基于多制动方式的虚拟编组单元列车防护控制方法及系统

1.本发明涉及轨道交通信号安全防护相关技术领域，更具体的说是涉及一种基于多制动方式的虚拟编组单元列车防护控制方法及系统。


背景技术：

2.随着我国国民经济发展和城镇化建设步伐的加快，轨道交通得到了快速发展。为了最大程度提升轨道交通的运输能力，实现根据客流情况灵活调度列车运行情况，有效利用轨道和车辆资源，减少高峰期的乘客等待和平低峰期的车辆空驶，列车虚拟编组运行方式成为当前轨道交通研究热点。
3.虚拟编组列车是由两个及以上单元列车以不依赖物理车钩连接方式而集结形成的车列。单元列车是虚拟编组列车的基本组成单元，是具有独立的牵引、制动和载客运行能力，并可按计划与其他单元列车以虚拟编组方式运行的最小固定编组车列。虚拟编组列车内的单元列车间通过无线通信方式交互信息，并通过对车辆牵引/制动等系统的主动控制，实现单元列车以小间距、稳定队形的方式安全运行。在城市轨道交通研究中，根据站台设计和车辆配置方式，由两个单元列车构成一个虚拟编组列车的方式成为首选方案，但要求单元列车间必须在保证安全(避免单元列车相撞)的前提下最大程度缩短追踪间距(单元列车间最小安全距离应与物理连挂的列车接近，例如米级)。
4.传统基于第一车瞬时停车假设的移动闭塞列车防护方式已无法满足虚拟编组单元列车小间距安全追踪的要求，必须采用基于相对制动的防护控制方式(俗称“撞软墙”安全防护)。在既有的“撞软墙”安全防护方式中，考虑到列车运行状态的不确定性，为避免追踪列车相撞，目前可实现列车最小追踪间距的安全防护控制方法中，将第一车实施最大制动作为计算其未来运行轨迹的依据。同时，车辆将紧急制动作为第二车能够提供最大制动率的制动方式。第二车根据其当前状态，计算其输出紧急制动后可能的运行轨迹，从而根据预测的自身轨迹和第一车轨迹的关系，确定与第一车必须保持的最小安全间距。
5.考虑到列车实施紧急制动过程中可能存在干扰、紧急制动系统本身存在不确定性等，为保证安全，计算第一车运行轨迹时采用考虑偏差后最大可能的制动率，计算第二车运行轨迹时则考虑最不利条件下、考虑偏差后紧急制动仍能保证的最小制动率。因此，在两个原本配置基本一致的列车追踪运行时，计算两车最小安全间距所使用的第二车制动率会小于第一车(制动偏差的影响)，从而使列车最小安全间距增大(与不考虑紧急制动率偏差时的理想情况相比)。根据实际城轨列车情况，紧急制动率的偏差通常在10％以上，因此该处理方式对列车最小安全间距的影响较大。由于目前列车的紧急制动率偏差既无法避免、也没有较好的手段进一步减小该偏差，因此，轨道交通行业对于如何将虚拟编组单元列车的最小安全间距缩短至理想的程度(米级)尚无解决方案。
6.因此如何实现虚拟编组单元列车的小间距安全追踪运行是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提供了一种基于多制动方式的虚拟编组单元列车防护控制方法及系统，用于实现虚拟编组单元列车的小间距安全追踪运行。
8.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.一种基于多制动方式的虚拟编组单元列车防护控制方法，具体步骤为：
10.判断任意两车是否组成虚拟编组方式运行，根据判断结果，设定任意两车的初始制动方式；
11.若任意两车组成虚拟编组方式运行，第二车实时监测第一车的运行状态以及任意两车间的实际距离，当第一车以非初始制动方式制动时，基于第二车的不同制动方式，按照撞软墙原则计算任意两车的最小安全间距；
12.基于任意两车间的实际距离以及第二车的不同制动方式下任意两车的最小安全间距之间的关系，确定第二车的制动方式以及相关配置数据，同时判断是否继续组成虚拟编组方式运行。
13.可选的，根据判断结果，设定任意两车的初始制动方式，具体为：
14.当任意两车组成虚拟编组方式运行，任意两车的初始制动方式为：第一车采用快速制动方式，第二车采用紧急制动方式；
15.当任意两车不组成虚拟编组方式运行，任意两车的初始制动方式为：任意两车的制动方式均为紧急制动方式。
16.可选的，第二车的不同制动方式包括紧急制动方式、紧急制动叠加磁轨制动方式。
17.可选的，第二车的制动方式为紧急制动方式时，任意两车的最小安全间距为：
18.d2＝f2(v1,v2,a'1,a2)；
19.式中，v1为当前时刻第一车的运行速度；v2为当前时刻第二车的运行速度；a'1为第一车紧急制动减速度；a2为第二车紧急制动减速度。
20.可选的，第二车的制动方式为紧急制动叠加磁轨制动方式时，任意两车的最小安全间距为：
21.d3＝f3(v1,v2,a'1,a2+a3)；
22.式中，v1为当前时刻第一车的运行速度；v2为当前时刻第二车的运行速度；a'1为第一车紧急制动减速度；a2为第二车紧急制动减速度；a3为第二车磁轨制动减速度。
23.可选的，确定第二车的制动方式的具体步骤为：
24.当任意两车间的实际距离大于任意两车的最小安全间距d2时，第二车的制动方式采用紧急制动方式，继续以虚拟编组方式运行；
25.当任意两车间的实际距离小于等于任意两车的最小安全间距d2，且大于任意两车的最小安全间距d3时，第二车的制动方式采用紧急制动方式，并实时监督制动过程，若出现撞车危险时，采用紧急制动叠加磁轨制动方式，并退出虚拟编组方式运行；
26.当任意两车间的实际距离小于任意两车的最小安全间距d3时，第二车的制动方式采用紧急制动叠加磁轨制动方式，并退出虚拟编组方式运行。
27.可选的，磁轨制动的减速度按照下式进行配置：
28.29.式中，v1为当前时刻第一车的运行速度；v2为当前时刻第二车的运行速度；a'1为第一车紧急制动减速度；a2为第二车紧急制动减速度；d1为初始制动方式中任意两车的最小安全间距。
30.一种基于多制动方式的虚拟编组单元列车防护控制系统，包括：列控系统、第一继电器、第二继电器、第三继电器、快速制动回路、紧急制动回路、磁轨制动回路以及车辆制动系统；
31.列控系统通过第一控制信号控制第一继电器，完成对紧急制动回路或快速制动回路的选择；
32.列控系统通过第二控制信号控制第二继电器，实现对是否输出防护制动命令的控制；
33.列控系统通过第三控制信号控制第三继电器，实现对磁轨制动回路的通断控制。
34.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种基于多制动方式的虚拟编组单元列车防护控制方法及系统，具有以下有益效果：
35.1.突破了列控系统仅依靠紧急制动作为防护控制唯一手段的限制，通过在不同的场景下选择合适的安全防护控制手段，实现虚拟编组单元列车的小间距安全追踪；
36.2.在前车故障等情况下意外输出紧急制动时，后车可以根据前后车的实际情况采用紧急制动或者紧急制动叠加磁轨制动的防护控制方式，仍可以在小间距运行条件下保证虚拟编组单元列车追踪安全；
37.3.在保证追踪安全的前提下，尽可能减少了对磁轨制动的使用，从而在保证安全的前提下避免了磁轨制动对轮轨状态的损伤，同时在使用磁轨制动时可及时记录并汇报相应的列车和地点，既能够满足安全行车需求，对轨道交通系统维护检修的需求增加也不大；
38.4.本发明还提出了快速制动和磁轨制动的制动率配置方案，可根据最小安全间距的预期值计算获得快速制动和磁轨制动加速度值的配置方式。
附图说明
39.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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
40.图1为本发明的方法流程示意图；
41.图2为本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
42.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他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.实施例1
44.本发明实施例公开了一种基于多制动方式的虚拟编组单元列车防护控制方法，步
骤如图1所示，具体为：
45.步骤1、判断任意两车是否组成虚拟编组方式运行，根据判断结果，设定任意两车的初始制动方式；
46.其判断过程为：
47.1)在未组成虚拟编组时，两列车独立运行(为便于描述，下文按照列车运行方向，将位于前方的独立列车称为列车一、位于后方的独立列车称为列车二)，atp选择两列车的防护制动方式均为紧急制动(列车的默认防护制动方式)，即：列车输出防护制动命令时将采用紧急制动方式。此时，列车最小安全间距的计算方式与传统基于相对速度的防护控制方式一致，即：两车最小安全间距的计算方式为：
48.d0＝f0(v1,v2,a'1,a2)
ꢀꢀ
(1)；
49.式中，v1为当前时刻列车一的运行速度；v2为当前时刻列车二的运行速度；a'1为列车一的紧急制动减速度(考虑偏差后的最大减速度)；a2为列车二紧急制动减速度(考虑偏差后的最小减速度)；f0()为根据前后车速度和加速度信息计算两车最小安全间距的函数关系，本实施例中的方案与函数的具体形式无关，列车安全防护原则不受函数的具体形式影响。
50.2)在两列车形成一个虚拟编组列车时(为便于描述，下文将构成虚拟编组列车的两个列车分别称为两个单元列车，并按照列车运行方向，将位于前方的单元列车称为“前车”、位于后方的单元列车称为“后车”)，两单元列车上的atp系统分别根据该列车在虚拟编组列车中的位置顺序对单元列车输出防护制动时默认采取的实际制动方式进行配置，规则为：前车采用快速制动方式、后车采用紧急制动方式。在虚拟编组运行过程中，正常情况下，两车将保持该方式作为防护制动的方式。
51.3)在退出虚拟编组运行时(将变为列车独立运行方式)，列车先停车并在保证安全的前提下，atp将列车输出防护制动时默认采取的实际制动方式恢复为默认值，即两车均采用紧急制动作为防护制动的控制方式。
52.由此可见，本实施例中的虚拟编组单元列车间保持高频率、高可靠、实时信息交互，交互内容包括前/后车的位置、速度、输出防护制动时的具体制动方式、当前是否实施制动以及实际制动方式等内容；
53.在以虚拟编组列车方式运行时，前车根据快速制动的性能及其与前方障碍物的关系，按照传统移动闭塞原则计算最小安全距离。
54.步骤2、若是任意两车组成虚拟编组方式运行，第二车实时监测第一车的运行状态以及任意两车间的实际距离，当第一车以非初始制动方式制动时，基于第二车的不同防护制动方式，按照撞软墙原则计算任意两车的最小安全间距；可根据以下具体场景进行分析：
55.在以虚拟编组列车方式运行时，正常情况下(本实施例称为“场景一”)，后车根据本车的紧急制动性能和前车的快速制动性能，按照撞软墙原则计算两车的最小安全间距，即：两车最小安全间距的计算方式为：
56.d1＝f1(v1,v2,a1,a2)
ꢀꢀ
(2)；
57.式中，v1为当前时刻前车的运行速度；v2为当前时刻后车的运行速度；a1为前车快速制动减速度(考虑偏差后的最大减速度)；a2为后车紧急制动减速度(考虑偏差后的最小减速度)。由于前车采用了偏差较小的快速制动方式，并可将快速制动的制动率配置为小于
紧急制动率的值，因此与两车均采用紧急制动的方式相比，该场景下显然能够缩短单元列车追踪间距，即：存在d1＜d0。
58.根据正常情况下(场景一)想要达到的最小安全间距，对上述函数求取逆函数，即可获得考虑偏差后列车快速制动的制动率配置方式，即：
59.a1＝f
1-1
(v1,v2,a2,d1)
ꢀꢀ
(3)；
60.在虚拟编组运行过程中，后车持续监督前车的实时运行状态，如果由于故障等原因导致前车意外输出紧急制动时，为保证两单元列车追踪安全，后车根据以下方式计算最小安全间距(两车通信故障时后车也采用该方式计算最小安全间距以导向安全侧)：
61.后车先按照紧急制动作为其防护制动方式，根据前、后车的紧急制动性能(考虑偏差的影响)，按照撞软墙原则计算两车的最小安全间距d2，即：
62.d2＝f2(v1,v2,a'1,a2)
ꢀꢀ
(4)；
63.式中，v1为当前时刻前车的运行速度；v2为当前时刻后车的运行速度；a'1为前车紧急制动减速度(考虑偏差后的最大减速度)；a2为后车紧急制动减速度(考虑偏差后的最小减速度)。
64.后车再按照紧急制动叠加磁轨制动作为防护制动方式，根据前车紧急制动性能、后车紧急制动+磁轨制动的整体性能，按照撞软墙原则计算两车的最小安全间距d3，即
65.d3＝f3(v1,v2,a'1,a2+a3)
ꢀꢀ
(5)；
66.式中，v1为当前时刻前车的运行速度；v2为当前时刻后车的运行速度；a'1为前车紧急制动减速度(考虑偏差后的最大减速度)；a2为后车紧急制动减速度(考虑偏差后的最小减速度)；a3为磁轨制动减速度(考虑偏差后的最小减速度)。由于增加了磁轨制动后的列车制动率比纯紧急制动时更大，所以列车制动距离一定会缩短，即，显然存在d3＜d2。
67.步骤3、基于任意两车间的实际距离以及第二车的不同防护制动方式下任意两车的最小安全间距之间的关系，确定第二车的防护制动方式以及配置数据，同时判断是否继续组成虚拟编组方式运行。
68.具体为：
69.1)如果(本实施例称为“场景二”)，则后车采用紧急制动作为其防护制动的具体实施方式，且当前后车不需要实施防护制动，可保证两车追踪安全；
70.2)如果(本实施例称为“场景三”)，则后车采用紧急制动作为其防护制动的具体实施方式，并立即输出防护制动使列车减速至停车，以保证行车安全。后车实时监督其制动过程，如果能够安全停车则不采取额外措施，如果发现仅靠紧急制动措施不足以避免撞车危险，则转入场景四，同时输出磁轨制动以避免列车相撞。
71.3)如果(本实施例称为“场景四”)，则后车采用紧急制动+磁轨制动作为其防护制动的具体实施方式，并立即输出防护制动使列车减速至停车，从而最大程度避免列车相撞风险。
72.值得说明的是：1)由于实施磁轨制动可能对轨道造成一定的损伤，此时atp记录该事件并向司机和调度员报警，便于对实施磁轨制动处的轨道和车辆进行及时维修检查。但与传统仅采用紧急制动的方式相比，采用磁轨制动作为辅助制动手段的方式可极大减少列车相撞风险，因此虽存在损伤轮轨的风险，但该风险远小于列车相撞的风险，因此仍然是较
好的选择；2)由于在进入该场景前列车处于正常场景且可保证安全，即满足从而实际中进入该场景的前提要求满足因此，只要合理配置快速制动或者磁轨制动的制动率，例如，只要将磁轨制动的减速度按照下式进行配置：
[0073][0074]
即可使得d3≤d1，就可以避免该危险场景的发生，从而可保证虚拟编组单元单元列车小间距追踪的安全性。
[0075]
在另一实施例中还包括一种基于多制动方式的虚拟编组单元列车防护控制系统，包括：列控系统、第一继电器、第二继电器、第三继电器、快速制动回路、紧急制动回路、磁轨制动回路以及车辆制动系统；
[0076]
列控系统通过第一控制信号控制第一继电器，完成对紧急制动回路或快速制动回路的选择；列控系统通过第二控制信号控制第二继电器，实现对是否输出防护制动命令的控制；列控系统通过第三控制信号控制第三继电器，实现对磁轨制动回路的通断控制。
[0077]
本实施例中采用在传统车辆紧急制动的基础上，为车辆上增加安装轨道电磁制动(简称“磁轨制动”)设备，作为防护制动可使用的、不依赖轮轨关系的辅助制动设备。
[0078]
本实施例在列车紧急制动控制回路中增加一个可受atp控制的继电器(有两种输出状态)，在继电器的两个输出节点中，一侧接紧急制动，另一侧则接快速制动。从而在列车需要输出防护制动时，具体实施的制动方式可受atp控制，在紧急制动和快速制动之间进行切换，避免列车实施非预期的紧急制动影响列车安全追踪间距。
[0079]
本实施例在atp与车辆接口中，除了增加上述继电器用以实现车辆制动方式在紧急制动和快速制动的切换选择外，新增atp对磁轨制动的控制继电器。
[0080]
因受车辆制动系统工作原理影响，在列车实施紧急制动时将自动切除快速制动(即紧急制动和快速制动不能共存)；而磁轨制动作为一种独立的制动方式，可与紧急制动或常用制动共同作用于列车。因此，理论上atp对列车制动的控制方式将包括以下几种：不输出制动、输出快速制动、输出紧急制动、输出磁轨制动、输出快速制动+磁轨制动、输出紧急制动+快速制动；因此根据上述条件，可以设计基于多制动方式组合的虚拟编组单元列车安全防护控制方法。
[0081]
其工作原理具体为：如图2所示，atp通过控制信号1控制继电器a，实现对列车输出正常防护制动命令(包括atp输出或者车辆由于自身原因而输出)时，车辆实际实施的是紧急制动还是快速制动的选择；atp通过控制信号2控制继电器b，实现对是否输出防护制动命令的控制(平时不输出防护制动，在atp认为危险时选择输出防护制动命令)；atp通过控制信号3控制继电器c，实现对磁轨制动的控制(平时不输出防护制动，在atp认为危险时选择输出磁轨制动命令)。
[0082]
实施例2
[0083]
在两列车未形成虚拟编组列车(即独立运行)时，两车的atp均将其防护制动方式配置为紧急制动，atp通过继电器a对列车输出制动后的回路进行选择，这种场景下应选择紧急制动回路。该场景下的最小安全间距按照两车的紧急制动率进行计算，本实施例中以最简单的列车制动过程模型为例进行说明，可以得到两车最小追踪间距
另外，本实施例中的设计原理与具体制动过程模型无关，根据实际情况替换相应的计算函数即可。
[0084]
在两车以虚拟编组方式正常运行时，前车的atp通过继电器a对列车输出制动后的方式选择为快速制动，并默认通过继电器a对列车输出制动后的方式选择为紧急制动。根据需要的最小追踪间距d1(常数)，可以得到前车快速制动加速度的配置值为：
[0085][0086]
其中，v1为前车的当前时刻速度；v2为后车的当前时刻速度；a1为前车快速制动减速度；a2为后车紧急制动减速度。
[0087]
在虚拟编组列车正常运行时，按照该快速制动的配置值，根据函数关系式可计算两车最小安全距离，即：
[0088][0089]
在前车因故障等原因意外输出紧急制动时，后车根据其紧急制动能力和紧急制动+磁轨制动的能力分别计算两种方式下所需要的最小安全距离，并根据当前实际距离与两种最小安全距离的关系决定atp的控制方式，具体为：
[0090]
(1)后车atp首先按照其紧急制动能力，计算该方式下的最小安全距离：
[0091]
(2)后车atp首先按照其紧急制动+磁轨制动能力，计算该方式下的最小安全距离：
[0092]
(3)atp根据对测量获得的两车实际间距分别与d2和d3进行比较，根据比较结果决定atp选择的防护制动配置方式，并输出必要的控制行为，如图1所示，具体如下：
[0093]
若则后车通过继电器a对列车输出制动后的方式选择为紧急制动，且当前不需要输出防护制动；
[0094]
若则后车通过继电器a对列车输出制动后的方式选择为紧急制动，并通过继电器b选择立即输出制动；
[0095]
若则后车通过继电器a对列车输出制动后的方式选择为紧急制动，并通过继电器b选择立即输出制动，同时通过继电器c选择同时输出磁轨制动，从而使列车以最快的方式停车。
[0096]
通过按照下式配置磁轨制动的制动率，可以满足尽可能少的使用磁轨制动：
[0097][0098]
综上，通过在不同场景下选择前后列车输出制动时的具体方式，可以实现虚拟编
组列车小间距追踪下的安全防护，并且可通过对快速制动率的配置，实现对虚拟编组单元列车目标最小安全间距的控制，进而通过对磁轨制动率的配置，可以仅最大可能避免实施磁轨制动的需求。
[0099]
按照前后列车运行速度均为22.22m/s,前车输出紧急制动时的最大制动率为1.5m/s/s，后车输出紧急制动时的最小制动率为1.3m/s/s，前车输出快速制动时的最大制动率为1.35m/s/s计算，可得
[0100][0101][0102]
显然，通过这种前车快速制动、后车紧急制动的配置方式，与前后两车均采用紧急制动方式相比，两车虚拟编组正常运行时的最小间距有一定缩小，具体缩小值为δd＝d
0-d1＝25.32-8.85＝16.47(m)，本实施例对于缩短虚拟编组列车追踪间距具有明显意义。
[0103]
本实施例为简化计算方式，实际列车安全防护模型比该模型更复杂，从而会使得独立运行时的最小安全间距(即d0的值)更大，而快速制动率配置值的可选范围很大，因此d1的值可基本保持在相同的数量级范围内，从而使该发明的效果更加显著。
[0104]
对于前车采用紧急制动，后车采用紧急制动+磁轨制动的方式与上述计算方式基本类似，可根据上述计算方式获得。
[0105]
综上所述，本实施例中车辆和列控系统设计时，将控制磁轨制动实施的电路和继电器采用故障-安全设计，并将不输出磁轨制动定义为安全侧，以避免列车误触发磁轨制动导致列车运行危险或者对轮轨造成损伤。
[0106]
本实施例突破了列控系统仅依靠紧急制动作为防护控制唯一手段的限制，提出了一种基于动态场景评估的虚拟编组单元列车协同安全防护控制方法，通过在不同的场景下选择合适的安全防护控制手段，实现虚拟编组单元列车的小间距安全追踪。
[0107]
本实施例中正常情况下，通过atp配置，使虚拟编组中的前车采用快速制动、后车采用紧急制动，即可保证虚拟编组运行安全，也可使单元列车间距小于目前公开的撞软墙列车安全防护控制方式，满足虚拟编组运行需求；通过计算可知，本发明相较于传统撞软墙安全防护方式的最小安全间距缩小量为：δd＝d
0-d1；其中，d1受配置的快速制动减速度影响。因此，只要按照配置合适的快速制动减速度值，就可以满足虚拟编组单元列车的小间距安全追踪的目的；在前车故障等情况下意外输出紧急制动时，后车可以根据前后车的实际情况采用紧急制动或者紧急制动叠加磁轨制动的防护控制方式，仍可以在小间距运行条件下保证虚拟编组单元列车追踪安全。
[0108]
本实施例在保证追踪安全的前提下，尽可能减少了对磁轨制动的使用，从而在保证安全的前提下避免了磁轨制动对轮轨状态的损伤。同时在使用磁轨制动时可及时记录并汇报相应的列车和地点，既能够满足安全行车需求，对轨道交通系统维护检修的需求增加也不大。
[0109]
本实施例为保证方案的实际可行性，同时提出了快速制动和磁轨制动的制动率配置方案，可根据最小安全间距的预期值计算获得快速制动和磁轨制动加速度值的配置方式。
[0110]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0111]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。