专利名称：基于声波通信的列车防撞系统及其防撞方法
技术领域：
本发明涉及轨道交通技术，特别是涉及一种基于声波通信的列车防撞系统及其防撞方法的技术。
背景技术：
包括城市轨道交通列车在内的轨道交通工具一旦发生追尾或对撞等碰撞事故，会造成严重的生命和财产损失；尤其在隧道内发生碰撞事故时，事故的救援和处理都极其不便，更加重了事故带来的危害和影响。目前，大部分国家均采用列车运行控制(Train Control System, TCS,或针对地铁线路的Automatic Train Control, ATC)系统来保证列车的运行安全，以避免列车碰撞事故发生，尽管其技术发展和应用已经十分成熟，然而最近十几年，列车安全事故仍然时有发·生，尤其是近几年在各国发生的严重地铁列车追尾事故表明基于信号与通信(Signalingand Communication)技术的列车运行控制系统虽严密但复杂,但任何外部的不利因素和系统的缺陷都可能导致系统整体或局部故障，或者迫使系统降级至安全系数低的备用模式，继而增加列车碰撞事故发生的几率。鉴于目前列车碰撞事故仍然时有发生，相关技术人员在完善现有系统安全措施的同时，也在开展新的独立于现有安全措施的列车防撞技术的开发，包括卫星定位(Satellite Based Positioning)、图像识别(Image Recognition)、防撞雷达(Anti-Crash/Collision Radar)等技术，以及利用单个技术的优点而集成的防撞系统。现有列车防撞技术都是基于电磁波感测、探测机制的防撞技术，这类技术的缺陷在于，当列车线路在隧道内时，基于电磁波感测、探测机制的防撞技术均不能有效发挥作用，对于长时间运行在长距离隧道中的地铁列车而言，其缺陷尤其明显，主要表现在
1)在隧道内，尤其是长距离隧道内，列车无法利用电磁波直接与隧道外部的中继(如卫星)建立通信；
2)隧道的曲率和狭小的空间等因素限制了车载图像感测方法的有效作用距离；
3)由于隧道中内部设施的影响和空间的限制，隧道内中高频电磁波衰减快、回波复杂，且地铁线路有上下起伏坡度和弯道，造成探测盲区，因而电磁波雷达在隧道内无法发挥有效作用。由此可见，现有的列车防撞技术在隧道内的应用效果不佳，尤其是在非直形的长距离隧道内基本无法有效提高列车的行驶安全性，不能很好的避免列车碰撞事故发生，在地铁线路中的应用效果较差。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能提高列车在隧道内的行驶安全性的基于声波通信的列车防撞系统及其防撞方法。为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种基于声波通信的列车防撞系统，涉及包含有多辆列车的列车交通网络，其特征在于包括与列车交通网络中的列车数量一致的多个防撞通信单兀，每个防撞通信单兀对应一辆列车；
每个防撞通信单元中均有两个声波通信子单元，每个防撞通信单元中的一个声波通信子单元安装在对应列车的车头，另一个声波通信子单元安装在对应列车的车尾；
所述声波通信子单元包括一用于发射声波的声波发射装置、一用于接收声波的声波接收装置、一信号控制处理设备、一示警终端；
所述声波发射装置设有探测信号输入端，所述声波接收装置设有反馈信号输出端，所述示警终端上设有示警信号输入端；
所述信号控制处理设备设有探测信号输出端、反馈信号输入端、预警信号输出端，并内置有用于控制其各信号输出端的输出信号，及处理分析其反馈信号输入端的输入信号的信号处理模块，其探测信号输出端接到声波发射装置的探测信号输入端，其反馈信号输入 端接到声波接收装置的反馈信号输出端，其预警信号输出端接到示警终端的示警信号输入端。进一步的，所述示警终端安装在对应列车的驾驶室内，示警终端上设有示警信息发生部件。进一步的，所述信号控制处理设备的预警信号输出端接入对应列车的制动系统和/或自动运行保护系统。进一步的，所述声波通信子单元还包括一供电设备，所述供电设备中内置有不间断电源，所述不间断电源的电源输入端接到对应列车的供电输出端，其供电端接到声波发射装置、声波接收装置、示警终端及信号控制处理设备的电源输入端。进一步的，所述声波发射装置包括功率放大器及至少一个扬声器，所述功率放大器的源信号输入端构成声波发射装置的探测信号输入端，功率放大器的放大信号输出端接到各扬声器的电信号输入端。进一步的，所述扬声器是电动式扬声器、静电式扬声器、电磁式扬声器、压电式扬声器、气动式扬声器中的一种，或是其中的多种的组合。进一步的，所述声波接收装置包括前置放大器、信号调理器及至少一个传声器，所述信号调理器的调理信号输出端构成声波接收装置的反馈信号输出端，所述前置放大器的放大信号输出端接到信号调理器的源信号输入端，前置放大器的源信号输入端分别接到各传声器的电信号输出端。进一步的，所述传声器是电容传声器、压电式传声器、电动传声器、驻极体传声器中的一种，或是其中的多种的组合。本发明所提供的基于声波通信的列车防撞系统的防撞方法，其特征在于
每辆列车利用声波发射装置向列车前方发射声波探测信号；
每辆列车利用声波接收装置接收后方列车发射的声波探测信号，并在收到后方列车发射的声波探测信号后，利用声波发射装置向列车后方发射声波应答信号；
每辆列车利用声波接收装置接收前方列车发射的声波应答信号，并在收到前方列车发射的声波应答信号后，根据本车发射的声波探测信号与接收到的声波应答信号之间的收发时差，及声波传播速度、本车行进速度，利用信号控制处理设备计算出本车与前车之间的间距，再判断本车与前车之间的间距是否小于安全距离；如果判断出本车与前车之间的间距小于安全距离，信号控制处理设备即向本车的示警终端输出预警信号。进一步的，如果判断出本车与前车之间的间距小于安全距离，信号控制处理设备即向本车的制动系统输出制动信号，使本车的制动系统对本车实施制动操作，或向本车的保护系统输出限速信号，使本车的保护系统对本车实施限速操作。进一步的，所述声波探测信号是按时序间歇发射的单频率声波信号，或是按时序间歇发射的多频率声波信号序列，或是按时序持续发射的多频率声波信号序列，或是按时序间歇发射的调幅声波，或是按时序间歇发射的调频声波；
所述声波应答信号是单频率声波信号，或是按时序发射的多频率声波信号序列，或是调幅声波，或是调频声波。本发明提供的基于声波通信的列车防撞系统及其防撞方法，采用声波作为通信手 段，来实现列车之间的简单通信，不依赖现有的信号、通信等相关设备和系统，只输出单向指令，具有很强的独立性，声波最大的优点在于可靠的长距离传输能力，一方面中低频声波在开阔空间的传播衰减就比较小，另一方面，某些频段的声波可在(半、双、椭)圆形、矩形等各类隧道中以很低的衰减率直线或曲线传播，即声导波(Guided Sound Waves),其在一般隧道中有效传播距离可达数公里，远大于一般列车的安全距离，甚至大于某些地铁线路的闭塞区间距离，因而声波可在隧道内或开阔空间用于列车之间的简单通信，在正常运行或应急状态下起到长距离示警、防撞保护作用，从而降低列车在隧道内的碰撞风险和损失；还可在一定程度上独立实现列车的移动闭塞(Moving Block)机制，对隧道线路在正常运营或故障降级情况下保证运营效率提供实际帮助，能提高列车在隧道内的行驶安全性，相对现有列车防撞技术具有应用成本低、简单可靠、兼容性好的优点；系统装置完全车载因而几乎不需要对线路做额外的施工和维护，而且对现有线路的电力、信号和通信系统不产生干扰，对人员无任何伤害，特别适合在城市地铁线路中应用。
图I是本发明实施例基于声波通信的列车防撞系统的结构示意图2是本发明实施例基于声波通信的列车防撞系统中的声波通信子单元的结构示意
图3是本发明实施例基于声波通信的列车防撞系统的防撞方法流程图。
具体实施例方式以下结合
对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。如图I所示，本发明实施例所提供的一种基于声波通信的列车防撞系统，涉及包含有多辆列车I的列车交通网络，其特征在于包括与列车交通网络中的列车I数量一致的多个防撞通信单兀，每个防撞通信单兀对应一辆列车I ;
每个防撞通信单元中均有两个声波通信子单元2，每个防撞通信单元中的一个声波通信子单元2安装在对应列车I的车头，另一个声波通信子单元2安装在对应列车I的车尾；如图2所示，所述声波通信子单元包括一用于发射声波的声波发射装置、一用于接收声波的声波接收装置、一信号控制处理设备、一示警终端；
所述声波发 射装置设有探测信号输入端，所述声波接收装置设有反馈信号输出端，所述示警终端上设有示警信号输入端；
所述信号控制处理设备设有探测信号输出端、反馈信号输入端、预警信号输出端，并内置有用于控制其各信号输出端的输出信号，及处理分析其反馈信号输入端的输入信号的信号处理模块，其探测信号输出端接到声波发射装置的探测信号输入端，其反馈信号输入端接到声波接收装置的反馈信号输出端，其预警信号输出端接到示警终端的示警信号输入端。本发明实施例中所述示警终端安装在对应列车的驾驶室内，示警终端上设有示警信息发生部件。所述示警信息发生部件包括示警音发生部件(如蜂鸣器)、示警光发生部件(如示警灯)、示警显示屏，示警终端的示警音发生部件、示警光发生部件、示警显示屏各经示警电路接到示警终端的示警信号输入端。本发明实施例中，所述信号控制处理设备的预警信号输出端接入对应列车的制动系统和/或自动运打保护系统。本发明实施例中，所述声波通信子单元还包括一供电设备，所述供电设备中内置有不间断电源(UPS)，所述不间断电源的电源输入端接到对应列车的供电输出端，其供电端接到声波发射装置、声波接收装置、示警终端及信号控制处理设备的电源输入端。本发明实施例中，所述声波发射装置为现有技术，包括功率放大器及至少一个扬声器，所述功率放大器的源信号输入端构成声波发射装置的探测信号输入端，功率放大器的放大信号输出端接到各扬声器的电信号输入端，所述扬声器是电动式扬声器、静电式扬声器、电磁式扬声器、压电式扬声器、气动式扬声器中的一种，或是其中的多种的组合，扬声器的数量多于一个时，可将各扬声器排列成扬声器阵列。本发明实施例中，所述声波接收装置为现有技术，包括前置放大器、信号调理器及至少一个传声器，所述信号调理器的调理信号输出端构成声波接收装置的反馈信号输出端，所述前置放大器的放大信号输出端接到信号调理器的源信号输入端，前置放大器的源信号输入端分别接到各传声器的电信号输出端，所述传声器是电容传声器、压电式传声器、电动传声器、驻极体传声器中的一种，或是其中的多种的组合。本发明实施例中，所述信号控制处理设备是单片机，所述示警终端中的示警电路为现有技术。如图3所示，本发明实施例所提供的基于声波通信的列车防撞系统的防撞方法，其特征在于
每辆列车车头的声波通信子单元，利用信号控制处理设备控制声波发射装置向列车前方(即列车行进方向)发射声波探测信号；
每辆列车车尾的声波通信子单元，利用声波接收装置接收后方列车发射的声波探测信号，并在收到后方列车发射的声波探测信号后，输入到信号控制处理设备进行分析判断，如果判断出收到的声波探测信号是由后车发出的，即利用信号控制处理设备控制声波发射装置向列车后方(即向后车)发射声波应答信号；
每辆列车车头的声波通信子单元，利用声波接收装置接收前方列车发射的声波应答信号，并在收到前方列车发射的声波应答信号后，根据本车发射的声波探测信号与接收到的声波应答信号之间的收发时差，及声波传播速度、本车行进速度，利用信号控制处理设备计算出本车与前车之间的间距，再判断本车与前车之间的间距是否小于安全距离；
如果计算出的本车与前车之间的间距小于安全距离阈值，即判定本车与前车之间的间距小于安全距离，信号控制处理设备即向本车的示警终端输出预警信号，使本车示警终端发出示警信息，并向本车的制动系统输出制动 信号，使本车的制动系统对本车实施制动操作，或向本车的保护系统输出限速信号，使本车的保护系统对本车实施限速操作；
所述安全距离阈值是由信号控制处理设备预先设定的固定值，或是由信号控制处理设备根据预先设定的固定值及本车行进速度计算出来的变量值；
所述示警信息包括示警音(如蜂鸣器的蜂鸣声)、示警光(如示警灯闪烁)、示警文字和/或示警图案。本发明实施例中，所述声波探测信号是按时序间歇发射的单频率声波信号，或是按时序间歇发射的多频率声波信号序列，或是按时序持续发射的多频率声波信号序列，或是按时序间歇发射的调幅声波，或是按时序间歇发射的调频声波。本发明实施例中，所述声波应答信号是单频率声波信号，或是按时序发射的多频率声波信号序列，或是调幅声波，或是调频声波。本发明实施例中，所述声波探测信号及声波应答信号可以是频率小于20Hz的次声波信号，也可以是20Hz到20kHz的音频声波信号，也可以是20kHz以上的超声波。本发明实施例中，所述多频率声波信号序列是指由多个不同频率的声波按时序组合而成的声波信号。本发明实施例中，每辆列车车头的声波通信子单元中的声波发射装置所发射的声波探测信号，应当与其它列车车尾的 声波通信子单元的声波发射装置所发射的声波应答信号有所区别。通常，列车的运行线路很长，声波的传播速度超过每小时1200公里，远大于一般列车的运行速度，而空气声波的发射和接收比较简单，相关设备成熟、可靠、低廉，尤其适用于地铁列车之间以辅助行车安全为目的、无需大量数据交换的列车之间的通信。
权利要求
1.一种基于声波通信的列车防撞系统，涉及包含有多辆列车的列车交通网络，其特征在于包括与列车交通网络中的列车数量一致的多个防撞通信单元，每个防撞通信单元对应一辆列车； 每个防撞通信单元中均有两个声波通信子单元，每个防撞通信单元中的一个声波通信子单元安装在对应列车的车头，另一个声波通信子单元安装在对应列车的车尾； 所述声波通信子单元包括一用于发射声波的声波发射装置、一用于接收声波的声波接收装置、一信号控制处理设备、一示警终端； 所述声波发射装置设有探测信号输入端，所述声波接收装置设有反馈信号输出端，所述示警终端上设有示警信号输入端； 所述信号控制处理设备设有探测信号输出端、反馈信号输入端、预警信号输出端，并内置有用于控制其各信号输出端的输出信号，及处理分析其反馈信号输入端的输入信号的信号处理模块，其探测信号输出端接到声波发射装置的探测信号输入端，其反馈信号输入端接到声波接收装置的反馈信号输出端，其预警信号输出端接到示警终端的示警信号输入端。
2.根据权利要求I所述的基于声波通信的列车防撞系统，其特征在于所述示警终端安装在对应列车的驾驶室内，示警终端上设有示警信息发生部件。
3.根据权利要求I所述的基于声波通信的列车防撞系统，其特征在于所述信号控制处理设备的预警信号输出端接入对应列车的制动系统和/或自动运行保护系统。
4.根据权利要求I所述的基于声波通信的列车防撞系统，其特征在于所述声波通信子单元还包括一供电设备，所述供电设备中内置有不间断电源，所述不间断电源的电源输入端接到对应列车的供电输出端，其供电端接到声波发射装置、声波接收装置、示警终端及信号控制处理设备的电源输入端。
5.根据权利要求I所述的基于声波通信的列车防撞系统，其特征在于所述声波发射装置包括功率放大器及至少一个扬声器，所述功率放大器的源信号输入端构成声波发射装置的探测信号输入端，功率放大器的放大信号输出端接到各扬声器的电信号输入端。
6.根据权利要求5所述的基于声波通信的列车防撞系统，其特征在于所述扬声器是电动式扬声器、静电式扬声器、电磁式扬声器、压电式扬声器、气动式扬声器中的一种，或是其中的多种的组合。
7.根据权利要求I所述的基于声波通信的列车防撞系统，其特征在于所述声波接收装置包括前置放大器、信号调理器及至少一个传声器，所述信号调理器的调理信号输出端构成声波接收装置的反馈信号输出端，所述前置放大器的放大信号输出端接到信号调理器的源信号输入端，前置放大器的源信号输入端分别接到各传声器的电信号输出端。
8.根据权利要求7所述的基于声波通信的列车防撞系统，其特征在于所述传声器是电容传声器、压电式传声器、电动传声器、驻极体传声器中的一种，或是其中的多种的组合。
9.根据权利要求I所述的基于声波通信的列车防撞系统的防撞方法，其特征在于 每辆列车利用声波发射装置向列车前方发射声波探测信号； 每辆列车利用声波接收装置接收后方列车发射的声波探测信号，并在收到后方列车发射的声波探测信号后，利用声波发射装置向列车后方发射声波应答信号； 每辆列车利用声波接收装置接收前方列车发射的声波应答信号，并在收到前方列车发射的声波应答信号后，根据本车发射的声波探测信号与接收到的声波应答信号之间的收发时差，及声波传播速度、本车行进速度，利用信号控制处理设备计算出本车与前车之间的间距，再判断本车与前车之间的间距是否小于安全距离； 如果判断出本车与前车之间的间距小于安全距离，信号控制处理设备即向本车的示警终端输出预警信号。
10.根据权利要求9所述的基于声波通信的列车防撞系统的防撞方法,其特征在于如果判断出本车与前车之间的间距小于安全距离，信号控制处理设备即向本车的制动系统输出制动信号，使本车的制动系统对本车实施制动操作，或向本车的保护系统输出限速信号，使本车的保护系统对本车实施限速操作。
11.根据权利要求9所述的基于声波通信的列车防撞系统的防撞方法，其特征在于所述声波探测信号是按时序间歇发射的单频率声波信号，或是按时序间歇发射的多频率声波信号序列，或是按时序持续发射的多频率声波信号序列，或是按时序间歇发射的调幅声波，或是按时序间歇发射的调频声波； 所述声波应答信号是单频率声波信号，或是按时序发射的多频率声波信号序列，或是调幅声波，或是调频声波。
全文摘要
一种基于声波通信的列车防撞系统及其防撞方法，涉及轨道交通技术领域，所解决的是提高列车在隧道内的安全性的技术问题。该系统包括分别安装各辆列车上的多个防撞通信单元，每个防撞通信单元中均由分别安装在车头及车尾的两个声波通信子单元组成，每个声波通信子单元包括一声波发射装置、一声波接收装置、一信号控制处理设备；后车向前车发射声波探测信号，前车接收到后车发射的声波探测信号后，向后车发射声波应答信号，后车接收到前车发射的声波应答信号后，根据声波探测信号与声波应答信号之间的收发时差计算出本车与前车之间的间距，再根据计算结果判断列车的碰撞风险。本发明提供的系统及方法，特别适合在城市地铁线路中应用。
文档编号B61L23/34GK102756748SQ20121027035
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月31日 优先权日2012年7月31日
发明者周文晋, 夏海波, 李晓东, 蔡志博, 鲍明 申请人:上海中科高等研究院, 中国科学院声学研究所