个激光测距仪与前方列车之间的距离中的最小值作为测距结果Z。然后数据处理分析模块根据上文计算安全速度V，请参考上文，在此不再赘述。

(2)若临道有车且本道有车时，如图13所示，以与本道内前方列车之间距离的最小值作为测距结果Z。然后数据处理分析模块根据上文计算安全速度V，请参考上文，在此不再赘述。

(3)若临道有车且本道无车时，以所有距离中的最小值作为测距结果Z。然后数据处理分析模块根据上文计算安全速度V，请参考上文，在此不再赘述。

上述各种情况，当测距结果Z小于两车安全距离时，则数据处理分析模块生成声光报警控制信号。

可选地，当声光报警模块接收到上述声光报警控制信号时进行声光报警，提示司机人机减速或者制动，从而避免碰撞追尾事故的发生。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。