專利名稱：基于聲回波探測的列車防撞系統(tǒng)及其防撞方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及軌道交通技術(shù)，特別是涉及一種基于聲回波探測的列車防撞系統(tǒng)及其防撞方法的技術(shù)。
背景技術(shù)：
包括城市軌道交通列車在內(nèi)的軌道交通工具一旦發(fā)生追尾或?qū)ψ驳扰鲎彩鹿?，會造成?yán)重的生命和財產(chǎn)損失；尤其在隧道內(nèi)發(fā)生碰撞事故時，事故的救援和處理都極其不便，更加重了事故帶來的危害和影響。目前，大部分國家均采用列車運行控制(Tr ain Control System, TCS,或針對地鐵線路的Automatic Train Control,ATC)系統(tǒng)來保證列車的運行安全,盡管其技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)十分成熟，然而最近十幾年，列車安全事故仍然時有發(fā)生，尤其是近幾年在各國發(fā)生的嚴(yán)重地鐵列車碰撞事故表明基于信號與通信(Signaling and Communication)技術(shù)的列車運行控制系統(tǒng)雖嚴(yán)密但復(fù)雜，但任何外部的不利因素和系統(tǒng)的缺陷都可能導(dǎo)致系統(tǒng)整體或局部故障，或者迫使系統(tǒng)降級至安全系數(shù)低的備用模式，繼而增加列車碰撞事故發(fā)生的幾率。鑒于目前列車碰撞事故仍然時有發(fā)生，相關(guān)技術(shù)人員在完善現(xiàn)有系統(tǒng)安全措施的同時，也在開展新的獨立于現(xiàn)有安全措施的列車防撞技術(shù)的開發(fā)，包括衛(wèi)星定位(Satellite Based Positioning)、圖像識別(Image Recognition)、防撞雷達(Anti-Crash/Collision Radar)等技術(shù)，以及利用單個技術(shù)的優(yōu)點而集成的防撞系統(tǒng)?，F(xiàn)有列車防撞技術(shù)都是基于電磁波感測、探測機制的防撞技術(shù)，這類技術(shù)的缺陷在于，當(dāng)列車線路在隧道內(nèi)時，基于電磁波感測、探測機制的防撞技術(shù)均不能有效發(fā)揮作用，對于長時間運行在長距離隧道中的地鐵列車而言，其缺陷尤其明顯，主要表現(xiàn)在
1)在隧道內(nèi)，尤其是長距離隧道內(nèi)，列車無法利用電磁波直接與隧道外部的中繼(如衛(wèi)星)建立通信；
2)隧道的曲率和狹小的空間等因素限制了車載圖像感測方法的有效作用距離；
3)由于隧道中內(nèi)部設(shè)施的影響和空間的限制，隧道內(nèi)中高頻電磁波衰減快、回波復(fù)雜，且地鐵線路有上下起伏坡度和彎道，造成探測盲區(qū)，因而電磁波雷達在隧道內(nèi)無法發(fā)揮有效作用。由此可見，現(xiàn)有的列車防撞技術(shù)在隧道內(nèi)的應(yīng)用效果不佳，尤其是在非直形的長距離隧道內(nèi)基本無法有效提高列車的行駛安全性，不能很好的避免列車碰撞事故發(fā)生，在地鐵線路中的應(yīng)用效果較差。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能提高列車在隧道內(nèi)的行駛安全性的基于聲回波探測的列車防撞系統(tǒng)及其防撞方法。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所提供的一種基于聲回波探測的列車防撞系統(tǒng)，其特征在于包括一用于發(fā)射聲波的聲波發(fā)射裝置、一用于接收聲波的聲波接收裝置、一信號控制處理設(shè)備、一示警終端；
所述聲波發(fā)射裝置設(shè)有探測信號輸入端，所述聲波接收裝置設(shè)有反饋信號輸出端，所述示警終端上設(shè)有示警信號輸入端；
所述信號控制處理設(shè)備設(shè)有探測信號輸出端、反饋信號輸入端、預(yù)警信號輸出端，并內(nèi)置有用于控制其各信號輸出端的輸出信號，及處理分析其反饋信號輸入端的輸入信號的信號處理模塊，其探測信號輸出端接到聲波發(fā)射裝置的探測信號輸入端，其反饋信號輸入端接到聲波接收裝置的反饋信號輸出端，其預(yù)警信號輸出端接到示警終端的示警信號輸入端。進一步的，所述示警終端安裝在列車駕駛室內(nèi)，示警終端上設(shè)有示警信息發(fā)生部件。 進一步的，所述信號控制處理設(shè)備的預(yù)警信號輸出端接入列車的制動系統(tǒng)和/或自動運行保護系統(tǒng)。進一步的，還包括一供電設(shè)備，所述供電設(shè)備中內(nèi)置有不間斷電源，所述不間斷電源的電源輸入端接到列車的供電輸出端，其供電端接到聲波發(fā)射裝置、聲波接收裝置及信號控制處理設(shè)備的電源輸入端。進一步的，所述聲波發(fā)射裝置包括功率放大器及至少一個揚聲器，所述功率放大器的源信號輸入端構(gòu)成聲波發(fā)射裝置的探測信號輸入端，功率放大器的放大信號輸出端接到各揚聲器的電信號輸入端。進一步的，所述揚聲器是電動式揚聲器、靜電式揚聲器、電磁式揚聲器、壓電式揚聲器、氣動式揚聲器中的一種，或是其中的多種的組合。進一步的，所述聲波接收裝置包括前置放大器、信號調(diào)理器及至少一個傳聲器，所述信號調(diào)理器的調(diào)理信號輸出端構(gòu)成聲波接收裝置的反饋信號輸出端，所述前置放大器的放大信號輸出端接到信號調(diào)理器的源信號輸入端，前置放大器的源信號輸入端分別接到各傳聲器的電信號輸出端。進一步的，所述傳聲器是電容傳聲器、壓電式傳聲器、電動傳聲器、駐極體傳聲器中的一種，或是其中的多種的組合。本發(fā)明所提供的基于聲回波探測的列車防撞系統(tǒng)的防撞方法，其特征在于 利用聲波發(fā)射裝置向列車前方發(fā)射聲波探測信號；
利用聲波接收裝置接收從列車前方反射回來的，由聲波發(fā)射裝置發(fā)射的聲波探測信號的回波，并根據(jù)聲波探測信號與其回波之間的收發(fā)時差，及聲波傳播速度、列車行進速度、聲波探測信號的回波強度，利用信號控制處理設(shè)備計算出反射聲波探測信號的物體與列車之間的間距，及反射聲波探測信號的物體的尺寸，再根據(jù)計算結(jié)果判斷列車的碰撞風(fēng)險；如果計算出的反射聲波探測信號的物體與列車之間的間距小于安全距離閾值，且計算出的反射聲波探測信號的物體的尺寸超過反射物尺寸閾值，則判定列車有碰撞風(fēng)險，信號控制處理設(shè)備即向本車的示警終端輸出預(yù)警信號；
所述安全距離閾值是信號控制處理設(shè)備預(yù)先設(shè)定的固定值，或是根據(jù)預(yù)先設(shè)定的固定值及列車行進速度計算出來的變量值；
所述反射物尺寸閾值是信號控制處理設(shè)備預(yù)先設(shè)定的固定值。
進一步的，如果判定列車有碰撞風(fēng)險，信號控制處理設(shè)備即向列車的制動系統(tǒng)輸出制動信號，使列車的制動系統(tǒng)對列車實施制動操作，或向列車的保護系統(tǒng)輸出限速信號，使列車的保護系統(tǒng)對列車實施限速操作。進一步的，所述聲波探測信號是按時序間歇發(fā)射的單頻率聲波信號，或是按時序間歇發(fā)射的多頻率聲波信號序列，或是按時序持續(xù)發(fā)射的多頻率聲波信號序列，或是按時序間歇發(fā)射的調(diào)幅聲波，或是按時序間歇發(fā)射的調(diào)頻聲波。本發(fā)明提供的基于聲回波探測的列車防撞系統(tǒng)及其防撞方法，采用聲波作為探測，來探測列車是否有碰撞前方障礙物的風(fēng)險，不依賴現(xiàn)有的信號、通信等相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)，只輸出單向指令，具有很強的獨立性，聲波最大的優(yōu)點在于可靠的長距離傳輸能力，一方面中低頻聲波在開闊空間的傳播衰減就比較小，另一方面，某些頻段的聲波可在(半、雙、橢)圓形、矩形等各類隧道中以很低的衰減率直線或曲線傳播，即聲導(dǎo)波(Guided SoundWaves)，其在一般隧道中有效傳播距離可達數(shù)公里，遠大于一般列車的安全距離，甚至大于某些地鐵線路的閉塞區(qū)間距離，而且隧道內(nèi)聲導(dǎo)波在遇到大型障礙物時能有效反射，因而 聲波可以用于單個列車對隧道縱深進行探測，從而確認前方隧道路線是否暢通，使列車從目前主要依賴于外部控制進化成具有一定的感知和自我保護能力的“蝙蝠列車”，在正常運行或應(yīng)急狀態(tài)下起到長距離示警、防撞保護作用，從而降低列車在隧道內(nèi)的碰撞風(fēng)險和損失；相對現(xiàn)有列車防撞技術(shù)具有應(yīng)用成本低、簡單可靠、兼容性好的優(yōu)點；系統(tǒng)裝置完全車載因而幾乎不需要對線路做額外的施工和維護，而且對現(xiàn)有線路的電力、信號和通信系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾，對人員無任何傷害，特別適合在城市地鐵線路中應(yīng)用。


圖I是本發(fā)明實施例基于聲回波探測的列車防撞系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明實施例基于聲回波探測的列車防撞系統(tǒng)的防撞方法流程圖。
具體實施例方式以下結(jié)合

對本發(fā)明的實施例作進一步詳細描述，但本實施例并不用于限制本發(fā)明，凡是采用本發(fā)明的相似結(jié)構(gòu)及其相似變化，均應(yīng)列入本發(fā)明的保護范圍。如圖I所示，本發(fā)明實施例所提供的一種基于聲回波探測的列車防撞系統(tǒng)，其特征在于包括一用于發(fā)射聲波的聲波發(fā)射裝置、一用于接收聲波的聲波接收裝置、一信號控制處理設(shè)備、一示警終端；
所述聲波發(fā)射裝置設(shè)有探測信號輸入端，所述聲波接收裝置設(shè)有反饋信號輸出端，所述示警終端上設(shè)有示警信號輸入端；
所述信號控制處理設(shè)備設(shè)有探測信號輸出端、反饋信號輸入端、預(yù)警信號輸出端，并內(nèi)置有用于控制其各信號輸出端的輸出信號，及處理分析其反饋信號輸入端的輸入信號的信號處理模塊，其探測信號輸出端接到聲波發(fā)射裝置的探測信號輸入端，其反饋信號輸入端接到聲波接收裝置的反饋信號輸出端，其預(yù)警信號輸出端接到示警終端的示警信號輸入端。本發(fā)明實施例中，所述示警終端安裝在列車駕駛室內(nèi)，示警終端上設(shè)有示警信息發(fā)生部件。
所述示警信息發(fā)生部件包括示警音發(fā)生部件(如蜂鳴器)、示警光發(fā)生部件(如示警燈)、示警顯示屏，示警終端的示警音發(fā)生部件、示警光發(fā)生部件、示警顯示屏各經(jīng)示警電路接到示警終端的示警信號輸入端。本發(fā)明實施例中，所述信號控制處理設(shè)備的預(yù)警信號輸出端接入列車的制動系統(tǒng)和/或自動運行保護系統(tǒng)。本發(fā)明實施例中，還包括一供電設(shè)備，所述供電設(shè)備中內(nèi)置有不間斷電源(UPS)，所述不間斷電源的電源輸入端接到列車的供電輸出端，其供電端接到聲波發(fā)射裝置、聲波接收裝置、示警終端及信號控制處理設(shè)備的電源輸入端。
本發(fā)明實施例中，所述聲波發(fā)射裝置為現(xiàn)有技術(shù)，包括功率放大器及至少一個揚聲器，所述功率放大器的源信號輸入端構(gòu)成聲波發(fā)射裝置的探測信號輸入端，功率放大器的放大信號輸出端接到各揚聲器的電信號輸入端，所述揚聲器是電動式揚聲器、靜電式揚聲器、電磁式揚聲器、壓電式揚聲器、氣動式揚聲器中的一種，或是其中的多種的組合，揚聲器的數(shù)量多于一個時，可將各揚聲器排列成揚聲器陣列。本發(fā)明實施例中，所述聲波接收裝置為現(xiàn)有技術(shù)，包括前置放大器、信號調(diào)理器及至少一個傳聲器，所述信號調(diào)理器的調(diào)理信號輸出端構(gòu)成聲波接收裝置的反饋信號輸出端，所述前置放大器的放大信號輸出端接到信號調(diào)理器的源信號輸入端，前置放大器的源信號輸入端分別接到各傳聲器的電信號輸出端，所述傳聲器是電容傳聲器、壓電式傳聲器、電動傳聲器、駐極體傳聲器中的一種，或是其中的多種的組合。本發(fā)明實施例中，所述信號控制處理設(shè)備是單片機，所述示警終端中的示警電路為現(xiàn)有技術(shù)。如圖2所示，本發(fā)明實施例所提供的基于聲回波探測的列車防撞系統(tǒng)的防撞方法，其特征在于
利用信號控制處理設(shè)備控制聲波發(fā)射裝置向列車前方(即列車行進方向)發(fā)射聲波探測信號；
利用聲波接收裝置接收從列車前方反射回來的，由聲波發(fā)射裝置發(fā)射的聲波探測信號的回波，并根據(jù)聲波探測信號與其回波之間的收發(fā)時差，及聲波傳播速度、列車行進速度、聲波探測信號的回波強度，利用信號控制處理設(shè)備計算出反射聲波探測信號的物體與列車之間的間距，及反射聲波探測信號的物體的尺寸，再根據(jù)計算結(jié)果判斷列車的碰撞風(fēng)險；如果計算出的反射聲波探測信號的物體與列車之間的間距小于安全距離閾值，且計算出的反射聲波探測信號的物體的尺寸超過反射物尺寸閾值，則判定列車有碰撞風(fēng)險，信號控制處理設(shè)備即向本車的示警終端輸出預(yù)警信號，使示警終端發(fā)出示警信息，并向列車的制動系統(tǒng)輸出制動信號，使列車的制動系統(tǒng)對列車實施制動操作，或向列車的保護系統(tǒng)輸出限速信號，使列車的保護系統(tǒng)對列車實施限速操作；
所述安全距離閾值是信號控制處理設(shè)備預(yù)先設(shè)定的固定值，或是根據(jù)預(yù)先設(shè)定的固定值及列車行進速度計算出來的變量值；
所述反射物尺寸閾值是信號控制處理設(shè)備預(yù)先設(shè)定的固定值。所述示警信息包括示警音(如蜂鳴器的蜂鳴聲)、示警光(如示警燈閃爍)、示警文字和/或示警圖案。本發(fā)明實施例中，所述聲波探測信號是按時序間歇發(fā)射的單頻率聲波信號，或是按時序間歇發(fā)射的多頻率聲波信號序列，或是按時序持續(xù)發(fā)射的多頻率聲波信號序列，或是按時序間歇發(fā)射的調(diào)幅聲波，或是按時序間歇發(fā)射的調(diào)頻聲波。本發(fā)明實施例中，所述聲波探測信號的回波可以是從同軌行駛的其他列車反射回來的回波，也可以是由障礙物反射回來的回波。本發(fā)明實施例中，所述聲波探測信號可以是30Hz左右的低頻聲波信號，也可以是500Hz-40kHz的中高頻聲波信號。本發(fā)明實施例中，所述多頻率聲波信號序列是指由多個不同頻率的聲波按時序組合而成的聲波信號。如果有多輛列車安裝有本發(fā)明實施例的系統(tǒng)時,各列車上的聲波發(fā)射裝置所發(fā)射的聲波探測信號最好有所區(qū)別，以免誤報。

本發(fā)明實施例適合安裝城列車的車頭部。通常，列車的運行線路很長，聲波的傳播速度超過每小時1200公里，遠大于一般列車的運行速度，同電磁波相比，空氣聲波的發(fā)射和接收比較簡單，相關(guān)設(shè)備成熟、可靠、低廉，尤其適用于地鐵列車以輔助行車安全為目的的前方障礙物探測。
權(quán)利要求
1.一種基于聲回波探測的列車防撞系統(tǒng)，其特征在于包括一用于發(fā)射聲波的聲波發(fā)射裝置、一用于接收聲波的聲波接收裝置、一信號控制處理設(shè)備、一示警終端； 所述聲波發(fā)射裝置設(shè)有探測信號輸入端，所述聲波接收裝置設(shè)有反饋信號輸出端，所述示警終端上設(shè)有示警信號輸入端； 所述信號控制處理設(shè)備設(shè)有探測信號輸出端、反饋信號輸入端、預(yù)警信號輸出端，并內(nèi)置有用于控制其各信號輸出端的輸出信號，及處理分析其反饋信號輸入端的輸入信號的信號處理模塊，其探測信號輸出端接到聲波發(fā)射裝置的探測信號輸入端，其反饋信號輸入端接到聲波接收裝置的反饋信號輸出端，其預(yù)警信號輸出端接到示警終端的示警信號輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于聲回波探測的列車防撞系統(tǒng)，其特征在于所述示警終端安裝在列車駕駛室內(nèi)，示警終端上設(shè)有示警信息發(fā)生部件。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于聲回波探測的列車防撞系統(tǒng)，其特征在于所述信號控制處理設(shè)備的預(yù)警信號輸出端接入列車的制動系統(tǒng)和/或自動運行保護系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于聲回波探測的列車防撞系統(tǒng)，其特征在于還包括一供電設(shè)備，所述供電設(shè)備中內(nèi)置有不間斷電源，所述不間斷電源的電源輸入端接到列車的供電輸出端，其供電端接到聲波發(fā)射裝置、聲波接收裝置及信號控制處理設(shè)備的電源輸入端。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于聲回波探測的列車防撞系統(tǒng)，其特征在于所述聲波發(fā)射裝置包括功率放大器及至少一個揚聲器，所述功率放大器的源信號輸入端構(gòu)成聲波發(fā)射裝置的探測信號輸入端，功率放大器的放大信號輸出端接到各揚聲器的電信號輸入端。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于聲回波探測的列車防撞系統(tǒng)，其特征在于所述揚聲器是電動式揚聲器、靜電式揚聲器、電磁式揚聲器、壓電式揚聲器、氣動式揚聲器中的一種，或是其中的多種的組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于聲回波探測的列車防撞系統(tǒng)，其特征在于所述聲波接收裝置包括前置放大器、信號調(diào)理器及至少一個傳聲器，所述信號調(diào)理器的調(diào)理信號輸出端構(gòu)成聲波接收裝置的反饋信號輸出端，所述前置放大器的放大信號輸出端接到信號調(diào)理器的源信號輸入端，前置放大器的源信號輸入端分別接到各傳聲器的電信號輸出端。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于聲回波探測的列車防撞系統(tǒng)，其特征在于所述傳聲器是電容傳聲器、壓電式傳聲器、電動傳聲器、駐極體傳聲器中的一種，或是其中的多種的組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于聲回波探測的列車防撞系統(tǒng)的防撞方法，其特征在于 利用聲波發(fā)射裝置向列車前方發(fā)射聲波探測信號； 利用聲波接收裝置接收從列車前方反射回來的，由聲波發(fā)射裝置發(fā)射的聲波探測信號的回波，并根據(jù)聲波探測信號與其回波之間的收發(fā)時差，及聲波傳播速度、列車行進速度、聲波探測信號的回波強度，利用信號控制處理設(shè)備計算出反射聲波探測信號的物體與列車之間的間距，及反射聲波探測信號的物體的尺寸，再根據(jù)計算結(jié)果判斷列車的碰撞風(fēng)險； 如果計算出的反射聲波探測信號的物體與列車之間的間距小于安全距離閾值，且計算出的反射聲波探測信號的物體的尺寸超過反射物尺寸閾值，則判定列車有碰撞風(fēng)險，信號控制處理設(shè)備即向本車的示警終端輸出預(yù)警信號； 所述安全距離閾值是信號控制處理設(shè)備預(yù)先設(shè)定的固定值，或是根據(jù)預(yù)先設(shè)定的固定值及列車行進速度計算出來的變量值； 所述反射物尺寸閾值是信號控制處理設(shè)備預(yù)先設(shè)定的固定值。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于聲回波探測的列車防撞系統(tǒng)的防撞方法，其特征在于如果判定列車有碰撞風(fēng)險，信號控制處理設(shè)備即向列車的制動系統(tǒng)輸出制動信號，使列車的制動系統(tǒng)對列車實施制動操作，或向列車的保護系統(tǒng)輸出限速信號，使列車的保護系統(tǒng)對列車實施限速操作。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于聲回波探測的列車防撞系統(tǒng)的防撞方法，其特征在于所述聲波探測信號是按時序間歇發(fā)射的單頻率聲波信號，或是按時序間歇發(fā)射的多頻率聲波信號序列，或是按時序持續(xù)發(fā)射的多頻率聲波信號序列，或是按時序間歇發(fā)射的調(diào)幅聲波，或是按時序間歇發(fā)射的調(diào)頻聲波。
全文摘要
一種基于聲回波探測的列車防撞系統(tǒng)及其防撞方法，涉及軌道交通技術(shù)領(lǐng)域，所解決的是提高列車在隧道內(nèi)行駛的安全性的技術(shù)問題。該系統(tǒng)包括一聲波發(fā)射裝置、一聲波接收裝置、一信號控制處理設(shè)備；利用聲波發(fā)射裝置向列車前方發(fā)射聲波探測信號；利用聲波接收裝置接收從列車前方反射回來的聲波探測信號的回波，并對接收到的聲波探測信號的回波進行分析，根據(jù)聲波探測信號與其回波之間的收發(fā)時差，及聲波傳播速度、列車行進速度，計算出前方障礙物的大小，及其與列車之間的間距，再根據(jù)計算結(jié)果判斷列車的碰撞風(fēng)險。本發(fā)明提供的系統(tǒng)及方法，特別適合在城市地鐵線路中應(yīng)用。
文檔編號B61L23/00GK102765409SQ20121028957
公開日2012年11月7日 申請日期2012年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月31日
發(fā)明者周文晉, 徐健, 惲毅, 李曉東, 鮑明 申請人:上海中科高等研究院, 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所