CN101554876B - 对称感应环线双向通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轨道交通信号系统，用于实现地面区控中心与车载ATP和ATO设备之间的双向通信，具体涉及一种对称感应环线双向通信系统，包括环线电缆、车载设备和地面设备，所述环线电缆沿着两根钢轨中心对称铺设，每隔一段距离具有一个交叉点，所述地面设备包括分别通过总线与区控中心相连的发送设备和接收设备，所述发送设备和接收设备之间设置有耦合变压器，所述耦合变压器的输出经馈电电缆连接到所述环线电缆的始端匹配装置。本发明通过所述变压器耦合电路信号传输距离延长了一倍，经过耦合抵消，所述变压器耦合电路接收到的从环线返回的信号经过所述滤波电路后，地对车的信号基本滤除，使车对地信号的信噪比大大提高。

Description

对称感应环线双向通信系统

技术领域

本发明涉及轨道交通信号系统，用于实现地面区控中心与车载ATP和ATO设备之间的双向通信，具体涉及一种对称感应环线双向通信系统。

背景技术

城市轨道交通信号系统中，轮轨铁路的数字轨道电路只能实现区控中心对车载ATP(Automatic Train Protection列车自动防护)设备的单方向信息传输，为了实现ATO(Automatic Train Operation列车自动运行)，必须在车站站台处增加车地双向通信设备，这种方案既增加了设备，且使系统更加复杂；而对于中低速磁悬浮或单轨列车，列车与轨道无接触，数字轨道电路不能使用。

交叉感应环线既能满足双向通信的要求，也能满足列车定位的要求，对轮轨铁路来说弥补了数字轨道电路不能传输车对地信息的不足，对中低速磁浮和单轨列车来说能起到数字轨道电路的通信和定位作用，且交叉感应环线受环境影响的因素较小，抗干扰性强。

现有的交叉感应环线采用不对称感应环线，该环线能除了实现车地双向通信和定位功能外还有测速功能，但其同时为了测速，环线交叉点距离比较小，对于长线路铺设比较麻烦，此外，发送和接收天线各仅有一个，发送和接收设备也仅有一套，当某一个设备损坏时整个系统将陷入瘫痪，车地间无法正常通信，这将严重影响运营，不适合运用于信号控制系统中。

发明内容

本发明克服了上述缺点，提供了一种线路铺设简单、安全可靠的对称感应环线双向通信系统。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种对称感应环线双向通信系统，包括环线电缆、车载设备和地面设备，所述环线电缆沿着两根钢轨中心对称铺设，每隔一段距离具有一个交叉点，两端分别设置有终端匹配设备和始端匹配设备，所述地面设备包括分别通过总线与区控中心相连的发送设备和接收设备，所述发送设备和接收设备之间设置有耦合变压器，所述耦合变压器的输出经馈电电缆连接到所述环线电缆的始端匹配装置，所述车载设备包括发送设备、发送天线、接收设备和接收天线，发送设备和接收设备通过总线连接车载ATP和车载ATO。

所述地面设备中的发送设备可包括相同的两路，两路发送设备和所述耦合变压器之间还设置有切换设备，控制两路发送设备中的一路送入所述耦合变压器。

所述耦合变压器还可连接有环线检测设备，所述环线检测设备将断线信息反馈给所述发送设备。

所述耦合变压器与馈电电缆之间还可设置有防雷设备。

所述室内设备中的发送设备与切换设备之间可具有模拟信号和方波切换信号两路通道，发送设备发出的模拟信号符合允许发送的要求时，向所述切换设备发出方波切换信号，所述切换设备根据所述方波信号对两路发送设备发出的模拟信号实现切换输入。

所述室内设备中的接收设备可为相同的两路，所述耦合变压器的输出端经过一滤波电路后分别连接两路接收设备。

所述车载设备中，所述发送设备、发送天线、接收设备、接收天线可分别为相同的两组，在两接收设备之间连接有交叉点提取设备。

所述车载设备中的天线可安装在车体下方正对环线的正上方30～160毫米，所述天线的线圈长度至少为300毫米。

所述车载设备中，两接收天线之间的间距可大于列车最大时速与信号每帧时间的乘积。

所述环线电缆每个环内的交叉点距离一致，且经交叉点分隔出的交叉区段数为偶数。

本发明通过所述变压器耦合电路使一路模拟信号，即FSK信号可以同时送给两个环线，使信号传输距离延长了一倍，经过耦合电路，可以把两路地对车的FSK信号相互抵消，所述变压器耦合电路接收到的从环线返回的信号经过所述滤波电路后，地对车的信号基本滤除，使车对地信号的信噪比大大提高。此外，在实现双向通信及定位的同时，每个设备都有冗余备份，环线设备有自检功能，并实时把状态发送给区控中心或ATP设备。而且线路上每个环线的长度，交叉距离和交叉点数是固定的，车载ATP和ATO只要对交叉点个数进行计数，就可以计算出列车的位置。

附图说明

图1为本发明的系统构成图；

图2为本发明中发送设备的信号连接图；

图3为发送设备的原理框图；

图4为本发明中环线检测滤波设备的原理框图；

图5为本发明中接收设备原理框图；

图6为本发明的环线铺设示意图；

图7为天线安装位置示意图；

图8为所述交叉点提取设备的结构示意图；

图9为所述交叉点提取设备输出的交叉点信号。

具体实施方式

如图1中所示，本发明包括地面设备和车载设备两部分。其中地面设备又包括轨旁室内设备，轨旁室外设备，所述轨旁室内设备主要是把区控中心的信息转换成FSK(Frequency Shift Keying移频键控)模拟信号，经过电缆输送到室外环线电缆上，同时对从环线电缆上接收到的车载信号进行解调，把解调出来的信息发送给区控中心，同时还能检测室外环线电缆的通断，当发现有故障时，通过通信总线把故障信息发送给区控中心；所述轨旁室外设备则把地对车的模拟信号从环线向车载设备传输，接收车对地的模拟信号，送给室内接收设备进行解调，同时给轨旁室内设备检测环线通断提供通道。所述车载设备包括电源，发送设备，接收设备，交叉点提取设备，发送天线和接收天线。

所述交叉感应环线负责把区控中心按照一定周期通过通信总线送来的列车控制信息发送给车载ATP和ATO设备，车载ATP和ATO设备收到控制信息后依照信息内容进行控车，并同时把车载的信息发送给区控中心；且本发明系统具有自检功能，当检测到故障时把故障信息通过通信总线发送给区控中心或车载ATP和ATO设备。

所述轨旁室内设备包括发送设备，切换设备，环线检测滤波设备，接收设备以及防雷设备。

所述发送设备如图2中所示，有两部分接口，分别是与区控中心连接的通信接口和模拟信号输出接口。发送设备按照规定协议与区控中心通信，当收到区控中心的控制信息后，使用DDS(Direct DigitalSynthesizer直接数字式频率合成器)芯片AD9832把控制信息转换成FSK模拟信号，把信号放大到需要的要求后，发送给所述切换设备，所述发送设备会对放大信号的载频，幅度和码率进行检测，只有这三个指标都同时满足的时候，才会向切换设备发送2路方波信号，切换设备根据方波信号切换输出；所述切换设备根据两个发送设备送来的2路方波切换信号，驱动切换继电器，利用继电器切换通过所述发送设备放大后的信号。所述发送设备对环线检测滤波设备发来的反馈信号进行检测，当发现没有反馈信号时，判定为环线断线，把断线信息放在状态数据里通过通信接口向区控中心汇报。如图3中所示，为发送设备的原理图，所述每个发送设备中包括2个CPU，每个CPU都接收所述区控中心的数据，其中CPU 1把两个CPU的处理的结果进行比较一致后才转换成FSK信号进行输出，而2个发送设备的输出同时值取一个，所以应该是两个发送设备作为冗余切换输出，当第一个发送设备故障后，自动切换到第二个发送设备输出，CPU发出的信号经功率放大器进行放大后，连接一个输出隔离变压器，利用变压器对信号进行耦合，隔离输出，变压器输出侧带抽头，用以匹配不同的输出阻抗。

环线检测滤波设备如图4中所示，包括环线检测电路、变压器耦合电路和滤波电路，主要功能是把FSK信号发送到对称环线上，从环线接收到的车对地信号经过滤波后送给接收设备，同时检测环线状态。经所述发送设备放大输出的信号，使用所述环线检测滤波设备中的变压器耦合电路所述变压器耦合电路使一路FSK信号可以同时送给2个环线，使信号传输距离延长了一倍，经过耦合电路，可以把2路地对车的FSK信号相互抵消，所述变压器耦合电路接收到的从环线返回的信号经过所述滤波电路后，地对车的信号基本滤除，使车对地信号的信噪比大大提高。

所述接收设备如图5中所示，也有2部分接口，分别是FSK模拟信号输入接口和通信总线输出接口。所述接收设备依次经隔离输入电路、滤波电路、解调电路和CPU，将解调出的有效的信息码，通过通信总线发送给区控中心。所述接收设备的隔离输入电路使用变压器隔离，滤波电路采用带通滤波每个接收设备使用2个CPU，2个CPU同时解调信息码，解调出的信息码一致后才允许发送给区控中心。

所述室外设备包括馈电电缆、始端匹配设备、终端匹配设备和环线电缆。所述环线电缆是连接在始端匹配设备和终端匹配设备之间，利用交叉感应环线实现车地设备间通信的直接通道，所述馈电电缆连接在所述室内设备中的防雷设备和室外设备中的始端匹配设备之间，是连接室内和室外设备的媒介；始/终端匹配设备有匹配变压器，匹配电容和匹配电阻，用以阻抗匹配，始/终端匹配设备的主要作用是保证环线内地对车信号的电流和车对地信号的输出电压足够大。所述始端匹配设备和终端匹配设备可采用已有的设备，这里对其具体结构不再赘述。

如图6中所示，所述环线电缆沿着两根钢轨中心对称铺设，图中1为交叉点，2为轨道中心线，3为环线匹配盒，包括始端匹配设备和终端匹配设备，6为环线交界，每个环线内的交叉点距离应保持基本一致，且经交叉点1分隔出的交叉区段数为偶数，这样外界干扰信号的影响最小。根据信息传输周期计算，车载设备能在一个交叉内连续收到2帧轮询帧的时间为0.57秒，连续收到3帧轮询帧的时间为0.82秒，在区间运行速度最高为150km/h时，环线交叉点距离可选择24～36米，在站台和道岔区段，环线交叉点距离可选择15～24米。

所述车载设备包括电源、发送设备、接收设备、交叉点提取设备、发送天线和接收天线，主要接收地对车的信号，解调后把信息送给ATP主机和ATO主机，同时把ATP和ATO送来的信息通过天线发送给地面环线。

所述电源是给所述发送设备、接收设备和交叉点提取设备提供可靠、稳定、纯净的48V直流电源的设备，两个电源输出独立，不会互相影响。

所述车载设备中的发送设备与地面设备中的发送设备类似，只是发送的FSK信号频率和放大输出的匹配变压器不一样。所述发送设备接收到的ATP和ATO信息同样需要经过2个CPU的比较一致后才能转换为FSK信号，经过放大后输出给发送天线。

所述车载设备中的接收设备硬件与地面设备中的接收设备一样，接收到有效信号后解调出有效信息码，2个CPU对信息码进行比较，一致后才发送给ATP和ATO；对交叉点提取设备送来的交叉点信号进行分析，确定是交叉点后通知发送设备切换发送，同时根据解调出来的有效信息码内的环线号，确定是否环线边界，如果确定环线边界则通知发送设备切换发送。

所述发送天线使用串联谐振原理，工作时线圈内电流最大，接收天线使用并联谐振原理，工作时线圈内的电压最大。感应线圈，谐振电容和匹配电阻均整合在一个方形的盒子里，只要接上就能使用，不需要外接元件进行调谐匹配。

除交叉点提取设备之外的各设备都具有两组，设置2个发送天线是为了解决1个发送天线停在环线交叉点时无法向下发送信号的问题，设置2个接收天线是为了提取过环线交叉点信号，提供给ATP主机进行距离校正，以及过交叉点时不丢失地面发送的数据帧。天线安装在车体下方正对环线的正上方30～160毫米，天线线圈的长度为300毫米，即使车体横向摆动距离超过100毫米，线圈也能跨在环线上方，不会造成接收不到信号的情况。

如图7中所示，为天线安装位置示意图，四个天线交叉安装，图中R1、R2分别表示两接收天线，T1、T2分别表示两发送天线，箭头方向为列车行进方向，当过交叉点或环线边界时，要保证R1或者R2至少一个能够接收到完整的一帧，这样就要求R1和R2的距离要大于列车最大速度乘于1帧的时间。例如列车最大速度为150km/h(41.67m/s)，每帧时间为70ms，那么R1和R2的距离要大于41.67×0.07×1＝2.92米。这样才能保证在最恶劣的条件，当交叉点位于R1和R2之间时，列车以最大速度行驶时，地面设备开始发送一帧时，R1或者R2至少一个能够接收到完整的一帧数据。

如图8所示为所述交叉点提取设备的结构示意图，两路接收天线分别经隔离输入电路和滤波电路将接收到的信号滤除杂散的干扰后，分别输入到交叉点提取设备中，两个天线分别在交叉点两侧时，2个接收天线的信号互为反相，经过一定处理是高电平，待2个接收天线都通过了交叉点后，2个接收天线的信号同相，经过处理电路后是低电平，因此2个接收天线在经过交叉点时，交叉点提取设备会输出一个高电平的方波。交叉点提取设备提取出的交叉点信号，同时提供给两个接收设备、ATP主机和ATO主机。

每套环线地面设备向车载设备发送的数据帧里都包含有一个唯一的环线号，用以区分线路上不同的环线区段，当接收天线跨过环线边界时，车载上的接收设备解调的信息码内环线号会发生变化，可以以此判断过环线边界，过环线边界可以给ATP和ATO提供绝对定位条件。交叉点提取设备输出的交叉点信号，如图9中所示，上升沿表示接收天线R1跨过了交叉点，下降沿表示接收天线R2也跨过了交叉点，每输出一个方波说明列车经过一个交叉点，图中t1为列车走过R1和R2间距离的时间，t2为列车走过一个环线交叉距离的时间。线路上每个环线的长度，交叉距离和交叉点数是固定的，车载ATP和ATO只要对交叉点个数进行计数，就可以计算出列车的位置，精度是一个交叉距离，车载设备把交叉点计数通过天线发送给区控中心，区控中心就可以根据交叉点数计算出列车的位置。

交叉感应环线的物理通道只有一个，即地对车的信号和车对地的信号共同存在于环线通道内，所述车载设备有2个发送天线，由于通道的唯一性，所以2个发送天线不能同时发送信号，而需要一种机制调度2个发送天线进行发送车对地的信号。

初始状态是使用发送天线T2在发送信号，当R1经过了交叉点，交叉点提取板输出一个高电平，此时T1也已过了交叉点，接收设备1通知发送设备1允许发送信号，切换到T1发送信号；当R2也经过了交叉点，交叉点提取板输出一个低电平，此时T2也已过了交叉点，接收设备2通知发送设备2允许发送信号，切换到T2发送信号。

当过环线边界时，R1先过边界，接收设备1检测到环线号发生变化，通知发送设备1允许发送信号，切换到T1发送信号；当R2也经过了环线边界，接收设备2检测到环线号发生变化，通知发送设备2允许发送信号，切换到T2发送信号。

以上对本发明所提供的对称感应环线双向通信系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种对称感应环线双向通信系统，包括车载设备和地面设备，其特征在于：

所述地面设备包括轨旁室内设备和轨旁室外设备：

所述轨旁室内设备包括分别通过总线与区控中心相连的2个发送设备和2个接收设备、切换设备和环线检测滤波设备；

所述轨旁室内设备的发送设备中的两个CPU同时接收所述区控中心的数据，将两个CPU的数据比较一致后输出移频键控信号FSK信号，经过所述切换设备发送到所述环线检测滤波设备；所述环线检测滤波设备将该信号通过所述轨旁室外设备的馈电电缆和始端匹配设备送到环线上，同时接收轨旁室外设备环线上车载设备的发送设备所发送的车对地信号并送给轨旁室内设备的接收设备；所述轨旁室内设备的接收设备的两个CPU同时接收并解调车对地信号，并在比较一致后发送至区控中心；

所述轨旁室外设备包括馈电电缆、始端匹配设备、终端匹配设备和环线电缆，所述环线电缆沿着两根钢轨中心对称铺设，每隔一段距离具有一个交叉点，两端分别设置有终端匹配设备和始端匹配设备；每个环线内的交叉点距离保持一致，经交叉点分隔出的区段数为偶数；

所述车载设备包括两路相同的发送设备、发送天线、接收设备和接收天线，以及交叉点提取设备，所述发送设备和接收设备通过总线连接车载ATP和车载ATO；

所述车载设备的发送设备中设有两个CPU，当接收到ATP和ATO的信息时，比较一致后转换为FSK信号输出至所述发送天线；所述车载设备的接收设备中设有两个CPU，同时接收并解调地对车信号，并在比较一致后发送至所述车载ATP和车载ATO。

2.根据权利要求1所述的对称感应环线双向通信系统，其特征在于：所述切换设备设置于所述轨旁室内设备的两路发送设备和所述环线检测滤波设备之间，控制两路发送设备中的一路送入所述环线检测滤波设备。

3.根据权利要求1所述的对称感应环线双向通信系统，其特征在于：环线检测滤波设备包括：耦合变压器电路、环线检测电路和滤波电路；所述环线检测设备将断线信息反馈给所述轨旁室内设备的发送设备。

4.根据权利要求3所述的对称感应环线双向通信系统，其特征在于：所述耦合变压器电路的输出有两路信号，分别经馈电电缆输出给两个环线，所述耦合变压器电路与馈电电缆之间还设置有防雷设备。

5.根据权利要求2所述的对称感应环线双向通信系统，其特征在于：所述轨旁室内设备中的发送设备与切换设备之间具有模拟信号和方波切换信号两路通道，所述轨旁室内设备中的发送设备发出的模拟信号符合允许发送的要求时，向所述切换设备发出方波切换信号，所述切换设备根据所述方波切换信号对两路发送设备发出的模-拟信号实现切换输入。

6.根据权利要求3所述的对称感应环线双向通信系统，其特征在于：所述耦合变压器电路提取室外环线上车载设备的发送设备发送的信号，经过所述滤波电路后分别连接所述轨旁室内设备中的两路接收设备。

7.根据权利要求1～5中任一项所述的对称感应环线双向通信系统，其特征在于：所述车载设备中的天线安装在车体下方正对环线的正上方30～160毫米，所述天线的线圈的长度至少为300毫米。

8.根据权利要求1～5中任一项所述的对称感应环线双向通信系统，其特征在于：所述车载设备中，两接收天线之间的间距大于列车最大时速与信号每帧时间的乘积。

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