CN103171596A - 一种轨道交通列车的防撞预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种轨道交通列车的防撞预警方法，属于轨道交通列车自动控制领域。该方法包括以下步骤：（1）建立用于列车间测距的通信；（2）列车间通过无线信号传输与接收进行列车间距离检测估计；（3）判断列车间安全距离；（4）预警和处理。该方法能适应多种环境及地形地貌下的轨道交通线路环境，能够独立于现有的列车控制系统且不受现有控制系统的限制和影响，而且可以有效提高和监督现有系统的提供的列车安全运行情况，在外界环境发生突发事件导致列车运行控制系统异常这一极端情况发生时，可作为现有运行控制系统的额外补充成为驾驶员及调度员的辅助系统，避免出现追尾的事故从而有效地提高轨道交通的系统安全。

Description

一种轨道交通列车的防撞预警方法

技术领域

本发明属于轨道交通列车自动控制领域，涉及一种完全独立于现有轨道交通运行控制系统的列车追尾的防撞预警方法。

背景技术

随着高速铁路以及城市轨道交通的发展，列车自动控制（ATC）系统能非常有效地保障列车的安全高效运行，避免轨道车辆碰撞等安全事故的发生。目前的轨道交通运行控制系统一般包括车载子系统、地面子系统及控制中心子系统，各子系统通过数字通信系统相连，且各子系统要求配合的环节多，内部结构庞大且功能也相对复杂，列车在运行过程中需要依赖通信网络及各子系统协同工作。庞大的ATC系统在受到恶劣自然环境（比如雷电）、突发外部强电磁干扰、操作失误或设备缺陷等因素的影响时可能会使得列车控制超出安全控制范围等极端情况的出现，从而可能会造成整个系统出现控制异常，甚至发出错误控制信息，进而导致行车安全事故如列车冲突碰撞的发生。因此，非常有必要建立一套完全独立于原有ATC系统以外的列车防撞系统，为列车的安全运行增加另一重额外保护，这对于列车的运行安全具有重要意义。

目前国内外独立于广泛应用的常规轨道交通运行控制系统外的用于列车安全的列车防撞的相关授权专利有2个：一个是申请号为ZL200810069263.2的发明“列车事故预警及防撞系统”，该系统首先需要获得列车的位置、速度等相关信息，然后对其进行广播同时也接收其他列车的广播信息，最后对接收到的信息进行处理并检测是否存在碰撞；另一个为申请号为ZL201120280339.3的实用新型专利“高速列车防撞击防尾追安全装置”，该装置采用图像识别技术进行前车、异物及断轨检测进而防撞。前者需要全球卫星导航系统（即Global NavigationSatellite System，英文简称GNSS）的卫星信号、里程计和涡流传感器等测量值进行融合获得列车位置速度信息，同时还需要基于轨道网络的电子地图进行定位才能分析是否存在碰撞的可能性。后者需要安装在列车上的图像采集设备进行检测，其范围有限，可能会远远低于高速列车的安全制动距离，导致其适用范围相对有限进而影响其推广使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用射频信号的特征检测轨道交通网络中同向运行列车间距离并实现列车防撞预警的处理方法。

为了达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种轨道交通列车的防撞预警方法，包括以下步骤：

（1）建立用于列车间测距的通信；

（2）列车间通过无线信号传输与接收进行列车间距离检测估计；

（3）判断列车间安全距离；

（4）预警和处理。

所述步骤（1）包括：

（11）根据列车的运行方向，选择规定运行方向的频段，其中相同运行方向的列车使用相同的频段；

（12）同向列车的通信方式为基于射频的双工通信方式，其中同向列车的发送和接受分别选择不同的特征序列，向前车发送的特征序列称为前向特征序列，向后车发送的特征序列称为后向特征序列。

所述步骤（12）中的特征序列为伪随机序列。

所述特征序列的长度根据系统应用场景、安全距离、以及芯片处理能力来综合配置。

所述步骤（2）包括：

（21）同一运行方向的前后列车间，后车车头发送所在方向的前向特征序列给前车，同时不断检测所述前车反馈回来的同一方向的后向特征序列；前车车尾不断检测后车发来的同一方向的前向特征序列，在接收到所述前向特征序列时向后车发射所在方向的后向特征序列；

（22）在t₁时刻，后车发送所在方向的前向特征序列；当前车检测到后车发来的所在方向的前向特征序列后，立即反馈所在方向上的后向特征序列，后车记录检测到的所述方向上的后向特征序列的时刻t₂，以此为一个检测周期；

（23）经过N个周期后，记录后车检测到所在方向的后向特征序列的时刻为t'₂，则前后列车间的距离为：

L＝C*(t'₂-t₁)(2N)

其中，L为前后列车的间距，单位为米；C为光速，单位为米/秒；N根据安全距离及序列码片长度来设置；

（24）在计算两车距离的同时，两车继续不断地检测所在方向的后向序列和发送所在方向的前向序列。

所述步骤（12）中产生特征序列的步骤为：

（1）确定序列长度，产生码序列；

（2）对所述码序列进行复数映射。

所述复数映射采用的方法为正交相移键控调整映射。

所述检测特征序列的方法为：

（1）采用匹配滤波的方法判断特征序列，利用下述公式将接收端从发送端接收到的信号与本地的信号做滑动相关：

${\hat{R}}_{\mathrm{XS}}\left(v\right)=\left\{\begin{array}{cc}\underset{n=0}{\overset{I-v-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{X}_{n+v}\&times;S_n^{*}& v\&GreaterEqual;0\\ {\hat{R}}_{\mathrm{SX}}^{*}(-v)& v<0\end{array}\right.$

其中：

表示本地特征序列的共轭转置的第n个符号；I表示特征序列的长度；X_n+v则表示上述特征序列经过信道后，在接收端收到的数值；v表示做互相关的时候，接收到的序列X_n+v和本地特征序列的偏移；

表示的是本地特征序列和接收到的X_n+v互相关后的线性值；

（2）设置噪声门限；当所述线性值高于或者等于所述噪声门限时，判断存在待测的特征序列；当所述线性值低于噪声门限时，判断不存在待测的特征序列。

所述设置噪声门限的方法为：

（1）发送端不发送任何序列，接收端用本地序列与接收到的信号做相关，得到相关的结果取平均值，则是噪声功率，即所述噪声门限的下限；

（2）发射功率不变，在发射端距离接收端最大可识别距离的时候，接收端用本地序列与接收到的信号做相关，得到的相关值的最大峰值，即所述噪声门限的上限；

（3）将噪声门限值配置在上述上限和下限之间

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：本发明针对现有技术包括卫星定位、图像识别、应答测距、电磁波防撞雷达等技术手段用于列车防撞的不足，提出一种基于射频通信及测距方式的列车防撞预警的处理方法，该方法能适应城市、农村、平原、山区等多种环境及地形地貌下的轨道交通线路环境，能够独立于现有的列车控制系统且不受现有控制系统的限制和影响，而且可以有效提高和监督现有系统的提供的列车安全运行情况，在外界环境发生突发事件导致列车运行控制系统异常这一极端情况发生时，可作为现有运行控制系统的额外补充成为驾驶员及调度员的辅助系统，避免出现追尾的事故从而有效地提高轨道交通的系统安全。

附图说明

图1本发明实施例中列车防撞预警方法的框图；

图2本发明实施例的列车测距通信方式在列车上行和下行运行时的对照示意图；

图3本发明实施例中基于特征序列的车间距离检测方法示意图；

图4a本发明实施例中基于序列检测的车间距离计算方法流程图之一；

图4b本发明实施例中基于序列检测的车间距离计算方法流程图之二；

图5本发明实施中根据无线电波实际的发送和反馈周期以及时间差计算列车间距示意图；

图6本发明实施例的特征序列示例；

图7a本发明实施例中采用射频伪随机序列方式时在多径和噪声环境下序列长度为200时的滑窗匹配效果图；

图7b本发明实施例中采用射频伪随机序列方式时在多径和噪声环境下序列长度为2000时的滑窗匹配效果图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

本发明针对现有技术包括卫星定位、图像识别、应答测距、电磁波防撞雷达等技术手段用于列车防撞的不足，提出一种基于射频通信及测距方式的列车防撞预警方法，该方法包括图1所示的以下四个步骤：

（1）上下行列车间建立用于测距的通信；

（2）进行基于特征序列的车间间距检测；

（3）进行列车安全间距的判别；

（4）报警及处理。

其中，步骤（1）主要包括以下处理过程：

（11）射频工作频率的选择：列车可采用车次号、多普勒雷达等方式判断列车的运行方向，再根据运行方向自动选择规定运行方向的频段。其中，相同运行方向的列车使用相同的频段，比如上行用频段F_u，下行用频段F_d。

（12）同向列车双工通信方式及特征序列的选择：同一运行方向上前后列车间距离的检测采用基于射频无线电波路径传播时延的方式进行，故前后列车双向通信包括前车发后车收和后车发前车收。这样同一列车一发一收的双工通信方式可选择频率复用双工方式或时分复用双工方式。为避免不同方向的列车相互干扰，不同方向列车的发送和接收分别选择不同的特征序列（这里采用伪随机序列），如上行发送接收分别选择特征序列对S1/S2，下行发送接收分别选择特征序列对S3/S4，如图2所示。图2中，A为上行方向上的前车，B为上行方向的后车；a为下行方向的前车，b为下行方向的后车。A与B向上行方向发送前向序列特征S1，向相反的方向发送后向序列特征S2。a与b向下行方向发送前向序列特征S3，向相反方向发送后向序列特征S4。

步骤（2）中，后车车头的射频模块采用定向天线，发送信号给前车；前车车尾的射频模块负责接收后车车头发来的信号；前车车尾的射频模块收到后车发的信号后，立刻发出响应，给后车反馈一个信号；后车收到该反馈信号后，根据发送和接收信号的时间差，算出两车的距离L。如图3所示为基于特征序列的列车间距检测及处理结构组成示意图，从中可以看出在进行列车间距检测时，该过程需要用到四个模块。对于发送的特征序列首先需要产生特征序列并对其进行复数映射的模块；在检测特征序列时需要匹配滤波模块；对于距离的计算需要一个计算模块，其中通过高分辨率计数器对发送和接收特征序列的时刻进行监控；对于特征序列的发送和接收，需要有一个模块使得特征序列在射频经过数模转换以及上变频后通过射频天线发送出去，在射频天线接收后通过射频的下变频和模数转换得到。

步骤（3）中，假设两车的安全距离为D_S米，如果车辆间距离L小于等于安全距离D_S，则后车自动报警。其中D_S取值针对具体的列车车型，具体的线路特征，具体的限速要求可有所区别。

对于上述步骤（2）中基于特征序列来检测估计列车间距，在上下行方向上所采用的方法是一致的，如图4和图5所示以上行方向为例。其中A为前车，B为后车，其距离检测估计的具体方法如下：

前车A的车头射频模块向前方方向，采用定向天线或者其他有方向性的发送天线，发送上行方向的前向特征序列S1（即伪随机序列）给前面的车，同时射频模块不停的检测前面的车可能反馈回来的上行方向的后向特征序列S2。列车A的车尾射频模块不停的检测后方列车可能发来的上行方向的前向特征序列S1。

同样的，后车B的车头射频模块向前方方向，采用定向天线或者其他有方向性的发送天线，发送上行前向特征序列S1给前面的车，同时射频模块不停地检测前面的车可能反馈的上行方向后向特征序列S2，列车B的车尾射频模块不停地检测后方方向上可能发来的上行方向的前向特征序列S1。

在t₁时刻，后车B发送了上行方向的前向特征序列S1，当前车A的尾部的射频模块检测到后车B发来的上行方向的前向特征序列S1后，立刻启动反馈特征序列S2，反馈特征序列S2给后车B。在t₂时刻，后车B的车头射频模块检测到前车A反馈的上行方向的S2后，利用（t₂-t₁）的时间差，根据无线传播的速度，计算出列车A和列车B的距离，即：

L＝C*(t₂-t₁)/2

其中，L为列车A和列车B的间距，单位为米；C为光速，单位为米/秒（m/s）。

由于实际上在上述过程中，前后两个列车的距离在变化，以及处理模块的误差，因此会存在一个时间误差。为了降低这个时间误差的影响，可以采用如图5所示的多次测量取平均值的方法，即后车B车头部发送S1后，前车A车尾部检测到S1，立刻反馈S2，后车B车头部检测到S2，则为一个检测周期。B车头部检测到S2后，立刻再次发送S1，如此重复多次，直到B车头部在t'₂时刻检测到S2，经过了N个周期，则计算出列车A和列车B的距离为：

L＝C*(t'₂-t₁)/(2N)

其中，C为光速，单位为米/秒（m/s）。

上述周期N可根据安全距离D_S及序列码片长度来设置；时刻t₁、t₂及t'₂可由在图3子模块“计算距离”中的高分辨率计数器完成。

在计算两车间距L的同时，继续重复检测S2和发送S1。这样，如果距离L大于安全距离D_S，可反馈检测的距离结果并继续检测；如果L小于等于安全距离D_S，则后车B自动报警。

该发明中，在选择特征序列时，序列长度可根据实际需要设定，如根据系统应用场景、安全距离以及芯片处理能力来综合配置。扩频序列类型为复数伪随机序列，可由Gold码或者M序列生产，也可为其它伪随机序列。

以M序列为例，M序列的本原多项式可以是附图6中所列；上述代数式只是M序列的一部分，比如5个移位寄存器，则有6个可用的M序列，即6个代数式，可以得到6个长度为31的M序列。由上述代数式产生M序列后,比如产生的长度为2⁵-1的6个M序列。由相同长度的不同的代数式产生不同的M序列，分配给S1、S2、S3、S4用做上下行、前后向的特征序列。实际使用中，由于上下行以及前后向可以使用不同的频点，比如收发不是同频的，上下行不是同频的，则S1、S2、S3、S4可以使用相同的M序列。

M序列产生后，对序列进行复数映射，映射到实部和虚部两路，比如按照正交相移键控（英文简称为QPSK）调制映射，映射的表达式为：

$M_i=(m_i\&times;2-1)\&times;{\left(\sqrt{-1}\right)}^i,i=0,...,I-1$

其中：I为m序列长度，m表示映射前的m序列，M表示映射到实部和虚部两路后复数的m序列。

本发明在进行两车间距检测估计时，特征序列判断采用匹配滤波的方法，接收端将信号与本地特征序列做滑动相关，当有信号的时候，则可以匹配出一个高于噪声门限的峰值，如果没有特征序列，则匹配后的结果在噪声门限以下。这里匹配滤波采用如下互相关函数：

${\hat{R}}_{\mathrm{XS}}\left(v\right)=\left\{\begin{array}{cc}\underset{n=0}{\overset{I-v-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{X}_{n+v}\&times;S_n^{*}& v\&GreaterEqual;0\\ {\hat{R}}_{\mathrm{SX}}^{*}(-v)& v<0\end{array}\right.$

其中：

表示本地特征序列S1、S2、S3、S4的共轭转置的第n个符号；I表示特征序列的长度；X_n+v则表示上述特征序列经过信道后，在接收端收到的数值；v表示做互相关的时候，接收到的序列X_n+v和本地特征序列的偏移；

表示的是本地特征序列和接收到的X_n+v互相关后的线性值。这里如果v=0，则对应的相关峰值是最大的，此时是最佳匹配值，也就是最准确有效的检测时刻。

发送端和接收端都是S1或者S2序列，比如后车B发出S1，则前车A的尾部射频模块不断地接收数据，将接收到的数据与本地的S1特征序列做滑动相关，当有S1信号的时候，则可以利用上述互相关函数匹配出一个高于或等于噪声门限的峰值，如附图7a所示，图7a为序列长度为200时的滑窗匹配效果图；如果没有S1特征序列，则匹配后的结果基本上在噪声门限以下，如图7b，图7b所示为序列长度为2000时的滑窗匹配效果图。S2的检测方法与S1相同。

通过上述分析可知在检测信号的时候，需要有一个噪声门限。若噪声门限太大，则会漏检；若噪声门限太小，则会虚检。该噪声门限可以根据实际测试的情况调整，其选取方法如下：

（1）发送端不发送任何序列，接收端用本地序列与接收到的信号(即噪声)做相关，得到相关的结果取平均值，则是噪声功率，这是噪声门限的下限值。

（2）发射功率不变，在发射端距离接收端最大可识别距离的时候，接收端用本地序列与接收到的信号做相关，得到的相关值的最大峰值。为了增大准确度，可以多做几次取峰值的平均值，得到噪声门限的上限值。

（3）将噪声门限配置在上述上限值和下限值之间。

在上述过程中，噪声功率的估计也在不停的估算，且与历史值做平滑滤波。

该方法中，序列时间在长度小于(安全距离+芯片处理时间)/电波传播速度的情况下越长越好。图7a和图7b分别是序列长度选择为200及2000时的匹配效果。

本发明的轨道交通列车的防撞预警方法能适应城市、农村、平原、山区等多种环境及地形地貌下的轨道交通线路环境，能够独立于现有的列车控制系统且不受现有控制系统的限制和影响，而且可以有效提高和监督现有系统的提供的列车安全运行情况，在外界环境发生突发事件导致列车运行控制系统异常这一极端情况发生时，可作为现有运行控制系统的额外补充成为驾驶员及调度员的辅助系统，避免出现追尾的事故从而有效地提高轨道交通的系统安全。此外，本发明同样适用于类似轨道交通网络运行模式的交通工具，如船舶等中。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轨道交通列车的防撞预警方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）建立用于列车间测距的通信；

（2）列车间通过无线信号传输与接收进行列车间距离检测估计；

（3）判断列车间安全距离；

（4）预警和处理。

2.根据权利要求1所述的轨道交通列车的防撞预警方法，其特征在于：所述步骤（1）包括：

（11）根据列车的运行方向，选择规定运行方向的频段，其中相同运行方向的列车使用相同的频段；

（12）同向列车的通信方式为基于射频的双工通信方式，其中同向列车的发送和接受分别选择不同的特征序列，向前车发送的特征序列称为前向特征序列，向后车发送的特征序列称为后向特征序列。

3.根据权利要求2所述的轨道交通列车的防撞预警方法，其特征在于：所述步骤（12）中的特征序列为伪随机序列。

4.根据权利要求2所述的轨道交通列车的防撞预警方法，其特征在于：所述特征序列的长度根据系统应用场景、安全距离、以及芯片处理能力来综合配置。

5.根据权利要求1所述的轨道交通列车的防撞预警方法，其特征在于：所述步骤（2）包括：

（21）同一运行方向的前后列车间，后车车头发送所在方向的前向特征序列给前车，同时不断检测所述前车反馈回来的同一方向的后向特征序列；前车车尾不断检测后车发来的同一方向的前向特征序列，在接收到所述前向特征序列时向后车发射所在方向的后向特征序列；

（22）在t₁时刻，后车发送所在方向的前向特征序列；当前车检测到后车发来的所在方向的前向特征序列后，立即反馈所在方向上的后向特征序列，后车记录检测到的所述方向上的后向特征序列的时刻t₂，以此为一个检测周期；

（23）经过N个周期后，记录后车检测到所在方向的后向特征序列的时刻为t′₂，则前后列车间的距离为：

L＝C*(t'₂-t₁)/(2N)

其中，L为前后列车的间距，单位为米；C为光速，单位为米/秒；N根据安全距离及序列码片长度来设置；

（24）在计算两车距离的同时，两车继续不断地检测所在方向的后向序列和发送所在方向的前向序列。

6.根据权利要求2所述的轨道交通列车的防撞预警方法，其特征在于：所述步骤（12）中产生特征序列的步骤为：

（1）确定序列长度，产生码序列；

（2）对所述码序列进行复数映射。

7.根据权利要求6所述的轨道交通列车的防撞预警方法，其特征在于：所述复数映射采用的方法为正交相移键控调整映射。

8.根据权利要求5所述的轨道交通列车的防撞预警方法，其特征在于：所述检测特征序列的方法为：

（1）采用匹配滤波的方法判断特征序列，利用下述公式将接收端从发送端接收到的信号与本地的信号做滑动相关：

${\hat{R}}_{\mathrm{XS}}\left(v\right)=\left\{\begin{array}{cc}\underset{n=0}{\overset{I-v-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{X}_{n+v}\&times;S_n^{*}& v\&GreaterEqual;0\\ {\hat{R}}_{\mathrm{SX}}^{*}(-v)& v<0\end{array}\right.$

其中：

表示本地特征序列的共轭转置的第n个符号；I表示特征序列的长度；X_n+v则表示上述特征序列经过信道后，在接收端收到的数值；v表示做互相关的时候，接收到的序列X_n+v和本地特征序列的偏移；

表示的是本地特征序列和接收到的X_n+v互相关后的线性值；

（2）设置噪声门限；当所述线性值高于或者等于所述噪声门限时，判断存在待测的特征序列；当所述线性值低于噪声门限时，判断不存在待测的特征序列。

9.根据权利要求8所述的轨道交通列车的防撞预警方法，其特征在于：所述设置噪声门限的方法为：

（1）发送端不发送任何序列，接收端用本地序列与接收到的信号做相关，得到相关的结果取平均值，则是噪声功率，即所述噪声门限的下限；

（2）发射功率不变，在发射端距离接收端最大可识别距离的时候，接收端用本地序列与接收到的信号做相关，得到的相关值的最大峰值，即所述噪声门限的上限；

（3）将噪声门限值配置在上述上限和下限之间。

Images