基于通信的车辆控制系统和方法

专利名称：基于通信的车辆控制系统和方法
技术领域：
一般地说，本发明涉及一种改善的车辆控制系统和方法。更具体地说，本发明直接涉及基于通信的火车控制(CBTC)系统，这种系统利用低成本、易于购买的硬件来安全并有效地控制和引导各种火车。
背景技术：
一百多年来，人们一直控制火车或其它轨道导引车辆的运行以使大量增加的火车能够安全有效地运行在轨道网络中。火车在间隔从几百英尺到几千英里的距离的位置之间输送着人和货物。在单辆火车运行在单轨道或轨道网络上时，由于没有障碍，因此火车的控制变得较简单。由于火车几乎不会遇到其它的目标，因此火车可以以最大的速度运行，这种速度仅仅受到火车的速度性能、一旦火车到达它的目的地时它的停止能力和火车稳定在轨道上的能力(即在转弯附近行驶时)等因素制约。
但是，随着在轨道或轨道网络上放置更多的火车以利用轨道的未利用的能力并提供可行的运输替换方案，控制火车以使火车安全并有效地运行变得更加复杂。例如，在两个火车从相对的方向彼此接近时，为了避免相撞，一个火车必须变换到另一轨道上。类似地，在两个火车在相同的方向上彼此接近时，即在相同的轨道上一个火车在另一火车的后面并且以比前面的火车的速度更快的速度行驶，则在前面的火车必须加速或者在后面的火车必须慢下来。因此，最基本的是给铁路提供信号系统以确保在火车之间总有足够的空间以允许一个火车在撞上在前的另一个火车之前能够停止下来。
在常规的系统中，通过将每个轨道划分为区段或“块”来实现信号系统，这个区段或块是界定边界的轨道的长度。块的长度通常确定为全速运行的火车在可能的最糟糕的情况下实现完全停止所需的距离。通过放置在它的入口处的信号机保护每个块。如果该块被一个火车占用，则信号机显示红色“信号方式”以指示列车长停止该火车。如果该区段是畅通的，则信号机可能显示绿色或者“行进”信号方式。
轨道电路一般是这样的机构，通过这种机构通常检测在块中火车的存在。具有中等或较繁重的交通量的许多铁路线配备有通过轨道电路自动或半自动地运行的彩色灯信号机。在轨道电路检测到一个火车时，该信号机显示红色信号方式。如果没有检测到火车，则电路完成，信号机显示绿色信号方式(在多信号方式信号发射区中，或者为黄色)。
来自电池的低电压施加给在块中的运行导轨中的一个上并通过另一导轨返回。在到该区段的入口上的继电器检测该电压并通电以将不同的电源连接到信号机的绿色灯。
在火车进入该块中时，前面的轮组使电路电流短路，这就使继电器断电并降低接触以使信号灯电源电路启动红色信号灯。在电路中的任何断开都使得显示危险信号时，该系统是正如有时被大家所称的“具有失效保护的”或者“至关重要的”系统。
上述的电路是一种轨道电路的简化描述。实际上，“固定块的”的区段通常通过在导轨中的绝缘连接与它的相邻区段电隔离。但是，最近的装置使用电子器件以实现无连接的轨道电路。此外，即使该区段比较畅通，某些地区仍然装备附加的电路，这种电路使信号机从信号塔或控制中心手动地保持“红色”。这些是大家公知的半自动信号机。
信令设备和火车控制技术的发展以1920年为分界点通常分为两个时期。在1920年以前，技术发展的主要领域在于联锁控制和块信令设备(手动和自动)。
在1920年以后，对以更高速度运行的更重的交通运输以及更高的安全性的需要导致了重要的发展，比如集中的交通量控制、连续的司机室信令设备、编码轨道电路和自动火车控制(ATC)。通常，用于轨道快速运输的新颖的信令设备和火车控制技术源自铁路但滞后铁路的应用大约10年。但有一些显著的例外；在轨道快速运输方面自动接合运行和自动火车调度的发展领先。最近，自从大约1960年起，已经做了一些仅用于轨道快速运输和少量人员运输的系统的技术和设备的实验。
多年来，在几个地区的通信的技术进步导致了火车控制的巨大进步。例如，集中控制通常替代对如上文所描述的块信令设备的需要。
控制装置和/或系统的最初的和最重要的目的是防止在轨道网络中运行的车辆之间相撞。为此，如上文所述，已经公知的是，将铁路线划分为块并通过中央控制禁止任何火车进入一个块，除非该块没有其它火车。这种“实块”型系统可能适合于较低密度的运输量，但并不适合用于运输必须较繁忙因此在这种轨道网络中块的长度必须非常短的轨道网络，而这又导致了大量的投资和控制成本。
一种公知的常规系统提供了通过从火车发送给中央单元的关于它的速度的消息在块内的运动的速度的计算。然后中央单元执行通过将火车速度乘以所需的时间增量的距离计算。因此，如果发生碰撞的危险则可以在中央控制该速度。通过能够(至少大致地)确定每个火车在块内的位置，可以允许几个火车进入相同的块内，只要中央监测单元以及与火车的通信正常工作。但是，通过使用这种计算火车位置的方法，所获得的位置测定如此不可靠，以致每一块都必须很小，以使经常更新这种计算，或者在相同的块内所允许的火车的数量必须严格限制。此外，由于人们对增加运输密度的需求进一步升高，所以要求禁止非常小的块，这就使得在实际中很难以合理的成本和合理的控制能力构造这种系统。
另一公知的常规火车控制系统也包括将轨道划分为块，在每个块内通过在每个火车的车轮上的旋度计测定火车的运动。然后通过发射时钟脉冲在中央确定在块内的位置，该时钟脉冲以对应于在块内行进距离的延迟被火车反射回并通过旋度计测量。
在上述的两种常规系统中，每个火车经过块边界线的穿过报告给中央单元，并重复确定关于速度和已行进的距离的信息。中央单元计算在块内的每个火车的位置，并且如果两个或多个火车彼此接近的话，则控制至少一个火车的速度以避免碰撞。
由此所描述的常规的系统要求使用装置将轨道网络物理划分为块，在每个火车上的运动单元通过时，该装置启动中央单元以通过在中央单元和运动单元之间的重复的信息交换计算已行进的距离。这就导致要求在中央单元和每个运动单元之间非常频繁的通信。如果在某一时期由于任何原因造成这种通信中断，则失去了位置确定的安全性。这可能表明为了安全性的原因应该选择基于电缆的信号传输。由于用于计算已行进的距离的方法必然产生具有相当的公差的结果，因此块必须具有有限的长度，除非在火车之间的安全性距离可以做得很长。
上述的系统主要应用于在铁路线的较长的距离上的火车运输，因为它们的运输通常并不非常频繁，因此可以将安全性距离做得较长。这使得将铁路线划分为相当长的并且因此可能有限数量的块。但是，对于城市有轨电车，由于需要繁密的交通运输以及较大的速度变化，因此情况变得相当复杂。在这种情况下，对于在块内行进的所计算的距离的公差为不发生位置确定安全性的危险，块必须非常短。
已经建议了基于通信的火车控制系统，在这种系统中不需要将轨道网络划分为块，因此不存在给每个火车经过的中央单元指示经过的块边界线。相反，通过在行进的过程中所进行的距离测量在每个火车上实时地计算每个火车在轨道网络内的位置。为了以足够精密的公差确定位置以允许繁密的交通而没有安全性的危险，通过在火车上的机载无线电设备扫描的转发器，在所确定的固定点上通过无源元件在一系列较短的间隔上执行位置确定过程的校正。然后通过无线通信将所确定的火车的位置发送给中央单元以用于速度控制和任何可能的紧急刹车，这个中央单元由此计算在不同的火车之间的距离。
具体地说，根据上述的系统，在火车的机载运动单元包括测距仪。该测距仪进一步包括安装在车轮轴上的用于测量在特定的时间间隔中行进距离的脉冲计数器。这样，可以确定火车的速度和位置。在实际中，至少需要两个测量轮以便检测滑动量、阻塞和任何可能的脉冲计算器功能误差。
但是，在距离测量方面测距仪不可避免地导致累积误差。例如，火车的车轮可能发生基于各种情况的“滑移”、“滑动”和“旋转”，在发生这些情况时车轮的旋转速度并不对应于在轮距和轨道表面之间的实际滚动接触。因此，通常使用冗余计数并且必须执行所测量的距离的校正。在上述的系统中，在火车每次经过在轨道网络中的固定的点数时进行校正，并且可取的是在每次停止时执行校正。通过在火车的机载射频传感器完成距离测量的校正，该传感器记录在轨道之间在地面上放置的或悬挂在电流输送线上的无源转发器的通过。
此外，美国专利US4,735,383描述了轨道控制系统，在这种系统中多个转发器沿轨道间隔地放置。在该系统中每次经过的火车具有读取经过的转发器的标识的无线电设备。然后每个火车将转发器标识和关于它自己的标识的信息发送给中央站。然后中央站给每个火车提供信令信息。但是中央站使用单个的无线电通道一次只给一个火车提供信令信息。因为单个的消息串行发送给每个火车，这个系统要求中央站给每个火车提供非常短的广播。
美国专利US5,740,046描述了在城市有轨电车线中使用大量的无源信标标志确定电车的位置的控制车辆的方法。在这种系统中，轨道的长度划分为不同的单元。中央系统通过发送每个用于单个的电车的消息与电车通信。为了仅达到相应的电车，仅在目的电车所位于的相应的单元内发送每条消息。为达到在轨道区域内的所有的电车，因此要求从中央系统多路传输。
因此，有利的是使用给在轨道区域内的所有的火车提供详细信息的简单传输的车辆控制系统。

发明内容
本发明涉及这样的车辆控制系统和方法其中沿预定数量的块的轨道的长度设置许多信标标志。每个信标标志提供关于标志位置的标识信息。
沿轨道运行的每个车辆具有从信标标志请求信息的标志读取器和将所请求的信息以及发送车辆的车辆标识信息发送给路边控制单元的发送器。路边控制单元接收所发送的位置信息和车辆标识信息并反过来发送关于预定数量的块的每个块的信息的单次广播(singlebroadcast)。仅使用关于立即接近的块的信息的所有的车辆接收这个信号。
此外，沿预定数量块的长度的位置上设置的动态标志用作提供由路边控制单元所提供的相同信息的后备系统。


结合附图通过下文对优选实施例的详细描述将会更加清楚本发明的目的和特征，在附图中附图1所示为车辆控制系统的附图；附图2所示为使用固定块的车辆控制系统的附图；以及附图3所示为使用伪移动块的车辆控制系统的附图。
具体实施例方式
现在讨论本发明的优选实施例。虽然下文讨论了本发明的具体结构(即轨道导引的车辆系统)，但是应该理解的是这些仅用于说明的目的。本领域的普通技术人员将会认识到在不脱离本发明的精神范围的前提下可以使用其它的部件和结构，比如将本发明应用到其它的车辆比如电车或街车。
参考附图1，该系统包括沿轨道12的长度设置的信标标志10、具有标志读取器22和发送器24的火车20和优选将信息发送给在区域14内的所有的火车20的路边控制单元30。
许多信标标志10沿由预定数量的块16组成的区域14的轨道12的长度设置。位于火车20上的标志读取器22从信标标志10请求信息。然后发送器24将所请求的信息以及火车20的车辆标识信息发送给路边控制单元30。路边控制单元30从在区域14内的所有的火车中接收所发送的位置信息和车辆标识信息，然后发送关于区域14的每个块的信息的单次广播。通过在区域内的所有的火车20接收这种信号，这些火车20反过来又仅使用关于接近的块16的信息。
信标标志10优选是仅在询问时提供信息的无源RF转发器。例如，在标志读取器22(可以是转发器)从信标标志10中请求信息时，信标标志10以它已经存储在它本身中的信息作出响应。优选在轨道12的整个长度上每几米就提供信标标志10并且它位于在轨道12A之间。每个信标标志10至少将下述的信息存储它里面沿轨道精确地标识在物理上设置标志的标志位置；关于距离下一相邻的标识标志的距离的信息；下一相邻标识标志的标识；和关于轨道12的特征信息。轨道特征信息包括关于位置以及轨道坡度和轨道弯曲的程度的信息以及关于在轨道区域内的最大车辆密度的信息。在火车20在信标标志10的附近内行驶时，在火车上的标志读取器22从信标标志10中请求标识信息。
然后机载计算机(未示)存储并处理从所有信标标志10中所接收的标识信息并以格式化的方式在火车的火车长或在火车20上搭载的其它的人员可见的显示监视器(未示)上显示经处理的信息。这个经处理的信息例如可以包括当前的火车速度和火车的位置。来自信标标志10的信息以及关于火车20的信息标识也传递给发送器24以发送给路边控制单元30。
路边控制单元30从所有的火车20接收关于标识和在路边控制单元的区域14内的所有火车的位置的信息。然后路边控制单元30处理关于火车20的标识、每个火车的位置和轨道12的特征信息以及所存储的关于火车20经过的位置的信息。使用这种信息，路边控制单元30能够计算在区域14内的每个块16的状态的信息。这种状态信息包括例如在每个块16内允许的速度的信息、关于块16的关闭的信息和关于任何请求的轨道切换的信息。
然后路边控制单元30优选发送关于区域14内的所有的块16的单次广播。在每个火车20上的接收器28接收该广播。每个火车20接收关于所有块16的信息但仅利用关于火车20A当前所位于的块16A和该火车20A正接近的块16的信息。然后每个火车20使用这个信息控制它们的速度以在适当的时候停止或者在适当的时候执行轨道切换。
在计算信息时，路边控制单元30使用从火车20发送的信息以确定火车20在区域14内的位置，路边控制单元30在关闭时指定在每个目标火车20之后的轨道12的块16以防止事故并在打开时指定火车安全行驶的块16。该系统可用于在任何固定块控制系统或者“伪移动块”控制系统中打开或关闭块16。在这些系统中的任一系统中，通过路边控制单元30将关于块16的状态的信息发送给火车20。
参考附图2，对于固定块系统，块是具有预定大小的静止块。其中目标火车20A正行驶的块16A具有与它相关的红色信号方式。直接在目标火车20A之后的块16B(在距离上等于使目标火车20A在给定的它的当前的速度下安全地完全地停止下来所需的轨道12的长度)具有黄色信号方式，而直接在“黄色”块之后的块16C具有绿色信号方式。
参考附图3，因为在这个系统中每个火车20的速度和轨道12的特征都是公知的，因此可能提供所谓的伪移动块。在伪移动块系统中，与每个火车20A相关联的块16A′运动。在任何给定的时刻由火车20所占的空间是该火车的块16A′，而与火车20A的运动无关。块16A沿着火车20A运动，与在其中每个块16与正在它的边界内行驶的任何火车20分离的“固定的”块系统不同。此外，因为轨道12的特征以及其它的因素，比如气候条件、其它的附近的火车20的位置和速度，每个火车20A正行驶在其中的块16A附近的块16的大小是动态的。
例如，在轨道12上有时在另一慢速运行的火车20的后面的火车20A在相对于慢速运行火车20开始加速时，直接在慢速运行火车之后的“红色”伪块16B′可以增大尺寸以允许与正加速的火车相关的更大的停止距离。此外，关于轨道特征，如果已知要求急剧减小速度以安全地通过的急弯正相对接近某一给定的火车，则可以调整在火车之后的块的信号方式和长度以适应火车的预期减速。
此外，位于沿区域14A的长度上的动态标志40可以用作提供类似于由路边控制单元30所提供信息的信息的后备系统。与信标标志10不同的是，不需要请求动态标志40以传递存储在它内部的数据。例如，可以控制动态标志40以给火车20传输一定的数据，只要标志读取器22或它的相应的天线足够接近动态标志40。动态标志40与信标标志10一样，沿轨道12的整个长度设置；但是，动态标志不需要象信标标志10那样地紧密地设置。
当然，在不脱离由附加的权利要求所限定的本发明的精神和范围的前提下，本领域的普通技术人员可以对本发明的优选实施例作出变型。
权利要求
1.一种车辆控制系统，包括路边控制单元；多个信标标志，每个信标标志提供关于它的位置的信息，其中信标标志沿预定数量的块的轨道长度设置；设置在多个车辆中的每个车辆上用于从信标标志请求信息的标志读取器；设置在每个车辆上用于将从所述信标标志所请求的信息以及相应车辆的车辆标识信息发送给路边控制单元的发射器，其中路边控制单元接收通过发射器所发送的信息并将关于预定数量的块中的每个块的信息的单次广播发送给该多个车辆中的所有的车辆；以及设置在每个车辆上用于接收单次广播的接收器。
2.权利要求1所述的车辆控制系统，进一步包括沿预定数量的块的长度的位置上设置的动态标志，其中动态标志发送关于预定数量的块内的所有块的信息的单次广播。
3.权利要求1所述的车辆控制系统，其中单次广播包括关于在每个块内允许的速度的信息、关于块关闭的信息和关于轨道切换的信息中的至少一种信息。
4.权利要求1所述的车辆控制系统，其中单次广播是一种重复的信号。
5.权利要求1所述的车辆控制系统，其中每个信标标志进一步提供关于下一信标标志的标识和位置的信息。
6.权利要求1所述的车辆控制系统，其中信标标志也提供包括轨道坡度、轨道弯曲或最大允许的速度中至少一种信息的轨道特征信息。
7.权利要求1所述的车辆控制系统，其中块是固定块。
8.权利要求1所述的车辆控制系统，其中块是伪移动块。
9.权利要求1所述的车辆控制系统，其中多个信标标志中的每个信标标志是与相邻的信标标志间隔几米的RF标志。
10.权利要求2所述的车辆控制系统，其中单次广播包括关于在每个块内允许的速度的信息、关于块关闭的信息和关于轨道切换的信息中的至少一种信息。
11.权利要求2所述的车辆控制系统，其中单次广播是一种重复的信号。
12.权利要求2所述的车辆控制系统，其中每个信标标志进一步提供关于下一信标标志的标识和位置的信息。
13.权利要求2所述的车辆控制系统，其中每个信标标志也提供包括轨道坡度、轨道弯曲或最大允许的速度中至少一种信息的轨道特征信息。
14.权利要求2所述的车辆控制系统，其中块是固定块。
15.权利要求2所述的车辆控制系统，其中块是伪移动块。
16.权利要求1所述的车辆控制系统，其中多个信标标志中的每个信标标志是与相邻的信标标志间隔几米的RF标志。
17.一种控制车辆的方法，包括将关于多个信标标志中的一个信标标志的位置信息提供给通过多个信标标志中的所述一个信标标志的车辆，其中该信标标志沿预定数量的块的轨道长度设置；将关于多个信标标志中的所述一个信标标志的位置信息和相应车辆的车辆标识信息发送给路边控制单元；以及使用关于在预定数量的块中每个块的信息的单次广播将来自路边控制单元的位置信息和车辆标识信息发送给该多个车辆中的所有车辆。
18.权利要求17所述的控制车辆的方法，进一步包括发送关于从沿预定数量的块的长度的位置上设置的动态标志起在预定数量的块内的所有的块的信息的单次广播。
19.权利要求17所述的控制车辆的方法，其中单次广播包括关于在每个块内允许速度的信息、关于块关闭的信息和关于轨道切换的信息中的至少一种信息。
20.权利要求17所述的控制车辆的方法，其中单次广播是一种重复的信号。
21.权利要求17所述的控制车辆的方法，进一步包括提供关于下一信标标志的标识和位置的信息。
22.权利要求17所述的控制车辆的方法，进一步包括从信标标志提供包括轨道坡度、轨道弯曲或最大允许的速度中至少一种信息的轨道特征信息。
23.权利要求17所述的控制车辆的方法，其中块是固定块。
24.权利要求17所述的控制车辆的方法，其中块是伪移动块。
全文摘要
本发明涉及在其中沿预定数量的块的轨道的长度设置许多信标标志的车辆控制系统和方法。每个信标标志提供关于它的位置的信息。沿轨道运行的每个车辆具有从信标标志请求信息的标志读取器和将所请求的信息以及发送车辆的车辆标识信息发送给路边控制单元。路边控制单元接收所发送的位置信息和车辆标识信息并反过来发送关于预定数量的块的每个块的信息的单次广播。仅使用关于立即接近的块的信息的所有的车辆接收这个信号。此外，沿预定数量块的长度的位置上设置的动态标志用作提供被路边控制单元所提供的相同信息的后备系统。
文档编号B61L27/00GK1461719SQ0313060
公开日2003年12月17日 申请日期2003年4月29日 优先权日2002年5月31日
发明者哈维·R·哈特, 杰夫·迈克比 申请人:阿尔卡塔尔公司