CN112455497A - 一种隧道内轨道交通车辆防追尾系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种隧道内轨道交通车辆防追尾系统和方法，防追尾系统包括分别设于列车头部和尾部的两个防追尾机构，头部所设防追尾机构作为问询机构，尾部所设防追尾机构作为应答机构，两个防追尾机构之间通过车辆总线相连，防追尾方法包括进行防追尾机构属性定义、待跟踪应答机构的搜索和选定、问询机构以固定频率发送跟踪询问信号、待跟踪应答机构收到跟踪问询信号并发送跟踪应答信号、问询机构接收跟踪应答信号并进行距离解算、主控系统将解算距离与报警门限进行比较并对超门限状况进行预警。本发明能够满足当前高速列车最大跟踪距离的应用要求，且提高了测量精度，同时能够应用于高速动车组列车在内的多种城市轨道交通车型，应用范围广泛。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通安全防护技术领域，尤其涉及一种隧道内轨道交通车辆防追尾系统和方法。
背景技术
目前，轨道交通领域主流的几种列车防追尾系统主要是GNSS定位、一次雷达和二次雷达这三种，其优缺点具体如下：
(1)GNSS定位：通过GNSS卫星信号来获取列车的运行状态信息，在隧道等环境下借助里程计(或涡流传感器、惯性导航仪和陀螺仪等传感器)得到列车的位置信息，再通过车-车通信或者车-地通信方式与前后车进行数据传输，实现列车防追尾预警。
这种方式由于传感器数据容易产生累积误差，从而影响到列车的定位精度。国内北京交通大学余祖俊团队设计的追尾预警系统，前后行列车间依靠CTCS-3级列控的GSM-R的基站及无线闭塞中心实现间接通信，通信环节多、可靠性不高。当列控中心或无线闭塞中心故障，仍会导致追踪运行列车问追尾事故的发生。
(2)一次雷达：利用雷达测量前后车相对距离信息，再根据距离信息做相应预警判断。
一次雷达当发现前方有目标时就会进行报警，这种方式在隧道内、拐弯处、爬坡处受到诸多限制，极易发生误报警，目前难以在高速列车上使用。
(3)二次雷达：基于二次雷达测距获得前后两车相对距离信息。
这种方法目前在城市轨道交通领域已有应用先例，同基于GNSS定位的手段相比，可应用于隧道中，且测距实时性大幅提高。但是，目前的二次雷达测距方法测量距离较近，无法满足最大跟踪距离Rm>10km的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种隧道内轨道交通车辆防追尾系统和方法，能够满足当前高速列车最大跟踪距离的应用要求，且提高了测量精度，同时能够应用于高速动车组列车在内的多种城市轨道交通车型，应用范围广泛。
本发明采用的技术方案为：
一种隧道内轨道交通车辆防追尾系统，其特征在于：包括两个防追尾机构，一个防追尾机构设于列车头部作为问询机构，另一个防追尾机构设于列车尾部作为应答机构，两个防追尾机构之间通过车辆总线相连；
所述防追尾机构包括系统主机、人机界面和测距天线，系统主机分别连接人机界面和测距天线；
系统主机包括主控处理单元、射频收发单元和电源管理单元；
主控处理单元包括中频信号采集及产生板卡模块和数字信号处理及接口控制板卡模块；中频信号采集及产生板卡模块输入端通过射频收发单元接收信号，中频信号采集及产生板卡模块通讯端连接数字信号处理及接口控制板卡模块；中频信号采集及产生板卡模块包括时钟分配模块、模数转换模块ADC和数模转换模块DAC；数字信号处理及接口板卡模块包括FPGA模块、ARM模块及接口组，FPGA模块和ARM模块上分别设有数字接口，FPGA模块第一通讯端连接模数转换模块ADC，FPGA模块第二通讯端连接数模转换模块DAC，FPGA第三通讯端连接ARM通讯端。
进一步地，所述射频收发单元包括下变频接收机、上变频发射机和调频开关，通过调频开关进行下变频接收机与上变频发射机之间的功能切换；所述下变频接收机包括预选器、低噪声放大器、混频器、带通滤波器和中频AGC放大器，所述上变频发射机包括中频滤波器、混频器、驱动放大器和功率放大器。
进一步地，所述电源管理单元包括依次串联的DC电源滤波器、DC/DC电源模块和滤波电路。
进一步地，所述测距天线采用低旁瓣天线。
进一步地，所述防追尾机构的测距天线后方设有金属板，金属板的四周长度超出测距天线四周长度1.5倍波长。
一种基于上述隧道内轨道交通车辆防追尾系统的防追尾方法，包括
A、根据列车行驶状态进行问询机构和应答机构的属性定义；
列车行驶方向的车头位置所设防追尾机构为问询机构，列车行驶方向的车尾位置所设防追尾机构为应答机构；
B、待跟踪应答机构的搜索和选定；具体为：
b1、问询机构运行搜索任务进行目标搜索：问询机构以固定频率发送询问信号，此时运行搜索任务的询问信号包括问询机构源地址和目的地址，源地址为每列火车分配的唯一的本机地址，目的地址为固定的广播地址；
b2、当问询机构接收到目的地址为问询机构地址的应答信号后，标记应答信号的源地址为应答机构地址，并将应答机构地址作为后继运行确认任务的目的地址；
b3、问询机构运行确认任务进行目标确认：问询机构顺序发起多个确认任务，确认是否存在多个目标，此时发送询问信号的目的地址为搜索到的应答机构地址；
b4、问询机构接收到正确地址的应答信号后将其标记为待跟踪应答机构；
b5、进行问询机构和待跟踪应答机构之间的距离解算并记录待跟踪应答机构对应的距离；
b6、选定距离最近的N个待跟踪应答机构进行跟踪任务；
C、问询机构以固定频率发送跟踪询问信号；
D、待跟踪应答机构收到跟踪问询信号后发送跟踪应答信号；
E、问询机构接收跟踪应答信号后进行距离解算并将解算结果传输至主控系统；
目标应答机构收到问询信号后进行解码，若目的地址满足为广播地址或本机地址，则应答机构固定延时后发送应答信号，此时应答信号的源地址为本机地址，目的地址为问询信号后的源地址；问询机构接收到跟踪应答信号后根据发送询问信号至接收到应答信号之间的时间间隔进行距离解算；距离解算过程中采用卡尔曼滤波方法获取目标的相对速度和加速度；
F、主控系统将解算的距离与报警门限进行比较，若距离超过报警门限则进行报警。
进一步地，所述问询信号和应答信号均采用频率分配和时隙分配的方式进行发送。
进一步地，所述时隙分配的具体流程为：
s1：列车通过ATP获得上下行信息并保持，将上下行信息告知问询机构和应答机构，问询机构和应答机构将该信息配置在其发射数据数据段中；
s2：设备开机后，检测2s内车尾应答机构是否未接收任何应答信号，是则进入步骤s4，反之则进入步骤s3；
s3：检测所接收应答信号的上下行字段，如果该应答信号上下行字段不一致，则应答信号发送车辆与本车不在同一个上下行轨道，问询机构不予回应；反之，则两车同时处于上行或下行，车尾应答机构发送应答数据并进入步骤s4；
s4：车头问询机构发送搜索数据帧，检测是否有应答机构应答，若无，则问询机构每隔2s发送一次搜索数据帧，若有，则进入步骤s5:；
s5：记录应答机构原地址并持续发送跟踪数据帧。
进一步地，所述步骤E中采用基于CCS信号的无线测距方法与SDS-TWR测距方法相结合的方式进行距离结算；具体流程如下：
e1：主动端向被动端发送主动测距信号；
e2：被动端接收到主动测距信号后应答并发出被动确认信号，同时，计算从接收主动测距信号到发出被动确认信号之间的时延T2；
e3：主动端接收到被动确认信号并计算从发出主动测距信号到接收到被动确认信号之间的时延T1；
e4：被动端发出被动测距信号，其中被动测距信号的数据帧包括时延T2信息；
e5：主动端接收含有T2信息的被动测距信号并发出主动确认信号，同时，计算从接收被动测距信号到发出主动确认信号之间的时延T3；
e6：被动端接收主动确认信号，计算从发出含有T2的被动测距信号到接收到主动确认信号之间的时延T4；
e7：被动端向主动端发出含有T4信息的二次测距信号；
e8：计算主动端和被动端之间的距离D，D＝c[(T1-T2)+(T3+T4)]/4，其中，c表示300000km/s。
进一步地，所述主动端或被动端发送数据时数据帧中包含有当前时刻的时间戳，当对应接收端接收到该数据时记录接收时刻的时间戳，两个时间戳之间的时间差即为时延。
本发明具有以下有益效果：
(1)通过在列车头部和尾部分别设置一套问询机构，利用两套问询机构之间的问询，完成问询、确认和跟踪目标的过程，有效提高了防追尾系统的作用距离和精度，且能够运用到包含高速动车组列车在内的诸多车型，在城市轨道交通上具有广泛的应用前景；
(2)通过采用无线电应答技术，将脉冲压缩高精度测距和组网通信技术无缝融合，且通过测量问询机构发射问询信号和接收应答信号间的时间间隔，在考虑额外处理延时的基础上计算两车间距，实现合作目标的实时探测，且进一步提高距离解算精度；
(3)通过在防追尾机构的平面天线阵后方设置金属板，金属板的四周长度超出天线四周长度1.5倍波长，减少天线辐射信号绕射，尽可能压制天线背瓣的幅度，利用该方法，天线背瓣可压制到55dB以下；
(4)通过采用在数据帧加入时间戳以计算延时并在解算过程中考虑时延的方法，有效降低动态滞后带来的测量误差。
附图说明
图1为本发明中防追尾系统的接口示意框图；
图2为图1中主控及处理单元的结构示意图；
图3为本发明中防追尾方法的流程图；
图4为SDS-TWR测距方法的原理图。
具体实施方式
本发明公开了一种隧道内轨道交通车辆防追尾系统，包括两个防追尾机构，一个防追尾机构设于列车头部作为问询机构，另一个防追尾机构设于列车尾部作为应答机构，两个防追尾机构之间通过车辆总线相连；
所述防追尾机构包括系统主机、人机界面和测距天线，系统主机分别连接人机界面和测距天线；
系统主机包括主控处理单元、射频收发单元和电源管理单元；
主控处理单元包括中频信号采集及产生板卡模块和数字信号处理及接口控制板卡模块；中频信号采集及产生板卡模块输入端通过射频收发单元接收信号，中频信号采集及产生板卡模块通讯端连接数字信号处理及接口控制板卡模块；中频信号采集及产生板卡模块包括时钟分配模块、模数转换模块ADC和数模转换模块DAC；数字信号处理及接口板卡模块包括FPGA模块、ARM模块及接口组，FPGA模块和ARM模块上分别设有数字接口，FPGA模块第一通讯端连接模数转换模块ADC，FPGA模块第二通讯端连接数模转换模块DAC，FPGA第三通讯端连接ARM通讯端。
本发明还公开了上述隧道内轨道交通车辆防追尾系统的防追尾方法，包括
A、根据列车行驶状态进行问询机构和应答机构的属性定义；
列车行驶方向的车头位置所设防追尾机构为问询机构，列车行驶方向的车尾位置所设防追尾机构为应答机构；
B、待跟踪应答机构的搜索和选定；具体为：
b1、问询机构运行搜索任务进行目标搜索：问询机构以固定频率发送询问信号，此时运行搜索任务的询问信号包括问询机构源地址和目的地址，源地址为每列火车分配的唯一的本机地址，目的地址为固定的广播地址；
b2、当问询机构接收到目的地址为问询机构地址的应答信号后，标记应答信号的源地址为应答机构地址，并将应答机构地址作为后继运行确认任务的目的地址；
b3、问询机构运行确认任务进行目标确认：问询机构顺序发起多个确认任务，确认是否存在多个目标，此时发送询问信号的目的地址为搜索到的应答机构地址；
b4、问询机构接收到正确地址的应答信号后将其标记为待跟踪应答机构；
b5、进行问询机构和待跟踪应答机构之间的距离解算并记录待跟踪应答机构对应的距离；
b6、选定距离最近的N个待跟踪应答机构进行跟踪任务；
C、问询机构以固定频率发送跟踪询问信号；
D、待跟踪应答机构收到跟踪问询信号后发送跟踪应答信号；
E、问询机构接收跟踪应答信号后进行距离解算并将解算结果传输至主控系统；
目标应答机构收到问询信号后进行解码，若目的地址满足为广播地址或本机地址，则应答机构固定延时后发送应答信号，此时应答信号的源地址为本机地址，目的地址为问询信号后的源地址；问询机构接收到跟踪应答信号后根据发送询问信号至接收到应答信号之间的时间间隔进行距离解算；距离解算过程中采用卡尔曼滤波方法获取目标的相对速度和加速度；
F、主控系统将解算的距离与报警门限进行比较，若距离超过报警门限则进行报警。
为了更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
一种隧道内轨道交通车辆防追尾系统，包括两个防追尾机构，一个防追尾机构设于列车头部作为问询机构发射问询信号，另一个防追尾机构设于列车尾部作为应答机构，用于接收问询信号后发出应答信号，两个防追尾机构之间通过车辆总线相连。
如图1所示，防追尾机构包括系统主机、人机界面和测距天线，系统主机分别连接人机界面和测距天线。系统主机设于列车操控室，两个系统主机之间通过车辆总线连接，人机界面设于列车操控台前方，测距天线设于车顶。
系统主机包括主控处理单元、射频收发单元和电源管理单元。
如图2所示，主控处理单元包括中频信号采集及产生板卡模块和数字信号处理及接口控制板卡模块；中频信号采集及产生板卡模块输入端通过射频收发单元接收信号，中频信号采集及产生板卡模块通讯端连接数字信号处理及接口控制板卡模块。
中频信号采集及产生板卡模块包括时钟分配模块、模数转换模块ADC和数模转换模块DAC；数字信号处理及接口板卡模块包括FPGA模块、ARM模块及相应的接口功能芯片，FPGA模块第一通讯端连接模数转换模块ADC，FPGA模块第二通讯端连接数模转换模块DAC，FPGA第三通讯端连接ARM通讯端。FPGA模块上设有DDR3接口、QFLASH接口和控制接口，ARM模块上设有DDR3接口、SD接口和QFLASH接口；接口功能芯片设有多种用于连接外部设备的功能接口，包括MVB接口、CAN接口、网络接口、RS422接口、UART调试接口、频综控制接口，满足整车通信要求。
数字信号处理及接口控制板卡模块包括输入控制信号采集和输出逻辑执行，其中输入控制信号采集和输出逻辑执行采用三选二方式，保证可靠执行，满足SIL2功能安全等级要求，且在故障发生时导向安全。从司机所在的列车控制室、按键开关组等输入的信号电压及从主断路器、隔离开关、两位置转换开关和接触器等传感器的辅助触点输入的信号电压为直流110V，因此信号输入系统主机之前必须经过电阻网络降压、稳压管限幅、电容滤波和光电隔离，然后再经过施密特触发器输入给系统主机。采用该种方式的电路可靠性高，抗干扰能力强，能适应电力机车上的恶劣工作环境。
本发明在输出逻辑执行设计方面，系统内的工作电压为TTL等级，且其负载能力较低，为了与外部的110V直流工作电压一致，并具有足够的驱动能力必须有专门的输出模块，本发明采用MOSFET作为功率放大元件来取代传统的中间继电器，利用隔离光伏MOSFET驱动集成芯片控制MOS管的通断，从而解决了多个串联触头间输出共地问题。
射频收发单元包括下变频接收机、上变频发射机和调频开关，通过调频开关进行下变频接收机与上变频发射机之间的收发功能的切换。下变频接收机包括预选器、低噪声放大器、混频器、带通滤波器和中频AGC放大器，上变频发射机包括中频滤波器、混频器、驱动放大器和功率放大器，输出信号经过开过选通，由天线辐射出去。本振信号由恒温晶振和锁相环电路组成，由数字信号处理单元控制输出频率，完成接收和发射本振的频率切换。
射频收发单元信号的发送过程具体为：信号处理模块产生要发送的20MHz数字线性调频信号，经过数字模拟变换(DA)变成中频模拟信号，然后通过带通滤波和上变频混频器成为射频信号，再经过自动增益控制(AGC)和功率放大通过收发开关，最后由射频天线幅射出去。信号的接收过程为射频天线接收到信号，通过收发开关和低噪声放大器(LNA)，信号放大后经过下变频混频器和带通滤波器变成中频信号，然后经过AGC放大和模拟数字变换(AD)后送往信号处理，最后信号处理模块通过脉冲压缩和解码操作进行目标距离解算。整个系统的工作模式和输入输出、通讯接口等由主控模块控制信号处理模块，同时接收信号处理模块的目标距离信息进行卡尔曼滤波形成目标的航迹信息和报警信息。
电源管理单元包括依次串联的DC电源滤波器、DC/DC电源模块和滤波电路。电源管理单元输入110VDC电源，输出13VDC电源。采用DC/DC隔离电源模块，可靠性和抗干扰性能增强。
车头问询机构发射信号时，其主要信号通过天线主瓣向前发射，但也有部分能量通过天线背瓣向后发射，同时，车尾应答机构的天线主瓣对向车辆运动的反方向，接收来自后面车辆的信号，但其天线背瓣也会接收到该车辆自己车头询问机发射来询问信号。
要保证车尾应答机构不能接收到该信号，避免引起通信混乱，本发明对天线结构进行改进，以实现天线背瓣的影响抑制。具体为：在问询机构和应答机构的测距天线阵后面增加金属板，金属板的四周长度要超出测距天线四周长度，超出长度为1.5倍波长，减少天线辐射信号绕射，尽可能压制天线背瓣的幅度，利用该方法，天线背瓣可压制到55dB以下。
隧道内邻近上下行车道的车辆，在距离较近时，会通过旁瓣将邻近的车辆发射信号引入接收机，造成接收机无法正常工作，因此，为了减小邻近车道的干扰，必须设计低旁瓣天线，本发明优选采用微带天线阵面用以抑制此问题。微带天线阵面主要用于实现射频信号的发射与接收。微带天线阵面中的天线单元采用矩形微带天线形式，介质板材选用罗杰斯4350B，全阵为4×4共16个单元组成，天线阵面采用串并馈结合形式混合馈电，两维均采用电流分布均满足泰勒分布，使天线阵面两维副瓣满足低副瓣要求。同时，在天线阵面四周按照反射板，以进一步提高天线阵面增益，进一步降低天线背板。采用该串并馈结合的馈电方式，可有效降低天线旁瓣，旁瓣抑制优于20dB。
一种上述隧道内轨道交通车辆防追尾系统的防追尾方法，如图3所示，包括
A、根据列车行驶状态进行问询机构和应答机构的属性定义。
列车行驶方向的车头位置所设防追尾机构为问询机构，列车行驶方向的车尾位置所设防追尾机构为应答机构。
与此同时，还要完成列车防追尾系统工作模式的配置。
设备的工作模式可通过人机界面按键或旋钮选择设定成自动和手动两种模式。手动设置的优先级高于自动识别，手动模式下可以通过人机界面的旋钮设置成上行或下行状态和问询机构状态或应答机构状态。
自动模式下设备通过网络通信或其它方式识别列车的运行状态为入库状态、或者出库上行状态、或者出库下行状态：
(1)若列车运行状态为出库上行状态，则设置设备工作在频组1状态，同时将设置在列车头部的设备工作状态设置为问询机构状态，将设置在列车尾部的设备工作状态设置为应答机构状态；
(2)若列车运行状态为出库下行状态，则设置设备工作在频组2状态，以列车行驶方向为基准，设置列车头部的设备工作状态设置为问询机构状态，设置列车尾部的设备工作状态设置为应答机构状态；
(3)若列车运行状态为入库状态，则将防追尾机构都设置为静默状态，此时设备不辐射也不接收处理信号。
B、待跟踪应答机构的搜索和选定。
列车防追尾机构正常工作时，问询机构发送询问信号，应答机构收到问询信号后发送应答信号，问询机构接收应答信号后计算发收之间的时间间隔并进行距离解算，根据功能不同有搜索任务、确认任务和跟踪任务三种类型的询问信号。
具体过程为：
b1、问询机构运行搜索任务进行目标搜索。
问询机构以固定频率发送询问信号，运行搜索任务来搜索目标，此时运行搜索任务的询问信号包括问询机构源地址和目的地址，源地址为每列火车分配的唯一的本机地址，目的地址为固定的广播地址；
b2、当问询机构接收到目的地址为问询机构地址的应答信号后，标记应答信号的源地址为应答机构地址，并将应答机构地址作为后继运行确认任务的目的地址；
b3、问询机构运行确认任务进行目标确认：问询机构顺序发起多个确认任务，确认是否存在多个目标，此时发送询问信号的目的地址为搜索到的应答机构地址；
b4、问询机构接收到正确地址的应答信号后将其标记为待跟踪应答机构；
b5、进行问询机构和待跟踪应答机构之间的距离解算并记录待跟踪应答机构对应的距离；
b6、选定距离最近的N个待跟踪应答机构进行跟踪任务；
C、问询机构以固定频率发送跟踪询问信号；
D、待跟踪应答机构收到跟踪问询信号后发送跟踪应答信号；
E、问询机构接收跟踪应答信号后进行距离解算并将解算结果传输至主控系统；
目标应答机构收到问询信号后进行解码，若目的地址满足为广播地址或本机地址，则应答机构固定延时后发送应答信号，此时应答信号的源地址为本机地址，目的地址为问询信号后的源地址；问询机构接收到跟踪应答信号后根据发送询问信号至接收到应答信号之间的时间间隔进行距离解算。
距离解算过程中，通过对实时测量的距离信息进行卡尔曼滤波，可得到前车的相对速度和加速度信息，并形成稳定的跟踪航迹，系统可同时对多目标进行跟踪。
本发明采用基于CCS信号的无线测距方法与SDS-TWR(对称双边双程测距)方法相结合的方式进行距离结算；如图4所示，具体流程如下：
e1：主动端向被动端发送主动测距信号。
e2：被动端接收到主动测距信号后应答并发出被动确认信号，同时，计算从接收主动测距信号到发出被动确认信号之间的时延T2。
主动端或被动端发送数据时数据帧中包含有当前时刻的时间戳，当对应接收端接收到该数据时记录接收时刻的时间戳，两个时间戳之间的时间差即为时延。
e3：主动端接收到被动确认信号并计算从发出主动测距信号到接收到被动确认信号之间的时延T1。
e4：被动端发出被动测距信号，其中被动测距信号的数据帧包括时延T2信息。
e5：主动端接收含有T2信息的被动测距信号并发出主动确认信号，同时，计算从接收被动测距信号到发出主动确认信号之间的时延T3。
e6：被动端接收主动确认信号，计算从发出含有T2的被动测距信号到接收到主动确认信号之间的时延T4。
e7：被动端向主动端发出含有T4信息的二次测距信号。
e8：计算主动端和被动端之间的距离D，D＝c[(T1-T2)+(T3+T4)]/4，其中，c表示300000km/s。
本发明采用基于二次雷达的测距手段，具有方法简单可靠、定位距离远、定位精度高的优点，尤其能够应用到GPS无法完成定位的区域进行测距，同时，基于二次雷达的测距方式，信号形式是线性调频扩频信号(CCS)，该信号形式时域幅度恒定，频域幅频特性平坦，自相关性好，对于距离较近的两个目标具有良好的分辨能力，具有较强的抗干扰、抗多径效应和抗多普勒衰减等优点，实现远距离高动态下高精度的测距。
本发明采用采用基于CCS信号的无线测距技术，配合采用SDS-TWR(对称双边双程测距)测距算法，通过前后车之间的两次往返通信，实现对两车距离的测量，通过两次测量的方式，消除主动端和被动端时钟不同步和时钟漂移造成的测距误差，以提高测距精度。
F、主控系统对解算的距离信息先进行滤波跟踪，然后将其与报警门限进行比较，若距离超过报警门限则在人机界面进行声光报警。
应答机构收到问询信号后进行解码，若目的地址满足为广播地址或本机地址，则应答设备固定延时后发送应答信号，此时应答信号的源地址为本机地址，目的地址为问询信号后的源地址。
本发明的防追尾系统为列车跟踪接近预警，即对于同方向，同轨道行驶的列车，在两车之间的距离缩小到一定阈值时，设备向车辆发出预警信息使列车司机及时作出响应，从而避免发生危险。列车防追尾系统作为ATP系统的后备系统，告警提示只提供给司机，由司机决定收到预警提示后的动作，不直接控车。从工作可靠性考虑，本发明采用数据修正方式和多等级预警策略，以降低误警概率，避免对司机行车形成干扰。
防追尾系统获得前方车辆的距离信息，相对速度信息。由于得到的距离为电磁波的直射距离，与两车之间的真实距离存在较大误差，在直道和转弯道路情况下，可对该距离信息和相对速度信息进行修正。数据修正具体过程为：通过GNSS信号得到当前车辆所在位置，以该位置为圆心，以得到的前方车辆距离画圆，与车轨交接处为前车的实际位置，通过电子地图得到实际距离。同样，由于得到的相对速度也存在很大误差，特别是在弯道情况下，因此，在两车的交互信息中包含车辆的实际速度信息，这样就可以获得两车实际的相对速度，通过相对距离和相对速度，预测是否会相撞，相撞时间，从而得到当前车况的危险等级，并制定相应的防护策略。
列车防追尾系统根据整车的追尾预警等级要求，采用多等级预警的策略，分等级预警策略可以很好地减轻工作人员的劳动强度，提高工作人员的效率，防止由于工作人员的反应不及时造成的列车追尾事故。
列车防追尾系统在对可能发生追尾采用分段告知的方式。系统预测列车可能发生追尾，当预测到的可能追尾事件满足设定的初级预警、中级预警和紧急预警时，系统会通过相应的预警策略在预警模块进行相应的反馈操作；否则系统不进行预警。其中，系统的刷新时间会根据追尾的紧急程度而变化，越紧急刷新的时间间隔就越小。
下面举例进行多等级预警的具体说明：
(1)当系统对可能发生的追尾事故采用初级预警模式进行预警时，系统弹出可能发生追尾的显示窗口，窗口界面上图标显示黑色，便于工作人员查看前后列车的运行状态和线路状况，做出行车计划的重新调整；
(2)当系统对可能发生的追尾事故采用中级预警模式进行预警时，系统显示窗口界面上的图标显示为蓝色，并伴随连续的危险提示声对系统工作人员进行通知，通知系统工作人员查看前后列车的运行状态，对列车驾驶人员进行危险通知，以便列车驾驶员能够迅速执行列车的制动操作，保证列车的安全；
(3)当系统对可能发生的追尾事故采用紧急预警模式进行预警时，系统显示窗口上的图标显示为红色，同时，列车驾驶室的提示按钮也显示为红色，并伴随连续的尖锐的警报声，直接通知列车驾驶员选择执行相应的制动操作。若列车间的追踪间隔达到常用制动距离，系统会直接对列车发出常用制动指令，迫使列车的速度降到安全范围以内。
通过多等级渐近式的预警方式能够很好的提高列车运行的安全性，避免列车发生追尾事故。
为了建立一种可靠的通信组网方案，使车车之间发射信号不会相互干扰，本发明通过通信协议配合频率分配、时隙分配的技术手段，使每个车在各自专有的时隙周期内发送特定频段的射频信号，避免多部车同时发送信号，造成接收端收到的信号为多个信号的叠加，造成区分信号困难，增加误码率。
时隙分配的具体流程为：
s1：列车通过ATP获得上下行信息并保持，将上下行信息告知问询机构和应答机构，问询机构和应答机构将该信息配置在其发射数据数据段中；
s2：设备开机后，检测2s内车尾应答机构是否未接收任何应答信号，是则进入步骤s4，反之则进入步骤s3；
s3：检测所接收应答信号的上下行字段，如果该应答信号上下行字段不一致，则应答信号发送车辆与本车不在同一个上下行轨道，问询机构不予回应；反之，则两车同时处于上行或下行，车尾应答机构发送应答数据并进入步骤s4；
s4：车头问询机构发送搜索数据帧，检测是否有应答机构应答，若无，则问询机构每隔2s发送一次搜索数据帧，若有，则进入步骤s5:；
s5：询问机构进行确认并持续发送跟踪数据帧。
应答机收到跟踪帧数据后，发送应答信号，为保证测量数据的准确性，应答通信一次的时间为5ms。同时在2s的时间间隔后，询问机再次发送搜索数据帧，看是否有新的应答机加入。
为避免因上下行信息不明确造成的误判，本发明进行频带隔离，具体为：
列车注入其上下行信息。当车辆一与车辆二交会时，车辆一的车头询问机发送信号，发射功率为20dBm，天线增益为15dB，该信号发出后，车量二的车尾应答机会收到，在间距为2Km时，信号衰减为60dB，收发天线两幅天线，背瓣衰减总计为80dB，车辆二车尾接收机收到的信号为：20dBm+15dB+15dB-80dB-60dB＝-90dBm，车尾应答机构可以收到，并认定为有效信号，而此时两车距离越来越近，车量一会误以为有车辆靠近。在注入上下行信息后，车尾应答机构收到信号后，发现上下行信息不对，则不予应答。
在高速列车运行的多种地理环境因素影响下，基于车-车通信技术方案必然存在多径干扰的问题，极大影响通信质量和测距性能，因此，本发明优选采用时域均衡、正交频分复用(OFDM)和Rake接收机的多径干扰抑制方法，提高多径干扰抑制性能。
同时，考虑到平时空间中2.4GHz的信号强度很容易达到-90dBm，这种干扰不同于噪声，通过信号处理算法是可以将这种干扰去除的。因此，本发明通过采用“相邻周期反异步”与“方位相关反异步”算法，将两者串联增强同频干扰消除效果。
相邻周期反异步算法首先判别当前信号是否为异步信号，如果不是异步信号，当前值被原值存储下来作为下一周期的“上一周期的比较值”；若是异步信号，当前值不存储，而是将上一周期的信号值加权后存储下来作为下一周期的“上一周期的比较值”。事实上，如果在目标距离单元上异步大信号和目标小信号重叠，反异步算法会将该距离单元上信号屏蔽输出，由于正常目标信号是相关的，当前值用上一周期同距离单元上信号的加权值取代异步大信号作为下一周期的“上一周期的比较值”是合理的。
本发明所公开的防追尾系统及防追尾方法具有以下优势：
(1)提高了作用距离和精度，在城市轨道交通具有广泛的应用前景，同时可运用到高速动车组列车。
(2)采用无线电应答技术，将脉冲压缩高精度测距和组网通信技术无缝融合，通过测量问询机发射问询信号和接收应答机应答信号间的时间间隔，再减去额外的处理延时，计算出两车间的距离，实现合作目标的实时探测。
(3)通过对实时测量的距离信息进行卡尔曼滤波，可得到前车的相对速度和加速度信息，并形成稳定的跟踪航迹，系统可同时对多目标进行跟踪。
(4)可进行危险车距评估：列车在ATP切除的降级运行模式下，列车防追尾系统进行实时测距，参照预先设定的车距阈值，评估追尾风险，不同速度不同阈值，测速采用距离平滑后，根据距离值变化测出相对速度，保证结果准确度。
(5)可进行多级预警显示。司机室装有显示终端，为司机提供各级别的声光组合报警。系统判定处于危险车距时，输出紧急制动施加请求。
(6)列车防追尾系统是列车安全设备，为了便于维护和故障排查，设置日志记录功能，记录系统整体工作情况，如危险距离预警、紧急制动控制、系统通信故障、系统解码异常等。
(7)提供MVB通信接口、CAN通讯接口、列车实时以太网接口(TRDP)，满足整车通信要求。
(8)根据车辆ID及当前车辆运行方向，整车网络可对列车防追尾系统的ID号、问询状态、应答状态进行配置。
综上，本发明在能够满足当前高速列车最大跟踪距离的应用要求的前提下，提高了测量精度，同时能够应用于高速动车组列车在内的多种城市轨道交通车型，具有良好应用前景。
上文中参照优选的实施例详细描述了本发明的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各技术特征、结构进行多种组合，而不超出发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种隧道内轨道交通车辆防追尾系统，其特征在于：包括两个防追尾机构，一个防追尾机构设于列车头部作为问询机构，另一个防追尾机构设于列车尾部作为应答机构，两个防追尾机构之间通过车辆总线相连；
所述防追尾机构包括系统主机、人机界面和测距天线，系统主机分别连接人机界面和测距天线；
系统主机包括主控处理单元、射频收发单元和电源管理单元；
主控处理单元包括中频信号采集及产生板卡模块和数字信号处理及接口控制板卡模块；中频信号采集及产生板卡模块输入端通过射频收发单元接收信号，中频信号采集及产生板卡模块通讯端连接数字信号处理及接口控制板卡模块；中频信号采集及产生板卡模块包括时钟分配模块、模数转换模块ADC和数模转换模块DAC；数字信号处理及接口板卡模块包括FPGA模块、ARM模块及接口组，FPGA模块和ARM模块上分别设有数字接口，FPGA模块第一通讯端连接模数转换模块ADC，FPGA模块第二通讯端连接数模转换模块DAC，FPGA第三通讯端连接ARM通讯端。
2.根据权利要求1所述的隧道内轨道交通车辆防追尾系统，其特征在于：所述射频收发单元包括下变频接收机、上变频发射机和调频开关，通过调频开关进行下变频接收机与上变频发射机之间的功能切换；所述下变频接收机包括预选器、低噪声放大器、混频器、带通滤波器和中频AGC放大器，所述上变频发射机包括中频滤波器、混频器、驱动放大器和功率放大器。
3.根据权利要求2所述的隧道内轨道交通车辆防追尾系统，其特征在于：所述电源管理单元包括依次串联的DC电源滤波器、DC/DC电源模块和滤波电路。
4.根据权利要求1所述的隧道内轨道交通车辆防追尾系统，其特征在于：所述测距天线采用低旁瓣天线。
5.根据权利要求1所述的隧道内轨道交通车辆防追尾系统，其特征在于：所述防追尾机构的测距天线后方设有金属板，金属板的四周长度超出测距天线四周长度1.5倍波长。
6.一种权利要求1所述隧道内轨道交通车辆防追尾系统的防追尾方法，其特征在于：包括：
A、根据列车行驶状态进行问询机构和应答机构的属性定义；
列车行驶方向的车头位置所设防追尾机构为问询机构，列车行驶方向的车尾位置所设防追尾机构为应答机构；
B、待跟踪应答机构的搜索和选定；具体为：
b1、问询机构运行搜索任务进行目标搜索：问询机构以固定频率发送询问信号，此时运行搜索任务的询问信号包括问询机构源地址和目的地址，源地址为每列火车分配的唯一的本机地址，目的地址为固定的广播地址；
b2、当问询机构接收到目的地址为问询机构地址的应答信号后，标记应答信号的源地址为应答机构地址，并将应答机构地址作为后继运行确认任务的目的地址；
b3、问询机构运行确认任务进行目标确认：问询机构顺序发起多个确认任务，确认是否存在多个目标，此时发送询问信号的目的地址为搜索到的应答机构地址；
b4、问询机构接收到正确地址的应答信号后将其标记为待跟踪应答机构；
b5、进行问询机构和待跟踪应答机构之间的距离解算并记录待跟踪应答机构对应的距离；
b6、选定距离最近的N个待跟踪应答机构进行跟踪任务；
C、问询机构以固定频率发送跟踪询问信号；
D、待跟踪应答机构收到跟踪问询信号后发送跟踪应答信号；
E、问询机构接收跟踪应答信号后进行距离解算并将解算结果传输至主控系统；
目标应答机构收到问询信号后进行解码，若目的地址满足为广播地址或本机地址，则应答机构固定延时后发送应答信号，此时应答信号的源地址为本机地址，目的地址为问询信号后的源地址；问询机构接收到跟踪应答信号后根据发送询问信号至接收到应答信号之间的时间间隔进行距离解算；距离解算过程中采用卡尔曼滤波方法获取目标的相对速度和加速度；
F、主控系统将解算的距离与报警门限进行比较，若距离超过报警门限则进行报警。
7.根据权利要求6所述的隧道内轨道交通车辆防追尾系统的防追尾方法，其特征在于：所述问询信号和应答信号均采用频率分配和时隙分配的方式进行发送。
8.根据权利要求7所述的隧道内轨道交通车辆防追尾系统的防追尾方法，其特征在于：所述时隙分配的具体流程为：
s1：列车通过ATP获得上下行信息并保持，将上下行信息告知问询机构和应答机构，问询机构和应答机构将该信息配置在其发射数据数据段中；
s2：设备开机后，检测2s内车尾应答机构是否未接收任何应答信号，是则进入步骤s4，反之则进入步骤s3；
s3：检测所接收应答信号的上下行字段，如果该应答信号上下行字段不一致，则应答信号发送车辆与本车不在同一个上下行轨道，问询机构不予回应；反之，则两车同时处于上行或下行，车尾应答机构发送应答数据并进入步骤s4；
s4：车头问询机构发送搜索数据帧，检测是否有应答机构应答，若无，则问询机构每隔2s发送一次搜索数据帧，若有，则进入步骤s5:；
s5：记录应答机构原地址并持续发送跟踪数据帧。
9.根据权利要求6所述的隧道内轨道交通车辆防追尾系统的防追尾方法，其特征在于：所述步骤E中采用基于CCS信号的无线测距方法与SDS-TWR测距方法相结合的方式进行距离结算；具体流程如下：
e1：主动端向被动端发送主动测距信号；
e2：被动端接收到主动测距信号后应答并发出被动确认信号，同时，计算从接收主动测距信号到发出被动确认信号之间的时延T2；
e3：主动端接收到被动确认信号并计算从发出主动测距信号到接收到被动确认信号之间的时延T1；
e4：被动端发出被动测距信号，其中被动测距信号的数据帧包括时延T2信息；
e5：主动端接收含有T2信息的被动测距信号并发出主动确认信号，同时，计算从接收被动测距信号到发出主动确认信号之间的时延T3；
e6：被动端接收主动确认信号，计算从发出含有T2的被动测距信号到接收到主动确认信号之间的时延T4；
e7：被动端向主动端发出含有T4信息的二次测距信号；
e8：计算主动端和被动端之间的距离D，D＝c[(T1-T2)+(T3+T4)]/4，其中，c表示300000km/s。
10.根据权利要求9所述的隧道内轨道交通车辆防追尾系统的防追尾方法，其特征在于：所述主动端或被动端发送数据时数据帧中包含有当前时刻的时间戳，当对应接收端接收到该数据时记录接收时刻的时间戳，两个时间戳之间的时间差即为时延。
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