單磊 俞駿 胡文輝 畢艷飛 譚興福

地下集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)指以集裝箱運(yùn)輸車為載運(yùn)工具，通過大直徑地下隧道運(yùn)輸集裝箱的物流系統(tǒng)。地下集裝箱運(yùn)輸車具有全天候運(yùn)行、運(yùn)輸效率穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，并且能夠?qū)崿F(xiàn)無人駕駛，在提高可靠性和降低人力成本方面具有獨特優(yōu)勢。當(dāng)?shù)孛孢\(yùn)輸受限時，地下集裝箱運(yùn)輸車仍然可以提供運(yùn)輸服務(wù)，從而與地面運(yùn)輸方式形成有益互補(bǔ)。

地下集裝箱運(yùn)輸車的通行量較大，一旦發(fā)生事故，處理難度非常大；因此，需要配備高可靠性的監(jiān)控和調(diào)度系統(tǒng)。眾所周知，車輛運(yùn)輸?shù)陌踩耘c整個車隊的運(yùn)輸效率之間存在矛盾關(guān)系：為了防止車輛之間發(fā)生碰撞，需要保持安全車距；而為了提高運(yùn)輸效率，又需要盡量壓縮車距，以增加單位時間內(nèi)的通行量。在地下集裝箱運(yùn)輸車的安全監(jiān)控和調(diào)度中，最重要的信息就是車輛定位信息；因此，對地下集裝箱運(yùn)輸車的實時、精確定位是實現(xiàn)地下集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行的重要保證。準(zhǔn)確的定位信息有助于在確保安全的前提下壓縮車距，從而提高運(yùn)行效率。本文針對傳統(tǒng)地下集裝箱運(yùn)輸車定位方法存在的不足之處，提出將超寬帶（ultra-wide band，UWB）雙向測距定位技術(shù)應(yīng)用于地下集裝箱運(yùn)輸領(lǐng)域，從而在實現(xiàn)車輛安全防撞的同時，最大限度地提高車隊運(yùn)輸效率。

1 傳統(tǒng)地下集裝箱運(yùn)輸車定位方法

目前，地下集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)普遍采用數(shù)字電路定位方法。在線路設(shè)計之初，用S棒將整條線路分為多個區(qū)段，并對所有區(qū)段進(jìn)行編碼，用數(shù)字化方式描述車輛及其運(yùn)行線路，從而形成車輛運(yùn)行線路圖，并儲存在車載控制器中。為了準(zhǔn)確判斷車輛是否越過區(qū)段邊界，并防止相鄰區(qū)段電路的音頻信號相互干擾，相鄰區(qū)段的數(shù)字電路通常采用不同的載波頻率。當(dāng)車輛運(yùn)行時，其所在區(qū)段的電路發(fā)出已被占用的信號。通過跟蹤各區(qū)段的電路占用狀態(tài)，即可確定所有車輛在整條線路中的位置。

傳統(tǒng)的數(shù)字電路定位方法只能確定車輛占用的線路區(qū)段，而無法確定車輛的精確位置。精確定位一般采用無線射頻識別信標(biāo)。信標(biāo)分為有源信標(biāo)和無源信標(biāo)。有源信標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)地下集裝箱運(yùn)輸車與地面之間的雙向通信。無源信標(biāo)的工作原理類似于非接觸式集成電路卡：當(dāng)?shù)叵录b箱運(yùn)輸車經(jīng)過無源信標(biāo)時，無源信標(biāo)被車載天線發(fā)射的電磁波所激勵，并將絕對位置信息傳遞給車輛，從而實現(xiàn)車輛定位功能。

此外，還可采用車輪編碼器估算車輛的實時位置；但該方法的可靠性較低，只適合在較短的距離內(nèi)應(yīng)用。首先，在車輪容易打滑的情況下：當(dāng)車輛加速時，安裝在驅(qū)動輪上的編碼器會高估車速，安裝在從動輪上的編碼器會低估車速；當(dāng)車輛減速時，所有車輪上的編碼器都會低估車速。其次，在車輛帶載的情況下，不同的載質(zhì)量導(dǎo)致輪胎的形變量不同，進(jìn)而對車輪的實際行走半徑產(chǎn)生影響，最終造成定位誤差。

綜上所述，基于數(shù)字電路、無線射頻識別信標(biāo)或車輪編碼器等技術(shù)的傳統(tǒng)地下集裝箱運(yùn)輸車定位方法均先確定車輛自身位置，再將車輛位置信息傳遞給中央控制器，從而間接獲得車距信息并用于防撞保護(hù)，在實時性和可靠性等方面存在一定不足之處。

2 UWB信號特點及測距原理

UWB信號是經(jīng)過偽隨機(jī)編碼后的一串脈沖。每次通信（一個數(shù)據(jù)包）包含數(shù)千個甚至數(shù)十萬個脈沖，持續(xù)時間為數(shù)毫秒至數(shù)十毫秒。采用偽隨機(jī)編碼后，UWB通信系統(tǒng)能夠以類似碼分多址的方式支持多個獨立工作的信道。UWB芯片頻率根據(jù)品牌和型號的不同而有所不同，其頻率范圍一般為1～ 2 GHz[1]。

UWB信號形式類似于噪聲，與窄頻的載波信號有明顯區(qū)別。當(dāng)沒有信號傳輸時，UWB通信采用靜默電平，而載波通信中一直都有載波信號；因此，UWB通信可以確定信號到達(dá)時間，從而實現(xiàn)精確測距。

基于UWB信號的無線定位分為到達(dá)時間差定位方案和雙向測距定位方案。到達(dá)時間差定位方案利用信號到達(dá)多個基站的時間差計算信號源相對基站的位置。該方案要求基站的時鐘精確同步，因此，其配置和維護(hù)的工作量較大。雙向測距定位方案在2臺UWB設(shè)備之間實現(xiàn)點對點測距，其中一臺設(shè)備作為測距發(fā)起者，另一臺設(shè)備作為測距響應(yīng)者。該方案的測距原理如下：測距發(fā)起者向測距響應(yīng)者發(fā)送報文；測距響應(yīng)者收到報文后迅速處理，并發(fā)送響應(yīng)報文；測距發(fā)起者收到響應(yīng)報文后，利用高速計時芯片計算電波信號的往返時間，從而得到測距發(fā)起者與測距響應(yīng)者之間的距離。

UWB信號應(yīng)用于測距定位的優(yōu)勢在于：（1）發(fā)射功率極低，一般在0.1 mW以下，不易與現(xiàn)有的載波通信發(fā)生干擾；（2）時間分辨率較高，便于準(zhǔn)確判斷信號到達(dá)時刻，能夠在多路徑環(huán)境下確定首個到達(dá)的脈沖，從而解決無線測距中的多路徑問題。

3 UWB雙向測距定位技術(shù)在地下集裝箱

運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

在實際應(yīng)用中，每輛集裝箱運(yùn)輸車的前后部均裝有UWB通信模塊。在車輛行駛過程中，通信模塊不斷發(fā)出測距請求。如果其他車輛處于其通信范圍內(nèi)，則直接測出兩者間距，并在車距小于安全距離的情況下觸發(fā)車輛防撞保護(hù)機(jī)制。采用相干調(diào)制技術(shù)的UWB通信系統(tǒng)的測距精度達(dá)到2 cm，采樣頻率達(dá)到50 Hz以上，能夠最大程度地確保車輛行駛安全。該防撞方案已實際應(yīng)用于美國鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)。

在點對點測距防撞的基礎(chǔ)上，還可通過在地下集裝箱運(yùn)輸線路中設(shè)立分布式UWB基站網(wǎng)來動態(tài)監(jiān)測所有集裝箱運(yùn)輸車的位置和運(yùn)行情況。在實驗中，串行放置3輛集裝箱運(yùn)輸車，每輛集裝箱運(yùn)輸車的前后部均裝有UWB通信模塊，并在串行線的前后方各布置1個基站，用于實時定位車輛。計算每輛集裝箱運(yùn)輸車與最前方基站之間的距離，以此來表征車輛的定位結(jié)果。實驗結(jié)果顯示，基于UWB雙向測距定位技術(shù)的車輛定位結(jié)果準(zhǔn)確且穩(wěn)定，優(yōu)于傳統(tǒng)定位方法的定位結(jié)果。

4 結(jié)束語

綜上所述，UWB雙向測距定位技術(shù)能夠提供精確的車距信息，理論上能夠防止所有可能發(fā)生的車輛碰撞事故，在地下集裝箱運(yùn)輸領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。此外，UWB通信系統(tǒng)與現(xiàn)有的通信系統(tǒng)不易發(fā)生干擾，具有較好的適用性和兼容性?，F(xiàn)階段UWB定位和導(dǎo)航系統(tǒng)在無人車輛和無人機(jī)實時導(dǎo)航、人員和設(shè)備監(jiān)控等領(lǐng)域已積累了一定的應(yīng)用經(jīng)驗，未來在地下集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用也有望取得進(jìn)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李艷芳，楊拉明. 基于UWB的無線定位技術(shù)[J]. 電子設(shè)計工程，2014，22（8）：139-141.