一种基于无人机协同的列车安全超视距感知系统和方法与流程

本发明涉及轨道交通安全控制，尤其是涉及一种基于无人机协同的列车安全超视距感知系统和方法。

背景技术：

1、随着城市轨道交通的快速发展，地铁已经在越来越多的城市中投入使用，也面临越来越多的运行环境。虽然轨道交通大多采用独立路权的布设方式，但难免遇到高架触网异物、线缆垂挂侵限、人员跌落轨道、工程施工击穿隧道、水淹等外部意外导致的人员或异物侵入轨行区限界情况，这对轨道交通的行车安全具有极大危害，也留下了不少惨痛的教训。

2、随着goa4级全自动无人驾驶的城轨线路已开始在多个城市投入使用，基于可靠车车通信的新一代列控技术也逐步开始在头部城市展开试点。这两项技术具备无司机驾驶与减少轨旁设施两大特点，这无疑对列车运行安全提出了更高的要求。

3、现有的城市轨道交通行车安全主要依赖于传统的列车信号系统，具有非常高的安全性与可靠性，但传统信号系统的主要作用在于防护如列车追尾、进路错办、道岔异常等情况，主要防护接入信号系统内部的设备故障，对于上述一些外部安全因素不具备很好地防护措施。

4、基于上述情况，近几年主动式的列车自主感知技术得以快速发展，并逐渐开始在新一代列控技术中被重视，但存在视距感知范围受限的问题，尤其存在弯道、坡道等视野盲区，无法很好保障城市轨道无人驾驶的安全性。

5、如何实现列车超视距自主感知，极大程度提升列车自主感知系统的实时防护范围，成为需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、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基于无人机协同的列车安全超视距感知系统和方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、根据本发明的第一方面，提供了一种基于无人机协同的列车安全超视距感知系统，该系统分别与列车车载自主感知系统和信号调度中心连接，其特征在于，所述的列车安全超视距感知系统包括无人机机载安全自主感知子系统、无人机机库子系统和无人机中心控制子系统；

4、其中所述的无人机机载安全自主感知子系统分别与无人机机库子系统、无人机中心控制子系统和列车车载自主感知系统通信连接，所述的无人机机库子系统和无人机中心控制子系统通信连接，所述的无人机中心控制子系统和信号调度中心通信连接。

5、优选地，所述的无人机机载安全自主感知子系统包括：

6、采集传感器组，用于实时获取前方的场景视图数据，采用车规级激光雷达获取前方的安全激光点云视图、视频相机获取前方的非安全图像视图、车规级毫米波获取前方的安全毫米波视图；

7、第一安全运算单元，用于对采集传感器组采集的激光雷达数据、视频相机数据和毫米波雷达数据进行实时安全运算，实现对前方视场的安全自主感知，计算无人机的安全位置和安全速度，并输出安全控制指令；

8、第一通信单元，通过无线通信的方式与其他子系统或外部系统进行实时的数据通信；

9、无人机单元，用于搭载采集传感器组、安全运算单元和通信单元进行长距离飞行。

10、优选地，所述的无人机机库子系统包括：

11、无人机收发装置，用于起飞与降落无人机；

12、无人机停驻装置，用于储存无人机单元，并提供设备自检、无人机调度和充电的功能；

13、安全控制单元，用于对输入的无人机状态进行安全管理，并输出安全控制指令；

14、第二通信单元，通过无线或有线通信的方式与其他子系统或外部系统进行实时的数据通信。

15、优选地，所述的无人机机库子系统布设在轨道沿线；所述的无人机机库子系统基于信号系统的线路地图数据配置三种无人机停留区域，分别为悬停区、折返悬停区和待飞区；

16、其中所述悬停区为列车停靠站台驻留时人机配合悬停的安全区域，所述折返悬停区为无人机配合列车折返的悬停区域，所述待飞区是无人机从机库出发前的等待区域，也是无人机投入运营的起点。

17、优选地，所述的无人机中心控制子系统包括：

18、无人机调度系统，用于提供全线无人机的调度功能，并通过人机交互界面实时显示每架无人机的位置与状态；

19、第二安全运算单元，用于对输入的无人机调度指令进行安全检查，并输出安全控制指令；

20、第三通信单元，通过无线与有线通信的方式与其他子系统或外部系统进行实时的数据通信。

21、优选地，各所述的子系统间采用安全通信接口，并采用满足安全通信的安全层协议对数据进行封装。

22、优选地，所述的无人机机载安全自主感知子系统与无人机中心控制子系统，周期性交互无人机机载安全自主感知子系统的安全位置信息、安全速度信息、异物感知数据、安全自检状态信息、无人机中心控制子系统的协同列车组信息和运行调度信息；

23、所述的无人机机载安全自主感知子系统，与无人机机库子系统周期性交互无人机机载安全自主感知子系统的安全位置信息、安全速度信息、姿态信息、起飞/降落信息、运行调度信息、协同列车组信息、安全自检状态信息和无人机机库子系统的安全自检状态信息；

24、所述的无人机机载安全自主感知子系统，与列车车载自主感知系统实时交互无人机机载安全自主感知子系统的安全位置信息、安全速度信息、异物感知数据、安全自检状态信息、安全保证区域信息、列车车载自主感知系统的安全状态信息、列车安全速度信息、列车安全位置信息、列车安全运行方向信息、和无人机协同距离信息；

25、所述的无人机机库子系统与无人机中心控制子系统周期性交互机无人机机库子系统的机库内部无人机安全状态信息、安全自检状态信息和无人机中心控制子系统的运行调度信息；

26、所述的无人机中心控制子系统向信号调度中心请求每日的列车运行图信息。

27、优选地，所述的无人机机载安全自主感知子系统，实时保持在列车前方的无人机安全协同距离范围内，从而自主感知并运算异物感知信息；

28、所述的无人机安全协同距离计算方法为：

29、δs＝δssyn+δstrain_mov+δsrsv+δerr

30、其中，δssyn为系统预期的无人机机载安全自主感知子系统协同距离，由列车车载自主感知系统实时发送，δstrain_mov为系统反应期间列车的运行距离，δsrsv为预留的安全阈值，δerr为无人机机载安全自主感知子系统的安全定位偏差；

31、所述的δstrain_mov计算方法为：

32、

33、其中，treact为系统的安全反应总时间，vtrain_max为列车的最大安全速度，amax_acc为列车最大牵引加速度，

34、所述的treact的计算方法为：

35、treact＝ttrans+tproc+tact

36、其中，ttrans为列车车载自主感知系统至无人机机载安全自主感知子系统的信息传输安全时间，tproc为无人机机载安全自主感知子系统执行数据采集、处理运算和输出控制指令的总反应时间，tact为执行飞机完成单次控制动作的最大时间；

37、所述的无人机机载安全自主感知子系统控制飞行的线路位置s为

38、s＝strain_max+δs

39、其中strain_max为列车安全最大车头位置，

40、当无人机机载安全自主感知子系统完成单次飞行位移至线路位置s后，其安全位置为s±δerr。

41、优选地，n个所述的无人机机载安全自主感知子系统构成无人机群，同时与列车通信连接，通过安全通信感知超视距外的线路环境；

42、所述的无人机机载安全自主感知子系统的安全感知范围fi为

43、fi＝[si,si+dsi]

44、其中，ds为感知子系统的安全感知距离，s为子系统当前安全位置；

45、此时无人机群协同系统的安全感知范围为

46、其中，

47、根据本发明的第二方面，提供了一种基于无人机协同的列车安全超视距感知方法，所述的方法包括：

48、步骤s1，在每日正式运营前，无人机中心控制子系统向信号调度中心请求每日的列车运行图信息；

49、步骤s2，无人机中心控制子系统基于信号调度中心收到的列车标识和列车运行图，运算和生成无人机运行图信息，并发给需要无人机机库子系统；

50、步骤s3，无人机机库子系统将对应的无人机运行图发送给需要执飞的无人机机载安全自主感知子系统；

51、步骤s4，无人机机载安全自主感知子系统与列车车载自主感知系统建立通信，并根据无人机运行图和实时交互的运行信息，与列车车载自主感知系统共同完成对线路上执飞无人机的控制以及列车的安全运行保障；

52、步骤s5，无人机机载安全自主感知子系统完成运行图任务返回机库。

53、优选地，所述的步骤s3具体为，无人机机库子系统唤醒需要执飞的无人机机载安全自主感知子系统完成安全自检，并将对应的无人机运行图发送给无人机机载安全自主感知子系统下载，无人机机载安全自主感知子系统完成套图后进入无人机收发装置。

54、优选地，所述的步骤s4中，无人机机载安全自主感知子系统与车载列车自主感知系统建立安全通信，并实时交互各自的设备标识、安全自检状态、安全位置和安全速度信息，无人机机载安全自主感知子系统还向列车车载自主感知系统提供前方的障碍物感知信息和无人机安全协同距离的运行信息。

55、优选地，所述的步骤s4中，车载列车自主感知系统通知无人机机载安全自主感知子系统起飞进入待飞区，无人机机载安全自主感知子系统起飞飞行至待飞区并完成初始安全定位后，通知无人机机库子系统并断开二者的连接；无人机机载安全自主感知子系统通知车载列车自主感知系统已完成协同准备，并发送实时的无人机安全位置、安全速度和安全状态信息，等待列车车载自主感知系统发车指令。

56、优选地，所述的步骤s4中，当列车需要在沿线站点停靠时，提前一站向无人机机载安全自主感知子系统发送下一站的停靠信息，无人机机载安全自主感知子系统根据运行图在对应站点的悬停区悬停等待，列车出发前应由列车车载自主感知系统向无人机机载安全自主感知子系统发送发车指令。

57、优选地，所述的步骤s4中，当列车需要在线路终折返站进行折返时，无人机机载安全自主感知子系统在折返悬停区等待，待无人机机载安全自主感知子系统悬停完成后，向列车车载自主感知系统发送折返悬停准备完成的信号，列车车载自主感知系统在收到信号后，列车方可实施折返操作，并在停妥切换车头前，通知无人机机载安全自主感知子系统同步完成折返。

58、优选地，所述的步骤s5中，当无人机机载安全自主感知子系统完成运行图任务需要退出服务时，应在前一站与目的站无人机机库子系统建立连接，当无人机机载安全自主感知子系统在对应站点的悬停区悬停完成后，通知无人机机库子系统退出服务并返回机库；此时如果无人机机库子系统中仍有后续的运行图任务，则按步骤s1～步骤s4释放新的无人机机载安全自主感知子系统继续提供服务；列车完成当日最后的运行任务返回车辆时，与车辆段的无人机机库子系统通信完成无人机的回收。

59、根据本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的方法。

60、根据本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现所述的方法。

61、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

62、1.本发明提出了一种基于无人机协同的列车安全超视距感知系统，相较于现有的车载列车自主感知系统，该系统能够弥补现有系统无法实现超视距(弯道、坡道等视野盲区)感知的缺点。

63、2.多个无人机机载安全自主感知子系统构成无人机群，同时与列车通信连接，能够延长列车车载自主感知系统的安全覆盖范围。

64、3.本发明提出的系统，相较于轨旁自主感知系统，无需全线密集布设就能实现良好的超视距补盲效果，极大程度减少轨旁设备的布设，便于系统部署与维护，对于长距离线路有非常好的适应性。

65、4.本发明提出的系统，相较于现有的非安全系统，具有更高的安全性，且具备与传统信号系统(sil4级)做接口的能力，能够在发现障碍物时实现sil2/4级的控车功能，非仅向司机输出告警，对goa4级全自动无人驾驶有更好的适配度。

66、5.本发明提出的系统为模块化设计，通过增设部分软硬件与现有的传统信号系统结合，无需对现有信号系统做较大改动，便于部署与使用维护。