CN112389502A - 用于地面轨道交通的通信系统及列车控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于地面轨道交通的通信系统及列车控制方法，该系统包括：车地通信主机、车地通信天线、HaLow车车通信主机、HaLow车车通信天线、车载主机；车地通信天线与车地通信主机连接；HaLow车车通信天线与HaLow车车通信主机连接；车地通信天线与HaLow车车通信主机连接；HaLow车车通信主机与车载主机连接。本发明通过合理部署基于HaLow无线通信技术的点对点通信设备，提供列车与列车之间高效、快速的数据通信，在列车距离较近时使用列车与列车直接数据交互进行通信，动态调整列车运行最小安全距离、列车运行速度，降低列车自动驾驶中列车的间距，保持列车平稳运行，为列车虚拟编组提供高质量通信支持。

Description

用于地面轨道交通的通信系统及列车控制方法

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种用于地面轨道交通的通信系统及列车控制方法。

背景技术

现有轨道交通列车与列车之间数据互通主要基于LTE-M网络，列车将运行数据由车地通信传输至数据中心，再由中心进行统一调度，然而中心获取的信息总是存在时间延后，且时延并不稳定(不同物理位置的无线通信质量不同)，无法保证控车信息的时效性，因此为保证安全，考虑调度信息的延后性，需要增大列车运行间距；目前现存的很多物联网技术都具有点对点通信的功能，且性能各异，然而，物联网技术大多使用非授权频段，频段干扰严重，此外，使用微波频段的物联网技术绕射及穿透性能较差，应对阴影效应的性能较差，无法保证通信质量，因此多数点对点通信技术无法满足地下隧道空间内的车车通信需求。

发明内容

本发明提供一种用于地面轨道交通的通信系统及列车控制方法，用以解决现有技术中列车通信时延并不稳定，无法保证控车信息的时效性的技术问题。

本发明提供一种用于地面轨道交通的通信系统，包括：

车地通信主机、车地通信天线、HaLow车车通信主机、HaLow车车通信天线、车载主机；

车地通信天线与车地通信主机连接；

HaLow车车通信天线与HaLow车车通信主机连接；

车地通信天线与HaLow车车通信主机连接；

HaLow车车通信主机与车载主机连接；

车地通信主机用于处理由车地通信天线接收的无线信息，并进行对地的数据发送，提供智能列车与地面数据中心之间的接口；

HaLow车车通信主机用于列车间数据交互协议的解析；

HaLow车车通信天线用于接收来自其他列车发送的无线信号，以及向其他列车发送无线信号；

车载主机用于对列车数据进行汇聚、处理和分析，生成需要传输给地面中心或其他列车的信息。

根据本发明提供的一种用于地面轨道交通的通信系统，车地通信天线分别部署于两端车头的顶部。

根据本发明提供的一种用于地面轨道交通的通信系统，HaLow车车通信主机还用于提供发送或接收基于HaLow技术的数据包，还原列车与列车之间发送的数据包。

根据本发明提供的一种用于地面轨道交通的通信系统，车载主机还用于基于其他列车发来的运行状态信息确定最小安全距离。

根据本发明提供的一种用于地面轨道交通的通信系统，车载主机还用于控制车载网络中的牵引和制动模块。

本发明还提供一种基于上述用于地面轨道交通的通信系统的列车控制方法，包括：

确定当前与前车之间的第一距离；

若所述第一距离小于等于第一预设阈值，则通过HaLow车车通信天线与前车建立通信连接；

若所述第一距离大于第一预设阈值，则通过车地通信天线与前车建立通信连接。

根据本发明提供的一种列车控制方法，还包括：

将自身的运行状态信息回传至地面数据中心。

根据本发明提供的一种列车控制方法，还包括：

获取前车的运行状态信息，并基于前车的运行状态信息确定与前车的最小安全距离。

根据本发明提供的一种列车控制方法，还包括：

若所述第一距离大于最小安全距离，则控制牵引和制动模块进行加速；

若所述第一距离小于等于最小安全距离，则控制牵引和制动模块进行减速。

根据本发明提供的一种列车控制方法，还包括：

根据前车与前方停靠点之间的第二距离确定前车是否即将减速；

若前车即将减速，则根据所述第二距离和最小安全距离，确定自身与前方停靠点之间的第三距离；

基于所述第三距离确定减速的加速度。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述列车控制方法的步骤。

本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述列车控制方法的步骤。

本发明提供的用于地面轨道交通的通信系统及列车控制方法，通过合理部署基于HaLow无线通信技术的点对点通信设备，为智能列车提供列车与列车之间高效、快速的数据通信，在列车距离较近时使用列车与列车直接数据交互进行通信，动态调整列车运行最小安全距离、列车运行速度，从而降低列车自动驾驶中列车的间距，保持列车平稳运行，为列车虚拟编组提供高质量通信支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的用于地面轨道交通的通信系统的结构示意图；

图2是本发明提供的用于地面轨道交通的通信系统的通信基本原理示意图；

图3是本发明提供的天线部署方式的示意图；

图4是本发明提供的用于地面轨道交通的通信系统的列车控制方法的流程示意图；

图5是本发明提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明提供的用于地面轨道交通的通信系统的结构示意图，如图1所示，本发明提供一种用于地面轨道交通的通信系统，包括：车地通信主机、车地通信天线、HaLow车车通信主机、HaLow车车通信天线、车载主机；

车地通信天线与车地通信主机连接；

HaLow车车通信天线与HaLow车车通信主机连接；

车地通信天线与HaLow车车通信主机连接；

HaLow车车通信主机与车载主机连接；

车地通信主机用于处理由车地通信天线接收的无线信息，并进行对地的数据发送，提供智能列车与地面数据中心之间的接口；

HaLow车车通信主机用于列车间数据交互协议的解析；

HaLow车车通信天线用于接收来自其他列车发送的无线信号，以及向其他列车发送无线信号；

车载主机用于对列车数据进行汇聚、处理和分析，生成需要传输给地面中心或其他列车的信息。

以车地通信主机为5G车地通信主机，车地通信天线为5G车地通信天线为例，该系统包括：5G车地通信主机、5G车地通信天线、车车通信主机、车车通信天线、车载主机。

系统的基本原理为：

(1)5G车地通信主机：负责车地通信功能，处理由5G车地通信天线接收的无线信息，同时列车网络产生的数据通过车载主机进行汇聚、决策并通过5G车地通信主机进行对地的数据发送功能，提供智能列车与地面数据中心之间的接口。

(2)5G车地通信天线：分别位于两端车头处部署，接收来自基站发送的无线信号(地面高架环境基站使用自由波发送)，同时用于承载发送车载主机向地面中心发送的信息。

(3)车车通信主机：用于列车间数据交互协议的解析，提供发送/接收基于HaLow技术的数据包，还原列车与列车之间发送的数据包。

(4)车车通信天线：分别在列车两端车头处部署，接收来自其他列车发送的无线信号，同时承载车载主机向其他列车发送的信息。

(5)车载主机：与列车网络之间的接口，通过连接车载交换机接入列车网络，车载终端设备运行产生的数据汇聚到车载主机处进行处理、分析，生成需要传输给地面中心或其他列车的信息，并通过5G车地通信设备、HaLow车车通信设备进行发送。

同时，结合其他列车发来的状态信息，结合网络延时，计算列车安全距离，从而控制车载网络中的牵引、制动模块。

图2是本发明提供的用于地面轨道交通的通信系统的通信基本原理示意图，如图2所示，其中包含：前车、从车、5G基站、天线。

基本原理为：

(1)前车：前车运行时通过天线、5G基站保持车地通信，车载数据通过无线传输至地面中心进行存储、分析、使用，同时天线中的车车通信天线保持激活状态，持续搜索并尝试直连接入附近列车终端。

(2)从车：从车运行时通过天线、5G基站保持车地通信，车载数据通过无线传输至地面中心进行存储、分析、使用，同时天线中的车车通信天线保持激活状态，持续搜索并尝试直接接入附近列车终端。当从车与前车距离满足车车通信主机搜索距离并进行直接通信时，双方车车通信主机自动进行匹配接入，经过GPS时间同步后，将列车运行信息通过直连接口互相发送。双方获取对端的运行信息后，从车通过合理自动控制牵引、制动力，使从车和前车之间距离缩短，提升轨道交通列车运行效率。列车同步保持车地通信将数据回传至地面中心，从而在地面中心处进行预测、统一调度。

(3)5G基站：提供基于5G的车地通信接口，5G车地通信设备基于Uu接口(车地通信接口)通信时通过基站将数据包回传至地面中心提供使用。

(4)天线：天线分为5G车地通信天线、车车通信天线，车地通信天线主要负责承载Uu接口的通信，车车通信天线主要负责承载列车与列车之间直接的数据通信。

可选地，车地通信天线分别部署于两端车头的顶部。

图3是本发明提供的天线部署方式的示意图，如图3所示，5G车地通信天线分别位于两端车头处部署，接收来自基站发送的无线信号(地面高架环境基站使用自由波发送)，同时用于承载发送车载主机向地面中心发送的信息。

为确保智能列车车地、车车通信信号接收，本发明采用图3中的方式部署天线，其中包含：车地通信天线，车车通信天线。

基本原理为：

(1)车地通信天线：由于地面高架轨道交通环境采用自由波进行无线信号传输，因此车地通信天线部署在车头顶部，采用全向天线接收来自各方的无线信号。在两端车头同时部署车地通信天线，实现车地通信网络的冗余，提升智能列车运行的安全性。

(2)车车通信天线：由于智慧列车可能同时作为前车或从车且方位可变，因此通过将车车通信天线部署在列车顶部并采用全向天线的形式，检测来自前方、后方、侧方的列车，并提供列车与列车之间的数据直连。

(3)考虑地面高架场景下无线信号存在大量房屋多径干扰，无线信号遮挡较多，天线均采用分集接收的方式，实现冗余的同时，能够在一定程度提升列车运行时接收数据的精度。

可选地，HaLow车车通信主机还用于提供发送或接收基于HaLow技术的数据包，还原列车与列车之间发送的数据包。

本发明通过对比多种点对点通信技术，选择HaLow技术及对应设备作为地面高架环境中车车通信技术，其主要原因包括：

(1)考虑地面高架环境内能够接收GPS信号，HaLow技术能够通过GPS信号进行精准校时，提供地面高架环境智能列车互相靠近时可靠的数据直通。

(2)HaLow技术综合通信性能较好，支持最高32.5Mbps吞吐量，传输半径1km。

(3)考虑地面高架环境中存在由其他设备带来的非授权频段信号干扰，使用700MHz频段进行通信，避免受到WiFi等无线技术干扰。此外，由于700MHz波段性质，无线信号绕射、穿墙能力较强，能够缓解地面高架环境中的阴影效应，提高通信质量。

可选地，车载主机还用于基于其他列车发来的运行状态信息确定最小安全距离。

系统降低列车自动驾驶控车间距的原理为：

(1)前车通过车地通信接入地面网络，将自身运行状态回传至地面数据中心。

(2)从车通过车地通信接入地面网络，将自身运行状态回传至地面中心。

(3)由于从车在获取前车运行数据的时延随时间、环境、网络构成而波动，传统的列车自动驾驶参数将列车间距保持在一个较远的距离。

(4)在从车与前车距离为传统自动驾驶保持的距离时，前车和从车能够通过车车通信天线互相进行数据直通。

(5)从车和前车直接通过车车通信交换自身运行状态，并评估下5个周期的状态。

(6)由于列车与列车之间数据直通，因此通信时延被控制在较为稳定的低时延(例如：20ms以内)，因此列车响应时间较短，根据动态调整的列车最小安全距离，从车控制自身牵引、制动力输出，在将列车间距进一步缩短的基础上，保持列车平稳运行。

(7)整体系统由于列车运行间距的缩短，得到运行效率的提升。

可选地，车载主机还用于控制车载网络中的牵引和制动模块。

最小安全距离动态调整的基本原理为：

在从车和前车基于车车通信单元进行直接数据互通的基础上：

(1)前车通过车车通信天线，将自身运行的速度、位置、当前时间、距站点距离等运行信息通过车车通信的方式分享给从车。

(2)从车接收来自前车的运行状态信息，结合当前系统时间及自身运行状态信息，进行计算。

(3)从车评估5个周期后的时间，并假设前车为静止状态，计算5个运行周期后自身行驶的距离。

(4)根据不同场景，定义参数λ，对从车计算自身5个周期运行的距离乘以参数λ，得到认可安全的列车间距。

(5)计算前车与从车的间距，如果间距大于计算的最小安全距离，则车载主机控制牵引、制动模块进行加速；如果间距小于计算的最小安全距离，则车载主机控制牵引、制动模块进行减速。

(6)随着从车的加速、减速，列车动态最小安全距离会随之改变，直至保持平衡；如遇前车减速，由于列车间距缩短，因此从车会动态减速保证与前车的安全间距。

另外，本发明提供的用于地面轨道交通的通信系统还可以保持列车平稳运行。

保持列车平稳运行的基本原理为：

(1)如果经计算前车与停靠点的距离小于预测周期行驶的距离乘以给定参数ε(ε远大于λ)，判定前车即将到站，前车即将减速。

(2)根据从车自身位置，计算从车距前车停靠点的距离，并结合最小安全距离，计算自身应当行驶的距离。

(3)结合从车自身速度、前车预测到达停靠点时间、前车预测停靠时间，计算从车应当减速的加速度。

(4)前车结束停靠并启动加速时通过车车通信天线发送自身启动信息，从车接收信息后，轻微加速拉开与后车距离。

(5)从车逐渐减速准备进站停靠，此时后车判断前车(之前的从车)即将进站，进入循环。

本发明提供的用于地面轨道交通的通信系统，智能列车能够在距离较近时使用列车与列车直接数据通信的方式，区分传统LTE-M使用基站进行转发的方式，能够保持车车通信较短、较稳定的通信时延。此外，由于地面高架场景房屋多径强、阴影效应高、干扰源较多的特点，本系统采用综合性能较高的HaLow设备作为点对点通信技术，并将天线分离并分集部署，同步提升信号接收强度并形成冗余，既满足地面高架空间的通信使用，又保证在列车距离较远时正常接入地面中心，在提升整体系统运行效率的基础上，保障行车安全。

图4是本发明提供的用于地面轨道交通的通信系统的列车控制方法的流程示意图，如图4所示，本发明提供一种用于地面轨道交通的通信系统的列车控制方法，包括：

步骤401、确定当前与前车之间的第一距离。

步骤402、若所述第一距离小于等于第一预设阈值，则通过HaLow车车通信天线与前车建立通信连接；

若所述第一距离大于第一预设阈值，则通过车地通信天线与前车建立通信连接。

可选地，还包括：

将自身的运行状态信息回传至地面数据中心。

可选地，还包括：

获取前车的运行状态信息，并基于前车的运行状态信息确定与前车的最小安全距离。

可选地，还包括：

若所述第一距离大于最小安全距离，则控制牵引和制动模块进行加速；

若所述第一距离小于等于最小安全距离，则控制牵引和制动模块进行减速。

可选地，还包括：

根据前车与前方停靠点之间的第二距离确定前车是否即将减速；

若前车即将减速，则根据所述第二距离和最小安全距离，确定自身与前方停靠点之间的第三距离；

基于所述第三距离确定减速的加速度。

具体来说，本发明提供的上述列车控制方法，基于上述实施例中用于地面轨道交通的通信系统，列车控制方法的流程与上述实施例中用于地面轨道交通的通信系统的相关工作原理相同，且能够达到相同的技术效果，在此不再对本实施例中与系统实施例相同的部分及有益效果进行具体赘述。

本发明提供的上述列车控制方法，轨道交通智能列车能够在互相靠近时，使用列车之间的直接通信进行数据交互，列车运行信息无需通过上传至中心并进行统一调度的方式，保证列车之间通信的时延，从而基于前车和从车的状态信息，计算合适的最小安全距离，动态调整列车间距、列车运行速度，实现大幅降低列车运行间距的同时，列车平稳运行。考虑轨道空间通信的特点，通过合理部署地面物联网HaLow设备，在为列车提供近距离车车直接通信的基础上，优化通信性能，保证无线信号的接收，从而为列车虚拟编组等车车通信技术提供高可靠高稳定性的列车间通信通道支持。

此外，考虑列车之间直接数据通信的信号距离限制，保留列车使用5G车地通信主机接入5G网络进行车地通信的功能，在列车间距较远时列车运行数据通过5G网络进行车地通信回传至数据中心，在提升智能列车车地通信性能的同时，保障列车运行安全，使列车稳定运行。

图5是本发明提供的电子设备的结构示意图，如图5所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)510、通信接口(Communications Interface)520、存储器(memory)530和通信总线540，其中，处理器510，通信接口520，存储器530通过通信总线540完成相互间的通信。处理器510可以调用存储器530中的逻辑指令，以执行基于用于地面轨道交通的通信系统的列车控制方法，该方法包括：

确定当前与前车之间的第一距离；

若所述第一距离小于等于第一预设阈值，则通过HaLow车车通信天线与前车建立通信连接；

若所述第一距离大于第一预设阈值，则通过车地通信天线与前车建立通信连接。

此外，上述的存储器530中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的基于用于地面轨道交通的通信系统的列车控制方法，该方法包括：

确定当前与前车之间的第一距离；

若所述第一距离小于等于第一预设阈值，则通过HaLow车车通信天线与前车建立通信连接；

若所述第一距离大于第一预设阈值，则通过车地通信天线与前车建立通信连接。

又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的基于用于地面轨道交通的通信系统的列车控制方法，该方法包括：

确定当前与前车之间的第一距离；

若所述第一距离小于等于第一预设阈值，则通过HaLow车车通信天线与前车建立通信连接；

若所述第一距离大于第一预设阈值，则通过车地通信天线与前车建立通信连接。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于地面轨道交通的通信系统，其特征在于，包括：

车地通信主机、车地通信天线、HaLow车车通信主机、HaLow车车通信天线、车载主机；

车地通信天线与车地通信主机连接；

HaLow车车通信天线与HaLow车车通信主机连接；

车地通信天线与HaLow车车通信主机连接；

HaLow车车通信主机与车载主机连接；

车地通信主机用于处理由车地通信天线接收的无线信息，并进行对地的数据发送，提供智能列车与地面数据中心之间的接口；

HaLow车车通信主机用于列车间数据交互协议的解析；

HaLow车车通信天线用于接收来自其他列车发送的无线信号，以及向其他列车发送无线信号；

车载主机用于对列车数据进行汇聚、处理和分析，生成需要传输给地面中心或其他列车的信息。

2.根据权利要求1所述的用于地面轨道交通的通信系统，其特征在于，车地通信天线分别部署于两端车头的顶部。

3.根据权利要求1所述的用于地面轨道交通的通信系统，其特征在于，HaLow车车通信主机还用于提供发送或接收基于HaLow技术的数据包，还原列车与列车之间发送的数据包。

4.根据权利要求1所述的用于地面轨道交通的通信系统，其特征在于，车载主机还用于基于其他列车发来的运行状态信息确定最小安全距离。

5.根据权利要求1-4任一项所述的用于地面轨道交通的通信系统，其特征在于，车载主机还用于控制车载网络中的牵引和制动模块。

6.一种基于权利要求1-4任一项所述的用于地面轨道交通的通信系统的列车控制方法，其特征在于，包括：

确定当前与前车之间的第一距离；

若所述第一距离小于等于第一预设阈值，则通过HaLow车车通信天线与前车建立通信连接；

若所述第一距离大于第一预设阈值，则通过车地通信天线与前车建立通信连接。

7.根据权利要求6所述的列车控制方法，其特征在于，还包括：

将自身的运行状态信息回传至地面数据中心。

8.根据权利要求6所述的列车控制方法，其特征在于，还包括：

获取前车的运行状态信息，并基于前车的运行状态信息确定与前车的最小安全距离。

9.根据权利要求6所述的列车控制方法，其特征在于，还包括：

若所述第一距离大于最小安全距离，则控制牵引和制动模块进行加速；

若所述第一距离小于等于最小安全距离，则控制牵引和制动模块进行减速。

10.根据权利要求6-9任一项所述的列车控制方法，其特征在于，还包括：

根据前车与前方停靠点之间的第二距离确定前车是否即将减速；

若前车即将减速，则根据所述第二距离和最小安全距离，确定自身与前方停靠点之间的第三距离；

基于所述第三距离确定减速的加速度。

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