基於聲波示警的列車防撞系統及其防撞方法
2023-05-02 03:49:06 1
專利名稱：基於聲波示警的列車防撞系統及其防撞方法
技術領域：
本發明涉及軌道交通技術，特別是涉及一種基於聲波示警的列車防撞系統及其防撞方法的技術。
背景技術：
軌道列車的運行安全，關係著乘客的生命財產安全，同時也是線路高效運營的前提。目前，包括城市軌交在內的軌道列車主要列車運行控制(Train Control System, TCS,或針對地鐵線路的ATC系統，即Automatic Train Control系統)來保證列車的運行安全。 然而，近年來陸續發生的嚴重的軌道列車碰撞事故表明，在努力提高列車運行控制和管理技術的同時，開發一種獨立的、有效的車載防撞系統和方法對於提高列車運行的安全性是必要的和有益的。目前，世界各國均在積極開展這類能獨立工作的列車防撞技術的研究，包括衛星定位、圖像識別、無線電通信和應答測距、電磁波防撞雷達等技術手段。但是，對於地鐵列車，由於大部分線路在地下，現有的列車防撞技術在隧道內的應用效果不佳，尤其是在非直形的長距離隧道內很難有效提高列車的行駛安全性，不能很好的避免列車碰撞事故發生。以電磁波防撞雷達為例，在隧道中，由於內部設施的影響和空間的限制，高頻電磁波衰減很快，回波複雜，而且，地鐵線路有上下起伏坡度和大量彎道，存在很多發生險情時駕駛員來不及制動的目視盲區，因而在隧道內很難有效發揮作用。
發明內容
針對上述現有技術中存在的缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種能提高列車在隧道內的行駛安全性的基於聲波示警的列車防撞系統及其防撞方法。為了解決上述技術問題，本發明所提供的一種基於聲波示警的列車防撞系統，涉及包含有多輛列車的列車交通網絡，其特徵在於包括與列車交通網絡中的列車數量一致的多個聲波示警單元，每個聲波示警單元對應一輛列車；
所述聲波示警單元包括一用於發射聲波的聲波發射裝置、一用於接收聲波的聲波接收裝置、一信號控制處理設備、一示警終端；
所述聲波發射裝置設有示警信號輸入端，所述聲波接收裝置設有示警信號輸出端，所述示警終端上設有示警信號輸入端；
所述信號控制處理設備設有示警信號輸出端、示警信號輸入端、預警信號輸出端，並內置有用於控制其各信號輸出端的輸出信號，及處理分析其示警信號輸入端的輸入信號的信號處理模塊，其示警信號輸出端接到聲波發射裝置的示警信號輸入端，其示警信號輸入端接到聲波接收裝置的示警信號輸出端，其預警信號輸出端接到示警終端的示警信號輸入端;
每個聲波示警單元均安裝在對應列車上，其中的聲波接收裝置安裝在對應列車的車頭，聲波發射裝置則安裝在對應列車的車尾。
進一步的，所述示警終端安裝在對應列車的駕駛室內，示警終端上設有示警信息發生部件。進一步的，所述信號控制處理設備的預警信號輸出端接入對應列車的制動系統和/或自動運行保護系統。進一步的，所述聲波示警單元還包括一供電設備，所述供電設備中內置有不間斷電源，所述不間斷電源的電源輸入端接到對應列車的供電輸出端，其供電端接到聲波發射裝置、聲波接收裝置、示警終端及信號控制處理設備的電源輸入端。進一步的，所述聲波發射裝置包括功率放大器及至少一個揚聲器，所述功率放大器的源信號輸入端構成聲波發射裝置的示警信號輸入端，功率放大器的放大信號輸出端接到各揚聲器的電信號輸入端。進一步的，所述揚聲器是電動式揚聲器、靜電式揚聲器、電磁式揚聲器、壓電式揚聲器、氣動式揚聲器中的一種，或是其中的多種的組合。進一步的，所述聲波接收裝置包括前置放大器、信號調理器及至少一個傳聲器，所述信號調理器的調理信號輸出端構成聲波接收裝置的示警信號輸出端，所述前置放大器的放大信號輸出端接到信號調理器的源信號輸入端，前置放大器的源信號輸入端分別接到各傳聲器的電信號輸出端。進一步的，所述傳聲器是電容傳聲器、壓電式傳聲器、電動傳聲器、駐極體傳聲器中的一種，或是其中的多種的組合。本發明所提供的基於聲波示警的列車防撞系統的防撞方法，其特徵在於
每輛列車均利用聲波發射裝置向列車後方發射聲波示警信號，所述聲波示警信號是單頻率聲波信號，或是由多個不同頻率的聲波組合而成的多頻率聲波信號；
每輛列車均利用聲波接收裝置接收前方列車發射的聲波示警信號，並對收到的聲波示警信號進行分析判斷，如果判斷出收到的聲波示警信號是由前車發出的，即根據收到的聲波示警信號中的聲波的傳播特性，利用信號控制處理設備估算出本車與前方列車之間的間距，再判斷本車與前車之間的間距是否小於安全距離；
如果判斷出本車與前車之間的間距小於安全距離，信號控制處理設備即向本車的示警終端輸出預警信號。進一步的，如果判斷出本車與前車之間的間距小於安全距離，信號控制處理設備即向本車的制動系統輸出制動信號，使本車的制動系統對本車實施制動操作，或向本車的保護系統輸出限速信號，使本車的保護系統對本車實施限速操作。進一步的，估算本車與前方列車之間間距所依據的聲波傳播特性，是聲波示警信號中的聲波的衰減特徵和/或色散特徵。本發明提供的基於聲波示警的列車防撞系統及其防撞方法，採用聲波來監測前後車之間的間距，不依賴現有的信號、通信等相關設備和系統，具有很強的獨立性和可靠性，既可以在正常運行或應急狀態下起到長距離示警、防撞保護作用，從而降低列車在隧道內的碰撞風險和損失；還可在一定程度上獨立實現列車的移動閉塞(Moving Block)機制，對隧道線路在正常運營或故障降級情況下保證運營效率提供實際幫助，相對現有列車防撞技術具有應用成本低、簡單可靠、兼容性好的優點；系統裝置完全車載因而幾乎不需要對線路做額外的施工和維護，而且對現有線路的電力、信號和通信系統不產生幹擾，對人員無任何、傷害，特別適合在城市地鐵線路中應用。
圖I是本發明實施例基於聲波示警的列車防撞系統的結構示意 圖2是本發明實施例基於聲波示警的列 車防撞系統中的聲波示警單元的結構示意圖； 圖3是本發明實施例基於聲波示警的列車防撞系統的防撞方法流程圖。
具體實施例方式以下結合
對本發明的實施例作進一步詳細描述，但本實施例並不用於限制本發明，凡是採用本發明的相似結構及其相似變化，均應列入本發明的保護範圍。如圖I-圖2所示，本發明實施例所提供的一種基於聲波示警的列車防撞系統，涉及包含有多輛列車I的列車交通網絡，其特徵在於包括與列車交通網絡中的列車I數量一致的多個聲波示警單元，每個聲波示警單元對應一輛列車I;
所述聲波示警單元包括一用於發射聲波的聲波發射裝置2、一用於接收聲波的聲波接收裝置3、一信號控制處理設備4、一示警終端5 ；
每個聲波示警單元均安裝在對應列車上，其中的聲波接收裝置3安裝在對應列車I的車頭，聲波發射裝置2則安裝在對應列車I的車尾。如圖2所示，所述聲波發射裝置設有示警信號輸入端，所述聲波接收裝置設有示警信號輸出端，所述示警終端上設有示警信號輸入端；
所述信號控制處理設備設有示警信號輸出端、示警信號輸入端、預警信號輸出端，並內置有用於控制其各信號輸出端的輸出信號，及處理分析其示警信號輸入端的輸入信號的信號處理模塊，其示警信號輸出端接到聲波發射裝置的示警信號輸入端，其示警信號輸入端接到聲波接收裝置的示警信號輸出端，其預警信號輸出端接到示警終端的示警信號輸入端;
本發明實施例中，所述示警終端安裝在對應列車的駕駛室內，示警終端上設有示警信息發生部件。所述示警信息發生部件包括示警音發生部件(如蜂鳴器)、示警光發生部件(如示警燈)、示警顯示屏，示警終端的示警音發生部件、示警光發生部件、示警顯示屏各經示警電路接到示警終端的示警信號輸入端；
本發明實施例中，所述信號控制處理設備的預警信號輸出端接入對應列車的制動系統和/或自動運打保護系統。本發明實施例中，所述聲波示警單元還包括一供電設備，所述供電設備中內置有不間斷電源(UPS)，所述不間斷電源的電源輸入端接到對應列車的供電輸出端，其供電端接到聲波發射裝置、聲波接收裝置、示警終端及信號控制處理設備的電源輸入端。本發明實施例中，所述聲波發射裝置為現有技術，包括功率放大器及至少一個揚聲器，所述功率放大器的源信號輸入端構成聲波發射裝置的示警信號輸入端，功率放大器的放大信號輸出端接到各揚聲器的電信號輸入端，所述揚聲器是電動式揚聲器、靜電式揚聲器、電磁式揚聲器、壓電式揚聲器、氣動式揚聲器中的一種，或是其中的多種的組合，揚聲器的數量多於一個時，可將各揚聲器排列成揚聲器陣列。
本發明實施例中，所述聲波接收裝置為現有技術，包括前置放大器、信號調理器及至少一個傳聲器，所述信號調理器的調理信號輸出端構成聲波接收裝置的示警信號輸出端，所述前置放大器的放大信號輸出端接到信號調理器的源信號輸入端，前置放大器的源信號輸入端分別接到各傳聲器的電信號輸出端，所述傳聲器是電容傳聲器、壓電式傳聲器、電動傳聲器、駐極體傳聲器中的一種，或是其中的多種的組合。本發明實施例中，所述信號控制處理設備是單片機，所述示警終端中的示警電路為現有技術。如圖3所示，本發明實施例所提供的基於聲波示警的列車防撞系統的防撞方法，其特徵在於
每輛列車均利用信號控制處理設備控制車尾的聲波發射裝置向列車後方發射聲波示警信號，所述聲波示警信號是單頻率聲波，或是由多個不同頻率的聲波組合而成的多頻率聲波，聲波示警信號可以以間歇方式發射，也可以以連續方式發射；
每輛列車均利用聲波接收裝置接收前方列車發射的聲波示警信號，並在收到前方列車發射的聲波示警信號後，輸入到信號控制處理設備進行分析判斷，如果判斷出收到的聲波示警信號是由前車發出的，即根據收到的聲波示警信號中的聲波的傳播特性，利用信號控制處理設備估算出本車與前方列車之間的間距，再判斷本車與前車之間的間距是否小於安全距離；
如果計算出的本車與前車之間的間距小於安全距離閾值，即判定本車與前車之間的間距小於安全距離，信號控制處理設備即向本車的示警終端輸出預警信號，使示警終端發出示警信息，並向本車的制動系統輸出制動信號，使本車的制動系統對本車實施制動操作，或向本車的保護系統輸出限速信號，使本車的保護系統對本車實施限速操作；
所述安全距離閾值是由信號控制處理設備預先設定的固定值，或是由信號控制處理設備根據預先設定的固定值及本車行進速度計算出來的變量值；
所述示警信息包括示警音(如蜂鳴器的蜂鳴聲)、示警光(如示警燈閃爍)、示警文字和/或示警圖案。本發明實施例中，估算本車與前方列車之間間距所依據的聲波傳播特性，是聲波示警信號中的聲波的衰減特徵和/或色散特徵；
如果聲波示警信號是單頻率聲波，則根據該單頻率聲波的衰減特徵和/或色散特徵直接估算出本車與前方列車之間的間距，比如聲波示警信號是頻率值在800Hz-1600Hz範圍內的單頻率聲波，每輛列車上都所預先設定好聲波示警信號的初始幅值，以便計算接收到的聲波示警信號的衰減值，列車接收到聲波示警信號後，判斷該信號相比初始幅值平均衰減幅度大於25dB，即認定本車與前車之間的間距小於安全距離閾值；
如果聲波示警信號是由多個不同頻率的聲波組合而成的多頻率聲波，則根據聲波示警信號中的各個不同頻率聲波的傳播特性差異，通過對聲波示警信號中的各個不同頻率聲波的頻率值、幅值、色散等特徵進行對比分析，通過距離與聲信號的幅值、色散等特徵的變化特徵映射(Mapping)關係，計算出本車與前方列車之間的間距，比如聲波示警信號由一個頻率值在800Hz-1600Hz範圍內的單頻率聲波，及一個頻率值在8kHz-12kHz範圍內的單頻率聲波組成，列車接收到聲波示警信號後，由於聲波示警信號中的兩個單頻率聲波頻率值相差較大，兩者的傳播特性也有較大差異，使得列車接收到聲波示警信號中的兩個單頻率聲波的衰減幅度、色散特徵也有著較大的差異，通過對聲波示警信號中的兩個單頻率聲波的衰減幅度、色散特徵進行對比分析，通過距離與聲信號的幅值、色散等特徵的變化特徵映射(Mapping)關係，即可計算出本車與前方列車之間的間距，其計算精度要大於由單個單頻率聲波組成的聲波示警信號；
本發明實施例中，所述聲波示警信號中各聲波可以是頻率小於20Hz的次聲波信號，也可以是20Hz-20kHz的音頻聲波信號，也可以是20kHz以上的超聲波信號。由於聲波的傳播速度超過每小時1200公裡，遠大於一般列車的運 行速度，而且空氣聲波的發射和接收比較簡單，相關設備成熟、可靠、低廉，可以容易地保證前後列車形成預設的安全距離，既簡單又可靠，具有很好的使用價值和應用前景。
權利要求
1.一種基於聲波示警的列車防撞系統，涉及包含有多輛列車的列車交通網絡，其特徵在於包括與列車交通網絡中的列車數量一致的多個聲波示警單元，每個聲波示警單元對應一輛列車； 所述聲波示警單元包括一用於發射聲波的聲波發射裝置、一用於接收聲波的聲波接收裝置、一信號控制處理設備、一示警終端； 所述聲波發射裝置設有示警信號輸入端，所述聲波接收裝置設有示警信號輸出端，所述示警終端上設有示警信號輸入端； 所述信號控制處理設備設有示警信號輸出端、示警信號輸入端、預警信號輸出端，並內置有用於控制其各信號輸出端的輸出信號，及處理分析其示警信號輸入端的輸入信號的信號處理模塊，其示警信號輸出端接到聲波發射裝置的示警信號輸入端，其示警信號輸入端接到聲波接收裝置的示警信號輸出端，其預警信號輸出端接到示警終端的示警信號輸入端; 每個聲波示警單元均安裝在對應列車上，其中的聲波接收裝置安裝在對應列車的車頭，聲波發射裝置則安裝在對應列車的車尾。
2.根據權利要求I所述的基於聲波示警的列車防撞系統，其特徵在於所述示警終端安裝在對應列車的駕駛室內，示警終端上設有示警信息發生部件。
3.根據權利要求I所述的基於聲波示警的列車防撞系統，其特徵在於所述信號控制處理設備的預警信號輸出端接入對應列車的制動系統和/或自動運行保護系統。
4.根據權利要求I所述的基於聲波示警的列車防撞系統，其特徵在於所述聲波示警單元還包括一供電設備，所述供電設備中內置有不間斷電源，所述不間斷電源的電源輸入端接到對應列車的供電輸出端，其供電端接到聲波發射裝置、聲波接收裝置、示警終端及信號控制處理設備的電源輸入端。
5.根據權利要求I所述的基於聲波不警的列車防撞系統，其特徵在於所述聲波發射裝置包括功率放大器及至少一個揚聲器，所述功率放大器的源信號輸入端構成聲波發射裝置的示警信號輸入端，功率放大器的放大信號輸出端接到各揚聲器的電信號輸入端。
6.根據權利要求5所述的基於聲波不警的列車防撞系統,其特徵在於所述揚聲器是電動式揚聲器、靜電式揚聲器、電磁式揚聲器、壓電式揚聲器、氣動式揚聲器中的一種，或是其中的多種的組合。
7.根據權利要求I所述的基於聲波示警的列車防撞系統，其特徵在於所述聲波接收裝置包括前置放大器、信號調理器及至少一個傳聲器，所述信號調理器的調理信號輸出端構成聲波接收裝置的示警信號輸出端，所述前置放大器的放大信號輸出端接到信號調理器的源信號輸入端，前置放大器的源信號輸入端分別接到各傳聲器的電信號輸出端。
8.根據權利要求7所述的基於聲波不警的列車防撞系統,其特徵在於所述傳聲器是電容傳聲器、壓電式傳聲器、電動傳聲器、駐極體傳聲器中的一種，或是其中的多種的組合。
9.根據權利要求I所述的基於聲波不警的列車防撞系統的防撞方法，其特徵在於 每輛列車均利用聲波發射裝置向列車後方發射聲波示警信號，所述聲波示警信號是單頻率聲波信號，或是由多個不同頻率的聲波組合而成的多頻率聲波信號； 每輛列車均利用聲波接收裝置接收前方列車發射的聲波示警信號，並對收到的聲波示警信號進行分析判斷，如果判斷出收到的聲波示警信號是由前車發出的，即根據收到的聲波示警信號中的聲波的傳播特性，利用信號控制處理設備估算出本車與前方列車之間的間距，再判斷本車與前車之間的間距是否小於安全距離； 如果判斷出本車與前車之間的間距小於安全距離，信號控制處理設備即向本車的示警終端輸出預警信號。
10.根據權利要求9所述的基於聲波不警的列車防撞系統的防撞方法,其特徵在於如果判斷出本車與前車之間的間距小於安全距離，信號控制處理設備即向本車的制動系統輸出制動信號，使本車的制動系統對本車實施制動操作，或向本車的保護系統輸出限速信號，使本車的保護系統對本車實施限速操作。
11.根據權利要求9所述的基於聲波不警的列車防撞系統的防撞方法,其特徵在於估算本車與前方列車之間間距所依據的聲波傳播特性，是聲波示警信號中的聲波的衰減特徵和/或色散特徵。
全文摘要
一種基於聲波示警的列車防撞系統及其防撞方法，涉及軌道交通技術領域，所解決的是提高列車在隧道內的安全性的技術問題。該系統包括分別安裝各輛列車上的多個聲波示警單元，每個聲波示警單元包括一個安裝在列車車頭的聲波接收裝置、一個安裝在列車車尾的聲波發射裝置、一個信號控制處理設備；前車向後車發射由至少一個頻率或頻段的聲波組成的聲波示警信號，後車接收前車發射的聲波示警信號，再根據聲波示警信號的衰減和色散特性，估算出本車與前方列車之間的間距，並適時預警。本發明提供的系統及方法，特別適合在城市地鐵線路中應用。
文檔編號B61L23/34GK102756749SQ20121027027
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月31日 優先權日2012年7月31日
發明者周文晉, 徐健, 李曉東, 陳孝良, 鮑明 申請人:上海中科高等研究院, 中國科學院聲學研究所