沈拓++鄧奇++張瑋瑋

【摘 要】地鐵列車的安全運行由基于車-地雙向通信的列車自動防護系統(tǒng)保障，當列車自動防護系統(tǒng)失效地鐵列車降級運行時，有必要研究一種基于車-車直接通信的列車防追尾方法以保證地鐵列車的行車安全?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的防追尾方法通過相應(yīng)算法測量車-車直接通信信號得到追蹤間隔，通過對比追蹤間隔與預(yù)警閾值，給出預(yù)警信息，進而實現(xiàn)地鐵列車的避撞防護。本文介紹兩種應(yīng)用于地鐵列車防追尾方法中的無線測距技術(shù)，對其測距原理、設(shè)計方案進行研究分析。

【關(guān)鍵詞】地鐵列車；車-車直接通信；防追尾；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

0 引言

地鐵列車以其耗能少、運行密度大等優(yōu)點在城市公共交通系統(tǒng)中占有突出地位。截至2014年底，中國內(nèi)地擁有101條在建及正式投入運行的地鐵列車線路，運行總里程達3155km。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)（Automatic Train Protection ATP）保障[1]。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，研究列車的防追尾方法很有必要。

先進的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點收集信息，通過感知信號對系統(tǒng)進行控制。將基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線測距技術(shù)應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域，在ATP切除后為保證地鐵列車的安全運行，由無線測距信號實現(xiàn)車-車直接通信，通過該信號的測量得到列車的追蹤間隔。在保證地鐵列車安全運行的前提下，提高運行效率。

本文首先介紹地鐵列車基于車-車直接通信的防追尾方案，其次研究基于無線傳感器網(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)用情況進行對比分析。

1 基于車-車直接通信的地鐵列車防追尾方案

地鐵列車防追尾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。該方案的系統(tǒng)框架見圖1。

該防追尾方案的介紹如下：

（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控制列車運行，但不參與直接控車。

（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-車直接通信的防追尾系統(tǒng)應(yīng)具有的功能。

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[2]。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。但由于該技術(shù)在實現(xiàn)時較為復(fù)雜，當?shù)罔F列車運行至隧道等信號被阻隔的環(huán)境中時，無法實現(xiàn)精確測距的功能。

（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)境中得到的測距結(jié)果不精確。

（5）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，不適用于地鐵列車的車-車直接通信的方案。

（6）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[3]，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，該種算法的適用性較強，測距范圍較遠?？煽紤]將ZigBee信號應(yīng)用于地鐵列車間的無線通信中。

（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[4]。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。

由以上分析可得， ZigBee信號和CSS信號適應(yīng)性強，可應(yīng)用于地鐵列車的車-車直接通信。

4 結(jié)語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大力發(fā)展在很大程度上促進了軌道交通的發(fā)展，將先進的無線測距技術(shù)應(yīng)用于列車間的信息傳輸能夠提高列車運行的可靠性，這也將是軌道交通新的發(fā)展趨勢。

本文通過分析無線測距技術(shù)的特點，提出基于ZigBee信號的車-車通信方案與基于CSS信號的車-車通信方案，并對兩種方案的測距算法進行介紹，最后對兩種方案的優(yōu)缺點進行對比，為推進列車防追尾的研究提供一些新思路。

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[責任編輯：楊玉潔]