基于無線傳感器網絡的軌道列車防碰撞系統及其方法技術方案

一種基于無線傳感器網絡的軌道列車防碰撞系統及其方法，設有車頭裝置、車尾裝置及軌旁裝置，軌旁裝置包括通信基站和網絡節點構成的無線傳感器網絡，將軌道沿線分成若干等分的閉塞區間，在每個閉塞區間內的中點位置設置通信基站，通信基站的兩側等分設置網絡節點。通信基站設有無線通信模塊、GSM-R無線設備、電源模塊和軌道檢測器，網絡節點包括無線通信模塊、電源模塊和軌道檢測器.。車頭裝置包括主控制器、無線通信模塊、電源模塊和制動模塊。車尾裝置包括無線通信模塊和電源模塊，電源模塊輸出連接無線通信模塊，車頭裝置及車尾裝置作為移動節點加入上述軌旁裝置的無線傳感器網絡中。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及軌道列車運行中的防碰撞及追尾事故，尤其涉及一種基于無線傳感器網絡的軌道列車防碰撞系統及方法，屬于網絡傳輸及自動控制

技術介紹
隨著國民生產、生活的需要不斷擴大，交通運輸業也在飛速地發展，其中軌道交通發展尤為迅速，如鐵路客貨運、地鐵、輕軌等。軌道交通系統中一旦發生故障，必然會造成巨大的損害，尤其是在載人軌道車輛等發生碰撞或追尾時，造成的物質損失和精神創傷將是無法彌補的。造成軌道車輛發生碰撞或追尾事故的原因有很多，大致可以分為兩類一類是人為因素，一類是環境因素。人為因素包括列車控制中心調度人員的操作失誤，列車控制員對列車控制失誤等；環境因素包括雨雪天氣軌道路面情況復雜，雷電天氣可能對列車控制系統產生影響等。這些災禍都可以通過現有的技術加以預防和控制，這就需要設計相應的軌道車輛防碰撞系統來有效避免該類事故的發生。 目前，在軌道交通系統中防止軌道車輛間的碰撞或追尾可以采用的技術有很多。已有的系統中有采用信號燈系統、全球衛星定位系統(GPS)以及在軌道電路中傳輸相位連續的鍵控移頻(FSK)信號進行區間閉塞等方法來避免碰撞事故的發生，我國鐵路系統中列車運行主要依靠CTCS (Chinese train control system)來防止列車發生碰撞,該系統共分為五級，分別為CTCS-O 4。但是，這些方法有一個很重要的特點就是必須依賴列車控制中心的管理來實施區間閉塞，列車不能主動探測前方閉塞區間內是否有車輛行駛，這樣一來只要列車控制中心出現失誤將造成無法挽回的后果。
技術實現思路
由于軌道交通防碰撞的特點是要求在設計相應的系統時必須同時具有高可靠、高可用和高安全性等特性，防碰撞系統應該是具有多套冗余的方案，系統應該能夠獨立運行，不應該互相聯鎖，并且各套系統應采用不同的技術原理，以確保冗余的有效性。因此有必要提出一種主動式的軌道車輛防碰撞系統。現有的CTCS以及類似的系統中并沒有相應的獨立系統來防止軌道車輛發生碰撞，大多是依賴于控制中心的指揮。針對上述的現有技術之不足，本專利技術提出一種基于無線傳感器網絡的軌道列車防碰撞系統，該系統能夠與現有的軌道控制系統相兼容，系統通過無線傳感器節點組成的無線網絡來傳輸信息，能夠主動探測前方無線網絡覆蓋的閉塞區間的占用信息，并且能夠實現對列車的實時定位，從而有效避免列車碰撞事故的發生。為了實現上述專利技術目的，本專利技術采用的方案為—種基于無線傳感器網絡的軌道列車防碰撞系統，其特征在于設有車頭裝置、車尾裝置及軌旁裝置，其中軌旁裝置包括通信基站和網絡節點構成的無線傳感器網絡，將軌道沿線分成若干等分的閉塞區間并予以有序編號，在每個閉塞區間內的中點位置設置通信基站，通信基站的兩側等分設置網絡節點，通信基站設有無線通信模塊、GSM-R無線設備、電源模塊和軌道檢測器，軌道檢測器輸出連接無線通信模塊，無線通信模塊輸出連接GSM-R無線設備，電源模塊輸出分別連接無線通信模塊、GSM-R無線設備及軌道檢測器，無線通信模塊及GSM-R無線設備分別與各自的天線連接；網絡節點包括無線通信模塊、電源模塊和軌道檢測器，軌道檢測器輸出連接無線通信模塊，無線通信模塊連接天線，電源模塊輸出分別連接無線通信模塊和軌道檢測器；每個區間的通信基站及其網絡節點應保證能夠大于覆蓋本閉塞區間，兩個相鄰閉塞區間之間的區域能夠同時被兩個相鄰區間的網絡所覆蓋；車頭裝置包括主控制器、無線通信模塊、電源模塊和制動模塊，主控制器輸出分別連接無線通信模塊及制動模塊，電源模塊輸出分別連接主控制器、無線通信模塊及制動模塊，無線通信模塊連接天線；車頭裝置作為移動節點加入上述軌旁裝置的無線傳感器網絡中；車尾裝置包括無線通信模塊和電源模塊，電源模塊輸出連接無線通信模塊，無線通信模塊連接天線；車尾裝置亦作為移動節點加入上述軌旁裝置的無線傳感器網絡中。所說將軌道沿線分成若干等分的閉塞區間，每個閉塞區間的長度是相鄰軌旁裝置之間的軌道距離的偶數倍，取值為大于等于10倍，小于等于20倍。所說軌旁裝置中的軌道檢測器為磁阻傳感器。所說車頭裝置、車尾裝置及軌旁裝置中的無線通信模塊均包含有無線射頻模塊和微控制器模塊，各無線射頻模塊之間組成無線網絡，微控制器模塊控制無線射頻模塊進行組網和收發數據并處理軌道檢測器的檢測結果，微控制器模塊中包括一個硬件的飛行時間TOF引擎，測量無線電信號在兩個節點之間的飛行時間。上述基于無線傳感器網絡的軌道列車防碰撞系統的防碰撞方法，其特征在于閉塞區間內同一時刻、同一軌道只能有一輛列車行駛，由于整個閉塞區間都被區間內無線傳感器網絡覆蓋，列車要想進入閉塞區間內行駛，首先要將車頭裝置的無線通信模塊加入到無線傳感器網絡中，當列車車頭駛入無線傳感器網絡覆蓋范圍內時，車頭裝置的主控制器將控制無線通信模塊以網絡節點的形式加入到該無線傳感器網絡中，并立即從該無線傳感器網絡中獲取閉塞區間內列車所行駛軌道的占用信息；如果車頭裝置的無線通信模塊從無線傳感器網絡中獲得該閉塞區間內該條軌道已被占用，則由車頭裝置的主控制器控制制動模塊使列車立即停止行駛，停留在閉塞區間前等待，此時車尾裝置仍然占用之前的閉塞區間內列車所行駛的軌道，直到閉塞區間內列車所行駛的軌道恢復到空閑狀態時列車才能繼續行駛；如果車頭裝置的無線通信模塊從網絡中獲得該閉塞區間內該條軌道未被占用，則列車將按計劃繼續行駛，車尾裝置同時退出之前占用的閉塞區間內的該條軌道；當列車車頭裝置加入到無線傳感器網絡并允許進入閉塞區間時，通信基站便向無線網絡中轉發該閉塞區間內該條軌道已被該車占用的信息，并利用無線傳感器網絡對列車進行實時定位，當列車車尾裝置退出無線傳感器網絡時，通信基站便向無線網絡中轉發該閉塞區間內該條軌道已經空閑的信息；列車在閉塞區間內行駛時，通信基站便向各網絡節點發送無線測距命令，各網絡節點向列車發送無線測距信號，當列車車頭裝置接收到某網絡節點的無線測距信號便立即響應返回測距信號到該網絡節點，再利用飛行時間T0F)引擎測量出無線測距信號在網絡節點和車頭裝置之間的飛行時間，從而計算出網絡節點與車頭裝置的距離，然后網絡節點再結合自身的坐標位置進行計算得到列車的無線定位結果，利用無線傳感器網絡將該定位結果轉發給基站，基站再利用GSM-R設備將定位結果發送給列車控制中心；當列車車頭行駛至軌道檢測器處時則利用軌道檢測器對列車精確定位，并利用軌道檢測器的精確定位結果對無線定位的結果進行校準。本專利技術與現有技術相比具有如下優點及顯著效果I、本專利技術是一個主動式的防碰撞系統，而且能夠實現對列車的實時定位，可以作為一種確實可行的冗余系統，確保軌道交通車輛高效、安全地運行。2、縮短了現有閉塞區間的長度，提高了列車行駛的密度，增強了運行效率.3、利用無線傳感器網絡對列車進行實時定位，并利用軌道檢測器對無線定位結果進行校準，提高了列車實時定位的精度.。4、利用無線傳感器網絡來控制列車在閉塞區間的運行，避免了由于人為操作失誤 而引起的列車事故的發生。5、該系統為獨立的冗余閉塞系統，能夠有效防止列車碰撞事故發生，提高了列車行駛的安全性。附圖說明圖I是防碰撞系統示意圖；圖2是軌旁裝置示意圖，(a)為網絡節點，(b)為通信基站；圖3是車頭裝置示意圖；圖4是車尾裝置示意圖；圖5是閉塞區間和無線傳感器網絡的范圍示意本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于無線傳感器網絡的軌道列車防碰撞系統，其特征在于：設有車頭裝置、車尾裝置及軌旁裝置，其中：軌旁裝置包括通信基站和網絡節點構成的無線傳感器網絡，將軌道沿線分成若干等分的閉塞區間并予以有序編號，在每個閉塞區間內的中點位置設置通信基站，通信基站的兩側等分設置網絡節點，通信基站設有無線通信模塊、GSM?R無線設備、電源模塊和軌道檢測器，軌道檢測器輸出連接無線通信模塊，無線通信模塊輸出連接GSM?R無線設備，電源模塊輸出分別連接無線通信模塊、GSM?R無線設備及軌道檢測器，無線通信模塊及GSM?R無線設備分別與各自的天線連接；網絡節點包括無線通信模塊、電源模塊和軌道檢測器，軌道檢測器輸出連接無線通信模塊，無線通信模塊連接天線，電源模塊輸出分別連接無線通信模塊和軌道檢測器；每個區間的通信基站及其網絡節點應保證能夠大于覆蓋本閉塞區間，兩個相鄰閉塞區間之間的區域能夠同時被兩個相鄰區間的網絡所覆蓋；車頭裝置包括主控制器、無線通信模塊、電源模塊和制動模塊，主控制器輸出分別連接無線通信模塊及制動模塊，電源模塊輸出分別連接主控制器、無線通信模塊及制動模塊，無線通信模塊連接天線；車頭裝置作為移動節點加入上述軌旁裝置的無線傳感器網絡中；車尾裝置包括無線通信模塊和電源模塊，電源模塊輸出連接無線通信模塊，無線通信模塊連接天線；車尾裝置亦作為移動節點加入上述軌旁裝置的無線傳感器網絡中。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：吳劍鋒，李建清，于忠洲，徐高志，毛志鵬，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：