CN103192852A - 一种地铁列车防撞预警装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地铁列车防撞预警装置及其方法。装置包括RFID标签和车载设备，所述RFID标签按照设定间距设置在地铁轨道上，每辆地铁列车设置一个车载设备；所述车载设备包括计算及控制模块，以及与计算及控制模块连接的标签阅读器、惯导设备和无线收发设备。采用轨旁RFID标签和惯导设备联合定位，能够连续精确地获取本车的实时位置信息；采用双频无线收发设备与相邻列车进行通信，抗干扰效果好；能够独立计算出与相邻列车间的距离，并给出报警信号，自动化程度高；系统能够提供精确的列车定位信息，可用于列车调度管理。本发明可广泛用于地铁列车的行车安全预警，降低碰撞风险，实现安全运行。

Description

一种地铁列车防撞预警装置及其方法

技术领域

本发明涉及地铁列车运行安全领域，具体是一种地铁列车防撞预警装置及其方法。

背景技术

地铁是现代城市交通的重要组成之一，其运行安全性是非常重要的，一旦发生重大事故将直接影响到生命和财产安全。由于地铁列车运行环境复杂，列车运行速度高，间隔距离变化大，因此需要选择合适的技术手段来实现地铁列车的精确定位和防撞预警功能。

目前国内外地铁运行大多采用基于通信技术的列车运行控制系统（CBTC系统），通过建立车地之间连续、双向、高速的通信，使列车命令和状态可以在车辆和地面之间进行实时可靠的交换，并确定列车的准确位置及列车间的相对距离，保证列车的安全间隔，但是其存在的不足为：列车运行依赖地面调度中心控制，一旦调度中心发生设备故障或调度错误，由于列车司机和车载控制设备无法获取同轨运行的其它车辆位置信息，相互靠近的列车之间就可能引发安全事故；通信网络大多采用2.4GHz开放频段组建，而目前大多无线设备如Wi-Fi等均采用这一频段，其信号易受到干扰，影响列车安全运行。

文献1：轨道车辆防撞预警系统（CN102700570A，申请日2012.05.22）公开了一种根据轨道车辆的定位信息以及参数选择开关输入的运行信息，独立地计算出两车间的距离实现轨道车辆的防撞预警，但是由于地铁列车长时间运行在地下隧道，且线路上有上下起伏坡度和弯道，卫星定位技术在地下无法定位。

文献2：基于声回波探测的列车防撞系统及其防撞方法（CN102765409A，申请日2012.08.15）根据声波发射装置与声波接收装置之间的收发时差，计算列车之间的间距，根据结果判断列车碰撞的风险，但是该方法受声波传播速度的限制。

文献3：基于主动定位技术的地铁列车追踪接近预警系统（CN202463845U，申请日2012.03.16）使用单一信标辅助定位技术实现列车追踪接近预警，但是定位精度受信标安装密度的影响，定位数据为离散型，不能实时获取列车连续的位置等。

综上所述，现有独立的列车防撞技术基于卫星定位、基于毫米波雷达、基于声波、基于信标辅助定位等技术存在以下缺点：在地下无法定位，直线探测距离无法满足预警的要求，且运行环境（地下、高架等）的适应性存在局限，受监测信号传播速度限制，不能实时获取列车连续的位置等，因此现有独立防撞技术难以有效发挥作用，不能很好的避免列车运行事故发生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种定位准确、预警可靠的地铁列车防撞预警装置及其方法，能够实时自动定位列车位置，判断与同轨相邻列车的距离，给出预警信号，使列车安全运行。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种地铁列车防撞预警装置，包括RFID标签和车载设备，所述RFID标签间隔设置在地铁轨道上，每辆地铁列车的头部设置一个车载设备；所述车载设备包括计算及控制模块、标签阅读器、惯导设备和无线收发设备；且标签阅读器、惯导设备和无线收发设备分别与计算及控制模块相连。

本发明的地铁列车防撞预警装置，所述计算及控制模块包括嵌入式处理器，以及与该嵌入式处理器相连接的电源模块、复位电路模块、时钟模块、调试接口模块、第一通信接口模块、第二通信接口模块和第三通信接口模块；所述第一通信接口模块与标签阅读器相连，第二通信接口模块与惯导设备相连，第三通信接口模块与无线收发设备相连。所述无线收发设备采用双频设计。

一种地铁列车防撞预警方法，包括以下步骤：

步骤1、系统上电，完成初始化：通过卫星定位和精密地图获取各个RFID标签所在的位置信息，并存储于对应位置的RFID标签中；设置相邻列车之间的安全距离为l0；

步骤2、列车运行到RFID标签所在位置时，标签阅读器获取该RFID标签存储的位置信息并发送给计算及控制模块，由计算及控制模块输出给惯导设备，利用该位置信息对惯导设备计算的列车位置信息进行修正，得到列车实时位置信息；

步骤3、惯导设备将列车实时位置信息输出给计算及控制模块；

步骤4、无线收发设备通过两个无线频段同步发送和接收信息帧数据：计算及控制模块控制无线电收发设备对外广播发送本列车的实时位置信息，同时无线收发设备接收其它列车发送的实时位置信息给计算及控制模块；

步骤5、计算及控制模块对双频接收的实时位置信息进行判断，剔除受干扰的错误数据，获取列车正确的实时位置信息；

步骤6、计算及控制模块根据本列车与相邻列车的实时位置信息，判断列车间的距离l，如果l≥l₀，不做任何处理；如果l＜l₀，给出报警信号。

本发明地铁列车防撞预警方法，步骤5所述的通过判断剔除受干扰的错误数据，具体为：计算及控制模块对两个无线频段接收到的信息帧数据进行判断，如果相同，表明信息帧接收正确，如果不同，表明有干扰导致数据出错，剔除错误数据，获取列车正确的实时位置信息。

本发明与现有技术相比，其显著优点：1）系统能够自动定位本车位置，不依赖列车控制系统和调度系统，独立计算出与相邻列车间的距离，并给出报警信号，自动化程度高；2）系统采用轨旁RFID标签和惯导设备联合定位，能够连续精确地获取本车的实时位置信息；3）系统采用双频无线收发设备与相邻列车进行通信，抗干扰效果好；4）系统能够提供精确的列车定位信息，可用于列车调度管理。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明地铁列车防撞预警系统的组成结构及工作原理示意图。

图2是本发明地铁列车防撞预警系统的计算及控制模块的结构示意图。

图3为本发明地铁列车防撞预警方法的流程示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明地铁列车防撞预警装置，包括RFID标签1和车载设备2，所述RFID标签1按照设定间距设置在地铁轨道上，每辆地铁列车的头部设置一个车载设备2；所述车载设备2包括计算及控制模块21、标签阅读器22、惯导设备23和无线收发设备24；且标签阅读器22、惯导设备23和无线收发设备24分别与计算及控制模块21相连。

轨旁设备RFID标签1存储标签所在位置信息，对外发送位置信息。位置信息可采用经度、纬度、高度和线路里程的方式描述，在RFID标签1安装时，通过卫星定位和精密地图获取，并存储在RFID标签1中，为系统提供精确的定位信息。

计算及控制模块21为核心处理单元，硬件采用嵌入式微处理器和多路通信接口，实现与标签阅读器22、惯导设备23和无线收发设备24的通信功能，软件实现数据计算处理功能及系统的控制功能，判断本车与相邻列车之间的距离，如果小于预先设定的安全距离，给出预警信号。无线收发设备24采用双频设计。

结合图2，车载设备2的计算及控制模块21包括嵌入式处理器21-1，以及与该嵌入式处理器21-1相连接的电源模块21-2、复位电路模块21-3、时钟模块21-4、调试接口模块21-5、第一通信接口模块21-6、第二通信接口模块21-7和第三通信接口模块21-8；所述第一通信接口模块21-6与标签阅读器22相连，第二通信接口模块21-7与惯导设备23相连，第三通信接口模块21-8与无线收发设备24相连。电源模块21-2为嵌入式处理器21-1提供工作电源，时钟模块21-4为嵌入式处理器提供时钟信号,复位电路模块21-3用于在嵌入式处理器21-1工作出现故障时提供复位信号，调试接口模块21-5用于将应用程序下载到嵌入式处理器21-1以及在嵌入式处理器21-1工作时观测内部的工作情况。

本发明地铁列车防撞预警装置不依赖列车控制系统和调度系统，独立计算本车与相邻列车间的距离，并给出报警信号。列车定位采用RFID标签1和惯导设备23联合计算，RFID标签1提供所在位置精确的经度、纬度、高度和线路里程信息，惯导设备23利用该信息进行累计误差校正，由自身的工作原理决定，实时输出列车位置信息，因此在地铁列车运行全线，不论运行环境的变换，系统都能够独立地进行列车精确定位。由于单一频道的无线通信，易受干扰，造成信息丢失，因此，在本系统中，采用无线收发设备24采用双频设计，通过两个无线频段同步发送和接收信息帧，计算及控制模块21对本车位置信息和接收到的其它列车位置信息进行实时处理，如果列车间距离远大于预先设定的安全距离，不做任何处理，如果小于安全距离，给出报警信号。报警信号可与列车控制系统相连接，采用声光报警或其它方式提示列车司机。系统可通过通信网络将实时位置信息上报给地铁调度系统，用于列车调度。

具体而言，一种基于上述地铁列车防撞预警装置的防撞预警方法，包括以下步骤：

步骤1、系统上电，完成初始化：通过卫星定位和精密地图获取各个RFID标签1所在的位置信息，并存储于对应位置的RFID标签1中；设置相邻列车之间的安全距离为l₀；

步骤2、列车运行到RFID标签1所在位置时，标签阅读器22获取该RFID标签1存储的位置信息并发送给计算及控制模块21，由计算及控制模块21输出给惯导设备23，利用该位置信息对惯导设备23计算的列车位置信息进行修正，得到列车实时位置信息；

步骤3、惯导设备23将列车实时位置信息输出给计算及控制模块21；

步骤4、无线收发设备24采用双频设计，通过两个无线频段同步发送和接收信息帧数据：计算及控制模块21控制无线电收发设备24对外广播发送本列车的实时位置信息，同时无线收发设备24接收其它列车发送的实时位置信息给计算及控制模块21；

步骤5、计算及控制模块21对双频接收的实时位置信息进行判断，通过判断剔除受干扰的错误数据，获取列车正确的实时位置信息，具体为：计算及控制模块21对两个无线频段接收到的信息帧数据进行判断，如果相同，表明信息帧接收正确，如果不同，表明有干扰导致数据出错，采用历史数据滤波预测进行比较，剔除错误数据，获取列车正确的实时位置信息。

步骤6、计算及控制模块21根据本列车与相邻列车的实时位置信息，判断列车间的距离l，如果l≥l₀，不做任何处理；如果l＜l₀，给出报警信号。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。

实施例1

结合图1，以列车a和列车b为例，说明系统的组成和工作原理。

预先利用卫星定位和精密地图确定每个轨旁设备RFID标签1的精确位置信息，可采用经度、纬度、高度和线路里程的方式描述，在地铁轨道沿线安装设定间距安装，选用上海秀派电子科技有限公司的SP-TGS系列电子标签。每辆列车安装一台车载设备，如图所示在列车a和列车b上分别安装车载设备2。车载设备2包括计算及控制模块21、标签阅读器22、惯导设备23和无线收发设备24。标签阅读器22与轨旁设备RFID标签1通信方式相同，轨旁设备RFID标签1用于存储位置信息，标签阅读器22用于获取该位置信息，可选用上海秀派电子科技有限公司的SP-RFS系列的阅读器。惯导设备23根据自身工作原理，可输出实时位置信息，但在长时间工作过程中，存在累积误差，因此计算及控制模块21从标签阅读器22获取轨旁设备RFID标签1的位置信息对惯导设备23进行校正，避免累积误差，保持长时间工作中定位的准确性，可选用北京星网宇达科技股份有限公司的XW-IMU5220等型号产品。无线收发设备24采用两个无线频段同步发送和接收信息帧，频段可选900MHz和490MHz，或其它频段，可选择深圳市中科华益科技有限公司的无线数传系列产品或自行设计相应电路。

结合图2，说明计算及控制模块21的构成。嵌入式处理器可选用ARM系列芯片或DSP芯片，如可选用NXP公司的LPC ARM系列芯片。三路通信接口可采用串行通信接口设计，如UART(RS232/485）、SPI等，也可采用CAN总线等其它类型的通信接口来实现。

结合图1和图3，说明地铁列车防撞预警装置的工作流程。轨旁设备RFID标签1预先设定间距，间距由系统要求的定位精度和惯导设备的性能综合决定，比如定位精度要求3m，惯导设备输出值会发生漂移，在1分钟内误差达到3m，那么，必须每1分钟对惯导设备进行一次校正，RFID标签的间距则应该小于地铁列车在1分钟内按照运行的最低速度行驶的距离；设置相邻列车之间的安全距离为l₀，安全距离l₀是根据列车实时速度、列车制动距离等综合计算得到，安全距离l₀的值应该大于列车在当前速度下刹车所需的制动距离与列车长度之和。安装轨道沿线，并设置完成正常运行。

列车a在运行过程中，车载设备2的惯导设备23计算输出列车的实时位置信息给计算及控制模块21；当列车运行到轨旁设备RFID标签1所在位置时，标签阅读器22获取轨旁设备RFID标签1存储的位置信息，计算及控制模块21将该信息发送给惯导设备23进行惯导输出校正；计算及控制模块21控制无线电收发设备24对外广播发送列车的实时位置信息，两个频段同步发送；无线电收发设备24接收其它列车发送的实时位置信息，如列车b的车载设备2，计算及控制模块21的软件对两个频段接收到的信息帧数据进行判断，如果相同，表明信息帧接收正确，如果不同，表明有干扰导致数据出错，采用历史数据滤波预测进行比较，剔除错误数据，获取列车b正确的位置信息；计算及控制模块21的软件对本车实时位置数据和列车b的位置数据进行判断，如果两辆列车间距离远大于预先设定的安全距离l₀，不做任何处理，如果接近或小于安全距离，给出报警信号。列车操作人员可根据报警提示，操作车辆减速或停止，避免列车事故发生，保证行车安全。

由上可知，本发明的系统能够实时精确定位列车位置，判断与同轨相邻列车的距离，给出预警信号，实现安全运行。

Claims (5)

1.一种地铁列车防撞预警装置，其特征在于，包括RFID标签（1）和车载设备（2），所述RFID标签（1）间隔设置在地铁轨道上，每辆地铁列车的头部设置一个车载设备（2）；所述车载设备（2）包括计算及控制模块（21）、标签阅读器（22）、惯导设备（23）和无线收发设备（24）；且标签阅读器（22）、惯导设备（23）和无线收发设备（24）分别与计算及控制模块（21）相连。

2.根据权利要求1所述的地铁列车防撞预警装置，其特征在于，所述计算及控制模块（21）包括嵌入式处理器（21-1），以及与该嵌入式处理器（21-1）相连接的电源模块（21-2）、复位电路模块（21-3）、时钟模块（21-4）、调试接口模块（21-5）、第一通信接口模块（21-6）、第二通信接口模块（21-7）和第三通信接口模块（21-8）；所述第一通信接口模块（21-6）与标签阅读器（22）相连，第二通信接口模块（21-7）与惯导设备（23）相连，第三通信接口模块（21-8）与无线收发设备（24）相连。

3.根据权利要求1所述的地铁列车防撞预警装置，其特征在于，所述无线收发设备（24）采用双频设计。

4.一种基于权利要求1所述的地铁列车防撞预警装置的防撞预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、系统上电，完成初始化：通过卫星定位和精密地图获取各个RFID标签（1）所在的位置信息，并存储于对应位置的RFID标签（1）中；设置相邻列车之间的安全距离为l₀；

步骤2、列车运行到RFID标签（1）所在位置时，标签阅读器（22）获取该RFID标签（1）存储的位置信息并发送给计算及控制模块（21），由计算及控制模块（21）输出给惯导设备（23），利用该位置信息对惯导设备（23）计算的列车位置信息进行修正，得到列车实时位置信息；

步骤3、惯导设备（23）将列车实时位置信息输出给计算及控制模块（21）；

步骤4、无线收发设备（24）通过两个无线频段同步发送和接收信息帧数据：计算及控制模块（21）控制无线电收发设备（24）对外广播发送本列车的实时位置信息，同时无线收发设备（24）接收其它列车发送的实时位置信息给计算及控制模块（21）；

步骤5、计算及控制模块（21）对双频接收的实时位置信息进行判断，剔除受干扰的错误数据，获取列车正确的实时位置信息；

步骤6、计算及控制模块（21）根据本列车与相邻列车的实时位置信息，判断列车间的距离l，如果l≥l₀，不做任何处理；如果l＜l₀，给出报警信号。

5.根据权利要求4所述的地铁列车防撞预警方法，其特征在于，步骤5所述的通过判断剔除受干扰的错误数据，具体为：计算及控制模块（21）对两个无线频段接收到的信息帧数据进行判断，如果相同，表明信息帧接收正确，如果不同，表明有干扰导致数据出错，剔除错误数据，获取列车正确的实时位置信息。

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