本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种适用于低密度铁路的列车运行控制系统。
背景技术
我国西部及边远等地区建设的服务国防功能和区域经济协调发展的广域低密度铁路网，呈现常态低强度、短期高强度、特殊时期高冲击性的运能需求以及高寒地带维护人员可达性差等特征，需要一种安全可靠，建设与维护成本低，同时能满足动态运输需求的列车运行控制系统。
目前，中国列车运行控制系统(ctcs)立足于中国铁路的实际运营情况，以分级形式满足不同线路运输需求的技术规范，在保证中国铁路行车安全的前提下，提高铁路运输效率。其中适用于高速铁路的ctcs-2级和ctcs-3级列控系统技术处于世界先进行列，能够保证列车的高效与安全运行，但系统实体设备众多，建设运维成本高，无法适应低密度铁路低成本、少维护的运营需求。而目前低密度普速铁路主要使用的ctcs-0级系统，是铁路信号专业长期发展形成的一套技术安全保障系统，由通用机车信号和列车运行监控记录装置(lkj)构成，但安全等级未达到sil4级，且仅能够适用于160km/h时速下的固定闭塞方式控车，运行效率较低，无法满足低密度铁路日益增长的客、货运量需求。
应用于青藏线的美国ge公司的itcs系统，采用了gps定位和gsm-r无线通信，以及虚拟自动闭塞等技术，轨旁设备简单，适合条件艰苦地区，但由于系统设计针对当时运输需求，在列车定位精度、系统可靠性、与我国ctcs列控体系兼容性方面均有欠缺，难以适应日益增长的线路运量需求。
此外，以欧洲铁路行业协会(unife)下一代列车控制系统(nextgenerationoftraincontrolsystem，ngtc)和美国联邦铁路管理局(fra)指定的ptc列控系统为代表的，基于卫星导航定位、无线通信技术的列控系统。其中，欧洲ngtc项目中，基于卫星导航的列车定位技术、基于ip的无线车-地通信技术和支持更短运行间隔的移动闭塞技术、自动驾驶(ato)等是研究的重点。美国的ptc系统是地面设中心控制服务器，车载具有gps卫星定位功能，车载设备将位置信息发送给地面服务器，地面服务器为列车计算移动授权。但是，欧洲的ngtc和美国的ptc列控系统的列车定位完全依赖卫星导航，未能融合惯性导航、测速测距等其他技术手段，可靠性和定位精度均有不足。轨旁设备较以往系统大幅减少，但其整体设计和理念与我国ctcs体系不兼容，无法实现系统间的互联互通。
另外，国内某些研究机构及轨道交通设备供应商提出了以列车为中心的，基于卫星导航的列控系统，借鉴城市轨道交通理念，减少轨旁及地面设备配置，由车载设备通过目标控制器直接操作道岔、信号机等设备，保证车站内各安全设备间的联锁关系。但是，这类技术方案未充分考虑国铁与城市轨道交通在运行场景与环境、列车运行时速、车站内线路复杂度等方面的差别，不能完全满足国铁路网互联互通、运行环境多样复杂、运行时速跨越空间大及车站联锁关系复杂等需求，缺乏备用模式，系统可用性和可靠性存在欠缺。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种适用于低密度铁路的列车运行控制系统，其具有成本低、安全、可靠、高效的优点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种适用于低密度铁路的列车运行控制系统，包括：地面设备与车载设备；所述车载设备包括：定位单元、移动授权计算单元、列车接口单元、自动驾驶单元、通信单元、车载安全计算机、dmi以及完整性检查单元；
所述通信单元，通过支持多通道与多模式的无线通信网络实现车载设备与地面设备以及其他列车中车载设备的数据通信；
所述定位单元，基于卫星信号、地面应答器和/或车载传感器采集的数据获得列车位置与速度；
所述完整性检查单元，根据列车两端的位置信息或者列车两端的姿态和运动轨迹，实现列车的完整性检查；
所述移动授权计算单元，根据列车位置与速度、列车的完整性信息、以及通过通信单元接收的前方列车的相关信息，计算基于移动闭塞的移动授权及与之适应的行车速度曲线；
自动驾驶单元，根据移动授权计算单元计算的移动授权，在车载主动安全防护技术的约束下，结合列车的各类传感器获取的列车自身状态信息和外部环境信息通过列车接口单元，向列车发出相应等级的牵引与制动命令，并实时监测列车执行反馈，列车运行情况则通过dmi显示。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，基于无线通信及多源信息融合的定位技术的列车运行控制系统，通过多承载通道的无线通信实现车－地间、车-车间的列车位置、列车速度、线路数据、限速命令等信息的传输，由车载设备完成定位和完整性检查，车载设备和地面设备协同完成列车占用检查，由列车自主计算移动授权并自动驾驶，从而实现一套适用于低密度铁路低成本、安全、可靠、高效的列车运行控制系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
图1为本发明实施例提供的一种适用于低密度铁路的列车运行控制系统的示意图；
图2为本发明实施例提供的定位单元的示意图；
图3为本发明实施例提供的系统通信方案示意图；
图4为本发明实施例提供的完整性检查过程示意图；
图5为本发明实施例提供的基于车车通信的列车主动安全防护技术的示意图；
图6为本发明实施例提供的移动授权计算过程示意图；
图7为本发明实施例提供的自动驾驶技术实现过程示意图；
图8为本发明实施例提供的系统功能结构图。
具体实施方式
下面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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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他实施例，都属于本发明的保护范围。
目前低密度铁路绝大部分采用ctcs-0级系统，是铁路信号专业长期发展形成的一套技术安全保障系统，由通用机车信号和列车运行监控记录装置(lkj)构成。lkj设备在机车长交路大面积运用、机车调配频繁、既有线路数据变化及施工改造频繁等现实情况下，运营中存在一些安全隐患。
青藏铁路格拉段采用的美国ge公司的itcs系统，仅支持站间固定闭塞运行模式，运输效率低，完全基于gps卫星导航，定位误差大，导致占用过长的车站股道长度作为安全缓冲区，年影响近30万吨运量。同时系统设计与我国ctcs系统不能互联互通，无法实现机车的有效利用。
综上所述，我国当前运营的低密度铁路大部分仅支持固定闭塞或半自动闭塞的行车模式，运输效率难以适应突发的高运量需求，加之线路大多处于西部及边远地区，环境恶劣，区间布置的轨旁设备(如轨道电路等)建设与维护成本高，同时列车运行的安全过分依赖地面信号设备保障，如地面设备出现故障或失效，将极大影响行车效率和安全性。
与此同时，国外铁路先进国家高度重视低密度路网列车运行控制新技术的研究。因此，迫切需要针对低密度路网的运输组织、列车运行控制和综合保障展开研究，并在关键技术研究的基础上形成完全自主知识产权的全套核心装备，实现创新性突破，确保我国在此领域占据技术制高点和持续先进，为国家战略提供技术支撑。
为此，本发明实施例提供一种适用于低密度铁路的列车运行控制系统(简称ctcs-4d列控系统)，其基于无线通信及多源信息融合的定位技术的列车运行控制系统，通过多承载通道的无线通信实现车－地间、车-车间的列车位置、列车速度、线路数据、限速命令等信息的传输，由车载设备完成定位和完整性检查，车载设备和地面设备协同完成列车占用检查，由列车自主计算移动授权并自动驾驶，从而实现一套适用于低密度铁路低成本、安全、可靠、高效的列车运行控制系统。
目前尚未形成整套适用于低密度铁路的列车控制系统。ctcs-4d级列控系统很好的填补ctcs列控系统的，提高了低密度铁路运行的效率和安全性，应用在新建和既有低密度线路，是十分必要的。
首先，ctcs-4d级列控系统提升了铁路运输的安全保障。改变了既有过分依赖地面信号设备保障行车安全的理念，通过基于车车通信的列车自动驾驶与主动安全防护，实现了“调度指挥中心化，安全控制分散化”；此外，通过基于卫星导航的融合列车定位等技术，在降低建设、运维成本的同时，实现了支持车车紧密追踪的移动闭塞运行模式，大幅提升了既有低密度铁路的运输能力。
其次，ctcs-4d级列控系统作为ctcs技术体系一个重要环节，将对扩展ctcs技术体系，推动我国低密度铁路技术装备水平现代化，为运输提供安全、经济、适用的技术保障起到重要作用。
再次，ctcs-4d级列控系统必将开发与完善具有自主知识产权的ctcs列控系统安全平台，ctcs-4d列控系统中先进的创新性技术，也可以在ctcs列控系统全等级得到进一步的推广与应用。
此外，在经济效益方面，研制的低成本、少维护运控系统能在我国万亿级低密度、低密度铁路中推广应用，促进我国铁路产业链的持续健康快速发展。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种适用于低密度铁路的列车运行控制系统的示意图，其主要包括：地面设备与车载设备；
所述车载设备包括：定位单元、移动授权计算单元、列车接口单元、自动驾驶单元、通信单元、车载安全计算机、dmi以及完整性检查单元；
所述通信单元，通过支持多通道与多模式的无线通信网络实现车载设备与地面设备以及其他列车中车载设备的数据通信；
所述定位单元，基于卫星信号、地面应答器和/或车载传感器采集的数据获得列车位置与速度；
所述完整性检查单元，根据列车两端的位置信息或者列车两端的姿态和运动轨迹，实现列车的完整性检查；
所述移动授权计算单元，根据列车位置与速度、列车的完整性信息、以及通过通信单元接收的前方列车的相关信息，计算基于移动闭塞的移动授权及与之适应的行车速度曲线；
自动驾驶单元，根据移动授权计算单元计算的移动授权，在车载主动安全防护技术的约束下，结合列车的各类传感器获取的列车自身状态信息和外部环境信息通过列车接口单元，向列车发出相应等级的牵引与制动命令，并实时监测列车执行反馈，列车运行情况则通过dmi显示。
本领域技术人员可以理解，地面设备包含了安装在地面上的所有必要设备。车载设备安装在各列车上，各列车上所安装的车载设备均相同。
本发明实施例提供的上述ctcs-4d级列控系统的关键技术包括列车定位技术，系统通信技术，列车完整性检查技术，基于车车通信的列车主动安全防护技术，移动授权计算技术和自动驾驶技术。下面结合上述ctcs-4d级列控系统各个单元对各个关键技术进行详细的介绍。
1、定位单元。
定位单元主要用于列车定位，确定列车实时位置与速度信息。
列车定位主要通过多传感器融合及安全校验生成，在卫星信号可用时，主要利用卫星定位，结合车载测速测距单元，地面应答器，通过多传感器融合校验技术，可以大幅提高列车定位精度，确保列车定位的可靠性，并实现对虚拟和错误卫星信号的甄别；在卫星信号不稳定或无法覆盖地区，如隧道、山区峡谷、车站等，主要依靠车载测速测距单元、车载惯导单元，结合合理部署的卫星信号增益设备、地面应答器提供有效的补充，实现安全定位，确保系统的可靠性和可用性。
如图2所示，定位单元主要包括：卫星定位单元、测速测距单元、车载惯导单元及电子地图。
在卫星信号可用时，利用卫星定位单元获得的定位信息(利用北斗、gps等定位卫星实现高精度的卫星定位)结合测速测距单元以及存储的电子地图自主计算列车速度及位置，并通过地面应答器校准；
车载惯导单元可有效提高卫星导航定位精度和输出频率，并在短时间或者短距离卫星信号丢失时确保定位精度；当系数初始运行或者卫星信号不可用(如隧道、山区、峡谷等)时，利用测速测距单元、车载惯导单元以及地面部署的卫星信号增强设备提高卫星定位可靠性，并利用地面应答器内线路信息校准列车位置信息，保证定位精度。
2、通信单元。
本发明实施例中，通信单元可以通过支持多通道与多模式的无线通信网络，实现车载设备与地面设备以及其他列车中车载设备的数据通信。
本发明实施例中，支持多通道与多模式的无线通信网络可以由地面无线网络(如gsm-r、lte-r或公网等)和卫星通信网络组成。
系统通信方案如图3所示，通过支持多通道与多模式的无线通信网络，不仅可以实现实现车载设备与地面设备以及其他列车中车载设备的数据通信，还可以实现地面设备中的调度中心(即图1中的智能调度中心)与车站设备，以及列车的车头与车尾之间的数据通信。
具体到车载设备中的通信单元，其主要包括：无线通信单元与轨旁通信单元；
1)所述轨旁通信单元，实现与地面应答器的通信，接收地面应答器发送的定位信息和线路数据；
2)所述无线通信单元，通过支持多通道与多模式的无线通信网络实现车载设备与地面设备中的调度中心以及其他列车中车载设备的数据通信；
与调度中心数据通信时，向调度中心发送车号、速度和位置信息；接收调度中心发送的行车计划、临时限速、区间方向、进路信息、前方列车的车号、速度和位置、故障列车报警信息等；
与其他列车中车载设备的通信时，向后方列车发送本车速度与位置信息，同时接受前方列车发送的速度与位置信息。
此外，调度中心与车站设备数据通信时，交互进路和占用信息。列车的车头与车尾之间的数据通信时，通过分别设置在车头与车尾的通信模块实现，其交互各自的定位信息，同时车尾的通信模块还向车头的通信模块发送风压信息信息。
3、完整性检查单元
列车完整性检测主要依靠实时采集列车两端的定位信息，并通过车头车尾无线通信进行交互，采用安全计算机平台进行比较运算，从而获取列车的长度信息，并实时监测列车的完整性状态。
完整性检查过程如图4所示。在卫星信号可用时，根据获取的列车头部和尾部的位置信息(可以通过卫星导航系统数据，获取列车头部和尾部的位置)，通过运算后，获得列车长度，通过持续跟踪长度变化，获得列车的完整性信息；并可以通过多个星座(如gps、北斗、glonass、伽利略等)的卫星导航数据，以及惯性导航数据融合的方法来提升性能。在卫星信号不可用时，通过获取列车头部和尾部的惯性导航传感器的数据(如加速度、角速度、磁偏角等)，持续跟踪列车两端的姿态和运动轨迹，利用时间轴偏移分析和车载电子地图校验，识别列车的完整性信息。在上述完整性监测过程中，持续采集制动风管的风压，并进行数据融合，在进一步提升可靠性的同时，也有助于实时掌握列车制动性能。
4、基于车车通信的列车主动安全防护技术
基于车车通信的列车主动安全防护技术为基于位置信息融合的可动态配置列车追踪间隔控制系统运行安全提供基础性保障。正常运行条件下，前车的位置、速度等信息可通过卫星通信链路，从地面设备中的调度中心获得。同时，作为卫星通信链路的必要补充手段，前车的位置、速度等信息通过车车通信直接获得。
如图5所示，为基于车车通信的列车主动安全防护技术的示意图；相同线路与相同运行方向的相邻列车之间通过各自车载设备中的通信单元建立通信连接，通信链路采用多模式，多信道通信融合应用设计，具备抗干扰能力强、通信速率高、实时响应快等技术特点，适用于我国西部和边远地区典型低密度铁路网线路条件下列车运营需求。
由各自车载设备中的移动授权计算单元实时计算移动授权，当出现相邻列车距离低于行车速度曲线要求时，触发相应等级制动。
5、移动授权计算单元
根据列车位置与速度、列车的完整性信息、以及通过通信单元接收的前方列车的相关信息(前方列车位置、速度，行车计划，车站进路信息、线路参数、临时限速、环境数据及车站进路信息)，计算基于移动闭塞的移动授权及与之适应的行车速度曲线；
移动授权计算过程如图6所示，具体的计算方式如下：将列车位置与速度结合车载电子地图，并结合通过通信单元接收的来自调度中心的前方列车的相关信息，计算终点为前车尾部位置的移动授权，或者计算终点为前车安全距离的移动授权；所述前车安全距离为前车车尾位置+最小刹车位置+安全余量；其中，计算终点为前车安全距离的移动授权的这一方案可以进一步提缩短列车运行间隔，提高运行效率。
6、自动驾驶单元。
如图7所示，自动驾驶单元，根据移动授权计算单元计算的移动授权，在车载主动安全防护技术的约束下，结合列车的各类传感器(如速度传感器、列车完整性检测单元、摄像头、雷达等)获取的列车自身状态信息(列车位置、速度与完整性信息)和外部环境信息(前方障碍物、线路环境、天气预报与灾害预警)通过列车接口单元，向列车发出相应等级的牵引与制动命令，并实时监测列车执行反馈，列车运行情况则通过dmi显示。
以上为针对ctcs-4d级列控系统的相关单元及相关关键技术的介绍。如图8所示，上述ctcs-4d级列控系统从功能上可划分为智能调度，列车间隔控制，车站进路控制，智能运维等4大单元。其中：1)智能调度是根据客货流的性质及其流量、流向、可预知性、持续时间方面的需求特性，结合运输资源条件，通过多级运输组织模式的优化设计与动态切换、运能瓶颈识别、列车追踪间隔动态配置优化、列车运行调整优化以及智能调度信息交互等技术，实现对运输需求的快速、智能响应功能，这部分功能通过图1中的智能调度中心实现。2)列车间隔控制这一部分也即上文介绍的各项关键技术。3)列控系统一般可分为区间控制和车站控制两部分，车站进路控制是针对车站功能的，后文的场景描述中“3、列车进出站场景”有相关介绍。4)智能运维是结合多模式的通信技术，具备基于增量自学习等人工智能技术的故障根源搜索、故障推理演绎、故障处所动态定位、故障识别等功能，能够实现对影响行车和运营的运控、通信和定位等关键设备进行故障智能诊断定位、预警分析和运维决策，这部分功能通过图1中的智能运维中心实现。
下面结合具体的运行场景来对上述ctcs-4d级列控系统进行介绍。
1、列车注册与注销
车载设备启动后，向调度中心注册，报告位置，下载电子地图。调度中心向车载设备发送前车的地址、位置信息及运行计划等。
列车运行至计划终点后，主动向调度中心发送注销请求，调度中心根据列车请求注销该车，并更新全线列车运行序列。
2、区间运行场景
列车根据移动授权计算方案的不同，可在以下两种模式运行：
模式1：车载设备根据调度中心发送的前车位置，按照前车尾部位置，计算本车的移动授权，控制列车运行。
模式2：车载设备根据调度中心发送的前车地址，与前车建立通信，接收前车的位置、速度信息，按照前车尾部位置，以更紧密的追踪方式计算本车的移动授权，控制列车运行。
3、列车进出站场景
在列车接近车站时，车载设备主动与车站一体化设备建立通信，并发送进路请求，车站一体设备根据列车发来的进路请求，与调度中心下达的进路命令校验核对无误后，操作道岔和信号机等按照联锁关系办理进路，同时将进路状态发送至车载设备，车载设备再据此计算、延伸移动授权，自动驾驶列车驶入车站并停车。
列车驶离车站后，车站一体化设备出清进路后，操作道岔和信号机等按照联锁关系解锁进路，同时上报调度中心操作结果。
4、隧道及山区场景
在山区等卫星信号弱地区，利用惯性导航单元、车载测速测距单元及合理布置应答器提高定位精度。
5、系统发生任何故障
智能运维中心快速诊断故障并提供恢复方案，保证系统尽快恢复正常运行。
本发明实施例上述方案提供的解决了目前列控系统存在的问题，主要目的有以下几点：提升线路运输效率，持续保障系统能力，提高系统的可靠性和安全性，适用于新建和既有的低密度线路，具有重要意义：
1、有效提升低密度铁路运输的效率，满足铁路当前需求与未来发展，服务国家战略。
2、在保证列车运行的安全性和可靠性前提下，降低系统复杂度和建设、运维成本。
3、扩展ctcs技术体系，形成一系列新的技术标准，引领世界铁路发展。
4、开发与完善具有自主知识产权的ctcs-4d列控系统创新性技术和安全平台，并将其推广至整个ctcs体系，进一步提升我国铁路总体技术装备水平。
其中高可靠性与高安全性主要通过以下设计实现：
1)基于卫星、地面、车载多来源信息融合的定位技术；
2)基于多通道、多模式协同的通信技术；
3)基于车车通信的列车主动安全防护功能；
4)安全计算机平台技术及全套系统关键设备冗余热备。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求书的保护范围为准。