基于空间变换的列控系统移动授权安全防护方法与流程

本发明涉及列车运行控制技术领域，尤其涉及一种基于空间变换的列控系统移动授权安全防护方法。

背景技术：

列车运行控制系统是一套保证列车安全运行的控制系统，通过收集线路上列车当前的运行状态及线路客观条件，对列车运行速度进行监督、控制，使列车在线路上安全运行。MA(Movement Authority，移动授权)是在给定方向上特定列车能够进入的一系列线路轨道区段。MA的正确与否关系着列车是否能够在线路上进行安全运行的关键，因此MA计算功能是列车运行控制系统的核心功能。

在现有列车运行控制移动授权计算过程中，MA计算设备(目前为ZC设备或RBC设备)通过统计辖区内列车位置，遍历计算相应列车运行前方可能出现的障碍物，如前方列车进路信息、前方列车MA等，并将生成的MA信息发送给具有超速防护功能的设备(一般为车载设备)，超速防护设备根据MA信息计算列车的速度防护曲线，并保证列车按照既定曲线在MA终点前停车。

然而目前的MA计算方式依然存在以下缺陷：

MA计算并不能保证其功能实现的安全无误，不能对其结果进行安全验证；

目前的MA计算功能并不涉及列车的速度信息及制动状态信息，因此在运行过程中考虑到在最坏情况下及失效场景中可能导致列车不能在传统方式生成的MA终点之前停车。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了一种基于空间变换的列控系统移动授权安全防护方法，以实现有效地对生成的MA信息和列车轨迹进行安全验证。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于空间变换的列控系统移动授权安全防护方法，包括：

建立列控系统轨道区段及其包含的各元素的空间变换表达方法，基于所述空间变换表达方法建立移动授权安全防护的空间变换算法；

基于列车移动授权中的目标终点距离生成列车安全防护曲线，根据所述列车安全防护曲线建立列车轨迹的计算方法；

根据所述移动授权安全防护的空间变换算法对所述列车轨迹的计算方法和列车移动授权进行验证，根据验证结果确定所述列车轨迹和列车移动授权的安全性。

进一步地，所述的建立列控系统轨道区段及其包含的各元素的空间变换表达方法，包括：

使用一个6元组<a,b,id,ty,s,l>来表示铁路线路中的轨道区段，其中a与b表示轨道区段的起始、终止位置，id表示轨道区段所包含的基础设施编号，ty表示轨道区段所包含基础设施的类型，s表示轨道区段所包含基础设施状态，l表示轨道区段所包含基础设施的锁闭状态；

将铁路线路网络定义为一个度量空间(X,d_X)，对于任意的x,y∈X，函数d_X(x,y)的取值为：

其中是比空间中x与y之间任意距离都大的值，x与y相连接表示在一个特定的时间，铁路线路中的轨道区段能够从y到x；

定义了V1、V2两个空间，其定义如下：

定义1：若由列车运行控制算法计算出的移动授权MA为<u₀,u₁,u₂,……,u_n>的轨道区段序列，X1为包含MA中所有轨道区段单元的集合，为X1一个子集族，若满足下列条件，则称其为V1空间

1.1)空集属于空间的起始元素{u₀}属于且X1属于

1.2)若且u_i∈τ1,那么

定义2：α为列车在铁路线路度量空间中的当前位置，dir表示列车的前进方向，X2为列车轨迹中的包含的所有轨道区段单元，为X2一个子集族，若满足下列条件，则称其为V2空间；

2.1)空集属于X2

2.2)若d(α,u₀·a)+d(α,u₀·b)＝d(u₀·a,u₀·b),那么被称为空间的起始单元；

2.3)对于每个如果d(α,u_j·a)<L_g,dir×[d(u₀·b,u_j·a)-d(u₀·a,u_j·a)]>0且d(α,u_j·a)＝min{d(α,u_k·a):k∈I}，那么

进一步地，所述的轨道区段单元中各参数的取值见下述表1：

表1.

进一步地，所述的基于所述空间变换表达方法建立移动授权安全防护的空间变换算法，包括：

基于所述空间变换表达方法建立如下的四种移动授权安全防护的空间变换算法：

算法1：若为V1空间，u₀∈X是空间的起始单元，则存在一列列车，其位置α满足d(α,u₀·a)+d(α,u₀·b)＝d(u₀·a,u₀·b)；

算法2：若为V1空间，为V2空间，那么和安全则必须满足且

算法3：若为V1空间，为相关的V2空间，若V1、V2空间安全，则需满足Z_T上的是集合Z_T∩U的聚集，其中

算法4：若(X,τ₁)和(Y,τ₂)为不同列车的V1空间，那么当且仅当这两个空间不相交时整条铁路线路安全。

进一步地，所述的基于列车移动授权中的目标终点距离生成列车安全防护曲线，根据所述列车安全防护曲线建立列车轨迹的计算方法，包括：

根据列车移动授权MA中列车能够行驶的最远距离通过目标终点距控制方式生成速度防护曲线，计算公式如下：

其中L_ma是MA中的目标终点距离，TS是目标速度，B_e是紧急制动减速度，t₁为系统安全制动反应时间，t₂为制动建立时间，a为最大加速度；

将上述公式1中的目标速度TS变更为当前列车的运行速度TV，L_ma变更为列车的最短走行距离L_g，那么L_g的计算公式如下：

将所述列车的最短走行距离L_g作为列车轨迹。

进一步地，所述的根据所述移动授权安全防护的空间变换算法对所述列车轨迹和列车移动授权进行验证，根据验证结果确定所述列车轨迹和列车移动授权的安全性，包括：

将列车移动授权和上述公式2计算出的列车轨迹作为参数分别输入到所述移动授权安全防护的空间变换算法1、算法2、算法3和算法4中，当所述移动授权安全防护的空间变换算法1、算法2、算法3和算法4都成立，则确定所述列车轨迹和列车移动授权安全；

当所述移动授权安全防护的空间变换算法1、算法2、算法3和算法4不是都成立，则确定所述列车轨迹和列车移动授权不安全。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提出的基于空间变换的列控系统移动授权安全防护方法能够有效地对生成的MA信息和列车轨迹进行安全验证，保证列车MA的安全性，通过相关实验数据表明该算法可以应用于实际的系统中，表明了该算法的实用性，解决了传统MA计算方法无法较好地针对列控系统MA功能安全防护进行建模、验证的问题。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提出的一种基于空间变换的列车运行控制系统移动授权安全防护算法的实现原理示意图；

图2是本发明实施例提出的一种列车轨迹及移动授权的原理示意图；

图3是本发明实施例提出的一种实验实时状态统计结果。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

本发明实施例提出的列控系统移动授权安全防护方法依靠空间变换相关理论描述了MA计算过程中必不可少的轨道区段信息描述，并通过安全防护算法实现了MA的安全防护功能。

本发明实施例提出了一种基于空间变换的移动授权安全防护算法。安全防护算法实现原理示意图如图1所示，本发明在ZC(Zone Comtroller，区域控制器)系统内部实现了MA安全防护算法模块，ZC系统的输入数据包括进行MA计算需要的列车数据、线路数据等基本信息，列控算法生成的原始的MA，列车的速度及制动指令等。根据基于空间变换的相关理论，将铁路网络描述为一个度量空间，列车原始的MA信息被抽象为一个拓扑空间，将根据列车速度及制动指令推导出的列车可能的轨迹表示为一个拓扑空间。列车安全防护是由一些基于空间变换的安全防护算法的执行来实现。安全防护算法模块的输出是一个安全的MA信息或者是一个发送给VOBC(vehicle on-board controller，车载控制器)设备的故障-安全信息。

1基于空间变换的移动授权安全防护算法

1.1铁路线路轨道区段的空间变换表示方法

首先，需要引入以下定义来描述列车运行控制过程。

度量空间：度量空间是一个集合X与定义在X×X上的一个实值函数d()，满足：

1.1a)对于x,y∈X，满足d(x,y)≥0且(x,x)＝0；

1.1b)若d(x,y)＝0，则x＝y；

1.2)对于每组x,y∈X，都有d(x,y)＝d(y,x)；

1.3)对于每组x,y,z∈X，都有d(x,y)+d(y,z)≥d(x,z)。

拓扑空间：若一个集合U和集合U的子集构成的族O，满足：

2.1)空集和U属于O；

2.2)O中任意多个元素的并仍属于O；

2.3)O中有限个个元素的交仍属于O。

此时，O中的元素称为开集，称(U,O)是一个拓扑空间。

在本专利中，我们将列车视为一个质点，从列车运行控制逻辑的角度看，整个铁路网络是由一系列轨道区段构成的，每个轨道区段可能包含不同的基础设施，如道岔、信号机等。我们使用一个6元组<a,b,id,ty,s,l>来表示铁路线路中的轨道区段。其中a与b表示轨道区段的起始、终止位置，id表示所包含的基础设施编号，ty表示所包含基础设施的类型，s表示所包含基础设施状态，l表示所包含基础设施的锁闭状态。区段单元中各参数的取值见表1。

表1.轨道区段中参数的取值

利用上述的基本概念我们给出了铁路网络的空间变换定义，铁路线路网络可以定义为一个度量空间(X,d_X)，对于任意的x,y∈X，函数d_X(x,y)的取值为：

其中是比空间中x与y之间任意距离都大的值。x与y相连接表示在一个特定的时间，铁路线路中的轨道区段可以从y到x。根据上述度量空间的定义可以看出，描述铁路线路区段的(X，d_X)是一个度量空间。

本发明实施例提出的一种列车轨迹及移动授权的原理示意图如图2所示，传统列控系统中速度防护曲线是根据MA中列车能够行驶的最远距离通过“目标终点距离”控制方式生成速度防护曲线，计算公式如下：

其中L_ma是MA中的目标终点距离，TS是目标速度，B_e是紧急制动减速度，t₁为系统安全制动反应时间，t₂为制动建立时间，a为最大加速度。若在计算公式中将目标速度(TS)变更为当前列车的运行速度(TV)，L_ma变更为列车“最短走行距离”L_g，那么L_g可以由下述公式进行计算：

其中列车最短走行距离被称为列车的轨迹，如图2中所示。

为验证列车控制逻辑的正确性，本发明定义了V1、V2两个空间，其定义如下：

定义1：若由列车运行控制算法计算出的移动授权MA为<u₀,u₁,u₂,……,u_n>的轨道区段序列，X1为包含MA中所有轨道区段单元的集合，为X1一个子集族，若满足下列条件，则称其为V1空间

1.1)空集属于空间的起始元素{u₀}属于且X1属于

1.2)若且u_i∈τ1,那么

定义2：α为列车在铁路线路度量空间中的当前位置，dir表示列车的前进方向，X2为列车轨迹中的包含的所有轨道区段单元，为X2一个子集族，若满足下列条件，则称其为V2空间；

2.1)空集属于X2

2.2)若d(α,u₀·a)+d(α,u₀·b)＝d(u₀·a,u₀·b),那么被称为空间的起始单元；

2.3)对于每个如果d(α,u_j·a)<L_g,dir×[d(u₀·b,u_j·a)-d(u₀·a,u_j·a)]>0且d(α,u_j·a)＝min{d(α,u_k·a):k∈I}，那么

根据定义2我们可以计算列车轨迹空间。

1.2列车移动授权安全防护算法

算法1：若为V1空间，u₀∈X是空间的起始单元，那么必然存在一个列车，其位置α满足d(α,u₀·a)+d(α,u₀·b)＝d(u₀·a,u₀·b)。

该算法表明列车必须是在MA的限制内运行，因此系统中的MA必然是针对于某一列特定的列车生成的。该条定理用来检验原始MA的合理性。

算法2：若为V1空间，为V2空间，那么和安全则必须满足强于即and

即表明列车在运行过程中不会超出MA区域。

算法3：若为V1空间，为相关的V2空间，若V1、V2空间安全则需满足Z_T上的是集合Z_T∩U的聚集(collection set)，其中

该算法能够确保在列车运行过程中都遵循MA并且在任意时刻列车轨迹空间都不包含不安全的点。

算法4：若(X,τ₁)和(Y,τ₂)为不同列车的V1空间，那么当且仅当这两个空间不相交时整条铁路线路安全。

该算法可以用于检查列控系统MA计算设备控制范围内中不同列车是否存在潜在的碰撞风险。

将列车移动授权和上述公式2计算出的列车轨迹作为参数分别输入到所述移动授权安全防护的空间变换算法1、算法2、算法3和算法4中，当所述移动授权安全防护的空间变换算法1、算法2、算法3和算法4都成立，则确定所述列车轨迹和列车移动授权安全；

当所述移动授权安全防护的空间变换算法1、算法2、算法3和算法4不是都成立，则确定所述列车轨迹和列车移动授权不安全。

实施例二

根据亦庄线的实际站场布局进行了测试，效果证明该防护方法能够对列车移动授权进行安全防护，且实验效果没有出现状态爆炸、计算时间能够满足实际系统的使用。

在亦庄线原始站场数据的基础上通过故障注入的方式将5000个故障随机注入了5000个基础设施、原始MA及列车参数中，这些故障覆盖了列控系统中可能出现的各种情况。通过实验表明使用上述算法能够对移动授权进行安全防护。

在实验过程中考虑了双向共48条主要进路进行测试，表2列出了各条进路中包含的基础设施元素。通过统计的不同数量列车情况下的状态数量及运行时间来证明提出的安全防护算法能够针对移动授权可能出现的问题进行有效的防护。实验结果表明该方法并未出现传统形式化方法中的状态爆炸问题，且处理所需的平均时间完全能够满足实际系统的需求。

表2.案例研究中的进路列表

试验结果

实验过程中针对于道岔元素考虑了5个状态，分别为定位、反位、定位且锁闭、反位且锁闭及不可用状态；针对于轨道区段，考虑了占用、空闲和错误三种状态；针对于信号机，考虑了绿色、黄色、红色及错误四种状态；针对列车，考虑了正常、制动及错误三种状态。图3展示了不同列车数量(1-14列列车)下在系统运行过程中不同时间的状态数量，可以看出状态数量的多少与MA中元素的个数直接相关，且在整个过程中并没有出现状态数量爆炸的问题。

综上所述，本发明实施例提出的基于空间变换的列控系统移动授权安全防护方法能够有效地对生成的MA信息和列车轨迹进行安全验证，保证列车MA的安全性，通过相关实验数据表明该算法可以应用于实际的系统中，表明了该算法的实用性，解决了传统MA计算方法无法较好地针对列控系统MA功能安全防护进行建模、验证的问题。

本发明实施例通过对列车移动授权、列车轨迹及列车“最短运行距离”的空间变换表达方法和列车运行控制逻辑，给出了4条列车移动授权安全防护算法，可以有效地防护列车的移动授权处于不合理状态、列车超出移动授权区域运行、列车运行过程中没有遵循MA或列车轨迹空间包含危险点、整个MA计算设备控制区域中不同列车可能发生的碰撞情况，从而可以有效地保障列车运行的安全。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

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揭露的技术范围内，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的保护范围为准。