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(chē)為載運(yùn)工具，通過(guò)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(chē)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(diǎn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人駕駛，在提高可靠性和降低人力成本方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。當(dāng)?shù)孛孢\(yùn)輸受限時(shí)，地下集裝箱運(yùn)輸車(chē)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(chē)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(chē)輛運(yùn)輸?shù)陌踩耘c整個(gè)車(chē)隊(duì)的運(yùn)輸效率之間存在矛盾關(guān)系：為了防止車(chē)輛之間發(fā)生碰撞，需要保持安全車(chē)距；而為了提高運(yùn)輸效率，又需要盡量壓縮車(chē)距，以增加單位時(shí)間內(nèi)的通行量。在地下集裝箱運(yùn)輸車(chē)的安全監(jiān)控和調(diào)度中，最重要的信息就是車(chē)輛定位信息；因此，對(duì)地下集裝箱運(yùn)輸車(chē)的實(shí)時(shí)、精確定位是實(shí)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(chē)距，從而提高運(yùn)行效率。本文針對(duì)傳統(tǒng)地下集裝箱運(yùn)輸車(chē)定位方法存在的不足之處，提出將超寬帶（ultra-wide band，UWB）雙向測(cè)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(shí)現(xiàn)車(chē)輛安全防撞的同時(shí)，最大限度地提高車(chē)隊(duì)運(yùn)輸效率。

1 傳統(tǒng)地下集裝箱運(yùn)輸車(chē)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(xiàn)路設(shè)計(jì)之初，用S棒將整條線(xiàn)路分為多個(gè)區(qū)段，并對(duì)所有區(qū)段進(jìn)行編碼，用數(shù)字化方式描述車(chē)輛及其運(yùn)行線(xiàn)路，從而形成車(chē)輛運(yùn)行線(xiàn)路圖，并儲(chǔ)存在車(chē)載控制器中。為了準(zhǔn)確判斷車(chē)輛是否越過(guò)區(qū)段邊界，并防止相鄰區(qū)段電路的音頻信號(hào)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(chē)輛運(yùn)行時(shí)，其所在區(qū)段的電路發(fā)出已被占用的信號(hào)。通過(guò)跟蹤各區(qū)段的電路占用狀態(tài)，即可確定所有車(chē)輛在整條線(xiàn)路中的位置。

傳統(tǒng)的數(shù)字電路定位方法只能確定車(chē)輛占用的線(xiàn)路區(qū)段，而無(wú)法確定車(chē)輛的精確位置。精確定位一般采用無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別信標(biāo)。信標(biāo)分為有源信標(biāo)和無(wú)源信標(biāo)。有源信標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)地下集裝箱運(yùn)輸車(chē)與地面之間的雙向通信。無(wú)源信標(biāo)的工作原理類(lèi)似于非接觸式集成電路卡：當(dāng)?shù)叵录b箱運(yùn)輸車(chē)經(jīng)過(guò)無(wú)源信標(biāo)時(shí)，無(wú)源信標(biāo)被車(chē)載天線(xiàn)發(fā)射的電磁波所激勵(lì)，并將絕對(duì)位置信息傳遞給車(chē)輛，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛定位功能。

此外，還可采用車(chē)輪編碼器估算車(chē)輛的實(shí)時(shí)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(chē)輪容易打滑的情況下：當(dāng)車(chē)輛加速時(shí)，安裝在驅(qū)動(dòng)輪上的編碼器會(huì)高估車(chē)速，安裝在從動(dòng)輪上的編碼器會(huì)低估車(chē)速；當(dāng)車(chē)輛減速時(shí)，所有車(chē)輪上的編碼器都會(huì)低估車(chē)速。其次，在車(chē)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(duì)車(chē)輪的實(shí)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(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別信標(biāo)或車(chē)輪編碼器等技術(shù)的傳統(tǒng)地下集裝箱運(yùn)輸車(chē)定位方法均先確定車(chē)輛自身位置，再將車(chē)輛位置信息傳遞給中央控制器，從而間接獲得車(chē)距信息并用于防撞保護(hù)，在實(shí)時(shí)性和可靠性等方面存在一定不足之處。

2 UWB信號(hào)特點(diǎn)及測(cè)距原理

UWB信號(hào)是經(jīng)過(guò)偽隨機(jī)編碼后的一串脈沖。每次通信（一個(gè)數(shù)據(jù)包）包含數(shù)千個(gè)甚至數(shù)十萬(wàn)個(gè)脈沖，持續(xù)時(shí)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(lèi)似碼分多址的方式支持多個(gè)獨(dú)立工作的信道。UWB芯片頻率根據(jù)品牌和型號(hào)的不同而有所不同，其頻率范圍一般為1～ 2 GHz[1]。

UWB信號(hào)形式類(lèi)似于噪聲，與窄頻的載波信號(hào)有明顯區(qū)別。當(dāng)沒(méi)有信號(hào)傳輸時(shí)，UWB通信采用靜默電平，而載波通信中一直都有載波信號(hào)；因此，UWB通信可以確定信號(hào)到達(dá)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)精確測(cè)距。

基于UWB信號(hào)的無(wú)線(xiàn)定位分為到達(dá)時(shí)間差定位方案和雙向測(cè)距定位方案。到達(dá)時(shí)間差定位方案利用信號(hào)到達(dá)多個(gè)基站的時(shí)間差計(jì)算信號(hào)源相對(duì)基站的位置。該方案要求基站的時(shí)鐘精確同步，因此，其配置和維護(hù)的工作量較大。雙向測(cè)距定位方案在2臺(tái)UWB設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)距，其中一臺(tái)設(shè)備作為測(cè)距發(fā)起者，另一臺(tái)設(shè)備作為測(cè)距響應(yīng)者。該方案的測(cè)距原理如下：測(cè)距發(fā)起者向測(cè)距響應(yīng)者發(fā)送報(bào)文；測(cè)距響應(yīng)者收到報(bào)文后迅速處理，并發(fā)送響應(yīng)報(bào)文；測(cè)距發(fā)起者收到響應(yīng)報(bào)文后，利用高速計(jì)時(shí)芯片計(jì)算電波信號(hào)的往返時(shí)間，從而得到測(cè)距發(fā)起者與測(cè)距響應(yīng)者之間的距離。

UWB信號(hào)應(yīng)用于測(cè)距定位的優(yōu)勢(shì)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(shí)間分辨率較高，便于準(zhǔn)確判斷信號(hào)到達(dá)時(shí)刻，能夠在多路徑環(huán)境下確定首個(gè)到達(dá)的脈沖，從而解決無(wú)線(xiàn)測(cè)距中的多路徑問(wèn)題。

3 UWB雙向測(cè)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(shí)際應(yīng)用中，每輛集裝箱運(yùn)輸車(chē)的前后部均裝有UWB通信模塊。在車(chē)輛行駛過(guò)程中，通信模塊不斷發(fā)出測(cè)距請(qǐng)求。如果其他車(chē)輛處于其通信范圍內(nèi)，則直接測(cè)出兩者間距，并在車(chē)距小于安全距離的情況下觸發(fā)車(chē)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(cè)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(chē)輛行駛安全。該防撞方案已實(shí)際應(yīng)用于美國(guó)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)。

在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)距防撞的基礎(chǔ)上，還可通過(guò)在地下集裝箱運(yùn)輸線(xiàn)路中設(shè)立分布式UWB基站網(wǎng)來(lái)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)所有集裝箱運(yùn)輸車(chē)的位置和運(yùn)行情況。在實(shí)驗(yàn)中，串行放置3輛集裝箱運(yùn)輸車(chē)，每輛集裝箱運(yùn)輸車(chē)的前后部均裝有UWB通信模塊，并在串行線(xiàn)的前后方各布置1個(gè)基站，用于實(shí)時(shí)定位車(chē)輛。計(jì)算每輛集裝箱運(yùn)輸車(chē)與最前方基站之間的距離，以此來(lái)表征車(chē)輛的定位結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，基于UWB雙向測(cè)距定位技術(shù)的車(chē)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(yǔ)

綜上所述，UWB雙向測(cè)距定位技術(shù)能夠提供精確的車(chē)距信息，理論上能夠防止所有可能發(fā)生的車(chē)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(wú)人車(chē)輛和無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)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(yàn)，未來(lái)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(wú)線(xiàn)定位技術(shù)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程，2014，22（8）：139-141.