CN113660640A - 高速磁浮列车车载同步通信探测一体化系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速磁浮列车车载同步通信探测一体化系统及方法，系统包括磁浮列车及磁浮列车上的信号处理模块和车载基站，地面基站和地面分区控制单元；列车的标准时隙均划分为16个子时隙，第一个时隙设置为车地通信时隙，用于与地面基站进行同步通信；其余时隙分别设置为探测时隙和信号处理时隙，探测时隙内，列车获取位置信息，同时车载基站向前方发射不同调频斜率与周期的线性调频连续波信号，并接收回波信号传输至信号处理模块；信号处理时隙内，信号处理模块对接收到的回波信号进行处理。本发明利用磁浮列车通信中非本车通信的空闲时隙实现对前方轨道探测，提高了磁浮列车运营时的安全性与可靠性，成本低，易于实现，可靠性高。

Description

高速磁浮列车车载同步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车载同步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，为了保证磁浮列车在正常运营时的行驶安全，防止有突发事故造成道路阻塞，在磁浮列车运行时需对前方轨道进行探测，以便列车能够及时发现并应对突发情况。

目前，铁路系统对于突发事故的预警非常欠缺。在高速铁路中，每天正式开行前，都会利用双向对开空载列车对线路进行安全确认。但此方法无法较好地保证空载列车的安全，且无法对载人列车运行中突发的情况进行应对，容易造成财产损失。

在传统的轨道交通运输中，对于行车轨道上突然出现的障碍物，一般仅靠驾驶员肉眼观察并采取制动措施。这种预警方法主要依靠人力对突发事故进行预警，效率低下，错误率较高，多次出现由于山体塌方、列车调度等问题导致的严重安全事故，对司乘人员的生命造成了严重威胁。

在高速铁路中，目前除了驾驶员肉眼观察外，还设立了全线视频监控来对突发事故进行预警、处理。但是全线视频监控需要搭建一整套监控设备及传输网络，安装较为复杂且成本高昂，同时为了保证其在各种环境下均可正常运行，其对于环境的适应性要求很高，对设备要求也极高，需要经常在沿线进行维护，增加了列车轨道建设与运营成本压力。

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，无法依靠人力对突发事故进行预警、处理。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。针对于传统列车预警系统无法满足磁浮列车系统的问题，利用探通一体化技术，将磁浮列车的通信与探测结合起来，使列车在正常通信的同时，可对前方行车轨道进行探测，及时发现障碍物并采取应对措施。

国内对于探通一体化的研究起步较晚，针对于日常生产生活场景的探通一体化技术实际应用较少。目前探通一体化主要使用在空基与海基雷达等军事电子信息技术方面，能够显著提高系统利用效率，增强其系统的可靠性与安全性，快速应对新的系统需求，节省系统资源。但是这些系统普遍应用在分米波与厘米波波段，而磁浮列车采用了38GHz毫米波通信系统，由于毫米波通信工作频率高，在波束控制、信号传输与处理过程中有着较大不同。同时，空基与海基雷达侧重应用于探测方面，对于探通一体的研究主要是将通信融入到探测中。而由于磁浮通信系统在工作时需保证通信质量，且地面分区控制单元会对多辆列车进行分时隙控制，对于通信的要求较高，因此以上方法并不适用于磁浮列车系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用磁浮列车通信中非本车通信的空闲时隙实现对前方轨道探测，解决了磁浮列车对于突发事故的预警问题，提高了磁浮列车运营时的安全性与可靠性，同时为地面控制人员及时发现轨道上的事故也提供了有效帮助的高速磁浮列车车载同步通信探测一体化系统，并提供一种高速磁浮列车车载同步通信探测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：高速磁浮列车车载同步通信探测一体化系统，包括在轨道上运行的磁浮列车及磁浮列车上的信号处理模块和车载基站，设置在轨道两侧的地面基站和地面分区控制单元，车载基站与地面基站采用38GHz毫米波进行同步通信，地面基站与地面分区控制单元相连；

将列车的标准时隙均划分为16个子时隙，其中第一个时隙设置为车地通信时隙，用于与地面基站进行同步通信；其余时隙分别设置为探测时隙和信号处理时隙，探测时隙内，列车获取列车位置信息，同时车载基站向前方发射不同调频斜率与周期的线性调频连续波信号，并接收回波信号传输至信号处理模块；信号处理时隙内，信号处理模块对接收到的回波信号进行处理。

进一步地，所述信号处理模块用于将回波信号与列车位置信息结合，获取当前位置地面基站探测有效范围内的探测结果，并与提前获取的安全环境下轨道沿线环境库对应位置信息进行对比，分析前方道路情况；若列车接收到回波信号与环境库差别大于预警阈值，则证明此时前方出现突发事故，不能正常通行，列车准备制动停车，并生成事故报告在下一个通信时隙中发送给地面基站，地面基站通过地面分区控制单元传输到地面运行控制中心处，地面运行控制中心确认事故报告结果后启动制动停车流程；否则证明此时列车前方没有障碍物，列车正常通行。

本发明还提供一种高速磁浮列车车载同步通信探测方法，包括以下步骤：

S1、将列车的标准时隙均划分为16个子时隙，子时隙划分为三种时隙：车地通信时隙、探测时隙、信号处理时隙，将第一个子时隙设置为车地通信时隙；

S2、在车地通信时隙中，车载基站与地面基站建立同步，使用38GHz毫米波进行同步通信，车载基站将列车位置、运行控制等各种业务信息发送给地面基站，并接收地面基站发送的控制信息及业务信息；

S3、在探测时隙中，列车获取列车位置信息，同时车载基站向前方发射不同调频斜率与周期的线性调频连续波信号，并将接收到的回波信号传输至信号处理模块；

S4、在信号处理时隙中，信号处理模块对接收到的回波信号进行处理，并与轨道沿线环境库进行比对，具体操作方法为：将回波信号与列车位置信息结合，获取相应探测位置的探测结果，并与提前获取的安全环境下轨道沿线环境库对应位置信息进行对比，分析前方道路情况；若列车接收到回波信号与环境库差别大于预警阈值，则证明此时前方出现突发事故，不能正常通行，列车准备制动停车，并生成事故报告在下一个通信时隙中发送给地面基站，地面基站通过地面分区控制单元传输到地面运行控制中心处，地面运行控制中心确认事故报告结果后启动制动停车流程；否则证明此时列车前方没有障碍物，列车正常通行。

进一步地，所述列车获取位置信息的具体方法为：通过设置在轨道上的列车定位标志板与位置处理模块获取列车位置信息。

所述探测时隙中，列车最小探测距离和最大探测距离分别为：

其中，c为光速，T为线性调频连续波信号的发射周期，t为线性调频连续波信号的时间长度。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种利用磁浮列车通信中非本车通信的空闲时隙实现对前方轨道探测的系统与方法，其利用现有的磁浮列车通信系统即可实现，解决了磁浮列车对于突发事故的预警问题，提高了磁浮列车运营时的安全性与可靠性，同时为地面控制人员及时发现轨道上的事故也提供了有效帮助，成本低，易于实现，可靠性高。

附图说明

图1为本发明所涉及的车地通信系统及各时隙工作过程；

图2为本发明中所涉及的时隙划分方法；

图3为本发明中不同调频斜率与周期的LFM连续波信号示意图。

具体实施方式

本发明的目的是在磁浮列车正常运营时，在不影响正常通信的情况下，使用现有的通信设备，在非本列车的通信时隙构建探测时隙，实现对前方道路的探测，获取前方道路信息，并判别是否存在障碍物与潜在危险，以保证列车在运行中能够有效应对前方的突发状况并上报地面控制人员。

在实际应用前，在保证轨道全线安全的前提下，首先对车载轨道沿线环境进行全线探测，获取行车轨道沿线环境库，且不同天气，如雨水、冰雪、雾霾等对信号的衰减差别较大，可在不同天气环境下多次探测获取更加全面的轨道沿线环境库。磁浮列车轨道处于相对稳定的环境下，周围环境改变较小，因此获取到的环境库可作为安全环境参考。

在磁浮列车的通信中，地面分区控制单元(DRCU)与列车通信时由地面通信系统分时隙主动控制，列车利用时分多址(TDMA)通信方式，每个标准时隙分为16个时隙，每辆列车在每个标准时隙中仅有一个时隙用来与DRCU进行通信，在其他时隙中DRCU与分区内的其他列车进行通信。因此，利用列车通信中的非本车通信时隙可构建探测时隙，利用列车自身的通信设备实现对前方道路的探测。

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车载同步通信探测一体化系统，包括在轨道上运行的磁浮列车及磁浮列车上的信号处理模块和车载基站，设置在轨道两侧的地面基站和地面分区控制单元(DRCU)，车载基站与地面基站采用38GHz毫米波进行同步通信，地面基站与地面分区控制单元相连；地面分区控制单元对地面基站进行控制，并通过地面基站与列车进行通信实现对列车的控制。

将列车的标准时隙均划分为16个子时隙，其中第一个时隙设置为车地通信时隙，用于与地面基站进行同步通信；其余时隙分别设置为探测时隙和信号处理时隙，探测时隙内，列车获取列车位置信息，同时车载基站向前方发射不同调频斜率与周期的线性调频连续波信号，并接收回波信号传输至信号处理模块；信号处理时隙内，信号处理模块对接收到的回波信号进行处理。

所述信号处理模块用于将回波信号与列车位置信息结合，获取当前位置地面基站探测有效范围内的探测结果，并与提前获取的安全环境下轨道沿线环境库对应位置信息进行对比，分析前方道路情况；若列车接收到回波信号与环境库差别大于预警阈值，则证明此时前方出现突发事故，不能正常通行，列车准备制动停车，并生成事故报告在下一个通信时隙中发送给地面基站，地面基站通过地面分区控制单元传输到地面运行控制中心处，地面运行控制中心确认事故报告结果后启动制动停车流程；否则证明此时列车前方没有障碍物，列车正常通行。

本发明的高速磁浮列车车载同步通信探测方法，包括以下步骤：

S1、将列车的标准时隙均划分为16个子时隙，子时隙划分为三种时隙：车地通信时隙、探测时隙、信号处理时隙，将第一个子时隙设置为车地通信时隙；本实施例中，一个标准时隙持续时间为20ms，将一个标准时隙划分为16个子时隙，每个子时隙持续1.25ms。在一个标准时隙中，一辆列车仅第一个子时隙与地面基站进行通信，其余子时隙地面基站与覆盖范围内的其他列车进行通信，单个地面基站在同一时间内仅与一辆列车进行通信。利用列车与地面的非通信时隙来实现探测，构建车地通信时隙、探测时隙与信号处理时隙，时隙划分方法如图2所示。

S2、分配第1时隙为车地通信时隙，在车地通信时隙中，车载基站与地面基站建立同步，使用38GHz毫米波进行同步通信，车载基站将列车位置、运行控制等各种业务信息发送给地面基站，并接收地面基站发送的控制信息等业务信息；当车地通信时隙结束后，构建探测时隙与信号处理时隙；

S3、分配第2-N个时隙为探测时隙，车地通信时隙完成后，列车进入探测时隙。在探测时隙中，列车获取列车位置信息，同时车载基站向前方发射不同调频斜率与周期的线性调频连续波(LFM)信号，并将接收到的回波信号传输至信号处理模块；

例如，当LFM信号的初始频率为f₀，持续时间为τ，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，有效的接收回波信号的时间范围为τ～(T-τ)，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，可实现对前方120～180m距离的探测，此时，信号的带宽为B＝kτ＝0.8k。改变LFM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信号的带宽前后一致，此时信号的斜率为k'＝0.8/1.2k＝0.67k。以此类推，通过不断改变信号发射的周期与斜率，可实现对前方不同距离范围内的探测，并在一个探测时隙内进行多次循环，以确保探测的准确性。不同周期与斜率的LFM信号示意图如图3所示。

而在此过程中，假设列车的时速为600km/h，则在一个标准时隙20ms内，列车的移动距离为3.33m，在一个时隙1.25ms内，列车运行距离约为0.21m，相比于探测范围可忽略不计。因此，在探测开始时列车获取到的位置信息即可认为是整个探测过程中列车的位置信息，可较好地达到对前方道路探测的效果。

S4、分配第(N+1)～16个时隙为信号处理时隙。探测时隙完成后，列车进入信号处理时隙。在信号处理时隙中，信号处理模块对接收到的回波信号进行处理，并与轨道沿线环境库进行比对，具体操作方法为：将回波信号与列车位置信息结合，获取相应探测位置的探测结果，并与提前获取的安全环境下轨道沿线环境库对应位置信息进行对比，分析前方道路情况；若列车接收到回波信号与环境库差别大于预警阈值，则证明此时前方出现突发事故，不能正常通行，列车准备制动停车，并生成事故报告在下一个通信时隙中发送给地面基站，地面基站通过地面分区控制单元传输到地面运行控制中心处，地面运行控制中心确认事故报告结果后启动制动停车流程；否则证明此时列车前方没有障碍物，列车正常通行。

所述列车获取位置信息的具体方法为：通过设置在轨道上的列车定位标志板与位置处理模块获取列车位置信息。

所述探测时隙中，列车最小探测距离和最大探测距离分别为：

其中，c为光速，T为线性调频连续波信号的发射周期，t为线性调频连续波信号的时间长度。

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.高速磁浮列车车载同步通信探测一体化系统，其特征在于，包括在轨道上运行的磁浮列车及磁浮列车上的信号处理模块和车载基站，设置在轨道两侧的地面基站和地面分区控制单元，车载基站与地面基站采用38GHz毫米波进行同步通信，地面基站与地面分区控制单元相连；

将列车的标准时隙均划分为16个子时隙，其中第一个时隙设置为车地通信时隙，用于与地面基站进行同步通信；其余时隙分别设置为探测时隙和信号处理时隙，探测时隙内，列车获取列车位置信息，同时车载基站向前方发射不同调频斜率与周期的线性调频连续波信号，并接收回波信号传输至信号处理模块；信号处理时隙内，信号处理模块对接收到的回波信号进行处理。

2.根据权利要求1所述的高速磁浮列车车载同步通信探测一体化系统，其特征在于，所述信号处理模块用于将回波信号与列车位置信息结合，获取当前位置地面基站探测有效范围内的探测结果，并与提前获取的安全环境下轨道沿线环境库对应位置信息进行对比，分析前方道路情况；若列车接收到回波信号与环境库差别大于预警阈值，则证明此时前方出现突发事故，不能正常通行，列车准备制动停车，并生成事故报告在下一个通信时隙中发送给地面基站，地面基站通过地面分区控制单元传输到地面运行控制中心处，地面运行控制中心确认事故报告结果后启动制动停车流程；否则证明此时列车前方没有障碍物，列车正常通行。

3.如权利要求1或2所述的高速磁浮列车车载同步通信探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将列车的标准时隙均划分为16个子时隙，子时隙划分为三种时隙：车地通信时隙、探测时隙、信号处理时隙，将第一个子时隙设置为车地通信时隙；

S2、在车地通信时隙中，车载基站与地面基站建立同步，使用38GHz毫米波进行同步通信，车载基站将列车业务信息发送给地面基站，并接收地面基站发送的业务信息；

S3、在探测时隙中，列车获取列车位置信息，同时车载基站向前方发射不同调频斜率与周期的线性调频连续波信号，并将接收到的回波信号传输至信号处理模块；

S4、在信号处理时隙中，信号处理模块对接收到的回波信号进行处理，并与轨道沿线环境库进行比对，具体操作方法为：将回波信号与列车位置信息结合，获取相应探测位置的探测结果，并与提前获取的安全环境下轨道沿线环境库对应位置信息进行对比，分析前方道路情况；若列车接收到回波信号与环境库差别大于预警阈值，则证明此时前方出现突发事故，不能正常通行，列车准备制动停车，并生成事故报告在下一个通信时隙中发送给地面基站，地面基站通过地面分区控制单元传输到地面运行控制中心处，地面运行控制中心确认事故报告结果后启动制动停车流程；否则证明此时列车前方没有障碍物，列车正常通行。

4.根据权利要求3所述的高速磁浮列车车载同步通信探测一体化系统，其特征在于，所述列车获取位置信息的具体方法为：通过设置在轨道上的列车定位标志板与位置处理模块获取列车位置信息。

5.根据权利要求3所述的高速磁浮列车车载同步通信探测方法，其特征在于，所述探测时隙中，列车最小探测距离和最大探测距离分别为：

其中，c为光速，T为线性调频连续波信号的发射周期，t为线性调频连续波信号的时间长度。

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