CN102358333B - 高速列车防追尾无线信号系统 - Google Patents

Abstract

高速列车防追尾无线信号系统，其车载子系统中设有驾驶台无线收发器和车尾无线收发器这两个列车信号无线收发装置；车尾无线收发器用于实时向后方列车实时发送本列车的加密应答信息和本车基本标示数据；所述驾驶台无线收发器用于实时探测接收同一方向、同一股道前方列车车尾无线收发器发出的加密应答信息，将收到的加密应答信息与本车加密应答信息进行交互识别，向前方列车发送本车加密应答信息，将接受到加密应答信息的信号发送至本车列控计算机，本车列控计算机发出减速或制动的指令；接收前方列车车尾无线收发器发射的基本标示数据，本车列控计算机处理两列车之间同步时标的GPS定位信息差值，计算出前后两列车之间距离，控制本列车的速度。

Description

高速列车防追尾无线信号系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种高速列车防追尾无线信号系统及其列车信号无线收发装置。

背景技术

中国高铁列车运行控制系统（简称CTCS）的技术规范是参照欧洲列车运行控制系统（简称ETCS）编制的。CTCS列车运行控制系统两个子系统，即车载子系统和地面子系统。参看附图1所示。

地面子系统主要由以下部分组成：应答器、轨道电路、无线通信网络（GSM-R）、列车调度集中系统（CTC）/无线闭塞中心（RBC）。其中GSM-R不属于CTCS设备，但是重要组成部分。

应答器是一种能向车载子系统发送报文信息的传输设备，既可以传送固定信息，也可连接轨旁单元传送可变信息。

轨道电路具有闭塞区间轨道被行驶列车占用检查、沿轨道连续传送列车信息功能，采用的是移频轨道电路。轨道电路的正常工作状态关系到列车运行的安全，阻止闭塞区间同一方向、同一股道列车进入，防止追尾事故的发生。

无线通信网络（GSM-R）是用于车载子系统和列车控制中心进行双向信息传输的车地通信系统。列车控制中心是基于安全计算机的控制系统，它根据地面子系统或来自外部地面系统的信息，如轨道占用信息、联锁状态等产生列车行车许可命令，并通过车地信息传输系统（无线与有线信息链路）传输给车载子系统，保证列车控制中心管辖内列车的运行安全。

车载子系统可由以下部分组成：列控计算机系统、人机接口系统、轨道电路、应答系统、测速测距系统、记录系统、制动接口系统，以及GSM-R无线应答设备。车载子系统可称之为：CTCS车载设备，CTCS车载设备是基于列控计算机的控制系统，通过轨道电路、应答系统、GSM-R无线应答设备与地面子系统交换信息来调度控制列车运行。

由于CTCS列车运行控制系统中地面子系统，GSM-R无线通信系统与轨道电路在恶劣气象条件（如：雷电）与地质灾害（如：地震），较为容易受到破坏，使GSM-R无线通信系统暂时出现通信故障，以及轨道电路无法正确传送信号机信息，使追踪列车无法获得行车控制信息进入前方闭塞区段，会出现闭塞区间有同一方向、同一股道运行两列列车发生追尾的重大事故。 

发明内容

本发明的目的在于提出一种高速列车防追尾无线信号系统，用以提高CTCS列车运行控制系统的可靠性，在CTCS列车运行控制系统中地面子系统，GSM-R无线通信系统与轨道电路在恶劣气象条件（如：雷电）与地质灾害（如：地震）同时受到破坏，使GSM-R无线通信系统暂时出现通信故障，以及轨道电路无法正确传送信号机信息状况下，提高列车自主防追尾事故快速应急处理。

本发明在中国发明专利“车辆GPS定位测距及车辆电子牌照信息终端”，专利号：200810023205.6和“无线通讯车辆电子牌照与车距测量系统”，专利号：201010521078.X的基础上，具体提出一种高速列车防追尾无线信号系统。

高速列车防追尾无线信号系统，包括由列控计算机系统、人机接口系统、轨道电路、应答系统、测速测距系统、记录系统、制动接口系统，以及GSM-R无线应答设备组成的车载子系统；所述车载子系统中还设有驾驶台无线收发器和车尾无线收发器这两个列车信号无线收发装置，驾驶台无线收发器安装在列车驾驶室，车尾无线收发器安装在列车尾部观察室，驾驶台无线收发器和车尾无线收发器分别通过通信总线与列控计算机相连； 

所述驾驶台无线收发器和列车车尾无线收发器同时采集全球定位系统GPS中同步UTC时间、纬度、经度和地面速率信息，再进行数据快速处理，获得该列车的基本标示数据，基本标示数据包括GPS定位信息、列车信息和卫星同步时标信息，GPS定位信息包括实时列车头与列车尾准确同步时标的地理位置数据，列车信息包括列车编号、列车速度、列车制动停止状况和信号机信息数据；

所述车尾无线收发器还用于实时向后方列车实时发送本列车的加密应答信息，当收到后方列车返回的、和本车密钥相匹配的加密应答信息时，实时向后方列车无线发射本列车的基本标示数据；

所述驾驶台无线收发器还用于：实时探测接收同一方向、同一股道前方列车车尾无线收发器发出的加密应答信息，将收到的加密应答信息与本车加密应答信息进行交互识别，如两者密钥相符，则向前方列车发送本车加密应答信息，同时将接受到加密应答信息的信号发送至本车列控计算机，本车列控计算机发出本列车减速或制动的指令；接收前方列车车尾无线收发器发射的基本标示数据，将接收到的基本标示数据发送至本车列控计算机，本车列控计算机处理两列车之间同步时标的GPS定位信息差值，计算出前后两列车之间距离，控制本列车的速度。

本发明中驾驶台无线收发器和车尾无线收发器结构相同，因为列车的驾驶室与列车尾部观察室可根据上下行进行职能互换。

所述加密应答信息是指收信方和发信方列车的通信密码数据，无线收发器按照双方收发的密钥是否相同的标准进行识别，当收信方和发信方使用相同的密钥，即加密密钥和解密密钥是相同或等价的，才能相互进行无线通信。

作为本发明的进一步改进，列车信号无线收发装置由TMS320系列DSP数字信号处理器芯片（或ARM系列微处理器）、卫星GPS电路、无线收发电路、晶振电路、声音报警电路、列车行驶数据记录存储器、屏幕显示器、键盘、隔离通信总线电路、时间电路、温度传感器电路、电池检测，以及外围充电电池储能稳压电路、定向天线组成。 

作为本发明的进一步改进，在列车在上行与下行时，所述列车信号无线收发装置的发射频率不相同，列车上行时对应的上行通信频率f1，列车下行时对应下行通信频率f2。

作为本发明的进一步改进，高速列车防追尾无线信号系统中，还包括在隧道内部及进、出口处安装的无线通信转发器，防止隧道影响无线通信。

本发明中，列车信号无线收发装置安装在列车驾驶室与车尾观察室，并通过通信总线与列控计算机相连；列车在高速铁路单向行驶过程中，列车驾驶室与车尾观察室的列车信号无线收发装置，同时采集全球定位系统GPS中同步UTC时间、纬度、经度和地面速率信息，再进行数据快速处理，获得该列车的基本标示数据，基本标示数据包括GPS卫星同步时标信息、车头和尾准确同步时标的地理位置数据、列车速度数据，以及列车编号、信号机信息数据，在闭塞区段内出现前后行驶列车时，进行两列列车无线通信数据交换，决策追踪列车减速与强制制动。

本发明所述高速铁路行驶在闭塞区段同一方向、同一股道两列列车距离的检测方法是前方列车车尾无线收发器实时采集全球定位系统GPS中同步UTC时间、RMC纬度、经度及VTG地面速率信息，并进行数据处理，获得该列车尾部空间准确同步时标的地理位置数据、列车速度数据，以及列车编号、信号机信息数据，将这些数据作为本车的基本标示数据，并通过无线通信加密应答信息与追踪列车驾驶台无线收发器进行交互识别后，将本列车基本标示数据传输给追踪列车驾驶台无线收发器；而追踪列车驾驶台无线收发器同理同步采集本列车的基本标示数据与接收到前方列车的基本标示数据进行同步时标差分与多普勒数据处理，获得两列车尾部与头部之间实时距离。

本发明在车载子系统中增加列车信号无线收发装置，前方行驶的列车尾部观察室安装的列车信号无线收发装置，每2秒间隔实时向后方无线发射本列车加密应答信息，在收到后方列车的应答后，每2秒间隔实时向后方无线发射本列车的基本标示数据，供追踪列车在行驶进入前方列车尾部无线通信有效距离内（无线通信距离大于3.8Km），后方追踪列车驾驶室的列车信号无线收发装置能快速探测到前方列车发出的无线信号，并快速接受处理信号参数、传送到列控计算机自动决策车辆减速与制动，防止后方追踪列车追尾前方列车的事故发生。

附图说明

图1为现有的CTCS列车运行控制系统结构图；

图2为本发明的CTCS列车运行控制系统结构图； 

图3为本发明的高速列车防追尾无线信号系统运行原理图；

图4为本发明的高速列车防追尾无线信号隧道转发器示意图； 

图5为本发明的列车信号无线收发装置电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例做进一步说明。

实施例1

参照图2，高速列车防追尾无线信号系统，包括由列控计算机系统、人机接口系统、轨道电路、应答系统、测速测距系统、记录系统、制动接口系统，以及GSM-R无线应答设备组成的车载子系统，所述车载子系统中还设有驾驶台无线收发器和车尾无线收发器两个列车信号无线收发装置，驾驶台无线收发器安装在列车驾驶室，车尾无线收发器安装在列车尾部观察室，驾驶台无线收发器和车尾无线收发器分别通过通信总线与列控计算机相连。

参照图3，驾驶台无线收发器和列车车尾无线收发器同时采集全球定位系统GPS中同步UTC时间、纬度、经度、地面速率信息，再进行数据快速处理，获得该列车的基本标示数据，基本标示数据包括GPS卫星同步时标、实时列车头与列车尾准确同步时标的地理位置数据、列车速度数据，以及列车编号和信号机信息数据。

驾驶台无线收发器始终处于接收探测状态，列车信号无线收发装置安装在列车尾部观察室时称之为车尾无线收发器， 车尾无线收发器工作状态是每2秒间隔实时向后方无线发射本列车加密应答信息。追踪列车驾驶台无线收发器与前方列车车尾无线收发器之间通信距离大于3.8Km（满足高速列车在300公里/小时行驶速度，紧急制动距离需要3.8Km，列车能安全的停下来），也就是说，追踪列车驾驶台无线收发器在第一时间，首先接收到前方列车车尾无线收发器每2秒间隔连续发出的列车无线加密应答信息，说明在大于3.8Km处同一方向、同一股道闭塞区段有列车存在，追踪列车驾驶台无线收发器立刻通知本车列控计算机，列控计算机采取紧急减速或制动。驾驶台无线收发器向前方列车的车尾无线收发器发送本车应答加密信息，前车车尾无线收发器对收到的后车应答加密信息识别后，每2秒间隔实时向后方发出前方列车的基本标示数据，后方驾驶台无线收发器接收前车车尾无线收发器发出的列车基本标示数据，并传输至后车列控计算机，后车列控计算机实时处理收到的前车基本标示数据，判断两列车之间距离，控制后车的速度。

追踪列车驾驶台无线收发器，实时探测前方闭塞区段列车车尾发出的无线加密应答信息及接收前方列车的基本标示数据，决策列车减速与制动、并快速处理两列车之间同步时标的GPS定位信息差值，计算两列车距离，以及与前列车信息进行交互；高速列车防追尾无线信号系统，参看附图3所示。

高速列车防追尾无线信号系统中，轨道通过隧道时，要在隧道内部及进出口安装无线通信转发器，防止隧道影响无线通信，参看附图4所示。

参照附图5，列车信号无线收发装置由TMS320系列DSP数字信号处理器芯片（或ARM系列微处理器）、卫星GPS电路、无线收发电路、晶振电路、声音报警电路、列车行驶数据记录存储器、屏幕显示器、键盘、隔离通信总线电路、时间电路、温度传感器电路、电池检测，以及外围充电电池储能稳压电路、定向天线组成。 

列车信号无线收发装置中GPS电路，可以采用接收我国北斗GPS卫星的接收电路模块或美国GPS卫星接收电路模块；本实施例采用接收我国北斗GPS卫星的CC100电路板，通信接口RS-232电路与同步授时1PP接口连接在DSP数字信号处理器的串口与I/O口。

列车信号无线收发装置中无线收发电路，可以根据铁道部无线通信频率资源，选择合适的频率进行双通道无线通信；本实施例，采用抗干扰很强的2.4GHz双通道无线通讯技术，工作频率为2400MHz—2483 MHz，选择两个工作频道f1、f2，信道间隔大于10M，上行列车无线通信为f1，下行列车无线通信为f2，列车信号无线收发装置能通过键盘操作或列控计算机控制自动转换频道，对应上下行所规定的工作频道进行无线通信；无线收发电路中包括：带微处理器CPU的RF电路、功率放大器PA及收发开关电路，天线采用小型定向天线；无线收发电接收灵敏度小于-90dBm，发射功率大于36dB。

列车信号无线收发装置中充电电池储能稳压电路，采用可充电的12.8V锂铁电池作为电源，并通过稳压电路输出5V、3.3V、1.8V电路电源；充电可以采用在线方式的交流220V（或列车上标准低压供电电源）进行变压器隔离变压、整流、稳压，给锂铁电池充电。

Claims (5)

1.高速列车防追尾无线信号系统，包括由列控计算机系统、人机接口系统、轨道电路、应答系统、测速测距系统、记录系统、制动接口系统，以及GSM-R无线应答设备组成的车载子系统；其特征是，所述车载子系统中还设有驾驶台无线收发器和车尾无线收发器这两个列车信号无线收发装置，驾驶台无线收发器安装在列车驾驶室，车尾无线收发器安装在列车尾部观察室，驾驶台无线收发器和车尾无线收发器分别通过通信总线与列控计算机相连； 

所述驾驶台无线收发器和列车车尾无线收发器同时采集全球定位系统GPS中同步UTC时间、纬度、经度和地面速率信息，再进行数据快速处理，获得该列车的基本标示数据，基本标示数据包括GPS定位信息、列车信息和卫星同步时标信息，GPS定位信息包括实时列车头与列车尾准确同步时标的地理位置数据，列车信息包括列车编号、列车速度、列车制动停止状况和信号机信息数据；

所述车尾无线收发器还用于实时向后方列车实时发送本列车的加密应答信息，当收到后方列车返回的、和本车密钥相匹配的加密应答信息时，实时向后方列车无线发射本列车的基本标示数据；

所述驾驶台无线收发器还用于：实时探测接收同一方向、同一股道前方列车车尾无线收发器发出的加密应答信息，将收到的加密应答信息与本车加密应答信息进行交互识别，如两者密钥相符，则向前方列车发送本车加密应答信息，同时将接受到加密应答信息的信号发送至本车列控计算机，本车列控计算机发出本列车减速或制动的指令；接收前方列车车尾无线收发器发射的基本标示数据，将接收到的基本标示数据发送至本车列控计算机，本车列控计算机处理两列车之间同步时标的GPS定位信息差值，计算出前后两列车之间距离，控制本列车的速度。

2.按照权利要求1所述的高速列车防追尾无线信号系统，其特征在于：列车信号无线收发装置由TMS320系列DSP数字信号处理器芯片、卫星GPS电路、无线收发电路、晶振电路、声音报警电路、列车行驶数据记录存储器、屏幕显示器、键盘、隔离通信总线电路、时间电路、温度传感器电路、电池检测，以及外围充电电池储能稳压电路、定向天线组成。

3. 按照权利要求1所述的高速列车防追尾无线信号系统，其特征在于：列车信号无线收发装置选择两个工作频道f1、f2，信道间隔大于10M，上行列车无线通信频道为f1，下行列车无线通信频道为f2，列车信号无线收发装置能通过键盘操作或列控计算机控制自动转换频道，对应上下行所规定的工作频道进行无线通信。

4.按照权利要求1所述的高速列车防追尾无线信号系统，其特征在于：所述高速列车防追尾无线信号系统中还包括在隧道内部及进、出口处安装的无线通信转发器。

5.按照权利要求1所述的高速列车防追尾无线信号系统，其特征在于：所述列车信号无线收发装置由ARM系列处理器芯片、卫星GPS电路、无线收发电路、晶振电路、声音报警电路、列车行驶数据记录存储器、屏幕显示器、键盘、隔离通信总线电路、时间电路、温度传感器电路、电池检测，以及外围充电电池储能稳压电路和定向天线所组成。

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