本發(fā)明涉及列車運行控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于空間變換的列控系統(tǒng)移動授權(quán)安全防護方法。

背景技術(shù)：

列車運行控制系統(tǒng)是一套保證列車安全運行的控制系統(tǒng)，通過收集線路上列車當前的運行狀態(tài)及線路客觀條件，對列車運行速度進行監(jiān)督、控制，使列車在線路上安全運行。MA(Movement Authority，移動授權(quán))是在給定方向上特定列車能夠進入的一系列線路軌道區(qū)段。MA的正確與否關(guān)系著列車是否能夠在線路上進行安全運行的關(guān)鍵，因此MA計算功能是列車運行控制系統(tǒng)的核心功能。

在現(xiàn)有列車運行控制移動授權(quán)計算過程中，MA計算設(shè)備(目前為ZC設(shè)備或RBC設(shè)備)通過統(tǒng)計轄區(qū)內(nèi)列車位置，遍歷計算相應(yīng)列車運行前方可能出現(xiàn)的障礙物，如前方列車進路信息、前方列車MA等，并將生成的MA信息發(fā)送給具有超速防護功能的設(shè)備(一般為車載設(shè)備)，超速防護設(shè)備根據(jù)MA信息計算列車的速度防護曲線，并保證列車按照既定曲線在MA終點前停車。

然而目前的MA計算方式依然存在以下缺陷：

MA計算并不能保證其功能實現(xiàn)的安全無誤，不能對其結(jié)果進行安全驗證；

目前的MA計算功能并不涉及列車的速度信息及制動狀態(tài)信息，因此在運行過程中考慮到在最壞情況下及失效場景中可能導致列車不能在傳統(tǒng)方式生成的MA終點之前停車。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實施例提供了一種基于空間變換的列控系統(tǒng)移動授權(quán)安全防護方法，以實現(xiàn)有效地對生成的MA信息和列車軌跡進行安全驗證。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。

一種基于空間變換的列控系統(tǒng)移動授權(quán)安全防護方法，包括：

建立列控系統(tǒng)軌道區(qū)段及其包含的各元素的空間變換表達方法，基于所述空間變換表達方法建立移動授權(quán)安全防護的空間變換算法；

基于列車移動授權(quán)中的目標終點距離生成列車安全防護曲線，根據(jù)所述列車安全防護曲線建立列車軌跡的計算方法；

根據(jù)所述移動授權(quán)安全防護的空間變換算法對所述列車軌跡的計算方法和列車移動授權(quán)進行驗證，根據(jù)驗證結(jié)果確定所述列車軌跡和列車移動授權(quán)的安全性。

進一步地，所述的建立列控系統(tǒng)軌道區(qū)段及其包含的各元素的空間變換表達方法，包括：

使用一個6元組<a,b,id,ty,s,l>來表示鐵路線路中的軌道區(qū)段，其中a與b表示軌道區(qū)段的起始、終止位置，id表示軌道區(qū)段所包含的基礎(chǔ)設(shè)施編號，ty表示軌道區(qū)段所包含基礎(chǔ)設(shè)施的類型，s表示軌道區(qū)段所包含基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)，l表示軌道區(qū)段所包含基礎(chǔ)設(shè)施的鎖閉狀態(tài)；

將鐵路線路網(wǎng)絡(luò)定義為一個度量空間(X,d_X)，對于任意的x,y∈X，函數(shù)d_X(x,y)的取值為：

其中是比空間中x與y之間任意距離都大的值，x與y相連接表示在一個特定的時間，鐵路線路中的軌道區(qū)段能夠從y到x；

定義了V1、V2兩個空間，其定義如下：

定義1：若由列車運行控制算法計算出的移動授權(quán)MA為<u₀,u₁,u₂,……,u_n>的軌道區(qū)段序列，X1為包含MA中所有軌道區(qū)段單元的集合，為X1一個子集族，若滿足下列條件，則稱其為V1空間

1.1)空集屬于空間的起始元素{u₀}屬于且X1屬于

1.2)若且u_i∈τ1,那么

定義2：α為列車在鐵路線路度量空間中的當前位置，dir表示列車的前進方向，X2為列車軌跡中的包含的所有軌道區(qū)段單元，為X2一個子集族，若滿足下列條件，則稱其為V2空間；

2.1)空集屬于X2

2.2)若d(α,u₀·a)+d(α,u₀·b)＝d(u₀·a,u₀·b),那么被稱為空間的起始單元；

2.3)對于每個如果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

進一步地，所述的軌道區(qū)段單元中各參數(shù)的取值見下述表1：

表1.

進一步地，所述的基于所述空間變換表達方法建立移動授權(quán)安全防護的空間變換算法，包括：

基于所述空間變換表達方法建立如下的四種移動授權(quán)安全防護的空間變換算法：

算法1：若為V1空間，u₀∈X是空間的起始單元，則存在一列列車，其位置α滿足d(α,u₀·a)+d(α,u₀·b)＝d(u₀·a,u₀·b)；

算法2：若為V1空間，為V2空間，那么和安全則必須滿足且

算法3：若為V1空間，為相關(guān)的V2空間，若V1、V2空間安全，則需滿足Z_T上的是集合Z_T∩U的聚集，其中

算法4：若(X,τ₁)和(Y,τ₂)為不同列車的V1空間，那么當且僅當這兩個空間不相交時整條鐵路線路安全。

進一步地，所述的基于列車移動授權(quán)中的目標終點距離生成列車安全防護曲線，根據(jù)所述列車安全防護曲線建立列車軌跡的計算方法，包括：

根據(jù)列車移動授權(quán)MA中列車能夠行駛的最遠距離通過目標終點距控制方式生成速度防護曲線，計算公式如下：

其中L_ma是MA中的目標終點距離，TS是目標速度，B_e是緊急制動減速度，t₁為系統(tǒng)安全制動反應(yīng)時間，t₂為制動建立時間，a為最大加速度；

將上述公式1中的目標速度TS變更為當前列車的運行速度TV，L_ma變更為列車的最短走行距離L_g，那么L_g的計算公式如下：

將所述列車的最短走行距離L_g作為列車軌跡。

進一步地，所述的根據(jù)所述移動授權(quán)安全防護的空間變換算法對所述列車軌跡和列車移動授權(quán)進行驗證，根據(jù)驗證結(jié)果確定所述列車軌跡和列車移動授權(quán)的安全性，包括：

將列車移動授權(quán)和上述公式2計算出的列車軌跡作為參數(shù)分別輸入到所述移動授權(quán)安全防護的空間變換算法1、算法2、算法3和算法4中，當所述移動授權(quán)安全防護的空間變換算法1、算法2、算法3和算法4都成立，則確定所述列車軌跡和列車移動授權(quán)安全；

當所述移動授權(quán)安全防護的空間變換算法1、算法2、算法3和算法4不是都成立，則確定所述列車軌跡和列車移動授權(quán)不安全。

由上述本發(fā)明的實施例提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例提出的基于空間變換的列控系統(tǒng)移動授權(quán)安全防護方法能夠有效地對生成的MA信息和列車軌跡進行安全驗證，保證列車MA的安全性，通過相關(guān)實驗數(shù)據(jù)表明該算法可以應(yīng)用于實際的系統(tǒng)中，表明了該算法的實用性，解決了傳統(tǒng)MA計算方法無法較好地針對列控系統(tǒng)MA功能安全防護進行建模、驗證的問題。

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實施例提出的一種基于空間變換的列車運行控制系統(tǒng)移動授權(quán)安全防護算法的實現(xiàn)原理示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例提出的一種列車軌跡及移動授權(quán)的原理示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例提出的一種實驗實時狀態(tài)統(tǒng)計結(jié)果。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數(shù)形式“一”、“一個”、“所述”和“該”也可包括復數(shù)形式。應(yīng)該進一步理解的是，本發(fā)明的說明書中使用的措辭“包括”是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除存在或添加一個或多個其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應(yīng)該理解，當我們稱元件被“連接”或“耦接”到另一元件時，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這里使用的“連接”或“耦接”可以包括無線連接或耦接。這里使用的措辭“和/或”包括一個或更多個相關(guān)聯(lián)的列出項的任一單元和全部組合。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

為便于對本發(fā)明實施例的理解，下面將結(jié)合附圖以幾個具體實施例為例做進一步的解釋說明，且各個實施例并不構(gòu)成對本發(fā)明實施例的限定。

實施例一

本發(fā)明實施例提出的列控系統(tǒng)移動授權(quán)安全防護方法依靠空間變換相關(guān)理論描述了MA計算過程中必不可少的軌道區(qū)段信息描述，并通過安全防護算法實現(xiàn)了MA的安全防護功能。

本發(fā)明實施例提出了一種基于空間變換的移動授權(quán)安全防護算法。安全防護算法實現(xiàn)原理示意圖如圖1所示，本發(fā)明在ZC(Zone Comtroller，區(qū)域控制器)系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)了MA安全防護算法模塊，ZC系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)包括進行MA計算需要的列車數(shù)據(jù)、線路數(shù)據(jù)等基本信息，列控算法生成的原始的MA，列車的速度及制動指令等。根據(jù)基于空間變換的相關(guān)理論，將鐵路網(wǎng)絡(luò)描述為一個度量空間，列車原始的MA信息被抽象為一個拓撲空間，將根據(jù)列車速度及制動指令推導出的列車可能的軌跡表示為一個拓撲空間。列車安全防護是由一些基于空間變換的安全防護算法的執(zhí)行來實現(xiàn)。安全防護算法模塊的輸出是一個安全的MA信息或者是一個發(fā)送給VOBC(vehicle on-board controller，車載控制器)設(shè)備的故障-安全信息。

1基于空間變換的移動授權(quán)安全防護算法

1.1鐵路線路軌道區(qū)段的空間變換表示方法

首先，需要引入以下定義來描述列車運行控制過程。

度量空間：度量空間是一個集合X與定義在X×X上的一個實值函數(shù)d()，滿足：

1.1a)對于x,y∈X，滿足d(x,y)≥0且(x,x)＝0；

1.1b)若d(x,y)＝0，則x＝y(tǒng)；

1.2)對于每組x,y∈X，都有d(x,y)＝d(y,x)；

1.3)對于每組x,y,z∈X，都有d(x,y)+d(y,z)≥d(x,z)。

拓撲空間：若一個集合U和集合U的子集構(gòu)成的族O，滿足：

2.1)空集和U屬于O；

2.2)O中任意多個元素的并仍屬于O；

2.3)O中有限個個元素的交仍屬于O。

此時，O中的元素稱為開集，稱(U,O)是一個拓撲空間。

在本專利中，我們將列車視為一個質(zhì)點，從列車運行控制邏輯的角度看，整個鐵路網(wǎng)絡(luò)是由一系列軌道區(qū)段構(gòu)成的，每個軌道區(qū)段可能包含不同的基礎(chǔ)設(shè)施，如道岔、信號機等。我們使用一個6元組<a,b,id,ty,s,l>來表示鐵路線路中的軌道區(qū)段。其中a與b表示軌道區(qū)段的起始、終止位置，id表示所包含的基礎(chǔ)設(shè)施編號，ty表示所包含基礎(chǔ)設(shè)施的類型，s表示所包含基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)，l表示所包含基礎(chǔ)設(shè)施的鎖閉狀態(tài)。區(qū)段單元中各參數(shù)的取值見表1。

表1.軌道區(qū)段中參數(shù)的取值

利用上述的基本概念我們給出了鐵路網(wǎng)絡(luò)的空間變換定義，鐵路線路網(wǎng)絡(luò)可以定義為一個度量空間(X,d_X)，對于任意的x,y∈X，函數(shù)d_X(x,y)的取值為：

其中是比空間中x與y之間任意距離都大的值。x與y相連接表示在一個特定的時間，鐵路線路中的軌道區(qū)段可以從y到x。根據(jù)上述度量空間的定義可以看出，描述鐵路線路區(qū)段的(X，d_X)是一個度量空間。

本發(fā)明實施例提出的一種列車軌跡及移動授權(quán)的原理示意圖如圖2所示，傳統(tǒng)列控系統(tǒng)中速度防護曲線是根據(jù)MA中列車能夠行駛的最遠距離通過“目標終點距離”控制方式生成速度防護曲線，計算公式如下：

其中L_ma是MA中的目標終點距離，TS是目標速度，B_e是緊急制動減速度，t₁為系統(tǒng)安全制動反應(yīng)時間，t₂為制動建立時間，a為最大加速度。若在計算公式中將目標速度(TS)變更為當前列車的運行速度(TV)，L_ma變更為列車“最短走行距離”L_g，那么L_g可以由下述公式進行計算：

其中列車最短走行距離被稱為列車的軌跡，如圖2中所示。

為驗證列車控制邏輯的正確性，本發(fā)明定義了V1、V2兩個空間，其定義如下：

定義1：若由列車運行控制算法計算出的移動授權(quán)MA為<u₀,u₁,u₂,……,u_n>的軌道區(qū)段序列，X1為包含MA中所有軌道區(qū)段單元的集合，為X1一個子集族，若滿足下列條件，則稱其為V1空間

1.1)空集屬于空間的起始元素{u₀}屬于且X1屬于

1.2)若且u_i∈τ1,那么

定義2：α為列車在鐵路線路度量空間中的當前位置，dir表示列車的前進方向，X2為列車軌跡中的包含的所有軌道區(qū)段單元，為X2一個子集族，若滿足下列條件，則稱其為V2空間；

2.1)空集屬于X2

2.2)若d(α,u₀·a)+d(α,u₀·b)＝d(u₀·a,u₀·b),那么被稱為空間的起始單元；

2.3)對于每個如果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

根據(jù)定義2我們可以計算列車軌跡空間。

1.2列車移動授權(quán)安全防護算法

算法1：若為V1空間，u₀∈X是空間的起始單元，那么必然存在一個列車，其位置α滿足d(α,u₀·a)+d(α,u₀·b)＝d(u₀·a,u₀·b)。

該算法表明列車必須是在MA的限制內(nèi)運行，因此系統(tǒng)中的MA必然是針對于某一列特定的列車生成的。該條定理用來檢驗原始MA的合理性。

算法2：若為V1空間，為V2空間，那么和安全則必須滿足強于即and

即表明列車在運行過程中不會超出MA區(qū)域。

算法3：若為V1空間，為相關(guān)的V2空間，若V1、V2空間安全則需滿足Z_T上的是集合Z_T∩U的聚集(collection set)，其中

該算法能夠確保在列車運行過程中都遵循MA并且在任意時刻列車軌跡空間都不包含不安全的點。

算法4：若(X,τ₁)和(Y,τ₂)為不同列車的V1空間，那么當且僅當這兩個空間不相交時整條鐵路線路安全。

該算法可以用于檢查列控系統(tǒng)MA計算設(shè)備控制范圍內(nèi)中不同列車是否存在潛在的碰撞風險。

將列車移動授權(quán)和上述公式2計算出的列車軌跡作為參數(shù)分別輸入到所述移動授權(quán)安全防護的空間變換算法1、算法2、算法3和算法4中，當所述移動授權(quán)安全防護的空間變換算法1、算法2、算法3和算法4都成立，則確定所述列車軌跡和列車移動授權(quán)安全；

當所述移動授權(quán)安全防護的空間變換算法1、算法2、算法3和算法4不是都成立，則確定所述列車軌跡和列車移動授權(quán)不安全。

實施例二

根據(jù)亦莊線的實際站場布局進行了測試，效果證明該防護方法能夠?qū)α熊囈苿邮跈?quán)進行安全防護，且實驗效果沒有出現(xiàn)狀態(tài)爆炸、計算時間能夠滿足實際系統(tǒng)的使用。

在亦莊線原始站場數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過故障注入的方式將5000個故障隨機注入了5000個基礎(chǔ)設(shè)施、原始MA及列車參數(shù)中，這些故障覆蓋了列控系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種情況。通過實驗表明使用上述算法能夠?qū)σ苿邮跈?quán)進行安全防護。

在實驗過程中考慮了雙向共48條主要進路進行測試，表2列出了各條進路中包含的基礎(chǔ)設(shè)施元素。通過統(tǒng)計的不同數(shù)量列車情況下的狀態(tài)數(shù)量及運行時間來證明提出的安全防護算法能夠針對移動授權(quán)可能出現(xiàn)的問題進行有效的防護。實驗結(jié)果表明該方法并未出現(xiàn)傳統(tǒng)形式化方法中的狀態(tài)爆炸問題，且處理所需的平均時間完全能夠滿足實際系統(tǒng)的需求。

表2.案例研究中的進路列表

試驗結(jié)果

實驗過程中針對于道岔元素考慮了5個狀態(tài)，分別為定位、反位、定位且鎖閉、反位且鎖閉及不可用狀態(tài)；針對于軌道區(qū)段，考慮了占用、空閑和錯誤三種狀態(tài)；針對于信號機，考慮了綠色、黃色、紅色及錯誤四種狀態(tài)；針對列車，考慮了正常、制動及錯誤三種狀態(tài)。圖3展示了不同列車數(shù)量(1-14列列車)下在系統(tǒng)運行過程中不同時間的狀態(tài)數(shù)量，可以看出狀態(tài)數(shù)量的多少與MA中元素的個數(shù)直接相關(guān)，且在整個過程中并沒有出現(xiàn)狀態(tài)數(shù)量爆炸的問題。

綜上所述，本發(fā)明實施例提出的基于空間變換的列控系統(tǒng)移動授權(quán)安全防護方法能夠有效地對生成的MA信息和列車軌跡進行安全驗證，保證列車MA的安全性，通過相關(guān)實驗數(shù)據(jù)表明該算法可以應(yīng)用于實際的系統(tǒng)中，表明了該算法的實用性，解決了傳統(tǒng)MA計算方法無法較好地針對列控系統(tǒng)MA功能安全防護進行建模、驗證的問題。

本發(fā)明實施例通過對列車移動授權(quán)、列車軌跡及列車“最短運行距離”的空間變換表達方法和列車運行控制邏輯，給出了4條列車移動授權(quán)安全防護算法，可以有效地防護列車的移動授權(quán)處于不合理狀態(tài)、列車超出移動授權(quán)區(qū)域運行、列車運行過程中沒有遵循MA或列車軌跡空間包含危險點、整個MA計算設(shè)備控制區(qū)域中不同列車可能發(fā)生的碰撞情況，從而可以有效地保障列車運行的安全。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解：附圖只是一個實施例的示意圖，附圖中的模塊或流程并不一定是實施本發(fā)明所必須的。

通過以上的實施方式的描述可知，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到本發(fā)明可借助軟件加必需的通用硬件平臺的方式來實現(xiàn)?；谶@樣的理解，本發(fā)明的技術(shù)方案本質(zhì)上或者說對現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻的部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計算機軟件產(chǎn)品可以存儲在存儲介質(zhì)中，如ROM/RAM、磁碟、光盤等，包括若干指令用以使得一臺計算機設(shè)備(可以是個人計算機，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行本發(fā)明各個實施例或者實施例的某些部分所述的方法。

本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對于裝置或系統(tǒng)實施例而言，由于其基本相似于方法實施例，所以描述得比較簡單，相關(guān)之處參見方法實施例的部分說明即可。以上所描述的裝置及系統(tǒng)實施例僅僅是示意性的，其中所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網(wǎng)絡(luò)單元上?？梢愿鶕?jù)實際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來實現(xiàn)本實施例方案的目的。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性勞動的情況下，即可以理解并實施。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準。