CN107111736B - 无线通信系统以及无线通信装置 - Google Patents

Abstract

课题在于能够在列车与地上之间稳定地进行无线通信而不耗费设备成本。解决方法为无线通信系统具备：第一标签，设置于比列车所行驶的轨道更靠外侧的地面上，通过以无线方式接收到的电力而被驱动；第二标签，设置于比在行驶方向上延伸的列车的侧面更靠外侧且比第一标签更靠上方，通过以无线方式接收到的电力而被驱动；无线通信部，设置于列车，在与第一标签及第二标签之间进行无线通信；以及天线，设置于列车，具有向第一标签及第二标签的方向的电波增益。

Description

无线通信系统以及无线通信装置

技术领域

本发明的实施方式涉及使用标签来进行无线通信的无线通信系统以及无线通信装置。

背景技术

作为用于使列车安全地行驶以及停止的代表性的保护装置，已知自动列车停止装置(ATS：Automatic Train Stop，自动列车制动)、自动列车控制装置(ATC：AutomaticTrain Control，自动列车控制)。另外，作为代表性的驾驶支援装置，已知自动驾驶装置(ATO：Automatic Train Operation，自动列车驾驶)、固定位置停止装置(TASC：TrainAutomatic Stop-position Controller，列车自动制动位置控制器)。

现有的保护装置、驾驶支援装置使用应答器、轨道电路来进行车身的位置探测，存在为了设置应答器、轨道电路而耗费成本这样的问题。

基于这样的背景，研究了将RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)用于位置探测。RFID是指读取器以无线方式读取在标签内所存储的个体识别信息的规格。与使用应答器、轨道电路来进行位置探测相比，RFID能够以非常便宜的成本导入，保养费用的成本也比较低。

在使用RFID进行车身的位置探测的情况下，最好在车身侧设置读取器、在地上侧设置标签。其原因是如果使地上侧的标签为不需要电源的无源型，则不需要与标签的设置相伴的附带设备，能够抑制地上侧的设备成本。

在利用标签和读取器的无线通信中，标签和读取器的距离越近则越稳定，但在标签和读取器的距离近时无线通信范围变窄，在列车高速行驶时可能会发生跳读。相反，在标签和读取器的距离远离时无线通信范围扩大，所以列车高速行驶时的跳读的频度降低，但其另一方面，在列车低速行驶时位置精度降低。

这样，在标签和读取器的距离长的情况下和短的情况下分别具有长处和短处，所以如果可以，最好在与读取器相距的距离不同的多个部位设置标签。

但是，车身系统要求高的可靠性，考虑到由于某些情形而无法正常地进行无线通信的情况等，需要做成双重系统。如上所述，在轨道上和轨道旁分别设置标签的情况下，在关于轨道上的标签和轨道旁的标签分别做成双重系统时，天线的数量增加，读取器侧的结构变得复杂。

在一个天线中在不同方向上具有指向性的情况下，通过使天线元件的尺寸比使用频率的波长更大，能够使其具有向两个方向的指向性。然而，在920MHz带的RFID中，波长是约33cm，包括包装的天线的尺寸比现有的应答器车上元件的尺寸大的可能性高。在双重系统中，需要两个该尺寸的天线元件，难以确保设置于车身的空间。

另外，在轨道的中央部设置标签的情况下，在其正上方的车身的底部设置读取器的天线时，在车身的底部设置有马达等各种配置于驾驶室下的机器，来自天线的电波被这些配置于驾驶室下的机器反射而无法稳定地进行与标签的无线通信。

发明内容

本发明想要解决的课题在于提供一种不耗费设备成本就能够在列车与地上之间稳定地进行无线通信的无线通信系统以及无线通信装置。

本实施方式提供一种无线通信系统，具备：

第一标签，设置于比列车所行驶的轨道更靠外侧的地面上，通过以无线方式接收到的电力而被驱动；

第二标签，设置于比在行驶方向上延伸的所述列车的侧面更靠外侧、且比所述第一标签更靠上方，通过以无线方式接收到的电力而被驱动；

无线通信部，设置于所述列车，在与所述第一标签及所述第二标签之间进行无线通信；以及

天线，设置于所述列车，具有向所述第一标签及所述第二标签的方向的电波增益。

附图说明

图1是表示第一实施方式的无线通信系统1的概略结构的框图。

图2是表示在支杆(stay)上设置有第二标签的例子的框图。

图3是表示在站台下设置有第二标签的例子的框图。

图4是表示使天线5的电波增益模式立体性地示意化的一个例子的图。

图5是表示天线5具有无指向性模式的例子的图。

图6是表示天线的波束的扩展的图。

图7是表示第二实施方式的无线通信系统1的概略结构的框图。

(符号说明)

1：无线通信系统；2：第一标签；3：第二标签；4：无线通信部；5：天线；5a：第一天线部；5b：第二天线部；6：列车；7：轨道；8：地面；9：站台；10：支杆；11：位置检测部；12：标签ID对照数据库。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的实施方式。在以下实施方式中，以无线通信系统以及无线通信装置内的特征性结构以及动作为中心进行说明，但在无线通信系统以及无线通信装置中可能存在在以下说明中省略的结构以及动作。但是，这些省略的结构以及动作也包含于本实施方式的范围。

(第一实施方式)

图1是表示第一实施方式的无线通信系统1的概略结构的框图。图1的无线通信系统1具备第一标签2、第二标签3、无线通信部4以及天线5。

第一标签2设置于比列车6所行驶的轨道(铁路)7更靠外侧的地面8上。以均匀或者不均匀的间隔在地面8上设置有多个第一标签2。第一标签2既可以配置为与地面8相接，也可以安装于从地面8向上方延伸的支杆等。

第二标签3设置于比在行驶方向上延伸的列车6的侧面更靠外侧、且比第一标签2更靠上方。第二标签3既可以安装于例如站台9的侧壁等，也可以如图2所示安装于从地面8向上方延伸的支杆10等。进而，也可以如图3所示在从站台9向下方延伸的支杆10等悬挂地安装。也以均匀或者不均匀的间隔设置有多个第二标签3。

第一标签2和第二标签3是通过从无线通信部4以无线方式接收到的电力所驱动的无源型的标签。在第一标签2和第二标签3的内部设置有存储个体识别信息的未图示的存储部。个体识别信息是识别各标签的信息，其数据形式没有特别限定。也可以在该存储部中存储除了个体识别信息以外的信息。

天线5安装于列车6的车身的底部6b。无线通信部4与天线5电连接。无线通信部4在与第一标签2以及第二标签3之间进行无线通信。无线通信部4既可以仅具有作为接收在第一标签2以及第二标签3中存储的个体识别信息的读取器的功能，也可以还兼具作为向这些标签写入某些信息的写入器的功能。

通过天线5接收到的无线信号被输入到无线通信部4，进行解调处理。由于第一标签2和第二标签3是无源型，所以首先从天线5向第一标签2和第二标签3辐射电波，第一标签2和第二标签3积蓄通过所接收到的电波获得的电力，使用所积蓄的电力从各标签的天线5辐射包括个体识别信息的电波。无线通信部4的天线5接收从第一标签2和第二标签3发送的电波，将通过所接收到的电波获得的高频信号从天线5供给到无线通信部4。无线通信部4对该高频信号进行解调，取得个体识别信息。

天线5例如设置于第一标签2的上方。更具体而言，天线5最好设置于与列车6的底部6b中的底部6b的短边方向中央相比从第一标签2侧的位置至第二标签3侧的列车6的侧面的端部6c的范围内。第一标签2设置于比轨道7更靠外侧的地面8上，所以天线5配置于比列车6的底部6b的短边方向中央更靠外侧。列车6的底部6b的中央附近设置有马达等各种电气机器、支撑列车6的车身的转向架等配置于驾驶室下的机器，由天线5收发的电波发生漫反射，电波特性不怎么良好。列车6的底部6b的边缘侧并没有多少配置于驾驶室下的机器，所以能够通过在配置于驾驶室下的机器少的部位设置天线5来稳定地收发电波。

另外，如图1所示，在第一标签2和第二标签3的直线距离比较近的情况下，两方的标签在与列车6侧的共同的天线5之间都能够稳定地进行无线通信。因此，在列车6侧不设置各标签专用的多个天线5元件也可，能够削减列车6侧的RFID的设备成本。

在图1的例子中，示出了第一标签2的设置面的法线方向和第二标签3的设置面的法线方向正交的例子。在该情况下，天线5配置为例如相对两方的标签的法线方向倾斜。

天线5例如是在矩形形状的基板上所形成的非对称构造的平面天线5。图4是表示使天线5的电波增益模式立体地示意化的一个例子的图。图4的天线5在第一标签2的方向和第二标签3的方向上具有更大的电波增益。在图4的例子中，示出了从天线5至第二标签3的距离比天线5至第一标签2的距离短的情况。在该情况下，使从天线5向第二标签3的方向的电波增益小于从天线5向第一标签2的方向的电波增益。为了制作具有如图4的电波增益模式的天线5，能够通过调整构成平面天线5的天线方向图(antenna pattern)的形状、尺寸以及供电点的位置等来实现。图4的平面天线5具有层叠有形成天线方向图的平板和形成接地的整体模(solid pattern)的平板的构造。

此外，为了小型化，最好使天线5的矩形形状的基板的长边方向的长度为比使用频率的波长小的尺寸。能够使天线方向图为倒L形状或者倒F形状等来减小天线5的形状。

这样，图1以及图4的天线5具备在第一标签2以及第二标签3的方向上具有更大的电波增益的电波增益模式，但如图5所示，还可能有如下情况：即使是具有接近无指向性模式的电波增益的天线5，也能够与第一标签2以及第二标签3稳定地进行无线通信。

无线通信部4所取得的个体识别信息例如被用于列车6的位置探测。在进行列车6的位置探测的情况下，例如在列车6内设置位置探测部11和标签ID对照数据库12即可。标签ID对照数据库12存储有各标签的个体识别信息和各标签的设置场所信息的对应关系。位置探测部11使用从第一标签2以及第二标签3接收到的个体识别信息并参照标签ID对照数据库12，读出对应的设置场所信息，探测列车6的当前位置。

此外，也可以出于除了列车6的位置探测以外的目的来使用在第一标签2以及第二标签3中存储的个体识别信息。例如，还能够通过取得在预定时间以内所通过的个体识别信息的信息，进行列车6的速度探测。或者，也可以从列车6以有线或者无线方式向未图示的列车运行管理中心发送在第一标签2以及第二标签3中存储的个体识别信息，进行各列车6的运行管理。

最好无论列车6在高速行驶中还是在低速行驶中都能够进行利用第一标签2以及第二标签3的位置检测。一般来说，现有的应答器车上元件与地上元件的间隔是约25cm，具有能够在时速160km/h下连续地接收八个电文的能力。

另一方面，将在RFID中一帧接收所需的时间设为5ms时，时速160km/h下的八帧量的移动距离为1.78m。因此，标签的可读取的范围预留10％的富余而为1.96m。在假设将列车6侧的天线5和标签的距离设为30cm时，如果忽略天线5和标签的尺寸，则天线5的波束的扩展如图6所示即使最低也需要148°。在该情况下，相对列车6行进方向的位置探测误差是±98cm。

另外，在将列车6侧的天线5和标签的距离设为10cm时，如果将天线5的波束扩展设为相同的148°，则标签的可读取范围为65cm，位置探测误差是±32.5cm。在可读取范围是65cm时，可连续读取八帧的最高速度是58.5km/h，只要是58.5km/h以下的速度，就能够使位置探测精度提高。

这样，取决于列车6的最高速度和位置探测精度，列车6侧的天线5(例如读取器天线5)和标签的最佳距离不同。一般而言，列车6接近站台9地行驶，列车6的侧面和站台9的距离与列车6的车身底部6b和其下的地面8的距离相比能够缩短。因此，在本实施方式中，在轨道7的外侧的地面8设置第一标签2，并且在站台9的侧面等设置第二标签3，使第一标签2和天线5的距离大于第二标签3和天线5的距离，在高速行驶时用天线5接收第一标签2的个体识别信息来提高高速下的读取特性，在低速行驶时用天线5接收第二标签3的个体识别信息来提高低速下的位置探测精度。

这样，在第一实施方式中，在比列车6的轨道7更靠外侧的地面8上设置第一标签2，并且在列车6的侧面侧设置第二标签3，能够通过在列车6的底部6b侧设置的天线5与第一标签2以及第二标签3稳定地进行无线通信，所以不耗费设备成本就能够用列车6侧的天线5接收在第一标签2以及第二标签3中存储的个体识别信息，能够使用RFID来探测列车6的位置。与以往那样使用应答器、轨道电路相比，使用非常便宜的设备成本即可实现。

另外，例如通过使从第一标签2至天线5的距离比从第二标签3至天线5的距离长，能够使用第一标签2可靠地进行列车6的高速行驶时的位置探测，而且能够使用第二标签3高精度地进行列车6的低速行驶时的位置探测。

进而，通过调整天线5的电波增益模式以使得电波增益在第一标签2的方向和第二标签3的方向上变大，能够仅用一个天线5与第一标签2以及第二标签3进行无线通信，能够削减列车6侧的RFID设备成本。

另外，在本实施方式中，将第一标签2设置于轨道7的外侧的地面8上，所以能够将第一标签2和第二标签3配置得近，另外天线5的设置场所也能够配置于列车6的底部6b的边缘侧。由此，能够在来自配置于列车6的底部6b的各种配置于驾驶室下的机器的电波干扰少的部位处设置天线5，能够在电波干扰少的状态下使天线5与第一标签2以及第二标签3进行无线通信。

(第二实施方式)

第二实施方式在列车6侧与各标签对应起来地设置独立的天线元件。其中，针对每两个天线元件连接有一个无线通信部4，通过两个天线元件作为一个天线发挥功能。

图7是表示第二实施方式的无线通信系统1的概略结构的框图。图7的无线通信系统1除了设置于列车6的底部6b的边缘侧的天线5的结构与第一实施方式不同以外，其它与第一实施方式共同。

图7的天线5具有第一天线部5a和第二天线部5b。第一天线部5a在第一标签2的方向上具有指向性，在第二标签3的方向上不具有指向性。第一天线部5a专用于与第一标签2的无线通信。第二天线部5b在第二标签3的方向上具有指向性，在第一标签2的方向上不具有指向性。第二天线部5b专用于与第二标签3的无线通信。

相互分离地配置第一天线部5a和第二天线部5b。即，第一天线部5a和第二天线部5b能够相互无关地发送接收电波。第一天线部5a和第二天线部5b既可以在共同的基板上分别使用不同的天线方向图来形成，也可以在独立的基板上形成。在图7中，示意地表示在独立的基板上形成第一天线部5a和第二天线部5b的例子，但这不过是一个例子。

使第一天线部5a和第二天线部5b分别仅在一个方向上具有指向性即可，所以与第一实施方式那样在两个方向上具有指向性的天线5相比，天线5的设计变得容易。

其中，在第一标签2和第一天线部5a的距离大于第二标签3和第二天线部5b的距离的情况下，需要第一天线部5a这一方具有比第二天线部5b大的天线增益。

这样，在第二实施方式中，对第一标签2对应起来第一天线部5a，对第二标签3对应起来第二天线部5b，所以即使第一标签2和第二标签3分别设置于不同的方向，也能够以最佳电波增益与各标签进行无线通信，能够提高例如位置探测精度。

虽然说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式仅为例示，未意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够通过其它各种方式实施，能够在不脱离发明的要旨的范围内进行各种省略、置换、变更。这些实施方式、其变形包含于发明的范围、要旨，并且包含于权利要求书记载的发明和其均等的范围。

Claims (14)

1.一种无线通信系统，具备：

第一标签，设置于比列车所行驶的轨道更靠外侧的地面上，通过以无线方式接收到的电力而被驱动；

第二标签，设置于比在行驶方向上延伸的所述列车的侧面更靠外侧、且比所述第一标签更靠上方，通过以无线方式接收到的电力而被驱动；

无线通信部，设置于所述列车，在与所述第一标签及所述第二标签之间进行无线通信；以及

天线，设置于所述列车，具有向所述第一标签及所述第二标签的方向的电波增益。

2.根据权利要求1所述的无线通信系统，其中，

所述天线设置于与列车的底部短边方向的中央相比从所述第一标签侧的位置至所述第二标签侧的列车的侧面端部的、能够与所述第一标签和所述第二标签进行无线通信的范围内。

3.根据权利要求1或者2所述的无线通信系统，其中，

从所述天线至所述第一标签的距离比从所述天线至所述第二标签的距离长。

4.根据权利要求3所述的无线通信系统，其中，

所述天线具有向所述第一标签的电波增益比向所述第二标签的电波增益大的平面天线。

5.根据权利要求4所述的无线通信系统，其中，

关于所述平面天线，与辐射电波的主面的法线方向相比，相对所述第一标签的方向和所述第二标签的方向具有更大的电波增益。

6.根据权利要求1所述的无线通信系统，其中，

所述天线具有：

第一天线部，在所述第一标签的方向上具有指向性；以及

第二天线部，配置为与所述第一天线部分离，在所述第二标签的方向上具有指向性，

所述无线通信部与所述第一天线部以及所述第二天线部连接。

7.根据权利要求1所述的无线通信系统，其中，

所述无线通信部具有读取器，该读取器读出在所述第一标签以及所述第二标签中记录的信息。

8.一种无线通信装置，具备：

无线通信部，与第一标签进行无线通信，该第一标签设置于比列车所行驶的轨道更靠外侧的地面上，并且与第二标签进行无线通信，该第二标签设置于比在行驶方向上延伸的所述列车的侧面更靠外侧且比所述第一标签更靠上方；以及

至少一个天线，向所述第一标签的电波增益比向所述第二标签的电波增益大。

9.根据权利要求8所述的无线通信装置，其中，

所述天线设置于与列车的底部短边方向的中央相比从所述第一标签侧的位置至所述第二标签侧的列车的侧面端部的、能够与所述第一标签和所述第二标签进行无线通信的范围内。

10.根据权利要求8或者9所述的无线通信装置，其中，

从所述天线至所述第一标签的距离比从所述天线至所述第二标签的距离长。

11.根据权利要求10所述的无线通信装置，其中，

所述天线具有向所述第一标签的电波增益比向所述第二标签的电波增益大的平面天线。

12.根据权利要求11所述的无线通信装置，其中，

关于所述平面天线，与辐射电波的主面的法线方向相比，相对所述第一标签的方向和所述第二标签的方向具有更大的电波增益。

13.根据权利要求8所述的无线通信装置，其中，

所述天线具有：

第一天线部，在所述第一标签的方向上具有指向性；以及

第二天线部，配置为与所述第一天线部分离，在所述第二标签的方向上具有指向性，

所述无线通信部与所述第一天线部以及所述第二天线部连接。

14.根据权利要求8所述的无线通信装置，其中，

所述无线通信部具有读取器，该读取器读出在所述第一标签以及所述第二标签中记录的信息。

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