鄧奇

【摘 要】當?shù)罔F列車因信號系統(tǒng)故障而采用人工駕駛時，缺乏技術(shù)防護，存在一定的安全風(fēng)險，列車應(yīng)急追蹤預(yù)警系統(tǒng)可以提供基本的安全防護。基于車車通信的追蹤預(yù)警通過測量車-車無線電信號傳播時間，計算前后車距并對比報警閾值，實現(xiàn)地鐵列車的應(yīng)急追蹤預(yù)警。本文介紹基于車車通信的無線測距技術(shù)，對測距原理、設(shè)計方案進行相關(guān)研究，并在地鐵隧道內(nèi)完成現(xiàn)場實驗，驗證了方案的有效性。

【關(guān)鍵詞】地鐵；車-車通信；追蹤預(yù)警；無線測距

【Abstract】There is a potential safety hazard when the train is manual driving due to the automatic train control system failure. The Train Collision Warning System is able to provide rear-end collision protection in this situation. The system is prompt the emergency distance by measuring the train to train radio propagation time， calculating the distance between the trains and comparing the pre-set alarm threshold. In this paper， we introduces the technology of wireless ranging based on train to train communication， studies the principle of distance ranging and design scheme. Finally we conducted the field experiment in a subway tunnel， which proving the effectiveness of the design scheme.

【Key words】Urban Railway Transit； Train to train communication； Train-following warning； Wireless ranging

0 引言

地鐵列車以其大運量、準時、耗能集約等優(yōu)點在城市公共交通系統(tǒng)中占有突出地位[1]，獲得了大力發(fā)展。截至2015年底，中國大陸地區(qū)擁有了110條在建及正式投入運行的地鐵列車線路，總里程達到3293km。地鐵列車的運行環(huán)境較為復(fù)雜，運行速度較快，其運行安全由具有故障-安全理念的列車超速防護系統(tǒng)（ATP）保障[2]。系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，會導(dǎo)致列車停車。在實際運行中，為保證行車效率，在ATP切除后采用人工駕駛方式行車。此時，運行的地鐵列車缺乏必要的通信交流，列車間的碰撞事故在所難免。2011年，上海地鐵10號線發(fā)生的“9.27”列車追尾事故正是因為列車在ATP切除狀態(tài)下運行缺乏通信交流發(fā)生的。因此，研究列車應(yīng)急追蹤預(yù)警技術(shù)很有必要。本文介紹了地鐵列車基于車-車直接通信的應(yīng)急追蹤預(yù)警方案，分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線測距技術(shù)，根據(jù)地鐵列車的運行環(huán)境選擇適合的測距技術(shù)，最后對所選的測距技術(shù)的原理與實際的應(yīng)用情況進行介紹，完成了測距實驗。

1 追蹤預(yù)警方案

1.1基于車-車直接通信的地鐵列車追蹤預(yù)警方案

地鐵列車追蹤預(yù)警方案的目的是不依賴于原有的基于車-地雙向通信的列車自動控制系統(tǒng)，借助設(shè)備之間的直接通信技術(shù)，實現(xiàn)車-車之間的信息交互，為列車駕駛員提供防碰撞的預(yù)警信息。該系統(tǒng)框架見圖1。

該追蹤預(yù)警方案具有如下特點：

（1）實時車距計算：在地鐵列車司機室的頭尾部分別安裝測距設(shè)備，在兩列車追蹤運行時，由前車的車尾設(shè)備與后車的車頭設(shè)備建立實時通信應(yīng)答機制，前后列車的設(shè)備間傳送測距信息。

（2）工作模式識別：系統(tǒng)能準確識別頭尾端設(shè)備，根據(jù)線路區(qū)分上、下行情況并能夠保證在地鐵列車掉頭行駛時自動切換工作模式。

（3）獨立于既有信號系統(tǒng)：系統(tǒng)根據(jù)建立實時應(yīng)答機制的設(shè)備實現(xiàn)車-車直接通信的功能，與基于車-地雙向無線通信的列車運行控制系統(tǒng)不產(chǎn)生信息交互。在ATP切除時能夠即刻識別并發(fā)出告警信息。

（4）預(yù)警信號：由測距設(shè)備測得列車追蹤運行距離后，由系統(tǒng)之前設(shè)定好的極限閾值進行對比，分等級發(fā)出預(yù)警信號，包括語音提示與屏幕顯示等信息輔助司機。

（5）系統(tǒng)自檢與故障診斷：系統(tǒng)應(yīng)具備上電自檢的功能，對自身工作狀態(tài)與故障進行診斷分析，并且能夠?qū)υO(shè)備的工作狀態(tài)進行記錄與分析。

上述為地鐵列車基于車-車直接通信的追蹤預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)具有的功能。

1.2 無線測距技術(shù)的介紹

無線測距技術(shù)的發(fā)展在很大程度上得益于無線定位技術(shù)的發(fā)展。這些技術(shù)的核心功能是通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一些先進的無線定位技術(shù)感知到當前節(jié)點的位置，并通過特定的算法進而得到兩節(jié)點甚至多節(jié)點之間的距離[3]。將無線測距技術(shù)應(yīng)用在地鐵列車的車-車直接通信中，能夠感知到已建立應(yīng)答機制的運行列車的位置，并通過測距技術(shù)的特定算法實時計算出列車行車的間隔。

結(jié)合地鐵列車的運行環(huán)境以及車-車直接通信的具體需求，對這幾種無線測距技術(shù)的特性進行探討分析：

（1）GPS全球定位測距技術(shù)：該技術(shù)是現(xiàn)階段的定位技術(shù)中發(fā)展最為成熟的，它能夠結(jié)合衛(wèi)星與通訊技術(shù)實現(xiàn)測距功能。但當?shù)罔F列車在隧道等信號被阻隔的環(huán)境中時，無法實現(xiàn)測距的功能。

（2）基于移動網(wǎng)絡(luò)的定位測距技術(shù)：該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)50m范圍內(nèi)的精確定位，通過移動目標與固定基站的坐標交互，在獲得測量參數(shù)之后，實現(xiàn)測距功能。但由于該技術(shù)對基礎(chǔ)設(shè)備的依賴性較大，不適應(yīng)于地鐵列車的運行環(huán)境。

（3）基于WLAN的定位測距技術(shù)：在WIFI覆蓋的范圍內(nèi)實現(xiàn)定位測距功能，而WIFI信號容易受到其它信號的干擾。地鐵列車的運行控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，WIFI信號極易受到干擾。

（4）基于超聲波的定位測距技術(shù)：通過計算超聲波在空氣中傳播的時間得到測距結(jié)果，因為超聲波的波束發(fā)散較為嚴重，在地鐵列車的長大坡道與隧道等特殊環(huán)境中得到的測距誤差較大。

（5）基于ZigBee的定位測距技術(shù)：ZigBee 是基于 IEEE802.15.4 標準的一種低功耗局域網(wǎng)協(xié)議[4]，該種無線測距技術(shù)通常采用RSSI（Receive Signal Strength Indicator）算法得到距離信息，該種算法的易受干擾，適用性不強，測距范圍較遠。

（6）基于RFID的定位測距技術(shù)：該技術(shù)利用標簽進入天線磁場后接收待定頻率的無線射頻信號[2]，該技術(shù)適應(yīng)于短距離測距且需要在地面安裝標簽，工程量較大。

（7）基于CSS信號的定位測距技術(shù)：CSS（Chirp Spread Spectrum）是多維多址接入技術(shù)的一種簡便應(yīng)用，它融合了三種典型的調(diào)制技術(shù)各自的優(yōu)點[5]。該技術(shù)有傳輸距離遠、功耗低等優(yōu)點，采用SDS-TWR（Symmetric Double Sided Two Way Ranging）作為測距算法，該種算法不需要固定的基礎(chǔ)設(shè)施，具有較高的測距精度，測距范圍較遠。

可考慮將CSS信號應(yīng)用于地鐵列車間的無線通信中。

2 通信測距在車-車通信中的應(yīng)用

2.1 CSS技術(shù)簡介

CSS是MDMA（多維多址接入） 技術(shù)的一種簡便應(yīng)用，它融合了三種典型的調(diào)制技術(shù)各自的優(yōu)點。CSS調(diào)制使用兩種基本信號處理和傳輸信息，分別為Sinc 脈沖信號和 Chirp 脈沖信號。在接收端及發(fā)射端的基頻部分，是采用 Sinc 脈波做處理。傳輸?shù)倪^程使用的是 Chirp 脈波信號，Chirp 信號的瞬時頻率在信息脈沖持續(xù)時間 T 內(nèi)隨著時間的變化而線性的增加或減小，其瞬時頻率與時間的關(guān)系表達式為

式中0為載波頻率，是掃頻速率，通常為一常數(shù)。線性調(diào)頻信號的瞬時相位φ（t）與線性調(diào)頻信號s（t）在信息脈沖持續(xù)時間T 內(nèi)的表達式分別為

±μ決定了信號的掃頻方向，即信號瞬時頻率的變化走向。取正號時為“Up-Chirp”，負號時為“Down-Chirp”。利用 Chirp 信號的掃頻特性，將其應(yīng)用在通信領(lǐng)域中，表達數(shù)據(jù)符號，達到擴頻的效果。且該信號具有非常尖銳的相關(guān)特性，由此可以獲得精確的信號到達時間分辨率，非常適合多徑信道環(huán)境中的精確測距和定位。

2.2 基于CSS信號的車-車直接通信

將CSS信號應(yīng)用于列車的車-車直接通信中，具體方案設(shè)計見圖2。后車頭部的設(shè)備為主動發(fā)射裝置，前車頭部的設(shè)備為被動接受裝置。當兩輛地鐵列車追蹤運行時，由后車頭部設(shè)備主動發(fā)送CSS信號，前車尾部設(shè)備接受到該信號后，再將接收到的信號發(fā)送至后車車頭，由后車車頭的主動發(fā)射設(shè)備根據(jù)SDS-TWR算法對測距信號進行測量，得到列車的追蹤間隔，實時監(jiān)測追蹤列車的運行安全。

SDS-TWR算法不需要系統(tǒng)中各個節(jié)點間的時鐘同步，使得系統(tǒng)對硬件時鐘的要求得到降低，從而降低系統(tǒng)整體的復(fù)雜度，并且不需要固定的基礎(chǔ)設(shè)施，可以實現(xiàn)移動測距[8]。在此算法中對稱指的是兩個端節(jié)點的應(yīng)答時間是相同的，即 Treply A=Treply B；雙邊指的是兩端節(jié)點都進行一次往返測試。往返測試結(jié)果將用來對追蹤列車間的傳輸時間進行計算，從而計算出信號在追蹤列車間的傳輸距離。計算流程見圖3。

（1）后車車頭發(fā)起第一次測量，將信息發(fā)送至前車車尾，并由前車車尾發(fā)送響應(yīng)信號至后車車頭。

（2）后車車頭記錄第一次測量過程的累積時間T1，前車車尾的響應(yīng)信號將記錄的響應(yīng)時間T2發(fā)送至節(jié)點1。

（3）前車車尾發(fā)起第二次測量，將信息發(fā)送至后車車頭，并由后車車頭發(fā)送響應(yīng)信號至前車車尾。

（4）前車車尾記錄測量第二次測量過程的累積時間T3，后車車頭的相應(yīng)信號將記錄的響應(yīng)時間T4發(fā)送至前車車尾。

T1和T2的差為信號在第一次測距中節(jié)點間往返一次用的時間，T3和T4的差為信號在第二次測距中節(jié)點間往返一次用的時間。

在SDS-TWR算法中，信號在節(jié)點間總共傳播了4次。根據(jù)式（5）計算得到信號在節(jié)點間單程傳播所用的時間t。

已知電磁波在空氣中的傳播速度c，可知列車間的追蹤間隔，見式（6）。

2.3 現(xiàn)場驗證

現(xiàn)場試驗在上海地鐵11號線的隧道區(qū)段內(nèi)進行。實驗信號頻率1200MHz，發(fā)射功率30dBm，由定向螺旋天線收發(fā)。試驗列車由司機人工駕駛，按照軌道的百米標位置停車。由于前行的列車司機無法看到列尾對應(yīng)的百米標，因此停車處的預(yù)報值與真實值的存在±30m誤差。

列車1保持靜止，列車2分別在各測量定點處停留，完成距離測量工作后行駛至下一定點。測量定點距列車1從100m至600m，間隔100m變化，在每一定點位置處利用該測距單元完成兩列車之間的距離測量，測量結(jié)果如下圖4所示。

圖4中，橫軸表示車距測量次數(shù)，縱軸表示車距數(shù)值，1個散點表示1次測量結(jié)果。顯然，定點處得到的測量值是相對穩(wěn)定的，考慮軌道百米標±30m的誤差值，測距單元在600m內(nèi)的測距誤差不超過5%。

3 結(jié)語

車-車通信是軌道交通信號控制系統(tǒng)的發(fā)展方向之一，在車車通信基礎(chǔ)上完成車距測量，可以為人工駕駛模式下的列車運行提供基本的安全防護，能夠?qū)崿F(xiàn)列車應(yīng)急追蹤預(yù)警。

本文分析了若干無線測距技術(shù)，提出基于CSS車車通信的測距方案，并在地鐵運營正線隧道內(nèi)進行了相關(guān)實驗，驗證了該技術(shù)的可行性，為推進列車追蹤預(yù)警的研究提供了新思路。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]