用於列車通信系統的機載消息轉發器的製作方法

2023-06-01 17:55:11 1

專利名稱：用於列車通信系統的機載消息轉發器的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及列車通信系統，尤其涉及供動力分布式列車使用的列車通信系統的機載消息轉發器，所述動力分布式列車包括引導機車和一個或多個遠程機車。
背景技術：
動力分布式列車(distributed power railroad train)的操作從引導機車(locomotive)(或引導單元)和一個或多個遠程機車(或遠程單元)提供動力和制動，而遠程機車(或遠程單元)在列車中與引導單元以定距離隔開。在一種配置中，動力分布式列車包括機車部的引導機車、列車尾部(EOT)位置的遠程機車和布置在機車部與尾部之間的列車中部的一個或多個中間列車機車。分布式列車的操作可以更適於長列車編組(consist)，以改進列車的操縱和性能，並且尤其更適於翻越山區的列車。
在動力分布式列車中，每個引導機車和遠程機車提供列車的動力和制動。發動和制動的命令消息由引導機車中的操作員發出，並通過射頻通信系統(例如，紐約斯卡奈塔第美的通用電氣公司提供的現有技術的LOCOTROL動力分布式通信系統)被提供給遠程機車，而射頻通信系統包括射頻鏈路(信道)和引導單元與遠程單元的接收與發射設備。接收的遠程機車響應這些命令，給列車施加牽引力或制動力，並向引導單元通知命令的接收和執行。引導單元還向遠程單元發送其他消息，包括狀態請求消息。遠程單元通過向引導單元發送回狀態應答消息進行響應。
在具有兩個或更多直接偶聯的遠程機車的列車中，偶聯的機車藉助於通過它們連接的MU(多單元)線路發射的控制信號協調一致地工作。就動力分布式通信系統而言，其中一個機車被指定為受控制的遠程單元。只有受控制的遠程單元被配置成接收由引導單元發射的命令，並通過適宜的應答消息響應引導單元。
列車操作最關鍵的方面之一是空氣制動系統的可預測且成功的操作。空氣制動系統包括每個機車(包括引導機車和所有遠程機車)中的機車制動器和每節列車車廂的車廂制動器。引導單元的機車制動器響應於機車制動把手的位置，通過機車操作員進行控制，而列車車廂的制動器響應於自動制動器把手的位置進行控制。機車制動器還可以通過自動制動器把手進行控制。
自動制動器的把手或控制器控制傳送流體的制動管路中的壓力，而制動管路沿列車的長度延伸，並且與車廂制動系統進行流體連通，用於響應於制動管路中的壓力變化施加或解除每節列車車廂的車廂制動器。具體而言，每節列車車廂的調節閥(一般包括多個閥和互聯的管系)響應通過施加制動(響應於制動管路流體壓力的減小)或通過解除制動(響應於制動管路流體壓力的增大)而引起的制動管路流體壓力的變化。制動管路內的流體通常包括壓縮空氣。操作員控制引導機車的自動制動器把手啟動引導單元的壓力下降，而該壓力下降沿制動管路傳送到列車的尾部。每節列車車廂的調節閥感應壓力下降，並響應該壓力下降，從本地列車車廂的儲氣器向輪閘儲氣筒提供壓縮空氣，而輪閘儲氣筒隨後讓閘瓦抱緊列車車廂的車輪。列車車廂的儲氣器在非制動操作間隔期間通過從制動管路中排出的空氣進行再次充氣。
引導操作員還通過控制自動制動器把手影響制動管路中的壓力增大來命令解除制動。壓力增大在列車車廂被感應到，並響應於壓力增大，閘瓦鬆開列車車廂車輪。
在動力分布式列車中，除調節制動管路壓力來影響列車車廂制動器的施加和解除之外，引導單元通過經由通信信道向遠程單元發送適宜的信號，命令遠程單元施加和解除制動。如下面進一步描述的，制動的施加和解除由於引導單元和遠程單元的共同參與，因此沿列車的長度更加迅速地起作用。由於需要若干對保持列車控制的限制，所以在動力分布式列車中，命令制動或解除制動還可以通過引導或遠程機車來命令。
可以用兩種方式來施加列車車廂制動，即，腳踏制動或緊急制動。在腳踏制動中，制動力被施加給列車車廂，使列車慢下來或沿鐵軌停在前面的位置。在腳踏制動期間，制動管路的壓力被慢慢降低，而響應於此，逐漸施加制動。操作員控制通過自動制動控制的把手來減少的壓力的比率。性能惡化的制動是腳踏制動的一種形式，其中，制動管路壓力降為零，但在預定的比率出現排空，與如下所述的緊急制動不同，列車車廂在性能惡化的制動期間不使制動管路排氣。
緊急制動通過引導單元(和動力分布式列車的遠程單元)的制動管路的快速排空或排氣，來命令列車車廂制動的快速施加。當列車車廂感應到指示緊急制動的預定壓力降低比率時，列車車廂還使制動管路排氣，以便沿列車加速蔓延制動管路的排空。不幸地，因為制動管路穿過列車蔓延數千碼，所以緊急制動不會沿制動管路的整個長度迅速發生。因此，制動力不是均勻地施加在使列車停下來的每節列車車廂上。
在動力分布式列車上，制動通過使引導機車和遠程機車的制動管路排氣來完成，因此，應加速每節列車車廂的制動管路的排氣和制動器的施加，尤其是接近列車尾部的那些列車車廂。正如可以理解的，常規列車中制動管路只在引導單元排氣，需要沿列車長度傳遞制動管路壓力的下降，因此減緩了遠離引導單元的列車車廂的制動。對於在引導和遠程單元之間具有工作通信鏈路的動力分布式列車，當列車操作員通過操作引導單元的自動制動控制把手來命令制動(例如，腳踏制動或緊急制動)時，制動管路排氣，並且制動應用命令通過射頻通信鏈路向每個遠程單元發射。作為響應，每個遠程單元也使制動管路排氣。因此，遠程機車響應於通信系統所發射的信號，跟隨引導單元的制動而進行制動。
在引導單元發出的解除制動也通過射頻鏈路傳送給遠程單元，從而所有機車的制動管路再次充氣到額定壓力，減少了制動管路再次充氣的時間。
如果由列車操作員或響應於檢測到的故障條件，在引導機車啟動了緊急制動應用，則射頻通信系統通過射頻鏈路向每個遠程機車發送緊急制動信號。作為響應，遠程機車使制動管路排空。此技術容許緊急制動應用的更加快速執行，因為所有機車的制動管路被排空，而不僅僅是常規列車中的引導機車的制動管路被排空。
圖1和2示意地說明了示例性的動力分布式列車10，其沿箭頭11指示的方向行進，其中，一個或多個遠程單元12A-12C要麼由引導單元14(圖1)進行控制，要麼由控制塔16(圖2)進行控制。機車15由引導單元14藉助於連接這兩個單元的MU線路17進行控制。本發明的教導可以用於動力分布式列車10和如下所述的與之一起工作的通信系統。
應該理解的是，圖1和2的系統之間的唯一差別在於命令和消息從圖1的引導單元14發布改為由從圖2的控制塔16發布，並且圖1系統的某些聯鎖被消除。一般地，控制塔16與引導單元14進行通信，而引導單元14隨後連結遠程單元12A-12C。
在一個實施例中，通信系統的通信信道包括帶寬為3kHz的單個半雙工通信信道，其中，消息和命令包括在四個可用載波頻率中的一個上使用頻移鍵控調製進行編碼的串行二進位數據流。各種比特位置傳達與傳輸類型有關的信息(例如，消息、命令、告警)、實體消息、命令或告警、接收單元的地址、發送單元的地址、常規的開始和停止比特以及誤差檢測/校正比特。在共同擁有的美國專利號4,582,280中，詳細地描述了系統所提供的消息和命令的細節和各自消息和命令的傳輸格式，在此引入作為參考。
圖1和2的動力分布式列車10還包括在遠程單元12A/12B之間和在(圖1的)遠程單元12C之間插入的多個列車車廂20。圖1和2中機車14和12A-12C以及列車車廂20的布置僅僅是示例性的，因為本發明可以被用於其他的機車/列車車廂的布置。列車車廂20裝備有空氣制動系統(圖1和2中未示出)，空氣制動系統響應於制動管路22的壓力下降，施加列車車廂的空氣制動，並基於制動管路22的壓力升高而解除空氣制動。制動管路22沿列車的長度布置，用於傳遞引導單元14和遠程單元12A、12B和12C中的各自空氣制動控制24所定義的氣壓變化。
在某些應用中，場外(off-board)轉發器26進一步如下所述，布置在列車10的無線電通信距離之內，用於在引導單元14和遠程單元12A、12B和12C之間中繼通信信號。
引導單元14，遠程單元12A、12B和12C，場外轉發器26和控制塔16裝備有收發機28，其可以與天線29一起工作，用於通過通信信道接收和發射通信信號。
引導單元的收發機28與引導站30相關聯，用於產生命令和消息，並從引導單元14向遠程單元12A-12C發布，以及接收響應於此的應答消息。
響應於操作員對原動力的控制和引導單元14內的制動控制，如上所述或按照需要自動地在引導站中生成命令。每個遠程單元12A-12C和場外轉發器26包括遠程站32，用於處理和響應來自引導單元14的發射，並用於發布中繼消息和命令。
通信系統承載的無線電發射的四個原始模型包括(1)從引導單元14到每個遠程單元12A-12C的鏈路消息，其「連結」引導單元14和遠程單元12A-12C，即配置或設置通信系統供引導單元14和遠程單元12A-12C使用；(2)鏈路應答消息，其指示所述鏈路消息的接收和執行；(3)來自引導單元14的命令，其控制一個或多個遠程單元12A-12C的一個或多個功能(例如，施加原動力或制動)；以及(4)通過一個或多個遠程單元12A-12C發射的狀態和告警，其向引導單元14更新或提供與一個或多個遠程單元12A-12C有關的必要操作信息。
從引導單元14發送的每個消息和命令對所有遠程12A-12C廣播，並包括引導單元標識符，供遠程單元12A-12C使用，以便確定正在發送的引導單元就是同一列車的引導單元。肯定的確定促使遠程單元12A-12C執行接收的命令。
從遠程單元12A-12C之一發送的消息和告警還包括發送單元的地址。作為先前完成的連結過程的結果，接收單元即引導機車或另一遠程機車，可以通過檢查消息中發送單元的標識符來確定它是否是所接收的發射的預定接收方，並可據此以響應。
這四個消息類型包括每個類型中所包含的地址信息，保證了安全傳輸鏈路，其具有受到列車10無線電發射距離內幹擾信號的破壞的低概率。此消息允許遠程單元12A-12C由引導單元14進行控制，並向引導14提供遠程單元的操作信息。
雖然大部分的命令由引導單元14發布，並被發射到遠程單元12A-12C，用於如上所述的執行，但是存在遠程單元12A-12C向其他遠程單元和引導單元14發布命令的一種情況。如果遠程單元12A-12C檢測到批准緊急制動的條件，則該遠程單元向列車的所有其他單元發射緊急制動的命令。該命令包括列車引導機車的標識符，並因此在每個遠程單元執行，就像命令由引導單元發布的一樣。
貫穿本發明說明的術語「無線電鏈路」、「RF鏈路」和「RF通信」以及類似的術語，描述了在網絡中兩條鏈路之間進行通信的一種方法。應該理解，根據本發明的系統中兩個節點(機車)之間的通信鏈路不限於無線電或射頻系統等，並且意味著涉及消息可以從一個節點傳送到另一節點或兩個以上的其他節點的所有技術，包括但不限於磁系統、聲系統、和光系統。同樣，結合實施例描述了本發明的系統，其中，在節點之間使用無線電(RF)鏈路，並且其中的各種元件兼容這種鏈路；然而，目前優選實施例的說明並不意欲將本發明限定到特殊的實施例。
在動力分布式列車中，響應於操作員發出的命令，引導單元的通信系統向每個遠程單元發射表示該命令的射頻(RF)消息。這種命令可以包括機車調速或牽引的命令和空氣制動、動力制動和電力制動的命令。就空氣制動的命令而言，一旦接收到消息，制動命令就在每個遠程單元執行，以便加速列車車廂的命令響應，因為遠程單元在它們感應到制動管路壓力變化之前接收射頻消息。例如，如果操作員命令制動，則制動管路在引導單元排氣，並將壓力下降沿列車的長度傳送，直到到達列車尾部的車廂。取決於列車的長度，在壓力下降到達最後的列車車廂之前，可能經過了若干秒。在引導機車和遠程機車使制動管路排氣(後者響應於RF消息)，加速了每節列車車廂的制動管路的排氣和制動的施加，尤其是接近列車尾部的列車車廂。因此，遠程機車響應於通信系統發射的RF信號，其制動跟隨引導單元的制動。
在引導單元發出的解除制動，還通過射頻鏈路傳遞到遠程單元，從而所有機車的制動管路再次充氣到它的額定壓力，減少了制動管路的再次充氣時間。
如果列車操作員在引導機車發出緊急制動應用，則通信系統通過射頻鏈路向每個遠程機車發送緊急制動信號。遠程機車使制動管路排空，以便提供對緊急制動的更快速執行，這是因為所有機車的制動管路都被排空，而不是象常規列車那樣，只有引導機車被排空。
總之，通過通信系統發送的消息允許對列車車廂施加更多均勻的牽引力，並改進了制動性能，因為每個機車可以以RF信號的速度實行制動應用，而不是以空氣制動管路的制動信號沿列車傳遞的低速實行制動。
當動力分布式列車工作在預計每個遠程單元接收由引導單元發送的命令消息的環境中時，例如當列車沿相對直的軌道長度行進、沒有射頻信號的臨近阻塞時，通信系統以標準模式進行工作。在此模式中，可以預料沒有通信丟失、中斷或重複消息(由於消息在第一次發射時未到達它的預計目的地)。根據固定優先級的消息協議，控制用標準模式發布的大部分消息，而根據該協議，每個遠程單元響應於引導單元發布的命令消息，在命令發射開始的預定間隔之後發射狀態消息。因此，給每個遠程單元分配時隙，該時隙從引導單元開始發射命令消息起測量，每個遠程單元在誼時隙期間發射它的消息。
圖3的定時圖說明了與用於標準通信的固定優先級消息協議有關的概念，其中，針對包括引導單元和四個遠程單元的列車來描述該系統。結合圖3描述的概念可以被應用於包含多於或少於四個遠程機車的列車。
根據此方案，在時間t＝650msec時，引導單元發射命令消息(例如，制動命令、牽引命令、動力制動命令等)，該命令消息希望被動力分布式列車中的所有遠程機車接收。如可以在圖3中看到的，給每個收發機(無線電臺)分配了30msec的開啟間隔，而示例性的命令消息長度是193msec。在從引導單元的發射開始經過了預定間隔之後，例如圖3所示的50msec，第一遠程機車再次發射命令消息和它的狀態消息(例如，第一遠程機車響應於制動命令而使制動管路排氣)。狀態消息是用於引導機車的，從而列車操作員被告知第一遠程單元對命令的響應。還要注意，每個遠程單元重發命令消息和它的狀態消息，以便最大化命令被所有遠程機車接收的可能性。圖3中例示的開啟時間、消息持續時間等僅僅是示例性的，並且可以根據包括通信系統的元件的應用以及規範進行變化。
第二遠程機車在預定延遲之後，例如在從第一個遠程機車的發射結束50msec之後，轉發命令消息並發射它的狀態消息。持續命令轉發和狀態發射的過程，直到所有的遠程機車已經轉發了命令消息，並已經發射了它們各自的狀態消息。在最後的遠程機車已經發射了其狀態時出現了消息結束的條件，在這以後，引導單元能夠自由地向遠程機車發射另一命令消息。在圖3的實施例中，消息的結束髮生在t＝2896msec或引導單元初始發射後的2271msec。
當引導單元發射命令消息時，引導單元將不知道該消息是否被列車中的所有遠程單元接收，直到從每個遠程單元接收到遠程狀態消息(其中，狀態消息指示了命令消息的接收方和執行方)或未從一個或多個遠程單元接收狀態消息(缺少狀態消息指示了命令消息未被接收)。因此，根據通信系統的一個實施例，為了保證每個遠程單元接收到命令消息，命令消息被每個遠程單元轉發。
注意，可能的是一個或多個遠程狀態消息未必被引導單元接收。當是此情況時，引導單元重發命令消息，並等候列車的每個遠程單元答覆狀態消息。將在下面描述的本發明的一個特徵增大了在引導單元接收到所有狀態消息的可能性，因此降低了重發概率，而沒有顯著影響命令和狀態消息的總傳輸時間。
除如上所述的固定優先級協議之外，某些命令例如緊急制動，被分類為高優先級命令消息，並根據除固定優先級協議之外的不同優先級協議來發射。但是其他的命令消息，例如通信系統檢查，根據控制這些命令的傳輸以及遠程單元的應答的其他優先級協議進行工作。
因為動力分布式列車穿過某些具有接近的自然或人工阻塞的地形或軌道段，發送和接收單元之間的視線通信鏈路可能被中斷。因此，命令和狀態消息未必可靠地被接收單元接收，即，對於從遠程單元發送的消息而言，引導機車是接收單元，而對於從引導單元發送的消息而言，遠程機車是接收單元。雖然大功率、健壯的收發機能夠在某些工作條件下成功地向接收單元發射信號，但是這種設備相對較貴。而且，在某些工況下，甚至大功率收發機都無法成功地完成通信，例如在長列車行進在鄰近諸如大山之類的自然阻塞的曲線軌道段上，其中引導單元和一個或多個遠程單元之間的通信路徑受到大山的阻斷。並且，當列車穿過隧道時，某些收發機可能不能與機車上的其他收發機進行通信。
為了改進系統的可靠性，動力分布式列車的通信系統的一個實施例包括場外轉發器26(見圖1)，用於接收從引導單元14發送的消息，以及轉發(重發)消息，以便被遠程單元12A-12C接收。此實施例例如可以沿穿過隧道的軌道長度實施。在這樣一個實施例中，場外轉發器26包括天線29(例如，沿隧道長度安裝的漏洩同軸電纜)；以及遠程站32，用於接收和重發引導消息，而引導消息由轉發器天線29的RF通信距離內的所有遠程單元12A-12C接收。

發明內容
根據一個實施例，本發明包括一種用於列車的通信方法，所述列車包括引導機車和遠程機車。所述方法還包括從引導機車發射出站消息，每個遠程機車從引導機車或從另一遠程機車接收出站消息，並發射出站消息直到出站消息已被最後的遠程機車接收，在最後的遠程機車響應於出站消息，發射入站消息，而除最後的遠程機車之外的每個遠程機車，從另一遠程機車接收入站消息，添加本地的狀態消息，並發射修改後的入站消息，直到引導機車已經接收到修改後的入站消息。
根據另一實施例，本發明包括一種用於列車的通信系統，所述列車包括引導機車和遠程機車。該通信系統還包括通信信道；引導機車中的無線電臺，用於通過通信信道發射由遠程機車接收的出站消息；每個遠程機車中的無線電臺，用於接收出站消息，以及通過通信信道發射由離引導機車更遠的遠程機車接收的出站消息，其中，每個遠程機車中的無線電臺可以不接收出站消息，而最後的遠程機車中的無線電臺用於從引導機車或從另一遠程機車接收出站消息，並用於響應於出站消息，通過通信信道發射由更靠近引導機車的遠程機車和引導機車接收的入站消息，其中，引導機車中的無線電臺和每個遠程機車中的無線電臺可以不接收入站消息，並且其中，每個遠程機車中接收了入站消息的無線電臺給入站消息添加本地狀態消息，以形成修改後的入站消息，並通過通信信道發射由另一遠程機車或引導機車接收的修改後的入站消息。


在鑑於結合附圖閱讀下列詳細說明進行思考時，本發明可以更容易地被理解，並且它的更多優點和用途可以更容易地表現出來，其中圖1和2是可以施加本發明教導的動力分布式列車的簡圖。
圖3是用於通信系統的現有技術標準消息優先級協議的定時圖。
圖4是根據本發明教導的、供包括四個遠程單元的列車使用的機載(on-board)消息優先級協議的定時圖。
圖5是根據本發明教導的機載消息優先級協議的定時參數的說明表。
圖6是根據本發明教導的、供包括四個遠程單元的列車使用的機載消息優先級協議的另一實施例的定時圖。
圖7是根據本發明教導的、供包括三個遠程單元的列車使用的機載消息優先級協議的定時圖。
圖8是用於根據本發明教導的場外消息轉發系統的定時圖。
圖9是標準優先級消息協議、轉發器消息優先級協議和場外轉發器消息優先級協議的時間參數比較的說明表。
圖10是根據本發明另一實施例的動力分布式列車的簡圖。
圖11和12是描述根據本發明兩個實施例的處理步驟的流程圖。
根據常規，各種所述特徵未按比例繪製，但被繪製成強調與本發明有關的特定特徵。參考符號表示了所有附圖和全文的類似元件。
具體實施例方式
在詳細描述根據本發明的用於機載消息轉發系統的優先級消息協議的具體方法和設備以前，應當注意的是，本發明主要在於與所述方法和設備相關的硬體和軟體元件的新穎組合中。因此，硬體和軟體元件在附圖中用常規元件表示，只示出了與本發明有關的那些細節，免得混淆公開內容和結構細節，而得益於在此的說明，結構細節對本領域技術人員是非常顯而易見的。
根據本發明的優選實施例，包括用於動力分布式列車中機載消息轉發系統的優先消息協議，例如圖1的動力分布式列車10，從引導單元14發射的消息沿列車從頭部跳躍前進(leapfrog)到列車尾部，同時每個連續的遠程單元12A-12C接收和轉發消息。
而且，當列車進入引導機車單元不能成功地與每個遠程單元直接通信的環境(例如，當列車進入隧道時)，通信系統可以自動地切換到根據本發明教導的用於機載消息轉發(OBMR)的優先級協議。這種切換發生在例如在通信系統感到中斷超過預定的固定持續時間(例如一分鐘)時。一旦激活，在一個實施例中，OBMR協議就有效十五分鐘，在這之後，通信系統恢復標準的優先消息協議操作，即，如結合圖3描述的。在另一實施例中，通信系統可以配置為持續不斷的OBMR操作，或者OBMR操作可以由引導機車的操作員手工激活。
圖4說明了用於包括引導單元和四個遠程單元的列車的示例性OBMR協議。在此模式中，引導單元發射命令消息(即，命令遠程單元新功能的消息，或請求遠程單元狀態消息並且還包括最近發射的命令的狀態更新消息)。第一遠程單元接收出站命令消息，並轉發該消息，供列車中其他的遠程單元接收。
如圖4所示，引導單元的發射從時間t＝0後的625msec開始。這間隔僅僅是示例性的，表示在引導單元接收消息與後面從引導單元發射命令之間的預定最小間隔。注意在消息發射結束和消息重發之間的示例性的50msec延遲間隔以及分配的示例性的30msec無線電臺(收發機)開啟時間。通常，由引導單元發送的命令消息、由遠程單元發送的消息和消息傳輸之間的間隔長度是固定的。然而，這些長度可以針對本發明的特殊應用隨需要而變化，並且在不同的鐵路操作員之間可以是不同的。
不同於如上所述的標準通信模式，第一遠程單元在接收到出站消息後不發射回復的狀態消息。相反，第一遠程單元(和每個後續的遠程單元)轉發出站消息，藉此允許出站消息沿列車的長度傳送，不招致從每個遠程單元發射狀態消息的時間損失。如可以從圖4中看見的，每個遠程單元在其各自的預定時隙內重發出站消息。因此，消息沿列車跳躍前進，供每個遠程單元接收。此時，沒有狀態消息被返回給引導機車。
最後的遠程單元(第n個遠程單元)接收命令消息時，最後的遠程單元將其狀態消息(即，入站消息)發送回前面的第(n-1)個遠程單元。根據常規作法，在配置通信系統或連結引導和遠程單元時，離引導單元最遠的遠程單元被配置為最後的遠程單元，即最後的遠程單元「知道」它就是列車中最後的遠程單元。因此，當最後的遠程單元接收出站消息時，它利用其狀態消息進行響應。遠程單元3(在n＝4的情況下)接收遠程單元4的狀態消息，並存儲接收的狀態消息一直到它的指定時隙，而在誼時隙，遠程單元3轉發遠程單元4的狀態消息並添加它自己的狀態消息，朝引導單元的方向即朝第二遠程單元的方向發射這兩個狀態消息。遠程單元2接收遠程單元4和3的狀態消息，然後加上它自己的狀態消息，朝引導單元的方向發射這些狀態消息。該過程一直進行，直到每個遠程單元的狀態消息作為串聯的消息到達引導單元，所述串聯的消息包括每個遠程單元的狀態消息。
如從圖4中可以看見的，這發生在t＝4377msec，或從出站命令消息開始發射到引導單元接收到所有狀態消息的總耗費時間為3752msec。
根據動力分布式列車通信系統的標準作業程序，在出站消息最初從引導單元發射或通過遠程單元連續轉發時遠程單元未接收到出站消息的事件中，未接收的遠程單元將不會具有報告返回引導單元的狀態消息。引導單元期待每個遠程單元的狀態消息，並可以從接收的狀態消息(每個遠程單元的狀態消息包括遠程單元的標識符)中確定哪個遠程單元未接收命令消息(如果有的話)。因此，如果引導單元未接收到一個或多個遠程單元的狀態消息，則引導單元重發命令。根據一個實施例，引導操作員通過引導單元顯示器上的適宜指示，被告知此遠程單元錯過接收。
如本領域技術人員能理解的，遠程單元發射的狀態消息可以被除預計接收的遠程單元之外的遠程單元接收，即，預計接收的遠程單元是在朝列車引導單元的方向上接近發射的遠程單元的遠程單元。例如，在圖4中，動力分布式列車具有四個遠程單元，遠程單元2和3可以接收遠程單元4發射的狀態消息。遠程單元2存儲遠程單元4的狀態消息一直到它的指定時隙，並且可以在遠程單元4的狀態消息由遠程單元3重發時第二次接收遠程單元4的狀態消息。多次接收狀態消息的能力提高了概率，即引導單元接收到每個接收到命令消息的遠程單元的狀態消息的概率。
回溯為了提供可靠的系統操作，此工作方式假設遠程單元可以只與相鄰的遠程單元進行有效地通信。然而，此限制不是此模式中用於操作動力分布式列車的先決條件。
圖5是指示用於列車機載消息轉發的消息優先級協議的有關發射時間和消息內容的表，讀列車如圖4所示，包括一個引導機車和四個遠程機車。
圖5的時間延遲欄指示了在一個發射的結束和另一發射的開始之間的時間延遲，例如，所示實施例中在第一遠程單元發射的結束和第二遠程單元發射的開始之間的50msec。然而，50msec間隔是可調的間隔，即每當遠程單元發射信號時，下一遠程單元在啟動它的發射以前、從發射的結束開始等待50msec。如果一個遠程單元不發射信號，則每個隨後發射的遠程單元從它的發射時間減去50msec。時間延遲欄是如果所有的遠程單元不發射時每個遠程單元在發射之前延遲的時間延遲量。例如，如果遠程單元1在其分配的時隙中不發射，則遠程單元2在引導單元發射結束後的100msec發射。遠程單元3在遠程單元2發射結束後的50msec發射。
根據結合圖4和5描述的OBMR協議的變型，在狀態消息通過遠程單元朝引導單元方向發射的期間，出站的命令消息也通過遠程單元發射，以便最大化每個遠程單元接收命令消息的可能。此情況在圖6加以說明，延長了命令消息從引導單元發射與在引導單元接收遠程單元的狀態消息之間的時間，具有提高每個遠程單元接收到出站消息的概率的益處。
圖7是用於列車機載消息轉發器的消息優先級協議的定時圖，所述列車包括引導機車和三個遠程機車。用於包括三個遠程單元的動力分布式列車的實施原理與上面結合圖4描述的用於四個遠程單元的動力分布式列車的實施原理相同。如本領域技術人員可以理解的，圖6所述的遠程單元重發命令消息的實施例，也可以用於包含引導單元和三個遠程機車的列車(或包含任意數量遠程單元的列車)。
圖8是標準通信定時協議在與上面結合圖1描述的場外消息轉發器26一起工作時的定時圖。引導單元在時間間隔200期間發射命令消息，而該命令消息在時間間隔202期間被消息轉發器26接收並重發。四個遠程單元的每一個都接收轉發的命令消息，並在它的分配時隙期間通過它的狀態消息進行響應。轉發器26接收所有遠程單元的狀態消息，並重發所有遠程單元的狀態消息，引導單元14在時間間隔206期間接收所述消息，在這之後消息間隔結束。
圖8中引用的效用(utility)消息210是通過轉發器26向轉發器26的無線電射程中的所有引導單元發送的消息，促使所有接收的引導單元延遲發射。例如，效用消息防止隧道外的引導單元與隧道內的遠程單元同時發射。
圖9比較了現有技術的標準消息協議、本發明的OBMR協議和與場外消息轉發器一起工作時的標準消息定時協議的消息延遲時間。
在其他的實施例中，本發明的通信系統還包括天線/無線電臺的分集特徵和/或信號選擇特徵，其對於克服例如由多路徑信號傳播、信號反射和信號阻塞(例如由於機車安裝了用於從總動力電纜給機車提供電能的受電弓(pantograph))所引起的信號傳輸路徑損傷是有利的。
兩個機車的每個編組包括前向機車250A/250B/250C和後向機車252A/252B/252C(見圖10)，每個機車還包括前向無線電臺260A/260B/260C和後向無線電臺262A/262B/262C，每個前向無線電臺和天線266A/266B/266C一起工作，並且每個後向無線電臺和天線268A/268B/268C一起工作，分別用於接收從列車270的其他機車發送的消息。編組機車通過MU(多單元)電纜253A/253B/253C被偶聯。根據常規鐵路用語，前向機車250A/250B/250C被指定控制機車252A/252B/252C的「A」單元或「B」單元，「B」單元藉助於「A」單元裡的列車操作員發出的控制信號並將其通過MU電纜253A/253B/253C施加給「B」單元。
當通信系統被激活時，每個機車的前向無線電臺260A/260B/260C和後向無線電臺262A/262B/262C被激活。因此，每個編組的兩個無線電臺都接收列車270中其他單元發射的消息。前向無線電臺260A/260B/260C和後向無線電臺262A/262B/262C都確定每個接收的消息的信號質量度量(例如信號強度、誤碼率、或有效數據的接收)。在比較器/處理器276A/276B/276C中比較信號質量度量，並且具有良好信號質量度量的消息被選為供機車編組使用的工作消息。
根據優選實施例，確定在前向無線電臺260A/260B/260C和後向無線電臺262A/262B/262C接收的所有消息的信號質量度量，以便選擇用於該編組的工作消息。例如，通過使消息經受誤差檢測與校正算法，隨後通過根據本發明的處理來確定在編組的每個無線電臺接收的信號的信號質量量度，可以檢驗每個接收的無線電消息是正確的，從中選擇用於該編組的工作信號。
可替換地，作為處理整個信號用於確定信號質量度量的替代，只分析第一組消息比特來確定消息的信號質量度量。具有良好信號質量度量的消息被選為用於誼編組的工作消息。
一般地，出站消息從引導編組的天線/無線電臺268A/262A發射，而狀態消息從遠程編組的天線/無線電臺266B/260B和266C/260C發射。在另一實施例中，為了使可以破壞接收信號的精確接收的串擾最小化，其中一個天線266A/266B/266C(和對應的無線電臺260A/20B/260C)或其中一個天線268A/268B/268C(和對應的無線電臺262A/262B/262C)被選為適應發射信號所需方向的發射天線。注意，天線266A/266B/266C鄰近所關聯的機車編組的前端布置(假設行進方向由箭頭11指示)和天線268A/268B/268C布置在所關聯的機車編組的後端。
無線電臺260A/20B/260C/262A/262B/262C確定發射的信號的預計方向(例如，基於信號和/或信號中所包含的消息的類型為入站或出站)，並選擇最靠近預計接收的天線/無線電臺的發射天線/無線電臺。例如，如果包括機車250A和252A的機車編組是引導編組，並且期望向包括機車250B和252B的機車編組發射出站消息，則天線/無線電臺268A/262A被選為工作的天線。在每個機車包括用於從總電源(圖10未示出)向機車提供電流的受電弓280時，該特徵尤其有利。根據此實施例，這樣選擇天線(和對應的無線電臺)，即期望的信號方向為遠離受電弓。作為更進一步的示例，如果包括機車250B和252B的遠程機車編組將要向包括機車250A和252A的機車編組發送信號，則天線/無線電臺266B/260B被選為工作的天線/無線電臺。
圖11是說明根據本發明教導的用於實現信號選擇功能的方法的流程圖。在一個實施例中，圖11的方法在列車機車內例如機車260A/260B/260C/262A/262B/262C內的微處理器和關聯的存儲元件中實現。在這種實施例中，圖11的步驟表示在存儲元件中存儲以及可在微處理器中工作的程序。當在微處理器中實現時，程序代碼配置微處理器，以創建處理流程圖步驟的邏輯和算術操作。本發明還可以以用任何已知計算機語言編寫的電腦程式代碼的形式來體現，包括用有形的介質體現的指令，例如軟盤、CD-ROM、硬碟、DVD、可移動的介質或任何其他計算機可讀存儲介質。當程序代碼通過微處理器控制的通用或專用計算機加載和執行時，計算機變成用於實施本發明的設備。本發明還可以以電腦程式代碼的形式體現，例如，無論其存儲在由計算機加載和/或執行的存儲介質中還是通過傳輸介質發射，例如通過電線或電纜、通過光纖、或經由電磁輻射，其中，當電腦程式代碼通過計算機加載並執行時，計算機變為用於實施本發明的設備。
圖11的流程圖從步驟300開始，而通信系統在步驟300被激活，所以每個機車中的前向無線電臺(圖10中的260A/260B/260C)和後向無線電臺(圖10中的262A/262B/262C)也被激活。如步驟302所示，每個編組的兩個無線電臺都接收列車270中其他單元發射的消息。如步驟304所示，前向無線電臺260A/260B/260C和後向無線電臺262A/262B/262C都確定每個接收的消息的信號質量度量(例如信號強度、誤碼率、或有效數據的接收)。在步驟306比較信號質量度量，並且具有良好信號質量度量的消息被選為(見步驟310)供機車編組使用的工作消息。
圖12的流程圖描繪了本發明一個實施例的天線/無線電臺分集特徵。在步驟330，產生了向列車中另一機車發射的信號。在步驟332，發射的信號的預計方向(例如，基於信號和/或信號所包含的消息的類型為入站或出站)被確定。在步驟334，最靠近意欲接收的天線/無線電臺的天線/無線電臺被選為發射的天線/無線電臺。
儘管已經參照優選實施例描述了本發明，但是本領域技術人員將理解在不脫離本發明範圍的前提下，可能作出各種變化，本發明的元件可用等效元件來代替。本發明的範圍還包括源自於此闡述的各種實施例的元件的任何組合。另外，在不脫離本發明實質範圍的前提下，可以進行更改，以使具體情況適應本發明的教導。因此，意圖是本發明不限於意欲作為實現本發明的最佳方式而描述的具體實施例，而是本發明將包括落在所附權利要求範圍內的所有實施例。
權利要求
1.一種用於列車的通信方法，所述列車包括引導機車和至少兩個遠程機車，所述方法包括從引導機車發射出站消息；對於每個遠程機車，從引導機車或從另一遠程機車接收出站消息，並發射出站消息，直到最後的遠程機車已經接收到出站消息；在最後的遠程機車響應於出站消息，發射入站消息；以及對於除最後的遠程機車之外的每個遠程機車，從另一遠程機車接收入站消息，添加本地狀態消息，並發射修改後的入站消息，直到引導機車已經接收到修改後的入站消息。
2.權利要求1的通信方法，其中，入站消息包括指示最後的遠程機車狀態的狀態消息，並且其中，本地狀態消息包括指示添加本地狀態消息的遠程機車的狀態的狀態消息。
3.權利要求1的通信方法，其中，出站消息在修改後的入站消息到達引導機車之前被每個遠程機車接收。
4.權利要求1的通信方法，其中，每個遠程機車接收出站消息的步驟還包括從引導機車或從另一遠程機車接收出站消息，並依次發射出站消息用於由遠離引導機車方向上的下一相鄰遠程機車接收，直到最後的遠程機車已經接收到出站消息。
5.權利要求1的通信方法，其中，每個遠程機車接收出站消息的步驟還包括從引導機車或從另一遠程機車接收出站消息，等待預定時間並且發射出站消息用於由遠離引導機車方向上的下一相鄰遠程機車接收，直到最後的遠程機車已經接收到出站消息。
6.權利要求1的通信方法，其中，除最後的遠程機車之外的每個遠程機車接收入站消息的步驟還包括從另一遠程機車接收入站消息，給入站消息添加本地狀態消息，並且發射修改後的入站消息用於由朝向引導機車方向上的下一相鄰遠程機車接收，直到引導機車已經接收到修改後的入站消息。
7.權利要求1的通信方法，還包括在引導機車接收修改後的入站消息，其中，修改後的入站消息包括串聯的狀態消息，而串聯的狀態消息進一步包括每個遠程機車的本地狀態消息。
8.一種用於列車的通信系統，所述列車具有引導編組和遠程編組，而遠程編組包括前向機車與後向機車，所述通信系統包括通信信道；引導編組中的無線電臺，用於通過所述通信信道發射由遠程編組接收的出站消息；在前向和後向機車的每個中的無線電臺，都用於接收出站消息，其中，前機車中的無線電臺確定前向接收信號的信號質量度量，並且其中後向機車中的無線電臺確定後向接收信號的信號質量度量；比較器，用於比較前向和後向接收信號的信號質量度量；處理器，用於處理具有較好信號質量度量的前向接收信號或後向接收信號。
9.一種用於列車的通信系統，所述列車包括引導機車和至少兩個遠程編組，而每個遠程編組包括前向機車和後向機車，所述通信系統包括通信信道；位於前向機車、後向機車和引導機車的每個中的天線；位於前向機車、後向機車和引導機車的每個中的無線電臺，其中，所述無線電臺與相關聯的天線一起工作，用於通過所述通信信道發射和接收信號；位於一個遠程編組的站，用於產生向另一遠程編組或向引導機車發射的信號；以及處理器，用於確定接收信號的預定無線電臺，以及用於響應於接收信號的預定無線電臺來選擇前向機車或後向機車的無線電臺來發送信號。
10.一種用於操作列車通信系統的電腦程式產品，所述列車包括引導機車和至少兩個遠程編組，每個遠程編組包括前向和後向機車，其中，前向、後向和引導機車中的每個都包括天線和相關聯的無線電臺，用於通過通信信道發射與接收信號，所述電腦程式產品包括計算機可用介質，具有包含在介質中的計算機可讀程序代碼模塊，用於操作位於遠程編組其中之一的通信系統；計算機可讀的第一程序代碼模塊，用於產生通過通信信道發射的信號；計算機可讀的第二程序代碼模塊，用於確定接收信號的預定無線電臺；以及計算機可讀的第三程序代碼模塊，用於響應於接收信號的預定無線電臺，從前向機車或後向機車發射信號。
全文摘要
一種動力分布式列車(10)的通信系統，用於在列車(10)的引導機車(14)和遠程機車(12A/12B/12C)之間發送和接收信號。引導單元(14)發出的消息至少由最靠近引導單元(14)的遠程機車(12A/12B)接收。接收的遠程單元(12A/12B)發射由列車的下一遠程單元(12C)接收的消息。因此，消息沿列車從引導單元(14)跳躍前進到遠程單元(12A/12B/12C)。當最後的遠程單元(第n個遠程單元)(12C)接收消息時，最後的遠程單元(12C)響應於引導單元的消息，發射狀態或其他消息。狀態消息在第(n－1)個遠程單元(12A/12B)被接收，第(n－1)個遠程單元(12A/12B)添加它的狀態消息，並向引導單元(14)發射組合後的狀態消息。每個後續的遠程單元接收其他遠程單元的狀態消息，並添加它的狀態消息，直到串聯的狀態消息到達引導單元(14)。
文檔編號B61L15/00GK1946602SQ200580013166
公開日2007年4月11日 申請日期2005年4月26日 優先權日2004年4月26日
發明者E·A·小史密斯, D·M·佩茨, R·C·帕蘭蒂 申請人:通用電氣公司