CN106004931B - 一种基于无线测距技术的列车接近告警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于无线测距技术的列车接近告警系统，包括安装在列车上的车载接近告警设备、安装在列车一侧的第一测距天线、安装在列车另一侧的第二测距天线和安装在施工作业区域的轨边接近告警终端，其中，所述车载接近告警设备分别与所述第一测距天线、第二测距天线连接，所述第一测距天线、第二测距天线分别与所述轨边接近告警终端通过无线信号连接。本发明还提供了一种基于无线测距技术的列车接近告警方法。本发明的有益效果是：具有精确测距和定位功能，适合应用于编组站等复杂行车及施工作业环境，尤其是地铁、隧道等无法使用GPS定位技术的轨道交通的施工安全管理。

Description

一种基于无线测距技术的列车接近告警系统及方法

技术领域

本发明涉及列车接近告警系统，尤其涉及一种基于无线测距技术的列车接近告警系统及方法。

背景技术

随着我国铁路建设的高速发展，包括城轨、地铁在内的轨道交通公里数剧增。同时随着轨道交通电气化、信息化的发展，大量机电设备被安装在轨道两侧，由此带来大量的施工、巡检、保养和维修作业。在轨边进行施工作业时，如果施工人员或列车司机疏忽大意，未注意到行驶过来的列车，就可能会发生列车与施工人员、装备或车辆相撞的事故，造成人身和财产损失。现代铁路运行效率越来越高，铁路运输安全对铁路持续、稳定运行至关重要。因此对于涉及到在轨道及周边作业的车务、电务、工务、供电等部门的需要能够提供可靠预警作用的列车接近告警系统。

铁路部门早期一般是采用设专职防护员对在铁路区域工作的人员进行人工预警、或者通过设置响镦装置，对施工区域进行限速等预警方式，随着轨边作业数量的增加，早期列车接近告警方式已经无法适应现代铁路运营要求。

近年来已有多种列车接近告警系统被开发出来，主要有以下几种：

1、通过无线通信装置实现列车接近告警系统，在列车上和轨边作业区域分别安装无线信号发射和接收装置，当接收到对端设备发射的无线信号时，发出告警信号。该系统的局限性在于告警距离和方向无法控制，在编组站等场站会造成众多的虚警。

2、采用GPS定位技术实现列车接近告警，该方式目前已被广泛采用，其局限性在于在地铁或铁路隧道等环境时无法工作。

3、使用超声波、压力波等技术实现，但目前都仅限于试验，实用性很差。

在铁路的编组站，存在大量的牵引机车和工程作业车，地铁等轨道交通的轨边作业也使用大量工程车辆，这些场景的特点是车速较低，但是车辆往来频繁，如果不能精确的控制接近告警的范围和距离，会造成处于安全区的施工作业也因为列车接近而停止作业进行避让，极大影响作业效率，因此在这类场景中应用的列车接近告警系统需要具备精确定位能力，只对列车行进方向轨道左右5米内的施工作业发出接近告警，由此保证工程列车的行进不会干扰安全区域的施工。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种具备精确定位能力的基于无线测距技术的列车接近告警系统及方法。

本发明提供了一种基于无线测距技术的列车接近告警系统，包括安装在列车上的车载接近告警设备、安装在列车一侧的第一测距天线、安装在列车另一侧的第二测距天线和安装在施工作业区域的轨边接近告警终端，其中，所述车载接近告警设备分别与所述第一测距天线、第二测距天线连接，所述第一测距天线、第二测距天线分别与所述轨边接近告警终端通过无线信号连接。

作为本发明的进一步改进，所述车载接近告警设备包括处理器、第一射频电路、第二射频电路、电源及其保护电路，所述第一射频电路、第二射频电路分别与所述处理器连接，所述第一射频电路与所述第一测距天线连接，所述第二射频电路与所述第二测距天线连接，所述电源及其保护电路分别与处理器、第一射频电路、第二射频电路连接。

作为本发明的进一步改进，所述车载接近告警设备还包括告警喇叭、告警指示灯、液晶显示屏和多个操作按钮，所述告警喇叭、告警指示灯、液晶显示屏、操作按钮分别与所述处理器连接。

作为本发明的进一步改进，所述第一射频电路、第二射频电路均为具有基于时间到达差（TOF）法进行无线测距的射频电路。

作为本发明的进一步改进，所述轨边接近告警终端包括终端处理器、终端射频电路、终端天线、终端充电及电源管理电路和终端电池，其中，所述终端射频电路、终端充电及电源管理电路分别与所述终端处理器连接，所述终端超宽带射频电路与所述终端天线连接，所述终端充电及电源管理电路与所述终端电池连接。

作为本发明的进一步改进，所述轨边接近告警终端还包括终端告警喇叭、终端告警指示灯、终端状态指示灯和终端音量调节旋钮，所述终端告警喇叭、终端告警指示灯、终端状态指示灯、终端音量调节旋钮分别与所述终端处理器连接。

本发明还提供了一种基于无线测距技术的列车接近告警方法，基于无线测距技术技术，通过安装在列车两侧的第一测距天线、第二测距天线分别测量各自到轨边接近告警终端间的距离，通过安装在列车上的车载接近告警设备对轨边接近告警终端进行定位，精确测量列车与轨边接近告警终端间的距离，当列车与轨边接近告警终端间的距离小于安全限值时，车载接近告警设备和轨边接近告警终端分别发出声光告警信号。

作为本发明的进一步改进，当列车运行时，车载接近告警设备不断通过第一测距天线、第二测距天线发射无线广播信号；安装在施工区域的轨边接近告警终端工作时处于监听状态，当接收到车载接近告警设备发射的无线广播信号后返回应答信号并与车载接近告警设备建立通信链路；车载接近告警设备启动测距操作分别测量第一测距天线、第二测距天线到轨边接近告警终端的距离，通过三角定位计算出轨边接近告警终端的位置，并判断轨边接近告警终端是否处于列车行驶轨道两侧危险区域以内；当判别轨边接近告警终端处于列车行驶轨道两侧危险区域以内时，发出声光告警信号，同时通过通信链路通知轨边接近告警终端发出告警信号。

作为本发明的进一步改进，第一测距天线、第二测距天线分别测量到轨边接近告警终端的距离为L1和L2，利用已知变量第一测距天线、第二测距天线的间距d，等效于三角形的两顶点和三个边长已知，通过计算可以确定轨边接近告警终端相对第一测距天线和第二测距天线的位置。

作为本发明的进一步改进，车载接近告警设备内置加速度传感器，通过加速度传感器检测列车加速度并计算列车速度，判断列车是否处于静止状态；当列车处于静止状态时，即使列车与轨边接近告警终端间的距离小于安全限值也不触发告警。

作为本发明的进一步改进，安全距离限值与列车的当前速度动态调节，速度越快安全限值越大。

本发明的有益效果是：通过上述方案，具有精确测距和定位功能，适合应用于编组站等复杂行车及施工作业环境，以及地铁、隧道等无法使用GPS定位技术的轨道交通施工安全管理。

附图说明

图1是本发明一种基于无线测距技术的列车接近告警系统的示意图。

图2是本发明一种基于无线测距技术的列车接近告警方法的测量示意图。

图3是本发明一种基于无线测距技术的列车接近告警系统的车载接近告警设备的示意图。

图4是本发明一种基于无线测距技术的列车接近告警系统的轨边接近告警终端的示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

图1至图4中的附图标号为：车载接近告警设备1；处理器101；第一射频电路102；第二射频电路103；加速度传感器104；电源及其保护电路105；告警喇叭106；告警指示灯107；液晶显示屏108；操作按钮109；第一测距天线2；第二测距天线3；轨边接近告警终端4；终端处理器401；终端射频电路402；终端天线403；终端告警喇叭404；终端告警指示灯405；终端状态指示灯406；终端音量调节旋钮407； 终端充电及电源管理电路408；终端电池409。

如图1所示，一种基于无线测距技术的列车接近告警系统，包括安装在列车上的车载接近告警设备1、安装在列车一侧的第一测距天线2、安装在列车另一侧的第二测距天线3和安装在轨边的轨边接近告警终端4，其中，所述车载接近告警设备1分别与所述第一测距天线2、第二测距天线3连接，所述第一测距天线2、第二测距天线3分别与所述轨边接近告警终端4通过无线信号连接。

如图3所示，所述车载接近告警设备1包括处理器101、第一射频电路102、第二射频电路103、电源及其保护电路105，所述第一射频电路102、第二射频电路103、电源及其保护电路105分别与所述处理器101连接，所述第一射频电路102与所述第一测距天线2连接，所述第二射频电路103与所述第二测距天线3连接。

如图3所示，所述车载接近告警设备1还包括告警喇叭106、告警指示灯107、液晶显示屏108、多个操作按钮109和加速度传感器104，所述告警喇叭106、告警指示灯107、液晶显示屏108、操作按钮109、加速度传感器104分别与所述处理器101连接。

如图3所示，所述第一射频电路102、第二射频电路103均为具有基于时间到达差（TOF）法进行无线测距的射频电路。

如图3所示，工作时，处理器101不断通过第一射频电路102、第二射频电路103和第一测距天线2、第二测距天线3发射广播信号，当接收到来自轨边接近告警设备的响应回波时启动测距功能，并将测距数据与预先存储的安全距离限值比较，当测量距离小于安全距离时，驱动告警喇叭106和告警指示灯107发出告警信号。操作按键109包括一组组合按键，可以对车载接近告警设备进行设置，如设置告警音量等。为避免告警音影响司机驾驶，当注意到告警信号后可以触按操作按键109来取消告警音。

如图3所示，车载接近告警设备1内置加速度传感器104，处理器101由其判别列车加速度并计算列车速度。当列车处于静止状态时即使检测到安全距离内有轨边接近告警终端4也不会触发告警。安全告警距离会伴随列车行驶速度动态调节，列车行驶速度越高，告警距离越远。

如图3所示，液晶显示屏108显示车载接近告警设备1的工作状态，在触发接近告警时显示告警界面，并显示轨边接近告警终端4的距离和位置。当车载接近告警设备1检测到多台轨边接近告警终端4时，显示不同轨边接近告警终端4的距离和位置信息。

如图3所示，电源及其保护电路105由列车供电系统获取电源，经安全保护电路后为车载接近告警设备1的各个电路单元供电。

如图4所示，所述轨边接近告警终端4包括终端处理器401、终端射频电路402、终端天线403、终端充电及电源管理电路408和终端电池409，其中，所述终端射频电路402、终端充电及电源管理电路408分别与所述终端处理器401连接，所述终端射频电路402与所述终端天线403连接，所述终端充电及电源管理电路408与所述终端电池409连接。

如图4所示，所述轨边接近告警终端4还包括终端告警喇叭404、终端告警指示灯405、终端状态指示灯406和终端音量调节旋钮407，所述终端告警喇叭404、终端告警指示灯405、终端状态指示灯406、终端音量调节旋钮407分别与所述终端处理器401连接。

如图4所示，轨边接近告警终端4工作时终端处理器401通过终端射频电路402和终端天线403监听车载告警设备的广播信号，当接收到广播信号时返回响应信号与车载接近告警终端建立通讯链路，随后通过无线信号飞行时间原理测量与车载接近告警终端天线的距离，当测量距离小于安全距离时，驱动终端告警喇叭404和终端告警指示灯405发出告警信号。

如图4所示，轨边接近告警终端4带有一组终端状态指示灯406用于指示其状态，包括上电、工作、低电压、充电和故障等状态。另外还设计有一个终端音量调节旋钮407，施工人员可以此调节告警音量以适应不同噪声背景的作业环境。

如图4所示，轨边接近告警终端4内置终端充电及电源管理电路408和终端电池409。终端充电及电源管理电路408对终端电池409的供电进行管理，为轨边接近告警终端4其他电路单元供电，同时对终端电池409电量进行监控，当电池剩余电量不足时通过终端状态指示灯406告警。使用者使用外部电源接口通过终端充电及电源管理电路408对终端电池409进行充电，终端状态指示灯406指示通过不同颜色指示灯指示“充电中”和“充电完成”状态。

如图1至2所示，一种基于无线测距技术的列车接近告警方法，基于无线测距技术技术，通过安装在列车两侧的第一测距天线2、第二测距天线3分别测量各自到轨边接近告警终端4间的距离，通过安装在列车上的车载接近告警设备1对轨边接近告警终端4进行定位，精确测量列车与轨边接近告警终端4间的距离，当列车与轨边接近告警终端4间的距离小于安全限值时，车载接近告警设备1和轨边接近告警终端4分别发出声光告警信号。

如图2所示，当列车运行时，车载接近告警设备1不断通过第一测距天线2、第二测距天线3发射无线信号；安装在施工区域的轨边接近告警终端4工作时处于监听状态，当接收到车载接近告警设备1发射的无线信号后返回相应信号并与车载接近告警设备1建立通信链路；车载接近告警设备1启动测距操作分别测量第一测距天线2、第二测距天线3到轨边接近告警终端4的距离，通过三角定位计算出轨边接近告警终端4的位置，并判断轨边接近告警终端4是否处于列车行驶轨道两侧5米以内；当判别轨边接近告警终端4处于列车行驶轨道两侧5米以内时，发出声光告警信号，同时通过通信链路通知轨边接近告警终端4发出告警信号。据此判别是否发送告警信号，有效避免列车行驶时检测到其他无线线路上轨道告警设备而触发告警。

如图2所示，第一测距天线2、第二测距天线3分别测量到轨边接近告警终端4的距离为L1和L2，利用已知变量第一测距天线2、第二测距天线3的间距d，等效于三角形的两顶点和三个边长已知，通过计算可以确定轨边接近告警终端4的位置。

如图3所示，车载接近告警设备1内置加速度传感器104，通过加速度传感器104判别列车加速度并计算列车速度，判断列车是否处于静止状态；当列车处于静止状态时，即使列车与轨边接近告警终端4间的距离小于安全限值也不触发告警。根据列车速度自动调节安全限值（即告警距离），列车行驶速度越快触发告警的距离越大。

本发明提供的一种基于无线测距技术的列车接近告警系统及方法，列车接近告警有两种模式：距离告警和位置告警。距离告警模式下只要检测到轨边接近告警终端4与列车距离小于安全限值就出发告警，适用于单条线路施工环境；位置告警在检测与轨边接近告警终端4的距离同时对轨边接近告警终端4进行定位，只有判断轨边接近告警终端4处于非安全区域（在铁轨上或距离轨道距离小于3米）时才触发告警，适用于编组站等存在多条线路的施工环境。

本发明提供的一种基于无线测距技术的列车接近告警系统及方法，通过超宽带技术实现精度优于3米的精确测距，在列车接近施工地点距离达到预先设定的安全数值时才发出告警；所述车载接近告警设备1带有告警喇叭106和告警指示灯107，当列车接近施工地点时，发出声光告警信号提醒列车司机注意；轨边接近告警终端4通过三脚架架设在施工区域，当列车接近施工地点时，发出声光告警信号提醒施工人员注意。

本发明提供的一种基于无线测距技术的列车接近告警系统及方法，基于测量超宽带信号的“飞行时间”实现精确测距，“飞行时间”测距原理是通过纳秒级的无线（超宽带）信号传输数据，发送端发送脉冲数据，接收端接收到后返回数据，发送端根据发射和返回时间差计算出发送端和接收端的距离。

本发明提供的一种基于无线测距技术的列车接近告警系统及方法，车载接近告警设备1安装在列车机车驾驶室内，连接两面安装在列车前挡风玻璃左右两侧的第一测距天线2、第二测距天线3。列车运行时，车载接近告警设备1不断通过第一测距天线2、第二测距天线3发射广播信号。安装在施工区域的轨边接近告警终端4工作时处于监听状态，当接收到车载接近告警设备1发射的广播信号后返回相应信号并与车载接近告警设备1建立通信链路，启动测距操作测量分别测量第一测距天线2、第二测距天线3到轨边接近告警终端4的距离，通过公式计算出轨边接近告警终端4的位置，并判断轨边接近告警终端4是否处于列车行驶轨道两侧5米以内（非安全区域）。当判别轨边接近告警终端4处于非安全区域内时，发出声光告警信号，同时通过通信链路通知对端轨边接近告警终端4发出告警信号。

采用超宽带通信技术的车载接近告警设备1和轨边接近告警终端4间的通讯距离大于300米，测距距离大于200米，测距精度优于±3米。

车载接近告警设备1和轨边接近告警终端4都具有多点通讯能力，即车载接近告警设备1可与多台轨边接近告警终端4建立通讯链路并分别进行测距，轨边接近告警终端4可响应多台车载接近告警设备1的广播信号建立通讯链路并分别进行测距。多点通讯操作为分时操作方式。多点通讯能力保证在存在多辆列车或者多个施工点时实现独立的测距和告警，避免了采用无线告警方式产生的“虚警”，尤其适用于行车环境复杂的编组站等场景。

本发明提供的一种基于无线测距技术的列车接近告警系统及方法，具有精确测距和定位功能，适合应用于编组站等复杂行车及施工作业环境，以及地铁、隧道等无法使用GPS定位技术的轨道交通施工安全管理。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于无线测距技术的列车接近告警系统，其特征在于：包括安装在列车上的车载接近告警设备、安装在列车一侧的第一测距天线、安装在列车另一侧的第二测距天线和安装在施工作业区域的轨边接近告警终端，其中，所述车载接近告警设备分别与所述第一测距天线、第二测距天线连接，所述第一测距天线、第二测距天线分别与所述轨边接近告警终端通过无线信号连接，所述车载接近告警设备包括处理器、第一射频电路、第二射频电路、电源及其保护电路，所述第一射频电路、第二射频电路分别与所述处理器连接，所述第一射频电路与所述第一测距天线连接，所述第二射频电路与所述第二测距天线连接，所述电源及其保护电路分别与处理器、第一射频电路、第二射频电路连接，所述第一射频电路、第二射频电路均为具有基于时间到达差法进行无线测距的射频电路。

2.根据权利要求1所述的基于无线测距技术的列车接近告警系统，其特征在于：所述车载接近告警设备还包括告警喇叭、告警指示灯、液晶显示屏和多个操作按钮，所述告警喇叭、告警指示灯、液晶显示屏、操作按钮分别与所述处理器连接。

3.根据权利要求1所述的基于无线测距技术的列车接近告警系统，其特征在于：所述轨边接近告警终端包括终端处理器、终端射频电路、终端天线、终端充电及电源管理电路和终端电池，其中，所述终端射频电路、终端充电及电源管理电路分别与所述终端处理器连接，所述终端超宽带射频电路与所述终端天线连接，所述终端充电及电源管理电路与所述终端电池连接。

4.根据权利要求3所述的基于无线测距技术的列车接近告警系统，其特征在于：所述轨边接近告警终端还包括终端告警喇叭、终端告警指示灯、终端状态指示灯和终端音量调节旋钮，所述终端告警喇叭、终端告警指示灯、终端状态指示灯、终端音量调节旋钮分别与所述终端处理器连接。

5.一种基于无线测距技术的列车接近告警方法，其特征在于：基于无线测距技术技术，通过安装在列车两侧的第一测距天线、第二测距天线分别测量各自到轨边接近告警终端间的距离，通过安装在列车上的车载接近告警设备对轨边接近告警终端进行定位，精确测量列车与轨边接近告警终端间的距离，当列车与轨边接近告警终端间的距离小于安全限值时，车载接近告警设备和轨边接近告警终端分别发出声光告警信号；

当列车运行时，车载接近告警设备不断通过第一测距天线、第二测距天线发射无线信号；安装在施工区域的轨边接近告警终端工作时处于监听状态，当接收到车载接近告警设备发射的无线信号后返回应答信号并与车载接近告警设备建立通信链路；车载接近告警设备启动无线测距操作分别测量第一测距天线、第二测距天线到轨边接近告警终端的距离，通过三角定位计算出轨边接近告警终端的位置，并判断轨边接近告警终端是否处于列车行驶轨道两侧危险范围以内；当判别轨边接近告警终端处于列车行驶轨道两侧危险范围内时，发出声光告警信号，同时通过通信链路通知轨边接近告警终端发出告警信号。

6.根据权利要求5所述的基于无线测距技术的列车接近告警方法，其特征在于：第一测距天线、第二测距天线分别测量到轨边接近告警终端的距离为L1和L2，利用已知变量第一测距天线、第二测距天线的间距d，等效于三角形的两顶点和三个边长已知，通过计算可以确定轨边接近告警终端与列车和轨道的相对位置。

7.根据权利要求5所述的基于无线测距技术的列车接近告警方法，其特征在于：车载接近告警设备内置加速度传感器，通过加速度传感器测量列车加速度并计算列车速度，判断列车是否处于静止状态；当列车处于静止状态时，即使列车与轨边接近告警终端间的距离小于安全限值也不触发告警。