摘要：軌道車是軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和維護(hù)的重要工具。實際維護(hù)中，兩輛軌道車朝著同一方向分別進(jìn)行獨立作業(yè)，在兩車不知彼此定位信息時，極有可能發(fā)生相撞事故。針對此，文章設(shè)計并研制了一套軌道車定位防撞系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用GPS定位和車輪定位相結(jié)合的方式，實時獲取列車位置信息，同時，通過GSM通信技術(shù)，將軌道車實時位置信息發(fā)送給監(jiān)管中心，必要時監(jiān)管中心分別向兩車發(fā)出減速、停車信號，防止軌道車相撞。

關(guān)鍵詞：軌道車 防撞 GPS定位 GSM數(shù)據(jù)傳輸

0 引言

軌道車主要用于軌道交通施工、設(shè)備維護(hù)、緊急救援、定期檢查等工作，其安全運行關(guān)系到整個軌道交通運輸系統(tǒng)。隨著我國新建軌道交通線路增多，列車的運行密度加大，從而增加了相關(guān)設(shè)備的維護(hù)工作。由于線路設(shè)備維護(hù)作業(yè)增多，需要上線維護(hù)軌道車增加，導(dǎo)致多個地方相繼發(fā)生軌道車在作業(yè)過程中出發(fā)生相撞，因此，必須有一定的技術(shù)手段來確保行車安全。本文從實際工程應(yīng)用的角度研究出一種基于“GPS定位+GSM數(shù)據(jù)傳輸+線路里程定位”的軌道車防撞系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過GPS定位和車輪定位相結(jié)合的方式，實時獲取軌道車位置信息，在獲取軌道車位置信息后，通過GSM通信技術(shù)發(fā)送給監(jiān)管中心，監(jiān)管中心對兩輛軌道車的位置對照數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析，得出兩車相距，同時做出決策，如果兩車相距較近時，則迅速分別向兩車發(fā)出減速、停車信號，達(dá)到預(yù)防軌道車防撞目的。實際線路上的試驗表明，該系統(tǒng)可有效防止軌道車相撞，從一定程度上保證了軌道交通運營和維護(hù)的安全。

1 防撞系統(tǒng)測量原理及構(gòu)成

1.1 測量原理 軌道車防撞系統(tǒng)通過GPS設(shè)備在車輛運行過程連續(xù)獲取軌道車當(dāng)前位置，通過光電編碼速度傳感器及數(shù)據(jù)庫定位技術(shù)，精確定位車輛位置，經(jīng)數(shù)據(jù)處理設(shè)備實時處理、保存并通過GSM模塊實時發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)到軌道車及軌道車監(jiān)管中心。

安裝有防撞系統(tǒng)的軌道車在運行過程中，每輛車的位置由GPS模塊和車輪定位模塊得到，并以公里標(biāo)的形式來表示，實現(xiàn)對車輛的定位，定位信息有：車輛運行速度、工區(qū)號、行駛方向、公里標(biāo)、所在位置前后接觸網(wǎng)支撐桿號。通過GSM通信技術(shù)將軌道車1的定位信息實時傳輸至軌道車2，并將兩輛軌道車的定位信息基于數(shù)據(jù)庫加以對比分析，得出兩輛軌道車的相對距離，在一定運行速度下，相對距離小于閾值時發(fā)出減速的信號，準(zhǔn)備停車。同時，考慮一定的安全裕度，閾值設(shè)置為2km。

因為兩種定位方式都存在一定的定位誤差，為保證軌道車定位的精確性，軌道車定位模塊采用GPS定位模塊與車輪定位模塊相結(jié)合的方法。GPS定位模塊誤差在10m以內(nèi)，該誤差與軌道車行駛距離沒有相關(guān)性。車輪定位模塊誤差屬于累計誤差，隨著軌道車行駛距離的加大誤差變大。為防止在行駛距離過大時車輪定位模塊的積累誤差很大超過10m，影響行軌道車間距離的判斷，防撞系統(tǒng)采用GPS定位模塊對其進(jìn)行誤差補償，防止積累誤差超過10m。GPS定位模塊依賴于衛(wèi)星信號，在軌道車進(jìn)入隧道時，偶爾會出現(xiàn)信號較差的情況，使GPS定位不能正常運行，此時必須采用車輪定位模塊來實時對列車位置信息進(jìn)行捕獲?？梢?，綜合應(yīng)用兩種定位技術(shù)能保證軌道車定位的實時性、可靠性和精確性。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成 本系統(tǒng)由GPS模塊（含GPS天線）、速度里程采集模塊（車輪定位模塊，包含速度傳感器和里程數(shù)據(jù)處理模塊）、GSM模塊（包含接收和發(fā)送模塊）、綜合數(shù)據(jù)處理設(shè)備（含控制模塊和語音報警）和顯示設(shè)備等5大部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，系統(tǒng)柜見圖2。其中GPS模塊、GSM模塊、綜合數(shù)據(jù)處理設(shè)備（含控制模塊）、顯示設(shè)備、里程數(shù)據(jù)處理模塊安裝于車內(nèi)，GPS天線安裝于車外，速度傳感器安裝車軸上。①綜合數(shù)據(jù)處理設(shè)備，主要完成對GPS信息、GSM接收數(shù)據(jù)和軌道車運行速度和里程進(jìn)行處理。并對GPS信息進(jìn)行計算；②GPS模塊采用高精度雙頻、50Hz采樣頻率的GPS模塊主要是獲取車輛的當(dāng)前位置，為軌道車定位提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；③GSM數(shù)據(jù)接收模塊主要用于接收其它軌道車發(fā)送過來的各種信息，這些信息包括其它速度信息、公里標(biāo)、經(jīng)緯度；④GSM數(shù)據(jù)發(fā)送模塊主要用于發(fā)送當(dāng)前軌道車的各種信息到其它軌道車及軌道車管理中心，這些信息包括其它速度信息、公里標(biāo)、經(jīng)緯度；⑤里程數(shù)據(jù)采集模塊主要用于采集當(dāng)前軌道車的速度，并計算軌道車運行的里程，并將數(shù)據(jù)傳送給綜合數(shù)據(jù)處理模塊，便于計算車輛的當(dāng)前位置。

2 軌道車防撞系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 軟件模塊 在軌道車行駛前要對系統(tǒng)進(jìn)行初始設(shè)置，設(shè)置該車輛的工區(qū)號、前行方向、初始公里標(biāo)、初始桿號，設(shè)置的初始值必須已經(jīng)在數(shù)據(jù)庫中有對應(yīng)存檔，否則系統(tǒng)將誤報。軌道車在運行過程中系統(tǒng)將實時顯示與其他軌道車的相對距離，并將本車的位置和速度發(fā)送至其他軌道車，當(dāng)同一工區(qū)的兩輛軌道車相對距離小于2km時，系統(tǒng)將發(fā)送警報信號，提醒軌道車開始減速行駛，等待連掛，等待連掛成功之后系統(tǒng)運行結(jié)束，圖3、4分別為防撞系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖和軟件系統(tǒng)流程圖。

2.2 GPS定位模塊 GPS定位模塊采用簡單GPS接收模塊，將GPS接收天線安裝到軌道車車頂，通過GPS天線和GPS接收機(jī)獲取到軌道車經(jīng)度、緯度和速度信息，并通過防撞系統(tǒng)處理軟件對軌道車行駛接收到的經(jīng)度、緯度信息進(jìn)行計算得到任意兩輛軌道車之間的距離。任意兩點間（A、B兩軌道車）的距離d按式（1）計算。

d=111.12cos[ ] （1）

式（1）中，a1、b1分別為A軌道車的經(jīng)度和緯度；a2、 b2分別為B軌道車的經(jīng)度和緯度。

通過GPS方式測量出來的任意兩個軌道車之間距離是直線距離，此時必須通過數(shù)據(jù)庫，將軌道車位置與線路公里標(biāo)和桿號進(jìn)行關(guān)聯(lián)，這樣才能得到軌道車定位需要的距離，從而實現(xiàn)任意兩軌道車之間距離判別。

2.3 車輪定位模塊 基于輪軸脈沖速度傳感器的車輪定位模塊，其脈沖速度傳感器安裝到軌道車車軸上（圖5），其基本工作原理是，脈沖轉(zhuǎn)速傳感器安裝在車輪軸上，輪軸每轉(zhuǎn)動1周，傳感器輸出一定數(shù)目的脈沖，脈沖頻率與輪軸轉(zhuǎn)速成正比。輸出的脈沖經(jīng)隔離和整形后直接輸入計算機(jī)CPU進(jìn)行頻率測量，再經(jīng)換算得出車輛速度和走行距離。軌道車走行距離s按式（2）計算。

s= Vdt+s0 （2）

式（2）中，V為軌道車車速；s0為軌道車初始位置；t0、t 為時間。

軌道車速度V通過輪軸脈沖速度傳感器測得，將軌道車速度V和位置s通過GMS數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送相應(yīng)接收端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享以便軌道車互相定位。

當(dāng)軌道車運行時，輪軸脈沖速度傳感器輸出脈沖信號，傳感器每轉(zhuǎn)動1周輸出N個脈沖，通過計數(shù)模塊對脈沖數(shù)進(jìn)行計算，每個脈沖對應(yīng)的車輪走行距離ΔL按式（3）計算。

ΔL= （3）

式（3）中，D為軌道車輪徑；N為輪軸脈沖速度傳感器轉(zhuǎn)動1周輸出脈沖數(shù)。

實際使用中，ΔL一般在10mm左右，經(jīng)過長距離行駛后，會產(chǎn)生累計誤差，系統(tǒng)通過GPS信息結(jié)合數(shù)據(jù)信息對累計誤差進(jìn)行修正。

2.4 GSM數(shù)據(jù)傳輸模塊 軌道車防撞系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模塊，根據(jù)其無線通信鏈路的不同，有集群通信系統(tǒng)和GSM移動網(wǎng)絡(luò)兩種選擇。在本系統(tǒng)中采用了GSM移動網(wǎng)絡(luò)，GSM移動網(wǎng)絡(luò)有如下優(yōu)勢：①GSM移動網(wǎng)絡(luò)最大限度節(jié)省了成本；②采用GSM網(wǎng)絡(luò)，可以通過短消息完成數(shù)據(jù)交換，由于這套系統(tǒng)每次所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相對較小，短消息業(yè)務(wù)是最理想的選擇；③GSM移動網(wǎng)絡(luò)可以有效地降低系統(tǒng)的通信誤碼率，且速度也比較快，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性也有保證。

2.5 數(shù)據(jù)庫模塊 軌道車防撞系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫模塊取每根接觸網(wǎng)支柱的標(biāo)號為桿號，在系統(tǒng)運行時，必須提前對每個工區(qū)編輯公里標(biāo)、桿號等數(shù)據(jù)信息，以建立數(shù)據(jù)庫，為軌道車運行時提供參考依據(jù)。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)信息有里程工區(qū)號、公里標(biāo)、接觸網(wǎng)桿號、行駛方向。數(shù)據(jù)庫信息的導(dǎo)入、生成和數(shù)據(jù)庫維護(hù)都通過數(shù)據(jù)庫模塊完成（圖6）。數(shù)據(jù)庫模塊主要功能如下。①導(dǎo)入桿號數(shù)據(jù)。從excel線路數(shù)據(jù)表格中，將桿號基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫；②導(dǎo)入公里標(biāo)數(shù)據(jù)。從excel線路數(shù)據(jù)表格中，將公里標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫；③查看/修改。查看/修改數(shù)據(jù)庫中已有的線路數(shù)據(jù)；④添加/刪除線路。添加/刪除線路信息；⑤公里標(biāo)數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)換工具。轉(zhuǎn)換公里標(biāo)數(shù)據(jù)庫。

3 結(jié)束語

本文研究的基于GPS、GSM和里程定位技術(shù)的軌道車防撞系統(tǒng)，從根本上有效解決了軌道車在區(qū)間作業(yè)時的碰撞問題，并在實際運行中該系統(tǒng)得到了驗證，可達(dá)到以下性能指標(biāo)：①實時顯示車輛實際位置；②判斷任意兩輛軌道作業(yè)車之間距離，并進(jìn)行語音提示；③任意兩輛軌道作業(yè)車之間距離小于設(shè)定值時自動警示；④實現(xiàn)管理中心實時監(jiān)控。

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作者簡介：曲靜（1980-），女，山東龍口人，工程師，研究方向：軌道車防撞技術(shù)。