一種將鋼軌作為軌道交通地面通信傳輸介質(zhì)的通信方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種將鋼軌作為軌道交通地面通信傳輸介質(zhì)的通信方法，其特征在于：該方法將在鋼軌中傳播的機械波作為數(shù)字通信媒介。所述裝置包括：用于激勵機械波的具體為壓電換能器裝置、控制發(fā)送/接收的收發(fā)轉(zhuǎn)換裝置、功率放大裝置、具有高速模擬量輸入輸出功能的嵌入式計算機。本發(fā)明能夠針對不同溫度、濕度和鋼軌類型，自動尋找并選擇使用最適合傳導(dǎo)的機械波頻率，具備較好的抗干擾能力，能實現(xiàn)更遠距離的通信。此技術(shù)可應(yīng)用到使用鋼軌作為基本運輸媒介的軌道交通運輸系統(tǒng)中，使其無需安裝額外的軌旁通信設(shè)備即可利用鋼軌本身實現(xiàn)長距離通信功能，其具有可預(yù)見的巨大的經(jīng)濟價值和社會價值。
【專利說明】一種將鋼軌作為軌道交通地面通信傳輸介質(zhì)的通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及軌道交通通信領(lǐng)域，提出了一種將鋼軌作為軌道交通地面通信傳輸介質(zhì)的通信方法。
【背景技術(shù)】:
[0002]在軌道交通領(lǐng)域，地面通信技術(shù)是維持運營調(diào)度、保障列車行車安全的基本設(shè)備。目前軌道交通領(lǐng)域主要采用的地面通信傳輸介質(zhì)包括光纖、電纜、無線通信等。其中無線通信在電磁環(huán)境復(fù)雜的地區(qū)易受各種電磁干擾影響，在隧道中使用受限；光纖、電纜等軌旁線纜由于軌道交通線路通常達到幾百到上千公里，因此鋪設(shè)成本較高，有的線纜長期埋于地下，難免受到各種侵蝕，維護難度大。能否在不鋪設(shè)軌旁電纜、光纜和架設(shè)無線通信基站的情況下，實現(xiàn)軌道交通地面遠距離通信功能將是鐵路通信技術(shù)的突破。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0003]本發(fā)明的內(nèi)容是提出一種將鋼軌作為軌道交通地面通信傳輸介質(zhì)的通信方法。該方法由若干個相隔2千米左右的軌旁通信節(jié)點組成。每個節(jié)點由一組通信控制器、功率放大器和連接耦合于每根鋼軌上的壓電換能器組成。二進制數(shù)據(jù)包通過一個簡單的自動寬頻域最優(yōu)頻率搜索協(xié)議以聲導(dǎo)波形式通過鋼軌進行傳送。通過增加節(jié)點數(shù)量不斷中繼、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，在不需要安裝軌旁通信電纜的情況下實現(xiàn)遠距離軌道交通地面數(shù)據(jù)傳輸功能。
[0004]通信發(fā)送終端將需要發(fā)送的二進制數(shù)據(jù)包通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成特定頻率的振蕩脈沖信號，經(jīng)功率 放大電路后驅(qū)動安裝于鋼軌上的壓電換能器向鋼軌中發(fā)射機械波信號，利用其產(chǎn)生的復(fù)合波形在鋼軌中不斷沿長度方向的反射傳導(dǎo)，在相隔一定距離的另一個節(jié)點由壓電換能器接收，將振動信號轉(zhuǎn)換為電信號后，經(jīng)信號處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換解析還原成串行二進制數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)通信功能。
[0005]由于鋼軌下部的軌枕墊和軌枕具有彈性，通常在振動研究中作為彈簧阻尼單元處理，在高頻振動時彈簧阻尼單元振幅很小，使得軌枕墊和軌枕的振幅也很小，對兩條鋼軌的振動耦合作用不強，因此兩根鋼軌為相互獨立的兩個冗余固體機械波傳播介質(zhì)。
[0006]壓電換能器在鋼軌上的固定方式為先將圓形超聲波換能器探頭固定于邊長5厘米的方面、楔形鋁制基座上，然后將基座用透聲環(huán)氧膠粘貼于鋼軌軌腰側(cè)面，并在邊緣采用焊接的方式固定。焊縫殘渣應(yīng)當(dāng)打磨平整，使其不影響列車運行的相關(guān)限界要求。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0007]下面結(jié)合附圖及實施方法對本發(fā)明作進一步詳細的說明:
[0008]圖1為將鋼軌作為軌道交通地面通信傳輸介質(zhì)的通信裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】:
[0009]附圖中的各數(shù)字標(biāo)號的含義如下:[0010]壓電換能器裝置1、楔形換能器固定基座2、鋼軌3、發(fā)送/接收轉(zhuǎn)換裝置4、功率放大器5、串行脈沖發(fā)生器6、信號處理與A/D轉(zhuǎn)換器7、通信終端設(shè)備8、聲導(dǎo)波9。
[0011]以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0012]實施例
[0013]如圖1所示為一種將鋼軌作為軌道交通地面通信傳輸介質(zhì)的通信裝置。其通過將通信數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為串行聲導(dǎo)波脈沖，經(jīng)鋼軌定向傳播后接收并解析還原成二進制數(shù)據(jù)包實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能。其所使用的用于激勵和接收機械波的裝置為壓電換能器。
[0014]該通信方法包含初始寬頻域頻率搜索、數(shù)據(jù)傳送、頻率質(zhì)疑與調(diào)整這三個過程。
[0015]在通信初始建立之前，首先定義一個節(jié)點為主節(jié)點，就是說這個節(jié)點發(fā)起通信，另一個相鄰節(jié)點為從節(jié)點。以圖1為示例，假如定義左邊裝置為主節(jié)點，則圖1中右邊裝置為從節(jié)點。開始時它們各自獨立運行，也就是說它們不是事先同步的。
[0016]在通信初始建立時，主節(jié)點先在一定頻率范圍內(nèi)發(fā)送5秒慢掃頻機械波，再監(jiān)聽5秒。這個過程一直循環(huán)，直到收到從節(jié)點的反饋信息。
[0017]主節(jié)點發(fā)送的機械波產(chǎn)生的復(fù)合波形在鋼軌中沿長度方向傳播，由于鋼軌作為波導(dǎo)管對不同頻率的機械波的衰減和過濾程度不盡相同，因而在從節(jié)點接收到的是一串不同峰值和頻率的掃 頻振動信號，并且每10秒會重復(fù)一次。
[0018]從節(jié)點記錄10秒該信號，以確保得到一次主節(jié)點掃頻的完整數(shù)據(jù)。然后，從節(jié)點通過這些數(shù)據(jù)搜索峰值頻率，對所記錄的信號尋找振幅最大值，然后對數(shù)據(jù)的一小部分進行FFT計算以確定頻率，即通過掃頻法尋找當(dāng)前最適合在鋼軌中傳播的機械波頻率。通常在無縫鋼軌中傳播2千米后接收到的特定頻率的機械波信號峰值超過噪聲的兩倍以上，因此找到合適的峰值頻率是可行的。在通信初始建立時，這個主節(jié)點掃頻、從節(jié)點記錄和搜尋的過程將不斷重復(fù)，直到從節(jié)點在若干個記錄周期里找到同樣的最優(yōu)頻率。這樣可以避免由于主節(jié)點信號包含的系統(tǒng)噪聲對結(jié)果造成錯誤的影響。
[0019]從節(jié)點在找到峰值頻率(最優(yōu)頻率)后，將切換模式，把搜尋到的該頻率機械波傳送給主節(jié)點。從節(jié)點向主節(jié)點發(fā)送5個脈寬I秒，頻率為峰值頻率的蜂鳴聲信號。這串蜂鳴信號是足夠主節(jié)點在用于監(jiān)聽的5秒長的窗口靜默時間內(nèi)收到從節(jié)點發(fā)來的至少一個完整的脈寬信號。然后主節(jié)點對整個5秒的靜默偵聽的記錄進行FIR濾波，尋找脈寬為I秒的蜂鳴信號。一旦主節(jié)點檢測到脈寬I秒的蜂鳴信號，就意味著兩個節(jié)點均知道了最佳通信頻率。下一步就是主節(jié)點通知從節(jié)點停止發(fā)送蜂鳴信號，即主節(jié)點連續(xù)發(fā)送20秒脈寬為I秒的最優(yōu)頻率蜂鳴信號，使從節(jié)點在接收窗口時間內(nèi)至少接收到一次該蜂鳴信號。從節(jié)點通過FIR濾波器處理該信號，當(dāng)從節(jié)點檢測到持續(xù)I秒的最優(yōu)頻率主節(jié)點蜂鳴后，停止發(fā)送從蜂鳴。至此，兩端都知道了最優(yōu)頻率。當(dāng)主節(jié)點發(fā)送20秒主蜂鳴后監(jiān)聽20秒。如果沒有在20秒內(nèi)收到從蜂鳴，則主節(jié)點就能確認從節(jié)點接收到了確認答復(fù)，即可轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)。
[0020]在數(shù)據(jù)傳送階段，節(jié)點之間的通信將會由二進制數(shù)據(jù)包組成，主節(jié)點將串行二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為最優(yōu)頻率的脈沖聲機械波信號，以固定時長為比特單位，發(fā)送最優(yōu)頻率機械波脈沖表示數(shù)值“1”，不發(fā)表示數(shù)值“O”。從節(jié)點在將接收到的機械波脈沖解碼為數(shù)據(jù)包的同時計算信號強度。然后從節(jié)點向主節(jié)點發(fā)送反饋確認信號，告知“信息已收到”，反饋內(nèi)容為向主節(jié)點發(fā)送最優(yōu)頻率脈沖聲機械波信號I個比特。[0021]當(dāng)環(huán)境溫度、濕度發(fā)生改變時，最適合在鋼軌中傳播的機械波頻率也會發(fā)生改變，因而系統(tǒng)需要能夠自動適應(yīng)環(huán)境溫度、濕度的變化。當(dāng)從節(jié)點收到的原最優(yōu)頻率機械波脈沖信號峰值有明顯下降時，從節(jié)點通過將反饋確認信號加上或減去半個至若干個赫茲指出最優(yōu)頻率的漂移。利用這種方法可以使從節(jié)點有效地對主節(jié)點發(fā)送的峰值頻率產(chǎn)生質(zhì)疑。主節(jié)點在收到從節(jié)點的頻率質(zhì)疑時將再次通過掃頻流程確定新的最優(yōu)機械波傳導(dǎo)頻率，實現(xiàn)頻率微調(diào)。
[0022]在鋼軌的機械絕緣接頭兩端可以安裝由壓電換能器和功率放大器組成的中繼器，實現(xiàn)中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能。通常無縫鋼軌的鋁熱焊縫也會造成聲導(dǎo)波信號的額外衰減，根據(jù)不同的線路條件可以適當(dāng)增 加中繼器的數(shù)量，以提高傳輸效果。
【權(quán)利要求】
1.一種將鋼軌(3)作為軌道交通地面通信傳輸介質(zhì)的通信方法，其特征在于:該方法將在鋼軌(3)中傳播的機械波作為數(shù)字通信媒介，實現(xiàn)二進制數(shù)據(jù)包的串行通信功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)，所述裝置包括:壓電換能器裝置(I)、楔形換能器固定基座(2)、發(fā)送/接收轉(zhuǎn)換裝置(4)、功率放大器(5)、串行脈沖發(fā)生器(6)、信號處理與A/D轉(zhuǎn)換器(7)、通信終端設(shè)備(8)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)，用于激勵和接收機械波的具體為壓電換能器裝置，但隨著材料技術(shù)的進步與發(fā)展，該部分也可采用其它更優(yōu)良的換能器裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)，能夠針對不同溫度、濕度和鋼軌類型，自動尋找并選擇使用最適合傳導(dǎo)的機械波頻率，具備較好的抗干擾能力，能實現(xiàn)更遠距離的通信。
5.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)，此技術(shù)可應(yīng)用到使用鋼軌作為基本運輸媒介的軌道交通運輸系統(tǒng)中，使其無需安裝額外的軌旁通信設(shè)備即可利用鋼軌本身實現(xiàn)長距離通信功能，也可適用于利用其它適合機械波傳播的導(dǎo)體本身實現(xiàn)通信功能。
6.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)，兩根鋼軌作為相互獨立的機械波傳播介質(zhì)，可互為冗余，當(dāng)有某根鋼軌發(fā)生損壞時，機械波可通過另外一根鋼軌傳導(dǎo)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)，也可設(shè)定兩根鋼軌中機械波的傳播方向相反，以實現(xiàn)同時的雙向通信功能。
8.一種將鋼軌(3)作為軌道交通地面通信傳輸介質(zhì)的通信方法，其主要步驟包括: 1)在通信初始建立時，主節(jié)點先在一定頻率范圍內(nèi)發(fā)送5秒慢掃頻機械波，再監(jiān)聽5秒，這個過程一直循環(huán)，直到收到從節(jié)點的反饋信息。 2)從節(jié)點記錄10秒該信號，以確保得到一次主節(jié)點掃頻的完整數(shù)據(jù)，然后從節(jié)點通過這些數(shù)據(jù)搜索峰值頻 率，對所記錄的信號尋找振幅最大值，并對該最大值附近的一小部分數(shù)據(jù)進行FFT計算以確定最優(yōu)頻率，通過這種掃頻法即可找到當(dāng)前最適合在鋼軌中傳播的機械波頻率；通常在無縫鋼軌中傳播2千米后接收到的特定頻率的機械波信號峰值超過噪聲的兩倍以上，因此找到合適的峰值頻率是可行的；在通信初始建立時，這個主節(jié)點掃頻、從節(jié)點記錄和搜尋的過程將不斷重復(fù)，直到從節(jié)點在若干個記錄周期里找到同樣的最優(yōu)頻率，這樣可以避免由于主節(jié)點信號包含的系統(tǒng)噪聲對結(jié)果造成錯誤的影響。 3)從節(jié)點在找到峰值頻率(最優(yōu)頻率)后，將切換模式，把搜尋到的該頻率機械波傳送給主節(jié)點；從節(jié)點向主節(jié)點發(fā)送5個脈寬I秒，頻率為峰值頻率的蜂鳴聲信號，這串蜂鳴信號是足夠主節(jié)點在用于監(jiān)聽的5秒長的窗口靜默時間內(nèi)收到從節(jié)點發(fā)來的至少一個完整的脈寬信號；然后主節(jié)點對整個5秒的靜默偵聽的記錄進行FIR濾波，尋找脈寬為I秒的蜂鳴信號，一旦主節(jié)點檢測到脈寬I秒的蜂鳴信號，就意味著兩個節(jié)點均知道了最佳通信頻率。 4)下一步就是主節(jié)點通知從節(jié)點停止發(fā)送蜂鳴信號，即主節(jié)點連續(xù)發(fā)送20秒脈寬為I秒的最優(yōu)頻率蜂鳴信號，使從節(jié)點在接收窗口時間內(nèi)至少接收到一次該蜂鳴信號；從節(jié)點通過FIR濾波器處理該信號，當(dāng)從節(jié)點檢測到持續(xù)I秒的最優(yōu)頻率主節(jié)點蜂鳴后，停止發(fā)送從蜂鳴，至此，兩端都知道了最優(yōu)頻率；當(dāng)主節(jié)點發(fā)送20秒主蜂鳴后監(jiān)聽20秒，如果沒有在20秒內(nèi)收到從蜂鳴，則主節(jié)點就能確認從節(jié)點接收到了確認答復(fù)，即可轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)。 5)在數(shù)據(jù)傳送階段，節(jié)點之間的通信將會由二進制數(shù)據(jù)包組成，主節(jié)點將串行二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為最優(yōu)頻率的脈沖聲機械波信號，以固定時長為比特單位，發(fā)送最優(yōu)頻率機械波脈沖表示數(shù)值“ 1”，不發(fā)表示數(shù)值“O”;從節(jié)點在將接收到的機械波脈沖解碼為數(shù)據(jù)包的同時計算信號強度，然后從節(jié)點向主節(jié)點發(fā)送反饋確認信號，告知“信息已收到”，反饋內(nèi)容為向主節(jié)點發(fā)送最優(yōu)頻率脈沖聲機械波信號I個比特。 6)當(dāng)環(huán)境溫度、濕度發(fā)生改變時，最適合在鋼軌中傳播的機械波頻率也會發(fā)生改變，因而系統(tǒng)需要能夠自動適應(yīng)環(huán)境溫度、濕度的變化；當(dāng)從節(jié)點收到的原最優(yōu)頻率機械波脈沖信號峰值有明顯下降時，從節(jié)點通過將反饋確認信號加上或減去半個至若干個赫茲指出最優(yōu)頻率的漂移；利用這種方法可以使從節(jié)點有效地對主節(jié)點發(fā)送的峰值頻率產(chǎn)生質(zhì)疑；主節(jié)點在收到從節(jié)點的頻率質(zhì)疑時將再次通過掃頻流程確定新的最優(yōu)機械波傳導(dǎo)頻率，實現(xiàn)頻率 微調(diào)。
【文檔編號】H04B13/00GK104022833SQ201310061193
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2013年3月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月1日
【發(fā)明者】任遠, 晏鑫 申請人:任遠