一种高可靠性铁路专用定位系统

摘要

一种高可靠性铁路专用定位系统，包括电源、定位主机管理器、定位主机，定位主机管理器具有射频组合开关、转换电源开关、输出转换开关，电源、定位主机管理器、定位主机安装在电气控制盒内；还具有安装在定位主机管理器内的应用软件速度时间切换单元、时间切换单元、故障码切换单元、自检切换单元、数据库切换单元、远程切换单元、驻波比切换单元、检测切换单元、健康状态切换单元、自适应单元、云端通信功能单元、云端通信管理功能单元、输出检测模块单元。本发明在其中一路定位主机发生故障时，即可以通过手动方式进行切换，还能在应用软件作用下，根据各种工况及阈值数据进行智能化切换到另一路完好的定位主机，有效保证了定位主机接收信号。

权利要求

1.一种高可靠性铁路专用定位系统，包括电源、定位主机管理器、定位主机，定位主机管理器具有射频组合开关、转换电源开关、输出转换开关，电源、定位主机管理器、定位主机安装在电气控制盒内；其特征在于还具有安装在定位主机管理器内的应用软件速度时间切换单元、时间切换单元、故障码切换单元、自检切换单元、数据库切换单元、远程切换单元、驻波比切换单元、检测切换单元、健康状态切换单元、自适应单元、云端通信功能单元、云端通信管理功能单元、输出检测模块单元；所述定位主机有相同的两路，转换电源开关具有一路，电源、定位主机管理器、两路定位主机、转换电源开关、射频组合开关、输出转换开关、射频天线之间电性连接；所述定位主机管理器的触发信号输入端和列车上切换信号传感器、司机操作开关传感器、速度传感器、列车车载控制器、无线通信通道的信号输出端经数据线连接，通过定位主机管理器的触发信号控制输出转换开关切换，输出转换开关的输出端和列车车载控制器上位机信号输入端经数据线连接，通过转换电源开关选择其中一路定位主机得电工作；速度时间切换单元应用中，当列车在相应速度下应该相应时间读到轨道附近的电子标签信标信号，如果没有读到，在第一路及第二路定位主机之间进行切换；时间切换单元应用中，预设在某个时间段内，需要总共读到多少信标，如果达到阀值，也就是读取的信标数据相对少，在第一路及第二路定位主机之间进行切换；故障码切换单元应用中，接收车载控制器传出来的读标故障码解析进行切换；自检切换单元应用中，在车载控制器内部设计切换逻辑，通过车载控制器和定位主机管理器的通信口命令定位主机管理器进行主备切换；数据库切换单元应用中，通过定位主机管理器自建的轨道数据库，或者由车载控制器传给定位主机管理器下一个信标的数据，由定位主机管理器进行对比后判断是否丢标并达到阀值进行切换，远程切换单元应用中，维护人员通过远程命令方式，通过网络通信方式进行切换；驻波比切换单元应用中，连接定位主机、射频开关、天线的馈线在线缆损坏或者断裂的场景下，通过驻波比的变化作为定位主机管理器切换的条件；检测切换单元应用中，对定位主机产生的射频信号进行实时探测，当检测到射频功率或者定位主机自带的检测模块回传信息中功率、驻波等关键参数发生偏离满足切换条件时，自动在第一路及第二路定位主机之间进行切换；健康状态切换单元通过安装到定位主机管理器内健康状态检测模块及其他设备健康相关的关键指标进行检测或者利用定位主机自带的检测信息，对定位主机自身健康状态进行判断，当工作异常进行切换；输出检测模块单元通过安装到定位主机管理器内的探测模块对输出的信号进行探测当输出信号不满足预设要求进行切换；自适应单元对列车在高低速区间存在测速误差，高速和低速的误差不一致，能对定位主机发射功率不能结合速度等级进行补偿，补偿分为两个方案；方案（1）：对高低速信标，采用不同的定位主机增益和信标射频天线和增益；方案（2）：利用支持不同速度，不同位置地点，不同时间进行功率匹配调整，不同的速度输出不同射频功率；云端通信功能单元应用中，能作为信号系统故障的备用模式；通过定位主机管理器向外进行通信，实时对外传输列车位置，外部系统可以通过定位主机管理器回传的定位，实时跟踪列车的位置；同时云端通信管理功能单元应用中，通过自建或者借用网络通道，能实现云控制功能，通过远程云端下发命令，取得和定位主机管理器的联系，并下达命令分别控制第一路及第二路定位主机工作，并通过云端通信功能实现通过云端的设备管理线下运行的定位系统，并对设备状态进行监控和配置；定位主机管理器还可以通过简单的切换电路实现核心功能，经设置在定位主机管理器的转换开关，通过转换开关进行直接切换。

说明书

一种高可靠性铁路专用定位系统

技术领域

[0001] 本发明涉及铁路系统使用的设备技术领域，特别是一种高可靠性铁路专用定位系统。

背景技术

[0002] 列车定位系统是现代列车控制系统最为关键的一个子系统，主要为列车提供位置信息，从而为精确控制列车运行，实现列车安全防护提供了关键的技术支撑。现有列车定位子系统主要结构包括安装在列车上的定位主机、射频电缆、射频天线、间隔一定距离安装在铁轨附近相应位置的若干个电子标签，通常电子标签是个无源装置（也可以使用有源标签作为定位标签使用），由列车上的定位主机的查询应答器天线发出的信号提供电力（有源标签自带电力）。当列车经过一个电子标签时，列车上定位主机接收到一个数字串信息，通过列车车载控制器识别该电子标签数字串并对比轨道数据库，进而查询或者计算出电子标签中点处的地理位置，精确控制列车运行等（比如在站台区域，为了达到精确停车，电子标签安放在站台的开始和末尾处，以及站台中间多处位置；在容易发生空转/打滑的区域，或者在弯道上，电子标签被更近地安置以减少位置误差）。

[0003] 现有的列车定位子系统中，由于未考虑冗余性，其采用的定位主机及其配套的同轴馈线电缆、天线只具有一路，但是并未考虑系统冗余，由于单路定位主机、馈线电缆及射频天线是串联的，这样任何一个设备出现故障，意味着定位子系统将会瘫痪，列车处于无信号系统防护的状态，极大增加了由于人为操作因素失误、导致的重大安全事故风险。

发明内容

[0004] 为了克服现有列车定位子系统中，由于未考虑冗余性，其采用的定位主机及其配套的馈线和天线只具有一路，任何一个设备出现故障，将会导致定位子系统全部瘫痪，列车处于无信号系统防护的状态，增加了由于人为操作因素失误导致重大事故风险的弊端，本发明提供了基于定位主机管理器，配套有两路定位主机及其配套的射频开关、馈线和天线等，应用中，列车上技术人员在其中一路定位主机发生故障时，即可以通过手动方式进行切换，还能在定位主机管理器内部应用软件共同作用下，根据各种工况进行智能化切换到另一路完好的定位主机，由此有效保证了定位主机接收信号，并传递给列车车载控制器处理，为精确控制列车运行，实现列车安全防护起到了有利技术支撑的一种高可靠性铁路专用定位系统。

[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0006] 一种高可靠性铁路专用定位系统，包括电源、定位主机管理器、定位主机，定位主机管理器具有射频组合开关、转换电源开关、输出转换开关，电源、定位主机管理器、定位主机安装在电气控制盒内；其特征在于还具有安装在定位主机管理器内的应用软件速度时间切换单元、时间切换单元、故障码切换单元、自检切换单元、数据库切换单元、远程切换单元、驻波比切换单元、检测切换单元、健康状态切换单元、自适应单元、云端通信功能单元、云端通信管理功能单元、输出检测模块单元；所述定位主机有相同的两路，转换电源开关具有一路，电源、定位主机管理器、两路定位主机、转换电源开关、射频组合开关、输出转换开关、射频天线之间电性连接；所述定位主机管理器的触发信号输入端和列车上切换信号传感器、司机操作开关传感器、速度传感器、列车车载控制器、无线通信通道的信号输出端经数据线连接，通过定位主机管理器的触发信号控制输出转换开关切换，输出转换开关的输出端和列车车载控制器上位机信号输入端经数据线连接，通过转换电源开关选择其中一路定位主机得电工作。

[0007] 进一步地，所述速度时间切换单元应用中，当列车在相应速度下应该相应时间读到轨道附近的电子标签信标信号，如果没有读到，在第一路及第二路定位主机之间进行切换；时间切换单元应用中，预设在某个时间段内，需要总共读到多少信标，如果达到阀值，也就是读取的信标数据相对少，在第一路及第二路定位主机之间进行切换。

[0008] 进一步地，所述故障码切换单元应用中，接收车载控制器传出来的读标故障码解析进行切换；自检切换单元应用中，在车载控制器内部设计切换逻辑，通过车载控制器和定位主机管理器的通信口命令定位主机管理器进行主备切换。

[0009] 进一步地，所述数据库切换单元应用中，通过定位主机管理器自建的轨道数据库，或者由车载控制器传给定位主机管理器下一个信标的数据，由定位主机管理器进行对比后判断是否丢标并达到阀值进行切换，远程切换单元应用中，维护人员通过远程命令方式，通过网络通信方式进行切换。

[0010] 进一步地，所述驻波比切换单元应用中，连接定位主机、射频开关、天线的馈线在线缆损坏或者断裂的场景下，通过驻波比的变化作为定位主机管理器切换的条件。

[0011] 进一步地，所述检测切换单元应用中，对定位主机产生的射频信号进行实时探测，当检测到射频功率或者定位主机自带的检测模块回传信息中功率、驻波等关键参数发生偏离满足切换条件时，自动在第一路及第二路定位主机之间进行切换。

[0012] 进一步地，所述健康状态切换单元通过安装到定位主机管理器内健康状态检测模块及其他设备健康相关的关键指标进行检测或者利用定位主机自带的检测信息，对定位主机自身健康状态进行判断，当工作异常进行切换；输出检测模块单元通过安装到定位主机管理器内的探测模块对输出的信号进行探测当输出信号不满足预设要求进行切换。

[0013] 进一步地，所述自适应单元对列车在高低速区间存在测速误差，高速和低速的误差不一致，能对定位主机发射功率不能结合速度等级进行补偿，补偿分为两个方案；方案（1）：对高低速信标，采用不同的定位主机增益和信标射频天线和增益；方案（2）：利用支持不同速度，不同位置地点，不同时间进行功率匹配调整，不同的速度输出不同射频功率。

[0014] 进一步地，所述云端通信功能单元应用中，能作为信号系统故障的备用模式；通过定位主机管理器向外进行通信，实时对外传输列车位置，外部系统可以通过定位主机管理器回传的定位，实时跟踪列车的位置；同时云端通信管理功能单元应用中，通过自建或者借用网络通道，能实现云控制功能，通过远程云端下发命令，取得和定位主机管理器的联系，并下达命令分别控制第一路及第二路定位主机工作，并通过云端通信功能实现通过云端的设备管理线下运行的定位系统，并对设备状态进行监控和配置。

[0015] 进一步地，所述定位主机管理器还可以通过简单的切换电路实现核心功能，经设置在定位主机管理器的转换开关，通过转换开关进行直接切换。

[0016] 本发明有益效果是：本发明基于定位主机管理器，配套有两路定位主机及其配套的射频开关等，应用中，列车上技术人员在其中一路定位主机发生故障时，即可以通过手动方式进行切换，还能在定位主机管理器内部应用软件速度时间切换单元、时间切换单元、故障码切换单元、自检切换单元、数据库切换单元、远程切换单元、驻波比切换单元、检测切换单元、健康状态切换单元、自适应单元、云端通信功能单元、云端通信管理功能单元、输出检测模块单元等共同作用下，根据各种工况及阈值数据进行智能化切换到另一路完好的定位主机，由此有效保证了定位主机接收信号，并传递给定位主机管理器处理，为精确控制列车运行，实现列车安全防护起到了有利技术支撑。基于上述，本发明具有好的应用前景。

附图说明

[0017] 图1是本发明架构框图示意。

[0018] 图2是本发明自适应单元工作示意图。

[0019] 图3、4是本发明应用示意图。

[0020] 图5是本发明局部构成示意图。

具体实施方式

[0021] 图1、5所示，一种高可靠性铁路专用定位系统，包括电源、定位主机管理器、定位主机，定位主机管理器具有射频组合开关、转换电源开关、输出转换开关，电源、定位主机管理器（工控机或者微处理器）、定位主机安装在电气控制盒内；其特征在于还具有速度时间切换单元、时间切换单元、故障码切换单元、自检切换单元、数据库切换单元、远程切换单元、驻波比切换单元、检测切换单元、健康状态切换单元、自适应单元、云端通信功能单元、云端通信管理功能单元、输出检测模块单元；所述速度时间切换单元、时间切换单元、故障码切换单元、自检切换单元、数据库切换单元、远程切换单元、驻波比切换单元、检测切换单元、健康状态切换单元、自适应单元、云端通信功能单元、云端通信管理功能单元、输出检测模块单元是安装在定位主机管理器内的应用软件单元；所述定位主机有相同的两路，转换电源开关具有一路，电源和定位主机管理器电源输入端电性连接（可以根据设计需要设计一路或者两路输入电源），定位主机管理器的两个控制信号输出端和两路定位主机的控制信号输入端分别经控制电缆连接，两路定位主机的数据信号输出端和定位主机管理器数据信号输入端经数据线连接，转换电源开关一端和定位主机管理器的控制信号输出端经数据线连接，转换电源开关两路输出端和两路定位主机的电源输入端分别经电缆连接，通过转换电源开关选择某一路定位主机得电工作；所述两路定位主机的射频信号输入端和射频组合开关的两个数据输出输入端分别经同轴馈线连接，射频组合开关的两个信号输出输入端分别经馈线连接到射频天线（合成天线）；定位主机管理器的两个射频开关控制信号输出端和射频开关组开关的控制信号输入端分别经控制电缆连接；所述定位主机管理器的触发信号输入端和列车上切换信号传感器、司机操作开关传感器、速度传感器、列车车载控制器、无线通信通道的信号输出端经数据线连接，定位主机输出端与输出转换开关的输入端进行连接，通过定位主机管理器的触发信号控制输出转换开关切换，输出转换开关的输出端和列车车载控制器上位机信号输入端经数据线连接。

[0022] 图1所示，速度时间切换单元应用中，当列车在相应速度下应该相应时间读到轨道附近的电子标签信标信号，如果没有读到，在第一路及第二路定位主机之间进行切换，分别控制第一路及第二路定位主机工作传输数据到定位主机管理器。时间切换单元应用中，预设在某个时间段内，需要总共读到多少信标，如果达到阀值，也就是读取的信标数据相对少，在第一路及第二路定位主机之间进行切换，分别控制第一路及第二路定位主机工作传输数据到定位主机管理器；此功能可以结合车载控制器传出来的速度，或者定位主机管理器自带速度传感器，加速度传感器，雷达等检测设备进行速度检测。故障码切换单元应用中，接收车载控制器传出来的读标故障码解析进行切换，在第一路及第二路定位主机之间进行切换，分别控制第一路及第二路定位主机工作传输数据到定位主机管理器。自检切换单元应用中，结合车载控制器的自检功能，在车载控制器内部设计切换逻辑，通过车载控制器和定位主机管理器的通信口命令定位主机管理器进行主备切换，在第一路及第二路定位主机之间进行切换，分别控制第一路及第二路定位主机工作传输数据到定位主机管理器。数据库切换单元应用中，通过定位主机管理器自建的轨道数据库，或者由车载控制器传给定位主机管理器下一个信标的数据，由定位主机管理器进行对比后判断是否丢标并达到阀值进行切换，在第一路及第二路定位主机之间进行切换，分别控制第一路及第二路定位主机工作传输数据到定位主机管理器。远程切换单元应用中，维护人员通过远程命令方式，通过网络通信方式，利用车底无线通信网络向定位主机管理器下发命令进行切换，在第一路及第二路定位主机之间进行切换，从而使得定位主机管理器输出指定一路定位主机的信号。

[0023] 图1所示，驻波比切换单元应用中，连接定位主机、射频开关、天线的馈线在线缆损坏或者断裂的场景下，驻波比会出现比较大的变化，通过驻波比的变化可以作为定位主机管理器切换的条件，达到阈值时，在第一路及第二路定位主机之间进行切换，分别控制第一路及第二路定位主机工作传输数据到定位主机管理器。检测切换单元应用中，对定位主机产生的射频信号进行实时探测，当检测到射频功率、驻波等关键参数变化时，自动在第一路及第二路定位主机之间进行切换，分别控制第一路及第二路定位主机工作传输数据到定位主机管理器。健康状态切换单元通过安装到定位主机管理器内射频口的功率检测模块及其他设备健康相关的关键指标进行检测或者利用定位主机管理器自带的检测信息，对定位主机健康状态进行判断，当工作异常进行切换，当功率或一些关键指标小于阀值进行切换，自动在第一路及第二路定位主机之间进行切换，分别控制第一路及第二路定位主机工作传输数据到定位主机管理器。输出检测模块单元通过安装到定位主机管理器内的探测模块对输出的信号进行探测（fsk、串口、ttl等信号），当输出信号不满足预设要求，进行切换，自动在第一路及第二路定位主机之间进行切换，分别控制第一路及第二路定位主机工作。定位主机管理器还可以通过简单的切换电路实现核心功能，经设置在定位主机管理器的转换开关，通过转换开关进行直接切换。

[0024] 图1、2所示，在铁路新线建设过程，通常需要对该线路的定位信标数据进行采集，主要采集信标的定位计算宽度，进而根据不同线路确定定位主机合适的功率输出值，作为运营使用。实际情况下，由于列车在高低速区间存在测速误差，高速和低速的误差不一致，这就需要从信标读取器层面进行功率补偿（功率补偿自调整的方式可以是通过射频开关切换不同的衰减器组合，或者是通过指令下达给定位主机管理器，定位主机管理器调整模块射频发射功率来实现），传统的信标数据读取器系统，由于一旦确定了发射功率不能结合速度进行补偿，因此存在较大局限性，会对信标数据的有效接收带来影响。本发明的自适应单元针对列车在高低速区间存在测速误差，高速和低速误差不一致问题，能对定位主机发射功率不能结合速度等级问题进行补偿。补偿分为两个方案；方案（1）需要从系统层面，配合信标的改造同步进行；方案（2）：利用支持不同速度，不同位置地点，不同时间进行功率匹配调整，不同的速度输出不同射频功率。增益的补偿可以通过软件调整的方式，也可以通过硬件选通的方式实现。同时在安全可控的前提下，也可以通过固定速度输出固定脉冲时间的方式进行宽度自适应匹配。实际应用中，定位主机管理器的自适应单元可以通过不同的车辆速度进行自学习，在不同的位置和不同的速度匹配不同的输出功率到车载控制器（上位机），确保计算的固定宽度。如图2所示，功率参数D在任何位置和速度基本保持一致可以自动匹配功率，并调整功率，根据计算的读标范围实时调整功率。通过上述，本发明克服了现有技术由于高低速定位误差等因素的影响，往往在线路建设期选择的参数只是一个相对可以接受的参数值，而不是能时刻匹配的值，所以本发明提出了自适应调整功率，从而适配匹配参数的设计，从根本上解决了功率参数匹配问题。

[0025] 图1所示，云端通信功能单元应用中，能作为信号系统故障的备用模式；通过定位主机管理器向外进行通信，实时对外传输列车位置，外部系统可以通过定位主机管理器回传的定位，实时跟踪列车的位置。本发明定位主机管理器及其配套的附属设备作为列车信号系统的核心设备，可以作为信号系统计轴、或者列车通信丢失等故障下，列车无法通过现有信号系统的子系统回传列车位置，导致行车调度无法获取列车实际位置的情况下，作为的备用定位和调度参考系统。实际应用中，本发明定位主机管理器通过其数字接口将读取的信标位置通过通信通道传递给云端的管理系统，通信通道可以为自建网络通信系统，也可以共享列车上其他子系统的网络系统，将列车位置实时发给轨旁云系统，通过界面呈现列车的位置，作为备用的列车位置定位显示系统，一定程度取代现有信号系统中ATS和联锁的列车位置显示功能。

[0026] 图1所示，云端通信管理功能单元应用中，通过自建或者借用网络通道，能实现云控制功能，通过远程云端下发命令，取得和定位主机管理器的联系，并下达命令分别控制第一路及第二路定位主机工作，并通过云端通信功能实现云端的设备管理和设备配置。具体具有以下功能。（1）其他网络设备远程可以对定位主机管理器进行控制，控制定位主机管理器切换。（2）通过网络将切换状态，将定位主机管理器的工作状态传到云端。（3）通过网络将漏读信标进行统计和呈现。（4）通过网络可以登录到定位主机管理器对定位主机进行配置管理。本发明在车载管理器的读取器上配置有显示器，可以直接显示定位功率和当前定位宽度，驻波等基本参数。参数中，具备信标运行地图，能记录速度、ID、漏读ID等，强大的故障记录功能。记录漏读ID有两个模式，（1）通过车载控制器传输；（2）通过自己建立数据库实现漏读判断。

[0027] 图1、2、3、4、5所示，本发明实际应用中，列车首尾两端（车辆前后侧端各安装的一套本发明）并通过列车头尾通信功能可以实现列车首尾两端定位系统的通信功能；进而实现4读取器主机冗余，在使用列车行进方向尾端定位时，列车仍然可以实现定位，只需要通过算法加上列车长度，即可得到头端当前位置。如图3、4所示，车辆上读取器（本发明）包含2个单元（每个单元具有2套定位主机及其附属设备射频开关等），每个读取器如上描述互为冗余的关系，当一个单元故障，另一个单元均可以实现接管。当极端情况下，A端的读取器1两个单元完全丧失功能，本发明所述还可以通过切换到B端的读取器2进行备份工作，只是在此情况下，由于列车长度变化，需要适当考虑列车长度动态变化带来的误差。读取器1、读取器2相互的通信可以通过既有网络（信号系统既有网络、车辆系统既有网络），或者自建网络（根据冗余需求，采用单网或者多网冗余）进行通信，两端的定位主机管理器通过相互通讯的码位确定需要本端切换或者切换到对端的信息输出。如下举例说明此逻辑：（1）当A端主机1出现问题，设置自动倒切到主机2.（2）当主机1故障，且主机2故障，首尾两端的定位主机管理器通过网络进行通信，当A端两个主机均无法提供正常功能时，通过码位获取B端的定位信息；A端的定位主机管理器通过数据转换，使用原接口和A端车载控制器进行通信，并把B端的定位信息给到A端。（3）A端发送出去的信息，需要包含主机信息，明确告知A端车载控制器，目前使用的B端定位，以方便A端车载控制器在计算列车位置的时候考虑车长的影响。（4）理论上整列车4个读取器主机，只要有1个主机在工作，均可以保证列车的定位，从而实现列车的多重冗余。

[0028] 图1、2、3、4、5所示，本发明基于定位主机管理器及其配套的射频开关、转换电源开关、输出转换开关，配套有两路定位主机等，应用中，列车上技术人员在其中一路定位主机发生故障时，即可以通过手动方式进行切换，还能在定位主机管理器内部应用软件速度时间切换单元、时间切换单元、故障码切换单元、自检切换单元、数据库切换单元、远程切换单元、驻波比切换单元、检测切换单元、健康状态切换单元、自适应单元、云端通信功能单元、云端通信管理功能单元、输出检测模块单元等共同作用下，根据各种工况及阈值数据进行智能化切换到另一路完好定位主机（无论是手动切换还是自动切换，整个切换及系统启动能在1秒内完成，完全不影响读标系统的工作和机车的正常运行），由此有效保证了定位主机接收信号，并传递给定位主机管理器处理，为精确控制列车运行，实现列车安全防护提起到了有利技术支撑。

[0029] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

[0030] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。