專利名稱：一種主動式軌道車輛防碰撞系統(tǒng)及其防碰撞方法
技術領域：
本發(fā)明屬于交通運輸領域，涉及軌道上車輛之間的防碰撞技術，尤其是主動防止軌道交通系統(tǒng)中運行車輛發(fā)生碰撞、追尾事故的發(fā)生，為ー種主動式軌道車輛防碰撞系統(tǒng)及其防碰撞方法。
背景技術：
在國民生產，人民生活中不可缺少會使用到軌道交通系統(tǒng)，如鉄路客貨運、地鉄、輕軌等。軌道交通系統(tǒng)中運行車輛一旦發(fā)生碰撞，必然造成對生命和財產的損害，尤其是載人軌道車輛等發(fā)生碰撞、追尾時，在造成物質損失的同時也給經歷事故的人們留下巨大的精神創(chuàng)傷。分析引發(fā)軌道交通發(fā)生碰撞事故的原因主要有以下ー些前后車被派上同一區(qū)間；前后車存在較大的速度差、前車停車或慢行、后車快于前車；軌道中心控制系統(tǒng)的調度出現問題；環(huán)境(惡劣天氣情況)和人為因素的影響等等。這些災禍的發(fā)生可以通過現有技術加以預防和控制，這就需要設計相應的軌道交通中車輛間的防碰撞方法。防止軌道交通中車輛間的碰撞、追尾可以采用的技術原理很多。已有系統(tǒng)中有通過信號燈系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)(GPS)以及在軌道電路中傳輸相位連續(xù)的鍵控移頻(FSK)信號進行區(qū)間閉塞等方法避免碰撞事故的發(fā)生。由于軌道交通防碰撞的特點要求在設計相應的方法時必須同時具有高可靠、高可用和高安全性的特性，防碰撞方法應該是具有多套冗余的方案，系統(tǒng)應獨立運行，不應互相聯(lián)鎖，并且各套系統(tǒng)應采用不同的技術原理，以確保冗余的有效性，不因某一共同原因同時失效，即共因失效。因此有必要提出和ー種主動式軌道車輛防碰撞方法，保證軌道交通的安全高效運行。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的問題是現有軌道交通中，已使用的中國列車運行控制系統(tǒng)CTCS(Chinese Train Control System)以及類似系統(tǒng)中，軌道車輛上并沒有相應的裝置實現車輛間主動探測以實現防止碰撞，不能有效保證車輛的安全運行，需要克服現有技術中的不足，提出一種主動防止軌道上車輛之間發(fā)生碰撞的系統(tǒng)，應用于現有的軌道運輸系統(tǒng)，能夠主動檢測軌道車輛前進方向上有無車輛信息，前車的速度以及兩車的相對軌道距離，并將估計結果用于車輛間防碰撞控制。本發(fā)明的技術方案為一種主動式軌道車輛防碰撞系統(tǒng)，包括雙軌軌道和軌道車輛，軌道為導電材料，雙軌軌道的兩根軌道平行且為開路狀態(tài)，雙軌軌道與大地之間絕緣，軌道車輛的車輪與雙軌軌道始終保持接觸，軌道車輛由車輪、輪軸、驅動裝置、斷路裝置、車載主機和電源模塊組成，軌道車輛包括主、從兩種狀態(tài)，主狀態(tài)指主動檢測本車前后是否有車輛的狀態(tài)，從狀態(tài)指本車處于被 其他車輛檢測的狀態(tài)，車輪包括一對前輪和ー對后輪，前輪之間和后輪之間通過輪軸連接，斷路裝置分別設置在前輪和后輪的輪軸上，主狀態(tài)時車載主機發(fā)送測距脈沖信號，斷路裝置斷路，使前輪和后輪的輪軸兩端為斷路狀態(tài)，從狀態(tài)時車載主機不發(fā)送測距脈沖信號，斷路裝置短路，使前輪和后輪的輪軸兩端為短路狀態(tài)；兩輛軌道車輪與雙軌軌道構成ー個電回路，其中主狀態(tài)軌道車輛的車載主機輸出測距脈沖信號，經主狀態(tài)軌道車輛的輪軸、車輪傳輸至雙軌軌道中的一條，測距脈沖信號沿軌道到達從狀態(tài)軌道車輛，經短路狀態(tài)的斷路裝置傳輸至另一條軌道，再沿軌道回到主狀態(tài)軌道車輛，經由主狀態(tài)軌道車輛的車輪和輪軸輸入車載主機；軌道車輛的車載主機與驅動裝置雙向通訊連接，驅動裝置驅動軌道車輛運行，同時向車載主機反饋該車的運行參數，電源模塊向軌道車輛供電。所述車載主機由處理器核心、前脈沖發(fā)射電路、后脈沖發(fā)射電路、前高速比較器電路、后高速比較器電路、參考電壓電路、前差分運放、后差分運放、驅動裝置接ロ、前斷路裝置接口和后斷路裝置接ロ構成，前脈沖發(fā)射電路連接前輪，后脈沖發(fā)射電路連接后輪，處理器核心的輸出連接前、后脈沖發(fā)射電路和參考電壓電路，處理器核心通過驅動裝置接ロ連接驅動裝置，通過前、后斷路裝置接ロ連接前、后斷路裝置，前、后脈沖發(fā)射電路發(fā)出測距脈 沖信號，參考電壓電路向前、后高速比較器電路提供參考電壓信號，軌道車輛接收的返回的測距脈沖信號分別經前、后差分運放電路輸入前、后高速比較器電路，前、后高速比較器電路的輸出信號輸入處理器核心。軌道車輛運行在雙軌軌道上，驅動裝置驅動軌道車輛的運行，根據車載主機的命令實現軌道車輛的行駛狀態(tài)控制，井向車載主機反饋軌道車輛的運行參數，所述車輛的運行參數包括行駛方向、速度和加速度；主狀態(tài)軌道車輛的車載主機控制前、后斷路裝置，使連接在同一輪軸上的車輪之間成開路狀態(tài)，然后再通過前脈沖發(fā)射電路發(fā)送測距脈沖信號，判斷軌道車輛測量范圍內是否有其他車輛行駛；當在測距脈沖信號有效傳輸范圍內沒有其他軌道車輛行駛吋，車載主機將不會接收到返回的測距脈沖信號，此時由車載主機控制增寬發(fā)射脈沖的寬度，再次發(fā)射測距脈沖信號，如果直至脈沖寬度達到最大設定值還沒接收到返回測距脈沖信號，則周期性重復發(fā)射最大寬度的測距脈沖信號；當在測距脈沖信號有效傳輸范圍內有其他軌道車輛行駛時，測距脈沖信號將沿著遇到的處于從狀態(tài)的軌道車輛的車輪和短路狀態(tài)的斷路裝置傳到另一條軌道上，然后測距脈沖信號沿著另一條軌道返回到主狀態(tài)軌道車輛的車載主機，車載主機采集測距脈沖信號，通過計算發(fā)送的測距脈沖信號時間點與接收的測距脈沖信號峰值時間點的差值，獲得前輪的測距結果，重復上述發(fā)送脈沖信號、采集脈沖信號和處理脈沖信號的過程，進行多次測量，根據驅動裝置反饋給車載主機的本車運行參數計算出另ー軌道車輛的運行參數；同時通過后脈沖發(fā)射電路發(fā)送測距脈沖信號到軌道上，獲得后輪的測距結果，將由同一時刻發(fā)出的測距脈沖信號獲得的前、后輪測距結果作比較，如果前輪的測距結果大于后輪的測距結果，則從狀態(tài)軌道車輛在主狀態(tài)軌道車輛行駛方向的后方，如果前輪的測距結果小于后輪的測距結果，則從狀態(tài)軌道車輛在主狀態(tài)軌道車輛行駛方向的前方；當從狀態(tài)軌道車輛在主狀態(tài)軌道車輛的前方行駛時，主狀態(tài)軌道車輛的車載主機控制測距脈沖信號從前輪發(fā)出，對前車再次進行測距，當從狀態(tài)軌道車輛在主狀態(tài)軌道車輛的后方行駛時，主狀態(tài)軌道車輛的車載主機控制測距脈沖信號從后輪發(fā)出，對后車再次進行測距；根據所得到的兩輛軌道車輛的運行參數和再次測距結果進行碰撞預測，車載主機向驅動裝置發(fā)出控制命令，調節(jié)本軌道車輛的運行參數，控制軌道車輛的運行狀態(tài)，實現軌道車輛之間的防碰撞，對軌道車輛防止碰撞做出的相應處理為當從狀態(tài)軌道車輛在主狀態(tài)軌道車輛的前方行駛時，如果兩車的軌道距離大于設定的安全距離，比較兩車的車速，若主狀態(tài)軌道車輛的車速小于從狀態(tài)軌道車輛，則退出處理流程，保持正常行駛，若主狀態(tài)軌道車輛的車速大于從狀態(tài)軌道車輛，則主狀態(tài)軌道車輛將車速降至等于從狀態(tài)軌道車輛，并再次獲取兩車的運行參數，確認兩車的目前的運行狀態(tài)，如果兩車的軌道距離小于設定的安全距離，則主狀態(tài)軌道車輛立即實施停車動作，同時再次獲取兩車的運行參數，直到兩車的軌道距離重新回到安全距離以外再啟動；當從狀態(tài)軌道車輛在主狀態(tài)軌道車輛的后方行駛時，如果兩車的軌道距離大于設定的安全距離，比較兩車的車速，若從狀態(tài)軌道車輛的車速小于主狀態(tài)軌道車輛，則退出處理流程，保持正常行駛，若從狀態(tài)軌道車輛的車速大于主狀態(tài)軌道車輛，則主狀態(tài)軌道車輛將車速提高至等于從狀態(tài)軌道車輛，并再次獲取兩車的運行參數，確認兩車的目前的運行狀態(tài)，如果兩車的軌道距離小于設定的安全距離，則主狀態(tài)軌道車輛將車速提高至高于從狀態(tài)軌道車輛，同時再次獲取兩車的運行參數，直到兩車的軌道距離重新回到安全距離以外。根據本軌道車輛運行參數計算出另ー軌道車輛的運行參數具體為 當兩輛軌道車輛在同一段軌道區(qū)間上運行時，主狀態(tài)軌道車輛通過主動發(fā)送測距脈沖對從狀態(tài)軌道車輛進行探測，測距脈沖信號在軌道中的傳輸速度為Vp，測試主、從車輛的速度分別為\、\，主狀態(tài)軌道車輛在從發(fā)送到接收到正的返回信號的時間差為T，則可由L=Vp X T/4估算出兩車相對的軌道距離L ；按照測距脈沖信號的發(fā)射時間間隔At，經多次測量得到L1，山.Ln，對該序列做差分運算得到Λ L1, Λ L2, . . . .，Λ Ln_1;主狀態(tài)軌道車輛速度Vh已知，通過Vqi= Δ Li/ Δ t+Vhi (i = I, 2, ···, η)估算出從狀態(tài)軌道車輛速度，其中Vqi，Vhi分別為從狀態(tài)軌道車輛和主狀態(tài)軌道車輛在i時刻的速度；當從狀態(tài)軌道車輛的速度發(fā)生變化時，通過 aqi= (Vqi+1-Vqi) /At (i = 1，2，…，η)估算出從狀態(tài)軌道車輛的加速度，得到從狀態(tài)軌道車輛的運行參數。車載主機的處理器核心通過控制脈沖發(fā)射電路、高速比較器電路和參考電壓電路來實現測距脈沖信號的發(fā)送和采集，并對采集的數據進行處理獲得兩車的相對軌道距離，通過驅動裝置接口和斷路裝置接ロ控制驅動裝置和斷路裝置的運行；脈沖發(fā)射電路響應處理器核心的控制，發(fā)出寬度可控的測距脈沖信號，所述測距脈沖信號寬度越寬，能夠傳輸的范圍就越遠；比較器電路用于測距脈沖信號的采集，參考電壓電路提供參考電壓，當接收的返回信號電平大于參考電壓電平時，高速比較器電路輸出高電平，當接收的返回信號電平小于參考電壓電平時，高速比較器電路輸出低電平，其中，處理器核心通過調節(jié)PWM波的占空比來調節(jié)參考電壓的大小；返回的測距脈沖信號經差分運放電路再輸入比較器電路，差分運放電路用于降低外在環(huán)境對軌道上傳輸的測距脈沖信號的干擾。處理器核心通過調節(jié)PWM波的占空比來調節(jié)參考電壓的大小，參考電壓的大小根據實際測得的兩車距離來調節(jié)，兩車距離小于IOOm時參考電壓調節(jié)至IV，大于IOOm時參考電壓調節(jié)到O. 5V。測距脈沖信號的寬度調節(jié)為脈沖信號寬度調節(jié)的范圍為50ns到200ns之間，每次調節(jié)的幅度為50ns，發(fā)射的初始測距脈沖信號寬度為50ns，所述周期性重復發(fā)射最大寬度的測距脈沖信號的周期大于等于IOs小于等于60s。測距脈沖信號的寬度調節(jié)為脈沖信號寬度調節(jié)的范圍為50ns到200ns之間，每次調節(jié)的幅度為50ns，發(fā)射的初始測距脈沖信號寬度為50ns，所述周期性重復發(fā)射最大寬度的測距脈沖信號的周期大于等于IOs小于等于60s。與現有的技術相比本發(fā)明有如下優(yōu)勢I、能夠主動發(fā)送測距脈沖進行測距，有效避免發(fā)生碰撞；2、能夠判斷出從狀態(tài)軌道車輛在主狀態(tài)軌道車輛的前方行駛還是后方行駛； 3、能夠調節(jié)測試脈沖的寬度，適應不同的測試距離；4、能夠調節(jié)參考電壓的大小，提高距離測試的精度；5、能夠獨立運行，無需外在控制。


圖I為本發(fā)明主動式防碰撞系統(tǒng)示意圖。圖2為本發(fā)明軌道車輛結構示意圖。圖3為本發(fā)明車載主機示意圖。圖4為本發(fā)明脈沖信號處理流程示意圖。圖5為本發(fā)明軌道車輛參數估計流程。圖6為本發(fā)明軌道車輛碰撞預測與處理流程。
具體實施例方式本發(fā)明軌道所采用的材料為良好的導電材料，保證能夠傳輸測距脈沖信號，兩根平行軌道之間是開路狀態(tài)，軌道與大地之間是絕緣的，軌道車輛的車輪與軌道能夠很好地接觸，以保證脈沖信號的有效傳輸。主狀態(tài)軌道車輛的車載主機先控制前、后斷路裝置使該車的同軸輪子之間成開路狀態(tài)，然后再發(fā)送測距脈沖信號；車載主機先通過前脈沖發(fā)射電路發(fā)送測距脈沖信號判斷測量范圍內是否有其他車輛行駛；當在測距脈沖有效傳輸范圍內沒有其他軌道車輛行駛時，車載主機將接收不到返回的脈沖信號，此時由處理器核心控制增寬發(fā)射脈沖的寬度再次發(fā)射測距脈沖，如果直至脈沖寬度達到最大還沒接收到返回脈沖，則以一定的周期重復發(fā)射最大寬度的測距脈沖；當在測距脈沖信號有效傳輸范圍內有其他軌道車輛行駛時，測距脈沖信號將沿著遇到的從狀態(tài)軌道車輛的車輪和短路狀態(tài)的斷路裝置傳到另一條軌道上，然后測距脈沖信號沿著另一條軌道返回到主狀態(tài)軌道車輛的車載主機，車載主機迅速采集脈沖信號，通過計算發(fā)送的測距脈沖信號時間點與接收的測距脈沖信號峰值時間點的差值，獲得前輪的測距結果，重復上述發(fā)送脈沖、采集脈沖和處理脈沖信號進行多次測量，再根據驅動裝置反饋給車載主機的本車運行參數計算出另ー軌道車輛的運行參數，再通過后脈沖發(fā)射電路發(fā)送測距脈沖信號到同一條軌道上，獲得后輪的測距結果，將兩次測試獲得的前、后輪測距結果作比較，如果前輪的測距結果大于后輪的測距結果，則從狀態(tài)軌道車輛在主狀態(tài)軌道車輛行駛方向的后方，如果前輪的測距結果小于后輪的測距結果，則從狀態(tài)軌道車輛在主狀態(tài)軌道車輛行駛方向的前方；當從狀態(tài)軌道車輛在主狀態(tài)軌道車輛的前方行駛時，主狀態(tài)軌道車輛的車載主機控制從前輪發(fā)送脈沖信號對前車進行精確測距，當從狀態(tài)軌道車輛在主狀態(tài)軌道車輛的后方行駛時，則主狀態(tài)軌道車輛的車載主機控制從后輪發(fā)送脈沖信號對后車進行精確測距；根據所得到的兩輛軌道車輛的運行參數和精確測距結果進行碰撞預測，車載主機向驅動裝置發(fā)出控制命令，調節(jié)本軌道車輛的運行參數，控制軌道車輛的運行狀態(tài)，實現軌道車輛之間的防碰撞。對軌道車輛防止碰撞做出控制前的碰撞預測預測包括了測試主、從車輛的軌道距離以及從狀態(tài)軌道車輛的速度估計和加速度估計。當兩輛軌道車輛在同一段軌道區(qū)間上運行吋，主狀態(tài)軌道車輛通過主動發(fā)送測距脈沖對從狀態(tài)軌道 車輛進行探測，測距脈沖信號在軌道中的傳輸速度為Vp，測試主、從狀態(tài)軌道車輛的速度分別為vz、v。，主狀態(tài)軌道車輛在從發(fā)送到接收到正的返回信號的時間差為T，則可由L=VpXT/4估算出兩車相對的軌道距離L ；按照測距脈沖信號的發(fā)射時間間隔Λ t，經多次測量得到L1, L2. ...，Ln，對該序列做差分運算得到Λ L1, Λ L2, . . . .，Λ Llri，主狀態(tài)軌道車輛速度Vzi已知，通過Vci= Δ Li/ Δ t+Vzi (i = I, 2, ..., η)估算出從狀態(tài)軌道車輛速度，其中Nスi分別為從狀態(tài)軌道車輛和主狀態(tài)軌道車輛在i時刻的速度；當從狀態(tài)軌道車輛的速度發(fā)生變化時，通過aci= (Vci+1-Vci) /At (i = I, 2,…，η)估算出從狀態(tài)軌道車輛的加速度。圖I為本發(fā)明主動式防碰撞系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)由軌道車輛和軌道兩部分組成。軌道能夠傳輸脈沖信號，并且軌道與大地彼此絕緣，兩根平行軌道之間保持開路狀態(tài)；軌道車輛I能夠隨時主動地沿軌道發(fā)送測距脈沖，測距脈沖經過軌道車輛2的短路態(tài)的輪軸傳到另外一條軌道上，這樣測距脈沖就能夠沿另一條軌道回到軌道車輛1，軌道車輛I根據發(fā)送測距脈沖信號和接收測距脈沖信號的時間差計算出兩車的相對軌道距離，再利用該軌道距離做出防碰撞預測以及控制軌道車輛I的運行狀態(tài)。圖2為軌道車輛結構示意圖，軌道車輛由車輛主體、驅動裝置、前斷路裝置、后斷路裝置、車載主機和電源模塊組成。軌道車輛的車輪能夠傳輸測距脈沖信號并且能夠與軌道有良好的接觸；前、后輪軸能夠由前、后斷路裝置控制其兩端的連通狀態(tài)，當車載主機發(fā)送測距脈沖時前、后輪軸兩端為斷路狀態(tài)，當車載主機沒有發(fā)送測距脈沖時前、后輪軸兩端為短路狀態(tài)；驅動裝置能夠驅動車輛的運行，根據車載主機的命令實現軌道車輛的加速、減速、制動和啟動等行駛狀態(tài)控制，并能夠向車載主機提供軌道車輛的運行參數，車輛的運行參數包括行駛方向、速度和加速度；車載主機負責整個系統(tǒng)的運行控制，能夠控制驅動裝置和斷路裝置的運行，也能夠發(fā)送、采集和分析測距脈沖信號；電源模塊為整個軌道車輛提供電能，可采用大容量的蓄電池。圖3為車載主機示意圖，車載主機由處理器核心、前脈沖發(fā)射電路、后脈沖發(fā)射電路、前高速比較器電路、后高速比較器電路、參考電壓電路、前高速差分運放、后高速差分運放、驅動裝置接ロ、前斷路裝置接口和后斷路裝置接ロ構成。處理器核心能夠控制前脈沖發(fā)射電路、后脈沖發(fā)射電路、前高速比較器電路、后高速比較器電路和參考電壓電路來實現測距脈沖信號從前、后兩個端ロ的發(fā)送和采集，井能夠對采集的數據進行處理獲得兩車的相對軌道距離，還能夠通過驅動裝置接口和前、后斷路裝置接ロ控制驅動裝置和前、后斷路裝置的運行；前、后脈沖發(fā)射電路能夠響應處理器核心的控制發(fā)出寬度可控的測距脈沖信號，脈沖信號寬度越寬能夠傳輸的范圍就越遠；前、后高速比較器用于測距脈沖信號的采集，當信號電平大于參考電壓電平時比較器輸出高電平，當信號電平小于參考電壓電平時比較器輸出低電平；參考電壓電路為前、后高速比較器提供參考電壓，處理器核心通過調節(jié)PWM波的占空比來調節(jié)參考電壓的大小，參考電壓的大小可根據實際測得的兩車的距離來調節(jié)，如果兩車距離較近則可以適當提高參考電壓，如果兩車距離較遠則可以適當降低參考電壓，一般小于IOOm時參考電壓可調節(jié)到IV左右，大于IOOm時參考電壓可調節(jié)到O. 5V左右，也可根據實際情況來設定；前、后高速差分運放用于降低外在環(huán)境對軌道上傳輸的測距脈沖信號的干擾。本發(fā)明測距脈沖信號的寬度是可控制的，可根據運行軌道的實際情況進行調節(jié)，當發(fā)射初始脈沖信號沒有返回信號時，說明在該脈沖的測試范圍內沒有其他軌道車輛行駛，此時需要増大發(fā)射脈沖的寬度再次測試，如果此時存在返回脈沖則處理器核心開始測距計算，如果還沒有返回脈沖信號則繼續(xù)増大脈沖信號的寬度，當脈沖寬度増加到最大值時仍然沒有返回脈沖信號時，處理器核心將控制脈沖發(fā)射電路以一定周期重復發(fā)射最大寬度的脈沖信號，重復的周期一般大于等于IOs小于等于60s，脈沖信號寬度調節(jié)的范圍一般為50ns到200ns之間，每次調節(jié)的幅度一般為50ns，發(fā)射的初始脈沖信號寬度為50ns，也可根據實際情況進行設定。圖4為脈沖信號處理流程示意圖，首先設置高速比較器的參考電平，當發(fā)送的測距脈沖信號和接收的測距脈沖信號經過比較器后，高速比較器將對應輸出兩個脈沖信號，觸發(fā)器在比較器輸出的第一個脈沖的上升沿時觸發(fā)輸出高電平，在第二脈沖的上升沿時再次觸發(fā)輸出低電平，高速計數器在觸發(fā)器輸出為高電平期間進行計數，根據計數器的計數值就可以計算出兩個脈沖的時間差，從而進ー步計算出兩車的軌道距離。圖5為軌道車輛參數估計流程圖，車載主機上電后等待是否需要主動測距的命令，如果不需要主動測距則短接該車的輪軸等待測距命令；如果需要主動測距則斷開該車的前、后輪軸，由前脈沖發(fā)射電路沿軌道發(fā)送測距脈沖，根據回波情況判斷軌道上是否有車輛，如果前方存在車輛，則重復脈沖信號處理流程計算出被測車輛的運行參數；如果前方沒有存在車輛，則按照原定的行車計劃繼續(xù)前行，同時車載主機還以一定的頻率沿軌道發(fā)送測距脈沖。圖6為軌道車輛碰撞預測與處理流程圖，根據讀取的本車的行車參數以及通過主動測距得到的前車的運行參數，所得到的兩車的運行參數包括兩車的加速度和速度等，再通過前、后輪的測距結果判斷兩車所處的相對位置，如果從狀態(tài)軌道車輛在主狀態(tài)軌道車 輛的前方行駛，則主狀態(tài)軌道車輛的車載主機控制從前輪發(fā)送脈沖信號對前車進行精確測距，如果從狀態(tài)軌道車輛在主狀態(tài)軌道車輛的后方行駛，則主狀態(tài)軌道車輛的車載主機控制從后輪發(fā)送脈沖信號對后車進行精確測距，根據所得到的兩輛軌道車輛的運行參數和精確測距結果進行碰撞預測；當從狀態(tài)軌道車輛在主狀態(tài)軌道車輛的前方行駛時，如果兩車的軌道距離大于設定的安全距離，比較兩車的車速，若主狀態(tài)軌道車輛的車速小于從狀態(tài)軌道車輛，則退出處理流程，保持正常行駛，若主狀態(tài)軌道車輛的車速大于從狀態(tài)軌道車輛，則主狀態(tài)軌道車輛將車速降至等于從狀態(tài)軌道車輛，并再次獲取兩車的運行參數，確認兩車的目前的運行狀態(tài)，如果兩車的軌道距離小于設定的安全距離，則主狀態(tài)軌道車輛立即實施停車動作，同時再次獲取兩車的運行參數，直到兩車的軌道距離重新回到安全距離以外再啟動；當從狀態(tài)軌道車輛在主狀態(tài)軌道車輛的后方行駛時，如果兩車的軌道距離大于設定的安全距離，比較兩車的車速，若從狀態(tài)軌道車輛的車速小于主狀態(tài)軌道車輛，則退出處理流程，保持正常行駛，若從狀態(tài)軌道車輛的車速大于主狀態(tài)軌道車輛，則主狀態(tài)軌道車輛將車速提高至等于從狀態(tài)軌道車輛，并再次獲取兩車的運行參數，確認兩車的目前的運行狀態(tài)，如果兩車的軌道距離小于設定的安全距離，則主狀態(tài)軌道車輛將車速提高至高于從狀態(tài)軌道車輛，同時再次獲取兩車的運行參數，直到兩車的軌道距離重新回到安全 距離以外。
權利要求
1.ー種主動式軌道車輛防碰撞系統(tǒng)，其特征是包括雙軌軌道和軌道車輛，軌道為導電材料，雙軌軌道的兩根軌道平行且為開路狀態(tài)，雙軌軌道與大地之間絕緣，軌道車輛的車輪與雙軌軌道始終保持接觸， 軌道車輛由車輪、輪軸、驅動裝置、斷路裝置、車載主機和電源模塊組成，軌道車輛包括主、從兩種狀態(tài)，主狀態(tài)指主動檢測本車前后是否有車輛的狀態(tài)，從狀態(tài)指本車處于被其他車輛檢測的狀態(tài)，車輪包括一對前輪和ー對后輪，前輪之間和后輪之間通過輪軸連接，斷路裝置分別設置在前輪和后輪的輪軸上，主狀態(tài)時車載主機發(fā)送測距脈沖信號，斷路裝置斷路，使前輪和后輪的輪軸兩端為斷路狀態(tài)，從狀態(tài)時車載主機不發(fā)送測距脈沖信號，斷路裝置短路，使前輪和后輪的輪軸兩端為短路狀態(tài)；兩輛軌道車輪與雙軌軌道構成ー個電回路，其中主狀態(tài)軌道車輛的車載主機輸出測距脈沖信號，經主狀態(tài)軌道車輛的輪軸、車輪傳輸至雙軌軌道中的一條，測距脈沖信號沿軌道到達從狀態(tài)軌道車輛，經短路狀態(tài)的斷路裝置傳輸至另一條軌道，再沿軌道回到主狀態(tài)軌道車輛，經由主狀態(tài)軌道車輛的車輪和輪軸輸入車載主機； 軌道車輛的車載主機與驅動裝置雙向通訊連接，驅動裝置驅動軌道車輛運行，同時向車載主機反饋該車的運行參數，電源模塊向軌道車輛供電。
2.根據權利要求I所述的ー種主動式軌道車輛防碰撞系統(tǒng)，其特征是所述車載主機由處理器核心、前脈沖發(fā)射電路、后脈沖發(fā)射電路、前高速比較器電路、后高速比較器電路、參考電壓電路、前差分運放、后差分運放、驅動裝置接ロ、前斷路裝置接ロ和后斷路裝置接ロ構成，前脈沖發(fā)射電路連接前輪，后脈沖發(fā)射電路連接后輪，處理器核心的輸出連接前、后脈沖發(fā)射電路和參考電壓電路，處理器核心通過驅動裝置接ロ連接驅動裝置，通過前、后斷路裝置接ロ連接前、后斷路裝置，前、后脈沖發(fā)射電路發(fā)出測距脈沖信號，參考電壓電路向前、后高速比較器電路提供參考電壓信號，軌道車輛接收的返回的測距脈沖信號分別經前、后差分運放電路輸入前、后高速比較器電路，前、后高速比較器電路的輸出信號輸入處理器核心。
3.權利要求I或2所述的ー種主動式軌道車輛防碰撞系統(tǒng)的防碰撞方法，其特征是軌道車輛運行在雙軌軌道上，驅動裝置驅動軌道車輛的運行，根據車載主機的命令實現軌道車輛的行駛狀態(tài)控制，井向車載主機反饋軌道車輛的運行參數，所述車輛的運行參數包括行駛方向、速度和加速度；主狀態(tài)軌道車輛的車載主機控制前、后斷路裝置，使連接在同一輪軸上的車輪之間成開路狀態(tài)，然后再通過前脈沖發(fā)射電路發(fā)送測距脈沖信號，判斷軌道車輛測量范圍內是否有其他車輛行駛； 當在測距脈沖信號有效傳輸范圍內沒有其他軌道車輛行駛時，車載主機將不會接收到返回的測距脈沖信號，此時由車載主機控制增寬發(fā)射脈沖的寬度，再次發(fā)射測距脈沖信號，如果直至脈沖寬度達到最大設定值還沒接收到返回測距脈沖信號，則周期性重復發(fā)射最大寬度的測距脈沖信號； 當在測距脈沖信號有效傳輸范圍內有其他軌道車輛行駛時，測距脈沖信號將沿著遇到的處于從狀態(tài)的軌道車輛的車輪和短路狀態(tài)的斷路裝置傳到另一條軌道上，然后測距脈沖信號沿著另一條軌道返回到主狀態(tài)軌道車輛的車載主機，車載主機采集測距脈沖信號，通過計算發(fā)送的測距脈沖信號時間點與接收的測距脈沖信號峰值時間點的差值，獲得前輪的測距結果，重復上述發(fā)送脈沖信號、采集脈沖信號和處理脈沖信號的過程，進行多次測量，根據驅動裝置反饋給車載主機的本車運行參數計算出另ー軌道車輛的運行參數； 同時通過后脈沖發(fā)射電路發(fā)送測距脈沖信號到軌道上，獲得后輪的測距結果，將由同一時刻發(fā)出的測距脈沖信號獲得的前、后輪測距結果作比較，如果前輪的測距結果大于后輪的測距結果，則從狀態(tài)軌道車輛在主狀態(tài)軌道車輛行駛方向的后方，如果前輪的測距結果小于后輪的測距結果，則從狀態(tài)軌道車輛在主狀態(tài)軌道車輛行駛方向的前方；當從狀態(tài)軌道車輛在主狀態(tài)軌道車輛的前方行駛時，主狀態(tài)軌道車輛的車載主機控制測距脈沖信號從前輪發(fā)出，對前車再次進行測距，當從狀態(tài)軌道車輛在主狀態(tài)軌道車輛的后方行駛時，主狀態(tài)軌道車輛的車載主機控制測距脈沖信號從后輪發(fā)出，對后車再次進行測距； 根據所得到的兩輛軌道車輛的運行參數和再次測距結果進行碰撞預測，車載主機向驅動裝置發(fā)出控制命令，調節(jié)本軌道車輛的運行參數，控制軌道車輛的運行狀態(tài)，實現軌道車 輛之間的防碰撞，對軌道車輛防止碰撞做出的相應處理為當從狀態(tài)軌道車輛在主狀態(tài)軌道車輛的前方行駛時，如果兩車的軌道距離大于設定的安全距離，比較兩車的車速，若主狀態(tài)軌道車輛的車速小于從狀態(tài)軌道車輛，則退出處理流程，保持正常行駛，若主狀態(tài)軌道車輛的車速大于從狀態(tài)軌道車輛，則主狀態(tài)軌道車輛將車速降至等于從狀態(tài)軌道車輛，并再次獲取兩車的運行參數，確認兩車的目前的運行狀態(tài)，如果兩車的軌道距離小于設定的安全距離，則主狀態(tài)軌道車輛立即實施停車動作，同時再次獲取兩車的運行參數，直到兩車的軌道距離重新回到安全距離以外再啟動；當從狀態(tài)軌道車輛在主狀態(tài)軌道車輛的后方行駛時，如果兩車的軌道距離大于設定的安全距離，比較兩車的車速，若從狀態(tài)軌道車輛的車速小于主狀態(tài)軌道車輛，則退出處理流程，保持正常行駛，若從狀態(tài)軌道車輛的車速大于主狀態(tài)軌道車輛，則主狀態(tài)軌道車輛將車速提高至等于從狀態(tài)軌道車輛，并再次獲取兩車的運行參數，確認兩車的目前的運行狀態(tài)，如果兩車的軌道距離小于設定的安全距離，則主狀態(tài)軌道車輛將車速提高至高于從狀態(tài)軌道車輛，同時再次獲取兩車的運行參數，直到兩車的軌道距離重新回到安全距離以外。
4.根據權利要求3所述的ー種主動式軌道車輛防碰撞系統(tǒng)的防碰撞方法,其特征是根據本軌道車輛運行參數計算出另ー軌道車輛的運行參數具體為 當兩輛軌道車輛在同一段軌道區(qū)間上運行時，主狀態(tài)軌道車輛通過主動發(fā)送測距脈沖對從狀態(tài)軌道車輛進行探測，測距脈沖信號在軌道中的傳輸速度為\，測試主、從車輛的速度分別為V,、Vh，主狀態(tài)軌道車輛在從發(fā)送到接收到正的返回信號的時間差為T，則可由 L=VpXT/4 估算出兩車相對的軌道距離L ； 按照測距脈沖信號的發(fā)射時間間隔Λ t，經多次測量得到L1,，L2. ...，Ln,對該序列做差分運算得到Λ L1, Λ L2, . . . .，Λ Llri，主狀態(tài)軌道車輛速度Vh已知，通過 Vqi= Δ L1/ A t+Vhi (i = I, 2, ···, η) 估算出從狀態(tài)軌道車輛速度，其中Vqi，Vhi分別為從狀態(tài)軌道車輛和主狀態(tài)軌道車輛在i時刻的速度；當從狀態(tài)軌道車輛的速度發(fā)生變化時，通過 aqi= (Vqi+1-Vqi) /At (i = I, 2, ···, η) 估算出從狀態(tài)軌道車輛的加速度，得到從狀態(tài)軌道車輛的運行參數。
5.根據權利要求3或4所述的ー種主動式軌道車輛防碰撞系統(tǒng)的防碰撞方法,其特征是車載主機的處理器核心通過控制脈沖發(fā)射電路、高速比較器電路和參考電壓電路來實現測距脈沖信號的發(fā)送和采集，并對采集的數據進行處理獲得兩車的相對軌道距離，通過驅動裝置接口和斷路裝置接ロ控制驅動裝置和斷路裝置的運行；脈沖發(fā)射電路響應處理器核心的控制，發(fā)出寬度可控的測距脈沖信號，所述測距脈沖信號寬度越寬，能夠傳輸的范圍就越遠；比較器電路用于測距脈沖信號的采集，參考電壓電路提供參考電壓，當接收的返回信號電平大于參考電壓電平時，高速比較器電路輸出高電平，當接收的返回信號電平小于參考電壓電平時，高速比較器電路輸出低電平，其中，處理器核心通過調節(jié)PWM波的占空比來調節(jié)參考電壓的大?。环祷氐臏y距脈沖信號經差分運放電路再輸入比較器電路，差分運放電路用于降低外在環(huán)境對軌道上傳輸的測距脈沖信號的干擾。
6.據權利要求5所述的ー種主動式軌道車輛防碰撞系統(tǒng)的防碰撞方法,其特征是處理器核心通過調節(jié)PWM波的占空比來調節(jié)參考電壓的大小，參考電壓的大小根據實際測得的兩車距離來調節(jié)，兩車距離小于IOOm時參考電壓調節(jié)至IV，大于IOOm時參考電壓調節(jié)到O.5V。
7.根據權利要求3或4所述的ー種主動式軌道車輛防碰撞系統(tǒng)的防碰撞方法,其特征是測距脈沖信號的寬度調節(jié)為脈沖信號寬度調節(jié)的范圍為50ns到200ns之間，每次調節(jié)的幅度為50ns，發(fā)射的初始測距脈沖信號寬度為50ns，所述周期性重復發(fā)射最大寬度的測距脈沖信號的周期大于等于IOs小于等于60s。
8.根據權利要求5所述的ー種主動式軌道車輛防碰撞系統(tǒng)的防碰撞方法,其特征是測距脈沖信號的寬度調節(jié)為脈沖信號寬度調節(jié)的范圍為50ns到200ns之間，每次調節(jié)的幅度為50ns，發(fā)射的初始測距脈沖信號寬度為50ns，所述周期性重復發(fā)射最大寬度的測距脈沖信號的周期大于等于IOs小于等于60s。
全文摘要
一種主動式軌道車輛防碰撞系統(tǒng)及其防碰撞方法，該系統(tǒng)的實施依靠車載主機、驅動裝置和斷路裝置三部分，車載主機控制驅動裝置和斷路裝置運行，發(fā)射、處理和分析測距信號；斷路裝置控制軌道車輛的輪軸兩端的連通狀態(tài)；驅動裝置用來驅動軌道車輛的運行，根據車載主機的命令實現軌道車輛的加速、減速、制動和啟動。本發(fā)明系統(tǒng)能夠精確測量出前后兩列軌道車輛的相對軌道距離，并能夠進行防碰撞預測，調節(jié)軌道車輛的運行參數，有效且主動避免軌道車輛發(fā)生碰撞事故。
文檔編號B61L23/34GK102700573SQ20121017319
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月29日 優(yōu)先權日2012年5月29日
發(fā)明者于忠洲, 劉華程, 劉海洋, 吳劍鋒, 徐高志, 李 亨, 李建清, 毛志鵬, 王愛民, 胡異煒, 駱楊 申請人:東南大學