融合相邻列车信息的货运列车自动驾驶控制系统及方法与流程

本发明提供了一种融合相邻列车信息的货运列车自动驾驶控制系统及方法，属于货运列车自动驾驶。

背景技术：

1、货运列车的机车、车辆、信号、线路、防护等设备不同于高速铁路和地铁，特别是重载列车，列车牵引、制动控制难度远超高铁和地铁。

2、在固定闭塞信号体系下，本车无法知道与前车的准确距离信息，只能根据区间的信号灯显示来大致判断列车间隔距离，即以前车占用区间为防护曲线闭口点进行操纵，这样多列车整体运行效率不高。

3、为解决该问题，本发明提出一种融合前后列车信息的货运列车自动驾驶控制系统及方法，该系统在既有的机车、车辆、线路、信号等技术装备体系下进行升级，人工/自动驾驶列车混跑，从而更安全的保障列车区间运行间隔、并提升列车运行效率。

技术实现思路

1、本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种融合相邻列车信息的货运列车自动驾驶控制系统硬件结构的改进及方法的改进。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种融合相邻列车信息的货运列车自动驾驶控制系统，包括定位系统、地面控制系统、车载系统和地面自动驾驶展示系统，其中车载系统设置在货运列车的机车上，通过无线网络通信系统与地面控制系统、地面自动驾驶展示系统进行通信，货运列车根据定位系统进行列车定位，并将定位信号发送给车载系统，所述地面控制系统用于采集线路上运行的所有货运列车的信息以及接收调度中心的指令，并将列车进行排序，得到列车与列车之间的前后关系，然后将上述数据发送至车载系统；

3、所述车载系统包括车载数据融合系统和车载机车自动驾驶系统，所述车载数据融合系统用于接收地面控制系统发送的本列车的信息、本列车前后列车的信息以及调度信息，同时实时接收卫星定位系统和轨道电路发送的位置信息，将上述信息进行融合处理后发送至车载机车自动驾驶系统，所述车载机车自动驾驶系统根据前后相邻列车信息、调度中心的调度信息和前方线路情况进行线路规划，使列车自动驾驶；

4、所述地面自动驾驶展示系统用于通过无线通信方式实时获取线路上自动驾驶列车运行的关键数据或多列车协调运行数据并进行展示。

5、所述定位系统包括卫星定位系统和轨道电路，其中卫星定位系统具体采用北斗/gps，用于在卫星信号正常情况下提供货运列车的位置、速度，在卫星信号异常或者列车不具备gps/北斗定位的情况下，通过轨道电路对列车进行定位。

6、所述地面控制系统与车载数据融合系统、调度中心通信，获取线路上所有货运列车的信息，包括每个货运列车的车次、车速、调度指令，同时地面控制系统实时对线路上运行的列车进行定位排序，将结果发送给车载数据融合系统，由车载数据融合系统转发给车载机车自动驾驶系统。

7、所述车载机车自动驾驶系统根据规划策略向机车输出牵引、电制动、空气制动指令。

8、所述车载数据融合系统通过通信手段分别获取车载机车自动驾驶系统、卫星定位系统和地面控制系统的数据，包括机车工况、车号、车次、列车编组、列车速度、列车载重、总重、列车运行状态、线上运行列车位置的经纬度、运行时间、本列车的前/后方相邻两个列车的信息，以及调度中心的调度指令，并将上述本列车数据传输至地面控制系统，将列车的自动驾驶运行数据传输至地面自动驾驶展示系统。

9、一种融合相邻列车信息的货运列车自动驾驶控制方法，采用融合相邻列车信息的货运列车自动驾驶控制系统，包括如下步骤：

10、s1：获取列车的位置信息，并发送至车载数据融合系统；

11、s2：获取列车的自动驾驶信息、机车状态关键信息，并发送至车载数据融合系统；

12、s3：车载数据融合系统将步骤s1和s2中的数据进行融合后发送至地面控制系统，地面控制系统根据上述数据对列车的前后车进行识别判断，得到每列车所需要的前后列车的信息，通过调度中心获取所需的列车调度信息，并将得到的信息通过车载数据融合系统传输至车载机车自动驾驶系统；

13、s4：车载机车自动驾驶系统根据地面控制系统传输的前后列车及本列车的位置信息、速度防护信息、基础线路信息、自动驾驶信息、机车状态关键信息、调度信息进行多列车协同控制运行，并将列车自动驾驶的信息发送至地面自动驾驶展示系统进行展示。

14、所述步骤s1中列车的位置信息通过卫星定位系统和/或轨道电路进行获取，步骤s2中列车的自动驾驶信息、机车状态关键信息从车载机车自动驾驶系统获取。

15、所述步骤s3中地面控制系统根据上述数据对列车的前后车进行识别判断的步骤如下：

16、通过与车载数据融合系统通信获取线路上所有列车的车次、位置、速度，以及与调度中心通信获取本列车的调度信息；

17、地面控制系统根据列车位置将列车由前到后进行排序；

18、在完成排序的列表中选择某列车前后索引的列车信息，发送给该列车。

19、所述步骤s4中车载机车自动驾驶系统进行多列车协同控制运行的过程如下：

20、以安全距离、平稳运行、准点为目标，结合前后车运行工况、速度信息，采用多目标优化控制算法获取本车运行的最优运行曲线，具体为：

21、设前车空气制动减压量为p1，速度为v1，坡道阻力为f1，位置为s1；后车空气制动减压量为p2，速度为v2，阻力为f2，位置为s2；设定本车空气制动减压量为p，速度为v，坡道阻力为f，位置为s，牵引制动力为fx；

22、最优运行曲线包括三个条件约束，分别为：

23、安全条件约束st1：s1+v1.t<s+v.t<s2+v2.t，t为运行时间，其中v=f（p，f，fx）；

24、平稳条件约束st2：如果当前线路坡道为上坡应保持fx不退牵引力，如果坡道为下坡则应保持fx不退电制力，fx=f（β，v，s），β为坡道值，如果遇到前方突发场景需要在上坡退牵引力或者在下坡退电制，需要分阶段退；

25、准点条件约束st3：根据每个区间的运行时分规划运行速度，使区间运行时间t=f（v,s）满足要求；

26、在上述约束下计算最优的自动驾驶运行曲线（p，v，s，fx）如下：

27、（p，v，s，fx）=limit（ɑ*st1+ɡ*st2+θ*st3），其中ɑ、ɡ、θ为对应约束的权重。

28、本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提出的货运列车自动驾驶系统采用智能化的技术和先进的控制策略，系统通过感知、决策、计算等环节实现对长大列车的精准控制，可以消除司机驾驶水平与习惯的差异，大大降低司机的劳动强度，避免误操作，并可以提升列车在困难区段的操纵一致性；采用智能规划和跟随的控制算法，可提高列车运行速度，降低能耗；减少列车纵向冲动；从而实现列车安全、准点、平稳、节能的运行，对提升列车运行服务质量、降低列车运行能耗、减少司机操纵难度等方面具有重大的社会意义和经济意义，是未来路网条件下列车有序协同运行的重要基础。

技术特征：

1.一种融合相邻列车信息的货运列车自动驾驶控制系统，其特征在于：包括定位系统、地面控制系统、车载系统和地面自动驾驶展示系统，其中车载系统设置在货运列车的机车上，通过无线网络通信系统与地面控制系统、地面自动驾驶展示系统进行通信，货运列车根据定位系统进行列车定位，并将定位信号发送给车载系统，所述地面控制系统用于采集线路上运行的所有货运列车的信息以及接收调度中心的指令，并将列车进行排序，得到列车与列车之间的前后关系，然后将上述数据发送至车载系统；

2.根据权利要求1所述的一种融合相邻列车信息的货运列车自动驾驶控制系统，其特征在于：所述定位系统包括卫星定位系统和轨道电路，其中卫星定位系统具体采用北斗/gps，用于在卫星信号正常情况下提供货运列车的位置、速度，在卫星信号异常或者列车不具备gps/北斗定位的情况下，通过轨道电路对列车进行定位。

3.根据权利要求2所述的一种融合相邻列车信息的货运列车自动驾驶控制系统，其特征在于：所述地面控制系统与车载数据融合系统、调度中心通信，获取线路上所有货运列车的信息，包括每个货运列车的车次、车速、调度指令，同时地面控制系统实时对线路上运行的列车进行定位排序，将结果发送给车载数据融合系统，由车载数据融合系统转发给车载机车自动驾驶系统。

4.根据权利要求3所述的一种融合相邻列车信息的货运列车自动驾驶控制系统，其特征在于：所述车载机车自动驾驶系统根据规划策略向机车输出牵引、电制动、空气制动指令。

5.根据权利要求1所述的一种融合相邻列车信息的货运列车自动驾驶控制系统，其特征在于：所述车载数据融合系统通过通信手段分别获取车载机车自动驾驶系统、卫星定位系统和地面控制系统的数据，包括机车工况、车号、车次、列车编组、列车速度、列车载重、总重、列车运行状态、线上运行列车位置的经纬度、运行时间、本列车的前/后方相邻两个列车的信息，以及调度中心的调度指令，并将上述本列车数据传输至地面控制系统，将列车的自动驾驶运行数据传输至地面自动驾驶展示系统。

6.一种融合相邻列车信息的货运列车自动驾驶控制方法，采用如权利要求1-5任一项所述的融合相邻列车信息的货运列车自动驾驶控制系统，其特征在于：包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种融合相邻列车信息的货运列车自动驾驶控制方法，其特征在于：所述步骤s1中列车的位置信息通过卫星定位系统和/或轨道电路进行获取，步骤s2中列车的自动驾驶信息、机车状态关键信息从车载机车自动驾驶系统获取。

8.根据权利要求7所述的一种融合相邻列车信息的货运列车自动驾驶控制方法，其特征在于：所述步骤s3中地面控制系统根据上述数据对列车的前后车进行识别判断的步骤如下：

9.根据权利要求8所述的一种融合相邻列车信息的货运列车自动驾驶控制方法，其特征在于：所述步骤s4中车载机车自动驾驶系统进行多列车协同控制运行的过程如下：

技术总结本发明提供了一种融合相邻列车信息的货运列车自动驾驶控制系统及方法，属于货运列车自动驾驶技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种融合相邻列车信息的货运列车自动驾驶控制系统硬件结构的改进及方法的改进；包括定位系统、地面控制系统、车载系统和地面自动驾驶展示系统，其中车载系统设置在货运列车上，通过定位系统与地面控制系统、地面自动驾驶展示系统进行通信，货运列车根据定位系统进行列车定位，并将定位信号发送给车载系统，地面控制系统用于采集线路上运行的所有货运列车的信息以及接收调度中心的指令，并将列车进行排序，得到列车与列车之间的前后关系，然后将上述数据发送至车载系统；本发明应用于货运列车。技术研发人员：张智,朱保林,张勐轶,张涛,江帆,王刚,谷禹涵,李东,陈祖明,陈佳辉,童榜名,李亚楠受保护的技术使用者：大秦铁路股份有限公司科学技术研究所技术研发日：技术公布日：2024/2/29