一种将钢轨作为轨道交通地面通信传输介质的通信方法
【专利摘要】本发明涉及一种将钢轨作为轨道交通地面通信传输介质的通信方法，其特征在于：该方法将在钢轨中传播的机械波作为数字通信媒介。所述装置包括：用于激励机械波的具体为压电换能器装置、控制发送/接收的收发转换装置、功率放大装置、具有高速模拟量输入输出功能的嵌入式计算机。本发明能够针对不同温度、湿度和钢轨类型，自动寻找并选择使用最适合传导的机械波频率，具备较好的抗干扰能力，能实现更远距离的通信。此技术可应用到使用钢轨作为基本运输媒介的轨道交通运输系统中，使其无需安装额外的轨旁通信设备即可利用钢轨本身实现长距离通信功能，其具有可预见的巨大的经济价值和社会价值。
【专利说明】一种将钢轨作为轨道交通地面通信传输介质的通信方法
【技术领域】:
[0001]本发明涉及轨道交通通信领域，提出了一种将钢轨作为轨道交通地面通信传输介质的通信方法。
【背景技术】:
[0002]在轨道交通领域，地面通信技术是维持运营调度、保障列车行车安全的基本设备。目前轨道交通领域主要采用的地面通信传输介质包括光纤、电缆、无线通信等。其中无线通信在电磁环境复杂的地区易受各种电磁干扰影响，在隧道中使用受限；光纤、电缆等轨旁线缆由于轨道交通线路通常达到几百到上千公里，因此铺设成本较高，有的线缆长期埋于地下，难免受到各种侵蚀，维护难度大。能否在不铺设轨旁电缆、光缆和架设无线通信基站的情况下，实现轨道交通地面远距离通信功能将是铁路通信技术的突破。
【发明内容】
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[0003]本发明的内容是提出一种将钢轨作为轨道交通地面通信传输介质的通信方法。该方法由若干个相隔2千米左右的轨旁通信节点组成。每个节点由一组通信控制器、功率放大器和连接耦合于每根钢轨上的压电换能器组成。二进制数据包通过一个简单的自动宽频域最优频率搜索协议以声导波形式通过钢轨进行传送。通过增加节点数量不断中继、转发数据包，在不需要安装轨旁通信电缆的情况下实现远距离轨道交通地面数据传输功能。
[0004]通信发送终端将需要发送的二进制数据包通过数模转换模块转换成特定频率的振荡脉冲信号，经功率 放大电路后驱动安装于钢轨上的压电换能器向钢轨中发射机械波信号，利用其产生的复合波形在钢轨中不断沿长度方向的反射传导，在相隔一定距离的另一个节点由压电换能器接收，将振动信号转换为电信号后，经信号处理和模数转换解析还原成串行二进制数据包，实现通信功能。
[0005]由于钢轨下部的轨枕垫和轨枕具有弹性，通常在振动研究中作为弹簧阻尼单元处理，在高频振动时弹簧阻尼单元振幅很小，使得轨枕垫和轨枕的振幅也很小，对两条钢轨的振动耦合作用不强，因此两根钢轨为相互独立的两个冗余固体机械波传播介质。
[0006]压电换能器在钢轨上的固定方式为先将圆形超声波换能器探头固定于边长5厘米的方面、楔形铝制基座上，然后将基座用透声环氧胶粘贴于钢轨轨腰侧面，并在边缘采用焊接的方式固定。焊缝残渣应当打磨平整，使其不影响列车运行的相关限界要求。
【专利附图】
【附图说明】:
[0007]下面结合附图及实施方法对本发明作进一步详细的说明:
[0008]图1为将钢轨作为轨道交通地面通信传输介质的通信装置结构示意图。
【具体实施方式】:
[0009]附图中的各数字标号的含义如下:[0010]压电换能器装置1、楔形换能器固定基座2、钢轨3、发送/接收转换装置4、功率放大器5、串行脉冲发生器6、信号处理与A/D转换器7、通信终端设备8、声导波9。
[0011]以下结合具体实施例对本发明进一步说明。
[0012]实施例
[0013]如图1所示为一种将钢轨作为轨道交通地面通信传输介质的通信装置。其通过将通信数据包转换为串行声导波脉冲，经钢轨定向传播后接收并解析还原成二进制数据包实现数据通信功能。其所使用的用于激励和接收机械波的装置为压电换能器。
[0014]该通信方法包含初始宽频域频率搜索、数据传送、频率质疑与调整这三个过程。
[0015]在通信初始建立之前，首先定义一个节点为主节点，就是说这个节点发起通信，另一个相邻节点为从节点。以图1为示例，假如定义左边装置为主节点，则图1中右边装置为从节点。开始时它们各自独立运行，也就是说它们不是事先同步的。
[0016]在通信初始建立时，主节点先在一定频率范围内发送5秒慢扫频机械波，再监听5秒。这个过程一直循环，直到收到从节点的反馈信息。
[0017]主节点发送的机械波产生的复合波形在钢轨中沿长度方向传播，由于钢轨作为波导管对不同频率的机械波的衰减和过滤程度不尽相同，因而在从节点接收到的是一串不同峰值和频率的扫 频振动信号，并且每10秒会重复一次。
[0018]从节点记录10秒该信号，以确保得到一次主节点扫频的完整数据。然后，从节点通过这些数据搜索峰值频率，对所记录的信号寻找振幅最大值，然后对数据的一小部分进行FFT计算以确定频率，即通过扫频法寻找当前最适合在钢轨中传播的机械波频率。通常在无缝钢轨中传播2千米后接收到的特定频率的机械波信号峰值超过噪声的两倍以上，因此找到合适的峰值频率是可行的。在通信初始建立时，这个主节点扫频、从节点记录和搜寻的过程将不断重复，直到从节点在若干个记录周期里找到同样的最优频率。这样可以避免由于主节点信号包含的系统噪声对结果造成错误的影响。
[0019]从节点在找到峰值频率(最优频率)后，将切换模式，把搜寻到的该频率机械波传送给主节点。从节点向主节点发送5个脉宽I秒，频率为峰值频率的蜂鸣声信号。这串蜂鸣信号是足够主节点在用于监听的5秒长的窗口静默时间内收到从节点发来的至少一个完整的脉宽信号。然后主节点对整个5秒的静默侦听的记录进行FIR滤波，寻找脉宽为I秒的蜂鸣信号。一旦主节点检测到脉宽I秒的蜂鸣信号，就意味着两个节点均知道了最佳通信频率。下一步就是主节点通知从节点停止发送蜂鸣信号，即主节点连续发送20秒脉宽为I秒的最优频率蜂鸣信号，使从节点在接收窗口时间内至少接收到一次该蜂鸣信号。从节点通过FIR滤波器处理该信号，当从节点检测到持续I秒的最优频率主节点蜂鸣后，停止发送从蜂鸣。至此，两端都知道了最优频率。当主节点发送20秒主蜂鸣后监听20秒。如果没有在20秒内收到从蜂鸣，则主节点就能确认从节点接收到了确认答复，即可转入数据传送状态。
[0020]在数据传送阶段，节点之间的通信将会由二进制数据包组成，主节点将串行二进制数据转换为最优频率的脉冲声机械波信号，以固定时长为比特单位，发送最优频率机械波脉冲表示数值“1”，不发表示数值“O”。从节点在将接收到的机械波脉冲解码为数据包的同时计算信号强度。然后从节点向主节点发送反馈确认信号，告知“信息已收到”，反馈内容为向主节点发送最优频率脉冲声机械波信号I个比特。[0021]当环境温度、湿度发生改变时，最适合在钢轨中传播的机械波频率也会发生改变，因而系统需要能够自动适应环境温度、湿度的变化。当从节点收到的原最优频率机械波脉冲信号峰值有明显下降时，从节点通过将反馈确认信号加上或减去半个至若干个赫兹指出最优频率的漂移。利用这种方法可以使从节点有效地对主节点发送的峰值频率产生质疑。主节点在收到从节点的频率质疑时将再次通过扫频流程确定新的最优机械波传导频率，实现频率微调。
[0022]在钢轨的机械绝缘接头两端可以安装由压电换能器和功率放大器组成的中继器，实现中继转发功能。通常无缝钢轨的铝热焊缝也会造成声导波信号的额外衰减，根据不同的线路条件可以适当增 加中继器的数量，以提高传输效果。
【权利要求】
1.一种将钢轨(3)作为轨道交通地面通信传输介质的通信方法，其特征在于:该方法将在钢轨(3)中传播的机械波作为数字通信媒介，实现二进制数据包的串行通信功能。
2.根据权利要求1中所述的系统，所述装置包括:压电换能器装置(I)、楔形换能器固定基座(2)、发送/接收转换装置(4)、功率放大器(5)、串行脉冲发生器(6)、信号处理与A/D转换器(7)、通信终端设备(8)。
3.根据权利要求1中所述的系统，用于激励和接收机械波的具体为压电换能器装置，但随着材料技术的进步与发展，该部分也可采用其它更优良的换能器装置。
4.根据权利要求1中所述的系统，能够针对不同温度、湿度和钢轨类型，自动寻找并选择使用最适合传导的机械波频率，具备较好的抗干扰能力，能实现更远距离的通信。
5.根据权利要求1中所述的系统，此技术可应用到使用钢轨作为基本运输媒介的轨道交通运输系统中，使其无需安装额外的轨旁通信设备即可利用钢轨本身实现长距离通信功能，也可适用于利用其它适合机械波传播的导体本身实现通信功能。
6.根据权利要求1中所述的系统，两根钢轨作为相互独立的机械波传播介质，可互为冗余，当有某根钢轨发生损坏时，机械波可通过另外一根钢轨传导。
7.根据权利要求1中所述的系统，也可设定两根钢轨中机械波的传播方向相反，以实现同时的双向通信功能。
8.一种将钢轨(3)作为轨道交通地面通信传输介质的通信方法，其主要步骤包括: 1)在通信初始建立时，主节点先在一定频率范围内发送5秒慢扫频机械波，再监听5秒，这个过程一直循环，直到收到从节点的反馈信息。 2)从节点记录10秒该信号，以确保得到一次主节点扫频的完整数据，然后从节点通过这些数据搜索峰值频 率，对所记录的信号寻找振幅最大值，并对该最大值附近的一小部分数据进行FFT计算以确定最优频率，通过这种扫频法即可找到当前最适合在钢轨中传播的机械波频率；通常在无缝钢轨中传播2千米后接收到的特定频率的机械波信号峰值超过噪声的两倍以上，因此找到合适的峰值频率是可行的；在通信初始建立时，这个主节点扫频、从节点记录和搜寻的过程将不断重复，直到从节点在若干个记录周期里找到同样的最优频率，这样可以避免由于主节点信号包含的系统噪声对结果造成错误的影响。 3)从节点在找到峰值频率(最优频率)后，将切换模式，把搜寻到的该频率机械波传送给主节点；从节点向主节点发送5个脉宽I秒，频率为峰值频率的蜂鸣声信号，这串蜂鸣信号是足够主节点在用于监听的5秒长的窗口静默时间内收到从节点发来的至少一个完整的脉宽信号；然后主节点对整个5秒的静默侦听的记录进行FIR滤波，寻找脉宽为I秒的蜂鸣信号，一旦主节点检测到脉宽I秒的蜂鸣信号，就意味着两个节点均知道了最佳通信频率。 4)下一步就是主节点通知从节点停止发送蜂鸣信号，即主节点连续发送20秒脉宽为I秒的最优频率蜂鸣信号，使从节点在接收窗口时间内至少接收到一次该蜂鸣信号；从节点通过FIR滤波器处理该信号，当从节点检测到持续I秒的最优频率主节点蜂鸣后，停止发送从蜂鸣，至此，两端都知道了最优频率；当主节点发送20秒主蜂鸣后监听20秒，如果没有在20秒内收到从蜂鸣，则主节点就能确认从节点接收到了确认答复，即可转入数据传送状态。 5)在数据传送阶段，节点之间的通信将会由二进制数据包组成，主节点将串行二进制数据转换为最优频率的脉冲声机械波信号，以固定时长为比特单位，发送最优频率机械波脉冲表示数值“ 1”，不发表示数值“O”;从节点在将接收到的机械波脉冲解码为数据包的同时计算信号强度，然后从节点向主节点发送反馈确认信号，告知“信息已收到”，反馈内容为向主节点发送最优频率脉冲声机械波信号I个比特。 6)当环境温度、湿度发生改变时，最适合在钢轨中传播的机械波频率也会发生改变，因而系统需要能够自动适应环境温度、湿度的变化；当从节点收到的原最优频率机械波脉冲信号峰值有明显下降时，从节点通过将反馈确认信号加上或减去半个至若干个赫兹指出最优频率的漂移；利用这种方法可以使从节点有效地对主节点发送的峰值频率产生质疑；主节点在收到从节点的频率质疑时将再次通过扫频流程确定新的最优机械波传导频率，实现频率 微调。
【文档编号】H04B13/00GK104022833SQ201310061193
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2013年3月1日 优先权日:2013年3月1日
【发明者】任远, 晏鑫 申请人:任远