面向不同智能化等级的城市轨道交通列车运行控制系统

1.一种面向不同智能化等级的城市轨道交通列车运行控制系统，其特征在于，包括：列车运行控制单元，用于按照列车全过程，实现列车测速定位、起动、速度防护、间隔防护、进站停车、车门和安全门的自动打开/关闭、移动授权计算、障碍物检测和故障处理；列车调度指挥单元，用于采集列车各子系统设备、传感器和列车运行的实时状态数据，对所获取的实时状态数据进行处理，进行运行图生成、各类控制命令下达、列车实时状态显示和监测、环境设备状态监测及故障报警处理；从面向智能化角度将城市轨道交通列车运行控制系统分为4级，从低到高依次命名为L1、L2、L3和L4级别，在L1级别的城市轨道交通列车运行控制系统中：所述的列车运行控制单元，具体用于通过车载设备实现列车测速定位、速度防护和间隔防护；通过司机监视列车运行前方的轨道状态，启动列车自动运行功能；所述的列车调度指挥单元，具体用于通过调度员和系统共同监视列车的运营过程，通过调度员完成决策任务，通过调度员根据需求加载运行图；当运行状况与计划发生偏差时，系统进行报警，通过调度员下达调度命令以减少偏差，调度命令的执行任务由系统完成；在L2级别的城市轨道交通列车运行控制系统中：所述的列车运行控制单元，具体用于实现如下的功能：a)列车休眠系统中增加了列车休眠/唤醒模块，在接受到列车休眠命令后，休眠/唤醒模块控制列车控制设备以及车上的各相关设备下电，列车控制设备进入休眠状态；b)列车唤醒处于休眠状态的列车控制设备，在接收到列车唤醒命令后，恢复列车运行控制系统的全部功能，并接通车上各用电设备的电源，使列车具备投入正常工作的条件；c)车门安全门间隙探测当列车停靠在站台时，传感器对车门与站台安全门之间的间隙进行实时检测，若检测到车门安全门间隙之间存在异物时，将此异常状态发送给列车运行控制系统，并发出声光报警；d)障碍物被动检测在列车第一轮对前方安装η型板弹簧部件，基于列车与障碍物接触产生的弹簧板载荷-形变原理，结合有限元方法进行对比验证，选取典型碰撞工况分析装置的静力学特征，当列车行进过程中与障碍物接触时，弹簧板受力发生形变，从而将碰撞信息实时发送给列车运行控制系统，由列车运行控制系统记录并处理；e)无人自动运行在速度防护功能的监控下，根据列车位置、速度和运行目的地信息计算自动驾驶曲线，并自动控制列车实现牵引启动、惰行、巡航和制动控制，实现列车在站间运行过程的自动驾驶；f)无人参与下的故障处理系统中预置了常见故障的原因和处理措施，在故障发生后，系统根据故障的状态进行故障原因的判断，并根据故障处理措施的指示自动进行故障处理；所述的列车调度指挥单元，具体用于实现如下的功能：g)环境设备状态监测决策任务是由系统辅助调度员完成的；h)运行模式的转换根据环境设备状态监测的反馈，获知列车运行所处的实际状态，在遇到雨雪天气情况时，自动进入预置的雨雪模式运行，在正常情况下恢复正常模式运行；当列车在车站停车不准或遇到故障需要处理时，自动进入蠕动模式低速运行，便于中心的调度员对列车进行远程控制和进行故障处理；调度员确认紧急情况后，执行任务由系统根据预设处置方案完成；i)休眠唤醒命令中心调度系统根据需要发出列车休眠/唤醒命令，控制列车进入或退出休眠状态，休眠/唤醒命令由中央调度指挥系统通过网络发送给列车控制系统；j)蠕动、雨雪模式中央调度控制系统远程控制列车进入或退出蠕动、雨雪模式，列车进入或退出蠕动、雨雪模式的命令由中央调度指挥系统通过网络发送给列车控制系统。 2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在L1级别的城市轨道交通列车运行控制系统中：所述的列车运行控制单元，具体用于实现如下的功能：a)列车测速列车根据安装的速度传感器、多普勒雷达设备进行列车速度的实时测量；b)列车定位在地面固定位置安装应答器设备，列车在经过应答器时，根据应答器的信息获得列车的位置和方向；c)速度防护列车结合自身的位置信息、速度信息以及其他列车和轨旁设备的状态信息，计算防护速度曲线，当列车速度超过防护曲线速度时实施制动使列车减速或停车；d)有司机参与下的自动运行在速度防护功能的监控下，根据列车位置、速度和运行目的地信息计算列车的自动驾驶曲线，在有司机参与下实现牵引启动、惰行、巡航和制动控制，实现列车在站间运行过程的自动驾驶，在得到司机的授权下进行列车在站台出站发车；e)计算移动授权根据线路上各列车的位置信息、前方进路信息状态，为每列车生成移动授权信息，指示列车在移动授权规定的范围内安全运行，后续运行列车的移动授权终点不超过前行列车的车尾位置；f)司机参与下的故障处理在列车运行过程中出现任何故障时，在得到司机的授权下对故障原因和处理方式进行判断并作出故障响应；所述的列车调度指挥单元，具体用于实现如下的功能：g)正线列车运行状态监控中央的列车调度指挥系统接收全线列车的运行状态信息，通过显示器对各列车的运行状态进行展示，对列车运行的状态进行逻辑处理，检查各列车是否存在需要处理的故障信息，并在有故障的时候进行报警提示；h)列控设备状态监控中央的列车调度指挥系统接收全线所有列控设备的状态信息，通过显示器对各设备的运行状态进行展示，对设备运行的状态进行逻辑处理，检查各设备是否存在需要处理的故障信息，并在有故障的时候进行报警提示；i)离线运行图生成根据所有列车的运输任务，离线生成列车运行图，确定各列车的运行路径、在各车站的进出站和停站时间，并以图、表的方式展示；j)列车实际运行与计划运行偏差计算根据正线列车运行状态监控的结果和列车运行图信息，对列车实际运行状态与计划运行状态的偏差情况进行实时计算，并对计算的结果进行显示，当列车实际运行与计划运行出现偏差时进行报警提示；k)冲突管理实时根据列车运行实际状态对列车未来可能的运行状态进行预测，对于潜在的列车运行冲突情况进行预警；l)进路命令：根据决策阶段生成的进路命令，完成对进路命令的下发，通过网络将进路命令发送给相应的列车控制系统；m)跳停命令：根据决策阶段生成的列车跳停命令，完成对跳停命令的下发，通过网络将进路命令发送给相应的列车控制系统；n)扣车命令：根据决策阶段生成的车站扣车命令，完成对扣车命令的下发，通过网络将进路命令发送给相应的列车控制系统；o)调整命令：根据决策阶段生成的列车运行调整命令，完成对调整命令的下发，通过网络将进路命令发送给相应的列车控制系统。 3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在L3级别的城市轨道交通列车运行控制系统中：所述的列车运行控制单元，具体用于在完成L2级别的列车运行控制功能单元的基础上，还实现如下的功能：a)障碍物主动检测列车车身安装雷达探测器，通过雷达探测器探测车辆周围存在的物体，通过高频照相机拍摄车辆周围的物体，根据雷达的输出，在车辆行驶过程中进行障碍物的检测，当检测到判断障碍物的可能性高于预设阈值时，向列车运行控制系统发出报警信息；b)客流检测中央调度指挥系统接收乘客售检票系统或相关客流检查传感器的状态，对实时客流状况进行检查和统计；c)考虑客流衔接的运行图生成中央调度指挥系统在生成列车运行图时将检测的客流状态转换为运输需求，根据实时运输需求确定各列车的运行计划，并生成运行图。 4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述的列车运行控制功能单元，具体用于进行障碍物主动检测时，利用2台长短焦相机基于双目视觉技术实现对线路环境和目标信息的采集，对长短焦相机进行联合标定，应用基于张正有相机标定算法进行相机内参标定，同时应用相机几何成像原理进行相机外参标定；分别进行长短焦相机环境感知，利用卡尔曼滤波实现对目标的识别及路径预测；在完成各自环境感知的基础上进行长短焦感知信息融合，提取长短焦图像的特征点，进行相机的特征匹配，估算识别目标的车速及车间距；根据当前列车位置和状态以及识别目标的位置和状态，建立列车前方危险场模型，实现对列车的预警或控制。 5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述的列车运行控制单元，具体用于利用2台激光雷达通过扫描前方环境生成点云信息实现对线路环境和目标的采集；2台长短焦相机和2台激光雷达采集的信息共同传输至系统主机，由系统主机根据激光雷达和相机采集的信息采用基于深度学习的列车前向目标识别技术在线完成线路区域和目标物体的辨识，并完成列车到目标物体间距离的计算，将计算结果通过通信接口实时发送给列车运行控制系统，列车运行控制系统根据环境感知系统提供的列车到目标物体间的距离，判断碰撞风险并监控制动距离；系统主机通过采集列车运行环境中的视频，经过数据清洗与加工构建列车运行环境数据库，并搭建出基于Caffe框架的深度卷积神经网络算法，利用基于卷积神经网络的轨道区域语义分割算法提取出列车前向运行环境中的轨道区域，为列车运行提供限界范围；系统主机利用基于深度学习的多目标识别算法，应用卷积神经网络实现目标物的提取与分类，结合轨道区域识别，提取出前向运行环境中轨道限界范围内的列车、行人目标，同时结合列车运行环境的实时性应用需求，在卷积神经网络多目标识别算法基础上结合多目标跟踪算法，对多目标识别算法进行进一步的优化；系统主机利用基于自适应边缘检测级联卷积神经网络的小目标识别算法，应用自适应边缘检测算法对目标区域进行提取，同时应用卷积神经网络对轨道环境中的信号灯实现定位与分类。 6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述的列车运行控制功能单元，还用于在完成轨道区域检测算法研究后，采用基于机器视觉同雷达融合的轨道区域目标检测技术，对提取到的生活中典型场景按照单传感器检测的信息进行分类，并根据这些分类建立三种融合方案：以雷达信息为主的融合、以摄像头信息为主的融合以及共同决策的融合；在以雷达信息为主的融合方案中，由雷达的探测目标信息初步确定感兴趣的区域，再进行投影变换，针对ROI区域运用图像处理算法进行目标分类检测和特征提取；在以摄像头信息为主的融合方案中，建立基于卷积神经网络的目标识别算法，提取出图像中有效目标的相关信息，结合雷达信息对相关目标信息进行补充；在共同决策的融合方案中，由摄像头和雷达各自做出决策，在完成时空联合标定后，运用马氏距离完成观测值匹配，进而运用联合概率密度算法确定传感器权值分配，完成数据融合，确定前向危险目标的速度、类型和位置相关信息。 7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，在L4级别的城市轨道交通列车运行控制系统中：所述的列车运行控制功能单元，具体用于在完成L3级别的列车运行控制功能单元的基础上，还实现如下的功能：a)资源管理通过列车与列车之间的直接信息交互，以及列车的自主定位，车载设备计算列车自身的移动授权，并根据运行线路情况，自主向轨旁对象控制器发送道岔控制命令；列车通过向对象控制器申请道岔锁的方式实现道岔控制，列车需要扳动道岔时，申请道岔独占锁，该锁同一时间只会被一辆列车占有，当需要经过道岔无需扳动道岔时，需申请道岔共享锁，共享锁能够同时被多车占有；当申请道岔独立锁且道岔扳动到指定位置后，列车将独占锁转为共享锁；双车追踪时，当前车的前方道岔并未被前车占有道岔锁时，后车不得申请该道岔锁；当列车想向轨旁对象控制器申请道岔锁时，需先向智能交通系统ITS申请能否占有该道岔锁，列车在最小安全后端越过道岔岔后防护距离或岔前道岔区段一定距离后，释放道岔资源锁；b)考虑调控一体化的动态运行图生成在列车调度指挥系统生成和调整运行图时，根据不同的调整需求，对列车间隔时间、停站时间和列车组运用计划进行调整，结合列车在站间运行过程中的不同加减速控制状况及其对应的结果进行综合考虑，在更大的调整空间内寻找最优解，通过考虑调控一体化的动态运行图生成；所述的列车调度指挥功能单元，具体用于在完成L3级别的列车调度指挥功能单元的基础上，还实现由中心控制系统实现列车调度控制一体化优化，列车运行相关的监控任务、决策任务和执行任务均由系统设备自动化完成。 8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述的列车运行控制功能单元，具体用于列车通过向对象控制器申请道岔资源锁的方式实现道岔控制，道岔资源锁分两种：共用锁、独享锁，独享锁同一时间只能有一个使用者，共用锁同一时间能够有多个使用者，结合道岔的定反位状态组合出多种道岔锁：定位共用锁、定位独享锁、反位共用锁和反位独享锁；(1)列车确定运行路径资源锁类型列车需要使用道岔时，先要结合列车规划路径中道岔的计划位置和当前道岔的实际位置确定申请的道岔资源锁类型，列车按道岔锁类型定义原则确定申请道岔锁类型，如表1：表1 道岔锁类型定义(2)列车向ITS申请资源锁授权列车向对象控制器OC申请道岔资源锁时，需先向ITS申请道岔资源锁授权；ITS接收到道岔资源锁授权申请后，检查满足如下条件方可同意授权：a)申请的列车在ITS管辖范围内的列车；b)申请的道岔不在前车的运行路径中；c)申请的列车必须已经规划好了列车运行路径；d)双车追踪时，当前车的前方道岔并未被前车占有时，后车不得申请该道岔资源锁；当前车的后方道岔为在前车折返路径中时，后车不得申请该道岔资源锁；(3)列车向OC申请资源锁列车确定需要申请的道岔资源锁类型后，按规划路径由近及远顺序向OC申请道岔资源锁；OC接收列车发送的申请道岔锁指令后，对相关道岔进行加锁操作，进行加锁时，记录锁的使用者、锁的类型、锁定位置和当前锁的个数信息；OC收到独享锁的申请时，处理如下：a)如果该道岔资源状态处于无锁或存在申请者的独享锁时，记录道岔独享锁信息，并回复同意独享锁请求，此时如果道岔位置与计划锁定位置不一致，OC自动扳动道岔到计划锁定位置；b)如果该道岔只存在申请者的共用锁时，将共用锁转为独享锁，记录道岔独享锁信息，并回复同意独享锁请求，此时如果道岔位置与计划锁定位置不一致，OC自动扳动道岔到计划锁定位置；c)如果该道岔存在其他申请者的任意类型的资源锁，则不做任何处理，并回复不同意独享锁请求；d)如果道岔正在转动，则不做任何处理，并回复不同意独享锁请求；OC收到共用锁的申请时，检查被申请的道岔是否满足以下条件：a)道岔位置与申请位置一致；b)道岔上不存在其他申请者的独享锁；c)申请的共用锁与道岔上现有的其他申请者的共用锁不冲突；d)道岔未在转动；满足以上条件时，记录新增的道岔共用锁信息，并回复同意共用锁请求；不满足以上条件时，回复不同意共用锁请求；列车申请道岔锁时，该道岔存在关联道岔，则需在同一周期内，对该关联道岔确定申请道岔锁类型，向OC发送申请道岔锁指令，当列车的规划路径中需要经过交叉渡线区域的道岔反位时，要先在同一周期申请两个关联道岔的锁资源，确保两个关联道岔锁申请通过后再申请交叉渡线锁，同时向OC发送指令，将与本次申请的交叉渡线道岔锁资源非关联的道岔带动到定位，进一步地保证关联道岔安全地获得锁资源；当列车驶离交叉渡线区域后，同一周期向OC申请释放交叉渡线锁和两个关联道岔锁；(4)使用并释放资源锁列车利用资源锁信息计算移动授权，列车在移动授权范围内行使，当列车驶离道岔防护区时，向道岔所在的OC申请释放道岔锁，并持续确认道岔锁是否被释放，否则持续发送申请释放道岔锁指令，除非列车已驶离道岔所在OC区域，该种情况下，列车通知ITS释放道岔锁。 9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述的列车运行控制功能单元，具体用于在生成和调整运行图时，根据不同的调整需求，对列车间隔时间、停站时间和列车组运用计划进行调整，通过中央调度系统与各列车之间的直接信息交互和协同控制，根据线网客流实时检测信息和列车运行状态信息，对列车运行图和列车运行进行一体化调控，实现车辆线路资源与客流的匹配和优化；根据列车早晚点情况和实时调整需求，结合列车在站间运行过程中的加减速度控制状况、线路坡道和限速运行条件，模拟行车调度员进行综合判断，并根据以下场景自动调控列车运行：场景一：如果线路运力无法满足实时运输需求，即式中， 和 分别表示车站s实时需求和运力，S表示线路车站集合，ε为相应的容忍系数，该场景下，中央调度系统根据优化方法自动计算上线备车数量，并自动安排备车上电；场景二：如果线路运力有一定富裕、客运压力较小，即该场景下，线路运力满足乘客需求，则动态控制、压缩列车在车站的站停时间，此时，列车在车站s的站停时间由以下公示计算其中， t p 分别表示列车调整后的站停时间、计划运行图规定的站停时间和乘客上下车时间，将压缩的站停时间用于列车在下一个区间的运行时间，即其中， 和 分别表示列车在区间s的调整后的运行时间和计划运行图规定的运行时间，根据运行时间 列车在后一区间利用动态规划方法重新计算列车运行速度曲线，降低列车运行速度、增加列车惰行时间。