CN113660639A - 高速磁浮列车地面基站通信探测一体化系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速磁浮列车地面基站通信探测一体化系统及方法，系统包括设置在轨道两侧的多个地面分区控制单元以及与地面分区控制单元相连的地面基站，地面分区控制单元均与中央控制系统相连；地面基站包括与列车通信的通信单元、驱逐装置和探测单元，地面基站通过光纤环网与地面分区控制单元相连。本发明提出了一种在磁浮列车通信中非本地面分区及相邻分区通信时间内，使用地面基站对行车轨道进行探测的系统与方法，利用现有的磁浮列车通信系统对磁浮列车轨道沿线环境进行实时监测，提高了磁浮列车运营的安全性与可靠性，且成本低、效率高，环境适应性强。

Description

高速磁浮列车地面基站通信探测一体化系统及方法
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，特别涉及一种高速磁浮列车地面基站通信探测一体化系统及方法。
背景技术
由于磁浮列车采用无人驾驶技术且运行速度较快，为了保证磁浮列车在正常运营时的行驶安全，避免出现障碍物造成道路阻塞对车辆安全造成威胁，需对行车轨道沿线进行探测，以便能够及时发现并处理可能存在的安全隐患。近年来，发生了多起由于山体滑坡、列车调度等问题引起的铁路事故，对司乘人员的安全造成威胁，但目前铁路系统对于此类事故的预警较为欠缺。
在传统的轨道交通运输中，对于轨道沿线可能出现的事故，通常靠列车驾驶员肉眼观察和人工巡视等手段进行预警。高速铁路每天在列车正式开行前，都会首发双向对开空载列车对线路进行安全确认。此外，高速铁路沿线还设立了全线视频监控来对运营中可能出现的安全隐患进行预警。
在磁浮列车系统中，列车采用无人驾驶技术，并且列车行驶速度较快，无法依靠人力对事故进行预警。人工巡视效率低下、覆盖范围小，且磁浮列车轨道环境相对封闭，不易靠近。空载列车无法在运营时段对行车轨道沿线进行实时监测，且无法较好地保证空载列车的安全，容易造成财产损失。视频监控对于环境的适应性不强，在雨雪、雾霾、夜晚等环境下效果较差，无法适应磁浮列车系统的要求，且需要架设专业监控及传输网络设备，成本高昂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在磁浮列车通信中非本地面分区及相邻分区通信时间内，使用地面基站对行车轨道进行探测，提高了磁浮列车运营的安全性与可靠性，且监测成本低、效率高，环境适应性强的高速磁浮列车地面基站通信探测一体化系统，并提供一种高速磁浮列车地面基站通信探测方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：高速磁浮列车地面基站通信探测一体化系统，包括设置在轨道两侧的多个地面分区控制单元以及与地面分区控制单元相连的地面基站，地面分区控制单元均与中央控制系统相连；地面基站包括驱逐装置、探测单元，以及与列车通信的通信单元，地面基站通过光纤环网与地面分区控制单元相连；
所述地面分区控制单元判断其控制区域内是否有列车通行，若有列车通行，则控制与之相连的地面基站切换至通信模式，依次通过地面基站与列车进行通信；
若无列车通行，则通过中央控制系统获取相邻地面分区控制单元的通信状态，判断相邻地面分区控制单元控制区域内是否有列车通行，若相邻地面分区控制单元控制区域内有列车通行，则控制地面基站切换至通信模式，等待与列车通信；
若地面分区控制单元控制区域内以及相邻地面分区控制单元控制区域内均无列车通行，则控制地面基站切换至探测模式。
进一步地，所述探测模式下，地面分区控制单元控制与之相连的地面基站依次开启，地面基站通过探测单元向轨道沿线发射LFM连续波信号并接收回波信号，然后将回波信号传输至地面分区控制单元进行信号处理。
进一步地，所述地面分区控制单元内设有信号处理模块，用于对接收到的回波信号进行处理，将回波信号与预先获得的安全环境下的沿线环境库进行比对，若发现回波信号与沿线环境库差值低于预警阈值，则判断此时对应区域没有安全隐患，列车可正常通行，系统进入下一次探测；否则判断此时轨道上出现安全隐患，并进一步判断该安全隐患为运动目标或静止目标，若为运动目标，则使用驱逐装置对运动目标进行驱逐；若为静止目标或驱逐失败，则地面分区控制单元生成事故报告并传输给中央控制系统，中央控制系统将事故报告传输至正在与列车进行通信的地面分区控制单元，地面分区控制单元通过对应地面基站将事故报告传输给列车。
本发明的另一个目的在于提供一种高速磁浮列车地面基站通信探测方法，包括以下步骤：
S1、获取当前天气条件下的轨道沿线环境库；
S2、判断地面分区控制单元的控制区域内是否有列车通行，若是则控制地面基站切换至通信模式，通过地面基站依次与列车进行通信；否则执行步骤S3；
S3、地面分区控制单元通过中央控制系统获取相邻地面分区控制单元的通信状态，判断相邻地面分区控制单元的控制区域内是否有列车通行，若是则控制地面基站切换至通信模式，等待与列车通信；否则执行步骤S4；
S4、控制地面基站切换至探测模式，地面基站通过探测单元依次向轨道沿线发射LFM连续波信号并接收回波信号，并将回波信号传输至地面分区控制单元进行信号处理；
S5、对接收到的回波信号进行处理，将回波信号与预先获得的安全环境下的沿线环境库进行比对，若发现回波信号与沿线环境库差值低于预警阈值，则判断此时对应区域没有安全隐患，列车正常通行，系统进入下一次探测，并利用接收到的回波信号更新环境库数据；否则判断此时轨道上出现安全隐患，并进一步判断该安全隐患为运动目标或静止目标，若为运动目标，则使用驱逐装置对运动目标进行驱逐；若为静止目标或驱逐失败，则地面分区控制单元生成事故报告并传输给中央控制系统，同时将事故报告传输至正在与列车进行通信的地面分区控制单元，地面分区控制单元通过对应地面基站将事故报告传输给列车。
进一步地，所述探测单元发射的LFM连续波信号的探测范围为：记LFM连续波信号的时间范围为τ～(T-τ)，则有效探测距离为τc/2～(T-τ)c/2，其中c为光速，T为LFM连续波信号的周期，τ为LFM连续波信号的持续时间。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种在磁浮列车通信中非本地面分区及相邻分区通信时间内，使用地面基站对行车轨道进行探测的系统与方法，利用现有的磁浮列车通信系统对磁浮列车线路环境进行实时监测，提高了磁浮列车运营的安全性与可靠性，且监测成本低、效率高，环境适应性强。
附图说明
图1为本发明所涉及的磁浮列车系统地面基站分布图；
图2为本发明的通信探测流程图；
图3为本发明中地面基站探测时的LFM信号覆盖范围示意图。
具体实施方式
本发明的目的是在磁浮列车正常运营时，在当前地面分区与相邻分区覆盖范围内都没有列车通行，地面基站处于空闲状态时，将地面基站切换至探测模式，利用地面基站实现对列车行车轨道沿线环境的探测，获取轨道沿线环境信息，并判别是否存在障碍物与潜在危险，以便能够及时发现行车轨道沿线出现的安全隐患并进行处理。
在磁浮列车系统的大长干线中，通信系统采用分区通信，每个分区覆盖固定范围，且各分区之间存在交叠区域，以便于进行分区切换。当列车处在某分区的覆盖范围内时，由覆盖当前分区的DRCU(地面分区控制单元)与列车进行通信；当列车不处于当前DRCU覆盖范围内时，DRCU不与列车进行通信，处于空闲状态。
利用高速磁浮列车大长干线地面分区通信的特点，在非本地面分区及相邻分区通信时间内，DRCU通过控制地面基站发射LFM连续波来实现对轨道沿线的分段探测，并以地面基站的位置数据为基准，获取所探测区域的环境及位置信息。在系统正式运行前，在保证轨道沿线为安全环境的情况下，系统首先对轨道全线进行探测，构建安全环境下的轨道沿线环境库。在实际探测过程中将接收到的回波信号与轨道沿线环境库中的信息进行对比，判别轨道沿线是否存在威胁目标，及时发现并处理轨道沿线的安全隐患，保证磁浮列车的行驶安全。
由于系统工作在毫米波频段，不同天气，如雨雪、雾霾等，对于探测信号的衰减差别较大，可在不同天气条件下进行多次扫描，构建不同天气条件下的轨道沿线环境库。同时，在系统的正常运行中，若探测结果显示该区域没有危险，也可对轨道沿线环境库进行更新，以保证系统的自适应性。
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明的高速磁浮列车地面基站通信探测一体化系统，包括设置在轨道两侧的多个地面分区控制单元以及与地面分区控制单元相连的地面基站，地面分区控制单元均与中央控制系统相连；地面基站包括驱逐装置、探测单元，以及与列车通信的通信单元，地面基站通过光纤环网与地面分区控制单元相连；列车与地面进行通信时采用38GHz毫米波进行通信。不同分区内的地面基站由不同的DRCU进行控制，各DRCU之间独立工作互不影响。
所述地面分区控制单元判断其控制区域内是否有列车通行，若有列车通行，则控制与之相连的地面基站切换至通信模式，依次通过地面基站与列车进行通信；
若无列车通行，则通过中央控制系统获取相邻地面分区控制单元的通信状态，判断相邻地面分区控制单元控制区域内是否有列车通行，若相邻地面分区控制单元控制区域内有列车通行，则控制地面基站切换至通信模式，等待与列车通信；
若地面分区控制单元控制区域内以及相邻地面分区控制单元控制区域内均无列车通行，则控制地面基站切换至探测模式。
所述探测模式下，地面分区控制单元控制与之相连的地面基站依次开启，地面基站通过探测单元向轨道沿线发射LFM连续波信号并接收回波信号，然后将回波信号传输至地面分区控制单元进行信号处理。
所述地面分区控制单元内控制的地面基站均匀分布于轨道两侧，且每侧在同一时间仅有一个地面基站开启工作。
所述地面分区控制单元内设有信号处理模块，用于对接收到的回波信号进行处理，将回波信号与预先获得的安全环境下的沿线环境库进行比对，若发现回波信号与沿线环境库差值低于预警阈值，则判断此时对应区域没有安全隐患，列车可正常通行，系统进入下一次探测；否则判断此时轨道上出现安全隐患，并进一步判断该安全隐患为运动目标或静止目标，若为运动目标，则使用驱逐装置对运动目标进行驱逐；若为静止目标或驱逐失败，则地面分区控制单元生成事故报告并分别传输给中央控制系统以及地面工作人员处，中央控制系统将事故报告传输至正在与列车进行通信的地面分区控制单元，地面分区控制单元通过对应地面基站将事故报告传输给列车。
如图2所示，本发明的高速磁浮列车地面基站通信探测方法，包括以下步骤：
S1、获取当前天气条件下的轨道沿线环境库；
S2、判断地面分区控制单元的控制区域内是否有列车通行，若是则控制地面基站切换至通信模式，通过地面基站依次与列车进行通信；否则执行步骤S3；
S3、地面分区控制单元通过中央控制系统获取相邻地面分区控制单元的通信状态，判断相邻地面分区控制单元的控制区域内是否有列车通行，若是则控制地面基站切换至通信模式，等待与列车通信；否则执行步骤S4；
S4、控制地面基站切换至探测模式，地面基站通过探测单元依次向轨道沿线发射LFM连续波信号并接收回波信号，并将回波信号传输至地面分区控制单元进行信号处理；由于探测使用LFM连续波信号，则其探测范围将会受到发射周期与调频斜率的影响，在探测中，通过多次改变LFM连续波信号的发射周期与调频斜率可实现对不同区域的探测，将此覆盖范围与地面基站的位置信息相结合，即可得知不同区域的回波及位置信息。多次改变LFM连续波信号的发射周期与调频斜率并将其进行拼接，即可实现对轨道的分段探测。
S5、当DRCU中的所有地面基站完成一次探测后，地面分区控制单元内通过信号处理模块对接收到的回波信号进行处理，将回波信号与预先获得的安全环境下的沿线环境库进行比对，若发现回波信号与沿线环境库差值低于预警阈值，则判断此时对应区域没有安全隐患，列车正常通行，系统进入下一次探测，并利用接收到的回波信号更新环境库数据；否则判断此时轨道上出现安全隐患，并进一步判断该安全隐患为运动目标或静止目标，若为运动目标，则使用驱逐装置对运动目标进行驱逐；若为静止目标(如障碍物阻塞道路)或驱逐失败，则地面分区控制单元生成事故报告并传输给中央控制系统，同时将事故报告传输至正在与列车进行通信的地面分区控制单元，地面分区控制单元通过对应地面基站将事故报告传输给列车。
当LFM连续波信号的初始频率为f0，持续时间为τ，调频斜率为k，周期为T时，为了保证探测的准确性，需将信号完整地发送之后再进行接收，同时为了保证接收回波信号的完整性，在T-τ时刻之前必须开始进行接收。因此，LFM连续波信号的时间范围为τ～(T-τ)，则对应的有效探测距离为τc/2～(T-τ)c/2，其中c为光速。假设当T＝2μs，τ＝0.8μs时，可实现对120～180m范围的探测，此时，信号的带宽为B＝kτ＝0.8k。改变LFM连续波信号周期与持续时间为T＝4μs，τ＝1.2μs，此时的有效探测距离为180～420m，而为了保持LFM连续波信号的带宽前后一致，此时信号的调频斜率为k'＝0.8/1.2k＝0.67k。
由于LFM连续波信号具有范围限制且地面基站的发射角度也有限制，因此地面基站具有盲区，无法对地面基站附近的区域进行探测，为实现对沿线轨道的全覆盖，单个基站的探测范围应覆盖相邻地面基站的盲区，以保证能够实现轨道沿线的全覆盖。设L为单个地面基站的通信覆盖范围，则单个地面基站的探测范围应至少覆盖L/2～L区域，且为保证探测效果，应使各个地面基站的探测范围有重叠。地面基站的盲区与LFM连续波信号的覆盖如图3所示。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.高速磁浮列车地面基站通信探测一体化系统，其特征在于，包括设置在轨道两侧的多个地面分区控制单元以及与地面分区控制单元相连的地面基站，地面分区控制单元均与中央控制系统相连；地面基站包括驱逐装置、探测单元，以及与列车通信的通信单元，地面基站通过光纤环网与地面分区控制单元相连；
所述地面分区控制单元判断其控制区域内是否有列车通行，若有列车通行，则控制与之相连的地面基站切换至通信模式，依次通过地面基站与列车进行通信；
若无列车通行，则通过中央控制系统获取相邻地面分区控制单元的通信状态，判断相邻地面分区控制单元控制区域内是否有列车通行，若相邻地面分区控制单元控制区域内有列车通行，则控制地面基站切换至通信模式，等待与列车通信；
若地面分区控制单元控制区域内以及相邻地面分区控制单元控制区域内均无列车通行，则控制地面基站切换至探测模式。
2.根据权利要求1所述的高速磁浮列车地面基站通信探测一体化系统，其特征在于，所述探测模式下，地面分区控制单元控制与之相连的地面基站依次开启，地面基站通过探测单元向轨道沿线发射LFM连续波信号并接收回波信号，然后将回波信号传输至地面分区控制单元进行信号处理。
3.根据权利要求1所述的高速磁浮列车地面基站通信探测一体化系统，其特征在于，所述地面分区控制单元内设有信号处理模块，用于对接收到的回波信号进行处理，将回波信号与预先获得的安全环境下的沿线环境库进行比对，若发现回波信号与沿线环境库差值低于预警阈值，则判断此时对应区域没有安全隐患，列车可正常通行，系统进入下一次探测；否则判断此时轨道上出现安全隐患，并进一步判断该安全隐患为运动目标或静止目标，若为运动目标，则使用驱逐装置对运动目标进行驱逐；若为静止目标或驱逐失败，则地面分区控制单元生成事故报告并传输给中央控制系统，中央控制系统将事故报告传输至正在与列车进行通信的地面分区控制单元，地面分区控制单元通过对应地面基站将事故报告传输给列车。
4.如根据权利要求1～3任意一项所述的高速磁浮列车地面基站通信探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取当前天气条件下的轨道沿线环境库；
S2、判断地面分区控制单元的控制区域内是否有列车通行，若是则控制地面基站切换至通信模式，通过地面基站依次与列车进行通信；否则执行步骤S3；
S3、地面分区控制单元通过中央控制系统获取相邻地面分区控制单元的通信状态，判断相邻地面分区控制单元的控制区域内是否有列车通行，若是则控制地面基站切换至通信模式，等待与列车通信；否则执行步骤S4；
S4、控制地面基站切换至探测模式，地面基站通过探测单元依次向轨道沿线发射LFM连续波信号并接收回波信号，并将回波信号传输至地面分区控制单元进行信号处理；
S5、对接收到的回波信号进行处理，将回波信号与预先获得的安全环境下的沿线环境库进行比对，若发现回波信号与沿线环境库差值低于预警阈值，则判断此时对应区域没有安全隐患，列车正常通行，系统进入下一次探测，并利用接收到的回波信号更新环境库数据；否则判断此时轨道上出现安全隐患，并进一步判断该安全隐患为运动目标或静止目标，若为运动目标，则使用驱逐装置对运动目标进行驱逐；若为静止目标或驱逐失败，则地面分区控制单元生成事故报告并传输给中央控制系统，同时将事故报告传输至正在与列车进行通信的地面分区控制单元，地面分区控制单元通过对应地面基站将事故报告传输给列车。
5.如根据权利要求4所述的高速磁浮列车地面基站通信探测方法，其特征在于，所述探测单元发射的LFM连续波信号的探测范围为：记LFM连续波信号的时间范围为τ～(T-τ)，则有效探测距离为τc/2～(T-τ)c/2，其中c为光速，T为LFM连续波信号的周期，τ为LFM连续波信号的持续时间。
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