专利名称：一种基于伪随机码射频测距的轨道交通列车防追尾装置的制作方法
技术领域：
本发明属于轨道交通技术领域，涉及一种轨道交通列车的防追尾装置。
背景技术：
轨道交通列车在运行过程中，前后列车必须保持足够的间隔距离，通常情况要求大于列车的制动距离，藉此保证列车的运行安全。轨道交通运行控制系统是列车运行安全的技术保障，用于保证前后列车的安全间隔，防止发生列车追尾等危险事件，该系统属于复杂的自动化系统。当轨道交通运行控制系统发生故障而停止使用时，往往需要司机人工驾驶或人工瞭望来保证行车安全。列车在经过弯道或上下坡道时，受地形条件限制，瞭望距离较短，可能无法及时发现前车，容易导致前后车距过近而引发的追尾事故，存在一定的安全隐患。此外，调度人员和司机习惯于运行控制系统的自动运行，手工作业训练较少，当设备出现故障而停用，必须手工操作时，往往过于紧张、容易导致观察的疏漏，更容易出现安全隐患。因此需要一种独立于列车运行控制系统之外的列车防追尾装置，能在前后车距过近时及时发出示警，以提高行车安全性。现有技术中在列车防撞、防追尾领域几乎没有涉及到基于伪随机码扩频测距的轨道交通列车防追尾装置方面的专利。与之相近的，有申请号201110234174.0的专利描述的一种列车防追尾系统，该系统中前后列车均装有GPS定位装置而获得本列车的地理位置数据，再通过无线收发装置向外广播发送，后车接收到前车广播发送的GPS地理位置数据，再和自身GPS地理位置数据进行计算，求解前后列车的车距。该专利列车定位信息由车载GPS提供，具有一定的局限性。首先，在常见的地下隧道区段无法接收到GPS信号而丧失定位功能和防追尾工功能；另外，民用GPS定位精度通常在几十米，即使使用差分GPS定位，也仅能达到数米，不足以准确区分本股道和相邻股道的信号，后车可能接收到相邻股道列车的定位信息，而根据轨道交通的运营规范，不同股道的列车车距一般是没有限制的，因此该专利无法有效避免这种误报警。此外，申请号为200920034397.0的实用新型专利描述了一种列车防追尾监测装置，该装置在列车车头车尾安装无线编码发射/接收器，后车不断向前方发射序列编码信号，当前后列车距离接近到无线编码发射/接收器能够进行无线通信时，就能够进行无线通信来实现防追尾。由于射频信号传输受到信道衰落和多径影响，接收到的信号强度存在随机性，因此无线通信的最远距离波动较大，导致防追尾的车距波动较大，存在不确定性。在城市轨道交通领域，列车制动距离不超过两百米，因此列车防追尾的间距较短，仅为两三百米，在这个距离级别上，无线编码发射/接收器的通信距离更难以准确界定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种独立于列车运行控制系统之外，基于伪随机码射频测距的轨道交通列车防追尾装置。为了达到上述目的，本发明的解决方案是:
—种轨道交通列车防追尾装置，包括天线、与所述天线相连的测距单元、与所述测距单元相连的控制单元、分别与所述控制单元相连的示警单元和参数输入单元；所述测距单元采用伪随机码射频测距的方法测量同一运行方向前后列车的车距；所述参数输入单元获取所在列车的运行方向信息并传输至所述控制单元；所述控制单元设定所述测距单元的工作模式和射频频点，比较列车车距是否安全，并向所述示警单元发送动作指令；所述示警单元显示车距或者发出警示。所述天线为定向天线，且辐射波瓣的主瓣正对列车运行方向或反向，即安装在列车前端的天线的主瓣指向列车运行方向，安装在列车后端的天线的主瓣指向列车运行方向的反向。所述天线安装在列车前端或者后端的司机室顶部。所述测距单元在位于车头时工作于主动测距模式，向前车发送射频测距信号；所述测距单元在位于车尾时工作于被动应答模式，接收后车发送的射频测距信号并向后车转发。在被动应答模式下所述测距单元转发的信号仅为接收到的射频测距信号的简单复制或增强。在被动应答模式下所述测距单元转发信号采取直接转发或者再生式转发。所述测距单元采用全双工射频通信，列车在不同股道使用不同的射频频点。所述装置还包括与所述控制单元相连的制动输出单元,接收所述控制单元发出的制动逻辑命令，变换成车辆系统对应的电气指令或数据编码指令。所述示警单元为视觉器材和听觉器材的组合。由于采用上述方案，本发明的有益效果是:与现有技术相比，本发明无需其他定位设备的支持，通过该装置本身的射频测距功能，获得精确的前后列车实时车距数据，并和设定的车距门限数值进行比较，产生相应的示警或制动指令；该装置具有多种工作模式，在列车上行、下行和特殊方向运行等条件下均能正常工作，其工作模式能自动设定或由司机人工设定。使用本发明的防追尾装置的列车系统，能有效监督前后列车的车距，预防发生追尾事故，提高行车安全。
图1本发明实施例中轨道交通列车防追尾装置的结构示意图；图2本发明实施例中轨道交通列车防追尾装置的列车配置示意图；图3本发明实施例中轨道交通列车防追尾装置所在列车的上行方向工作示意图；图4本发明实施例中轨道交通列车防追尾装置所在列车的下行方向工作示意图。附图中:1、天线；2、测距单元；3、控制单元；4、示警单元；5、制动输出单元；6、参数输入单元。
具体实施例方式以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。由图1可见:本发明所描述的防追尾装置包括:天线1、测距单元2、控制单元3、示警单元4、制动输出单元5和参数输入单元6。其中，天线I与测距单元2相连，测距单元2与控制单元3相连，控制单元3分别与示警单元4、制动输出单元5、以及参数输入单元6相连。图2展示了本发明装置在列车上的安装和配置方法。单套该装置完成轨道交通列车I个运行方向的防追尾功能。通常，列车运行方向有2个，即上行和下行。上行和下行的方向具体定义由轨道交通运营部门规定，对于正式运营的线路而言，该方向是永久性的和固定不变的。为实现列车在上行或下行方向运行时，均能提供防追尾功能，需要在每辆列车上安装2套本发明装置，如图2、图3和图4所示。天线I为具有一定辐射角度的定向天线，其增益最大处正对列车运行方向的前方或后方，即天线安装在列车前端时，主瓣指向列车运行方向的前方，天线安装在列车后端时，主瓣指向列车运行方向的后方。由于本发明装置使用射频信号完成前后列车车距的测量，要求尽量改善测距方向的射频通信效果，尽量消除非测距方向的射频通信，因此选用定向天线。该类型天线在发射状态能够显著增强测距方向的射频信号强度，削弱其他方向的辐射强度；在接收状态能改善测距方向的接收信号信噪比，抑制其他方向的信号干扰。另夕卜，为减少列车金属车体对射频信号的吸收和反射，以期得到更好的射频信号收发效果和列车防追尾效果，天线I可安装在列车的前后两端，通常位于司机室顶部。测距单元2具有主动测距和被动应答两种工作模式，且工作模式可变。位于后车头端的测距单元2采用主动测距模式，位于前车尾端的测距单元2采用被动应答模式。测距单元2采用全双工射频通信，具有2个发射频点H、f3和2个接收频点f2、f4。测距工作频点可以切换，即列车在上行股道走行时使用Π和f2频点，往下行股道走行时使用f3和f4频点。此外，为了确保位于同一股道的前后列车之间才能进行射频测距，消除邻近股道列车的干扰，不同股道列车选择不同的工作频点，使其不能进行射频测距。上述测距单元2的工作模式和频点的设定和切换，由控制单元3完成。图3所示为使用该装置的列车在上行方向运行时的工作示意图。图3中1#表示前行列车，2#表示后续列车，箭头方向表示列车运行方向，在这里为上行方向。每辆列车两端各有一个司机室，如1#车在上行方向的前端有一个司机室TC1、在后端有一个司机室TC2 ；2#车在上行方向的前端有一个司机室TC3，在后端有一个司机室TC4。1#列车在前端的TCl司机室位置装有一套防追尾装置，用Cl表示；在后端的TC2司机室位置装有另一套防追尾装置，用C2表示。同样，2#车在前端的TC3司机室位置装有一套防追尾装置，用C3表示；在后端的TC2司机室位置装有另一套防追尾装置，用C4表示。1#、2#列车以一定间隔运行，2#列车TC3司机室的防追尾装置C3的测距单元2被设定为主动测距模式，工作频点被设置成fl发射，f2接收。亦即TC3司机室的防追尾装置C3的测距单元2以主动测距模式，用频点fl主动向1#前车发送射频测距信号，用频点f2接收前车转发的信号。1#前车车尾的防追尾装置C2的测距单元2工作在被动应答模式，以Π频点接收2#后车的射频测距信号，以f2频点向2#后车转发。前车车尾的防追尾装置C2的测距单元2向后车转发的信号仅为后车射频测距信号的简单复制或增强，不增加携带列车位置信息等；转发可采用无需解调和调制过程的直接转发，也可以采用解扩、滤波、放大、扩频调制的再生式转发。列车向下行方向运行时，工作过程参见图4。显然，1#列车变为后续列车，2#列车为前行列车。1#列车TC2司机室的防追尾装置C2的测距单元2被设定为主动测距模式，工作频点被设置成f3发射，f4接收。亦即TC2司机室上的防追尾装置C2的测距单元2以主动测距模式，用频点f3主动向2#列车发送射频测距信号，用频点f4接收前车转发的信号。2#列车车尾的防追尾装置C3的测距单元2工作在被动应答模式，以f3频点接收1#列车的射频测距信号，以f4频点向1#列车转发。测距单元2的测距原理采用伪随机码射频测距原理。位于所在运行方向的后车车头的测距单元2使用具有一定长度和码率的本地伪随机码，对射频载波进行调制生成射频信号，向对应所在后车的前车车尾的测距单元2发送。后车车头的测距单元2接收无线扩频信号并向前车车尾转发。后车车头的测距单元接收该射频转发信号后，经过下变频和解调等处理，恢复射频信号携带的伪随机码，称为接收伪随机码。接收伪随机码和本地伪随机码完全相同，但存在一定的相位差，该相位差和射频信号的传输延时存在直接对应关系，亦即该相位差反映了射频信号的传输距离。经过对本地伪随机码的相位偏移补偿，使得本地伪随机码与接收伪随机码的相位始终保持一致，产生相关峰值。该相位补偿偏移量即代表射频信号从本地至远端来回的传输延时T，根据射频信号在空气中的传输速度C，测距单元之间的距离L可根据以下公式计算得出:L=(TXc)+2由于射频信号在传输过程中容易受到多径干扰、衰落等影响，导致接收信号的随机起伏，影响测距的精度，因此测距单元2采用周期性连续测量，通过多次测量和取均值的方法，减少了测量误差，提高了测距精度。根据伪随机码具有周期性的特点，测距单元每次接收到一帧完整的伪随机码，该伪随机码都与本地伪随机码形成一次相关峰值，得到射频信号的传输延时的一个数据。由于射频信号的传输速度远远大于列车的行驶速度，测距单元所用的伪随机码周期很短，完成一次测距所需时间< 2ms ;若列车车速取350km/h=0.097m/ms，则在一次测距过程中，列车走行0.097X2=0.194m，相对数十米的测距误差要求，其影响可以忽略不计，因此可以近似认为测距过程中，列车处于静止状态，能在短时间内进行多次射频测距。参数输入单元6以自动或人工方式获取列车运行方向信息并实时传送给控制单元3，用于辅助控制单元3设定测距单元2的工作模式和频点。参数输入单元6和列车相关设备连接，能够自动获取列车运行方向信息。所述列车相关设备，可以是列车先前所属的固有设备，如司机室控制钥匙、方向手柄等；也可以是为防追尾装置而特别添加的设备，如各种类型的列车运行方向传感装置等。当列车运行至某些特殊区段或进行调车作业时，列车相关设备无法准确给出运行方向信息，参数输入单元6也允许司机根据实际运营情况，手动输入运行方向信息。制动输出单元5是整个防追尾装置和车辆制动系统的接口。制动输出单元5接收控制单元3发出的制动逻辑命令，变换成车辆制动系统对应的电气指令或数据编码指令。上述电气指令一般指电气行业常用标准模拟量信号，包括各种规格等级的电压信号或电流信号等，而数据指令一般指制动系统的控制用数据编码。控制单元3接收来自参数输入单元6的列车方向信息，设定测距单元2的工作模式和射频频点；同时，控制单元3实时接收来自测距单元2的前后车距信息，并发送至示警单元4进行显示，提供给司机参考；此外，控制单元3将实时车距数值和预定门限参数进行比较，若短于设定门限则向示警单元输出示警信息，同时向制动输出单元5发送制动逻辑命令。根据具体的列车运行需求，示警信息可以分为若干级别，分别对应不同的追尾风险，为司机提供更丰富的行车参考信息。控制单元3具有数据保存功能，定时将车距、示警、制动、运行方向、工作模式、频点等信息保存到非易失性存储器，保证断电后不丢失信息，为设备维护提供原始数据。示警单元4采用声光组合示警。一种典型的实施方式是将液晶显示器、数码管、指示灯等视觉器件和蜂鸣器、语音播放器等听觉器材进行组合。采用声光两种组合构成冗余，当其中一种器材失效时，只要另一种示警器材未同时失效，则示警单元4仍能维持示警功能。根据可靠性理论，两种器材同时失效的概率远小于一种器材的失效概率。因此所述的声光组合示警有效地提高了示警单元4的可靠性。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种轨道交通列车防追尾装置，其特征在于:包括天线、与所述天线相连的测距单元、与所述测距单元相连的控制单元、分别与所述控制单元相连的示警单元和参数输入单元; 所述测距单元采用伪随机码射频测距的方法测量同一运行方向前后列车的车距；所述参数输入单元获取所在列车的运行方向信息并传输至所述控制单元；所述控制单元设定所述测距单元的工作模式和射频频点，比较列车车距是否安全，并向所述示警单元发送动作指令；所述示警单元显示车距或者发出警示。
2.根据权利要求1所述的轨道交通列车防追尾装置，其特征在于:所述天线为定向天线，且辐射波瓣的主瓣正对列车运行方向或反向，即安装在列车前端的天线的主瓣指向列车运行方向，安装在列车后端的天线的主瓣指向列车运行方向的反向。
3.根据权利要求1所述的轨道交通列车防追尾装置，其特征在于:所述天线安装在列车前端或者后端的司机室顶部。
4.根据权利要求1所述的轨道交通列车防追尾装置，其特征在于:所述测距单元在位于车头时工作于主动测距模式，向前车发送射频测距信号；所述测距单元在位于车尾时工作于被动应答模式，接收后车发送的射频测距信号并向后车转发。
5.根据权利要求4所述的轨道交通列车防追尾装置，其特征在于:在被动应答模式下所述测距单元转发的信号仅为接收到的射频测距信号的简单复制或增强。
6.根据权利要求4所述的轨道交通列车防追尾装置，其特征在于:在被动应答模式下所述测距单元转发信号采取直接转发或者再生式转发。
7.根据权利要求1所述的轨道交通列车防追尾装置，其特征在于:所述测距单元采用全双工射频通信，列车在不同股道使用不同的射频频点。
8.根据权利要求1所述的轨道交通列车防追尾装置，其特征在于:所述装置还包括与所述控制单元相连的制动输出单元，接收所述控制单元发出的制动逻辑命令，变换成车辆系统对应的电气指令或数据编码指令。
9.根据权利要求1所述的轨道交通列车防追尾装置，其特征在于:所述示警单元为视觉器材和听觉器材的组合。
全文摘要
本发明提出了一种基于伪随机码射频测距的轨道交通列车防追尾装置，属于轨道交通技术领域。该装置包括天线、与天线相连的测距单元、与测距单元相连的控制单元、分别与控制单元相连的示警单元和参数输入单元。测距单元采用伪随机码射频测距的方法测量同一运行方向前后列车的车距；参数输入单元获取所在列车的运行方向信息并传输至控制单元；控制单元设定测距单元的工作模式和射频频点，比较列车前后车距是否安全，并向示警单元发送动作指令；示警单元显示车距或者发出警示。本发明无需其他定位设备的支撑即可获得精确的前后列车实时车距数据，输出示警信息或制动指令，能够有效地监督前后列车的车距，防止发生追尾事故，提高了行车安全。
文档编号B61L23/00GK103171595SQ20131007696
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月11日 优先权日2013年3月11日
发明者沈拓, 欧冬秀, 韦乐香, 袁志鹏 申请人:同济大学