动态间隔可调整的列控系统自主感知关键技术及应用

蔡伯根，朱 强，上官伟,b,c，刘 丹，姜 维,b,c,王 剑,b,c

(北京交通大学 a.电子信息工程学院，b. 轨道交通控制与安全国家重点实验室， c.北京市轨道交通电磁兼容与卫星导航工程技术研究中心，北京 100044)

当前我国铁路进入了快速发展阶段，根据《铁路“十三五”规划发展》计划[1]，到2020年，全国铁路营业里程将达到15万km，其中高速铁路3万km，中西部路网规模达到9万km左右，铁路客运量达到40亿人、平均年增长率9.5%，货物发送量达到30亿t、平均年增长率2.1%.随着铁路行车密度的加大，铁路线路能力日趋紧张，列控系统作为铁路运输系统的重要核心，保证列控系统安全、可靠及高效的运行至关重要.目前我国运营和在建的高速列车普遍采用CTCS-2和CTCS-3级列车运行控制系统，其技术特点是采用地面设备和无线通信手段实现运行控制，采用半固定、准移动闭塞方式调整列车追踪，以各区间最大追踪间隔作为全线追踪间隔标准，铁路线路运输能力存在巨大提升潜力，此外，列控系统对列车态势的感知过程对轨道电路、应答器等地面设备存在依赖，需要耗费巨大的建设支出及运营维护成本，同时伴随着列控系统自主化、智能化需求的不断提高，采用自主感知的解决策略发展未来新型自主化列车控制系统并深入探索在途列车动态间隔调整策略已迫在眉睫.

基于优化控制、提高效率、降低成本的考虑，国内外先后展开了新型列控系统的研究.欧盟在ETCS-3级基础上，与国际铁路联盟提出了ERTMS-Regional方案[2]，基于无线通信技术和卫星导航技术实现列车高精度定位和列车完整性检查；依靠应答器和无线闭塞中心实现列车追踪间隔控制[3]，保证列车运行安全，缩短追踪间隔.美国推出的PTC系统[4]，使用车载卫星定位设备、无线传输设备解算列车位置，传递位置报告和行车许可，利用移动闭塞调整列车追踪间隔[5]，具有高效的列车运行管理能力.我国青藏线使用的 ITCS 列控系统采用基于卫星导航的定位方式实现列车位置检测[6]，基于GSM-R无线闭塞方式实现列车间隔控制，提升列车运行效率.同时，根据我国CTCS 列控系统体系发展的规划，未来将开发并应用CTCS-4 级列控系统，面向高速铁路或低密度线路[7]，基于车-地无线通信实现虚拟闭塞或移动闭塞，列车通过车载设备实现自主定位，司机通过车载信号行车，进一步提高铁路运输效率.

在列车运行过程中，列车控制功能的实现依赖于对列车实时动态过程的准确掌握，我国高速铁路目前广泛应用的CTCS-2/3 级列控系统采用地面应答器辅助车轮传感器实现列车位置状态感知，利用轨道电路实现列车占用检查.基于应答器实现列车位置校正同样需面临大量地面设备导致的系统成本问题，同时，其对车载系统测速定位的校正作用具有明显的离散性，其校正效能的增强需要以加大设备投入为代价，对系统结构、逻辑的复杂性以及与之相关的不确定性带来了更大挑战.近年来，卫星导航系统因其显著的性能及成本效益，逐步被引入铁路系统用于列车定位[8]，采用基于卫星导航的列车定位手段不仅可以实现高更新率的高精度定位，同时可以减少轨旁设备，降低成本和维护量[9].但是，由于列车运行环境复杂，卫星信号易受沿途隧道、山谷、森林等环境遮挡，导致基于卫星导航的列车定位系统精度下降甚至失效，考虑到列车运行的高安全苛求特性，为了更好地获取列车位置信息，卫星导航系统需要与其他传感器组合[10]，优势互补，满足列车安全运行需求.目前，采用卫星导航与其他测速定位传感器组合方式实现列车运行状态的获取已经成为列车定位领域研究热点之一.

列车状态自主感知用于列车运行控制与安全保障过程中，列车状态的判别在列车运行态势评估以及列车安全控制策略中引发了新的问题，列车追踪间隔控制、列车追踪安全预警等目标的实现需要与列车自主感知过程形成紧密结合，实现动态间隔调整、动态追踪预警等功能模式，在确保安全的前提下实现优化列车控制、提高铁路运输效率等目标[11-12].现在普遍采用的基于固定闭塞、准移动闭塞的列车间隔控制方式以前车所在闭塞分区的入口为目标点进行目标-速度曲线的计算，以牺牲列车追踪空间和运行效率保证列车运行安全.实际列车在运行过程中，根据列车运行态势、性能，综合考虑前车运行态势、路况、临时限速及控制命令等动态信息，计算所得的列车安全车距即最小追踪间隔也会发生变化[13].如何根据这种动态变化，将自主感知特性与列车安全控制过程有效结合，调整列车追踪运行的具体行为，从而达到列车间隔动态调整的目的，无疑将有助于提高列车运行控制的质量，并深入挖掘线路的运输潜能，进一步提升铁路的运输效率.

中国CTCS-4级列控系统研究处在探索阶段，尚未形成成熟的列控系统方案.本文作者提出一种基于自主感知的动态间隔可调整的列控系统技术方案，并阐述了系统具备的关键技术.同时，针对列控系统中的定位需求，将卫星导航系统和惯性导航系统进行组合定位，保证定位连续性；结合地图匹配技术，提高定位精度，在列车运行态势精准感知的基础上，提出列车间隔动态调整策略和三级告警机制的列车追踪预警方法，为列车运行间隔的动态调整提供了安全保障和技术支持，并利用铁路现场试验实现部分理论方法的测试验证，为我国CTCS-4 级列控系统的发展提供有效的参考价值.

1 动态间隔可调整的列控系统方案

以提高我国铁路调度运输能力为目标，充分利用相关行业先进技术快速发展带来的便利，本文设计了一种基于自主感知的列车间隔可动态调整的列控系统技术方案.列控系统基于多模无线通信完成车-地间信息的快速传输实现闭塞，列车通过车载设备完成自主定位.系统通过引入卫星定位、无线通信等技术，简化地面设备，增强车载设备功能，将地面进路控制和联锁功能转移到车载设备，由车载设备完成列车运行状态的获取和完整性检查，结合地面发送的行车计划和线路状态信息，完成列车行走路径的计算和行车许可的下达，实现动态间隔调整和超速防护，并操作地面对象控制器完成进路控制.列控系统总体架构见图1.

图1 动态间隔可调整的列控系统架构Fig.1 Train control system architecture with adjustable dynamic interval

基于自主感知的新型列车控制系统同既有列控系统相比，其重要特征为基于车-地无线通信实现虚拟闭塞或移动闭塞，列车通过车载设备实现自主定位.新型列控系统能够利用列车自身的自主感知能力获取列车状态，从根本上改变现有列车状态态势的感知方式，新的感知手段的引入也将改变既有列控系统的感知模式.本文作者从高速列车安全控制方面出发，以安全保障为核心目标，针对基于自主感知的高速列车运行控制系统和安全预警系统的移动授权及安全预警逻辑，对列控系统关键技术及动态间隔调整原理进行分析.

1.1 列控系统关键技术分析

基于上述列控系统结构和基本工作原理，分析了系统采用的关键技术.

1)信息实时传输技术.列控系统功能的实现基于信息的实时、有效传输，因此列控系统利用无线通信设备替代轨道电路等地面设备，并采用多种无线通信技术共存的方式，构建安全可靠的通信链路，保障车-地、车-车、地-地间的信息实时、可靠交互.多模无线通信传输系统包括通信模式切换子系统、地面通信基站子系统、移动终端和多模通信网关等.

2)列车运行状态自主感知技术.利用列车定位单元实现列车运行状态的自动获取，减少计轴器等地面设备.定位单元主要包括车载卫星导航接收模块、惯性导航模块、电子轨道地图和数据处理模块等.列车定位系统采用基于卫星导航的组合定位方式连续计算位置，利用地面差分基准站辅助的方式提高卫星定位精度，定位处理器根据接收的定位信息，搜索电子轨道地图数据库匹配产生准确列车位置并发送至车载安全计算机和地面控制中心，实现列车位置、速度信息的获取和轨道占用识别.

3)列车完整性自检查技术.在获取列车运行状态的基础上，通过在列首列尾分别放置列车定位单元，结合无线通信设备构建完整性检查单元.列尾设备定期向列首终端发送列尾位置、速度信息，由列首终端计算车长并结合列首运行状态信息，综合推算出列车完整性的状态，保证准确、及时地检测列车完整性异常的情况，并及时给出告警.同时，将完整性检查结果传递给安全计算机和地面控制中心，一方面辅助车载计算机完成安全防护，另一方面辅助地面控制中心完成区段出清判别，保证行车计划的正确下达.

4)列车运行间隔调整技术.车载安全计算机通过获取来自列车定位单元的列车运行状态信息和列车完整性检查单元的完整性信息，实现虚拟闭塞区间的划定并发送到地面控制中心，同时接收来自地面线路资源管理中心的线路信息.来自地面控制中心的行车计划，并和前向列车通过无线通信设备实现列车间位置、速度信息的相互交换，进而完成速度-距离运行模式曲线的计算和行车许可下达，实现列车行为的调整，并将计算得到的虚拟信号显示并传送给司机作为行车凭证，在保护列车运行安全的同时提高运行效率.

5)列车追踪预警技术.在列车实际运行中，存在许多不可控因素，且列控设备不可避免地存在故障、失效等情况.因此，需要采用一种独立辅助的技术手段对列车追踪间断的安全性进行判别.列车追踪预警系统通过监视本车的运行状态，获取运行线路上前向列车的位置、速度信息进行碰撞风险分析，实现追踪列车的安全状态判别和预警.当列车接近前方列车，存在潜在追尾碰撞危险时，系统能够根据危险等级向列车发出预警，提醒列车司机发现危险状况并及时做出安全响应，避免灾难性事故的发生，从而保障列车运行安全.

1.2 系统动态间隔调整原理

传统的列控系统由于信息传输的滞后性等因素影响，通常将前向列车当做静止障碍物，采用“撞硬墙”的方式控制列车运行间隔，但是，在实际运行中列车不可能瞬间由高速运动状态变为静止状态.在动态间隔可调整的列控系统中，列车车载设备利用基于卫星导航的组合定位技术，实时、连续掌握列车精准的运行状态信息；利用基于无线通信的“车-车”直接通信技术，借助高精度的时钟同步算法，实时掌握通信范围内其余列车的运行信息.因此，列控系统在动态模型构建时将前车车尾视为一个具有速度的动态点，缩短了相邻两车间的安全间距，使列车在追踪状态下，以“撞软墙”的方式追踪前车，前后车之间实际只需要保持一个长度为d的安全车距，即可保证在追踪过程中不会发生追尾事故，以缩短行车间隔，提升运行效率.列车追踪运行原理见图2.

图2 列车追踪运行模式Fig.2 Train tracking operation mode

同时，综合考虑列车制动过程中的主要影响因素和前车的最有利制动时后车的最不利制动情况的基础上，给出了具有真实物理意义的最不利情况.因此，根据图2可得

d=(Laction+Lbreak1)+(Lsafe+Ltrain)-

Lbreake2-Ltrain

(1)

(2)

(vb+amax qta)td

(3)

(4)

式中：Laction为后车在最不利情况下以最大的加速度amax q运行时间ta所走过的距离与牵引切除完毕到真正制动生效时间td内的惰性行走距离的总和；Lbreak1、vb、tz、τz分别表示后车制动距离、初始速度、制动时间和制动加速度；Lbreak2、vf、τmax z分别表示前车制动距离、初始速度、最大制动加速度；Ltrain表示列车车长；基于安全考虑，在计算列车间安全车距时增加长度为Lsafe的安全防护距离，为列控系统能够在干扰情况下调整行车计划提供了时空裕量.

在列车追踪运行过程中，后车以“撞软墙”的方式追踪前车充分体现了列车间隔动态调整的特点，即后车根据列控命令进行的行为调整，必须是在依据前车与后车当前的运行状态以及两车安全车距的基础上进行的.因此，如何连续、精准地获取列车运行状态信息变得尤为重要.

2 列车运行状态感知技术

伴随着卫星导航增强技术的逐渐成熟和广泛建设、应用，利用地面增强系统提供的服务进一步提升了全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)在铁路领域的应用能力，为更大范围、更深层次的基于卫星导航的铁路专用定位应用创造了良好条件[14].为获取更精准的列车运行状态(位置、速度)信息，本文研究并设计了地面差分增强系统，用于辅助列车定位，系统结构见图3.

图3 地面差分增强系统结构Fig.3 Structure of ground differential enhancement system

地面差分增强系统由基准站子系统、数据处理中心、用户子系统三部分组成.基准站子系统根据已知精确基准站坐标和接收到的卫星观测信息，生成伪距和相位改正数，经由通信接口机传输至数据处理中心，数据处理中心根据收到的用户位置信号进行决策，返回最优差分改正数，辅助用户实现差分定位，并将卫星导航观测数据和用户信息存储至数据存储服务器，供后期维护.同时，为提高系统容错性，地面差分增强系统采用双机热备的架构，当一套设备检测到本身出现故障后，系统将之隔离，另一套设备可以在短时间内将故障设备的应用接管过来，提升了应用的持续性和系统的容错性.

但是列车在运行中若驶入隧道、山谷卫星信号受遮挡区域，可用卫星数少于4颗时，定位失效[15]，严重影响列车运行安全.而惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)在卫星导航失效时仍可提供短时有效的位置、速度信息，再结合地图匹配技术，可提高定位的连续性和可靠性.

2.1 GNSS/INS组合定位技术

GNSS和INS在单独使用时，具有明显的优缺点.一方面INS作为一种完全自主的传感器，具有数据更新率高，不受外界信号干扰的优点，但其误差随时间累积，另一方面GNSS能够提供高精度的全球三维实时定位信息，但作为被动式导航的GNSS，进入隧道等卫星信号受遮挡环境，卫星导航系统定位误差将增大甚至会失效.因此，根据GNSS和INS误差互补特性[16]，形成一个新的导航系统，实现列车的连续、无缝定位.按照组合方式的不同，GNSS/INS组合导航系统可以分为松组合、紧组合两大类.

2.1.1 松组合定位技术

松组合定位模式是将INS和GNSS接收机各自输出的列车位置/速度做差，作为组合导航融合滤波器的观测值，利用组合导航融合滤波算法，生成INS状态误差估计值，并利用生成的估计值对INS导航解算信息(位置/速度/姿态角)进行校正后输出结果[17]，即组合导航的融合后的列车定位结果.GNSS/INS松组合结构见图4.

图4 GNSS/INS松组合定位结构Fig.4 GNSS/INS loose composite location structure

GNSS/INS松组合中融合滤波器采用线性卡尔曼滤波器，因为GNSS接收机解算给出的位置和速度误差一般是时间相关的色噪声，在实际中往往难以建模，因此在本文中构建GNSS/INS松组合系统状态时仅考虑INS的误差, 系统状态由INS定位位置/速度/姿态及惯性器件(陀螺仪和加速度计)的状态误差两部分15维向量组成，系统状态向量为

X(t)=[φN,φE,φD,δvN,δvE,δvD,δL,δλ,δh,εx

εy,εz,x,y,z]

(5)

式中：(φN,φE,φD)，(δvN,δvE,δvD)分别表示导航坐标系下北，东，地3个方向上的姿态误差和速度误差；(δL,δλ,δh)分别表示纬度、经度和高度的误差；(εx,εy,εz)，(x,y,z)分别表示载体坐标系下前，右，下三个方向上的陀螺仪的随机漂移和加速度计的随机漂移.

在GNSS/INS松组合列车定位系统中，系统需要比较卫星解算的位置、速度与INS解算的对应的位置、速度，所以系统量测向量为

(6)

式中：PI，VI表示INS自解算的位置、速度；PG，VG表示GNSS自解算的位置、速度.

2.1.2 紧组合定位技术

GNSS/INS紧组合首先由INS自解算得到列车的位置、速度和姿态信息，结合GNSS接收机采集的卫星星历中的卫星位置信息，计算出接收机到卫星的等效伪距和伪距率.GNSS接收机给出原始的伪距和伪距率.然后，将两者对应的伪距、伪距率分别做差，得到的结果作为组合导航滤波器量测输入值，修正INS导航系统自解算信息(位置/速度/姿态)，获取融合后的列车位置、速度信息.GNSS/INS紧组合结构见图5.

图5 GNSS/INS紧组合定位结构Fig.5 GNSS/INS tight combination location structure

(7)

在GNSS/INS紧组合列车定位系统中，系统需要比较卫星原始伪距、伪距率与INS解算的对应的伪距、伪距率，系统的量测矩阵为

(8)

综上来看，相较于松组合，GNSS/INS紧组合利用卫星星历数据解算伪距等信息，因此在可用卫星数少于4颗时依然能够提供连续的、较高精度的位置输出，具有更强的鲁棒性.无论哪种组合方式，相比单一的卫星导航系统和惯性导航系统，GNSS/INS的组合导航方式既能够保证列车位置、速度输出的连续性，又可以提高基于卫星导航的列车定位的可靠性.

2.2 基于数字轨道地图的地图匹配方法

列控系统对定位的精度要求与列车在轨道上位置(股道数/股道号以及公里标)具有强相关性[18].列车在正常运行情况下，一定会处于铁路线上，所以采用地图匹配技术能够在满足列控系统需求的同时提高列车定位的精度.进行地图匹配时，首先采集铁路线路数据，制成高精度的离线数字轨道地图库，然后将GNSS/INS组合定位结果,与各候选轨道进行匹配决策，获取列车精确的位置，实现列车轨道占用识别，原理见图6.

图6 地图匹配原理Fig.6 Map matching principle

地图匹配通过垂直投影的算法将组合定位结果投射到地图的线路中.算法如下：

1)搜索地图数据中，距离目标点P0(x0,y0)最近的线路位置点P1(x1,y1)，以及其前后的线路位置点P2(x2,y2),P3(x3,y3).

2)计算出目标点与P2和P3两个点的距离，选择两个点中距离最近的点P3.

3)将P0点映射到P1与P3之间的连线上，得到匹配的位置点P(x,y).

由海伦公式计算得到h，算得线段比例，最后确定投影点P点坐标.公式如下

(9)

(10)

(11)

(12)

联立以上四式，最后可求得投影点P坐标即最终输出列车在轨道上的位置，并作为下一次组合定位的起点，完成对组合导航系统解算位置的修正，即提高GNSS/INS组合定位精度，也为后续列车动态间隔的调整提供了更加精确的轨道占用信息.

3 列车动态间隔调整和追踪预警方法

3.1 列车间隔动态调整策略

一方面列车运行状态信息的精准、连续获取，为列车追踪间隔的动态调整提供了技术支撑和安全保障，另一方面从乘客舒适度和节能减排角度来说，列车不宜频繁加/减速，故列车追踪运行通常情况下宜保持合理的间隔匀速追踪运行.在综合考虑列车运行安全、舒适、停靠准确度等多重因素.结合系统动态间隔调整原理由式(1)可得

L1=d=Laction+Lbreak1-Lbreak2+Lsafe

(13)

式中：L1为动态安全车距，L2为两车实际车距.

控制策略具体的实施步骤如下：

1)列车位置获取.车载计算机获取本车与前车位置信息，并进行时间对准，如果相同，直接跳转到步骤2)，否则取前向列车上一时刻位置信息，随后跳转到步骤2).

2)列车间距检测.判断后车与前车的间距L2是否满足安全性需求，当两车车距L2

3)此时L2

4)此时L2≥L1，后车开始制动，并以列车实际车距L2为当前时刻至停车时的行驶距离；减速停车过程中持续对追踪运行的安全性进行检测，即转步骤1)，根据自身当前位置，判断车距是否满足安全性需求，根据新的情况进行行为调整.

由于列车位置是随时间动态变化的，这就要求前车与后车之间保持一定频率的周期性通信，保证后车能够实时掌握前车的位置信息，并且每次交互的信息都应该有严格的时效性，避免因信息滞后而影响了后车的判断，所以前/后车车载设备以10 Hz频率进行信息交互，为列车追踪调整的调整提供技术保障，在提升铁路运输效率的同时，也提高了列车运行控制的质量.

3.2 列车追踪预警方法

为实现对列车追踪运行中可能出现的危险情况提供准确、高效的安全预警，须紧密结合列车追踪运行的动态过程，综合利用列车运行状态信息及安全预警逻辑，对同线路、同方向运行列车的运行安全状态进行实时准确的计算评估[19].在尽可能完备地实施安全预警的同时尽量降低对司机操作的影响与干扰，因此本文采用三级式分级告警机制在相应等级的安全态势下给出预警，原理见图7.

图7 三级告警机制Fig.7 Three-level warning mechanism

图中D1为最大常用制动距离，由式(1)可得

(14)

三级告警机制原理是依据实时的列车间隔给出相应的预警信号，因此设定长度为D1的安全防护分区用于安全判定，预警机制具体如下：

1)蓝色预警.当后车与前车的间距大于D2且小于等于D3时，若后车继续以更高速度接近前车时存在潜在安全冲突风险，追踪预警单元显示蓝色预警信号，司机接受到预警信号后应立即注意本车的运行状况，同时关注前车位置动态.

2)黄色预警.当后车与前车的间距大于D1且小于等于D2时，后车将接近安全防护分区，若后车继续以更高的速度接近前车，使得列车间距小于安全防护分区时存在安全冲突风险，追踪预警单元显示黄色预警信号，司机接收到预警信号后应当立即采用常用制动降低列车速度.

3)红色预警.当后车与前车的间距小于等于D1，后车与前车的间距小于安全防护分区，存在严重的安全冲突风险，追踪预警单元显示红色预警信号，司机应当立即采取紧急制动措施.

通过确立蓝色、黄色及红色预警的三级告警机制，在较好地表达列车接近风险等级的同时，司机能快速明确地确认危险情况并作出反应，可以在列车运行间隔动态调整时有效保障列车运行安全.

4 验证与分析

结合2018年9月12日在京沈高铁进行的高铁测试试验，对基于自主感知的动态间隔可调整的列控系统中,提出的基于卫星导航的列车运行状态感知方法和基于三级告警机制的列车追踪预警方法进行了测试验证.

4.1 测试试验条件

在京沈高铁试验中，选择高速动车组CR400BF-0305作为测试列车进行GNSS/INS数据采集和追踪预警测试，测试期间该列车运行于京沈高铁沈阳西—朝阳段，平均车速300 km/h.测试区段包含平原、隧道等多种环境，运行路径见图8.

4.2 基于卫星导航的列车状态感知实验测试

测试区段为新民—黑山区间，测试期间在黑山车站附近放置一套地面差分基站，使用和芯星通UB370型卫星导航接收机与ADIS16488 型惯性测量单元搭建车载组合定位单元输出GNSS/INS融合结果和GNSS、INS原始数据.同时，利用前期采集的线路勘测数据制作了轨道电子地图,对融合定位结果进行匹配，并利用NovAtel SPAN-FSAS型高精度组合导航定位设备输出结果当做实际列车运行轨迹进行对比.

1)差分定位测试.

有地面差分基站辅助的卫星定位结果和无差分卫星定位结果见图9.可知，伪距单点定位误差在7 m，差分定位误差在2.5 m，由于传统区段轨道线间距(5～6.5 m)，所以差分定位基本满足轨道占用识别对列车定位精度的需求.但是，测试时采用的信息传输方式存在1 s左右延时，差分性能受限，此外单个差分基站只能提供沿线30 km内的高质量差分服务，并不能满足铁路全线覆盖的需求.因此，如何构建地基增强系统实现全线路覆盖，充分发挥差分定位优势有待进一步研究.

图9 差分定位和伪距单点定位结果对比Fig.9 Comparison of differential location and pseudo range single point location

2)GNSS/INS组合定位测试.

GNSS/INS组合定位结果和卫星导航单点定位结果见图10.

图10 单点定位和GNSS/INS组合导航结果对比Fig.10 Comparison of single point positioning and GNSS/INS integrated navigation

在图10中卫星定位多次失效，此时，GNSS/INS组合定位系统依靠对INS中加速度计和陀螺仪数据进行推算，依然可得到列车位置，保证了定位的连续性，但是当卫星信号长时间缺失时，INS定位误差累计将会导致定位精度大幅降低，影响列车运行安全.

3)地图匹配测试.

GNSS/INS组合定位结果和地图匹配定位结果见图11.

图11 GNSS/INS组合导航和地图匹配定位结果对比Fig.11 Comparison of GNSS/INS integrated navigation and map matching location results

由图11可知，GNSS/INS组合定位结果误差在3 m，在经过地图匹配后，定位误差缩小到1.5 m，提高了列车定位精度.

4.3 列车追踪预警实验测试

在京沈高铁试验中，构建了由列车定位单元、转发服务器和无线通信设备3部分组成的列车追踪预警系统.列车定位单元A放置于测试列车列尾车厢上，实时获取列车当前位置；列车定位单元B放置于测试列车列首车厢上，选取列车运行历史数据，以离线回放的方式模拟前向列车的运行轨迹，通过无线通信设备传送到转发服务器，利用转发服务器上运行的列车接近预警监控程序进行数据接收及预警逻辑判断，并将判断结果发送至预警显示单元.

在试验中，设置正常、提示、预警和警告4种预警状态等级.预警等级的配置如下,正常：列车距离在45 km以上时；提示：列车距离在45～30 km时；预警：列车距离在30～15 km时；警告：列车距离小于15 km时.试验期间列车追踪预警单元界面见图12.

图12中，随着两车追踪间隔的动态变化，列车接近预警单元都会实时显示相应预警信息，此外，测试速度与列车实际速度误差在±0.01%以内，由此可得，基于三级告警机制的列车追踪预警方法能够保证列车追踪间隔的安全监控，可以为列车间隔动态调整的实现提供安全保障.

图12 列车接近预警单元显示界面Fig.12 Display interface of train approaching early warning unit

5 结论

我国铁路列车运行控制这一关键领域正在面临十三五阶段新的发展机遇，同时卫星导航系统在列车控制领域的应用在世界范围内进行着高速的协同与融合发展，具有十分显著的发展应用潜力.

1)本文通过分析国内外列控系统研究现状，设计了一种动态间隔可调整的列控系统架构，为下一代智能化铁路列控系统提供了理论参考.

2)针对列控系统的定位需求，提出一种基于卫星导航的列车运行状态感知方法；针对列车安全和高效运行需求，提出了一种动态间隔控制方法和追踪预警方法，为列车动态间隔调整提供了技术支持和安全保障.

3)借助京沈高铁试验分别对地面差分基准站,数字轨道地图辅助的GNSS/INS列车组合定位方法和基于三级告警机制的列车追踪预警方法进行了测试.现场试验结果验证了所提方法的有效性,可以实现在途列车连续无缝定位，有效监控列车追踪间隔并给出可靠预警提示.

未来将对卫星导航地面增强系统、组合导航算法进行深入研究，并引入卫星完好性监测技术,研究列车位置可信评估技术，进一步建立列车接近风险评估方法，在满足铁路“故障-安全”原则的基础上，辅助实现列车动态间隔调整.