用于列车的测距追踪预警装置、列车及列车组系统的制作方法

本发明涉及轨道交通技术领域，特别涉及一种用于列车的测距追踪预警装置、列车及列车组系统。

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，借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追踪预警装置，能在前后车距过近时及时发出示警，以提高行车安全性。

公开号为CN102358333B的中国专利描述的一种列车追踪预警系统，该系统中前后列车均装有GPS(Global Positioning System，全球定位系统)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追踪预警工功能；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，公开号为CN201432706Y的中国专利描述了一种列车追踪预警监测装置，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追踪预警。由于无线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，导致追踪预警的车距波动较大，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，因此列车追踪预警的间距较短，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。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中列车之间定位精度差、相邻股道的列车间存在信号误接收和误报警导致的安全性较低、以及通过采用信号强度计算列车间的距离由于环境的不同使信号强度产生不确定性导致安全等级无法确定的缺陷，提供了一种测距精度高、使相邻股道之间的列车无干扰的用于列车的测距追踪预警装置、列车及列车组系统。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的；

一种用于列车的测距追踪预警装置，其特征在于，其包括天线、被动应答单元、主动测距单元、相关性计算单元、测量距离计算单元及控制单元；

所述控制单元用于设置和选择工作模式，所述工作模式包括主动测距模式和被动应答模式；

所述被动应答单元用于在被动应答模式时采用所述天线接收携带有特定伪随机码的测距信号并将所述测距信号进行中转发送；

所述主动测距单元用于在主动测距模式时采用所述天线主动发送携带 有特定伪随机码的测距信号以及接收经过中转转发的所述测距信号；

所述相关性计算单元用于对主动发送的测距信号携带的特定伪随机码和接收经过中转转发的所述测距信号携带的特定伪随机码进行相关性计算获取相位偏移补偿量；

所述测量距离计算单元用于根据所述相位偏移补偿量计算测量距离。

在本方案中，通过测量追踪预警装置发送的本地特定伪随机码和接收的伪随机码之间的相关性计算得到的相位偏移补偿量计算列车之间的间隔距离，该相位偏移补偿量为测距信号从发送到接收的传输时间，通过测距信号中的伪随机码实现测距功能，提高了测距精度和列车运行环境的适应性，保证了列车的运行安全。

较佳地，所述测距追踪预警装置还包括参数输入单元；

所述参数输入单元用于获取列车运行方向，所述列车运行方向包括上行方向和下行方向；

所述控制单元还用于根据所述列车运行方向设置工作频点，并在所述列车运行方向为上行方向时将所述工作频点设置为第一组频点，以及在所述列车运行方向为下行方向时将所述工作频点设置为第二组频点。

较佳地，所述第一组频点包括第一频点和第二频点，所述第二组频点包括第三频点和第四频点；

所述被动应答单元用于在所述列车运行方向为上行方向时对测距信号采用所述第一频点进行接收以及采用所述第二频点进行发送，以及在所述列车运行方向为下行方向时对测距信号采用所述第三频点进行接收以及采用所述第四频点进行发送；

所述主动测距单元用于在所述列车运行方向为上行方向时对测距信号采用所述第二频点进行发送以及采用所述第一频点进行接收，以及在所述列车运行方向为下行方向时对测距信号采用所述第四频点进行发送以及采用所述第三频点进行接收。

在本方案中，通过根据列车运行方向确定不同的工作频点，确保同一股 道同一运行方向的列车之间才能进行无线测距，消除了临近股道列车的干扰，保证了无线测距的准确性，进一步保证了列车运行的安全性。

较佳地，所述测量距离计算单元用于根据周期性连续获取的多个相位偏移补偿量计算对应的多个测量距离，以及根据所述多个测量距离计算平均测量距离并将所述平均测量距离传输给所述控制单元。

在本方案中，通过列车检测距离在特定周期内进行多次测量以及取平均值，减少了测量误差，进一步提高了测距精度以及进一步提高了列车运行的安全性。

较佳地，所述天线为具有特定辐射角度的定向天线。

在本方案中，由于定向天线的主瓣方向指向列车运行方向的前方以及后方，通过该定向天线可以有效抑制非测距方向的无线通信的干扰，并增强测距方向的接收信号的信噪比，进一步提高了无线测距信号的收发效果，保证了列车间进行无线测距通信可靠性，进一步保证了列车运行的安全性。

较佳地，所述测距追踪预警装置还包括示警单元，所述示警单元与所述控制单元电连接；

所述示警单元用于显示所述测量距离和示警信息；

所述控制单元还用于在所述测量距离小于第一预设距离门限时控制所述示警单元输出示警信息。

较佳地，所述示警单元包括显示模块和报警模块，所述显示模块包括以下之一或其任意组合：液晶显示器、数码管、指示灯；

所述报警模块包括以下之一或其任意组合：蜂鸣器、语音播放器。

在本方案中，通过示警单元提醒所述列车驾驶员注意行车间距，预防追尾事故，提高行车安全。

较佳地，所述测距追踪预警装置还包括制动输出单元，所述制动输出单元与所述控制单元电连接；

所述控制单元还用于在所述测量距离小于第二预设距离门限时发送制动逻辑命令至所述制动输出单元，其中，所述第二预设距离门限小于所述第 一预设距离门限；

所述制动输出单元用于将接收的所述制动逻辑命令变换成电气指令或数据编码指令对列车进行制动。

在本方案中，当测量列车间的距离小于第二预设距离门限时，对列车进行自动制动，通过对列车实行多级安全机制，提高了列车的行车安全性。

本发明还提供了一种列车，包括车头和车尾，其特点在于，所述车头和所述车尾均安装有所述用于列车的测距追踪预警装置。

本发明还提供了一种列车组系统，其特点在于，所述列车组系统至少包括一前车与后车以及两个运行轨道，所述前车或所述后车为所述列车，所述两个运行轨道分别为上行轨道和下行轨道，所述上行轨道为所述列车在列车运行方向为上行方向时的运行轨道，所述下行轨道为在所述列车运行方向为下行方向时的运行轨道；

所述后车车头的测距追踪预警装置用于列车在所述上行轨道时以第一组频点与所述前车车尾的测距追踪预警装置进行全双工无线通信，以及列车在所述下行轨道时以第二组频点与所述前车车尾的测距追踪预警装置进行全双工无线通信；

其中，所述第一组频点包括第一频点和第二频点，所述第二组频点包括第三频点和第四频点。

在本方案中，在上行方向后车在对前车进行测距时采用第一频点接收和第二频点发送信号，以及在下行方向时采用第三频点接收和第四频点发送信号，通过列车在不同轨道即不同的运行方向运行时采用不同的频点进行无线测距，避免了相邻轨道之间的列车的无线测距信号的相互干扰，提高了无线测距的准确性，进一步提高了列车运行的安全性。

本发明的积极进步效果在于：提高了列车运行时后车对前车进行无线测距的测距精度和准确性、防止了列车间的无线测距信号的干扰、提高了列车的运行的安全等级和可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例1的用于列车的测距追踪预警装置的结构示意图。

图2为本发明实施例3的用于列车的测距追踪预警装置的结构示意图。

图3为本发明实施例4的列车运行方向为上行方向时的列车间无线测距原理示意图。

图4为本发明实施例4的列车运行方向为下行方向时的列车间无线测距原理示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

如图1所示，一种用于列车的测距追踪预警装置，其包括天线101、被动应答单元102、主动测距单元103、控制单元104、相关性计算单元105、测量距离计算单元106、示警单元107和制动输出单元108。被动应答单元102、主动测距单元103均与天线101电连接，被动应答单元102、主动测距单元103、相关性计算单元105、测量距离计算单元106、示警单元107、制动输出单元108均与控制单元104电连接，相关性计算单元105与测量距离计算单元106电连接。

天线101为具有特定辐射角度的定向天线，天线101辐射增益最大处正对列车运行方向，天线101在发射状态时，可以显著增强测距方向的无线测距信号的信号强度，削弱其他方向的辐射干扰，天线101在接收状态时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，此外也减少了列车金属车体对无线信号的吸收和反射，获得了更好的收发效果。

控制单元104用于设置和选择所述测距追踪预警装置的工作模式，所述工作模式为主动测距模式和被动应答模式，从而实现全双工通信。

被动应答单元102用于在被动应答模式时采用所述天线101接收携带有特定伪随机码的测距信号并将所述测距信号进行中转发送。被动应答单元102在对所述测距信号进行中转转发时仅仅只是对接收到的测距信号的简单复制或增强，并且不增加其他信息，在转发时既可以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。

主动测距单元103用于在主动测距模式时采用所述天线101发送携带有特定伪随机码的测距信号以及接收经过中转转发的所述测距信号。

相关性计算单元105用于对主动发送的测距信号携带的特定伪随机码和接收经过中转转发的所述测距信号携带的特定伪随机码进行相关性计算获取相位偏移补偿量。

在本方案中，主动测距单元103主动发送携带有特定伪随机码的测距信号，所述特定伪随机码为具有一定长度和码率的本地伪随机码，该主动测距单元103接收经过中转转发的所述测距信号并进行下变频和解调得到的伪随机码为接收伪随机码。由于主动测距单元103主动发送的测距信号和接收到的经过中转转发的测距信号之间存在一定的传输延时，而其中的所述接收伪随机码与所述本地伪随机码也仅仅存在一定的相位差，该相位差与测距信号的传输延时相同，因此通过计算相位差可以计算得到与被测对象之间的距离。而通过所述接收伪随机码与本地伪随机码进行相关性运算可以得到该相位差，该相位差即所述相位偏移补偿量，该相关性运算为互相关运算。

测量距离计算单元106用于根据所述相位偏移补偿量计算测量距离。具体计算过程如下：

通过相关性计算单元105得到所述相位偏移补偿量t，并且无线测距信号在空气中的传输速度c已知，测量距离L可根据以下公式计算得出：

L＝(t×c)÷2

测量距离计算单元106计算将计算得到的测量距离L发送给控制单元104。

示警单元107用于显示距离和示警信息。示警单元107包括显示模块 1071和报警模块1072，显示模块1071可以为液晶显示器、数码管、指示灯中的一种或多种，报警模块1072可以为蜂鸣器、语音播放器中的一种或两种。采用声光两种报警方式构成冗余，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107仍能维持示警功能，提高了示警功能的可靠性。

制动输出单元108用于将接收的逻辑命令变换成电气指令或数据编码指令对列车进行制动。

在本方案中，测距追踪预警装置的具体工作工程如下：

当控制单元104设置和选择的工作模式为被动应答模式时。被动应答单元102通过天线101接收携带有特定伪随机码的测序信号并将所述测距信号进行中转发送。

当控制单元104设置和选择的工作模式为主动测距模式时。

主动测距单元103通过天线101主动发送携带有特定伪随机码的测距信号以及接收经过中转转发的所述测距信号。

相关性计算单元105根据主动测距单元103主动发送的测距信号携带的本地伪随机码和接收经过中转转发的测距信号携带的接收伪随机码进行相关性计算获取相位偏移补偿量。

测量距离计算单元106通过所述相位偏移补偿量计算该测距追踪预警装置与被测列车之间的距离即测量距离，并将所述测量距离发送给控制单元104。

控制单元104判断所述测量距离是否小于第一预设距离门限，若是，控制报警模块1072输出报警信息，若否，只通过显示模块1071显示所述测量距离；此外，控制单元104还用于进一步判断所述测量距离是否小于第二预设距离门限，若是，所述控制单元104发送制动逻辑命令给所述制动输出单元108，所述制动输出单元108将接收的制动逻辑命令转换成电气指令或数据编码指令对列车进行制动，其中所述第二预设距离门限小于所述第一预设距离门限，若否，则只通过示警单元107进行显示或报警。其中，所述电气 指令指电气行业用标准模拟量信号，所述数据编码指令指数字编码信号。

通过根据测量得到的不同的测量距离与不同的预设距离门限进行对比判断实现不同的控制命令，提高了列车运行的安全性。

本实施例通过具有特定辐射角度的定向天线和采用伪随机码测距的方法，提高了测距精度和列车运行环境的适应性，保证了列车的运行安全。

本实施例还提供了一种列车，所述列车包括车头和车尾，所述车头和车尾均安装有如本实施例中所述的用于列车的测距追踪预警装置。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上做了进一步的改进，改进之处在于：所述测量距离计算单元106用于根据周期性连续获取的多个相位偏移量计算对应的多个测量距离，以及根据所述多个测量距离计算平均测量距离并将所述平均测量距离传输给所述控制单元104。

由于无线测距信号在传输过程中容易受到多径干扰、衰落等影响，导致接收到的测距信号的幅值的随机起伏影响到测量距离的精度，因此，通过采用周期性连续测量，并将连续多次测量的多个测量距离取均值，将取平均之后得到的测量距离作为最后结果保存，可以有效减少测量误差，提高所述测距追踪预警装置的测量精度。

此外，根据伪随机码具有周期性的特点，主动测距单元103每次接收到一帧完整的伪随机码，所述接受伪随机码与所述本地伪随机码进行一次相关性运算得到一个传输延时的数据。由于无线测距信号的传输速度远远大于列车实际的行驶速度，主动测距单元103所用的伪随机码周期很短，完成一次测距所需时间小于等于2ms；若列车车速取350km/h＝0.097m/ms，则在一次测距过程中，列车运行0.097×2＝0.194m，相对于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，能在短时间内进行连续多次无线测距。

本实施例还提供了一种列车，所述列车包括车头和车尾，所述车头和车尾均安装有如本实施例中所述的用于列车的测距追踪预警装置。

实施例3

本实施例在实施例2的基础上作了进一步的改进，如图2所示，改进之处在于：所述测距追踪预警装置还包括参数输入单元109，所述参数输入单元109用于获取列车运行方向，所述列车运行方向包括上行方向和下行方向；所述控制单元104还用于根据所述列车运行方向设置工作频点，并在所述列车运行方向为上行方向时将工作频点设置为第一组频点，以及在所述列车运行方向为下行方向时将所述工作频点设置为第二组频点。

所述第一组频点包括第一频点和第二频点，所述第二组频点包括第三频点和第四频点；

所述被动应答单元102用于在所述列车运行方向为上行方向时对测距信号采用所述第一频点进行接收以及采用所述第二频点进行发送，以及在所述列车运行方向为下行方向时对测距信号采用所述第三频点进行接收以及采用所述第四频点进行发送；

所述主动测距单元103用于在所述列车运行方向为上行方向时对测距信号采用所述第二频点进行发送以及采用所述第一频点进行接收，以及在所述列车运行方向为下行方向时对测距信号采用所述第四频点进行发送以及采用所述第三频点进行接收。

通过根据列车运行方向确定不同的工作频点，确保同一股道同一运行方向的列车之间才能进行无线测距，消除了临近股道列车的干扰，保证了无线测距的准确性，进一步保证了列车运行的安全性。

本实施例还提供了一种列车，所述列车包括车头和车尾，所述车头和车尾均安装有如本实施例中所述的用于列车的测距追踪预警装置。

实施例4

一种列车组系统，其至少包括一前车与后车及两个运行轨道，所述前车或所述后车为如实施例3中所述的列车，所述列车的两个运行轨道分别为上行轨道和下行轨道，所述上行轨道为所述列车在列车运行方向为上行方向的运行轨道，所述下行轨道为所述列车运行方向为下行方向时的运行轨道；

所述后车车头的测距追踪预警装置用于列车在上行轨道时以第一组频点与所述前车车尾的测距追踪预警装置进行全双工无线通信，以及列车在下行轨道时以第二组频点与所述前车车尾的测距追踪预警装置进行全双工无线通信；

其中，所述第一组频点包括第一频点和第二频点，所述第二组频点包括第三频点和第四频点。

当前车与后车运行于上行轨道时的示意图如图3所示。后车对前车进行测距追踪预警的具体过程如下：

所述前车为第二列车2，所述第二列车2包括第一测距追踪预警装置21和第二测距追踪预警装置22，所述后车为第一列车1，所述第一列车1包括第三测距追踪预警装置11和第四测距追踪预警装置12。其中，后车车头的测距追踪预警装置为第四测距追踪预警装置12，前车车尾的测距追踪预警装置为第一测距追踪预警装置21。

第一测距追踪预警装置21与第四测距追踪预警装置12以第一组频点进行全双工无线通信。此时，第四测距追踪预警装置12工作于主动测距模式，第一测距追踪预警装置21工作于被动应答模式，第四测距追踪预警装置12以第二频点主动发送携带有本地伪随机码的无线测距信号给第一测距追踪预警装置21，第一测距追踪预警装置21对所述测距信号采用第一频点进行接收并以第二频点将所述测距信号中转转发给所述第四测距追踪预警装置12，第四测距追踪预警装置12以第一频点接收携带有接收伪随机码的测距信号。第四测距追踪预警装置12根据所述本地伪随机码和所述接收伪随机码计算得到后车与前车之间的距离，从而实现后车的示警或制动控制等指令动作。

当前车与后车运行于下行轨道时的示意图如图4所示。后车对前车进行测距追踪预警的具体过程如下：

所述前车为第一列车1，所述第一列车1包括第三测距追踪预警装置11和第四测距追踪预警装置12，所述后车为第二列车2，所述第二列车2包括 第一测距追踪预警装置21和第二追踪预警装置22。其中，后车车头的测距追踪预警装置为第一测距追踪预警装置21，前车车尾的测距追踪预警装置为第四测距追踪预警装置12。

第一测距追踪预警装置21与第四测距追踪预警装置12以第二组频点进行全双工无线通信。此时，第四测距追踪预警装置12工作于被动应答模式，第一测距追踪预警装置21工作于主动测距模式，第一测距追踪预警装置21以第四频点主动发送携带有本地伪随机码的无线测距信号给第四测距追踪预警装置12，第四测距追踪预警装置12对所述测距信号采用第三频点进行接收并以第四频点将所述测距信号中转转发给所述第一测距追踪预警装置21，第一测距追踪预警装置21以第三频点接收携带有接收伪随机码的测距信号。第一测距追踪预警装置21根据所述本地伪随机码和所述接收伪随机码计算得到后车与前车之间的距离，从而实现后车的示警或制动控制等指令动作。

在本方案中，列车运行方向与工作频点的设置并不限于以上所述，可以根据实际情况进行选择，这里不再一一赘述。

在本实施例中，在上行方向时，后车在对前车进行测距时采用第一频点接收和第二频点发送信号，以及在下行方向时采用第三频点接收和第四频点发送信号，通过列车在不同轨道即不同的运行方向运行时采用不同的频点进行无线测距，避免了相邻轨道之间的列车的无线测距信号的相互干扰，提高了无线测距的准确性，进一步提高了列车运行的安全性。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。