CN107215356A - 双轨道有轨交通防追尾的全新方法及其机车 - Google Patents
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Abstract
所谓的【双轨道有轨交通】，是指每个轨道内的车辆只往同一方向行驶的有轨交通(像复线铁路一样)。本发明利用RFID射频识别技术、电脑技术、软件技术、数据通讯技术等，通过动态精确控制相邻前后车的距离、前后车的速度差及电脑控速等，有效杜绝【双轨道有轨交通】车辆追尾，提升轨道交通安全系数(适用于所有双轨道有轨交通车辆)，从而能大幅度缩短相邻前后车的安全距离、发车间隔，提高运力；例如，对于地铁及高架城铁来说，可大大缩短前后车发车间隔(可缩短至1分钟甚至更短)，能确保不会追尾，提高运力，可降低地铁、城铁车站人满为患现象，减少或减轻因车站人多可能的安全事故，并有效缓解地面交通压力，提高经济效益和社会效益。亦能大大简化安全控制信号系统，降低轨道工程造价及机车造价。
Description
1.所属领域：【双轨道有轨交通】安全信号控制领域
2.背景技术：交通安全是发展轨道交通的最重要问题，【车辆追尾】制约着轨道交通相邻前后车的发车间隔、车辆速度、运力和经济效益，而实时精确知道相邻前后车的距离、前车的速度，控制后车的速度，是防止追尾的根本办法。到目前为止，国内外轨道交通普遍采用较先进的【移动闭塞系统】信号控制模式防止追尾，但该控制系统复杂、工程及机车造价高、调试时间长、维修成本高，费时且安全系数低、缩短发车间隔能力小(北京电视台2015年曾报道北京地铁为了缩短发车间隔十几秒钟而耗时约两年时间，2017年3月网上曾报道美国耗时16年建成的纽约某线路地铁刚运行就发生故障长时间停运滞留乘客的事件)，【移动闭塞系统】信号控制模式不能100％排除外界对控制信号的干扰和破坏，不能实时知道相邻前后车的准确距离，离不开线路中央控制室的协助，也不能实时知道相邻前车的速度，所以缩短前后车发车间隔能力小。本发明能有效解决这些问题：能实时精确计算相邻前后车距离，能依据后车即时速度，判断【相邻前后车计算距离】的安全程度，能实时知道相邻前车的速度，严格控制后车速度，前后车数据传输不会遭到人为破坏，能100％避免追尾，能极大缩短前后车发车间隔、提高运力，有效缓解地面交通压力。
3.发明内容：【双轨道有轨交通】防追尾的全新方法及其机车(以地铁为例)
3.1.实时控制相邻前后车的距离及速度差，是防止追尾的关键。当前后车计算距离j≥前后车【危险距离】的最大值时，只要后车速度V2≤前车速度V1，就是安全的，就能避免追尾。
3.2.因相邻前后车的距离、速度是动态变化的，因而前后车的【危险距离】、【警示距离】也是动态变化的(【相邻前后车计算距离】的危险程度依计算距离及后车速度动态变化)，实时计算相邻前后车的距离j、实时判断【相邻前后车计算距离】j的安全程度，严格控制后车速度V2，是杜绝追尾的根本方法。
3.3.利用RFID射频识别技术，机车电脑实时计算相邻前后车距离及判定【计算距离】安全程度的方法。
3.3.1.机车配置：机车配置带有显示屏、内置相应软件的电脑，左右车窗玻璃各贴敷两个RFID读出器(其中之一为备份)，电脑及RFID读出器编号均同于机车编号。RFID读出器负责阅读轨道旁的RFID电子标签编号，电脑负责计算相邻前后车距离、严格控制本车速度(人为控速亦通过电脑)、接收及发送数据。
本发明的原理及相应数据传递方法见图1RFID读出器及电子标签安装位置示意图、图2相邻前后机车通过轨道传送数据示意图，图2中A为相邻前面机车，B为相邻后面机车，均负责读取轨道旁RFID标签编号(同时判断编号是否连续)，C为通过轨道接收数据，D为通过轨道发送数据(同时通过轨道与中央控制室互传信息)。
3.3.2.轨旁配置：在列车行进方向一侧“定程”放置若干防水RFID电子标签(与机车车窗玻璃大致等高)并依序按阿拉伯字码编号：车站内机车停车点的电子标签号码采用特殊编号，为保证车站停车点电子标签位置恰好是或稍稍超过“定程”点位置，可通过测量及计算，控制停车点至前后车站的距离为“定程+c米”的整数倍，c≤2；可先约定一个【定程值】，待线路全程电子标签编号及位置设定完成后，再确定【定程值】(输入机车电脑的与【线路编号】对应的【定程值】可略小于真值，以使【前后车距离的计算值】趋于小些，有利于安全)。线路两端车站之外的轨旁部分，亦按确定好的定程值放置RFID电子标签并统一依序按阿拉伯字码编号。【定程值】连同与其相关的线路编号输入机车电脑。车站内列车刹车方法可不变。
3.3.3.说明：RFID射频识别技术是高速条件下快速识别物体的好方法(原理略)，本专利利用贴敷在机车车窗玻璃上的RFID读出器，在列车行进过程中读取轨道旁定程放置的RFID电子标签的编号(采用特殊频段或电子标签内码采用特殊编号，使RFID读出器只能读取这些特殊频段或带有特殊编码的电子标签编号)。显然，知道相邻前后车刚刚读过的电子标签的编号，机车电脑就能计算相邻前后车较为准确的距离。
因同一轨道内有多部列车在运行，多部列车电脑都在发送数据，所以从地铁列车每个单程开始，机车电脑应先通过比较，自动锁定相邻前车的编号(即与本车刚刚读到的电子标签编号最接近的电子标签编号的发送者机车的编号，每日首车免)，然后此单程只接收该机车电脑发送的数据(车辆刚一进入运行，就识别相邻前车编号，一经确定，在此单程中，不再改变，车载电脑就不再继续识别而只接收来自这一编号机车电脑的数据)，即只实时接收相邻前车电脑传送的刚刚读到的RFID电子标签编号、即时车速、列车全长。机车电脑能每秒实时提取本车车速(m/s)，并能在获取读出器传输信号的同时向相邻后车及线路中央控制室传送本车编号、本车即时速度、本车刚刚读到的RFID电子标签编号等数据。
3.3.4.机车电脑实时计算与相邻前车距离的公式及计算误差分析：
车载电脑系统负责接受本机车RFID解读器读出的电子标签编号并连同实时车速、列车总长传送给相邻后车的电脑及线路中央控制室、接收相邻前车电脑传送的实时读出的电子标签编号及实时车速、列车总长B等数据，实时计算与相邻前车的距离，电脑屏幕实时显示与前车的计算距离、前车速度及本车速度加速度。
【相邻前后车实时动态距离j】的计算(【本车至前方车站停车位置的距离j停】的计算仿此，只在本车读到电子标签编号瞬间计算，以消除计算误差，为及时刹车做准备)：j＝A(X1－X2)－B(米)
式中A为相邻电子标签之间的距离(定程值)(米)
X1为相邻前车RFID解读器实时读出的电子标签编号
X2为本车RFID解读器实时读出的电子标签编号
B为前车的列车总长(米)
【B＝前车车厢数x车厢长度(米)】
相邻前后车实时计算距离误差(【计算距离】－【实际距离】)分析：
极限情况1：│■││。。。。│■│。。。------前后车在相同区间距离最远
极限情况2：│■││。。。。│■│。。。------前后车在相同区间距离最近
│------电子标签位置
■------相邻前后机车位置
如上所示，设两种极限情况下的相邻前后车均处于相同电子标签间隔区间，
显然2A≥【计算距离误差】≥0，计算距离误差可随A值的缩小而缩小。
即2A≥【计算距离】－【实际距离】≥0，一般情况下，【计算距离】均大于【实际距离】，
亦即2A+【实际距离】≥【计算距离】≥【实际距离】。
【计算距离j】介于2A+【实际距离】与【实际距离】二数值之间，【计算距离】的最大值为2A+【实际距离j】，从安全角度看，我们只关心【计算距离】值较大的情况(【计算距离】大而【实际距离】小是危险的)。
机车电脑软件还应对本车读到的电子标签编号是否连续、RFID读出器是否正常工作进行监督，发现问题及时报警(实际上，无源电子标签及RFID读出器都是非常耐用的，且都已备份，基本不会出问题)。
3.3.5.通过试验确定列车制动系统合格、满载、不同速度、乘客能忍受减速度条件下的刹车距离s，并人为规定判断前后车距离安全程度的标准。
列车制动距离s计算很复杂，且不一定准确，所以建议通过试验测定列车制动系统合格、满载、不同速度、乘客易能忍受减速度条件下的刹车距离s。办法是：以1.2倍列车最高速度为最高值，速度从0至最高值均分为50级，然后按前述条件通过试验测定各级速度下的刹车距离，列成一个列车速度V与刹车距离s的对应表(表略，输入机车电脑，以保证机车电脑的安全控制有规可循)，运行中机车电脑依本车即时速度提取对应的刹车距离s值(如列车速度介于两级速度之间，按较高速度获得s值)。即时加速度亦可测定。
现依据刹车距离s值人为规定【相邻前后车实际距离】的安全标准(注意：s是随车速变化的动态值)：
暂定相邻前后车【实际距离】处于【危险距离】时的最大值＝1.2s
暂定相邻前后车【实际距离】处于【警示距离】时的最大值＝1.5s
显然，判定相邻前后车【实际距离】安全程度的标准是：【实际距离】≤1.2s时，处于【危险距离】；1.2s＜【实际距离】≤1.5s时，处于【警示距离】；【实际距离】＞1.5s时为【安全距离】。
因为相邻前后车的【真实距离】是不可能准确知道的，我们只能知道相邻前后车的实时【计算距离】，而【计算距离】的最大值为2A+【实际距离】，所以判断相邻前后车【计算距离】安全程度的标准是：
【计算距离】j≤2A+1.2s时，处于【计算的危险距离】，
2A+1.5s≥j＞2A+1.2s时，处于【计算的警示距离】，
【计算距离】j＞2A+1.5s时，处于【计算的安全距离】。
相邻前后车的实时速度、依据后车速度实时变化的【计算的危险距离】【计算的警示距离】【计算的安全距离】、实时的【相邻前后车的计算距离】j等，这些数据正是机车电脑屏幕需要实时显示的动态数据。
【计算的危险距离】、【计算的警示距离】、【计算的安全距离】都是个动态值(依本车速度不同而不同)；【前后车实时计算距离的安全程度】依后车时速及前后车实时计算距离的不同而不同。机车电脑屏幕动态显示【计算距离】的安全程度：显示【计算的危险距离】、【计算的警示距离】、【计算的安全距离】的彩色条形区域的长短，并将计算得出的【前后车实时计算距离】在该彩色区域中以闪动的黑色竖条显示【前后车实时计算距离】的安全程度，再依据此【前后车实时计算距离】的安全程度控速(见后)。
对电脑屏幕的上述显示方法，规定：【计算的危险距离】区域为红色，【计算的警示距离】区域为黄色，【计算的安全距离】区域为绿色，代表距离的刻度不变，红黄绿三区域长度依本车速度动态变化，【前后车实时计算距离】以类似光标的黑色闪动竖条显示其安全属性)。机车电脑还应有声光报警提示。
电脑屏幕还应有【前后车实时速度】彩色条形显示(两条长度颜色动态变化，并有速度数字提示)，前车速度为黄色，后车速度V2小于前车速度V1为绿色，后车速度V2大于等于前车速度V1为红色闪动。
3.4.机车电脑如何控速：机车电脑每隔1秒(暂定)自动提取本车即时速度对应的s值，实时调整【前后车计算距离安全程度】的彩色条形长度。电脑通过计算、比较，实时判断【前后车计算距离】的安全程度并及时控速(机车电脑需植入适应【前后车动态计算距离安全程度】的声光报警及强制控速软件)。
当【相邻前后车实时计算距离】处于【警示距离】区域：2A+1.2s＜j≤2A+1.5s时，电脑控制警灯闪亮报警(电脑内如植入报警软件，电脑自己就可通过比较自动报警)，电脑强制使本车速度≤前车速度运行；当相邻前后车计算距离处于【危险距离】区域：j≤2A+1.2s时，电脑控制声光报警，电脑强制减速脱离【危险距离】，然后解除声音报警，只保持警灯闪烁报警，使本车速度≤前车速度运行(极端情况，在确保无其他安全隐患的前提下，即使相邻前后车计算距离接近s值，也可令本车速度＝前车速度运行，此时轨道上车辆密度最大，发车间隔可实现最小：前车刚走，后车便跟进。但试验运行阶段需司机严密监控。在消除车站人满为患的情况下，可在车站指挥人员辅助下，实现【准自动驾驶】或【自动驾驶】，所以本发明为实现【准自动驾驶】或【自动驾驶】打下了杜绝追尾、安全运营的坚实基础)。j停≤1.2s时实施刹车减速。
列车实行电脑控制运行与司机操纵运行两种方式，电脑控制运行方式为主，人为操纵也需通过电脑执行；当切换为人为操纵运行时，电脑实行监控：【相邻前后车计算距离】处于【危险距离】区域时，司机只能减速(加速不起作用)，脱离【危险距离】区域；前后车计算距离处于【警示距离】区域时，司机通过电脑也只能以≤前车速度运行，这样做,可防止因司机身体不适或其他人为因素造成追尾。
电脑屏幕还应显示即时加速度。方法是：电脑提取每1秒的速度差，除以1，即a＝v后－v前(m/ss)。
3.5.数据传送方法：本车RFID解读器与本车电脑之间可靠数据线传送；相邻前后车电脑数据靠铁轨传送或WIFI传送；靠铁轨传送数据可避免人为干扰、破坏数据。各线路铁轨应保证【独自通路】状态。
3.6.地铁各线路中央控制室实时接收各机车传送的位置数据，并在示踪地图上动态显示，亦实时监控本线路各地铁车站人流情况、接收各站安全报警，随时应对意外事件发生，发布处置意外事件指令。机车电脑应有中央控制室来电来信显示，有【行车记录黑匣子】实时记录运行数据及双方通话。
4.实施过程的几点注意：
4.1.应用RFID识别技术之前，首先应与国家标准管理部门商定车用RFID专用频段，防止识别其他标签；依据前述功能要求，配备适用的电脑及相应软件(注意：为了安全，机车电脑应与互联网隔开，软件输入窗口专人才能打开；维修应有记录和签字；电脑内软件需备份)，电脑应能定期自动进行垃圾处理及杀毒，相应软件应能自我监督运行情况，必要时启用备份软硬件；现有机车添加上RFID读出器及更新电脑软件、在轨道旁定程配备电子标签后可以继续使用。机车防追尾外的其他性能不变或作适当改变。
4.2.RFID电子标签编号输入器，RFID读出器编号输入器(共用)。
4.3.机车设置【行车记录黑匣子】，记录相关行车数据及司机的通话、谈话，12小时自动溢出。
4.4.从安全角度及改善司机的工作环境着想：机车驾驶室应配备空调和空气净化机；配备防火设施。
5.总结评述：
5.1.本发明综述：
发展地铁、高架城铁是缓解城市地面交通拥堵的有效方法，发展高铁等轨道交通，也是缩短城际通行时间、方便人员物资交流、繁荣国家经济、实现一带一路伟大构想的有效手段。而轨道交通安全，特别是车辆追尾是制约轨道交通发展的头号问题，也是解决地面公路交通尤其是城市地面交通拥堵的重大问题之一。本发明以地铁为例，提出了通过精确计算相邻前后车距离、有效控制前后车速度差，实现防止轨道交通车辆追尾，是确保安全条件下最大限度地缩短相邻前后车发车间隔、提高运力和经济效益、缓解地面交通压力、大幅度降低轨道交通工程及机车造价的全新方法。迄今，国内外尚无其他人员提出此方法。
5.2.本发明与现有同类先进技术比较：
目前国内外轨道交通信号控制的最新方法是【移动闭塞系统】模式，是公认的最好最有前途的交通信号控制方式，但该方式较为复杂、且不能知道相邻前车的速度，不能精确知道前后车的距离，不能准确判断相邻前后车距离的安全程度、离不开线路中央控制室的协助，工程及机车造价高、调试时间长、维修成本高，还不能完全避免人为对信号的干扰、破坏，缩短相邻前后车发车间隔能力小(北京电视台2016年曾报道北京地铁为缩短发车间隔15秒，用时两年多；电视台还报道过，说发车间隔1分40秒，已是极限，是现在世界地铁发车间隔的极限；2017年3月初媒体报道说纽约花16年建成的一条地铁线路也因信号事故造成瘫痪，长时间造成了乘客滞留)。
相比【移动闭塞系统】信号控制，本发明提出的基于RFID射频识别系统的信号控制方式，极为简单、准确、及时、有效，采用RFID硬件备份及软件监控方法，在确保安全(不追尾)的前提下能极大缩短前后车发车间隔(地铁发车间隔可缩短至1分钟甚至更短)、消除地铁车站人满为患、车内拥挤不堪现象，并有效缓解城市地面交通压力，还为轨道交通【自动驾驶】或【准自动驾驶】打下坚实基础。本发明还能大幅度降低轨道工程及机车造价，是完全能取代【移动闭塞系统】信号控制模式的创新方式、全新方式，此种信号控制方式性能可靠，基本不用调试和维修(即使维修，也极为简单)。本专利有轨交通为【机车自主式】运行方式，除轨路转辙，基本不用车站控制室或线路中央控制室协助。本发明控制方式有质的飞跃。
5.3.实施效果：
本发明实施后，可100％避免双轨道有轨交通车辆追尾，前后车发车间隔可缩短至1分钟甚至更短，能极大缓解地铁车站人满为患的情况，能显著缓解地面交通压力，因方法简单、可靠、易实施，所以也能显著降低轨道工程造价、机车造价。
目前尚未发现同于本发明或有比本发明更好的防止轨道交通车辆追尾的方法，本发明极易实施，所以本发明专利具有新颖性、创造性、实用性。
5.4.附加声明：
因为此发明的原理非常简单，实施也很容易，已有的或正在使用的机车车辆经过简单改造后依然可以使用，所以，基于前述原理的轨道交通工程设计、轨道交通车辆设计、轨道交通车辆改造均属于本发明的知识产权保护范围。
6.参考资料：
6.1.移动闭塞信号系统的原理以及基本构成http://www.doc88.com/p- 2418173357054.html
6.2.移动闭塞的原理、系统结构及功能https://wenku.baidu.com/view/97a1303167ec102de3bd8904.html
6.3.地铁信号系统精要----《城市轨道交通信号系统》
http://max.book118.com/html/2016/0514/42956837.shtm
6.4.移动闭塞信号系统介绍http://max.book118.com/html/2016/0304/36866411.shtm
Claims (6)
1.利用RFID射频识别技术动态确定相邻前后机车距离的方法。其特征是：在列车行进方向一侧“定程”放置若干防水RFID电子标签并统一依序递增按阿拉伯字码编号，机车配置电脑，机车左右车窗玻璃各贴敷两个RFID读出器并编号(均与机车编号相同，其中之一为备份)，相邻前后车RFID读出器实时读过的电子标签编号就代表着相邻前后机车的相对位置。
2.机车电脑(编号与机车编号相同)只接收相邻前车电脑传送的数据。其特征是：机车电脑能在获取本车RFID读出器读出数据的同时向相邻后车传送本车电脑编号、代表本车实时位置的RFID电子标签编号(刚刚经过的电子标签编号)、本车即时速度及列车全长；实时接收相邻前车电脑传送的电脑编号(与机车编号相同)、代表前车实时位置的RFID电子标签编号、即时车速、列车全长；机车从每个单程开始，首先通过接收到的前车传送的电子标签编号的大小比较(首车免)，识别并锁定与本车距离最近的前车的电脑编号，然后在此单程中只接受来自这一电脑通过轨道传送的数据。
3.基于权利要求1、2,利用电脑技术、软件技术、数据传输技术等，机车电脑动态计算相邻前后车的实时距离(首车计算至前方车站停车位置距离)。其特征是：动态接收相邻前车刚刚读过的电子标签编号，本车刚刚读过的电子标签编号，线路标签编号、线路的相邻电子标签的间距，相邻前后车距离的计算公式。
4.通过试验，测定满载不同速度人易承受减速度的刹车距离s、人为规定【判断相邻前后车距离危险程度的标准】。其特征是：通过试验，绘制【下坡、制动系统正常、满载条件下的从最高速度到停车“较舒适减速度”的制动距离曲线】，制定【危险距离】最大值、【警示距离】最大值标准，并输入机车电脑，以保证机车电脑动态判断【相邻前后车计算距离】的安全程度，以便合理控速，使安全控制有规可循。
5.基于权利要求1、2、3、4，机车电脑自动判断【实时前后车计算距离】的安全程度并控速。其特征是：依据本车实时速度，动态判定即时与相邻前车计算距离的危险程度:处于【警示距离】区域内还是【危险距离】或【安全距离】区域内。当该距离处于【警示距离】区域时，警灯闪动报警(电脑强制以≤相邻前车的速度运行)；当该距离处于【危险距离】区域时，声光报警(强制减速至脱离【危险距离】，然后自动解除声音报警，并以≤相邻前车的速度运行)；当该距离大于【警示距离】时，自动解除警灯报警,恒速或加速运行。
6.机车采用电脑控速与人为控速两种方式运行，以电脑控速为主，人为控速也需经过电脑进行。为了绝对避免追尾，在【相邻前后车计算距离】处于【警示距离】或【危险距离】区域时,电脑强制控速(禁止人为加速操控，人为加速不起作用)，避免因司机身体不适等人为因素造成追尾。其特征是：与本车即时速度对应的【危险距离】最大值、【警示距离】最大值，相邻前后车的实时距离计算，【相邻前后车计算距离】危险程度判断，控速软件保证。机车电脑屏幕以一定宽度的彩色条纹显示相关数据。
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