一种高速轨道交通网络雷达系统的制作方法

2021-02-05 12:02:51|

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本发明属于一种雷达系统，具体涉及一种一种高速轨道交通网络雷达系统。

背景技术：

轨道交通是现代文明的四大主要交通和运输工具之一，随着轨道交通运行速度的不断提升，单纯依赖轨道交通信号系统和机车驾驶员目视观察等手段已难于适应现代轨道交通对于高速运行车辆安全保障的要求。

从早期铁路信号系统演化发展而来的，建立在巡道、监控、信号、通信、自动控制和运行图基础上的现代轨道通通运行系统，能够很好地实现轨道交通系统和车辆的正常运行。然而，对于突发情况和恶劣气候环境中运行中的轨道车辆，依然存在极大安全隐患。

道轨上的障碍物或道轨故障会使运行中的轨道交通机车面临撞击和脱轨的巨大危险，轨道车辆不具备规避路轨上障碍物的能力，在路轨限制下只能采用制动停车来避免生命财产损失。由于高速运行机车的巨大动量，所需的制动距离往往超过机车驾驶员的目视距离，如图1所示。例如，以每小时350公里运行的高速铁路车组，其制动距离高达4.6公里。

在轨道交通发展早期，由于机车运行速度有限，巡道、目视观察和信号系统是轨道交通运行车辆的主要安全保障手段。随着轨道交通在运行速度方面的突破，现有手段已难以适应高速运行轨道车辆对轨道障碍物安全距离外主动探测的要求。在能见度十分有限的恶劣气候条件下，不具备主动探测手段的高速运行轨道车辆，几乎处于盲运行的危险状态。因而，实现具备适应现代高速运行轨道交通特点的主动探测系统具有十分紧迫的实际意义。

在机车上加装探测设备，使其具备主动探测能力，是对现有信号系统影响最小的首选方案。人们对于轨道交通这种特定场景下的主动障碍探测技术的研究进行了许多尝试，这些研究包括：轨道声表面波探测、轨道电磁表面波探测、高分雷达探测、泄露波导或电缆及红外成像探测等。

沿钢轨传输的声表面波具有随轨道传播和较小衰减的特点，可用于沿轨道进行障碍探测，是人们最早研究的技术方案。但是，由于沿轨道传输的超声波能量主要集中于钢轨内部，其对于周边障碍的灵敏度远不如对钢轨本身缺陷的响应，它对于钢轨上的障碍物或钢轨缺陷较实用，但对于钢轨间其它障碍的的探测能力十分有限。另一方面，因这种技术需由机车实现信号收发，使其在探测距离、灵敏度、道口识别和抗干扰等方面存在不足，因而难以达到实用化水平。

人们在上世纪60年代初期曾致力于研究沿轨道传输的表面电磁波，并期望将其应于轨道运行从而构成主动探测雷达。但因其实际路基、道轨尺寸和材料构成导致电磁场模式的稳定困难和传输损耗过大，使其很快丧失了对人们的吸引力。

近年来，印度研究了一种称为tri-netra的红外铁路雷达系统，其探测距离为2－3公里，据称可及时探测出前方铁轨上倒伏的树、巨石以及轨道的损坏，并提前向列车司机发出警告。显然，红外系统对于极端温度环境的宽容度有限和车载主动雷达对弯道附近遮挡处理能力存在先天不足(如图2所示)。同时，其有效探测距离亦无法满足高速轨道车辆的要求，使其无法充分满足人们对轨道雷达探测能力的期望。

将高分辨率雷达结合图像处理，是将现代雷达信号处理技术用于轨道交通障碍探测的又一种发展途径。但由于雷达信号视距探测的固有缺陷，造成其对于弯曲路轨周边遮挡处理能力的先天不足，以及设备投入和维护成本巨大，使其难以获得推广应用。

采用沿轨道敷设的泄露波导或同轴电缆是又一种可能的轨道交通运行障碍探测方式，通过泄露波导或同轴电缆发射和接收电磁波以获取轨道周边的信号变化，可用于对运行的轨道车辆提供早期预警。显然，这种系统对于沿轨道敷设泄露波导或同轴电缆的要求对于长距离轨道所带来的工程量和维护成本是十分巨大的。同时，它对于道轨附近的障碍物识别所获取的信息相对有限。

轨道交通障碍探测所应对环境与性能要求

轨道交通所可能面对的恶劣条件包括：

(1)雾、雪和雨天气；

(2)火、烟和热冷气团；

(3)极端温度天气条件下地表反折射；

(4)黑暗和强光情况下的视线干扰。

(5)以及弯道周边环境的遮挡。

钢轨与路基是轨道车辆运行的基本条件，轨道车辆运行障碍主动探测系统的基本功能是实现对前方障碍的及时感知和判断，并能提供充足的响应时间，从而保障轨道运行车辆的安全,它是轨道车辆运行安全保障的重要组成部分。其探测距离应能适用于各种运行速度轨道车辆的制动距离要求，例如，以每小时350公里运行的高速铁路车组，其制动距离高达4.6公里。同时，应具备沿轨道线路探测和适用各种路况相邻周边环境的能力。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出了一种高速轨道交通网络雷达系统。

(1)在沿道轨电力接触网支柱上安装用于轨道及周边环境探测的传感器，对于隧道或城市地下轨道交通则将传感器按间隔安置于隧道顶部；其中传感器观察或照射区域为沿道轨俯视扇形区域；传感器包括可见光、红外和微波传感器，以适应不同的运行环境；

(2)在道轨中心或道轨侧边沿线设置可见光、红外和微波传感器三者的反

射器，以便于融合定位；

(3)由不同传感器所获得的照片、视频或雷达信号通过有线或无线网络上传至云平台；其中传感器上传数据工作状态包括：实时、定时、巡查、指令、告警。

(4)在云平台对所获得的多元信息进行融合处理，获得适用于运行车辆车头前方视角的可见光、红外和微波图像，并利用无线和卫星链路将图像和数据实时传送至机车终端；

(5)云平台在对所获得的多元信息进行融合处理中，对道轨上出现的可能威胁机车运行的目标进行识别和危险等级判定，计算出相对于运行车辆的参数诸元，并将其与传感器图像一并发送至机车终端；

(6)在运行机车终端上通过交互式多功能显示屏按需显示，采用几何透视、平面地图以及局部放大观查等方式显示前方路况，并作为驾驶决策参考；

(7)云平台建立与轨道交通运行信号系统接口，用于为运行调度提供参考。

作为优选，所述的可见光与红外传感器采用俯视鱼眼透镜，获取沿轨道图像。

作为优选，所述的微波传感器为沿道轨俯视波束扫描雷达，波束半功率角最小值需满足照射覆盖下方道轨宽度要求；沿轨道扇区扫描雷达天线采用现有雷达扫描技术，其中包括：单波束机械扫描天线、相控阵天线或多波束天线。

作为优选，云平台对可见光与红外传感器处理方式为：可见光与红外传感器将所获取与预存参考图像进行要素比对运算，若误差超过预设容差范围，则按预置等级触发告警操作或按指令向云平台发送所获取的图像。

作为优选，所述的微波传感器将扫描回波与预存参考回波响应相比对，若超出预定容差范围则按预置等级触发告警操作，或按指令向云平台传送回波信号。

本发明相对于现有技术所具有的效果：

(1)具有全天候运行能力，且对障碍物具有适当的辨识能力和定位精度；

(2)基本不受轨道周边环境的影响，并具备探测弯曲轨道至视距外的能力；

(3)具备足够远的探测距离；

(4)具有应对突发情况的响应速度。

附图说明

图1道轨周边环境形成目视观察障碍；

图2高速轨道交通示意图；

图3系统框图；

图4传感器终端配置。

具体实施方式

本发明提出一种充分结合现代无线传感网络、网络通信、无线通信与卫星通信、云计算处理的新型轨道交通网络雷达系统(如图3所示)。本发明采用在沿道轨接触网支柱上设置无线传感器，将感知信息通过无线信道或链路与云平台和机车终端相连接，以构成适用于电力轨道车辆的主动道轨障碍探测系统(如图4所示)。用于障碍探测的传感器包括可见光、线外和雷达探测器。

可见光与红外传感器采用俯视鱼眼透镜，获取沿轨道图像。可见光与红外传感器将所获取与预存参考图像进行要素比对运算，若误差超过预设容差范围，则按预置等级触发告警操作。或按指令向云平台发送所获取的图像。

微波传感器为沿道轨俯视波束扫描雷达，波束半功率角最小值需满足照射覆盖下方道轨宽度要求。沿轨道扇区扫描雷达天线可采用现有雷达扫描技术，其中包括：单波束机械扫描天线、相控阵天线或多波束天线等。微波传感器将扫描回波与预存参考回波响应相比对，若超出预定容差范围则按预置等级触发告警操作，或按指令向云平台传送回波信号。

当前接触网支柱间距在40－65米之间，考虑到高速轨道车辆的制动距离和工程排障定位要求，道轨路障定位误差在100米附近已足够满足实际需要，因此，在支柱上加装传感器无需具备导致配置和维护成本较高的复杂的测距功能。利用相邻支柱上传感器间的数据融合，可在增大传感器安装间隔的情况下获得所需定位精度，有利于减小无线传感器节点规模和降低系统成本。

云平台将所获得的传感器响应进行融合、处理、识别等运算，分别将特定运行轨道车辆所对应前方数据实时传送至机车终端(如图4所示)。

显然，采用本发明所提出的轨道交通网络雷达系统，可使轨道车辆全天候实时获取车辆运行前方路况。

一种轨道交通网络雷达系统，具体为：

(2)在道轨中心或道轨侧边沿线设置可见光、红外和微波传感器，以便于融合定位；

(3)由不同传感器所获得的照片、视频或雷达信号通过有线或无线网络上传至云平台；其中传感器上传数据工作状态包括：实时、定时、巡查、指令、告警；

(6)在运行机车终端上通过交互式多功能显示屏按需显示，采用几何透视、平面地图以及局部放大观查等方式显示前方路况，并作为驾驶决策参考；

(7)云平台建立与轨道交通运行信号系统接口，用于为运行调度提供参考。

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