CN202703634U - 一种主动式轨道车辆防碰撞系统 - Google Patents

Abstract

一种主动式轨道车辆防碰撞系统，该系统的实施依靠车载主机、驱动装置和断路装置三部分，车载主机控制驱动装置和断路装置运行，发射、处理和分析测距信号；断路装置控制轨道车辆的轮轴两端的连通状态；驱动装置用来驱动轨道车辆的运行，根据车载主机的命令实现轨道车辆的加速、减速、制动和启动。本实用新型系统能够精确测量出前后两列轨道车辆的相对轨道距离，并能够进行防碰撞预测，调节轨道车辆的运行参数，有效且主动避免轨道车辆发生碰撞事故。

Description

一种主动式轨道车辆防碰撞系统

技术领域

本实用新型属于交通运输领域，涉及轨道上车辆之间的防碰撞技术，尤其是主动防止轨道交通系统中运行车辆发生碰撞、追尾事故的发生，为一种主动式轨道车辆防碰撞系统。

背景技术

在国民生产，人民生活中不可缺少会使用到轨道交通系统，如铁路客货运、地铁、轻轨等。轨道交通系统中运行车辆一旦发生碰撞，必然造成对生命和财产的损害，尤其是载人轨道车辆等发生碰撞、追尾时，在造成物质损失的同时也给经历事故的人们留下巨大的精神创伤。

分析引发轨道交通发生碰撞事故的原因主要有以下一些：前后车被派上同一区间；前后车存在较大的速度差、前车停车或慢行、后车快于前车；轨道中心控制系统的调度出现问题；环境（恶劣天气情况）和人为因素的影响等等。这些灾祸的发生可以通过现有技术加以预防和控制，这就需要设计相应的轨道交通中车辆间的防碰撞方法。

防止轨道交通中车辆间的碰撞、追尾可以采用的技术原理很多。已有系统中有通过信号灯系统、全球定位系统（GPS）以及在轨道电路中传输相位连续的键控移频（FSK）信号进行区间闭塞等方法避免碰撞事故的发生。由于轨道交通防碰撞的特点要求在设计相应的方法时必须同时具有高可靠、高可用和高安全性的特性，防碰撞方法应该是具有多套冗余的方案，系统应独立运行，不应互相联锁，并且各套系统应采用不同的技术原理，以确保冗余的有效性，不因某一共同原因同时失效，即共因失效。因此有必要提出和一种主动式轨道车辆防碰撞方法，保证轨道交通的安全高效运行。

发明内容

本实用新型要解决的问题是：现有轨道交通中，已使用的中国列车运行控制系统CTCS（Chinese Train Control System）以及类似系统中，轨道车辆上并没有相应的装置实现车辆间主动探测以实现防止碰撞，不能有效保证车辆的安全运行，需要克服现有技术中的不足，提出一种主动防止轨道上车辆之间发生碰撞的系统，应用于现有的轨道运输系统，能够主动检测轨道车辆前进方向上有无车辆信息，前车的速度以及两车的相对轨道距离，并将估计结果用于车辆间防碰撞控制。

本实用新型的技术方案为：一种主动式轨道车辆防碰撞系统，包括双轨轨道和轨道车辆，轨道为导电材料，双轨轨道的两根轨道平行且为开路状态，双轨轨道与大地之间绝缘，轨道车辆的车轮与双轨轨道始终保持接触，

轨道车辆由车轮、轮轴、驱动装置、断路装置、车载主机和电源模块组成，轨道车辆包括主、从两种状态，主状态指主动检测本车前后是否有车辆的状态，从状态指本车处于被其他车辆检测的状态，车轮包括一对前轮和一对后轮，前轮之间和后轮之间通过轮轴连接，断路装置分别设置在前轮和后轮的轮轴上，主状态时车载主机发送测距脉冲信号，断路装置断路，使前轮和后轮的轮轴两端为断路状态，从状态时车载主机不发送测距脉冲信号，断路装置短路，使前轮和后轮的轮轴两端为短路状态；两辆轨道车轮与双轨轨道构成一个电回路，其中主状态轨道车辆的车载主机输出测距脉冲信号，经主状态轨道车辆的轮轴、车轮传输至双轨轨道中的一条，测距脉冲信号沿轨道到达从状态轨道车辆，经短路状态的断路装置传输至另一条轨道，再沿轨道回到主状态轨道车辆，经由主状态轨道车辆的车轮和轮轴输入车载主机；

轨道车辆的车载主机与驱动装置双向通讯连接，驱动装置驱动轨道车辆运行，同时向车载主机反馈该车的运行参数，电源模块向轨道车辆供电。

所述车载主机由处理器核心、前脉冲发射电路、后脉冲发射电路、前高速比较器电路、后高速比较器电路、参考电压电路、前差分运放、后差分运放、驱动装置接口、前断路装置接口和后断路装置接口构成，前脉冲发射电路连接前轮，后脉冲发射电路连接后轮，处理器核心的输出连接前、后脉冲发射电路和参考电压电路，处理器核心通过驱动装置接口连接驱动装置，通过前、后断路装置接口连接前、后断路装置，前、后脉冲发射电路发出测距脉冲信号，参考电压电路向前、后高速比较器电路提供参考电压信号，轨道车辆接收的返回的测距脉冲信号分别经前、后差分运放电路输入前、后高速比较器电路，前、后高速比较器电路的输出信号输入处理器核心。

本实用新型轨道车辆运行在双轨轨道上，驱动装置驱动轨道车辆的运行，根据车载主机的命令实现轨道车辆的行驶状态控制，并向车载主机反馈轨道车辆的运行参数，所述车辆的运行参数包括行驶方向、速度和加速度；主状态轨道车辆的车载主机控制前、后断路装置，使连接在同一轮轴上的车轮之间成开路状态，然后再通过前脉冲发射电路发送测距脉冲信号，判断轨道车辆测量范围内是否有其他车辆行驶；

当在测距脉冲信号有效传输范围内没有其他轨道车辆行驶时，车载主机将不会接收到返回的测距脉冲信号，此时由车载主机控制增宽发射脉冲的宽度，再次发射测距脉冲信号，如果直至脉冲宽度达到最大设定值还没接收到返回测距脉冲信号，则周期性重复发射最大宽度的测距脉冲信号；

当在测距脉冲信号有效传输范围内有其他轨道车辆行驶时，测距脉冲信号将沿着遇到的处于从状态的轨道车辆的车轮和短路状态的断路装置传到另一条轨道上，然后测距脉冲信号沿着另一条轨道返回到主状态轨道车辆的车载主机，车载主机采集测距脉冲信号，通过计算发送的测距脉冲信号时间点与接收的测距脉冲信号峰值时间点的差值，获得前轮的测距结果，重复上述发送脉冲信号、采集脉冲信号和处理脉冲信号的过程，进行多次测量，根据驱动装置反馈给车载主机的本车运行参数计算出另一轨道车辆的运行参数；

同时通过后脉冲发射电路发送测距脉冲信号到轨道上，获得后轮的测距结果，将由同一时刻发出的测距脉冲信号获得的前、后轮测距结果作比较，如果前轮的测距结果大于后轮的测距结果，则从状态轨道车辆在主状态轨道车辆行驶方向的后方，如果前轮的测距结果小于后轮的测距结果，则从状态轨道车辆在主状态轨道车辆行驶方向的前方；当从状态轨道车辆在主状态轨道车辆的前方行驶时，主状态轨道车辆的车载主机控制测距脉冲信号从前轮发出，对前车再次进行测距，当从状态轨道车辆在主状态轨道车辆的后方行驶时，主状态轨道车辆的车载主机控制测距脉冲信号从后轮发出，对后车再次进行测距；

根据所得到的两辆轨道车辆的运行参数和再次测距结果进行碰撞预测，车载主机向驱动装置发出控制命令，调节本轨道车辆的运行参数，控制轨道车辆的运行状态，实现轨道车辆之间的防碰撞，对轨道车辆防止碰撞做出的相应处理为：当从状态轨道车辆在主状态轨道车辆的前方行驶时，如果两车的轨道距离大于设定的安全距离，比较两车的车速，若主状态轨道车辆的车速小于从状态轨道车辆，则退出处理流程，保持正常行驶，若主状态轨道车辆的车速大于从状态轨道车辆，则主状态轨道车辆将车速降至等于从状态轨道车辆，并再次获取两车的运行参数，确认两车的目前的运行状态，如果两车的轨道距离小于设定的安全距离，则主状态轨道车辆立即实施停车动作，同时再次获取两车的运行参数，直到两车的轨道距离重新回到安全距离以外再启动；当从状态轨道车辆在主状态轨道车辆的后方行驶时，如果两车的轨道距离大于设定的安全距离，比较两车的车速，若从状态轨道车辆的车速小于主状态轨道车辆，则退出处理流程，保持正常行驶，若从状态轨道车辆的车速大于主状态轨道车辆，则主状态轨道车辆将车速提高至等于从状态轨道车辆，并再次获取两车的运行参数，确认两车的目前的运行状态，如果两车的轨道距离小于设定的安全距离，则主状态轨道车辆将车速提高至高于从状态轨道车辆，同时再次获取两车的运行参数，直到两车的轨道距离重新回到安全距离以外。

与现有的技术相比本实用新型有如下优势：

1、能够主动发送测距脉冲进行测距，有效避免发生碰撞；

2、能够判断出从状态轨道车辆在主状态轨道车辆的前方行驶还是后方行驶；

3、能够调节测试脉冲的宽度，适应不同的测试距离；

4、能够调节参考电压的大小，提高距离测试的精度；

5、能够独立运行，无需外在控制。

附图说明

图1为本实用新型主动式防碰撞系统示意图。

图2为本实用新型轨道车辆结构示意图。

图3为本实用新型车载主机示意图。

图4为本实用新型脉冲信号处理流程示意图。

图5为本实用新型轨道车辆参数估计流程。

图6为本实用新型轨道车辆碰撞预测与处理流程。

具体实施方式

本实用新型轨道所采用的材料为良好的导电材料，保证能够传输测距脉冲信号，两根平行轨道之间是开路状态，轨道与大地之间是绝缘的，轨道车辆的车轮与轨道能够很好地接触，以保证脉冲信号的有效传输。主状态轨道车辆的车载主机先控制前、后断路装置使该车的同轴轮子之间成开路状态，然后再发送测距脉冲信号；车载主机先通过前脉冲发射电路发送测距脉冲信号判断测量范围内是否有其他车辆行驶；当在测距脉冲有效传输范围内没有其他轨道车辆行驶时，车载主机将接收不到返回的脉冲信号，此时由处理器核心控制增宽发射脉冲的宽度再次发射测距脉冲，如果直至脉冲宽度达到最大还没接收到返回脉冲，则以一定的周期重复发射最大宽度的测距脉冲；当在测距脉冲信号有效传输范围内有其他轨道车辆行驶时，测距脉冲信号将沿着遇到的从状态轨道车辆的车轮和短路状态的断路装置传到另一条轨道上，然后测距脉冲信号沿着另一条轨道返回到主状态轨道车辆的车载主机，车载主机迅速采集脉冲信号，通过计算发送的测距脉冲信号时间点与接收的测距脉冲信号峰值时间点的差值，获得前轮的测距结果，重复上述发送脉冲、采集脉冲和处理脉冲信号进行多次测量，再根据驱动装置反馈给车载主机的本车运行参数计算出另一轨道车辆的运行参数，再通过后脉冲发射电路发送测距脉冲信号到同一条轨道上，获得后轮的测距结果，将两次测试获得的前、后轮测距结果作比较，如果前轮的测距结果大于后轮的测距结果，则从状态轨道车辆在主状态轨道车辆行驶方向的后方，如果前轮的测距结果小于后轮的测距结果，则从状态轨道车辆在主状态轨道车辆行驶方向的前方；当从状态轨道车辆在主状态轨道车辆的前方行驶时，主状态轨道车辆的车载主机控制从前轮发送脉冲信号对前车进行精确测距，当从状态轨道车辆在主状态轨道车辆的后方行驶时，则主状态轨道车辆的车载主机控制从后轮发送脉冲信号对后车进行精确测距；根据所得到的两辆轨道车辆的运行参数和精确测距结果进行碰撞预测，车载主机向驱动装置发出控制命令，调节本轨道车辆的运行参数，控制轨道车辆的运行状态，实现轨道车辆之间的防碰撞。

对轨道车辆防止碰撞做出控制前的碰撞预测：预测包括了测试主、从车辆的轨道距离以及从状态轨道车辆的速度估计和加速度估计。当两辆轨道车辆在同一段轨道区间上运行时，主状态轨道车辆通过主动发送测距脉冲对从状态轨道车辆进行探测，测距脉冲信号在轨道中的传输速度为V_p，测试主、从状态轨道车辆的速度分别为V_z、V_c，主状态轨道车辆在从发送到接收到正的返回信号的时间差为T，则可由：

L=V_P×T/4

估算出两车相对的轨道距离L；

按照测距脉冲信号的发射时间间隔Δt，经多次测量得到L₁，,L₂....,L_n，对该序列做差分运算得到ΔL₁,ΔL₂，....,ΔL_n-1，主状态轨道车辆速度V_zi已知，通过

V_ci=ΔL_i/Δt+V_zi  (i＝1,2,…,n)

估算出从状态轨道车辆速度，其中V_ci，V_zi分别为从状态轨道车辆和主状态轨道车辆在i时刻的速度；当从状态轨道车辆的速度发生变化时，通过

a_ci=(V_ci+1-V_ci)/Δt  (i＝1,2,…,n)

估算出从状态轨道车辆的加速度。

图1为本实用新型主动式防碰撞系统示意图，该系统由轨道车辆和轨道两部分组成。轨道能够传输脉冲信号，并且轨道与大地彼此绝缘，两根平行轨道之间保持开路状态；轨道车辆1能够随时主动地沿轨道发送测距脉冲，测距脉冲经过轨道车辆2的短路态的轮轴传到另外一条轨道上，这样测距脉冲就能够沿另一条轨道回到轨道车辆1，轨道车辆1根据发送测距脉冲信号和接收测距脉冲信号的时间差计算出两车的相对轨道距离，再利用该轨道距离做出防碰撞预测以及控制轨道车辆1的运行状态。

图2为轨道车辆结构示意图，轨道车辆由车辆主体、驱动装置、前断路装置、后断路装置、车载主机和电源模块组成。轨道车辆的车轮能够传输测距脉冲信号并且能够与轨道有良好的接触；前、后轮轴能够由前、后断路装置控制其两端的连通状态，当车载主机发送测距脉冲时前、后轮轴两端为断路状态，当车载主机没有发送测距脉冲时前、后轮轴两端为短路状态；驱动装置能够驱动车辆的运行，根据车载主机的命令实现轨道车辆的加速、减速、制动和启动等行驶状态控制，并能够向车载主机提供轨道车辆的运行参数，车辆的运行参数包括行驶方向、速度和加速度；车载主机负责整个系统的运行控制，能够控制驱动装置和断路装置的运行，也能够发送、采集和分析测距脉冲信号；电源模块为整个轨道车辆提供电能，可采用大容量的蓄电池。

图3为车载主机示意图，车载主机由处理器核心、前脉冲发射电路、后脉冲发射电路、前高速比较器电路、后高速比较器电路、参考电压电路、前高速差分运放、后高速差分运放、驱动装置接口、前断路装置接口和后断路装置接口构成。处理器核心能够控制前脉冲发射电路、后脉冲发射电路、前高速比较器电路、后高速比较器电路和参考电压电路来实现测距脉冲信号从前、后两个端口的发送和采集，并能够对采集的数据进行处理获得两车的相对轨道距离，还能够通过驱动装置接口和前、后断路装置接口控制驱动装置和前、后断路装置的运行；前、后脉冲发射电路能够响应处理器核心的控制发出宽度可控的测距脉冲信号，脉冲信号宽度越宽能够传输的范围就越远；前、后高速比较器用于测距脉冲信号的采集，当信号电平大于参考电压电平时比较器输出高电平，当信号电平小于参考电压电平时比较器输出低电平；参考电压电路为前、后高速比较器提供参考电压，处理器核心通过调节PWM波的占空比来调节参考电压的大小，参考电压的大小可根据实际测得的两车的距离来调节，如果两车距离较近则可以适当提高参考电压，如果两车距离较远则可以适当降低参考电压，一般小于100m时参考电压可调节到1V左右，大于100m时参考电压可调节到0.5V左右，也可根据实际情况来设定；前、后高速差分运放用于降低外在环境对轨道上传输的测距脉冲信号的干扰。

本实用新型测距脉冲信号的宽度是可控制的，可根据运行轨道的实际情况进行调节，当发射初始脉冲信号没有返回信号时，说明在该脉冲的测试范围内没有其他轨道车辆行驶，此时需要增大发射脉冲的宽度再次测试，如果此时存在返回脉冲则处理器核心开始测距计算，如果还没有返回脉冲信号则继续增大脉冲信号的宽度，当脉冲宽度增加到最大值时仍然没有返回脉冲信号时，处理器核心将控制脉冲发射电路以一定周期重复发射最大宽度的脉冲信号，重复的周期一般大于等于10s小于等于60s，脉冲信号宽度调节的范围一般为50ns到200ns之间，每次调节的幅度一般为50ns，发射的初始脉冲信号宽度为50ns，也可根据实际情况进行设定。

图4为脉冲信号处理流程示意图，首先设置高速比较器的参考电平，当发送的测距脉冲信号和接收的测距脉冲信号经过比较器后，高速比较器将对应输出两个脉冲信号，触发器在比较器输出的第一个脉冲的上升沿时触发输出高电平，在第二脉冲的上升沿时再次触发输出低电平，高速计数器在触发器输出为高电平期间进行计数，根据计数器的计数值就可以计算出两个脉冲的时间差，从而进一步计算出两车的轨道距离。

图5为轨道车辆参数估计流程图，车载主机上电后等待是否需要主动测距的命令，如果不需要主动测距则短接该车的轮轴等待测距命令；如果需要主动测距则断开该车的前、后轮轴，由前脉冲发射电路沿轨道发送测距脉冲，根据回波情况判断轨道上是否有车辆，如果前方存在车辆，则重复脉冲信号处理流程计算出被测车辆的运行参数；如果前方没有存在车辆，则按照原定的行车计划继续前行，同时车载主机还以一定的频率沿轨道发送测距脉冲。

图6为轨道车辆碰撞预测与处理流程图，根据读取的本车的行车参数以及通过主动测距得到的前车的运行参数，所得到的两车的运行参数包括两车的加速度和速度等，再通过前、后轮的测距结果判断两车所处的相对位置，如果从状态轨道车辆在主状态轨道车辆的前方行驶，则主状态轨道车辆的车载主机控制从前轮发送脉冲信号对前车进行精确测距，如果从状态轨道车辆在主状态轨道车辆的后方行驶，则主状态轨道车辆的车载主机控制从后轮发送脉冲信号对后车进行精确测距，根据所得到的两辆轨道车辆的运行参数和精确测距结果进行碰撞预测；当从状态轨道车辆在主状态轨道车辆的前方行驶时，如果两车的轨道距离大于设定的安全距离，比较两车的车速，若主状态轨道车辆的车速小于从状态轨道车辆，则退出处理流程，保持正常行驶，若主状态轨道车辆的车速大于从状态轨道车辆，则主状态轨道车辆将车速降至等于从状态轨道车辆，并再次获取两车的运行参数，确认两车的目前的运行状态，如果两车的轨道距离小于设定的安全距离，则主状态轨道车辆立即实施停车动作，同时再次获取两车的运行参数，直到两车的轨道距离重新回到安全距离以外再启动；当从状态轨道车辆在主状态轨道车辆的后方行驶时，如果两车的轨道距离大于设定的安全距离，比较两车的车速，若从状态轨道车辆的车速小于主状态轨道车辆，则退出处理流程，保持正常行驶，若从状态轨道车辆的车速大于主状态轨道车辆，则主状态轨道车辆将车速提高至等于从状态轨道车辆，并再次获取两车的运行参数，确认两车的目前的运行状态，如果两车的轨道距离小于设定的安全距离，则主状态轨道车辆将车速提高至高于从状态轨道车辆，同时再次获取两车的运行参数，直到两车的轨道距离重新回到安全距离以外。

Claims (2)

1.一种主动式轨道车辆防碰撞系统，其特征是包括双轨轨道和轨道车辆，轨道为导电材料，双轨轨道的两根轨道平行且为开路状态，双轨轨道与大地之间绝缘，轨道车辆的车轮与双轨轨道始终保持接触，

轨道车辆由车轮、轮轴、驱动装置、断路装置、车载主机和电源模块组成，轨道车辆包括主、从两种状态，主状态指主动检测本车前后是否有车辆的状态，从状态指本车处于被其他车辆检测的状态，车轮包括一对前轮和一对后轮，前轮之间和后轮之间通过轮轴连接，断路装置分别设置在前轮和后轮的轮轴上，主状态时车载主机发送测距脉冲信号，断路装置断路，使前轮和后轮的轮轴两端为断路状态，从状态时车载主机不发送测距脉冲信号，断路装置短路，使前轮和后轮的轮轴两端为短路状态；两辆轨道车轮与双轨轨道构成一个电回路，其中主状态轨道车辆的车载主机输出测距脉冲信号，经主状态轨道车辆的轮轴、车轮传输至双轨轨道中的一条，测距脉冲信号沿轨道到达从状态轨道车辆，经短路状态的断路装置传输至另一条轨道，再沿轨道回到主状态轨道车辆，经由主状态轨道车辆的车轮和轮轴输入车载主机；

轨道车辆的车载主机与驱动装置双向通讯连接，驱动装置驱动轨道车辆运行，同时向车载主机反馈该车的运行参数，电源模块向轨道车辆供电。

2.根据权利要求1所述的一种主动式轨道车辆防碰撞系统，其特征是所述车载主机由处理器核心、前脉冲发射电路、后脉冲发射电路、前高速比较器电路、后高速比较器电路、参考电压电路、前差分运放、后差分运放、驱动装置接口、前断路装置接口和后断路装置接口构成，前脉冲发射电路连接前轮，后脉冲发射电路连接后轮，处理器核心的输出连接前、后脉冲发射电路和参考电压电路，处理器核心通过驱动装置接口连接驱动装置，通过前、后断路装置接口连接前、后断路装置，前、后脉冲发射电路发出测距脉冲信号，参考电压电路向前、后高速比较器电路提供参考电压信号，轨道车辆接收的返回的测距脉冲信号分别经前、后差分运放电路输入前、后高速比较器电路，前、后高速比较器电路的输出信号输入处理器核心。

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