摘要：軌道車是軌道交通基礎設施建設和維護的重要工具。實際維護中，兩輛軌道車朝著同一方向分別進行獨立作業(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合的方式，實時獲取列車位置信息，同時，通過GSM通信技術，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。

關鍵詞：軌道車 防撞 GPS定位 GSM數據傳輸

0 引言

軌道車主要用于軌道交通施工、設備維護、緊急救援、定期檢查等工作，其安全運行關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，從而增加了相關設備的維護工作。由于線路設備維護作業(yè)增多，需要上線維護軌道車增加，導致多個地方相繼發(fā)生軌道車在作業(yè)過程中出發(fā)生相撞，因此，必須有一定的技術手段來確保行車安全。本文從實際工程應用的角度研究出一種基于“GPS定位+GSM數據傳輸+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據庫進行分析，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，達到預防軌道車防撞目的。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的安全。

1 防撞系統(tǒng)測量原理及構成

1.1 測量原理 軌道車防撞系統(tǒng)通過GPS設備在車輛運行過程連續(xù)獲取軌道車當前位置，通過光電編碼速度傳感器及數據庫定位技術，精確定位車輛位置，經數據處理設備實時處理、保存并通過GSM模塊實時發(fā)送相關數據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，并以公里標的形式來表示，實現對車輛的定位，定位信息有：車輛運行速度、工區(qū)號、行駛方向、公里標、所在位置前后接觸網支撐桿號。通過GSM通信技術將軌道車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據庫加以對比分析，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，準備停車。同時，考慮一定的安全裕度，閾值設置為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合的方法。GPS定位模塊誤差在10m以內，該誤差與軌道車行駛距離沒有相關性。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，在軌道車進入隧道時，偶爾會出現信號較差的情況，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行捕獲?？梢?，綜合應用兩種定位技術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據處理模塊）、GSM模塊（包含接收和發(fā)送模塊）、綜合數據處理設備（含控制模塊和語音報警）和顯示設備等5大部分組成。系統(tǒng)結構見圖1，系統(tǒng)柜見圖2。其中GPS模塊、GSM模塊、綜合數據處理設備（含控制模塊）、顯示設備、里程數據處理模塊安裝于車內，GPS天線安裝于車外，速度傳感器安裝車軸上。①綜合數據處理設備，主要完成對GPS信息、GSM接收數據和軌道車運行速度和里程進行處理。并對GPS信息進行計算；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前位置，為軌道車定位提供基礎數據；③GSM數據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、經緯度；④GSM數據發(fā)送模塊主要用于發(fā)送當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、經緯度；⑤里程數據采集模塊主要用于采集當前軌道車的速度，并計算軌道車運行的里程，并將數據傳送給綜合數據處理模塊，便于計算車輛的當前位置。

2 軌道車防撞系統(tǒng)實現

2.1 軟件模塊 在軌道車行駛前要對系統(tǒng)進行初始設置，設置該車輛的工區(qū)號、前行方向、初始公里標、初始桿號，設置的初始值必須已經在數據庫中有對應存檔，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)運行結束，圖3、4分別為防撞系統(tǒng)的軟件結構圖和軟件系統(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接收機獲取到軌道車經度、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度、緯度信息進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軌道車的經度和緯度；a2、 b2分別為B軌道車的經度和緯度。

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，此時必須通過數據庫，將軌道車位置與線路公里標和桿號進行關聯，這樣才能得到軌道車定位需要的距離，從而實現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，脈沖轉速傳感器安裝在車輪軸上，輪軸每轉動1周，傳感器輸出一定數目的脈沖，脈沖頻率與輪軸轉速成正比。輸出的脈沖經隔離和整形后直接輸入計算機CPU進行頻率測量，再經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數據傳輸模塊發(fā)送相應接收端，實現數據共享以便軌道車互相定位。

當軌道車運行時，輪軸脈沖速度傳感器輸出脈沖信號，傳感器每轉動1周輸出N個脈沖，通過計數模塊對脈沖數進行計算，每個脈沖對應的車輪走行距離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動1周輸出脈沖數。

實際使用中，ΔL一般在10mm左右，經過長距離行駛后，會產生累計誤差，系統(tǒng)通過GPS信息結合數據信息對累計誤差進行修正。

2.4 GSM數據傳輸模塊 軌道車防撞系統(tǒng)數據傳輸模塊，根據其無線通信鏈路的不同，有集群通信系統(tǒng)和GSM移動網絡兩種選擇。在本系統(tǒng)中采用了GSM移動網絡，GSM移動網絡有如下優(yōu)勢：①GSM移動網絡最大限度節(jié)省了成本；②采用GSM網絡，可以通過短消息完成數據交換，由于這套系統(tǒng)每次所需傳輸的數據量相對較小，短消息業(yè)務是最理想的選擇；③GSM移動網絡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 數據庫模塊 軌道車防撞系統(tǒng)數據庫模塊取每根接觸網支柱的標號為桿號，在系統(tǒng)運行時，必須提前對每個工區(qū)編輯公里標、桿號等數據信息，以建立數據庫，為軌道車運行時提供參考依據。數據庫數據信息有里程工區(qū)號、公里標、接觸網桿號、行駛方向。數據庫信息的導入、生成和數據庫維護都通過數據庫模塊完成（圖6）。數據庫模塊主要功能如下。①導入桿號數據。從excel線路數據表格中，將桿號基礎數據導入到數據庫；②導入公里標數據。從excel線路數據表格中，將公里標數據導入到數據庫；③查看/修改。查看/修改數據庫中已有的線路數據；④添加/刪除線路。添加/刪除線路信息；⑤公里標數據庫轉換工具。轉換公里標數據庫。

3 結束語

本文研究的基于GPS、GSM和里程定位技術的軌道車防撞系統(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，可達到以下性能指標：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，并進行語音提示；③任意兩輛軌道作業(yè)車之間距離小于設定值時自動警示；④實現管理中心實時監(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。