技术领域
[0001] 本
发明涉及轨道列车运行中的防碰撞及追尾事故，尤其涉及一种基于
无线传感器网络的轨道列车防碰撞系统及方法，属于网络传输及自动控制技术领域。
背景技术
[0002] 随着国民生产、生活的需要不断扩大，交通运输业也在飞速地发展，其中轨道交通发展尤为迅速，如
铁路客货运、地铁、轻轨等。轨道交通系统中一旦发生故障，必然会造成巨大的损害，尤其是在载人轨道车辆等发生碰撞或追尾时，造成的物质损失和精神创伤将是无法弥补的。造成轨道车辆发生碰撞或追尾事故的原因有很多，大致可以分为两类：一类是人为因素，一类是环境因素。人为因素包括：列车控制中心调度人员的操作失误，列车控制员对列车控制失误等；环境因素包括：雨
雪天气轨道路面情况复杂，雷电天气可能对列车控制系统产生影响等。这些灾祸都可以通过现有的技术加以
预防和控制，这就需要设计相应的轨道车辆防碰撞系统来有效避免该类事故的发生。
[0003] 目前，在轨道交通系统中防止轨道车辆间的碰撞或追尾可以采用的技术有很多。已有的系统中有采用
信号灯系统、全球卫星
定位系统（GPS）以及在轨道
电路中传输
相位连续的键控移频（FSK）信号进行区间闭塞等方法来避免碰撞事故的发生，我国铁路系统中列车运行主要依靠CTCS（Chinese train control system）来防止列车发生碰撞，该系统共分为五级，分别为CTCS-0～4。但是，这些方法有一个很重要的特点就是必须依赖列车控制中心的管理来实施区间闭塞，列车不能主动探测前方闭塞区间内是否有车辆行驶，这样一来只要列车控制中心出现失误将造成无法挽回的后果。
发明内容
[0004] 由于轨道交通防碰撞的特点是要求在设计相应的系统时必须同时具有高可靠、高可用和高安全性等特性，防碰撞系统应该是具有多套冗余的方案，系统应该能够独立运行，不应该互相联
锁，并且各套系统应采用不同的技术原理，以确保冗余的有效性。因此有必要提出一种主动式的轨道车辆防碰撞系统。
[0005] 现有的CTCS以及类似的系统中并没有相应的独立系统来防止轨道车辆发生碰撞，大多是依赖于控制中心的指挥。针对上述的
现有技术之不足，本发明提出一种基于无线传感器网络的轨道列车防碰撞系统，该系统能够与现有的轨道控制系统相兼容，系统通过无线传感器
节点组成的无线网络来传输信息，能够主动探测前方无线网络
覆盖的闭塞区间的占用信息，并且能够实现对列车的实时定位，从而有效避免列车碰撞事故的发生。
[0006] 为了实现上述发明目的，本发明采用的方案为：
[0007] 一种基于无线传感器网络的轨道列车防碰撞系统，其特征在于：设有车头装置、车尾装置及轨旁装置，其中：
[0008] 轨旁装置包括通信基站和网络节点构成的无线传感器网络，将轨道沿线分成若干等分的闭塞区间并予以有序编号，在每个闭塞区间内的中点
位置设置通信基站，通信基站的两侧等分设置网络节点，通信基站设有无线通信模
块、GSM-R无线设备、电源模块和轨道检测器，轨道检测器输出连接
无线通信模块，无线通信模块输出连接GSM-R无线设备，电源模块输出分别连接无线通信模块、GSM-R无线设备及轨道检测器，无线通信模块及GSM-R无线设备分别与各自的天线连接；网络节点包括无线通信模块、电源模块和轨道检测器，轨道检测器输出连接无线通信模块，无线通信模块连接天线，电源模块输出分别连接无线通信模块和轨道检测器；每个区间的通信基站及其网络节点应保证能够大于覆盖本闭塞区间，两个相邻闭塞区间之间的区域能够同时被两个相邻区间的网络所覆盖；
[0009] 车头装置包括主
控制器、无线通信模块、电源模块和
制动模块，
主控制器输出分别连接无线通信模块及制动模块，电源模块输出分别连接主控制器、无线通信模块及制动模块，无线通信模块连接天线；车头装置作为移动节点加入上述轨旁装置的无线传感器网络中；
[0010] 车尾装置包括无线通信模块和电源模块，电源模块输出连接无线通信模块，无线通信模块连接天线；车尾装置亦作为移动节点加入上述轨旁装置的无线传感器网络中。
[0011] 所说将轨道沿线分成若干等分的闭塞区间，每个闭塞区间的长度是相邻轨旁装置之间的轨道距离的偶数倍，取值为大于等于10倍，小于等于20倍。
[0012] 所说轨旁装置中的轨道检测器为
磁阻传感器。
[0013] 所说车头装置、车尾装置及轨旁装置中的无线通信模块均包含有无线射频模块和
微控制器模块，各无线射频模块之间组成无线网络，微控制器模块控制无线射频模块进行组网和收发数据并处理轨道检测器的检测结果，微控制器模块中包括一个
硬件的飞行时间TOF引擎，测量无线
电信号在两个节点之间的飞行时间。
[0014] 上述基于无线传感器网络的轨道列车防碰撞系统的防碰撞方法，其特征在于：闭塞区间内同一时刻、同一轨道只能有一辆列车行驶，由于整个闭塞区间都被区间内无线传感器网络覆盖，列车要想进入闭塞区间内行驶，首先要将车头装置的无线通信模块加入到无线传感器网络中，当列车车头驶入无线传感器网络覆盖范围内时，车头装置的主控制器将控制无线通信模块以网络节点的形式加入到该无线传感器网络中，并立即从该无线传感器网络中获取闭塞区间内列车所行驶轨道的占用信息；如果车头装置的无线通信模块从无线传感器网络中获得该闭塞区间内该条轨道已被占用，则由车头装置的主控制器控制制动模块使列车立即停止行驶，停留在闭塞区间前等待，此时车尾装置仍然占用之前的闭塞区间内列车所行驶的轨道，直到闭塞区间内列车所行驶的轨道恢复到空闲状态时列车才能继续行驶；如果车头装置的无线通信模块从网络中获得该闭塞区间内该条轨道未被占用，则列车将按计划继续行驶，车尾装置同时退出之前占用的闭塞区间内的该条轨道；当列车车头装置加入到无线传感器网络并允许进入闭塞区间时，通信基站便向无线网络中转发该闭塞区间内该条轨道已被该车占用的信息，并利用无线传感器网络对列车进行实时定位，当列车车尾装置退出无线传感器网络时，通信基站便向无线网络中转发该闭塞区间内该条轨道已经空闲的信息；
[0015] 列车在闭塞区间内行驶时，通信基站便向各网络节点发送无线测距命令，各网络节点向列车发送无线测距信号，当列车车头装置接收到某网络节点的无线测距信号便立即响应返回测距信号到该网络节点，再利用飞行时间TOF)引擎测量出无线测距信号在网络节点和车头装置之间的飞行时间，从而计算出网络节点与车头装置的距离，然后网络节点再结合自身的坐标位置进行计算得到列车的无线定位结果，利用无线传感器网络将该定位结果转发给基站，基站再利用GSM-R设备将定位结果发送给列车控制中心；当列车车头行驶至轨道检测器处时则利用轨道检测器对列车精确定位，并利用轨道检测器的精确定位结果对无线定位的结果进行校准。
[0016] 本发明与现有技术相比具有如下优点及显着效果：
[0017] 1、本发明是一个主动式的防碰撞系统，而且能够实现对列车的实时定位，可以作为一种确实可行的冗余系统，确保轨道交通车辆高效、安全地运行。
[0018] 2、缩短了现有闭塞区间的长度，提高了列车行驶的
密度，增强了运行效率.[0019] 3、利用无线传感器网络对列车进行实时定位，并利用轨道检测器对无线定位结果进行校准，提高了列车实时定位的
精度.。
[0020] 4、利用无线传感器网络来控制列车在闭塞区间的运行，避免了由于人为操作失误而引起的列车事故的发生。
[0021] 5、该系统为独立的冗余闭塞系统，能够有效防止列车碰撞事故发生，提高了列车行驶的安全性。
附图说明
[0022] 图1是防碰撞系统示意图；
[0023] 图2是轨旁装置示意图，(a)为网络节点，(b)为通信基站；
[0024] 图3是车头装置示意图；
[0025] 图4是车尾装置示意图；
[0026] 图5是闭塞区间和无线传感器网络的范围示意图；
[0027] 图6是前后两个闭塞区间交接处的无线传感器网络覆盖示意图；
[0028] 图7是列车驶入闭塞区间时的控制
流程图；
[0029] 图8是列车退出闭塞区间的控制流程图。
具体实施方式
[0030] 如图1所示，车头装置包括主控制器、无线通信模块、电源模块和制动模块。车尾装置包括无线通信模块和电源模块。轨旁装置包括通信基站和网络节点两类，通信基站包括无线通信模块、GSM-R无线设备、电源模块和轨道检测器，网络节点包括无线通信模块、电源模块和轨道检测器。将轨道路线按照一定的轨道距离划分成若干个闭塞区间，轨旁装置以相等的轨道距离沿轨道路线有序布置；闭塞区间内的轨旁装置组成无线传感器网络。车头装置和车尾装置的无线通信模块作为移动节点加入到无线传感器网络中。将位于闭塞区间中心处的轨旁装置设计为该无线传感器网络的通信基站，其他轨旁装置设计为网络节点，通信基站的无线通信模块转发闭塞区间的占用信息给各个网络节点，GSM-R无线设备向列车控制中心发送列车的实时位置信息，网络节点的无线通信模块能够转发闭塞区间的占用信息到整个网络，通信基站和网络节点的无线通信模块还能够对列车进行无线测距，轨道检测器能够获得列车行驶的轨道号信息和列车的精确位置信息；车头装置的主控制器能够控制车头装置和车尾装置的无线通信模加入或退出无线传感器网络，无线通信模块能够从无线传感器网络获得闭塞区间的占用信息，制动模块能够实现列车的紧急制动；车尾装置的无线通信模块能够在列车离开闭塞区间时控制释放被占用的闭塞区间。
[0031] 如2(a)、2(b)所示，所有的轨旁装置均以相等的轨道距离沿轨道路线布置，每个轨旁装置都有固定的编号，处于同一闭塞区间内的轨旁装置组成无线传感器网络，完全覆盖整个闭塞区间，处于两个相邻的闭塞区间之间的区域能够同时被两个网络所覆盖。闭塞区间中心处为该无线传感器网络的通信基站，其左右两侧为网络节点。通信基站不仅负责发送闭塞区间的轨道占用信息给各个网络节点，而且能够控制网络节点的退出或加入无线传感器网络，还能够处理列车的实时定位结果并通过GSM-R无线设备发送给列车控制中心。网络节点负责转发基站发送的轨道占用信息（包括该闭塞区间内该条轨道是否已经有其他列车正在行驶，如果已经有列车正在该条轨道上行驶，则占用信息包括列车的编号以及列车所行驶的轨道号，如果没有列车正在该条轨道上行驶，则占用信息显示为该闭塞区间内该条轨道已经空闲）到整个网络中，而且能够将轨道检测器的检测结果进行处理并转发出去。无线通信模块是轨旁装置的核心模块（包含了无线射频模块和微控制器模块。无线射频模块能够与其他无线射频模块一起组成无线网络，并能通过无线网络接收和发送数据；微控制器模块能够控制无线射频模块进行组网和收发数据，也能够处理轨道检测器的检测数据和精确定位结果，微控制器模块还包括一个硬件的飞行时间(TOF)引擎，能够测量无线电信号在两个节点之间的飞行时间），能够与其他轨旁装置的无线通讯模块组成无线传感器网络转发信息，又能够处理轨道检测器所采集的信息并将处理结果转发到无线网络中，同时还能够对列车进行无线测距；通信基站的GSM-R无线设备能够向列车控制中心发送列车的实时定位信息。轨道检测器由磁阻传感器构成，利用电磁扰动检测原理完成检测列车所行驶的轨道信息，并能够实现列车的精确定位；电源模块为轨旁装置提供
电能，可采用
太阳能电池为装置供电，也可直接利用轨道电路为装置供电。
[0032] 如图3所示，车头装置的无线通信模块可作为移动节点加入或退出无线传感器网络，列车在进入闭塞区间之前需要先加入到无线传感器网络中，通过无线传感器网络来获取闭塞区间内的轨道占用信息。车头装置由主控制器、无线通信模块、电源模块和制动模块四部分组成。主控制器能够通过无线传感器网络控制无线通信模块何时加入和退出无线传感器网络，并且能够根据获得的轨道信息控制制动模块对列车运行进行控制；无线通信模块用于列车和无线传感器网络之间的通信，能够以网络节点的形式加入到无线传感器网络中；制动模块是驱动列车的制动设备，控制列车的运行；电源模块负责为其他模块供电，可直接采用列车的供电系统并配有充电电池。
[0033] 如图4所示，车尾装置的无线通信模块可作为移动节点加入或退出无线传感器网络，负责列车离开闭塞区间时控制释放被占用的闭塞区间；轨道检测器能够获得列车行驶的轨道信息和列车的精确位置信息，并利用与之相连的无线通信模块将信息转发出去。车尾装置由无线通信模块和电源模块两部分组成。车尾装置的无线通信模块能够接收由主控制器经车头装置的无线通信模块发送的命令，控制其何时加入或退出无线传感器网络；电源模块能够为无线通信模块供电，可直接采用列车的供电系统。并配有充电电池。
[0034] 当列车车头驶入无线传感器网络覆盖范围内时，车头装置的主控制器将控制无线通信模块以网络节点的形式加入到该无线传感器网络中，并立即从该无线传感器网络中获取闭塞区间内列车所行驶轨道的占用信息；如果车头装置的无线通信模块从无线传感器网络中获得该闭塞区间内该条轨道已被占用，则由车头装置的主控制器控制制动模块使列车立即停止行驶，停留在闭塞区间前等待，此时车尾装置仍然占用之前的闭塞区间内列车所行驶的轨道，直到闭塞区间内列车所行驶的轨道恢复到空闲状态时列车才能继续行驶；如果车头装置的无线通信模块从网络中获得该闭塞区间内该条轨道未被占用，则列车将按计划继续行驶，车尾装置同时退出之前占用的闭塞区间内的该条轨道；当列车车头装置加入到无线传感器网络并允许进入闭塞区间时，通信基站便向无线网络中转发该闭塞区间内该条轨道已被该车占用的信息，并利用无线传感器网络对列车进行实时定位，当列车车尾装置退出无线传感器网络时，通信基站便向无线网络中转发该闭塞区间内该条轨道已经空闲的信息。本发明闭塞区间相对于现有的闭塞区间来说是一个小型化、独立化的闭塞区间，闭塞区间的长度是相邻轨旁装置之间的轨道距离的偶数倍，也可根据实际的轨道情况设定，一般大于等于10倍小于等于20倍；闭塞区间内同一时刻、同一轨道只能有一辆列车行驶；整个闭塞区间都被区间内部的轨旁装置所组成的无线传感器网络覆盖，无线传感器网络的覆盖范围大于闭塞区间的范围。列车要想进入闭塞区间内行驶，首先要将车头装置的无线通信模块加入到无线传感器网络中，再从无线传感器网络中获得该闭塞区间内列车行驶轨道的占用信息；如果已有列车行驶于闭塞区间内的某一轨道，闭塞区间内的通信基站将在网络中发送该闭塞区间内某一轨道已被占用的信息，若此时其他车辆想要进入该闭塞区间的该条轨道行驶时便会接收到轨道已被占用的信息，要求立即停车等待。
[0035] 如图5所示的是闭塞区间和无线传感器网络的范围的示意图，图中可以看出该无线传感器网络是由闭塞区间内的轨旁装置组成的，位于闭塞区间中心处的轨旁装置设计为通信基站，闭塞区间内的其他轨旁装置设计为网络节点；通信基站不仅负责发送闭塞区间的轨道占用信息给各个网络节点，而且能够控制网络节点的退出和加入无线传感器网络，网络节点负责转发基站发送的轨道占用信息到整个网络中，而且能够将轨道检测器的检测结果进行处理并转发出去；无线传感器网络的覆盖范围大于闭塞区间的范围，列车在进入闭塞区间之前首先加入的是无线传感器网络，通过无线传感器网络来获取闭塞区间内的轨道占用信息。
[0036] 如图6所示的是前后两个闭塞区间交接处的无线传感器网络覆盖的示意图，图中可以看出前后两个闭塞区间交接处能够同时被两个无线传感器网络所覆盖，在该区域内列车可以
申请退出前一无线传感器网络，也可以申请加入到后一无线传感器网络中。如果后一闭塞区间内该条轨道已被占用，则列车便在该区域内停车等待，同时车尾装置的无线通信模块仍然占用前一闭塞区间内的该条轨道。
[0037] 如图7所示是列车驶入闭塞区间时的控制流程图，在车头装置的无线通信模块退出前一无线传感器网络后，主控制器便控制无线通信模块搜寻下一个闭塞区间内的无线传感器网络；当无线通信模块搜寻到下一闭塞区间的无线传感器网络时，主控制器便控制无线通信模块申请加入到该无线传感器网络中，通信基站在接收到该申请信息后便允许该无线通信模块加入到无线传感器网络中，同时向该无线模块转发闭塞区间内该条轨道的占用信息；如果车头装置的无线通信模块接收到闭塞区间内的该条轨道已被占用，则由主控制器控制制动模块使列车及时停车等待，直到接收到的信息表明前方闭塞区间内的轨道空闲时再进入到该闭塞区间内，如果车头装置的无线通信模块接收到前方闭塞区间内该条轨道是空闲状态时，列车便可按照原定计划继续向前行驶。
[0038] 如图8所示是列车退出闭塞区间的控制流程图，列车车尾装置是否能够退出前一闭塞区间的无线传感器网络主要依赖于列车车头装置的主控制器的控制；如果列车的车头装置已经顺利驶入到前方的闭塞区间内，则主控制器便控制列车的车尾装置退出之前占用的闭塞区间内的该条轨道；如果列车的车头装置因前方轨道被占用而没有能够顺利驶入前方的闭塞区间，则主控制器便控制列车的车尾装置任然占用之前闭塞区间内的该条轨道，直到列车的车头装置成功进入到前方的闭塞区间内，再由主控制器控制车尾装置退出之前占用的闭塞区间内的该条轨道。
[0039] 当列车在闭塞区间内行驶时，通信基站便向各网络节点发送无线测距命令，各网络节点以一定的
频率向列车发送无线测距信号，当列车车头装置接收到某网络节点的无线测距信号便立即响应返回测距信号到该网络节点，再利用飞行时间(TOF)引擎测量出无线测距信号在网络节点和车头装置之间的飞行时间，从而计算出网络节点与车头装置的距离，然后网络节点再结合自身的坐标位置进行计算得到列车的无线定位结果，再利用无线传感器网络将该定位结果转发给基站，基站再利用GSM-R设备将定位结果发送给列车控制中心；当列车车头行驶至轨道检测器处时则利用轨道检测器对列车精确定位，并利用轨道检测器的精确定位结果对无线定位的结果进行校准，从而提高了列车实时定位的精度，实现对列车的实时定位能够有效提高列车运行的安全性。
[0040] 列车车头驶出闭塞区间时：首先由轨道检测器检测到有列车经过闭塞区间的边缘节点处，再通过网络节点的无线通信模块将轨道检测器检测到的信息进行处理并转发到无线传感器网络当中；当列车的车头装置的无线通信模块接收到该信息时，主控制器便控制车头装置的无线通信模块退出该无线传感器网络，同时发出退出该无线传感器网络的信号，通信基站在接收到退出无线传感器网络的信号后便不再向车头装置的无线模块转发任何信息；在车头装置退出前一闭塞区间的无线传感器网络但还未加入到后一闭塞区间的无线传感器网络时车尾装置任然占用前一闭塞区间的该条轨道。
[0041] 列车车头驶入闭塞区间时：在车头装置的无线通信模块退出前一无线传感器网络后，主控制器便控制无线通信模块搜寻下一个闭塞区间内的无线传感器网络，当车头装置的无线通信模块搜寻到下一闭塞区间的无线传感器网络时，车头装置的主控制器便控制无线通信模块申请加入到该无线传感器网络中，通信基站在接收到该申请信息后便允许车头装置的无线通信模块加入到无线传感器网络中，同时向车头装置的无线模块转发闭塞区间内该条轨道的占用信息；如果车头装置的无线通信模块接收到闭塞区间内的该条轨道已被占用，则由车头装置的主控制器控制制动模块使列车及时停车等待，直到接收到的信息表明前方闭塞区间内该条轨道空闲时再进入到该闭塞区间内；如果车头装置的无线通信模块接收到前方闭塞区间内该条轨道是空闲状态时，列车便可按照原定计划继续向前行驶。
[0042] 列车车尾驶出闭塞区间时：列车车尾装置何时退出前一闭塞区间的无线传感器网络主要依赖于列车车头装置的主控制器的控制；如果列车已经顺利驶入到前方的闭塞区间内，则主控制器便控制车尾装置的无线通信模块退出前一无线传感器网络，释放之前占用的闭塞区间内的该条轨道，同时发出退出该无线传感器网络的信号，通信基站在接收到退出无线传感器网络的信号后便不再向车尾装置的无线模块转发任何信息；如果列车没有能够顺利驶入前方的闭塞区间，则主控制器便控制列车的车尾装置任然占用之前闭塞区间内列车所行驶的轨道，直到列车的车头装置成功驶入到前方的闭塞区间内，再由主控制器便控制车尾装置的无线通信模块退出前一无线传感器网络，释放之前占用的闭塞区间内的该条轨道，同时发出退出该无线传感器网络的信号。
[0043] 列车车尾驶入闭塞区间时：列车车尾装置的无线通信模块能够以网络节点的形式加入到无线传感器网络当中，首先由车头装置的主控制器控制车尾装置的无线通讯模块申请加入无线传感器网络，当闭塞区间内的通讯基站接收到加入无线传感器网络的
请求信息时便允许车尾装置的无线通信模块加入到无线传感器网络，同时转发该闭塞区间内的该条轨道已被占用的信息到整个无线传感器网络中。
[0044] 列车在闭塞区间内行驶时：通信基站便向各网络节点发送无线测距命令，各网络节点以一定的频率向列车发送无线测距信号，当列车车头装置接收到某网络节点的无线测距信号便立即响应返回测距信号到该网络节点，再利用飞行时间(TOF)引擎测量出无线测距信号在网络节点和车头装置之间的飞行时间，从而计算出网络节点与车头装置的距离，然后网络节点再结合自身的坐标位置进行计算得到列车的无线定位结果，再利用无线传感器网络将该定位结果转发给基站，基站再利用GSM-R设备将定位结果发送给列车控制中心；当列车车头行驶至轨道检测器处时则利用轨道检测器对列车精确定位，并利用轨道检测器的精确定位结果对无线定位的结果进行校准，从而有效提高了列车实时定位的精度。
