一种基于信标的全线网列车定位方法

技术领域

本发明涉及列车定位技术领域，更具体地说涉及一种基于信标的全线网列车定位方法。

背景技术

列车的位置信息是列车自动防护（ATP,Automatic Train Protection）、列车自动驾驶（ATO，Automatic Train Operation）和列车自动监控（ATS,Automatic TrainSupervision）核心。在城轨行车调度系统中，主要采用基于里程计的测速定位方案，集成在车载控制器（CC,Carbon Controller）子系统中，实现列车精确的位置定位。

但在CC子系统故障宕机场景中，既有使用计轴定位和人工定位方案的次级列车定位方案，计轴定位方案属于独立系统和接口复杂度高，次级设备多，系统铺设成本和维护成本高；人工定位方案安全等级低，定位可靠性差，出错率高。在当今城市轨道交通线路密度高，运行繁忙的背景下，一个具有经济优势，效率优势和安全优势的次级定位列车定位和信号系统故障情况下的全线网列车显示方案显得尤为重要。

现有技术中，公开号为CN113022652A的专利，公开了一种全网列车自主定位系统，该系统可自主发送列车的精确位置，以有效应对各种故障或降级情况下的列车位置识别，所述的定位系统包括：后备定位模块，安装在列车上，用于读取轨道上信标位置信息；GTS服务器，用于接收、存储和转换后备定位模块发送的列车定位信息，并进行输出显示。与现有技术相比，本发明具有有效应对系统降级，即使在信号系统完全故障的情况下，也能够实时跟踪列车的位置等优点。

上述专利公开的全网列车自主定位系统，仅公开了一种基本架构方案，介绍了各模块的基本功能，没有公开具体是如何实现其功能，也即没公开具体的实现细节。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明公开了一种基于信标的全线网列车定位方法，本发明从信标ID读取，信标消息组装发送和列车位置显示为切入点，详细公开介绍了可落地的技术方案。本发明作为CC宕机的故障场景下，列车定位和全线网列车位置显示。本发明通过读取沿轨道铺设信标的信标ID，并与GTS（Global Train-localizationSystem 全线网列车定位系统）交互包含信标ID的信标消息，根据信标ID和电子地图中信标的位置关系，实现信标ID到列车位置的映射，从而计算列车位置，并显示列车位置，不仅经济效益明显，定位精度高，具有较高的安全等级，即提高了信号系统故障场景下，全线行车调度的效率和安全性。

本发明中，当列车运行中经过信标上方时，BLS（backup localization system）后备定位设备通过信标天线发送的电磁波信号，激活信标，信标发送包含信标ID的FSK调制解调信号beacon_message；BLS设备接收并存储beacon_message，通过时间戳判断信标消息的时效性；BLS设备以beaconmessage_readduration为周期解析beacon_message，获取信标ID（beacon_id）；BLS设备初始化时，通过读取离线配置文件，实现列车ID（train_id），列车长度(train_length)，线路号(line_num)，车端号(train_end)等固定数据的输入；通过离线配置文件，实现发送给GTS消息周期(beaconmessage_sendtogts_cycle)的配置，便于依据不同线路信标布置的密度，调整发送消息的周期；BLS设备将从信标中获取的信标ID和离线配置中获取配置数据，进行数据重组，生成发送给GTS的消息（beaconmessage_sendtogts）；GTS根据接收到的beaconmessage_sendtogts消息，解析对应的信标ID，并根据电子地图中，信标ID和信标位置的映射关系，获取到信标位置（beacon_position），即以列车ID为标识的列车当前位置为信标位置；以图形的形式，移动列车ID的图形至beacon_position’位置，实现当前列车的位置在全线网上的定位；GTS接收全线网列车的beaconmessage_sendtogts消息，即可实现全线网列车的实时显示和管理。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案：

一种基于信标的全线网列车定位方法，包括以下步骤：

一、数据输入

S1、制作列车后备定位设备离线二进制配置文件，后备定位设备在初始化时读入该离线二进制配置文件，获取列车和线路固定参数；

优选的，所述S1步骤中，离线二进制配置文件中的数据内容包括：beaconmessage_sendtogts_cycle，train_id，train_length，line_num，train_end数据；其中，beaconmessage_sendtogts_cycle为后备定位设备发送给全线网列车定位系统的消息周期；train_id为列车ID；train_length为列车长度；line_num为线路号；train_end为车端号。

上述步骤的数据配置：

消息发送周期（beaconmessage_sendtogts_cycle）：控制BLS将信标消息配置发送给GTS周期，可灵活根据不同线路信标布置的距离进行调整，提高根据信标ID定位的精度；

列车ID（train_id）：标识不同列车；

列车长度（train_length）：信标ID对应的信标位置仅是一个位置点，而列车具有一定长度，信标ID结合列车长度能防护列车车尾，计算列车的防护区间；

线路号（line_num）：明确当前列车运行所在的线路，降低信标ID（beacon_id）设计和匹配位置计算的难度；

车端号（train_end）：标识BLS设备安装的位置，如车头或车尾，提高定位的精确度。

优选的，所述S1步骤包括以下步骤：

S11、根据线路设计文件，获取需要配置的beaconmessage_sendtogts_cycle，train_id，train_length，line_num，train_end参数数值，并制作成xml文件；

S12、离线工具读入制作的xml文件，并将xml文件转化为二进制配置文件；

S13、将二进制配置文件烧录到后备定位设备板卡中；

S14、后备定位设备初始化时，读取板卡中的二进制配置文件，将二进制配置文件中的配置数据读入，完成后备定位设备的初始化。

二、天线激活信标

S2、列车运行经过信标时，列车上的后备定位设备通过连接的信标天线向信标发送电磁波downlink信号，激活信标；铺设在线路上的信标被激活后，发送包含其ID的信标uplink消息至列车后备定位设备，并将后备定位设备的信标消息就绪标志位置位BMR；当经过信标中心点时，后备定位设备的TOPLOC1和TOPLOC2信号被置位；

本发明中，uplink由消息VCP编码保证安全达到SIL4级。BMR（beacon_message_ready,BMR）为信标消息就绪标志位置位。2个TOPLOC信号同时有效，就代表天线过了信标中心点，接收的信标消息有效，避免电磁干扰等导致的无效信标消息。

优选的，所述S2步骤中，信标激活后发送的信标uplink消息为包含beacon_id的beacon_message，并由VCP编码使安全达到SIL4级；其中，beacon_id为信标ID；beacon_message为信标信息。

上述步骤进行天线激活信标，列车运行并经过信标时，BLS通过信标天线发送的电磁波downlink信号，激活信标；信标发送包含beacon_id的beacon_message。

三、存储信标消息

S3、列车上的后备定位设备接收信标发送的信标消息后，附加当前时间戳后存储信标消息；

优选的，所述S3步骤中，列车上的后备定位设备接收信标发送的beacon_message，并附加当前时间戳后，存储在存储介质中。

上述步骤中，附加当前时间戳后存储信标消息，附加当前时间戳的目的是：根据时间戳可判断信标消息的时效性，防止非预期故障或原因，造成的信标消息失效，提高信标读取的可靠性和有效性。

四、读取信标数据

S4、后备定位设备以T时间为中断，判断消息的时效性，若TOPLOC1、TOPLOC2和BMR同时有效，则读取存储的信标消息获取信标ID；

优选的，所述T为2ms。

优选的，所述S4步骤中，以beaconmessage_readduration为周期解析beacon_message，获取beacon_id，其中，beaconmessage_readduration为解析存储的信标消息周期，beacon_message为信标信息，beacon_id为信标ID。

上述步骤进行读取信标数据，以beaconmessage_readduration为周期解析beacon_message。根据时间戳判断消息的时效性，判断时效性的目的是保证读取到的信标消息是有效的，提高数据提取的可靠性和有效性（解析信标消息的周期为2ms，而信标消息更新为经过信标才更新，根据方案设计，本周期和上周期的消息为有效消息）。若判断结果为在时效性内，则解析信标消息，提取beacon_id；若不在时效性内，则不解析信标消息，不提取beacon_id。

五、组装信标消息并发送

S5、后备定位设备将S1步骤读入的离线二进制配置文件和S4步骤读取的存储信标消息进行组装，并周期性将组装后的信标消息发送给全线网列车定位系统；

本发明中，GTS（Global Train-localization System 全线网列车定位系统）用于接收BLS发送的信标消息beaconmessage_sendtogts列车定位信息，并进行列车位置的显示。

优选的，所述S5步骤中，组装后的信标消息为beaconmessage_sendtogts，beaconmessage_sendtogts中的数据字段包括train_id，train_length，line_num，train_end和beacon_id，并以beaconmessage_sendtogts_cycle为周期发送给全线网列车定位系统，beaconmessage_sendtogts消息中的beacon_id根据S4步骤周期性的更新。

优选的，所述S5步骤中，beaconmessage_sendtogts消息包括冗余层、信号层和数据层，所述数据层包括loophour，line_num，beacon_id，train_id，train_length和train_end数据字段，其中，loophour为后备定位设备的运行周期。

六、解析信标ID并匹配信标位置

S6、全线网列车定位系统收到信标消息后，按照接口定义，解析信标消息得到信标ID、列车ID，并根据全线网列车定位系统电子地图中信标ID和信标位置的映射关系，获取信标位置；

优选的，所述S6步骤中，全线网列车定位系统接收到beaconmessage_sendtogts消息后，按照接口定义，解析包括beacon_id、train_id数据，并根据电子地图中信标ID和信标位置的映射关系，获取信标位置beacon_position。

七、显示列车位置

S7、根据解析得到的列车ID，以及获取的信标位置，在全线网列车定位系统人机界面上，移动列车ID标识的列车图至信标位置；

优选的，所述S7步骤中，根据获取到的train_id和beacon_position，移动train_id标识的列车图符至beacon_position’处，其中，beacon_position’为beacon_position在全线网列车定位系统人机交互界面上的像素位置。

S8、列车往前运行，重复S2- S7步骤，实时更新列车的位置。

本发明中，GTS接收全线网不同列车的beaconmessage_sendtogts消息，并根据步骤S6和步骤S7，更新不同列车不同时刻的位置，实现全线网列车的位置显示和管理，给线网列车调度提供参考。

本发明的有益效果：

本发明提供的基于信标的全线网列车定位方法，在CC宕机的故障场景下，通过读取信标ID，提供后备列车定位信息，与GTS交互信标信息，实现全线网列车位置的更新和追踪，相比既有的计轴定位和人工定位方案，定位精度的更高（信标铺设距离小于计轴区段范围）。

本发明提供的基于信标的全线网列车定位方法，通过复用既有信标设备，读取沿轨道铺设信标的信标ID，并与电子地图中的信标位置做匹配，实现列车的定位。该方案仅需少量和独立的硬件设备，次级设备少，系统铺设成本和维护成本低，经济效益明显。信标铺设设计和位置数据，包含在既有城轨施工设计中，无需增加施工和运营的难度和复杂度，接口简单，可复用程度高，方案落地难度低。信标ID和信标位置映射关系明确和计算量小，定位结果可靠性高。

本发明提供的基于信标的全线网列车定位方法，根据信标ID，计算信标位置后，在GTS方，可实时显示列车位置，实现信号系统故障宕机场景下，全线网的列车定位和位置显示，为调度提供整体的列车运行位置信息，提升了调度和运行的安全性和效率。

附图说明

图1为本发明各功能模块流程图；

图2为本发明数据流图；

图3为本发明beaconmessage_sendtogts消息结构图；

图4为本发明beaconmessage_sendtogts消息发送逻辑图；

图5为本发明根据信标ID定位的列车位置图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。

一种基于信标的全线网列车定位方法，如图1和2所示，包括以下步骤：

步骤S1:在初始化阶段，读入离线配置文件，假设配置参如下：

beaconmessage_sendtogts_cycle=3s

train_id=1

train_length=123

line_num=1 （假设线路1上铺设信标b1,b2,b3,b4,……）

train_end=1

步骤S2:如图2所示，当列车1在线路1上运行时，经过beacon_id=1的信标时，BLS信标天线发送电磁波信号，信标（beacon_id=1）被激活，发送beacon_message（包含beacon_id=b1的数据）。

步骤S3:beacon_message被存储在BLS的存储介质中，并附加了时间戳。

步骤S4: BLS周期性的读取存储在存储介质上beacon_message并判断消息的时效性，解析出beacon_id为b1。

步骤S5: 如图3所示，组装信标消息beaconmessage_sendtogts, beaconmessage_sendtogts消息结构，包含冗余层，信号层和数据层，数据层包含loophour，line_num,beacon_id,train_id,train_length和train_end数据字段。

步骤S6:如图4所示，消息组装完成后，以beaconmessage_sendtogts_cycle=3s为周期，周期性的发送beaconmessage_sendtogts消息给GTS。

步骤S7:GTS接收到beaconmessage_sendtogts消息后，解析出line_num=1,beacon_id=b1,train_id=1,train_length=123,train_end=1等数据。

步骤S8:GTS根据电子地图中包含的（beacon_id,beacon_position）的映射关系，得出信标b1的位置beacon_position为1km。根据（b1,1km）映射到界面位置为像素点beacon_position’（X=10,Y=110）。

步骤S9:如图5所示，结合步骤S7得到的train_id=1和步骤S8得到的beacon_position’（X=10,Y=110），移动列车1对应的图符位于人机界面上像素点beacon_position’（X=10,Y=110）处。

列车1沿线路1向前运行，相继经过信标b2,b3,b4,…，则更新beaconmessage_sendtogts中的beacon_id数据段，经过步骤S7,S8,S9实时更新列车1在人机界面上的位置。GTS接收来自列车1，列车2，列车3等列车的beaconmessage_sendtogts消息后，经过步骤S7,S8,S9，更新列车1，列车2，列车3等列车在人机界面上的位置，实现列车1，列车2，列车3等列车的实时位置显示。

以上对本发明的实施方式进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种等同变型或替换，这些等同或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。