Система управления движением поездов в режиме виртуальной сцепки Российский патент 2024 года по МПК B61L15/00 B61L25/04 

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики, телемеханики и связи, а именно к системам управления движением поездов, и может быть использовано для сокращения интервала попутного следования между поездами в режиме виртуальной сцепки, в том числе при автоматическом управлении УА4.

Известна система для контроля расстояния между следующими друг за другом поездами на основе цифровой радиосвязи, которая содержит установленные на каждом локомотиве приемник навигационных сигналов и бортовую радиостанцию, постовое центральное устройство, расположенное в диспетчерском центре и содержащее блок идентификации, блок вычисления расстояния между поездами, блок определения скорости сближения поездов, блок контроля координат, блок памяти, формирователь электронной карты и блок принятия решений, подключенный к аппаратно-программному устройству автоматизированного рабочего места поездного диспетчера, которое соединено с блоком управления IP сетью передачи данных. На каждом локомотиве установлен блок согласования интерфейсов, приемник навигационных сигналов, блок управления локомотивом, пульт машиниста и бортовая радиостанция, связанная по радиоканалу через базовую станцию с IP сетью. Причем блок управления сетью передачи данных, бортовые радиостанции поездов и базовые радиостанции с помощью IP сети выполнены с возможностью организации цифровой радиосвязи на основе стандарта DMR (RU 2578646 C1, B61L 25/02, 13.02.2015).

В известном техническом решении в режиме реального времени контроль и оперативное управление движением поездов, следующих друг за другом, на всем диспетчерском участке осуществляет поездной диспетчер.

Однако в известном решении в условиях сбоев спутниковых навигационных приемников не представляется возможным с высокой точностью определить координаты поездов. Кроме того, в известном решении отсутствует возможность определения препятствий на пути в габаритах поезда.

Наиболее близким аналогом является система децентрализованного интервального регулирования движения поездов, содержащая на каждом локомотиве в устройстве управления движением модуль обработки данных, к первому входу которого подключен навигационный приемник, а выход соединен с дисплеем, и радиомодем, соединенный по радиоканалу с установленным в хвостовом вагоне радиомодемом, соединенным с микропроцессором, на локомотиве установлены программный модуль расчета координаты места нахождения хвостового вагона впереди идущего поезда, программный модуль контроля следования впереди идущего поезда в полном составе, блок памяти с записанной в ней электронной картой и датчики пути и скорости, при этом датчики пути и скорости своими выходами соединены с входами программного модуля расчета координаты места нахождения хвостового вагона впереди идущего поезда и программного модуля контроля следования впереди идущего поезда в полном составе, входы/выходы которых подключены к соответствующим выходам/входам радиомодема, выход программного модуля расчета координаты места нахождения хвостового вагона впереди идущего поезда соединен со вторым входом модуля обработки данных, а выход программного модуля контроля следования впереди идущего поезда в полном составе соединен с дополнительным входом дисплея, а на хвостовом вагоне установлен инерциальный датчик измерения ускорений движения вагона, который подключен к микропроцессору (RU 2725332 C1, B61L 23/34, 02.07.2020).

Недостатком известного технического решения является ограниченность области применения, обусловленная использованием известного решения в основном для линий с малой и средней интенсивностью движения поездов, а также слабой точностью измерения координат от датчиков пути и скорости в условиях сильных помех или отсутствия сигналов спутниковой навигации и невозможностью определения препятствий на пути в габаритах поезда в зоне прямой видимости.

Управление движением поездов в условиях сокращенного межпоездного интервала в реальных условиях перевозочного процесса применяется в случаях пропуска пакетов (двух и более) поездов при проведении ремонтных работ с закрытием путей перегона, при восстановлении графика движения после отказа технических средств железнодорожной инфраструктуры, при использовании технологии «виртуальная сцепка» и в других случаях. При этом движение поездов происходит часто в условиях неработающих сигналов АЛС и путевых светофоров, в условиях помех спутниковых сообщений, что создает риски нарушения безопасности движения.

Технический результат заключается в сокращении межпоездного интервала при движении поездов в режиме виртуальной сцепки за счет применения интегрированных систем технического зрения и высокоточного позиционирования без изменения существующих систем железнодорожной автоматики и радиосвязи.

Указанный технический результат достигается тем, что система управления движением поездов в режиме виртуальной сцепки содержит на локомотиве каждого поезда блок автоведения, выходом соединенный с блоком управления режимами движения поезда, а входами – с выходами двух модулей центральной обработки информации, которые соединены между собой и подключены к межмодульному интерфейсу, к которому также подключены блок автоведения, два модуля измерения параметров движения, входы каждого из которых соединены с блоком датчиков пути и скорости, бесплатформенной инерциальной навигационной подсистемой и приемником спутниковых сигналов ГНСС, модуль маршрута, модуль радиоканала, соединенный с модулем радиомодема, вычислитель и блок кодирования/декодирования сообщений, взаимодействующий с блоком интерфейса машиниста, блок видеокамер и блок лидаров, входы/выходы которых подключены к выходам/входам вычислителя, модуль искусственной нейронной сети, взаимодействующий с вычислителем, при этом приемник спутниковых сигналов ГНСС выполнен по меньшей мере двухканальным, а радиомодемы следующих друг за другом поездов – с возможностью взаимодействия по радиоканалу непосредственно или через центр радиоблокировки.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемой системы управления движением поездов в режиме виртуальной сцепки.

Система управления движением поездов в режиме виртуальной сцепки содержит на локомотиве каждого поезда блок 1 автоведения, выходом соединенный с блоком 2 управления режимами движения поезда, а входами – с выходами двух модулей 3 и 4 центральной обработки данных (МЦО 3 и МЦО 4), которые соединены между собой и подключены к межмодульному интерфейсу 5, к которому также подключены два модуля 6 и 7 измерения параметров движения (модули 6 и 7 ИПД), входы каждого из которых соединены с блоком 8 датчиков пути и скорости (блок 8 ДПС), бесплатформенной инерциальной навигационной подсистемой 9 (БИНС 9) и приемником 10 спутниковых сигналов ГНСС (приемник 10 ГНСС), модуль 11 маршрута (ММ 11), модуль 12 радиоканала (РК 12), соединенный с модулем 13 радиомодема (РМ 13), вычислитель 14 и блок 15 кодирования/декодирования (блок 15 К/Д), взаимодействующий с блоком 16 интерфейса машиниста (блок 16 ИМ), подсистему 17 технического зрения (подсистему 17 ТЗ), включающую блок 18 видеокамер и блок 19 лидаров, вход/выход каждого из которых подключен к соответствующему выходу/входу вычислителя 14, другим входом/выходом соединенным с выходом/входом модуля 20 искусственной нейронной сети (модуль 20 ИНС).

Система управления движением поездов в режиме виртуальной сцепки работает следующим образом.

В память модуля 11 маршрута локомотива каждого поезда опционально перед каждой поездкой записывается электронная карта маршрута (ЭКМ) с актуальной цифровой моделью пути с указанием координат опорных объектов инфраструктуры, а также длина его состава и вес.

Блоки 18 и 19 видеокамер и лидаров подсистемы 17 технического зрения расположены в голове поезда. Блок 18 включает видеокамеры видимого и инфракрасного диапазонов соответственно для средней дистанции – до 600 м и ближней дистанции – до 100 м, а блок 19 – из не менее чем 2 лидаров ближней зоны обнаружения – до 100 м и средней – до 600 м.

Требуемая скорость движения рассчитывается в блоке 1 автоведения и синхронизируется с допустимой скоростью, определяемой в МЦО 3 и МЦО 4 как элементах устройства безопасности в части ее соблюдения.

Информация о кинематических параметрах движения каждого поезда определяется подсистемой 21 высокоточного позиционирования (подсистема 21 ВП), включающей модуль 11 маршрута, модули 6 и 7 ИПД, блок 8 ДПС, подсистему 9 БИНС и приемник 10 ГНСС.

Сигналы от приемника 10 ГНСС, состоящего из не менее чем двух каналов приема навигационных сигналов, подсистемы 9 БИНС и блока 8 ДПС, выполненного в виде колесного одометра локомотива, поступают в модули 6 и 7 ИПД, которые определяют значения фактической координаты локомотива поезда, пройденного пути и скорости через дифференцирование значений ускорений по результатам измерений подсистемы 9 БИНС.

По данным текущих координат местоположения локомотива поезда, определяемых приемником 10 ГНСС, на основании комплексирования с данными из ЭКМ, хранящейся в модуле 11 маршрута, модули 6 и 7 ИПД вычисляют точное местоположение локомотива поезда и расстояние до мест ограничения скорости (Метод комплексирования данных электронных карт и спутниковых измерений для высокоточного позиционирования подвижных объектов / С.В. Соколов, В.А. Погорелов, А.Л. Охотников, М.В. Куриненко // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2023. – Т. 24, № 10. – С. 551-559).

Информацию о точном местоположении локомотива поезда, расстоянии до мест ограничения скорости и значения фактической скорости движения модули 6 и 7 ИПД через межмодульный интерфейс 5 передают в МЦО 3 и 4 (для расчета требуемой скорости) и далее результат вычисления в блок 1 автоведения. Блок 1 автоведения вычисляет требуемый скоростной режим движения поезда путем сравнения полученных данных МЦО 3 и 4 с допустимой скоростью на участке следования и по результатам сравнения выбирает режим ведения поезда (разгон, выбег, торможение), который передает для реализации в блок 2 управления режимами движения поезда.

Информация, касающаяся параметров безопасного движения поезда (расстояние до хвоста ведущего поезда и текущая скорость), одновременно рассчитывается в МЦО 3 и 4, а полученные значения обрабатываются блоком 1 автоведения для последующего расчета кривой торможения с учетом проверки соответствия безопасной схеме движения. При нарушении соответствия безопасной схемы движения блок 1 автоведения формирует необходимый режим движения для блока 2 управления движением, обеспечивая необходимый режим торможения поезда (аварийный или служебный).

В стандартном случае модули 6 и 7 ИПД координату локомотива каждого поезда, движущегося в режиме виртуальной сцепки, определяют по данным от приемника 10 ГНСС.

Для обеспечения контроля взаимного расположения поездов с ведущего поезда текущую информацию о его кинематических параметрах движения блоки 6 и 7 ИПД по интерфейсу 5 через модуль 12 радиоканала и радиомодем 13 передают в радиомодем 13 ведомого поезда. Полученную информацию радиомодем 13 ведомого поезда через модуль 12 радиоканала по интерфейсу 5 передает в МЦО 3 и 4 ведомого поезда. На основе полученных данных МЦО 3 и 4 вычисляют безопасные параметры движения ведомого поезда, которые учитываются блоком 1 автоведения для выбора безопасного режима движения.

Блок 18 видеокамер и блок 19 лидаров сканируют непрерывно пространство перед поездом для выявления наличия препятствий в пределах его габарита и объектов инфраструктуры на пути следования и измерения точного расстояния до них. Блок 18 видеокамер и блок 19 лидаров ведомого поезда аналогичным образом определяет хвостовой вагон ведущего поезда и расстояние до него (в зоне прямой видимости).

Блок 18 видеокамер в режиме реального времени производит съемку с частотой порядка 10-20 кадров в секунду в видимом и инфракрасном диапазонах и предварительную цифровую обработку кадров изображений пространства перед поездом. Отснятые кадры с выхода блока 18 видеокамер поступают в вычислитель 14. Вычислитель 14 массив отснятых кадров передает в модуль 20 ИНС и сохраняет их в своей памяти, в частности для возможности последующего машинного обучения модуля 20 ИНС, идентификации объектов инфраструктуры и препятствий при их обнаружении.

При обнаружении препятствия или объекта инфраструктуры блоками 18 видеокамер и 19 лидаров вычислитель 14 выбирает соответствующие сегменты кадров для фокусирования на обработке необходимых данных, которые позволяют идентифицировать обнаруженные объекты (в случае обработки видеоизображений) и определить точное расстояние до них (в случае обработки данных лидара).

Вычислитель 14 использует данные о координатах опорных объектов, хранящихся в модуле 14 маршрута, уточняет текущее местоположение локомотива поезда относительно этих объектов и определяет скорость движения поезда за счет визуальной одометрии по данным блоков 18 видеокамер и 19 лидаров.

Использование надежной априорной информации о координатах опорных объектов инфраструктуры, указанных в ЭКМ в модуле 11 маршрута, и виде препятствий и их изображений в модуле 20 ИНС, а также использование вычислителем 14 алгоритмов фильтрации помех обрабатываемых изображений позволяет повысить достоверность определения и идентификации объектов, находящихся на пути движения поезда, информация о которых выводится через межмодульный интерфейс 5 и блок 15 кодирования/декодирования сообщений на дисплей блока 16 интерфейса машиниста.

Вычислитель 14 за счет анализа последовательности видеокадров от блока 18 видеокамер и расстояния до препятствия, измеряемого блоком 19 лидаров, определяет скорость сближения с препятствием и расстояние до него, данные о которых передает через межмодульный интерфейс 5 в МЦО 3 и 4 и далее в блок 1 автоведения для корректировки режима движения. МЦО 3 и 4 вычисляют результат мажоритарного сравнения данных, и, через межмодульный интерфейс 5, блок 15 кодирования/декодирования сообщений передает данные на дисплей блока 16 интерфейса машиниста для отображения машинисту в реальном режиме времени информации о состоянии впереди расположенных участков пути, наличии препятствий, опорных объектах инфраструктуры, показаниях путевых светофоров, а также о расстоянии до препятствия и допустимой скорости движения поезда.

Если препятствие распознается вычислителем 14 ведомого поезда как хвостовой вагон ведущего поезда, то текущая координата и расстояние до хвостового вагона ведущего поезда от локомотива ведомого поезда с расчетом кривой торможения вычисляется в блоке 1 автоведения в соответствии с требованиями максимального уровня полноты безопасности и с учетом погрешностей измерений и расчетов параметров движения поезда (см. Методика выбора длины виртуальной сцепки по требованиям безопасности в интеллектуальных системах управления движением поездов/ Л.А. Баранов, П.Ф. Бестемьянов, Е.П. Балакина, О.Е. Пудовиков// Проблемы управления безопасностью сложных систем: Материалы XXX международной конференции, Москва, 14 декабря 2022 года/ Под общей редакцией А.О. Калашникова, В.В. Кульбы. – Москва: Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, 2022. – С. 261-267).

Безопасное расстояние до хвоста ведущего поезда и кривую торможения блок 1 автоведения ведомого поезда также вычисляет на основе данных о кинематических параметрах поезда от модулей 6 и 7 ИПД, которые учитываются при расчете безопасных параметров движения поезда в МЦО 3 и 4 независимыми друг от друга способами и затем сравниваются блоком 1 автоведения. При несовпадении данных расчетов производится цикл из трех расчетов последовательно и при дальнейшем несовпадении расчетов выбирается результат, соответствующий максимальному уровню безопасности для движения поезда.

Первый способ вычисления межпоездного интервала определяет координату хвостового вагона ведущего поезда как сумму текущей координаты головы локомотива ведомого поезда, измеренной с помощью обработки полученной навигационной информации от приемника 10 ГНСС модулями 6 и 7 ИПД и измеренного расстояния от головы локомотива ведомого поезда до хвоста последнего вагона ведущего поезда (или препятствия), измеренного в режиме определения дальности блоком 19 лидаров с учетом текущей скорости ведомого и ведущего поездов, измеренной модулями 6 и 7 ИПД и/или блоком 19 лидаров, а также их веса и параметров пути (уклон, подъем) по данным ЭКМ модуля 11 маршрута с учетом безопасного движения при служебном торможении ведомого и ведущего поезда в текущий момент времени.

Второй способ вычисления межпоездного интервала позволяет определить координату хвоста последнего вагона ведущего поезда как разницу между текущей координатой головы локомотива ведомого поезда и координатой головы локомотива ведущего поезда по данным модулей 6 и 7 ИПД на основе измерений навигационных сигналов от приемника 10 ГНСС с учетом известной длины состава ведущего поезда (с поправкой на кривизну пути по ЭКМ, хранящейся в модуле 11 маршрута). Длина состава и вес поезда заносится машинистом каждого поезда перед каждой поездкой в ЭКМ модуля 11 маршрута.

Совпадение результатов вычислений с учетом допустимой погрешности двумя упомянутыми способами исходных данных измерения координат от приемника 10 ГНСС на ведущем и ведомом поезде позволяет блоку 1 автоведения ведомого поезда соблюдать минимально возможную дистанцию с обеспечением максимального уровня полноты безопасности.

Обмен данными о координатах, измеряемых приемником 10 ГНСС, текущей скорости, весе и длине состава между поездами осуществляется через их радиомодемы 13 и модули 12 радиоканала в режиме реального времени.

В зависимости от выбранных алгоритмов управления движением данные об измеренном блоком 19 лидаров межпоездном расстоянии и рассчитанной блоком 1 автоведения кривой торможения используются для выбора режима торможения поезда через блок 2 управления режимами движения поезда и для информирования машиниста через блок 16 ИМ.

В случае отсутствия сигнала спутниковой навигации или высокого уровня помех для дальнейшего высокоточного определения координаты головы ведомого поезда относительно координаты хвостового вагона ведущего поезда и определения расстояния между ними используются данные модулей 6 и 7 ИПД измерения параметров движения поезда по результатам измерения подсистемы 9 БИНС, блока 8 ДПС, а также блока 19 лидаров при визуальной видимости хвостового вагона ведущего поезда. Текущую координату головы поезда определяют путем приращения пути от координаты, определенной приемником 10 ГНСС, когда данные навигационных параметров были валидны, и текущими данными от модулей 6 и 7 ИПД по результатам измерения параметров движения блока 8 ДПС и подсистемы 9 БИНС (по значениям модуля скорости), как описано для устройства позиционирования рельсового транспортного средства (RU 2799734 C1, G01C 21/18, B61L 25/02, 20.04.2023).

МЦО 3 и 4 осуществляют обработку данных от модулей 6 и 7 ИПД по результатам измерений блока 8 ДПС, подсистемы 9 БИНС и вычислителя 14 по данным блока 19 лидаров. Результаты обработки в каждый текущий момент времени в виде допустимой скорости и значений расстояния до препятствия МЦО 3 и 4 передают в блок 16 интерфейса машиниста через интерфейс 5 и блок 15 кодирования/декодирования сообщений. Расчетная скорость и время хода по участку от блока 1 автоведения также через межмодульный интерфейс 5 и блок 15 кодирования/декодирования сообщений передается для отображения информации в блок 16 интерфейса машиниста.

Вычислитель 14 передает информацию о расстоянии до препятствия и значение текущей координаты головы ведомого поезда через МЦО 3 и 4 в блок 1 автоведения для расчета кривой торможения. Скорость движения поезда регулируется таким образом, чтобы динамическое расстояние до препятствия было не меньше минимально возможного расстояния с учетом обеспечения требований безопасности движения и возможных погрешностей расчетов и измерений. По достижению минимально возможного расстояния и фиксации нарушения соответствия безопасной схеме движения от блока 1 автоведения передается воздействие на блок 2 управления, обеспечивая необходимый режим торможения поезда.

В случае отсутствия данных от блока 19 лидаров или невалидности этих данных вычислитель 14 формирует сигналы, инициирующие передачу данных одометрии из модулей 6 и 7 ИПД для вычитания пройденного расстояния по результатам обработки данных модулей 6 и 7 ИПД от последнего измерения расстояния до препятствия блоком 19 лидаров подсистемы 17 ТЗ.

В модули 6 и 7 ИПД поступают значения ускорений от подсистемы 9 БИНС с выхода акселерометров, значения скорости и значения проекций вектора скорости для расчёта текущего значения скорости в реальном времени путем комплексирования данных от не менее чем двух датчиков пути и скорости блока 8 ДПС.

На основе полученных данных модули 6 и 7 ИПД вычисляют с высокой точностью текущие значения модуля скорости ведомого поезда и текущие значения приращения пути, как указано в описании устройства позиционирования рельсового транспортного средства (RU 2799734 C1, G01C 21/18, B61L 25/02, 20.04.2023).

Блок 1 автоведения ведомого поезда с учетом данных от МЦО 3 и 4 на основании информации о расстоянии до препятствия и текущей скорости рассчитывает кривую торможения и обеспечивает необходимый режим торможения ведомого поезда. При фиксации нарушения соответствия безопасной схеме блок 1 автоведения формирует соответствующее сообщение в блок 2 управления режимами движения поезда для обеспечения необходимого режима торможения поезда.

Таким образом, предлагаемая система обеспечивает сокращение межпоездного интервала при движении поездов в режиме виртуальной сцепки без изменения существующих систем железнодорожной автоматики и радиосвязи, что позволяет повысить пропускную способность перегона в условиях проведения ремонтных работ или при нагоне.

Изобретение относится к управлению движением на железных дорогах. Система управления движением поездов в режиме виртуальной сцепки содержит на локомотиве каждого поезда модуль автоведения, блок управления режимами движения поезда, два модуля центральной обработки информации, которые соединены между собой и подключены к межмодульному интерфейсу. Блок автоведения, два модуля измерения параметров движения, модуль маршрута, модуль радиоканала, соединенный с модулем радиомодема, вычислитель и блок кодирования/декодирования сообщений, взаимодействующий с блоком интерфейса машиниста, также подключены к межмодульному интерфейсу. Входы каждого модуля измерения параметров движения соединены с блоком датчиков пути и скорости, бесплатформенной инерциальной навигационной подсистемой и приемником спутниковых сигналов ГНСС. Блок видеокамер и блок лидаров подключены к вычислителю, с которым взаимодействует модуль искусственной нейронной сети. При этом приемник спутниковых сигналов ГНСС выполнен двухканальным. Радиомодемы следующих друг за другом поездов выполнены с возможностью взаимодействия по радиоканалу непосредственно или через центр радиоблокировки. Технический результат заключается в сокращении межпоездного интервала при движении поездов в режиме виртуальной сцепки. 1 ил.

Система управления движением поездов в режиме виртуальной сцепки, характеризующаяся тем, что содержит на локомотиве каждого поезда модуль автоведения, выходом соединенный с блоком управления режимами движения поезда, а входами – с выходами двух модулей центральной обработки информации, которые соединены между собой и подключены к межмодульному интерфейсу, к которому также подключены блок автоведения, два модуля измерения параметров движения, входы каждого из которых соединены с блоком датчиков пути и скорости, бесплатформенной инерциальной навигационной подсистемой и приемником спутниковых сигналов ГНСС, модуль маршрута, модуль радиоканала, соединенный с модулем радиомодема, вычислитель и блок кодирования/декодирования сообщений, взаимодействующий с блоком интерфейса машиниста, блок видеокамер и блок лидаров, входы/выходы которых подключены к выходам/входам вычислителя, модуль искусственной нейронной сети, взаимодействующий с вычислителем, при этом приемник спутниковых сигналов ГНСС выполнен по меньшей мере двухканальным, а радиомодемы следующих друг за другом поездов – с возможностью взаимодействия по радиоканалу непосредственно или через центр радиоблокировки.