專利名稱：一種基于偽隨機碼射頻測距的軌道交通列車防追尾裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于軌道交通技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種軌道交通列車的防追尾裝置。
背景技術(shù)：
軌道交通列車在運行過程中，前后列車必須保持足夠的間隔距離，通常情況要求大于列車的制動距離，藉此保證列車的運行安全。軌道交通運行控制系統(tǒng)是列車運行安全的技術(shù)保障，用于保證前后列車的安全間隔，防止發(fā)生列車追尾等危險事件，該系統(tǒng)屬于復(fù)雜的自動化系統(tǒng)。當軌道交通運行控制系統(tǒng)發(fā)生故障而停止使用時，往往需要司機人工駕駛或人工瞭望來保證行車安全。列車在經(jīng)過彎道或上下坡道時，受地形條件限制，瞭望距離較短，可能無法及時發(fā)現(xiàn)前車，容易導(dǎo)致前后車距過近而引發(fā)的追尾事故，存在一定的安全隱患。此外，調(diào)度人員和司機習慣于運行控制系統(tǒng)的自動運行，手工作業(yè)訓(xùn)練較少，當設(shè)備出現(xiàn)故障而停用，必須手工操作時，往往過于緊張、容易導(dǎo)致觀察的疏漏，更容易出現(xiàn)安全隱患。因此需要一種獨立于列車運行控制系統(tǒng)之外的列車防追尾裝置，能在前后車距過近時及時發(fā)出示警，以提高行車安全性?，F(xiàn)有技術(shù)中在列車防撞、防追尾領(lǐng)域幾乎沒有涉及到基于偽隨機碼擴頻測距的軌道交通列車防追尾裝置方面的專利。與之相近的，有申請?zhí)?01110234174.0的專利描述的一種列車防追尾系統(tǒng)，該系統(tǒng)中前后列車均裝有GPS定位裝置而獲得本列車的地理位置數(shù)據(jù)，再通過無線收發(fā)裝置向外廣播發(fā)送，后車接收到前車廣播發(fā)送的GPS地理位置數(shù)據(jù)，再和自身GPS地理位置數(shù)據(jù)進行計算，求解前后列車的車距。該專利列車定位信息由車載GPS提供，具有一定的局限性。首先，在常見的地下隧道區(qū)段無法接收到GPS信號而喪失定位功能和防追尾工功能；另外，民用GPS定位精度通常在幾十米，即使使用差分GPS定位，也僅能達到數(shù)米，不足以準確區(qū)分本股道和相鄰股道的信號，后車可能接收到相鄰股道列車的定位信息，而根據(jù)軌道交通的運營規(guī)范，不同股道的列車車距一般是沒有限制的，因此該專利無法有效避免這種誤報警。此外，申請?zhí)枮?00920034397.0的實用新型專利描述了一種列車防追尾監(jiān)測裝置，該裝置在列車車頭車尾安裝無線編碼發(fā)射/接收器，后車不斷向前方發(fā)射序列編碼信號，當前后列車距離接近到無線編碼發(fā)射/接收器能夠進行無線通信時，就能夠進行無線通信來實現(xiàn)防追尾。由于射頻信號傳輸受到信道衰落和多徑影響，接收到的信號強度存在隨機性，因此無線通信的最遠距離波動較大，導(dǎo)致防追尾的車距波動較大，存在不確定性。在城市軌道交通領(lǐng)域，列車制動距離不超過兩百米，因此列車防追尾的間距較短，僅為兩三百米，在這個距離級別上，無線編碼發(fā)射/接收器的通信距離更難以準確界定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種獨立于列車運行控制系統(tǒng)之外，基于偽隨機碼射頻測距的軌道交通列車防追尾裝置。為了達到上述目的，本發(fā)明的解決方案是:
—種軌道交通列車防追尾裝置，包括天線、與所述天線相連的測距單元、與所述測距單元相連的控制單元、分別與所述控制單元相連的示警單元和參數(shù)輸入單元；所述測距單元采用偽隨機碼射頻測距的方法測量同一運行方向前后列車的車距；所述參數(shù)輸入單元獲取所在列車的運行方向信息并傳輸至所述控制單元；所述控制單元設(shè)定所述測距單元的工作模式和射頻頻點，比較列車車距是否安全，并向所述示警單元發(fā)送動作指令；所述示警單元顯示車距或者發(fā)出警示。所述天線為定向天線，且輻射波瓣的主瓣正對列車運行方向或反向，即安裝在列車前端的天線的主瓣指向列車運行方向，安裝在列車后端的天線的主瓣指向列車運行方向的反向。所述天線安裝在列車前端或者后端的司機室頂部。所述測距單元在位于車頭時工作于主動測距模式，向前車發(fā)送射頻測距信號；所述測距單元在位于車尾時工作于被動應(yīng)答模式，接收后車發(fā)送的射頻測距信號并向后車轉(zhuǎn)發(fā)。在被動應(yīng)答模式下所述測距單元轉(zhuǎn)發(fā)的信號僅為接收到的射頻測距信號的簡單復(fù)制或增強。在被動應(yīng)答模式下所述測距單元轉(zhuǎn)發(fā)信號采取直接轉(zhuǎn)發(fā)或者再生式轉(zhuǎn)發(fā)。所述測距單元采用全雙工射頻通信，列車在不同股道使用不同的射頻頻點。所述裝置還包括與所述控制單元相連的制動輸出單元,接收所述控制單元發(fā)出的制動邏輯命令，變換成車輛系統(tǒng)對應(yīng)的電氣指令或數(shù)據(jù)編碼指令。所述示警單元為視覺器材和聽覺器材的組合。由于采用上述方案，本發(fā)明的有益效果是:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明無需其他定位設(shè)備的支持，通過該裝置本身的射頻測距功能，獲得精確的前后列車實時車距數(shù)據(jù)，并和設(shè)定的車距門限數(shù)值進行比較，產(chǎn)生相應(yīng)的示警或制動指令；該裝置具有多種工作模式，在列車上行、下行和特殊方向運行等條件下均能正常工作，其工作模式能自動設(shè)定或由司機人工設(shè)定。使用本發(fā)明的防追尾裝置的列車系統(tǒng)，能有效監(jiān)督前后列車的車距，預(yù)防發(fā)生追尾事故，提高行車安全。


圖1本發(fā)明實施例中軌道交通列車防追尾裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本發(fā)明實施例中軌道交通列車防追尾裝置的列車配置示意圖；圖3本發(fā)明實施例中軌道交通列車防追尾裝置所在列車的上行方向工作示意圖；圖4本發(fā)明實施例中軌道交通列車防追尾裝置所在列車的下行方向工作示意圖。附圖中:1、天線；2、測距單元；3、控制單元；4、示警單元；5、制動輸出單元；6、參數(shù)輸入單元。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖所示實施例對本發(fā)明作進一步的說明。由圖1可見:本發(fā)明所描述的防追尾裝置包括:天線1、測距單元2、控制單元3、示警單元4、制動輸出單元5和參數(shù)輸入單元6。其中，天線I與測距單元2相連，測距單元2與控制單元3相連，控制單元3分別與示警單元4、制動輸出單元5、以及參數(shù)輸入單元6相連。圖2展示了本發(fā)明裝置在列車上的安裝和配置方法。單套該裝置完成軌道交通列車I個運行方向的防追尾功能。通常，列車運行方向有2個，即上行和下行。上行和下行的方向具體定義由軌道交通運營部門規(guī)定，對于正式運營的線路而言，該方向是永久性的和固定不變的。為實現(xiàn)列車在上行或下行方向運行時，均能提供防追尾功能，需要在每輛列車上安裝2套本發(fā)明裝置，如圖2、圖3和圖4所示。天線I為具有一定輻射角度的定向天線，其增益最大處正對列車運行方向的前方或后方，即天線安裝在列車前端時，主瓣指向列車運行方向的前方，天線安裝在列車后端時，主瓣指向列車運行方向的后方。由于本發(fā)明裝置使用射頻信號完成前后列車車距的測量，要求盡量改善測距方向的射頻通信效果，盡量消除非測距方向的射頻通信，因此選用定向天線。該類型天線在發(fā)射狀態(tài)能夠顯著增強測距方向的射頻信號強度，削弱其他方向的輻射強度；在接收狀態(tài)能改善測距方向的接收信號信噪比，抑制其他方向的信號干擾。另夕卜，為減少列車金屬車體對射頻信號的吸收和反射，以期得到更好的射頻信號收發(fā)效果和列車防追尾效果，天線I可安裝在列車的前后兩端，通常位于司機室頂部。測距單元2具有主動測距和被動應(yīng)答兩種工作模式，且工作模式可變。位于后車頭端的測距單元2采用主動測距模式，位于前車尾端的測距單元2采用被動應(yīng)答模式。測距單元2采用全雙工射頻通信，具有2個發(fā)射頻點H、f3和2個接收頻點f2、f4。測距工作頻點可以切換，即列車在上行股道走行時使用Π和f2頻點，往下行股道走行時使用f3和f4頻點。此外，為了確保位于同一股道的前后列車之間才能進行射頻測距，消除鄰近股道列車的干擾，不同股道列車選擇不同的工作頻點，使其不能進行射頻測距。上述測距單元2的工作模式和頻點的設(shè)定和切換，由控制單元3完成。圖3所示為使用該裝置的列車在上行方向運行時的工作示意圖。圖3中1#表示前行列車，2#表示后續(xù)列車，箭頭方向表示列車運行方向，在這里為上行方向。每輛列車兩端各有一個司機室，如1#車在上行方向的前端有一個司機室TC1、在后端有一個司機室TC2 ；2#車在上行方向的前端有一個司機室TC3，在后端有一個司機室TC4。1#列車在前端的TCl司機室位置裝有一套防追尾裝置，用Cl表示；在后端的TC2司機室位置裝有另一套防追尾裝置，用C2表示。同樣，2#車在前端的TC3司機室位置裝有一套防追尾裝置，用C3表示；在后端的TC2司機室位置裝有另一套防追尾裝置，用C4表示。1#、2#列車以一定間隔運行，2#列車TC3司機室的防追尾裝置C3的測距單元2被設(shè)定為主動測距模式，工作頻點被設(shè)置成fl發(fā)射，f2接收。亦即TC3司機室的防追尾裝置C3的測距單元2以主動測距模式，用頻點fl主動向1#前車發(fā)送射頻測距信號，用頻點f2接收前車轉(zhuǎn)發(fā)的信號。1#前車車尾的防追尾裝置C2的測距單元2工作在被動應(yīng)答模式，以Π頻點接收2#后車的射頻測距信號，以f2頻點向2#后車轉(zhuǎn)發(fā)。前車車尾的防追尾裝置C2的測距單元2向后車轉(zhuǎn)發(fā)的信號僅為后車射頻測距信號的簡單復(fù)制或增強，不增加攜帶列車位置信息等；轉(zhuǎn)發(fā)可采用無需解調(diào)和調(diào)制過程的直接轉(zhuǎn)發(fā)，也可以采用解擴、濾波、放大、擴頻調(diào)制的再生式轉(zhuǎn)發(fā)。列車向下行方向運行時，工作過程參見圖4。顯然，1#列車變?yōu)楹罄m(xù)列車，2#列車為前行列車。1#列車TC2司機室的防追尾裝置C2的測距單元2被設(shè)定為主動測距模式，工作頻點被設(shè)置成f3發(fā)射，f4接收。亦即TC2司機室上的防追尾裝置C2的測距單元2以主動測距模式，用頻點f3主動向2#列車發(fā)送射頻測距信號，用頻點f4接收前車轉(zhuǎn)發(fā)的信號。2#列車車尾的防追尾裝置C3的測距單元2工作在被動應(yīng)答模式，以f3頻點接收1#列車的射頻測距信號，以f4頻點向1#列車轉(zhuǎn)發(fā)。測距單元2的測距原理采用偽隨機碼射頻測距原理。位于所在運行方向的后車車頭的測距單元2使用具有一定長度和碼率的本地偽隨機碼，對射頻載波進行調(diào)制生成射頻信號，向?qū)?yīng)所在后車的前車車尾的測距單元2發(fā)送。后車車頭的測距單元2接收無線擴頻信號并向前車車尾轉(zhuǎn)發(fā)。后車車頭的測距單元接收該射頻轉(zhuǎn)發(fā)信號后，經(jīng)過下變頻和解調(diào)等處理，恢復(fù)射頻信號攜帶的偽隨機碼，稱為接收偽隨機碼。接收偽隨機碼和本地偽隨機碼完全相同，但存在一定的相位差，該相位差和射頻信號的傳輸延時存在直接對應(yīng)關(guān)系，亦即該相位差反映了射頻信號的傳輸距離。經(jīng)過對本地偽隨機碼的相位偏移補償，使得本地偽隨機碼與接收偽隨機碼的相位始終保持一致，產(chǎn)生相關(guān)峰值。該相位補償偏移量即代表射頻信號從本地至遠端來回的傳輸延時T，根據(jù)射頻信號在空氣中的傳輸速度C，測距單元之間的距離L可根據(jù)以下公式計算得出:L=(TXc)+2由于射頻信號在傳輸過程中容易受到多徑干擾、衰落等影響，導(dǎo)致接收信號的隨機起伏，影響測距的精度，因此測距單元2采用周期性連續(xù)測量，通過多次測量和取均值的方法，減少了測量誤差，提高了測距精度。根據(jù)偽隨機碼具有周期性的特點，測距單元每次接收到一幀完整的偽隨機碼，該偽隨機碼都與本地偽隨機碼形成一次相關(guān)峰值，得到射頻信號的傳輸延時的一個數(shù)據(jù)。由于射頻信號的傳輸速度遠遠大于列車的行駛速度，測距單元所用的偽隨機碼周期很短，完成一次測距所需時間< 2ms ;若列車車速取350km/h=0.097m/ms，則在一次測距過程中，列車走行0.097X2=0.194m，相對數(shù)十米的測距誤差要求，其影響可以忽略不計，因此可以近似認為測距過程中，列車處于靜止狀態(tài)，能在短時間內(nèi)進行多次射頻測距。參數(shù)輸入單元6以自動或人工方式獲取列車運行方向信息并實時傳送給控制單元3，用于輔助控制單元3設(shè)定測距單元2的工作模式和頻點。參數(shù)輸入單元6和列車相關(guān)設(shè)備連接，能夠自動獲取列車運行方向信息。所述列車相關(guān)設(shè)備，可以是列車先前所屬的固有設(shè)備，如司機室控制鑰匙、方向手柄等；也可以是為防追尾裝置而特別添加的設(shè)備，如各種類型的列車運行方向傳感裝置等。當列車運行至某些特殊區(qū)段或進行調(diào)車作業(yè)時，列車相關(guān)設(shè)備無法準確給出運行方向信息，參數(shù)輸入單元6也允許司機根據(jù)實際運營情況，手動輸入運行方向信息。制動輸出單元5是整個防追尾裝置和車輛制動系統(tǒng)的接口。制動輸出單元5接收控制單元3發(fā)出的制動邏輯命令，變換成車輛制動系統(tǒng)對應(yīng)的電氣指令或數(shù)據(jù)編碼指令。上述電氣指令一般指電氣行業(yè)常用標準模擬量信號，包括各種規(guī)格等級的電壓信號或電流信號等，而數(shù)據(jù)指令一般指制動系統(tǒng)的控制用數(shù)據(jù)編碼。控制單元3接收來自參數(shù)輸入單元6的列車方向信息，設(shè)定測距單元2的工作模式和射頻頻點；同時，控制單元3實時接收來自測距單元2的前后車距信息，并發(fā)送至示警單元4進行顯示，提供給司機參考；此外，控制單元3將實時車距數(shù)值和預(yù)定門限參數(shù)進行比較，若短于設(shè)定門限則向示警單元輸出示警信息，同時向制動輸出單元5發(fā)送制動邏輯命令。根據(jù)具體的列車運行需求，示警信息可以分為若干級別，分別對應(yīng)不同的追尾風險，為司機提供更豐富的行車參考信息?？刂茊卧?具有數(shù)據(jù)保存功能，定時將車距、示警、制動、運行方向、工作模式、頻點等信息保存到非易失性存儲器，保證斷電后不丟失信息，為設(shè)備維護提供原始數(shù)據(jù)。示警單元4采用聲光組合示警。一種典型的實施方式是將液晶顯示器、數(shù)碼管、指示燈等視覺器件和蜂鳴器、語音播放器等聽覺器材進行組合。采用聲光兩種組合構(gòu)成冗余，當其中一種器材失效時，只要另一種示警器材未同時失效，則示警單元4仍能維持示警功能。根據(jù)可靠性理論，兩種器材同時失效的概率遠小于一種器材的失效概率。因此所述的聲光組合示警有效地提高了示警單元4的可靠性。上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種軌道交通列車防追尾裝置，其特征在于:包括天線、與所述天線相連的測距單元、與所述測距單元相連的控制單元、分別與所述控制單元相連的示警單元和參數(shù)輸入單元; 所述測距單元采用偽隨機碼射頻測距的方法測量同一運行方向前后列車的車距；所述參數(shù)輸入單元獲取所在列車的運行方向信息并傳輸至所述控制單元；所述控制單元設(shè)定所述測距單元的工作模式和射頻頻點，比較列車車距是否安全，并向所述示警單元發(fā)送動作指令；所述示警單元顯示車距或者發(fā)出警示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌道交通列車防追尾裝置，其特征在于:所述天線為定向天線，且輻射波瓣的主瓣正對列車運行方向或反向，即安裝在列車前端的天線的主瓣指向列車運行方向，安裝在列車后端的天線的主瓣指向列車運行方向的反向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌道交通列車防追尾裝置，其特征在于:所述天線安裝在列車前端或者后端的司機室頂部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌道交通列車防追尾裝置，其特征在于:所述測距單元在位于車頭時工作于主動測距模式，向前車發(fā)送射頻測距信號；所述測距單元在位于車尾時工作于被動應(yīng)答模式，接收后車發(fā)送的射頻測距信號并向后車轉(zhuǎn)發(fā)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的軌道交通列車防追尾裝置，其特征在于:在被動應(yīng)答模式下所述測距單元轉(zhuǎn)發(fā)的信號僅為接收到的射頻測距信號的簡單復(fù)制或增強。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的軌道交通列車防追尾裝置，其特征在于:在被動應(yīng)答模式下所述測距單元轉(zhuǎn)發(fā)信號采取直接轉(zhuǎn)發(fā)或者再生式轉(zhuǎn)發(fā)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌道交通列車防追尾裝置，其特征在于:所述測距單元采用全雙工射頻通信，列車在不同股道使用不同的射頻頻點。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌道交通列車防追尾裝置，其特征在于:所述裝置還包括與所述控制單元相連的制動輸出單元，接收所述控制單元發(fā)出的制動邏輯命令，變換成車輛系統(tǒng)對應(yīng)的電氣指令或數(shù)據(jù)編碼指令。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌道交通列車防追尾裝置，其特征在于:所述示警單元為視覺器材和聽覺器材的組合。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種基于偽隨機碼射頻測距的軌道交通列車防追尾裝置，屬于軌道交通技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括天線、與天線相連的測距單元、與測距單元相連的控制單元、分別與控制單元相連的示警單元和參數(shù)輸入單元。測距單元采用偽隨機碼射頻測距的方法測量同一運行方向前后列車的車距；參數(shù)輸入單元獲取所在列車的運行方向信息并傳輸至控制單元；控制單元設(shè)定測距單元的工作模式和射頻頻點，比較列車前后車距是否安全，并向示警單元發(fā)送動作指令；示警單元顯示車距或者發(fā)出警示。本發(fā)明無需其他定位設(shè)備的支撐即可獲得精確的前后列車實時車距數(shù)據(jù)，輸出示警信息或制動指令，能夠有效地監(jiān)督前后列車的車距，防止發(fā)生追尾事故，提高了行車安全。
文檔編號B61L23/00GK103171595SQ20131007696
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月11日
發(fā)明者沈拓, 歐冬秀, 韋樂香, 袁志鵬 申請人:同濟大學(xué)