一种列车自主感知系统的制作方法

1.本发明涉及轨道交通信号系统，尤其是涉及一种列车自主感知系统。


背景技术：

2.轨道交通安全关系到参与人的生命安全和财产安全，一直是轨道交通行业关注的重点。在历年来的轨道交通故障统计中发现，轨行区障碍物侵限是造成事故的主要原因，障碍物包括各类不应该出现在轨行区的异物，如行人、汽车、前方列车、各类施工遗留工具设备、人防门、钻头、倒塌轨旁设施、树木、塌方、泥石流等。针对这些障碍物的防护，目前以人工瞭望和周边系统联合防护为主，列车司机在行驶中的重要职能就是根据周围环境判断行驶安全，进行列车制动。无人驾驶模式下则采用封闭环境、专有路权的方法来保证轨道区域内无障碍物出现，此外还有一些边坡防护、天气预警等手段，进行预防性防护。
3.这些防护都是由外界施加到列车上的，列车本身并没有针对障碍物的检测能力。如全自动无人驾驶线路上，控制列车行驶的信号系统，根据列车的相对位置及线路状态确定列车的行走，当轨行区出现障碍物时，由于信号系统无法探测，因此就无法防护，造成行车事故，如列车碰撞人防门、钻头打穿隧道刮伤列车等。如果能为列车增加自主障碍物感知能力，让列车能够自主感知到障碍物，并且制动，可以大大降低列车的事故率，提高行车安全。
4.传统的列车障碍物感知技术主要包括接触式障碍物感知系统和非接触式障碍物感知系统。接触式障碍物感知系统如各类异物推杆，安装于列车车轮前方，在触碰到障碍物时会发生位移或者形变，相关传感器采集监测这种位移或形变，处理主机根据传感器数据进行判断，感知到障碍物，通知列控系统，进而由列控系统控制列车减速停车。非接触式障碍物感知系统如各类脱轨检测系统，利用脱轨时产生的各种剧烈震动、传感器相对钢轨的位移等参数变化来检测事故的发生，进而控制列车减速停车。这类传统感知技术的缺点就是事故发生后才能检测到，无法提前预测事故。另外在各类有人驾驶列车上，依靠司机瞭望来确保行车安全，行车过程中司机需要全程精神专注，劳动强度高，容易疲劳，且人的反应时间、专注能力等容易受各种因素干扰，存在疏忽的情况。
5.随着近几年技术的进步，出现了以视频处理为主的主动障碍物检测技术，特别是人工智能技术的发展，相关运算能力的提升，让基于机器学习的障碍物识别技术变成可能。在轨道交通领域，障碍物识别的一般方法是先识别轨行区，然后识别各类物体，最后把两者相交的部分作为障碍物，输出位置信息。激光雷达技术和毫米波雷达技术的成熟，又使得三维距离测量和速度测量更加精确，增加了距离信息的障碍物信息，进一步提高了信息的可用性，可以根据距离采取不同的应对措施。查询近几年的轨道交通领域障碍物检测专利，以视频摄像机为主，搭配毫米波雷达、激光雷达、或者双目视觉成像，主要讨论各种改进和组合检测方法，基本以车载系统为主，也有部分厂家提出了轨旁辅助检测系统，以及利用车载、轨旁、服务器组成系统，完成障碍物检测的方法。这类专利大都重点在障碍物检测的算法，或者系统的构成上。对障碍物检测到之后的操作，描述得比较少。进过检索，中国专利公
开号《cn114572279a》提出了一种轨交远程驾驶智能防护系统，该系统仅作为列控信号系统降级或者无法工作时的备用系统，通过地面远程授权移动列车，障碍物检测系统作为安全防护，一旦发现障碍物则立即停车。同时中国专利公开号《cn113954911a》和《cn110027592a》提出的专利重点在于增加了障碍物检测的列控系统，利用障碍物检测技术和轨旁检测技术代替现有的列控信号系统车载和轨旁设备，技术难度比较大，实现困难。
6.因此如何来实现通过传感器与软件的结合，为列车增加自主感知能力，并能触发一系列的防护联动，成为需要解决的技术问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种列车自主感知系统。
8.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
9.根据本发明的一个方面，提供了一种列车自主感知系统，该系统包括：
10.车载子系统，安装在运行列车上，用于通过传感器获取前方轨行区信息及障碍物信息，识别出轨行区中的障碍物；
11.轨旁子系统，安装在轨道旁边，用于弥补车载子系统传感器探测距离的局限性，以及增强对视线受遮挡的重点区域检测，增强障碍物检测能力；
12.中心服务器子系统，分别与车载子系统、轨旁子系统通信，获取各子系统设备的工作状态及告警信息，并进行基于全局状态数据的综合逻辑处理；
13.调度终端子系统，与中心服务器子系统通信，用于获取并显示沿线各子系统、各设备的工作状态，显示车辆位置，轨旁子系统安装位置，查看各子系统的报警信息以及管理各子系统设备。
14.作为优选的技术方案，所述的系统还包括：手持移动终端子系统，由列车值乘人员携带和操作，所述手持移动终端子系统与车载子系统绑定后，与车载子系统进行通信，查看车载子系统运行状态，显示相关报警信息，并进行障碍物确认操作。
15.作为优选的技术方案，所述的手持移动终端子系统适用于无人驾驶列车，列车值乘人员选择绑定本车车载主机的手持移动终端，查看列车自主感知系统的运行状态和报警信息，如果值乘时有障碍物报警，通过手持移动终端查看报警的详细信息以及处理建议。
16.作为优选的技术方案，所述的重点区域包括弯道区域、坡道尽头、隧道进出口、上跨桥以及站台区、端头区。
17.作为优选的技术方案，所述的车载子系统通过网络与轨旁子系统进行通信，获取轨旁子系统检测范围内的障碍物信息，用于扩大车载子系统的检测范围及检测距离。
18.作为优选的技术方案，在连续弯道区域，部署多个所述的轨旁子系统，所述车载子系统同时与多个轨旁子系统进行通信，扩大最远探测距离。
19.作为优选的技术方案，多辆列车的所述车载子系统通过中心服务器获取彼此的位置及速度，列车根据彼此的相对位置，判断碰撞发生的概率，保持安全的运行间隔。
20.作为优选的技术方案，多个相连的所述轨旁子系统通过彼此之间的通信，交换各自轨行区的检测情况，合并成一个比较大的检测距离，同时发给车载子系统。
21.作为优选的技术方案，所述调度终端子系统在运营控制中心统一查看各列车的障
碍物报警信息，委派人员清除障碍物，恢复列车行驶。
22.作为优选的技术方案，所述调度终端子系统接收轨旁子系统上报的各类异常障碍物，异常障碍物是指除正常列车通过以外的各种障碍物侵限，同时所述调度终端子系统根据时间设置过滤报警，避免天窗点施工人员的误报警。
23.作为优选的技术方案，所述中心服务器子系统接收并记录其他子系统的各类报警及操作记录，其它各子系统上电开机后，主动向中心服务器子系统发起网络连接并报告设备和系统自检状态，所述车载子系统还需要实时上报自身定位，所述中心服务器子系统还具备对各类消息的转发功能，形成多个子系统之间的防护联动机制。
24.作为优选的技术方案，所述车载子系统根据配置选择信号系统接口l1、车辆接口l2和或人机接口l3，输出障碍物信息；
25.所述障碍物信息输出可同时采用上述l1、l2和l3，或者其中的两个组合，或者其中的一个接口，具体的配置方式根据列车车辆的接口配置以及客户的需求而定。
26.作为优选的技术方案，所述具体的配置方式如下：
27.1)当信号系统工作正常时，车载子系统将障碍物信息通过信号系统接口l1送给信号系统，由车载信号系统根据障碍物的位置及当前移动授权终点的位置判断是否需要制动，以及施加制动的等级；
28.2)当信号系统接口l1被切除或者信号系统接口l1不可用时，车载子系统根据障碍物信息生成紧急制动指令，通过车辆接口l2输出，以触发车辆紧急制动，减速直至停车；
29.3)当信号系统接口l1和车辆接口l2皆不可用时，通过人机接口l3，输出告警提示，以提醒司机和调度值班人员，注意前方障碍物。
30.作为优选的技术方案，当cbtc列控系统发生故障无法控车时，信号机才工作，此时列车由人工驾驶，司机按照信号机的状态指示通过信号机或者在信号机前停车，在这种情况下，禁止通过的信号机也视作“障碍物”，车载子系统识别信号机色灯，识别到禁止通行的信号机红灯后，作为一种特殊的障碍物信息输出，通过l3接口提醒司机，以防止列车越过红灯。
31.作为优选的技术方案，该系统采用二取二安全机制，达到安全完整性等级sil4级要求。
32.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
33.1、本发明列车自主感知系统最大的特点是为列车增加了感知能力，列车能够主动去发现障碍物，并且根据障碍物的情况进行处理；能够在碰撞发生前进行制动，避免碰撞发生或者降低碰撞危害程度，减少损失。
34.2、本发明可以与全自动无人驾驶信号系统联合工作，以提供更安全可靠的无人驾驶运行服务；通过信号系统可以获取列车安全速度及位置信息，可以提高车载子系统轨行区检测能力、障碍物检测能力；通过信号系统的ato自动运行功能，可以更合理的判断列车制动距离及制动力施加等级，提高列车行驶舒适度。
35.3、本发明可以灵活部署障碍物信息输出方式，适用于城市轨道交通有人驾驶、无人驾驶、有轨电车、地方铁路等多种轨道交通行业。
36.4、本发明强化了多个子系统之间的防护联动，把车载、轨旁、调度中心、移动手持终端等全面结合起来，形成一个自动化程序较高的安全防护系统，为列车增加了对侵入前
方线路的障碍物的能力，从原有列控系统单纯的只是“听令行车”，进一步提升到具有自主“看路行车”的能力。
附图说明
37.图1为本发明列车自主障碍物感知系统的结构示意图；
38.图2(a)为正常运行时信号系统按照移动授权距离dm控制列车运行的示意图；
39.图2(b)为列车自主感知系统输出障碍物距离do给信号系统的示意图；
40.图2(c)为根据更新后的移动授权距离控制列车运行的示意图；
41.图3为车载子系统与轨旁子系统的组合探测原理示意图。
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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
43.本发明提出的一种列车自主感知系统，通过系统级的描述，说明了障碍物检测系统从发现到列控系统如何处理，后备模式如何处理等详细实施方案。相比已有的专利，“列车自主感知系统”的设计目标就是和信号系统共存，并且紧密配合的工作方式，是对现有的信号系统的智能化提升。这种工作方式对现有列控信号系统改动比较小，能够最大限度发挥各自的优势，如信号系统的测速定位，必须是高安全高可靠性，障碍物检测系统则布局比较灵活，可以配合不同应用场合，不同的信号系统设备都可以适配。无人驾驶列控系统可以使用、有人驾驶系统列控也可以使用，传统的列控系统可以使用，列控系统切除后也可以独立使用。
44.本发明提出的列车自主感知系统，能够为列车增加自主感知能力，以非接触的方式，在较远距离即可检测到障碍物，在碰撞发生前即可检测到，通过车辆控制接口触发列车制动，避免碰撞的发生或降低碰撞事故危害的严重程度。对于无人驾驶模式下的列车，一旦发现障碍物立即响应。对于有人驾驶模式下的列车，可以为司机提供报警提醒或者触发车辆制动，提高司机的观察能力，降低劳动强度，避免疲惫时疏忽导致的事故。
45.此外在列车信号系统发生故障的情况下，信号系统被切除，新增的列车自主感知系统还能够以独立工作的模式，识别前方列车及进路信号机状态，并进行报警或者制动列车，辅助司机人工驾驶列车，提高运营效率及安全性。
46.如图1所示，列车自主障碍物感知系统包括5个子系统，分别是：车载子系统1、轨旁子系统2、移动终端子系统3、中心服务器子系统4和调度终端子系统5。
47.各个子系统的功能如下：
48.1)车载子系统安装在运行列车上，通过传感器获取前方轨行区信息及障碍物信息，识别出轨行区中的障碍物。
49.2)轨旁子系统固定安装在轨道旁边，用于弥补车载子系统传感器探测距离的局限性，以及增强对视线受遮挡的区域检测，增强障碍物检测能力，如弯道区域、坡道尽头、隧道进出口、上跨桥以及站台区、端头区等需要重点检测的区域等。
50.3)手持移动终端子系统由列车值乘人员携带和操作，在与车载子系统绑定后，可以执行与车载子系统进行通信，查看车载子系统运行状态，显示相关报警信息，进行障碍物确认等操作。
51.4)中心服务器子系统一般安装在调度中心/运营控制中心，中心服务器可以与车载子系统、轨旁子系统、手持移动终端子系统、调度终端子系统通信，获取各子系统设备的工作状态及告警信息，并进行基于全局状态数据的综合逻辑处理。
52.5)调度终端子系统一般安装在调度中心/运营控制中心，通过与中心服务器的通信，获取并显示沿线各子系统、各设备的工作状态，显示车辆位置，轨旁子系统安装位置，查看各子系统的报警信息，管理各子系统设备等。
53.各个子系统之间的交互过程如下：
54.1)车载子系统通过网络与轨旁子系统进行通信，获取轨旁子系统检测范围内的障碍物信息，可以扩大车载子系统的检测范围及检测距离，实现超视距的检测能力。在连续弯道区域，可以部署多个轨旁子系统，车载同时与多个轨旁子系统进行通信，扩大最远探测距离。
55.2)多辆列车的车载子系统可以通过中心服务器获取彼此的位置及速度，列车可以根据彼此的相对位置，判断碰撞发生的概率，防护保持安全的运行间隔。
56.3)多个相连的轨旁子系统可以通过彼此之间的通信，交换各自轨行区的检测情况，合并成一个比较大的检测距离，同时发给车载子系统，简化车载子系统的通信功能。
57.4)手持移动终端子系统的主要使用场合为无人驾驶列车。由于无人驾驶列车取消了固定岗位的司机，因此也不设本系统专用的显示屏，列车值乘人员可以选择绑定本车车载主机的手持移动终端，查看列车自主感知系统的运行状态，查看报警信息，如果值乘时有障碍物报警，可以通过手持移动终端查看报警的详细信息以及处理建议等。这样，车上值乘人员可以在全列车游走，而不必固守在列车前端位置。
58.5)调度终端子系统可以在运营控制中心统一查看各列车的障碍物报警信息，委派人员清除障碍物，恢复列车行驶。此外调度中心还能接收轨旁子系统上报的各类异常障碍物，异常障碍物是指除正常列车通过以外的各种障碍物侵限，如接触网异物、钻头打穿隧道并被轨旁监控设备检测到、行人闯入轨行区等。调度终端可以根据时间设置过滤报警，避免天窗点施工人员的误报警。
59.6)中心服务器子系统可以接收并记录车载、轨旁、手持、调度终端等子系统的各类报警及操作记录，供事后分析，月度统计等使用。其它各子系统上电开机后，主动向中心服务器发起网络连接，向中心服务器子系统报告设备和系统自检装态，车载子系统还需要实时上报自身定位。服务器还具备对各类消息的转发功能，形成多个子系统之间的防护联动机制。
60.列车自主感知系统探测到障碍物后，处理过程如下：
61.车载子系统根据配置选择信号系统接口l1或者车辆接口l2或者人机接口l3，输出障碍物信息。障碍物信息输出可以同时采用上述l1、l2和l3，或者其中的两个组合，或者其中的一个接口，具体的配置方式根据列车车辆的接口配置以及客户的需求而定。
62.1)当信号系统工作正常时，车载子系统可以将障碍物信息通过l1接口送给信号系统，由车载信号系统根据障碍物的位置及当前移动授权终点的位置判断是否需要制动，以
及施加制动的等级。l1接口可以更加灵活的处理障碍物信息，降低对行车的干扰，提高行车的舒适性。
63.2)当信号系统l1接口被切除或者信号系统接口不可用时，车载子系统可以根据障碍物信息生成紧急制动指令，通过车辆接口l2输出，以触发车辆紧急制动，减速直至停车。
64.3)当信号系统接口、车辆接口皆不可用时，还可以通过人机接口l3，输出告警提示，以提醒司机和调度值班人员，注意前方障碍物。人机接口包括屏幕、声光报警器、移动手持终端显示等多种形式。
65.对于cbtc模式下的列控系统，信号机通常是不亮灯的，当cbtc列控系统发生故障无法控车时，信号机才工作，此时列车由人工驾驶，司机按照信号机的状态指示通过信号机或者在信号机前停车。在这种情况下，禁止通过的信号机也可以视作“障碍物”，车载子系统识别信号机色灯，识别到禁止通行的信号机红灯后，也作为一种特殊的障碍物信息输出，通过l3接口提醒司机，以防止列车越过红灯。
66.列车自主感知系统建立在高安全性的基础上，采用二取二安全机制，达到安全完整性等级sil4级要求，可以确保行车安全。
67.车载子系统通过l1信号系统接口输出障碍物信息，图2(a)至图2(c)说明了列车自主感知系统如何与信号系统联合工作，通过障碍物距离和atp移动授权距离的自动融合，无缝集成到信号系统的控车逻辑中。列车正常运行时，无障碍物信息，信号系统按照移动授权距离dm控制列车运行(图2(a)状态)；当车载子系统检测到障碍物信息后，列车自主感知系统输出障碍物距离do给信号系统(图2(b)状态)；信号系统接收到障碍物信息后，根据障碍物距离do和移动授权距离dm，取最小值作为新的移动授权距离，根据更新后的移动授权距离控制列车运行(图2(c)状态)。在图2(b)状态下，如果距离do≥dm，则列车当前无需更新移动授权距离，到do《dm时，才更新移动授权距离，列车根据新的授权距离计算最优行驶速度。
68.图3解释了列车自主感知系统中车载子系统与轨旁子系统的组合探测原理。没有轨旁子系统时，列车的最远探测距离为d1，在平直轨道上，d1可达300～500米，但是在弯道区域，上坡时，视线受遮挡，d1可能急剧缩短到100米以内，探测距离变短，影响列车安全运行速度。此时预先安装在轨旁的子系统探测前方300米内的轨行区情况，列车在接近轨旁子系统时，通过无线网络建立通信连接，车载子系统通过查询获得前方300米内的轨行区情况，则整体探测距离可以到达d2处，探测距离得以扩展。
69.本发明包括5个子系统，但是不一定所有的子系统都需要安装部署，实际应用中可以根据现场情况和客户要求，灵活配置。下面举一个比较全面的实施例和一个简单的实施例进行说明。
70.本发明的一个具体实施实例如下，在基于cbtc的全自动无人驾驶线路上部署列车自主感知系统。需要增加以下设备：
71.1.在每一列车上增加车载子系统，用于感知前方轨行区中的障碍物，车载子系统根据列车车头的激活端切换自动选择前进方向的探测器，作为障碍物检测输入，在车尾的探测器则不工作。车载子系统将障碍物信息通过信号系统接口送到车载列控系统，由列控系统确定是否制动以及制动方式、等级等。
72.2.在线路的急转弯处增加轨旁子系统，并且通过专用网络进行连接，用于对轨旁所在的区段进行24小时持续监控。当列车经过时，轨旁子系统能够通过障碍物特征识别出
列车经过，此时该轨行区段为占用状态，当列车完全出清后，该轨行区段为空闲状态。在空闲状态时，如果检测到任何异物出现，则标记该段为占用状态，并发送报警信息给服务器，并且在调度终端处进行显示。调度值班人员可以根据提示，查看障碍物视频或者图片，并确认障碍物信息，如果需要清理，则按照异物清理流程进行清理。每一列即将经过的列车会与轨旁设备进行通信，查询该轨行区段的状态，如果是空闲，则列车可以正常通过，如果是占用状态，则列车根据障碍物的位置修改ma移动授权的终点，位于障碍物前，确保列车能在障碍物前停车。直到障碍物消失，才恢复行车。
73.3.在运营控制中心增加服务器，和调度终端子系统，提供大屏的全线区段显示画面，用于监视全线的车辆及轨旁设备状态，在有告警信息时，及时处理告警信息。并可以主动与指定的车辆或轨旁系统通信，获取现场状态数据和视频，用于人工确认现场障碍物状态场景。
74.4.可选的，可以在某些列车上增加列车值乘人员，用于预防性值乘。列车值乘人员携带便携式手持移动终端，在列车上通过绑定车载设备后获取车载子系统的运行状态。列车值乘人员可以在车厢里来回走动，巡视列车车厢。遇到障碍物报警时，手持移动终端会通过声光报警提醒值乘人员，方便值乘人员快速到达车头，进行障碍物确认，并且与运营控制中心联系，处理异常情况。
75.本发明的另一个实施实例如下，在有人驾驶的地方铁路货运机车上，部署列车自主感知系统，需要增加以下设备：
76.1.在货运机车上增加车载子系统，用于感知前方轨行区中的障碍物，车载子系统根据机车的前进方向自动选择前进方向的探测器，作为障碍物检测输入，在后退方向的探测器则不工作。车载子系统配备dmi显示屏及声光报警器，在列车自主感知系统检测到障碍物时，将障碍物信息通过dmi显示屏进行显示，当障碍物危险等级为高时则发出声光报警，提醒司机注意前方障碍物。
77.2.在交叉路口或者其它视线受遮挡的区域，安装轨旁子系统，监测路口或者弯道轨行区段，并且通过专用网络进行连接。当机车接近道口时，提前一段距离(如1000米)，车载子系统与轨旁子系统建立连接，把路口的障碍物情况实时显示在车上的人机接口显示屏上，如果轨旁子系统监测到障碍物，则在车载系统的人机接口显示屏上进行显示，并有合成语音提醒司机注意。
78.本发明已经在不同的轨道交通运行场景中进行应用，获得了用户的认可。
79.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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以权利要求的保护范围为准。