新型应答器设备及融合通信实现功能优化和扩展的方法与流程

本发明属于轨道交通领域，利用新型应答器地面和车载设备的组合，采用新技术优化性能，且融合无线通信方式实现多种扩展功能，同时提供可靠实时的车地、车车间通信方式，应用于不同场景。

背景技术：

1、现有列控系统设备种类繁多，维护难度大，成本高，实现自动驾驶难度较大，各系统间互联互通很难，通过简化列控设备，采用统一通用设备搭建列控系统并很好支持自动驾驶和车站无人管理，因此需要一种可靠、低维护量、相对成熟的技术实现车地双向通信、列车定位、列车占用和完整性检查、车辆信息管理等，以及应用此技术构建的列车运行控制系统、车辆管理系统等。

2、现有的列车运行控制系统存在下述问题：

3、目前列车占用和完整性检查采用轨道电路以及站内电码化来实现，轨道电路受气候、环境影响较大，对道床要求很高，同时容易受牵引回流等干扰，造成分路不良、红光带等问题较多。

4、目前轨道电路的应用需要在钢轨一定距离设置绝缘节或电气绝缘节，影响牵引电流回流路径，同时增加成本和维护量。

5、轨道容易生锈地方、轻车情况下，不适合轨道电路的应用。

6、计轴设备投资大，不利于线路设备简化方向，对电源可靠性要求高，容易造成轴信息丢失问题，也容易因干扰造成错误计轴。

7、因铁路运输向着高速化和重载化发展，为保证运输安全，列车尾部车辆需安装各种状态采集检测设备、监测设备、控制设备和通信设备，这些设备目前很难找到合适安装空间，尤其是货运列车尾部车辆；同时这些设备需要供电，而货运列车车厢本身是没有电源的，这又需要安装储电和发电设备，又增加设备安装和固定难度。

8、因车辆没有预留设备安装位置，导致设备安装于车辆存在困难。设备即使能安装于货运列车最后一节车辆上，大部分安置于车钩处，安装位置较低靠近铁轨，存在干扰、振动大等问题。

9、目前设备即使安装在列车尾部车辆上，存在安装、固定、移除、搬运困难，有些发电设备需固定到货运车辆上带来列车编组和解编问题，影响列车运输效率；目前采用移动通信方式如gsm-rhe lte-r、泄露电缆等成本高，采用wlan跨区切换频繁，采用电力线载波通信受干扰严重。

10、经专利检索，与本发明有一定关系的专利主要有以下专利：

11、申请号为“202010441750.8”、申请日为“2020.05.22”、公开号为“cn111572599a”、公开日为“2020.08.25”、名称为“一种基于点对点双向通信的列车定位唤醒装置及方法”、申请人为“广州铁科智控有限公司; 广州地铁集团有限公司”的中国发明专利，本发明公开了一种基于点对点双向通信的列车定位唤醒装置及方法,通过设置连接至地面ats的地面定位天线和设置在列车上的车载定位传感器,并通过车载传感器处理单元根据车载定位传感器所接收到的来自地面定位天线的定位信号的强度来实现列车的定位,本发明中的技术方案可以代替现有的利用应答器接收天线或车载测速单元来实现休眠时车辆位置的实时监测与持续获取位置的方案,并借助双向通信机制代替wlan或lte等方式来使得车载传感器处理单元接收来自于地面ats的唤醒命令,可以在实现唤醒功能的同时达到了简化系统设计、提高定位精度、降低全车休眠时的功耗的效果。

12、申请号为“cn201210330492.1”、申请日为“2012.09.10”、公开号为“cn103684577a”、公开日为“2014.03.26”、名称为“一种基于轨道交通电力接触网的移动通信系统、装置和方法”、申请人为“于佳亮 于天泽 程华”的中国发明专利，本发明公开了一种基于轨道交通电力接触网的移动通信系统、装置和方法，该系统包括车载通信机、第一耦合器、地面通信机、第二耦合器和接触网导线，车载通信机通过第一耦合器与接触网导线连接，地面通信机通过第二耦合器与接触网导线连接，接触网导线用于信号传输。采用本发明的技术方案，能够实现数字信号可靠传输，提高通信系统的可靠性和稳定性。

13、申请号为“cn202010399553.4”、申请日为“2020.05.12”、公开号为“cn111416637a”、公开日为“2020.07.14”、名称为“一种铁路列车重联感应通信设备及抗干扰方法”、申请人为“泉州市铁通电子设备有限公司”的中国发明专利，本发明提供了一种铁路列车重联感应通信设备及抗干扰方法，其中，无线数字感应通信电台设置在机车上，用于发送或接收重联感应通信信号，无线数字感应通信电台在发送所述重联感应通信信号时采用扩展信号带宽的方式进行扩频调制，无线数字感应通信电台在接收所述重联感应通信信号时采用从多径信号中分离出最强有用信号的方式提取有用信号进行扩频解调；高增益棒状耦合子天线安装在无线数字感应通信电台上，高增益棒状耦合子天线通过无线耦合的方式将所述重联感应通信信号耦合至电力接触网；抗干扰阻波器串联在机车的车顶受电弓与导电杆之间。本发明提高了重联机车感应通信信号的抗干扰能力，消除无线通信中多径干扰造成的信号衰弱现象。

14、上述专利采用应答器方案的要么只能作为车载设备的定位和地到车数据传输，或只能进行双向激活，而采用其他技术实现列车占用、定位、车地双向通信，甚至实现类似轨道电路的分区功能，但仅提出分区概念，增加新设备且与现有系统不兼容，上述电力线载波通信专利提出接触网的感应通信，这种方式容易受干扰，且在站场接触网复杂连接环境信号衰减厉害。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对现有技术中存在的缺陷，提出基于新型应答器系统车载和地面设备的组合，采用新技术优化性能，通过融合低成本可靠无线通信作为车地传输紧急事件，作为特殊环境和条件的通信冗余，实现多种功能如列车定位和测速、股道占用识别、列车占用和完整性检查、车地通信，能应用于多种列车运行控制场景、机车车辆信息管理、铁路车次号识别、车地互动等，能够简化设备种类，降低建设成本和减少维护工作量，兼容多种列控系统即实现互联互通，同时提高运输效率和安全。

2、新型应答器系统的a接口可采用声波、红外、激光、nfc、近场电磁感应等通信传输技术，作为能量和数据传输通道。

3、近场电磁感应通信包括近场电磁感应通信nfemi、近场磁感应通信nfmi、近场电感应通信nfei，因近场磁感应通信具有抗干扰能力强、能量衰减规律等作为近场通信优选，可融合近场电感应通信；可实现车载/地面无源应答器的能量激活、车地通信（车→地、地→车、车地双向通信）功能，设计参考新型应答器系统。

4、采用近场电磁感应通信时，可将能量波和信号链路融合，可利用信号链路同时传播能量，用于向无源应答器同时提供电能量和数据。

5、车载应答器收发装置在非激活端、或与车载列控设备通信断开等情况，可降级为车载应答器发送装置，发送下行应答器默认报文。

6、新型应答器车载设备包括可接收上行链路应答器报文和发送下行链路应答器固定报文装置，下行链路应答器固定报文可连续发送，固定报文可预先存储于车载设备，可在车载上行链路接收通道故障或对应主机故障时依旧可发送下行固定报文；新型应答器地面设备包括可接收下行链路应答器报文和发送上行链路应答器固定报文装置，上行链路应答器固定报文可由下行链路应答器报文触发或下行能量波激活再发送，可在地面下行链路接收通道故障或地面对应主机故障时依旧可发送上行固定报文。

7、针对城轨仅使用地面无源应答器用作定位校准等应用场景，可通过地面布置可接收下行链路应答器报文和发送上行链路应答器固定报文（含地面应答器编号等）装置，上行链路应答器固定报文可由下行链路应答器报文触发或下行能量波激活再发送；列车首尾可单独安装车载无源应答器或车载应答器发送装置，或与车载列控设备共用车载应答器收发装置、或可接收上行链路应答器报文和发送下行链路应答器固定报文（含车载应答器编号、车次号、列车首尾标志等）装置；通过上述新型应答器设备组合，从而实现列车占用检查（替代计轴，可与现有列控系统设备独立）和列车定位校准功能，可应用于存在车地无线通信的其它列控系统如大铁、调车等应用场景。

8、车载设备通过新型应答器系统进行绝对定位，可通过检测a接口上行链路信号能量幅值识别应答器等效中心点从而提高定位精度，如近场磁感应通信的信号能量强度与距离具有强相关性，通过检测近场磁感应的能量强度可提高定位精度；可通过补偿上行链路应答器报文接收处理时间提高定位精度；车载应答器设备可采用双天线方式提高定位精度。

9、机车、车辆、调车、轨道车可在车辆底部前后部位均安装新型应答器车载设备（根据应用环境适配），从而实现更精准定位包括机车车辆的端识别，缩短列车运行追踪间隔，提供冗余新型应答器系统功能，实现测速等功能，能很好适用于调车列控系统、轨道车列控系统等。

10、车载设备可通过列车/机车的车载应答器装置经过地面布置的相邻应答器/应答器组（相邻应答器/应答器组的间距知晓）进行轮径自动校准；车载设备可通过列车/机车/车辆前后车载应答器装置经过地面布置的应答器进行轮径自动校准。

11、新型应答器系统的a接口可通过划分不同信道及子信道方式，实现上下行双向通信、上行/下行冗余信道通信，可通过不同调制解调、编解码方式提高通信稳定性，可通过车地双向通信实现通信确认，可通过下行链路应答器报文增加上行链路应答器报文完整接收确认信息，可通过上行链路应答器报文增加下行链路应答器报文完整接收确认信息；可采用扩频、调频等技术提供通信可靠性；可采用通信分集技术如发送分集和接收分集合并方式提高通信速率或可靠性。

12、a接口上行链路应答器传输通道和下行链路应答器传输通道可采用同频传输，可采用时频复用和应答方式实现双向传输。

13、因新型应答器系统提供的车地通信为点式方式，并不能满足部分实时通信要求，如紧急事件的传输，因此需要采用实时连续无线通信作为通信补充，而采用的连续无线通信可能由多种无线通信方式根据现场应用条件组合及冗余使用。

14、可采用电力线载波通信、或移动通信如gsm-r/lte-r/5g-r等、或低轨道卫星通信/北斗短报文通信、或wlan/泄露电缆/波导管通信等一种或多种组合，满足隧道、山区等环境，车站及周边还可采用微波通信等，因此可通过应答器系统的定位和车地通信交互数据，车载设备提前知晓前方最优无线通信制式和最优信道并适时切换，从而建立可靠无线通信连接；车载设备可通过车载数据及精准定位获取前方无线通信制式和通信信道等信息，从而建立可靠无线通信连接。

15、通过新型应答器系统的车地通信，车载设备可获取地面设备编号/通信id/通信地址、通信秘钥、通信信道等，地面设备获取车载设备编号/通信id/通信地址、车次号、列车位置/列车进入无线通信范围等信息，可实现车地无线通信可靠握手，实现可靠、安全通信连接。

16、通过新型应答器系统替换轨道电路后，可将钢轨作为车-地（车-车、列车首尾）通信传输介质；已有文档已介绍采用供电的接触网作为感应通信传输介质，而部分城轨采用供电轨对车辆进行供电，可采用供电轨作为感应通信传输介质；磁浮列车系统采用供电轨对车辆供电时可采用供电轨作为感应通信传输介质，当没有供电轨可采用梁体上导体作为感应通信传输介质；通过将钢轨、供电轨、导体作为波导线方式耦合信号进行传输，低成本可靠实现车-地、车-车、列车首尾间通信。

17、上行链路应答器报文数据长度可不是现有的1023bits和341bits；下行链路应答器报文一般为固定数据如包含车载应答器编号、车次号/车辆编号、列车首尾标志等信息，用于地面设备进行列车/机车/车辆的位置跟踪，下行链路应答器报文可根据需要为可变报文如包含车辆状态等信息。

18、上行链路应答器报文可包含移动授权、进路、临时限速等可变信息，具备一定时效性，可通过增加时间信息（绝对时间、时间戳等）、接收对象标志信息（如车次号等）、地面应答器编号等保证数据的时效性，同时车载设备可通过车载线路数据和定位获取应答器编号和应答器链接关系识别上行链路应答器报文时效性；下行链路应答器报文包含列车车次号、车载应答器编号、列车首尾标志等信息可用于报文时效性确定，地面设备可进一步根据列车占用逻辑关系和列车定位信息识别下行链路应答器报文时效性。

19、车载应答器或地面应答器设备在发送上行/下行链路应答器报文时应具备输出回读比较功能，车载应答器收发装置/车载应答器发送装置可通过自检线圈、自检电路检测下行报文数据的正确性、完整性、发送功率强度等信息，地面双向通信应答器/地面应答器发送装置可通过通过自检线圈、自检电路检测上行报文数据的正确性、完整性、发送功率强度等信息，用于故障识别及处理。

20、应答器报文正确完整性由编码保证。

21、可简化leu设备为轨旁通信转发设备，或取消leu设备，地面应答器装置（地面无源应答器和现有地面有源应答器除外）可与地面设备直接通过通信方式双向交互数据和状态，传输介质可采用电缆、光纤、无线等方式；地面应答器装置可采用两层或多层安全架构或其它安全措施，确保主处理系统工作正常从而保证应答器报文正确实时处理和时效性，一旦识别与地面设备通信断开或本设备故障，可切换发送上行链路应答器默认报文或停止发送，上行链路通道与下行链路通道独立。

22、当地面应答器与leu/地面设备间采用双向通信时，可采用周期通信方式交互状态和生命信号，下行链路应答器报文传输可采用即收即发、上行链路应答器报文传输可采用即更新即发，车载天线经过地面应答器时不更新报文，地面上行应答器报文在列车经过时不更新a接口发送；地面应答器装置可对循环发送的下行链路应答器报文解调并进行多次截取一定长度可再次编码发送给leu或发送给地面设备，当下行链路应答器报文采用帧头帧尾方式连续循环发送时地面应答器解调并通过报文格式识别完整数据包或多包并编码发送给leu或发送给地面设备，应答器状态可作为单独通信包在下行链路空闲时发送至leu或发送给地面设备，leu或对应地面设备通过分层解包获取应答器下行正确完整数据；leu或地面设备将分层编码的上行链路应答器数据包发送给地面应答器，由地面应答器解外层包并获取完整的应答器上行报文调制后循环发送，或在下行链路应答器数据包触发下或下行能量波激活下循环发送。

23、下行链路应答器报文一般为固定数据，若发送可变数据，可通过车载设备列车定位和线路数据信息，当列车经过该应答器/应答器组一定距离后、或处在相邻应答器/应答器组中间位置可进行上行链路应答器报文的更新。

24、上行链路应答器报文更新，当列车1处于区间时，地面设备根据追踪到前方列车2位置来更新本列车1前方到前方列车2间的地面应答器上行链路应答器报文数据，移动授权距离根据实际等效闭塞分区设置；当列车处于站内及附近，列车前方地面应答器（如进站应答器、出站应答器等）在进路办理并开放后即更新。

25、通过新型应答器系统可实现车辆状态采集，车辆状态可包含车辆轴重及超偏重监测等。

26、本发明的有益效果为：本发明属于轨道交通领域，新型应答器系统车载和地面设备的组合实现多种功能，采用新技术优化性能，且融合无线通信方式实现多种扩展功能，同时提供可靠实时的车地、车车间通信方式，应用于不同场景。