使用数据通信控制火车的自动火车保护停止装置

摘要

本发明涉及一种自动火车保护停止(ATPS)装置。本发明的ATPS通过在地面上加入能够使用小的气隙数据通信来发送地面信息的K－Basile以及在火车上加入地面信息存储器部件来设置有自动火车保护(ATP)功能和自动火车停止(ATS)功能。本发明包括车载设备和地面设备，所述车载设备包括主装置、车载天线、连接到轮子的轴上的速度检测器、运行开关、火车控制器以及通信模块；所述地面设备包括连接到轨道占用检测装置的ATS信标、使用数据通信的K－Basile、以及用于将地面信息数据输入到K－Basile的程序部分。根据本发明，通过以无电源方案在有效距离内运行，可以实现高速率数据通信并确保安全性和可靠性。另外，本发明的优点在于具有自检和运行记录和保持功能，并且通过防止无反应和误操作提高了可靠性。

说明书

                         技术领域

本发明涉及一种自动火车保护停止(ATPS)装置。更具体地讲，本发明涉及这样一种通过在地面上加入能够使用小的气隙数据通信来发送地面信息的K-Balise以及在火车上加入地面信息存储器部件而具有自动火车保护(ATP)和自动火车停止(ATS)两种功能的ATPS。

                         背景技术

通常，用于自动火车停止的发送地面信息的装置称作Balise。所述Balise是使用数据通信将地面信息如地面运行条件、信标的距离和位置以及目标速度从地面设备发送到车载设备的装置。

适合本发明的作为当前ATP的一部分的K-Balise是集成信标、标签(tag)(无线电发射机应答器或者环形线圈)、卡或者终端的Balise。具体地讲，所述K-Balise包括Euro Balise，并且在本发明中被称作K-Balise。

在传统的铁路路段中存在很多问题，如由增加铁路容量和运行速度而导致的瓶颈问题和安全事故。因此，作为辅助功能，需要缩短运行时间，提供运行信息并且确保安全运行。当传统的铁路被改进为以高速运行时，需要开发一种能够以大于200Km/h运行的自动火车保护停止装置。

尤其，需要通过提供地面信息来控制还要行驶的距离以确保可靠性，以及引入一种用于在小的气隙空间内确保可靠通信的通信方法。

通常，通过占用空间而执行的传统的通信方法利用了电磁波的传播特性。这有利于长的传播距离，并不保证可靠性和安全性。

近来，一种适合卡的通信方法利用窄空间数据通信。然而，这种通信方法具有非常低的通信速率，从而很难使用在诸如火车的高速移动物体。

尤其，存在这样的缺点，即，广泛应用于国家铁路信号系统的ATS的带宽具有十分低的通信速率。

同时，在铁路信号控制中使用的用于获得用于分析绝对位置的信息的通信方法需要高数据速率以及高可靠性和安全性。

与使用自由空间传播的长距离广域通信相比，窄空间数据通信主要用于需要安全性和可靠性的点到点数据通信。

用于RF-ID的窄空间通信包括：主装置(读取器)，用于提供能量和收集数据；和Balise，被提供能量和载波，用于发送保留的数据。

                         发明内容

传统窄空间通信的缺点在于通信速度和距离取决于使用频率，尤其，通信速度在低频下很低。

即使适于用于控制火车的ATP的无线电发射机应答器、Balise或标签需要高可靠性和安全性，它们在传统ATS频带中也不能够显示出通信速度、可靠性和安全性的良好性能。

另外，即使采用RF-ID通信速度也被限制，从而限制用于需要大块数据处理的应用。因此，传统技术被限制用于需要高可靠性和安全性的Basile。

为了实现以上方面，本发明通过在地面设备上安装用于使用数据通信方法传递地面信息的K-Basile以及在火车上加入地面信息存储器部件来提供了一种具有ATP和ATS功能的ATPS。具体地讲，为了提供限速和还要行驶的距离，通过将数据通信加入ATS频率自反馈概念来实现信息化的ATS。

另外，本发明具有如下功能：提供车载运行信息，加入辅助操作，运行前自检系统，以及存储运行记录。

根据本发明，可以使用数据通信方法来实现ATP和ATS功能。尤其，ATP系统的车载设备指导运行限速，当运行速度超过限速时将运行速度减小到限速之下或者激活紧急刹车，然后当速度恢复到限速之下时释放恒定刹车或刹车模式。本发明的ATPS具有提供车载运行信息的功能、辅助操作功能、火车启动前自检系统的功能、以及记录和保持运行记录的存储功能，从而根据ATS频率高效地执行每区域路段的速度控制。

由于本发明的ATPS利用无电源数据通信方法，所以可以在每个频带的高速通信期间确保高安全性和可靠性。

另外，在本发明中，可以通过以地面信息增加还要行驶的距离控制的效率来增加铁路的利用率，还可以通过使用信标、K-Basile、速度检测器或/和GPS接收器在多个视点检查火车的位置增加火车控制的稳定性和准确性。具体地讲，可以通过根据信息量选择频率来发送大块数据以及通过防止无反应和无操作来提高稳定性。

                        附图说明

图1是示出根据本发明的ATPS装置的框图；

图2是示出窄空间数据通信系统的概念图；

图3是示出本发明的主装置的目标距离控制器的图；

图4是示出K-Balise的控制系统的概念图；

图5是示出用于表示传统的ATS和ATPS的运行控制的曲线的曲线图。

                        具体实施方式

主要技术方案的特征在于包括：车载设备和地面设备，所述车载设备包括：主装置，具有用于实现ATS功能和ATP功能的多个电路；车载天线，与车载线圈和振荡器集成一体；旋转型速度检测器，连接到轮子的轴上；运行信息显示器，提供速度信息、地面信息和运行信息；运行开关，用于选择运行模式；火车控制器，用于控制火车的刹车；以及通信模块，用于将车载信息和地面信息发送到中央控制系统以及从所述中央控制系统接收无线电命令，所述地面设备包括：K-Balise，用于通过窄空间数据通信使用连接到轨道占用检测器的ATS元件传递所述地面信息；以及程序部分，用于将地面信息数据输入到所述K-Balise。

以下将对照附图来描述本发明。

图1是示出根据本发明的使用数据通信的ATPS装置的图。如图1所示，本发明的ATPS包括满足ATS功能和ATP功能的车载设备(1)和地面设备(10)。

所述车载设备包括主装置(2)、车载天线(3)、速度检测器(4)、运行信息显示器(5)、运行开关(6)、火车控制器(7)和通信模块(8)。

地面设备(10)包括连接到轨道占用检测器的ATS信标(11)和K-Balise(12)以及用于将数据输入到K-Balise(12)的程序部分。

车载设备的主装置是用于控制火车的速度和自动地停止火车的装置，并包括满足ATS功能和ATP功能的多个电路。所述电路装置具有如下的各自功能。

速度分析器(21)将速度检测器(4)的输出转换成实际的速度信息从而不断地提供速度信息。

动态频率鉴别器(22)具有用于鉴别由ATS信标(11)和车载天线(3)的谐振产生的谐振频率的功能。

当地面上的K-Balise(12)和车载天线(3)彼此靠近时，目标距离控制器(23)接收关于相应的路段的信息(当前信号信息和铁路信息)以及火车的位置和运动距离信息，从而不断地计算并提供火车的目标距离和速度以及安全运行速度。

运行控制器(24)整体地控制全部运行，并且恒定地将操纵信息提供到系统。另外，运行控制器(24)选择运行模式、设置轮弧，与外部装置建立通信，以及监视速度分析器(21)的速度计算功能。

输出控制器(25)输出存在于系统中的速度信息和当前ATS信息以及触点信号以基于ATP限速来限制火车的超速。

电源转换器(26)将火车的电源转换成主装置的电源。

GPS接收器(27)使用全球定位系统(GPS)来提供火车的位置信息。

信息记录装置(28)是包括闪存的存储装置、用于控制数据输入和输出的控制器以及USB的连接装置的USB卡或闪存卡，并且可读/可写地面上的相应路段的固定信息和可变信息，可开和关信息交换并且利于信息交换。信息记录装置(28)记录地面上的相应路段的固定信息和可变信息，并且不断地将所述信息提供到系统。

这里，地面信息的固定信息是诸如包括信标的位置、曲线路段、坡度路段等等的铁路条件的数据和当火车运行时自动识别和补偿的数据。另外，地面信息的可变信息是关于地面的开和关变化并且是临时性的信息，即，表示将被控制的信息如与在火车离站前输入的雪崩、洪水等等的铁路施工或施工区域移动信息的数据。

接口卡(29)接收国内的或洲际间的地面信号(轨道线路信号)从而作为信息处理，并且将所述信息提供到系统，由此，所述接口卡(29)允许交换轨道线路信号的信息，并且实现国际或洲际火车控制而不用考虑信号标准。

另外，车载设备(1)的车载天线(3)与车载元件线圈和振荡器集成一体，从而根据信标(11)的谐振频率来输出频率和电压变化信号。另外，当车载天线(3)接近K-Balise(12)时，车载天线(3)建立通信链路，并且从K-Balise(12)接收由程序部分(13)编码的铁路轨道路段的地面信息。

速度检测器(4)具有连接到轮子的轴上的旋转速度检测器或多普勒速度测量装置这两种装置。

运行信息显示器(5)具有数字或模拟型指示功能从而将速度信息、地面信息和需要的运行信息显示给操作员，并在其内部包括速度指示器。另外，运行信息显示器(5)包括语音输出报警装置，所述语音输出报警装置使用GPS接收器(27)和信息记录装置(28)通过语音向操作员提供相应路段的速度信息和地面信息。这里，语音输出报警装置使用GPS来检查火车的当前位置，然后通过备份关于相应路段的地面信息(固定信息和可变信息)来输出语音信号。例如，语音输出报警装置输出语音信息如“当前路段是低于150Km/h路段”或“当前路段是正在施工路段”来警告操作员安全运行。

运行开关(6)提供用于选择运行模式并且执行需要的操纵的功能。

火车控制器(7)是用于控制火车的刹车系统的装置，如被恒定监视的双金属型触点输出装置。

通信模块(8)将全部地面信息和关于火车的当前状态的车载信息发送到集成控制系统(中央监视中心)，并接收无线电命令，从而控制火车。此时，通过使用自由空间的宽带数据通信来执行在通信模块和集成控制系统之间的信息的交换，紧急命令通过通信模块直接发送到火车。这里，车载信息是表示火车信息的数据，所述火车信息是例如从火车信息系统(TIS)或火车控制监视系统(TCMS)接口的并且在被记录在信息记录装置或目标距离控制器中以后被提供的诸如刹车特性和运行特性的信息。在火车的运行期间，车载信息能够被用作火车检查信息。

此时，地面设备的ATS信标(11)使用感应耦合产生频率从而建立对轨道路段所确定的速度控制信息，并且通过检查火车的当前位置来提供地面信息。

K-Balise(12)是用于发送如ATS信标(11)提供的地面信息的信息传递装置，从而当车载天线(3)靠近时，K-Balise(12)建立窄空间数据通信链路，调制由程序部分编码和存储的信息，并且将调制的信息发送到主装置。这里，K-Balise(12)提供用于根据轨道路段来改变火车的速度指标的信息和用于考虑火车的刹车特性和运行特性来控制每个轨道路段的限速的信息。另外，K-Balise提供火车的当前位置信息以安全和准确地控制火车。

图1的下部示出了K-Balise的数据发送过程。程序部分(13)包括笔记本计算机和数据发送装置从而产生并记录K-Balise信标的数据。K-Balise(12)是使用振荡器输出而非功率馈送器作为能源的无线电发射机应答器，并且将由程序部分记录的数据发送到火车。如上所述的ATS信标(11)执行ATA功能。在车载天线(3)和ATS信标(11)之间或在车载天线(3)和K-Balise(12)之间执行通信。

同时，能够在下面4个方法中实现ATPS。

首先，一种使用通过K-Balise的数据发送所获得的数据来计算地面信息和距离的方法。

第二，一种使用存储在地面存储器卡或火车的存储器部件中的信息来检测地面信息、运行速度、和距离的方法。

第三，一种根据在封闭路段的信号显示来计算地面信息和距离的方法。

第四，一种使用存储在存储器中的地面信息通过使用GPS提供的位置信息来计算运行速度和距离的方法。

本发明的目的在于提供一种具有ATS的频率自适应概念的数据通信功能的ATPS来作为组合装置，所述组合装置能够改进ATS的功能并且使用从RF-ID通信方法修改得到的窄空间数据通信方法来控制目标距离。

如下将解释用于获得具有以上目的的ATPS的信息的方法以及所述信息的内容和功能。

为了在快速运行的火车上获得地面的具体位置的信息，需要高可靠性和安全性。由于完全保护不受环境噪声的通信方法不能够用于空间传播，所以利用感应耦合型数据通信。例如，欧洲的Balise、日本的无线电发射机应答器和一般的商用RF-ID是固定的载波类型，从而主装置(读取器)发送载波的频率信号，终端接收所述信号以确保电功率并且通过使用向后散射方法改变电负载调制接收的信号。这里，这些方法具有很低的调制率，从而很难获得高通信速度。

另一方面，在使用在本发明中的数据通信方法中，根据接合在主装置(读取器)和终端之间即车载天线和K-Balise之间的振荡电路确定载波频率(恒定振荡条件)，从而通过以K-Balise确保来自载波的电功率并且发送数据来实现同步高速通信。

因此，为了确保ATS和ATP功能，通过在其中使用ATS信标的频段来实现数据通信网络，以确保ATP的数据发送功能，从而可以通过根据信息量选择频率来发送大块数据，确保在有效距离内的运行的安全性，并无电源地提供地面信息。

即，在本发明中，用于ATS的与车载元件和振荡器集成一体构造的车载天线被安装在火车上，并且ATS信标和ATS K-Balise被安装，从而同时获得ATS和ATP功能。

同时，将从地面设备传递到车载设备的实质信息如下：

指示有效信标的ID或标志、在路段的物理环境下所允许的最大速度、由先前火车或运行调度所确定的可容忍路段速度、离有效路段(信标)的距离、和数据帧错误检查信息。

以上信息被构建在一个数据帧内，从而当车载天线经过信标时被传递。

为了在有效通信时间内传递所述信息，所述信息应该被压缩从而采用对数据生成表的最通用的方法将有效数据最小化。压缩的有效信息和错误检查信息被封装在一帧内并且被连续和重复地发送。

图2是示出用于解释本发明的窄空间数据通信系统的概念的实施例的图。如图2所示，车载天线(主装置读取器)(40)可包括具有第一和第二线圈(L1、L2)的解调器(44)，从而通过将功率放大器的输出和电容器(C1)连接到第一线圈在谐振频率产生最大输出，通过将第二线圈连接到放大器(41)的输入来实现恒定振荡，以及解码在K-Balise发送的数据。

K-Balise(50)可包括：调制器(51)、微控制单元(52)、时钟产生器(53)、和存储装置(54)，用于形成L3和C3的并联谐振电路从而以接近车载天线(40)的振荡频率的频率振荡；以及分析装置(55)，用于自检K-Balise的运行状态并且存储/保持运行记录。

这里，最好，在调制时间使用快速场效应管(FET)来将调制器(51)连接到调制电容器(Crr)和并联振荡电路(L3、C3)。微控制单元(52)在每个时钟周期将存储在存储装置中的编码的数据输出到调制器(51)。存储装置(54)存储由程序部分(13)编码的地面信息的数据。

将描述具有以上结构的数据通信方法。如果信号被施加到互感(M21)的线圈(L2)，则所述信号由第一功率放大器(41)放大以恒定振荡并且放大的信号被输出到功率放大器(42)和第二放大器(43)。这里，功率放大器(42)操作串联振荡电路(L1、C1)以输出振荡频率并且将串联振荡频率信号输出到第二放大器(43)。

此时，如果车载天线(40)靠近K-Balise(50)，则由恒定振荡频率谐振的频率信号施加到K-Balise(50)从而累积从施加的频率信号下降的电压的功率。因此，可以使用无电源的数据通信方法确保可靠性。

如果在K-Balise(50)累积功率，则时钟产生器(53)使用施加的频率信号产生标准时钟，从而微控制单元(52)由标准时钟和功率驱动，并且通过先前存储的程序控制(例如，1比特/3时钟周期)在每个时钟周期从存储装置读取编码的地面信息的数据，并且输出到调制器(51)。

此时，调制器(51)调制从微控制单元(52)接收的数据，并且将调制的数据发送到车载天线(40)。这里，所述调制方案可以是频移键控(FSK)、幅移键控(ASK)和相移键控(PSK)中的任何一个。

采用以上调制方案，通过根据信息量选择将被使用的频率，可以发送大块数据并且确保在有效距离内运行的安全。

如果数据从K-Balise(50)发送到车载天线(40)，则调制的信号经过整形电路然后在解调器(44)解调，从而解调的数据被用于控制火车。

以上过程的数据通信保持车载天线(40)和K-Balise(50)之间的完全一体的同步，从而确保准确的数据传递。

另外，K-Balise(50)的分析装置(55)分析K-Basile(50)自身的系统性能，并且存储并保持运行记录。

图3是示出作为本发明的主装置(2)的元件的目标距离控制器(23)的图。如图3所示，目标距离控制器(23)包括微处理器(23a)、信标信息DB(23b)、和解码器(23c)。这里，微处理器(23a)从速度分析器(21)、动态频率鉴别器(22)、GPS接收器(27)、信标信息DB(23b)、和解码器(23c)接收各种信息，输出目标距离信息、目标速度信息、和限速信息。此时，微处理器(23a)从速度分析器(21)接收运动距离信息，从动态频率鉴别器(22)接收当前信号信息，从GPS接收器(27)接收标准位置信息，从信标信息DB(23b)接收位置信息，从解码器(23c)接收铁路信息，所述解码器(23c)解码由动态频率鉴别器(22)鉴别的动态频率并且执行计算。这里，信标信息DB(23b)包括表示用于鉴别火车位置和地面信号(频率信号)的信标条件的数据。

这里，通过GPS接收器获得标准位置信息，然而，最好可以通过能够检查火车的当前位置的信标、K-Balise、以及速度检测器的位置信息组合的组合来设置标准位置。最好组合从信标、K-Balise、速度检测器和GPS接收器中的两个或更多装置获得的信息。这提高了在考虑到故障或错误发生条件下的火车运行的可靠性和安全性。

图4是示出K-Basile的控制系统概念的图。如图4所示，以规则间隔放置多个K-Basile，几个K-Basile成一组并且由每个子控制系统(61)控制。另外，多个子控制系统(61)组成集成控制系统(62)。这样的系统是由火车的顺序控制所控制的顺序控制系统，从而集成控制系统(62)的命令传递到子控制系统(61)，然后使用K-Basile和车载天线之间的窄空间数据通信，信息被发送到车载设备。上述的通信模块和无线控制系统之间的不同点在于集成控制系统的宽带数据通信。

图5是示出用于表示传统ATS和本发明的ATPS的运行控制的曲线的曲线图。图5示出了ATS运行控制曲线以逐级方式被控制，而ATPS运行控制曲线以平滑抛物线形式被控制。ATS在国家铁路的5个信号类型下运行。每个牵引路段的5个信标彼此关联，在所述牵引路段中，安装信标以根据频率限制每个牵引路段火车运行的最大速度。此时，ATS是用于通过根据信标的信号的频率将每个牵引路段的速度控制在预定速度之下的方法。因此，对于每个轨道路段速度被控制在预定的速度之下，而不用考虑火车的刹车特性、运行特性和其它地面特性。ATS示出了用于将火车的运行速度减少到路段限速之下的5个当前信号系统。

本发明的ATPS的目的在于通过以ATS计算、识别和检测还要行驶的距离来自动停止火车。具体地讲，ATPS能够通过使用地面信息控制还要行驶的距离以及考虑地面信息和车载信息如火车的刹车特性和运行特性根据频率自由调整每个轨道路段的速度以减少运行时间来增加铁路容量。因此，可平滑地控制以停止火车运行。

本发明的ATPS在于加速铁路，缓解瓶颈效应。ATPS能够使用传统的3-5当前时间路段和ATS路段，并且适合支线和主线，从而提高安全性。另外，能够通过调整阻塞路段和速度来减少运行时间。ATPS能够被利用到高速火车运行，并且以准确的速度控制确保安全性和可靠性。

由于本发明的ATPS能够使用传统的铁路，所以它是非常经济的。当K-Balise的尺寸是60cm×30cm时以200km/h的火车速度考虑到最大有效通信时间，ATPS示出了12ms的性能，从而最好参照这样的值来设计车载天线。有效通信距离由K-Balise的每个天线的尺寸和相对角度来确定，并且最好在1m内执行。

调制方案选择性地使用FSK、ASK和PSK中的一个。

在这种情况下，假定恒定振荡频率(载波频率)在50Khz到1Mhz范围内，则数据调制显示为频率调制和幅值调制，在载波频率的1/3的速度的情况下通信速度示出了最大50Kbps的性能。这表示了可以通过恒定振荡频率的振荡范围的调整来调整提高通信速度。

因此，使用K-Basile的本发明的ATPS能够获得和采用Euro Balise一样的高效运行控制曲线，并且可以通过组合K-Balise和车载天线而不用调换传统的ATS地面路段来组合ATS和ATP功能。尤其，应用本发明的运行火车可以是在传统铁路上运行的安装有ATP系统的火车、高速运行火车(KTX)、ATS-1(点控制类型)和ATS-2(速度检测类型)火车。

尽管以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本领域技术人员应该明白，于此教述的基本发明构思的许多改变和/或变型将落入本发明的精神和范围内，本发明的范围由权利要求限定。

                    产业上的可利用性

本发明的ATPS提供了车载运行信息并且具有辅助操作功能，从而降低了火车信号控制系统领域的成本，同时提高了火车控制的稳定性和准确性，具有很高的利用价值。

本发明的ATPS利用了无电源的数据通信方法，从而可以在通过频段的高速通信期间确保高的安全性和可靠性。