動(dòng)車組隔離模式下駕駛輔助提示系統(tǒng)研究

李 強(qiáng) 羅云飛 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司科技和信息化部

王若欽 河南藍(lán)信科技有限責(zé)任公司

聯(lián)調(diào)聯(lián)試是新建高速鐵路開通運(yùn)營(yíng)前最為關(guān)鍵的工作項(xiàng)目，通過(guò)動(dòng)車組高速運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)全線各系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)以及功能測(cè)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)行車不安全因素并加以消除，優(yōu)化各系統(tǒng)的狀態(tài)和性能，為全線順利開通提供科學(xué)依據(jù)。

動(dòng)車組逐級(jí)提速試驗(yàn)是聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作的重要一環(huán)。在逐級(jí)提速綜合測(cè)試期間，動(dòng)車組控車方式采用ATP隔離模式運(yùn)行，線路最高測(cè)試速度將達(dá)到線路允許速度的110%，尤其350 km時(shí)速線路在逐級(jí)提速測(cè)試時(shí)最高時(shí)速接近400 km/h，在如此高速運(yùn)行下，對(duì)司機(jī)操縱提出了較高要求。在現(xiàn)有逐級(jí)提速期間司機(jī)行車操縱方式上，對(duì)區(qū)間限速區(qū)段、區(qū)間停車點(diǎn)、電分相以及?？寇囌镜汝P(guān)鍵防控點(diǎn)，仍然依靠動(dòng)車組司機(jī)了望的人控方式，如遇到突發(fā)惡劣天氣等情況，存在一定的安全隱患。因此在聯(lián)調(diào)聯(lián)試逐級(jí)提速期間迫切需要一款司機(jī)駕駛輔助提示設(shè)備，增加輔助提示手段，確保聯(lián)調(diào)聯(lián)試行車作業(yè)安全。

1 設(shè)計(jì)思路

（1）綜合管理聯(lián)調(diào)聯(lián)試線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括應(yīng)答器、分相區(qū)、線路限速、橋梁隧道、縱斷面以及里程經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)。

（2）利用RTK(Real Time Kimematic)載波相位差分技術(shù)在列車高速運(yùn)行時(shí)進(jìn)行列車定位，并將經(jīng)緯度坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為公里標(biāo)坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)分相區(qū)、?？空疽约熬€路限速點(diǎn)的輔助播報(bào)。

（3）針對(duì)聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間測(cè)試任務(wù)的不確定性，系統(tǒng)需具備靈活的自定義設(shè)置功能，能夠快速的進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整，滿足聯(lián)調(diào)聯(lián)試任務(wù)開展需要。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)框架

動(dòng)車組隔離模式下駕駛輔助提示系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由司機(jī)手持設(shè)備、客戶終端組成。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

根據(jù)以上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的運(yùn)用流程為聯(lián)調(diào)聯(lián)試項(xiàng)目部數(shù)據(jù)制作人員在逐級(jí)提速測(cè)試前將線路工程數(shù)據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)制作終端，在數(shù)據(jù)制作終端上進(jìn)行數(shù)據(jù)的核對(duì)和整理，并結(jié)合集成商在提速前的ITC測(cè)試時(shí)采集的DMS實(shí)時(shí)運(yùn)用數(shù)據(jù)最終生成行車運(yùn)行數(shù)據(jù),并將聯(lián)調(diào)聯(lián)試行車運(yùn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入手持終端。

在進(jìn)行逐級(jí)提速測(cè)試時(shí)，司機(jī)攜帶手持終端和手持定位模塊用于行車作業(yè)，當(dāng)遇到線路關(guān)鍵處所點(diǎn)時(shí)，手持終端能夠進(jìn)行輔助播報(bào)提示。

2.2 手持終端設(shè)備

（1）手持終端

司機(jī)手持終端為業(yè)務(wù)專用的定制平板設(shè)備，由動(dòng)車組司機(jī)隨身攜帶，通過(guò)數(shù)據(jù)制作終端錄入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和行車操縱數(shù)據(jù)，在逐級(jí)提速行車過(guò)程中，進(jìn)行相關(guān)行車輔助提示等功能。

（2）手持定位模塊

手持定位終端采用支持高精定位，提供米級(jí)的定位精度，并支持4G、WIFI和藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸方式，用于定位數(shù)據(jù)的傳輸。

2.3 客戶終端

數(shù)據(jù)制作終端安裝在聯(lián)調(diào)聯(lián)試指揮部終端電腦，用于線路工程數(shù)據(jù)導(dǎo)入，線路示意圖的編制,并能夠通過(guò)數(shù)據(jù)制作工具維護(hù)管理司機(jī)手持終端。

3 系統(tǒng)功能

3.1 行車基礎(chǔ)數(shù)據(jù)制作

（1）支持以文件形式將線路工程數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)，包括線路應(yīng)答器數(shù)據(jù)，信號(hào)機(jī)數(shù)據(jù)，分相區(qū)數(shù)據(jù)，車站數(shù)據(jù)，坡度、橋梁、隧道數(shù)據(jù)，RBC數(shù)據(jù)等。

（2）支持導(dǎo)入并解析行車運(yùn)用數(shù)據(jù)，提取數(shù)據(jù)中的應(yīng)答器編號(hào)和坐標(biāo)信息，并同應(yīng)答器工程數(shù)據(jù)相融合，形成線路坐標(biāo)信息打點(diǎn)數(shù)據(jù)。

（3）支持圖形化的方式展示線路數(shù)據(jù)。

3.2 行車定位

（1）支持以差分定位方式獲取列車實(shí)時(shí)位置信息和速度信息，當(dāng)無(wú)差分信息時(shí)可使用手持設(shè)備自身定位模塊定位。

（2）當(dāng)進(jìn)入隧道無(wú)定位信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)運(yùn)行速度結(jié)合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行列車位置推導(dǎo)。

3.3 行車輔助功能

（1）行車前可設(shè)置本次運(yùn)行交路的起始站和終點(diǎn)站，并選擇中途?？寇囌?。

（2）行車前可基于本次運(yùn)行交路的基礎(chǔ)限速值，設(shè)置提高或降低比例，用于限速值播報(bào)的整體調(diào)整。

（3）區(qū)間運(yùn)行期間，實(shí)時(shí)繪制線路的坡度、橋梁、隧道，RBC范圍，可視化展示給司機(jī)，輔助行車。

（4）區(qū)間運(yùn)行期間，實(shí)時(shí)展示車次、車號(hào)、配屬局、車輛運(yùn)行速度、里程、線路名稱、線路行別，前方車站名。

（5）區(qū)間運(yùn)行期間，實(shí)時(shí)繪制曲線限速曲線和分相區(qū)地點(diǎn)。

（6）區(qū)間運(yùn)行期間，能夠在列車到達(dá)根據(jù)行車要求設(shè)置的限速區(qū)段起始里程點(diǎn)前，播報(bào)前方區(qū)段限速值，并能夠隨著列車接近，漸進(jìn)的播報(bào)距離限速區(qū)段的距離。

（7）在限速區(qū)間內(nèi)運(yùn)行期間，自動(dòng)檢查動(dòng)車組車速是否超速，及時(shí)向司機(jī)發(fā)出告警。

（8）區(qū)間運(yùn)行期間，能夠在列車到達(dá)分相區(qū)起始里程點(diǎn)前，隨著列車運(yùn)行，漸進(jìn)的播報(bào)據(jù)前方分相區(qū)距離；當(dāng)列車過(guò)完分相區(qū)后，能夠向司機(jī)播報(bào)已過(guò)分相區(qū)。

（9）區(qū)間運(yùn)行期間，在列車接近前方車站時(shí)，能夠播報(bào)前方車站是?？空净蛲ㄟ^(guò)站。

（10）當(dāng)前方車站為?？空緯r(shí)，隨著列車的運(yùn)行能夠漸進(jìn)的播報(bào)據(jù)前方車站的距離。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)運(yùn)用數(shù)據(jù)梳理

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在列車高速運(yùn)行下的輔助提示的準(zhǔn)確性，需要依賴于表1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息：

表1 數(shù)據(jù)梳理

4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)車組隔離模式下駕駛輔助提示系統(tǒng)主要份為數(shù)據(jù)匯聚層、業(yè)務(wù)處理層、應(yīng)用層3個(gè)部分，總體設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)匯聚層接收并融合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和列車實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體集中處理，可根據(jù)匯總數(shù)據(jù)的訪問(wèn)頻率和數(shù)據(jù)量大小進(jìn)行綜合考慮，采用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)和本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取。

業(yè)務(wù)處理層將數(shù)據(jù)匯聚層融合的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)處理，并將匯集數(shù)據(jù)通過(guò)列車定位關(guān)聯(lián)，播報(bào)提示控制兩個(gè)維度，進(jìn)行業(yè)務(wù)運(yùn)用層的數(shù)據(jù)支撐。。

應(yīng)用層通過(guò)手持終端APP和數(shù)據(jù)維護(hù)客戶端作為交互界面進(jìn)行業(yè)務(wù)播報(bào)提示，見圖3。

圖3 系統(tǒng)界面

5 技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

5.1 運(yùn)行中機(jī)車高精度定位技術(shù)

采用外接高精定位模塊和天線方案，使用RTK(Real Time Kimematic)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，它是以載波相位觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位的技術(shù)。其原理是將位于基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)觀測(cè)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)通信鏈（無(wú)線電臺(tái)）實(shí)時(shí)發(fā)送出去，而位于附近的移動(dòng)站GPS接收機(jī)在對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)的同時(shí)，也接收來(lái)自基準(zhǔn)站的電臺(tái)信號(hào)，通過(guò)對(duì)所收到的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，給出移動(dòng)站的三維坐標(biāo)，并估其精度。

利用RTK測(cè)量時(shí)，至少配備兩臺(tái)GPS接收機(jī)，一臺(tái)固定安放在基準(zhǔn)站上，另外一臺(tái)作為移動(dòng)站進(jìn)行點(diǎn)位測(cè)量。在兩臺(tái)接收機(jī)之間還需要數(shù)據(jù)通信鏈，實(shí)時(shí)將基準(zhǔn)站上的觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給流動(dòng)站。對(duì)流動(dòng)站接收到的數(shù)據(jù)（衛(wèi)星信號(hào)和基準(zhǔn)站的信號(hào)）進(jìn)行實(shí)時(shí)處理還需要RTK軟件，其主要完成雙差模糊度的求解、基線向量的解算、坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。

5.2 地理坐標(biāo)同線路里程轉(zhuǎn)換技術(shù)

在逐級(jí)提速前，需要從電務(wù)檢測(cè)車數(shù)據(jù)或動(dòng)車組DMS數(shù)據(jù)中提取應(yīng)答器編號(hào)和通過(guò)應(yīng)答器的經(jīng)緯度信息數(shù)據(jù)。并對(duì)里程-經(jīng)緯度信息的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)，補(bǔ)點(diǎn)精度達(dá)至少10米。行車運(yùn)行中，將手持終端設(shè)備實(shí)時(shí)坐標(biāo)信息和里程-經(jīng)緯度信息的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，得到當(dāng)前行車運(yùn)行的里程值。

地理坐標(biāo)向里程轉(zhuǎn)化流程為:

（1）在逐級(jí)提速前，需要收集DMS線路實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中提取應(yīng)答器編號(hào)和通過(guò)應(yīng)答器的經(jīng)緯度信息數(shù)據(jù)。

（2）通過(guò)應(yīng)答器基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將應(yīng)答器的里程值和經(jīng)緯度信息數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，得到里程-經(jīng)緯度信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

（3）對(duì)里程-經(jīng)緯度信息的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)，補(bǔ)點(diǎn)精度達(dá)至少10 m。

（4）行車運(yùn)行中，將手持終端設(shè)備實(shí)時(shí)坐標(biāo)信息和里程-經(jīng)緯度信息的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，得到當(dāng)前行車運(yùn)行的里程值。

5.3 數(shù)據(jù)融合和分析技術(shù)運(yùn)用

為輔助隔離模式下動(dòng)車組司機(jī)完成作業(yè)，需要采集車載及地面多系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)，基于現(xiàn)有的線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、DMS運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)融合和分析處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)司機(jī)作業(yè)場(chǎng)景判斷、關(guān)鍵行車作業(yè)點(diǎn)播報(bào)等預(yù)警提示。

6 結(jié)束語(yǔ)

為了滿足高鐵的建設(shè)需要，設(shè)計(jì)了動(dòng)車組隔離模式下駕駛輔助提示系統(tǒng)框架，確定了需要深入研究的關(guān)鍵技術(shù)，本系統(tǒng)作為聯(lián)調(diào)聯(lián)試ATP隔離模式行車時(shí)的輔助和提示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)區(qū)間限速區(qū)段，區(qū)間停車點(diǎn)，電分相以及?？寇囌镜汝P(guān)鍵防控點(diǎn)的輔助播報(bào)和提示，為高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試逐級(jí)提速期間行車的安全風(fēng)險(xiǎn)管控提供技術(shù)支持。