CN1656524A - 车辆的导航、防撞、和控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种碰撞报警和防撞系统，该系统包括集成的车载列车导航单元(3)和GPS接口子系统，用于对列车定位。该系统包括：GPS(2)定位信号；至少一个固定的转发器站台(31)；和对转发器标识校准、修正的子系统，用于扫描设在轨道上的转发器，以便万一有碰撞危险时对列车实现超驰控制，还包括所有转发器、它们的位置和它们被定位在其上的轨道ID的数据库。数据和信息在一辆列车的神经网络中处理并分析，以识别、分等、和评价碰撞的可能性。

Description

车辆的导航、防撞、和控制系统
技术领域
本发明涉及车辆的安全，更具体说，是涉及一种标识系统，能对车辆碰撞报警和防止碰撞。更准确地说，本发明涉及用于轨道网的防撞系统，该轨道网包括能使车辆和轨道标识的装置。更具体地说，本发明涉及为防止该网中两辆或多辆车辆间碰撞的目的，提前检测并发送车辆在网中位置。虽然本文说明的本发明，适用于各种车辆网，但将主要参照它在铁路网中铁路车厢的应用来说明。
背景技术
对公路和铁路交通，已经有各种车辆防撞系统。下面专利完整公开的内容，本文全文收入，供参考。
授予Kato的U.S.Pat.No.5,272,483描述一种汽车导航系统。该发明试图通过使用惯性制导、地磁传感器、或车辆曲轴传感器，校正GPS系统的不精确度。
授予Shaw等人的U.S.Pat.Nos.5,314,037和5,529,138，描述一种使用激光雷达和激光陀螺仪的防撞系统。下面各段引自U.S.Pat.Nos.5,314,037，给出防撞的现有技术背景。“在防撞系统中使用雷达，是众所周知的。U.S.Pat.No.4,403,220公开一种雷达系统，适用于检测海上的飞机或船只之间的相对航向，和检测相对于地面移动的目标。该系统适合防撞的应用。1978年2月7日申请的U.S.Pat.No.4,072,945，公开了一种用于公路车辆防撞系统的雷达。该系统测量车辆相对于某一目标的速度及距离，然后决定车辆是否正在以危险的高速接近该目标。用数字代码表示的最小许可距离，存储在计算机的存储器中，并把该最小许可距离与雷达测量的距离比较。”
许多现有技术的防撞系统使用微波雷达作为测距和检测装置。当这些汽车防撞系统使用微波雷达时，有许多缺点。一个主要缺点是关于波束宽度，即雷达主瓣的角宽度的，和与微波雷达相关联的角分辨率。波束宽度反比于天线直径与波长之比。由于天线大小的限制，很难制作波束宽度小于3度的适当大小的微波雷达。在需要扫描的距离上，扫描地区的波束宽度太大，因而太没有针对性，难以区分接收的回波。除了从前面的另一辆汽车得到回波外，该雷达也将从路边的牌子、树木或柱子、或从横跨高速公路的桥梁，接收回波。在分车道的公路上，微波雷达将从离开2或3车道的汽车接收回波，从回波上难于把它们与来自同一车道的目标区分开来。因为微波雷达角分辨率不高，目标的方向不能仔细确定，从而不能把彼此太接近的目标分开。微波雷达的角分辨率不够小，不能有效地用于监控道路交通。另一个缺点是，微波雷达在区别来自使用相同设备的邻近汽车的雷达信号上，存在困难。如果有多于两辆汽车在相同场合上使用相同的雷达设备，则信号变得非常混淆。
在Shaw的发明中，使用激光雷达作为扫描和测距的装置。这些激光雷达装置有小得多的波束和角分辨率，从而给出更细致和精确的被检测目标的方向及距离的信息。
雷达已经广泛用于运动目标速度和距离的检测。大多数雷达使用微波频率范围的电磁波。它们分为脉冲雷达和连续雷达。在脉冲雷达中，发射机通过天线，送出持续时间极短的脉冲形式的雷达信号，持续时间例如为百万分之几秒。下一个脉冲在已经接收回波之后发送。雷达使用Doppler原理，通过频移量计算速度。雷达的角分辨率与波束宽度有关。如果两个目标约在相同距离但稍有不同的角度，只要它们离开得比波束宽度更大，那么它们能够被分开。激光雷达是有高方向性的。激光作为平行光束传播，扩展很小。它能以非常窄的光束传播。与微波比较，激光有更高的频率和更短的波长。激光能按微波雷达相同的方式，用于测量速度和距离。
激光束是高方向性的。激光接收设备也是高方向性的。因为激光接收设备仅接收对准它的激光束，绝大部分干扰可以避免。这是它优于微波雷达的重要优点。当有多辆汽车在相同场合使用相同的激光雷达时，它们反射的信号将不会相互干扰，容易避免混淆。
激光陀螺仪是有更高精度的近代陀螺仪，比传统的机械陀螺仪更便宜也小得多。它能提供精确的方向信息。典型的激光陀螺仪由玻璃类材料制成，作成类似于三角形或长方形的形状。产生的激光束被分为两部分，沿相反方向绕三角形或长方形传播。激光陀螺仪已经在航线上作为自动驾驶仪使用，使飞机保持正确的方向。如果飞行器偏离正确方向，偏向一侧的运动将使一束激光束比另一束传播得更远。计算机能够分析这两束激光束不同步的程度，并计算飞机在方向上的改变。因此，激光陀螺仪能够精确测量旋转速率或方向变化速率。
激光如微波雷达一样，不能穿透雨、沙暴、雾或雪等等。但是，红外光能穿透雨、沙暴、雾或雪等等，比可见光强。因此，雨或雪等等对驾驶员视线的影响，比它们对红外激光雷达的影响大得多。如果雨或雪等等下得很大，它们能降低激光雷达的有效距离。以其高方向性特点及非常小的光束宽度，激光雷达与微波雷达相比，还有其他的优点。
激光雷达的接收机如与之关联的发射机一样，要准确地对准相同的方向。接收机也是高方向性的。接收机不会接收从同一车辆其他发射机发射的，或从邻近车辆发射机发射的反射回来的激光，因为通常其他激光的反射将从与接收机方向不同的方向进来，但下面两种非常罕见也非常短暂的情形除外。第一个例外是，当迎面开来的车辆的激光束，碰巧对准装备了该系统的车辆的接收机时，发生混淆。对两辆运动的汽车，这种情况最多只能持续一秒的极小部分。第二个例外是，当邻近车辆的激光束碰巧与装备了该系统的车辆的激光束照在同一点。那么被反射的邻近车辆的激光，可能正好对着装备了该系统的车辆的接收机方向。
在这些专利中，Shaw依靠的是两个激光雷达，以便用三角测量法对道路上的车辆位置，获得精确的预测。不形成道路上的车辆或其他目标的像。不试图识别被照射的目标。Shaw从两个激光雷达用三角测量法获得被询问目标的相对速度。
授予Tsuji的U.S.Pat.No.5,367,463，描述一种车辆方位确定系统。它在GPS与地图数据出现误差时，使用退行线在地图上查找车辆。该发明的优点是，它表明一种把地图匹配数据与GPS，以及陀螺仪与车辆速度和里程表数据结合的方法，用于改进车辆的整体定位精度。
授予Shibata的U.S.Pat.No.5,383,127，使用地图匹配算法，校正GPS导航系统中的误差，提供一种车辆在何处，或更准确地说，车辆在什么路上更为精确的指示。该系统的主要目的，是用于导航，更准确地说，是用于确定车辆正在行驶在什么路上。
授予Geier等人的U.S.Pat.No.5,416,712一般涉及导航系统，更准确地说，是涉及全球定位系统的，它在GPS遮蔽周期，如发生在障碍物，例如大城市中的高层建筑中间，使用推算航行设备作为后备插入。
授予Judes的U.S.Pat.No.5,463,384，它在卡车驾驶员开始使车辆转弯，却有一车辆正在他的盲区时，使用多个红外光束向卡车驾驶员报警。该系统通常由车辆的转弯信号启动。不试图测量目标的速度，仅确定它是否在盲区。授予Michael的U.S.Pat.No.5,467,072，涉及能操纵雷达波束而不必旋转天线的相控阵雷达系统。除此之外，它还有上述雷达系统所有的缺点。特别是，它不能给出道路上目标的精确的三维测量。
授予Yoshioka的U.S.Pat.No.5,479,173使用操纵角度传感器、偏航率传感器、和车辆速度传感器，预测车辆将要行驶的路径。它使用雷达单元识别可能在车辆路径上的各种障碍物，并使用CCD摄像机尝试确定，在该车辆前面的道路是否正改变方向。没有提及这些确定的精度。看来不大可能达到米以内的精度。授予Hulderman的U.S.Pat.No.5,486,832采用毫米波雷达与光学技术，取消了机械扫描系统。
授予Schreder的U.S.Pat.No.5,504,482，公开一种装备了惯性和卫星导航系统连同地区数字化街道地图的汽车。该专利主要用于交通拥挤等等时的路线引导。该专利说明如何发送作为公路交通状态的信息，并使适当装备的车辆驾驶员在走向他的目的地时，改变路线。然而，正如从下面引用的段落所见，该专利提供本领域一幅美好的画面：
已经存在改进车辆控制并增加与普通汽车使用有关的安全的系统。例如，众所周知，基于陀螺的惯性导航系统已经用于产生三维位置信息，包括在相对短的行驶距离上的精确加速度及速度信息，同时，GPS卫星定位系统能够提供三维的车辆定位。现有技术未能全面地整合一些已知技术，给出一种完整的碰撞报警和防撞系统。
GPS卫星接收已经用于智能车辆公路系统，作为引导和控制系统的一部分，加强在数字化道路地图上车辆的跟踪。这些系统使用GPS，确定何时漂移误差过大，并指出必须重新校准。但是，就申请人所知，用于当前车辆定位的自动精确重新校准，GPS接收不是最佳的。
这些智能的车辆公路系统，把罗盘和齿轮传感器用于车辆定位，以便路线引导，但不用精确的GPS和惯性路线导航及引导，也不把惯性测量单元用于动态的车辆控制。虽然已经仔细考虑过动态的电子车辆控制，例如，防锁制动、防滑操纵、和电子控制悬挂装置，这些系统在功能上，没有整合这些有惯性测量单元的精确惯性路线引导系统的动态控制，而惯性测量单元是非常适合动态的运动测量的。
仍然存在提供一种整合的车辆碰撞报警系统的长期的需求，该系统能使一辆车辆的驾驶员，了解在他的车辆邻近至少另一车辆的具体位置，从而万一车辆正在碰撞的过程中时，发出碰撞报警。
一种防止车辆意外事故的已知系统，提供位置确定装置，用于确定第一车辆的绝对位置。该位置确定装置包括放在第一车辆中的接收机，被制成并用于从GPS卫星网接收位置数据，还接收大范围的微分GPS校正数据。该系统还包括存储器，用于存储关于该第一车辆可能在其上行驶的道路边界的数据。与该确定装置和存储器耦合的处理器，用于把第一车辆的绝对位置，与道路边界比较，以便确定第一车辆相对于道路边界的位置，该第一车辆的绝对位置，是根据接收机从卫星网接收的位置数据及大范围微分GPS校正数据确定的，当第一车辆的位置接近道路边界或与道路边界相交时，与该处理器耦合的反应装置，作用于第一车辆上的某种系统。该系统还包括放在第一车辆中的通信装置，并与处理装置耦合，用于接收数据通信，该数据至少包括其他车辆的大小、类型、质量、和走向中的一种，所述处理装置，被制成和用于至少部分根据其他车辆的大小、类型、质量、和走向中至少一种，确定另一车辆是否可能以需要防卫动作的方式碰撞第一车辆，如果是，处理装置作用于该车辆中的另一系统，启动报警或防卫动作。该系统提供车辆到车辆的通信，但不提供能使车辆确定它相对于道路或轨道上固定位置的位置的系统。该系统也受数据存储问题的困扰，由于需要上载和存储不受限制的数据，包括对每一道路每一边界以及从每一角度及方向的细节。要实现是不实际的，且不能针对道路结构的任何变化，即：新的结构如新的绕行路线、或新的道路的安全岛、或诸如开挖和/或道路维修等应急工程。本已知系统在桥下或多层道路(multiple store roads)或隧道下，也不能有效导航。
授予Boles的U.S.Pat.No.5,506,584，涉及一种通过发射机与转发器的关系，在车辆间通信的系统。该专利说明，在多车道环境中，询问装置在半英里内可以有多达90辆车辆，其中，它们中的许多可以有相同或近似相等的距离。Boles的专利利用转发器装置、在时间上随机的编码响应、和处理返回信号的询问装置，能向驾驶员提供，或供存储器存储的某一车辆上的车辆标识的速度、位置、和转发器状态的信息。没有说明如何使车辆了解它的位置的方法，从而也不知道它如何把该位置发送到其他车辆。
授予Uemura等人的U.S.Pat.No.5,530,651，公开一种结合超声与激光雷达的光学检测系统，该系统的特性是，如果该系统检测障碍物的能力由于弄脏的透镜、雨、雪、等等而下降，那么车辆控制系统自动地例如限制车辆能够在恶劣天气中的行驶速度。当前方的能见度由于盲、拐弯的角而下降时，车辆的速度也下降。
授予Harrison的U.S.Pat.No.5,576,972，提供如何把神经网络用于识别各种目标的良好背景。虽然没有直接涉及智能运输系统或防止事故系统，但如下面的讨论，这些技术可以应用于本文说明的本发明。
授予Yoshioka等人的U.S.Pat.No.5,585,798，使用CCD摄像机及激光雷达单元的组合。该发明试图判断被检测许多障碍物的每一个的危险性。在中央处理器上通过以不同频率观察不同的障碍物，对当前系统，这些不同的频率与障碍物的危险性有关。如本文公开的，本发明考虑了类似的装置。
授予Ishida的U.S.Pat.No.5,585,798，涉及使用雷达系统加偏航率传感器(a yawl rate sensor)及速度传感器，根据每一车辆所占面积，确定车辆是否将与另一车辆碰撞。当然，因为雷达不能确定该面积，所以该面积不得不由系统假设。
授予Kyrtsos的U.S.Pat.No.5,606,506，教导关于GPS卫星系统的背景。它公开一种使用惯性引导的系统，改进GPS卫星系统精度的方法。该方法根据如下事实，即Kyrtsos使用的GPS信号，不包含微分校正，而是接通了选择接入特性。该申请可用于本发明的关键的一段如下。
已经存在一种地球上的位置确定系统，一般称为全球定位系统(GPS)。GPS是基于卫星的无线电导航系统，它专门向地面或靠近地面的接收机提供高精度三维位置信息。该通用的能力整合在本发明中，作为碰撞报警系统的一部分。使用三个轨道GPS卫星的三角测量，能使任何地面接收机，通过简单的几何理论计算，确定在地球上的绝对位置(经度、纬度、和相对于地球中心的高度)。位置估算的精度，部分与被抽样的轨道GPS卫星数有关。计算中使用更多的GPS卫星，能够增加地球上位置估算的精度。
通常是对四个卫星抽样，确定地球上位置的估算。三个卫星用于三角测量，增加第四个卫星来校正时钟偏置。如果接收机的时钟精确地与GPS卫星时钟同步，那么第四个卫星不是必须的。
除时钟误差之外，还有大气误差及来自选择的可用性误差，影响GPS位置计算的其他误差包括，接收机噪声、信号的反射、遮蔽、和卫星路径的漂移(如卫星摆动)。这些误差导致不正确的伪距离(pseudoranges)和不正确的卫星位置计算，随之而来的是车辆定位系统计算的位置估算精度的降低。
授予Wang等人的U.S.Pat.No.5,613,039是一种碰撞报警雷达系统，它使用实时自适应概率神经网络。Wang公开的内容表明，如果在碰撞前至少半秒，向车辆驾驶员提供报警，那么有60％的道路碰撞能够避免。Wang使用的雷达系统，包括两个分开的频率。反射的雷达信号被概率神经网络分析，给出与特定目标碰撞的威胁可能性的输出信号指示。该系统还包括Fourier变换电路，把数字化反射信号从时间序列变换为频率表示。应当着重指出，在本专利中，如同上述其他的专利一样，真正的防撞将不会出现，因为，没有对道路的了解，两车辆可以在碰撞过程中彼此接近，各沿公路上弯曲的车道，但由于每一车辆保持在各自的车道中，碰撞的危险仍旧极小。因此，对道路的几何结构没有精确的了解，不能达到真正的防撞。
授予Talbot等人的U.S.Pat.No.5,757,646，说明在飞行中实时获得厘米水平的精度的方式。这是把一对固定的和游动的GPS接收机接收的代码及载波测量，进行二重差分实现的。极其精确的GPS接收机，与它们从各个轨道GPS卫星接收无线电载波的相位测量有关。不太精确的GPS接收机，简单地根据发送的时间码，利用每一可见卫星的伪距离。在单个时间码的颗粒度内，由于有多个基本的载波波长，能够测量载波相位，并用来计算测量的距离。GPS信号是在两个同步的但分开的载波频率“L1”和“L2”上传输的，波长分别为19和24厘米。因此，在19或24厘米内，GPS载波信号的相位将改变360度。
有许多解决整数模糊的现有技术方法。这些方法包括整数搜索、多天线、多GPS可观测量、基于运动的办法、和外界帮助。搜索技术常常需要大量计算时间，并且当只有少数卫星可见时，容易得到错误解。更多的天线能显著改进可靠性。据此，如果贯彻到底，则相控阵天线可得到完全不模糊的整数，不必搜索。但为经济起见，最好用存在噪声的情形下，快速又不模糊解决整数的最小数量的天线。
已经就开发目标识别系统进行工作。在目标识别处理过程中，神经网络具有关键作用。道路上车辆的识别是颇为简单的处理过程。通过距离选通脉冲，大多数杂波信息能被消除。Road and Intersectionand Traversal，(IEEE Conference on Intelligent Robots and Systems，Aug.5-9，1995，Pittsburgh，Pa.，USA)说明一种使用神经网络的自主陆地交通工具。根据驾驶员如何驾驶车辆，从摄像机给出输出，训练神经网络。神经网络的输出，是车辆应根据摄像机输入的信息向前行进的方向，并且训练是根据优秀驾驶员应该做的那样进行。本发明可以使用这样的系统，在万一驾驶员变得失去能力，或某些其他意外事故出现，使驾驶员不能控制车辆时，引导车辆安全停止。此时神经网络的输入将是地图信息而不是视频摄像机。此外，激光雷达成像系统也应是系统的输入。万一意外事故变得不可避免时，该神经网络系统还能接手驾驶。
近年来，已经突现的铁路灾难表明，目前铁路网不再被世界广泛接受。似乎逐渐接受这样的事实，即该网和服务迫切需要作大量工作。主要需要改进的是关于安全、可靠性、通信、和当前的文化。列车意外事故是我们社会面临的最严重问题，意外事故导致的结果，不但带来人员死亡和伤害，而且带来财政损失。人类由于这种意外事故导致的死亡和伤害，是巨大的。此外，医疗费用、永久伤害对事故的受害者导致生存机会的丧失，而在该类事故中涉及的列车和其他有价值物体或结构的损毁，导致的财政损失是惊人的。提供一种改进的系统和方法，减少这种人员和财政的损失，是十分迫切和非常重要的问题，值得给予最大可能的优先。全世界增加的人口和增加铁路网的使用，将导致我们铁路系统网上的拥挤和混乱，使得为防撞而开发改进的控制和报警系统更为重要。虽然在车辆安全方面已经取得许多进展，包括例如，安全带、气囊、和更坚固和安全的车体结构，在铁路系统中，一般说，有许多改进的余地，特别是在轨列车的报警和控制系统。
通过GPS的自身定位和多目标定位
例如，在各个可用于列车防撞与报警系统问题的技术领域中，已经取得令人印象深刻的进展。今天，一个快速的技术发展的动态领域，存在于GPS卫星定位和跟踪系统。如上所述，已经向为目标定位和跟踪及为导航目的的各种GPS应用，颁发了许多专利。也已经用方法补充该GPS系统，为飞机着陆系统提供实时的更高精度的运动定位信息。各种基于GPS跟踪和通信系统及方法的配置，在下述文件中说明，本文收入各文件的全文，供参考：Logsdon，Tom，The Navstar GlobalPositioning System，Van Nostrand Reinhold，New York(1992)，ISBN0-422-01040-0；Leick，Alfrexd，GPS Satellite Surveying，John Wisley& Sons，New York(1990)，ISBN 0-471-81990-5；Hum，Jeff，GPS-AGuide to the Next Utility，Trimble Navigation，Ltd.，Sunnyvale，Calif.(1989)；Hum，Jeff，Differential GPS Explained，Trimble Navigation，Ltd.，Sunnyvale，Calif.(1993)；Singh，M.S.And Grewal，H.K.，IEEEIntelligent Vehicle Symposium，September，(1995)；Walter，T.，et al.，Flight Trials of the Wide-Area Augmentation System(WAAS)，IONGPS-94，September，(1994)；Walter，T.And Euge，P.，Weighed RAIMfor Precision Approach，ION GPS-95 September，(1995)；and U.S.Pat.No ′s.：Remondi 5,442,363；Okamoto 5,434,787；Dekel 5,430,656；Sprague 5,422,816；
Schuchman 5,422,813；Penny 5,414,432；Smith 5,408,238；Gooch5,396,540；Sennott 5,390,125；Kass 5,389,934；FitzGerald 5,382,958；Brown 5,379,224；Class 5,361,212；Allison 5,359,332；Bird 5,418,537；Izidon 5,325,302；Gildea 5,345,244；Brown 5,311,194；
Mueller 5,323,322；Teare 5,243,652；Mansell 5,223,844；Geier5,202,829；Bertiger 5,187,805；Ferguson 5,182,566；Hatch 5,177,489；Fraughton 5,153,836；Alison 5,148,179；Joguet 4,894,655.
防撞确定
已经知道，有各种各样的机构，用于检测目标和障碍物，以及用于确定各种各样相对于被检测目标的碰撞相关参数。从被检测目标检测并计算得到的信息，被用在各种各样的已知防止碰撞中。这类已知系统包括各种各样光学的、电光学的、雷达的、激光雷达的、和磁的传感器，还有视频成像装置，其中包括U.S.Pat.Nos.Maekawa5,039,217；Taylor 5,249,157；Kajiwara 5,177,462；Defour 5,291,196；Lemeson 4,979,029；Lemeson 4,969,038；Kelly 4,926,171；O′Brien5,341,344；Shaw 5,314,037；Asbury 5,189,426；Asbury 5,181,038；Asbury 5,302,956；Butsuen 5,332,057；Broxmeyer 5,369,591；Shyu5,091,726；Chi 5,165,497；Mayeau 5,161,107；Kurami 5,081,585；Schwarzinger，Michael，Vision-Based Car-Following：Detection，Tracking，and Identification 7/92，pgs.24-29；Yu，Xuan，RoadTracking，Lane Segmentation and Ostacle Recognition byMathematical Morphology，7/92，pgs.166-172；
Ulmer，Berhold，VITA-An Autonomous Road Vehicle(ARV)forCollision Avoidance in Traffic，7/92，pgs.36-41；Ulmer，Berhold，Autonomous Automated Driving in Real Traffic，12/94，pgs.2118-2125；Sekine Manabu，Design Method for An Automotive Laser RadarSystem and Future Prospects for Laser Radar，7/92，pgs.120-125；Rock，Denny，Intelligent Road Transit：The Next Generation，AlExpert，4/94，pgs.17-24；Teuber，Jan，Digital Image Processing，Prentice Hall，N.Y.，1989；Graefe，Volker，Vision for Intelligent RoadVehicle，7/92，pgs.135-140；Enkelman，W.，Realization of Driver′sWarning Assistant for Intersections，7/92，pgs.72-77；Efenberger，Wolfgang，Automatic Regnition of Vehicles Approaching FromBehind，7/92，pgs. 57-62；Rossle，S.，Real-Time Vision-BasedIntersection Detection for a Driver′s Warning Assistant，7/92，pgs.340-44；本文收入上述各文全文，供参考。但是，这些系统未能把支持扫描与多目标检测及跟踪，作为整合GPS防撞和报警系统的一部分，该系统能用于多目标、逻辑、更高精度、在轨列车的操作环境。
本发明的领域
本发明涉及用于铁路系统的方法和设备，检测碰撞的候选对象，诸如向前或向后接近的列车或其他占据轨道车辆，更具体说，是涉及防撞测量的自动提醒(automated invocation)。
本发明还一般涉及一种设备和方法，对运行在选择的路线或路径(铁路轨道)上的主机车，以及对多个与主机车有潜在碰撞可能性的移动或固定的目标(列车)，精确地确定它们的实际位置及高度，然后，产生并显示报警信号和避免碰撞的防撞响应，还有，在主机车驾驶员(列车驾驶员)没有作出有效的及时的动作时，自动控制主机车避免碰撞和损毁。更具体地说，本发明涉及使用全球定位系统(GPS)，作为基本的、具有可用精度的主机车和目标的定位系统，在第二通信链路上，来自多个在轨道表面有已知固定位置的站台(轨道转发器)之一的测距信号，用作规定的轨道标识并包括校正信号，以便为进一步改进GPS测距信号的精度，在进一步的测量中帮助校正GPS测距信号中的误差，还辅以多个常规数字计算机系统，用于检测、识别、跟踪、和预测所有相关潜在目标(使用该轨道的其他列车)的碰撞发生点。本发明还涉及多天线，GPS确定列车高度以便产生在轨列车与多目标的相对位置，和防撞报警及响应。更具体地说，本发明还涉及列车间和列车上，向其他列车和中央或局部控制中心发射GPS、位置数据、和相关目标数据，用于信息和控制动作。更具体地说，本发明还涉及神经网络和逻辑规则集的使用，以便产生并开发优化和优先报警及防撞响应，和产生有关的优化协调控制信号，用于所有相关的主机车控制系统，该控制系统随后以驾驶员的干预和超驰为条件，自动实施避免碰撞，或自动实施避免伤害或损毁的优化。
即使大多数机车装备了语音通信系统，能使工程师及时检测碰撞的候选对象，启动防撞措施，但仍不时有列车碰撞发生。为提供检测和自动避免列车碰撞的方法和设备，已经作出努力。本发明建议的方案，企图解决车辆碰撞这个老问题，其中一些碰撞是灾难性的，包括列车间的碰撞。在铁路网中，设有无线电通信，所以驾驶员可以为各种运行问题，与另一驾驶员联系。此外，转发器提供特定位置的地区码，能使列车驾驶员识别他们的位置。万一有危险或故障，可以通过中央广播的所有广播点向所有驾驶员告警。一般的情形下，该已知系统或采用位置控制的跟踪系统电路，即对单条线路的轴计数系统，或采用环路系统。因此，现有方法是把即将来临的危险向驾驶员报警，或简单地在驾驶员间通信，例如为生病的乘客报警。但是，这些方法可能产生人类的错误，是低效的和吃力的。
发明内容
本发明的一个方面，是一种计算机控制的防撞和报警方法，它包括如下步骤：在第一通信链路上，在多辆列车之一的列车上，从卫星网连续接收GPS测距信号，用于开始时精确确定地球表面轨道上各个列车的位置；在第二通信链路上，在一辆列车上，从多个在轨道表面有已知固定位置的站台(基于轨道的转发器)之一，连续接收规定的轨道标识，并校正GPS测距信号中的传播延迟误差，以便进一步改进GPS测距信号的精度，和确定地球表面轨道上各个列车的位置；在一辆列车上，由GPS连续地确定各个列车在轨道表面的运动跟踪位置，用神经网络补充，以提供更高的精度…，把各自的包括运动跟踪位置的状态信息在多辆列车之间通报，并向多个列车控制中心通报，又在一辆列车上接收每一其他列车，包括其他列车运动跟踪位置的状态信息；逻辑相联存储器(LAM)中确定各列车对每一碰撞可能性的响应；产生控制信号以启动与列车控制对接的超驰控制机构，在列车还未碰撞时使列车停止；
智能地指示碰撞可能性报警；又，协调地启动实时列车特征记录，在适当时间以足够实时的方式，避免每一碰撞的可能性；
本发明提供运动列车的防撞、报警、和控制系统及方法，该系统使用GPS定位系统，用神经网络补充，给出更高的位置精度，还导出列车的高度及位置坐标和各个列车的运动跟踪信息。用地面的控制器计算机与列车通信，以接收位置和列车状态信息和向各个列车广播控制信息，该GPS位置和计算系统与轨道转发器扫描及车载列车导航单元(TNU)整合，提供精确的列车位置信息，以及关于每一列车即将来临的碰撞形势信息。本发明和本文公开的方法，将在安全和环境领域有利地实现高质量测量，并使列车控制器能更多地控制，同时使列车驾驶员在事前而不是在事后作出反应。
本文公开的进一步增强的列车导航与控制系统(TNCS)和方法，使用列车控制器的基本工具，可在远处令一辆列车或任何另一辆列车停止，这是有史以来第一次引入的，它能使列车控制器在下面的情形中，预防灾难的发生：
使如下的列车停止：一辆破裂的列车；由于无法向列车乘务员报警，有一辆沿错误方向行进的列车，正向着出轨列车或其他灾难地区加速的列车；失去能力的驾驶员或在雾中、烟中、或盲区如拐弯处。该特性可以通过引入中央控制单元(CCU)而提供。
列车特征的实时记录
此外，本文公开的进一步增强的列车导航与控制系统(TNCS)和方法，使用列车特征实时记录系统，记录最后几分钟的驾驶动作，供将来分析。该记录能重构导致碰撞的事故，能更精确确定包括失误等原因。
按本系统方面的广义形式，本发明包括：
计算机控制的车辆防撞与报警系统；该系统包括：
中央控制器；
至少一个卫星，在该至少一个卫星与至少一个全球定位系统(GPS装置)之间，提供第一通信链路，以确定第一车辆的位置；
能在至少一个固定站台与第一所述车辆之间通信的第二通信链路；
其中，所述第二通信链路在所述至少一个固定转发器站台与至少一辆潜在的不限数量的其他车辆之间，提供连续的通信；其中，所述第一通信链路，通过GPS，提供任何一辆所述车辆的位置，且其中，每一车辆上的TNU之间的通信，提供一辆车辆相对于至少另一辆车辆的位置。
按本系统方面最广义形式，本发明包括：
计算机控制的车辆防撞与报警系统；该系统包括：
至少一个卫星，与至少一个全球定位系统(GPS装置)通信，该全球定位系统提供与该至少一个卫星间的第一通信链路，以确定至少第一车辆的位置；
能在至少一个固定站台与至少第一所述车辆之间通信的第二通信链路；
其中，所述第二通信链路在所述至少一个固定站台与至少一辆潜在的不限数量的其他车辆之间，提供连续的通信；其中，所述第一通信链路，提供任何一辆所述车辆的位置，而所述第二通信链路，则通过在每一所述至少一辆车辆中的处理装置，提供一辆车辆相对于所述至少另一辆车辆的位置。
最好是，每一固定站台放在车辆路径的已知位置上，且彼此相隔预定距离，其中所述固定站台，包括向每一车辆中的处理装置发送距离信号的转发器，用于路径识别。按照一个优选实施例，每一所述车辆是运行在轨道网上的列车，而该处理装置包括列车导航单元(TNU)。
该系统还包括与所述列车导航单元关联的主控制单元；其中的列车导航单元与主控制单元通信，以便能把经第一通信链路接收的列车位置数据，与从第二通信链路接收的列车位置数据比较。该系统最好包括中央控制器，以便对系统实现远程监控；其中至少一个卫星与设在列车上的GPS，或与和所述中央控制器相关联的GPS通信。每一固定转发器站台发送校正信号，校正来自第一通信链路的GPS测距信号中的误差，其中的校正信号，允许进一步的校正测量，以改进GPS测距信号的精度。轨道标识用计算机结合所述控制器处理，连续地确定列车的运动轨迹，以便位置标识；其中一辆列车被跟踪的位置，被实时地发送至或被至少另一辆其他列车接收，以便每一列车确定离开至少另一辆其他列车的距离。最好是，有一个连续向GPS发射的卫星网，以便确定铁路轨道上的列车。最好是，来自每一转发器的距离信号，能确定第一列车相对于另一列车的位置，以便确定碰撞的可能性。
万一有碰撞的可能性，则产生响应控制信号，启动与列车控制通信的超驰控制机构，在列车还未碰撞时使列车停止。每一所述列车位置信息的处理，由神经网络提供，该神经网络识别并评价一辆列车相对另一辆列车的每一潜在的碰撞可能性。列车导航单元(TNU)提供列车特征的实时记录并能确定列车位置、长度、速度、相对于至少一辆其他列车的速率。最好是，该系统还包括告警装置，用于告诫在一位置的一辆列车的驾驶员，注意在另一位置至少有另一辆列车。
一辆列车的势能，可以参照下式确定：
P.E.＝(xEOB)+FB(xEOB-x)＝mv2(x)+P.E.(x)
这里：Fb是制动力，假定在全部运行应用中恒定
M是总列车质量
V是开始制动时的速度
P.E.是
Figure A0381163300251
n是车厢加牵引机车数
计算的势能确定了避免碰撞的制动力的总量。
该系统还包括列车GPS无线电组件，该组件包括GPS接口子系统和列车导航单元通信子系统；其中，所述两子系统与收发信机通信。
最好是，该系统包括超驰控制，该超驰控制包括：
信号输入，
检测信号分析装置；
数据源
与控制信号发生器通信的逻辑相联存储器，其中所述控制信号发生器，万一有碰撞危险时，能响应输入数据，向超驰列车控制发送信号，实施制动。中央控制器能在约600km的范围上，监控列车位置。
按另一种广义形式，本发明包括：
计算机控制的列车防撞与报警系统；该系统包括：
至少一个卫星，与至少一个全球定位系统(GPS装置)通信，该全球定位系统提供与该至少一个卫星间的第一通信链路，以确定至少第一列车的位置；
能在至少一个固定转发器站台与至少第一所述列车之间通信的第二通信链路；
其中，所述第二通信链路在所述至少一个固定转发器站台与至少一辆潜在的不限数量的其他列车之间，提供连续的通信；其中，所述第一通信链路，提供任何一辆所述车辆的位置，而所述第二通信链路，则通过在每一所述至少一辆列车中的处理装置，提供一辆列车相对于至少另一辆列车的位置。
按另一种广义形式，本发明包括：
计算机控制的列车防撞与报警系统；该系统包括：
至少一个卫星，与至少一个全球定位系统(GPS装置)通信，该全球定位系统提供与该至少一个卫星间的第一通信链路，以确定至少第一列车的位置；
能在至少一个固定站台与至少第一所述列车之间通信的第二通信链路；
其中，所述第二通信链路在所述至少一个固定转发器站台与至少一辆潜在的不限数量的其他列车之间，提供连续的通信；其中，所述第一通信链路，提供任何一辆所述车辆的位置，而所述第二通信链路，则通过在每一所述至少一辆列车中的处理装置，提供一辆列车相对于至少另一辆列车的位置；
其中，所述第二通信链路在所述至少一个固定转发器站台与至少一辆潜在的不限数量的其他列车之间，提供连续的通信；其中，所述第一通信链路，提供任何一辆所述列车的位置，而所述第二通信链路，能用于确定一辆列车相对于至少另一辆列车的位置；其中该系统还包括：
其中的系统还包括；
信号输入，
检测信号分析装置；
数据源
与控制信号发生器通信的逻辑相联存储器，其中所述控制信号发生器，万一有碰撞危险时，能响应输入数据，向超驰列车控制发送信号，实施制动。
最好是，中央控制器能与至少一个所述卫星通信，以监控列车位置和万一有碰撞危险时发出报警。
按照方法方面的另一种广义形式，本发明包括：
一种防止车辆碰撞的方法，包括：
计算机控制的车辆防撞与报警系统；该系统包括：
至少一个卫星，与至少一个全球定位系统(GPS装置)通信，该全球定位系统提供与该至少一个卫星间的第一通信链路，以确定至少第一车辆的位置；
能在至少一个固定站台与至少第一所述车辆之间通信的第二通信链路；
其中，所述第二通信链路在所述至少一个固定站台与至少一辆潜在的不限数量的其他车辆之间，提供连续的通信；其中，所述第一通信链路，提供任何一辆所述车辆的位置，而所述第二通信链路，则通过在每一所述至少一辆车辆中的处理装置，提供一辆车辆相对于所述至少另一辆车辆的位置；
该方法包括的步骤如下：
a)使用第一通信链路，提供第一车辆位置；
b)启动包括GPS接口和通信子系统的GPS无线电系统；
c)把轨道标识装置置于预定的轨道位置，以便向车辆提供轨道标识信号；
d)接收与列车运行及环境参数有关的输入数据；
e)通过逻辑相联存储器，分析所述数据；确定至少两辆车辆之间的碰撞危险；
f)万一出现一辆列车正在与另一辆列车碰撞的过程时，响应碰撞危险，启动超驰信号。
该方法还包括另外的步骤，该步骤允许每一车辆接收指示车辆路径上预定位置的信号。
该方法包括预先定位的步骤，该步骤对每一所述固定站台、车辆路径上已知位置的转发器、和彼此离开的预定距离，进行预先定位；其中，每一转发器发送用于路径标识的距离信号；其中，该路径是公路或铁路轨道。
每一固定转发器站台发送校正信号，校正来自第一通信链路的GPS测距信号中的误差；其中的校正信号，允许进一步的校正测量，以改进GPS测距信号的精度。
该方法包括提供中央控制器的另外的步骤，用于监控车辆位置，并能向车辆发送超驰信号，以启动防撞特性。按照一个实施例，该方法包括另外一个处理接收的每一车辆位置的步骤，这些车辆位置是通过神经网络接收的，和/或通过神经网络发送至每一车辆；其中，该神经网络识别并评价一辆列车相对另一辆列车的每一潜在的碰撞可能性。
卫星网连续向GPS发射，以便能确定铁路轨道上的列车。转发器的距离信号，能通过逻辑相联存储器(LAM)中的神经网络，确定第一辆列车相对于另一辆列车的位置，以便确定碰撞的可能性。万一有碰撞的可能性，则产生响应控制信号，启动与列车控制通信的超驰控制机构，在列车还未碰撞时使列车停止。
按方法方面的另一种广义形式，本发明包括：
一种运行碰撞报警及防撞系统的方法，包括如下步骤：
a)提供卫星网，该卫星网能通过第一通信链路，连续与多辆列车之一或多辆通信；
b)发送测距信号，用于在开始时精确确定铁路轨道上的一辆列车的位置；
c)在每一所述列车上，通过第二通信链路，从多个转发器站台之一连续接收信号，这些转发器站台在轨道表面有已知的固定位置；
d)万一检测到碰撞危险时，在逻辑相联存储器(LAM)中确定产生控制信号的响应，该控制信号启动超驰控制机构，该超驰控制机构作用于列车的控制，在列车还未碰撞时使列车停止。
该方法最好包括实时记录列车特征的步骤，以便记录最后几分钟的行驶活动，据此能重构导致碰撞的事故。
列车导航单元(TNU)对列车控制器实施远程列车超驰控制，万一有碰撞危险时，至少令一辆列车停止。
按方法方面的另一种广义形式，本发明包括：
一种防止列车碰撞的方法，包括：
计算机控制的防撞及报警系统；该系统包括：
至少一个卫星，与至少一个全球定位系统(GPS装置)通信，该全球定位系统提供与该至少一个卫星间的第一通信链路，以确定至少第一列车的位置；
能在至少一个固定转发器站台与至少第一所述列车之间通信的第二通信链路；
其中，所述第二通信链路在所述至少一个固定转发器站台与至少一辆潜在的不限数量的其他列车之间，提供连续的通信；其中，所述第一通信链路，提供任何一辆所述列车的位置，而所述第二通信链路，则通过在每一所述至少一辆车辆中的处理装置，提供一辆列车相对于所述至少另一辆列车的位置；
该方法包括的步骤如下：
a)启动包括GPS接口和通信子系统的GPS无线电系统；
b)使用第一通信链路，提供多辆列车每一辆的位置；
c)在主控制单元上，接收与列车运行及环境参数有关的输入数据
d)通过逻辑相联存储器。分析所述数据；确定至少两辆列车之间的碰撞危险；
e)万一出现一辆列车正在与另一辆列车碰撞的过程时，响应碰撞危险，启动超驰信号。
按照方法方面的另一种广义形式，本发明包括：
一种防止车辆碰撞的方法，该方法使用的系统包括：
计算机控制的车辆防撞与报警系统；该系统包括：
至少一个卫星，在该至少一个卫星与至少一个全球定位系统(GPS装置)之间，提供第一通信链路，以确定第一车辆的位置；
能在至少一个固定转发器站台与至少第一所述车辆之间通信的第二通信链路；
中央控制器；
其中，所述第二通信链路在所述至少一个固定转发器站台与至少一辆潜在的不限数量的其他车辆之间，提供连续的通信；其中，所述第一通信链路，提供任何一辆所述车辆的位置，而列车导航单元(TNU)之间的通信，提供一辆车辆相对于至少另一辆车辆的位置
该方法包括的步骤如下：
a)使用第一通信链路，提供第一车辆的位置；
b)启动包括GPS接口和通信子系统的GPS无线电系统；
c)接收与列车运行及环境参数有关的输入数据；
d)把轨道标识装置置于预定的轨道位置，以便向车辆提供轨道标识信号；
e)通过逻辑相联存储器，分析所述数据，确定至少两辆车辆之间的碰撞危险；
f)万一出现一辆列车正在与另一辆列车碰撞的过程时，响应碰撞危险，启动超驰信号。
附图说明
现在将按照优选的但不是限制性的实施例，并结合附图，详细说明本发明，附图有：
图1按照一个实施例，画出列车导航与控制系统(TNCS)的示意图；
图2画出第一通信链路是GPS接收机而第二通信链路是GPS发射机，各工作在分开的预定频率上。
图3画出在轨道网中通常列车的示意图，相互间接收与另一辆的操作关联的信息。
图4画出列车及轨道设施，包括装配在列车内的GPS子系统接口单元的平面视图。
图5画出的示意图，表明通常处理和分析输入和发送从这些输入导出的数据的过程。
图6画出通常的轨道和列车排列的平面图，其中包括能与列车互作用的转发器标识子系统(TIS)，用于检测安装在轨道上的转发器，该转发器提供列车相对于转发器的正确位置。
图7画出固定点转发器33排列的平面图，使用支承在列车的扫描器，确定特定的轨道标识。
图8画出GPS接口子系统和TNU通信子系统及软件模块的示意图。
图9画出有两个TNU的一列车：为了确定列车的长度，GPS收发信机最好一前一后。
图10表明从诸如两辆列车之间的相对速度、一辆正在在其上行驶的轨道的轨道拓扑等参数，确定列车势能的已知公式，用该公式确定制动力。
图11画出一种算法的曲线表示，该算法按照预定的列车参数，处理响应列车参数的输入信号，该列车参数例如最小制动距离。
图12画出输入逻辑相联存储器的信号与提供控制信号的列车控制之间接口的示意图，该控制信号启动超驰控制机构、与列车控制的该接口，在列车还未碰撞时使列车停止。
图13画出一种处理过程的示意图，用于确定可能性矢量和碰撞矢量，及分析该两个矢量，产生防止碰撞的输出信号。
图14画出以神经网络为特征的主控制单元(MCU)，用于处理和分析接收的数据及信息，计算诸如列车的速度、方向、和位置等参数。
图15画出已知的神经网络的示意输入和输出。
图16表明把第一节点层输出，通过第二节点层连接到第三节点层的曲线关系；和把第二节点层的输出组合，给出接收机位置数据。
图17是产生误差信号的输出信号与需要信号之间比较的曲线分布；并把误差信号加到训练算法上，确定加权。
图18按照本发明的一个实施例，画出列车导航单元和与操作参数关系的示意图。
具体实施方式
按广义形式的本发明，提供一种计算机控制的防撞与报警系统，系统中的信号被至少一车辆在第一通信链路上从GPS卫星链路接收，用于确定车辆的位置。本发明还提供第二通信链路，在该通信链路中，多辆车辆中至少一辆连续接收关于至少另一辆位置的信号，以便每一车辆了解另一辆车辆的位置，以便万一碰撞时采取避让行动。第一通信链路是GPS接收机，而第二通信链路是GPS发射机，各工作在分开的预定频率上(见图2)。
虽然本发明是参照它在列车碰撞报警中的应用说明的，但本领域熟练人员将看到，本发明可用于车辆碰撞管理的各个领域，而不是列车的基础设施网。
图1按照一个实施例，画出列车导航与控制系统(TNCS)的示意图。该TNCS包括全球定位系统1，该全球定位系统又包括(至少一个)与位于至少一辆列车4中的收发信机3通信的卫星2。每一列车有主控制单元5、列车通信子系统6、和GPS接口子系统7。GPS接口子系统7与GPS卫星2通信，以便为列车4建立位置数据。该通信构成第一通信链路。与第一通信系统合作的是第二通信系统，它能最终使一辆列车通过通信链路8与至少另一辆列车经中央控制单元(CCU)9通信。第二通信链路提供列车位置和操作参数，供中央控制单元分析，于是，该信息可供另一辆列车为防撞的目的而利用。这是通过相互通信的列车导航单元与主控制单元器起作用的。参考图1的列车导航单元，按照一个实施例，该导航单元设有与中央控制单元(CCU)关联的主计算机系统，该中央控制单元至少有一个应用程序存储在列车控制器设施9上，该控制器控制局部主机用户，即车载TNU接口所在的区域。
主收发信机系统包括，从CCU 9收集输出的装置，向主计算机系统提供输入的装置。列车控制器接口在CCU 9上与主计算机系统耦合。冗余的用户接口供至少一个远程位置，即车载TNU使用。控制器接口包括产生输出的装置，该输出被主收发信机系统从主计算机系统收集。控制器接口还包括收集用户输入的装置，以便让主收发信机系统把该输入插入主计算机系统。
图2画出第一和第二通信链路使用的主要硬件的示意图。第一通信链路包括不限数量的卫星，但在图2的实施例中，画出四个卫星10、11、12、和13。卫星10能通过第一通信链路14与列车15的车载GPS接收机通信，或与中央控制中心16通信。无线电链路17允许通过通信塔18在列车控制器16与(至少一辆)列车15之间通信。列车控制器16与每一列车通过控制链路19通信。与每一列车关联的GPS收发信机，各工作在分开的预定频率上。能与至少一个远程位置往返通信的通信链路，用于发送输出，该输出被主收发信机系统收集，送至控制器接口。该通信链路还用于发送输入，该输入被控制器接口收集，送至主收发信机系统。
图3画出轨道网中通常的列车20和21，相互接收与另一辆列车操作参数有关的信息。主要的通信是通过至少一个卫星22。因此，每一列车能在任何时间了解至少另一辆列车的位置，特别是在与该列车碰撞过程中的列车。
图4画出有前端24和尾端25的列车23的平面视图。列车23在轨道26上行驶，它包括第一GPS子系统27和第二GPS子系统单元28。
图5画出的示意图/数据流程图，表明通常处理和分析输入和发送从这些输入导出的数据的过程。分析包括分析列车的高度，和一旦捕获了GPS数据后补偿高度响应。按照一个实施例，一旦捕获了GPS数据，则获得了下面的信息：速度、方向、轨道ID、列车ID。然后，对捕获的数据格式化和发送，供处理。分析还包括：分析每一辆和所有各辆列车的特征的输入。
图6画出通常的轨道30的平面图，上有两辆列车车头相对地排列，列车包括能与列车互作用的转发器标识子系统(TIS)，用于检测安装在轨道上的转发器31。该TIS为列车29提供接口，用于检测安装在轨道30上固定位置的转发器31。该TIS精确识别列车正在接近或正在通过的转发器。于是可以确定转发器的精确位置。借助转发器31，可以连续确定列车29相对于轨道30表面固定点的高度(运动位置)。这一点可以利用列车两端的扫描器(未画出)，并比较同时在扫描器天线接收的GPS信号实现。该TIS保持所有转发器、它们的位置、和它们所在轨道的轨道ID的更新数据的数据库。
图7画出固定点转发器33排列的平面图，使用支承在列车的扫描器，确定特定的轨道标识。
图7画出不同的轨道标识。例如转发器36-39分别表示轨道A(32)、B(33)、D(34)、和C(35)。
图8画出GPS接口子系统和TNU通信子系统及软件模块的示意图。GPS接口子系统(GIS)40从GPS卫星(见图2)接收输入。GIS 40分别包括接收机/发射机41和42，及软件模块。软件模块管理GPS单元与所有其他系统部件之间的通信，据此提供必须的数据超高速缓存及定时。该软件模块最好每30秒读出卫星数据。GIS 40根据接收的信息和当天的时间，计算列车位置、它的速度。列车通信子系统TCS 43每一分钟广播列车的信息，包括列车标识、当前位置、速度、方向、及轨道标识。该信息由每一列车通过中央控制单元提供，可供轨道网中每一其他列车使用。通信子系统作为一辆列车的主TCS，与该系统起支持该主TCS作用的所有其他车载部件一起工作。这是通过如图9所示的选择和消除模式达到的。
图9画出未确定长度L的列车44，它在一端有收发信机45，在相反端有收发信机46。这些收发信机能确定列车44的长度。
在一辆列车上的TCS单元，将选择一个单元作为该列车的主TCS，于是，所有车载系统的其余单元，将支持该TCS。该TCS包括的通信有：发送一辆被选择列车的状态信息，而接收步骤包括，接收另一辆列车的状态信息。每一列车与接收和发送信息的中央控制器接合，信息在中央控制器处理，以便分析碰撞危险。图9的列车44包括，列车导航单元(TNU)为确定列车长度的选择和消除模式(EEM)。TCS(见图8)作为主TCS为一辆列车工作，而所有其他车载单元将作为支持主TCS而工作。这是通过选择和消除模式(EEM)实现的。
在同一列车上的TCS单元，必须选择一个单元作为主TCS为该列车工作，而所有其他单元将作为支持该主TCS而工作。
当TNU单元接通，或当主TCS单元不再广播列车信息时，EEM能自动启动。即使把一辆列车合并或拆开后，TCS也能精确计算列车的正确长度。这样降低了劳动，又有助于TNCS的流水线作业
TCS在列车静止状态中删除该模式的时间锁定特性，例如过了(lap)(X)分钟。
图10表明从诸如两辆列车之间的相对速度、一辆正在在其上行驶的轨道的轨道拓扑，即陡度，下坡，或平坦等参数，确定列车势能(PE)的已知公式。该公式能由列车参数计算，从而根据各种各样列车参数，例如，但不限于，制动力(假定在全部运行应用中恒定)、列车质量、开始制动时的速度、组成列车的车厢加机车数，任何列车在任何时刻都可以确定碰撞的危险性。计算的势能可以乘以安全因子，该安全因子根据制动条件(如过热或频繁使用制动器、闸瓦磨损)设计。
图12画出输入信号51，逻辑相联存储器52，和列车控制之间的接口50的示意图，该列车控制通过控制信号发生器53提供控制信号，该控制信号启动超驰控制机构、与列车控制的该接口，在列车还未碰撞时使列车停止。按照一个实施例，超驰控制信号发生器启动微波开关(未画出)，该微波开关启动已知的闭锁机构54或同等的列车特性，使列车气门之类关闭。该超驰控制通过降低制动管压力，把制动油缸压力升至最大，使列车停止。
图13画出一种处理过程的示意图，用于确定可能性矢量和碰撞矢量，及分析该两个矢量，产生防止碰撞的输出信号。分析包括对每一碰撞可能性计算碰撞矢量，并确定防撞过程。报警指示包括向列车驾驶员的TNU响应报警，及启动超驰控制机构(见图12装置)，在报警周期结束时，可能碰撞依旧可能来临。报警可以通过列车的LC显示屏上，向列车的对驾驶员实施可视指示。报警也可以通过启动碰撞报警光系统和/或声系统实施。
图14画出以神经网络为特征的主控制单元(MCU)，用于处理和分析接收的数据及信息，计算诸如列车的速度、方向、和位置等参数。
图15画出已知的神经网络的示意输入和输出，该神经网络视作具有“学习”该系统使用的数据能力的智能。
图16表明把第一节点层输出，通过第二连接层连接到第三节点层的曲线关系；和把第二节点层的输出组合，给出接收机位置数据。该神经网络改进GPS信号的数据精度，更精确确定列车位置。该方法包括通过GPS接收机从至少一个GPS卫星接收输入信号。输入信号包括有关卫星导航的信息。把输入数据通过第一节点层和第一连接层，连接到第二节点层。到第三节点层的第二节点层输出被连接到第二连接层。该输出被连接至第二节点层，以提供接收机位置数据，如图16所示。对第二连接层的加权包括：把输出信号与需要的信号比较，产生位置误差信号；把该误差信号加到训练算法，以确定加权，如图17所示。
图17是产生误差信号的输出信号与需要信号之间比较的曲线分布；并把误差信号加到训练算法上，确定加权。
图18按照本发明的一个实施例，画出列车导航单元和与操作参数关系的示意图。从图18示意图可见，本发明的核心是列车导航单元(TNU)，它与防撞和报警系统所有方面都有联系。为各种数量的列车和列车环境参数提供了必要的条件，通过基本的和辅助的通信链路，能计算碰撞的危险。环境参数包括拓扑的和全球的定位，和轨道标识。
列车参数包括列车的列车标识、制动数据、速度、加速度、速率、重量、长度。列车通信子系统包括，列车静止状态中自动删除该模式的时间锁定特性，例如过了(X)分钟。TCS在一辆列车合并或拆开后，还能精确地计算列车的正确长度。这就使人类的互作用降至最小，并有助于TNCS的流水线作业。
由于改变个别列车的特征或它周围运动环境而可变的TNU输入，将导致可变所TNU计算，在潜在危险消失或通过改变轨道(轨道转线(X-over))，或该列车速度在驾驶员控制下，或通过提前清除信号等等控制了列车的速度，消除了潜在的危险，那么，该可变的TNU计算允许撤销TNU的作用。这一特性能使TNU不致在释放制动前把列车完全停住，从而能再次以一定速度起动，这样，通过在轨道转线(X-over)中和在高峰时间的运行上(当列车彼此紧密跟随时)，控制列车速度，获得平滑的滑行和功率节省的列车管理系统，和维持时间表及坚持安全工作程序。
上面为演示和说明的目的，已经给出优选实施例和申请人在申请时所知本发明的最佳模式。不准备穷举或把本发明限制公开的准确模式，显然，借助上述教导，可以作出许多修改和变化。该实施例的选择和说明，是为了最好地解释本发明原理和它的实际应用，从而使本领域其他人员能最佳地把本发明用于各种应用。应当指出，本发明的范围由后面所附权利要求书限定。

Claims (48)

1.一种计算机控制的车辆防撞与报警系统；该系统包括：
至少一个卫星，与至少一个全球定位系统(GPS装置)通信，该全球定位系统提供与该至少一个卫星间的第一通信链路，以确定至少第一车辆的位置；
能在至少一个固定站台与至少第一所述车辆之间通信的第二通信链路；
其中，所述第二通信链路在所述至少一个固定站台与至少一辆潜在的不限数量的其他车辆之间，提供连续的通信；其中，所述第一通信链路，提供任何一辆所述车辆的位置，而所述第二通信链路，则通过在每一所述至少一辆车辆中的处理装置，提供一辆车辆相对于所述至少另一辆车辆的位置。
2.按照权利要求1的系统，其中，每一所述固定站台位于车辆路径上的已知位置，且彼此离开预定的距离。
3.按照权利要求2的系统，其中，每一所述固定站台，包括一转发器，向每一车辆中的所述处理装置，发射用于路径的识别的距离信号。
4.按照权利要求3的系统，其中，每一所述车辆是在轨道网上行驶的列车。
5.按照权利要求4的系统，其中的处理装置，包括列车导航单元。
6.按照权利要求5的系统，还包括与所述列车导航单元关联的主控制单元。
7.按照权利要求6的系统，其中的列车导航单元与所述主控制单元通信，以便能把经所述第一通信链路接收的列车位置数据，与从所述第二通信链路接收的列车位置数据比较。
8.按照权利要求7的系统，还包括中央控制器，用于对所述系统实现远程监控。
9.按照权利要求8的系统，其中，所述至少一个卫星的每一个，与设在列车上的GPS，或与和所述中央控制器相关联的GPS通信。
10.按照权利要求9的系统，其中所述路径是铁路轨道。
11.按照权利要求10的系统，其中每一个固定转发器站台发射校正信号，校正来自所述第一通信链路的GPS测距信号的误差。
12.按照权利要求11的系统，其中所述校正信号，允许进一步的校正测量，以改进GPS测距信号的精度。
13.按照权利要求12的系统，其中的路径标识，用计算机结合所述控制器处理，连续地确定车辆的运动轨迹，以便位置标识。
14.按照权利要求13的系统，其中，一辆车辆被跟踪的位置，被实时地发送至或被至少另一辆其他车辆接收，以便所述车辆的每一辆确定离开至少另一辆其他车辆的距离。
15.按照权利要求14的系统，其中，有一个连续向GPS发射的卫星网，以便确定铁路轨道上的列车。
16.按照权利要求15的系统，其中，从每一所述转发器发来的距离信号，能用于确定第一辆列车相对于另一辆列车的位置，以便确定碰撞的可能性。
17.按照权利要求16的系统，其中，万一有碰撞的可能性，则产生响应控制信号，启动与列车控制通信的超驰控制机构，在列车还未碰撞时使列车停止。
18.按照权利要求17的系统，其中每一所述列车位置信息的处理，由神经网络提供，该神经网络识别并评价一辆列车相对另一辆列车的每一潜在的碰撞可能性。
19.按照权利要求18的系统，其中所述列车导航单元，提供列车特征的实时记录。
20.按照权利要求19的系统，还包括用于确定列车位置、长度、速度、相对于至少一辆其他列车的速率的装置。
21.按照权利要求20的系统，还包括告警装置，用于告诫在一位置的一辆列车的驾驶员，注意在另一位置至少有另一辆列车。
22.按照权利要求21的系统，其中在所述网中一辆列车的势能，可以参照下式确定：
P.E.＝(xEOB)+FB(xEOB-x)＝1/2mv2(x)+P.E.(x)
这里Fb是制动力，假定在全部运行应用中恒定
M是总列车质量
V是开始制动时的速度
P.E.是列车的势能＝
n是车厢加牵引机车数
23.按照权利要求22的系统，其中计算的势能确定了避免碰撞的制动力的总量。
24.按照前述权利要求任一项的系统，还包括列车GPS无线电组件，该组件包括GPS接口子系统和列车导航单元子系统；其中，所述两子系统与收发信机通信。
25.按照权利要求24的系统，还包括超驰控制，该超驰控制包括：
信号输入，
检测信号分析装置；
数据源
与控制信号发生器通信的逻辑相联存储器，其中所述控制信号发生器，万一有碰撞危险时，能响应输入数据，向超驰列车控制发送信号，实施制动。
26.按照权利要求25的系统，其中的中央控制器能在约600km的范围上，监控列车位置。
27.一种计算机控制的列车防撞与报警系统；该系统包括：
至少一个卫星，与至少一个全球定位系统(GPS装置)通信，该全球定位系统提供与该至少一个卫星间的第一通信链路，以确定至少第一列车的位置；
能在至少一个固定站台与至少第一所述列车之间通信的第二通信链路；
其中，所述第二通信链路在所述至少一个固定站台与至少一辆潜在的不限数量的其他列车之间，提供连续的通信；其中，所述第一通信链路，提供任何一辆所述车辆的位置，而所述第二通信链路，则通过在每一所述至少一辆列车中的处理装置，提供一辆列车相对于所述至少另一辆列车的位置。
28.一种计算机控制的列车防撞与报警系统；该系统包括：
至少一个卫星，与至少一个全球定位系统(GPS装置)通信，该全球定位系统提供与该至少一个卫星间的第一通信链路，以确定至少第一列车的位置；
能在至少一个固定站台与至少第一所述列车之间通信的第二通信链路；
其中，所述第二通信链路在所述至少一个固定站台与至少一辆潜在的不限数量的其他列车之间，提供连续的通信；其中，所述第一通信链路，提供任何一辆所述车辆的位置，而所述第二通信链路，则通过在每一所述至少一辆列车中的处理装置，提供一辆列车相对于所述至少另一辆列车的位置；
其中，所述第二通信链路在所述至少一个固定站台与至少一辆潜在的不限数量的其他列车之间，提供连续的通信；其中，所述第一通信链路，提供任何一辆所述列车的位置，而所述第二通信链路，能确定一辆列车相对于至少另一辆列车的位置；其中本系统还包括：
信号输入，
检测信号分析装置；
数据源
与控制信号发生器通信的逻辑相联存储器，其中所述控制信号发生器，万一有碰撞危险时，能响应输入数据，向超驰列车控制发送信号，实施制动。
29.按照权利要求27或28的系统，还包括中央控制器，能与至少一个所述卫星通信，以监控列车位置和万一有碰撞危险时发出报警。
30.按照权利要求29的系统，其中的中央控制器在约600km的范围上，监控列车位置。
31.一种防止车辆碰撞的方法，包括：
计算机控制的车辆防撞及报警系统；该系统包括：
至少一个卫星，与至少一个全球定位系统(GPS装置)通信，该全球定位系统提供与该至少一个卫星间的第一通信链路，以确定至少第一车辆的位置；
能在至少一个固定站台与至少第一所述车辆之间通信的第二通信链路；
其中，所述第二通信链路在所述至少一个固定站台与至少一辆潜在的不限数量的其他车辆之间，提供连续的通信；其中，所述第一通信链路，提供任何一辆所述车辆的位置，而所述第二通信链路，则通过在每一所述至少一辆车辆中的处理装置，提供一辆车辆相对于所述至少另一辆车辆的位置；
该方法包括的步骤如下：
a)使用第一通信链路，提供第一车辆位置；
b)启动包括GPS接口和通信子系统的GPS无线电系统；
c)接收与列车运行及环境参数有关的输入数据；
d)把轨道标识装置置于预定的轨道位置，以便向车辆提供轨道标识信号；
e)通过逻辑相联存储器，分析所述数据，确定至少两辆车辆之间的碰撞危险；
f)万一出现一辆列车正在与另一辆列车碰撞的过程时，响应碰撞危险，启动超驰信号。
32.按照权利要求31的方法，包括预先定位的步骤，该步骤对每一所述固定站台、车辆路径上已知位置的转发器、和彼此离开的预定距离，进行预先定位。
33.按照权利要求32的方法，其中每一转发器发送用于路径标识的距离信号。
34.按照权利要求33的方法，其中所述路径是公路或铁路轨道。
35.按照权利要求34的方法，其中的固定站台发射校正信号，校正来自所述第一通信链路的GPS测距信号的误差。
36.按照权利要求35的方法，其中所述校正信号，允许进一步的校正测量，以改进GPS测距信号的精度。
37.按照权利要求36的方法，包括另外一个路径标识步骤，该步骤通过计算机处理，连续地确定车辆的运动轨迹，以便位置标识。
38.按照权利要求37的方法，包括另外一个发送一辆车辆被跟踪的位置的步骤，以便被至少另一辆其他车辆实时地接收，使每一辆所述车辆能确定离开至少另一辆其他车辆的距离。
39.按照权利要求38的方法，包括另外一个提供中央控制器的步骤，用于监控车辆位置并能发送超驰信号，避免碰撞。
40.按照权利要求39的方法，包括另外一个处理接收的每一所述车辆位置的步骤，这些车辆位置是通过神经网络接收的，和/或通过神经网络发送至每一所述车辆。
41.按照权利要求40的方法，其中，所述车辆是在轨道网上行驶的列车，而该神经网络识别并评价一辆列车相对另一辆列车的每一潜在的碰撞可能性。
42.按照权利要求41的方法，包括另外一个使卫星网连续向GPS发射的步骤，以便能确定铁路轨道上的列车。
43.按照权利要求42的方法，包括另外一个步骤，该步骤使转发器的距离信号能通过逻辑相联存储器(LAM)中的所述神经网络，确定第一辆列车相对于另一辆列车的位置，以便确定碰撞的可能性。
44.按照权利要求43的方法，其中，万一有碰撞的可能性，则产生响应控制信号，启动与列车控制通信的超驰控制机构，在列车还未碰撞时使列车停止。
45.一种运行碰撞报警及防撞系统的方法，包括如下步骤：
a)提供卫星网，该卫星网能通过第一通信链路，连续与多辆列车之一或多辆通信；
b)发送测距信号，用于在开始时精确确定铁路轨道上的一辆列车的位置；
c)在每一所述列车上，通过第二通信链路，从多个转发器站台之一连续接收信号，这些转发器站台在轨道表面有已知的固定位置；
d)万一检测到碰撞危险时，在逻辑相联存储器(LAM)中确定产生控制信号的响应，该控制信号启动超驰控制机构，该超驰控制机构作用于列车的控制，在列车还未碰撞时使列车停止。
46.按照权利要求45的方法，包括附加的步骤，该步骤实时记录列车特征，以便记录最后几分钟的行驶活动，据此能重构导致碰撞的事故。
47.按照权利要求46的方法，包括另外一个提供列车导航单元(TNU)的步骤，该列车导航单元提供远程列车超驰控制，万一有碰撞危险时，使列车控制器至少令一辆列车停止。
48.一种防止列车碰撞的方法，包括：
计算机控制的防撞及报警系统；该系统包括：
至少一个卫星，与至少一个全球定位系统(GPS装置)通信，该G全球定位系统提供与该至少一个卫星间的第一通信链路，以确定至少第一列车的位置；
能在至少一个固定转发器站台与至少第一所述列车之间通信的第二通信链路；
其中，所述第二通信链路在所述至少一个固定转发器站台与至少一辆潜在的不限数量的其他列车之间，提供连续的通信；其中，所述第一通信链路，提供任何一辆所述列车的位置，而所述第二通信链路，则通过在每一所述至少一辆车辆中的处理装置，提供一辆列车相对于所述至少另一辆列车的位置；
该方法包括的步骤如下：
a)启动包括GPS接口和通信子系统的GPS无线电系统；
b)使用第一通信链路，提供多辆列车每一辆的位置；
c)把轨道标识装置置于预定的轨道位置，以便向车辆提供轨道标识信号；
d)在主控制单元上，接收与列车运行及环境参数有关的输入数据
e)通过逻辑相联存储器，分析所述数据，确定至少两辆列车之间的碰撞危险；
f)万一出现一辆列车正在与另一辆列车碰撞的过程时，响应碰撞危险，启动超驰信号。
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