宗清澤, 張 麗, 梁汝軍, 姜琨久

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司, 南京 210031)

城市軌道交通列車在運(yùn)行過程中，列車的運(yùn)行安全由列車自動防護(hù)ATP(Automatic Train Protection)系統(tǒng)予以保證。然而，由于城市軌道交通系統(tǒng)的高度復(fù)雜性，在實(shí)際運(yùn)營中信號和車輛的故障時有發(fā)生，且由于ATP的故障導(dǎo)向安全設(shè)計(jì)，在大多數(shù)故障情況下會導(dǎo)致列車停車。在這種情況下，一般會切除ATP轉(zhuǎn)為人工駕駛模式，此時列車缺乏設(shè)備層面的安全防護(hù)手段，誤操作或人員疏忽可能會導(dǎo)致十分嚴(yán)重的碰撞事故，存在較大風(fēng)險(xiǎn)。

因此，研究出一種獨(dú)立于信號系統(tǒng)且不干擾車輛其他設(shè)備、在ATP切除的情況下能有效防止列車碰撞的輔助防撞系統(tǒng)有很大的必要性和現(xiàn)實(shí)意義。

1 列車輔助防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

設(shè)計(jì)的列車輔助防撞系統(tǒng)主要由測距天線、RFID閱讀器、地面信標(biāo)、分析主機(jī)、操作屏、聲光報(bào)警單元等設(shè)備組成，每列車頭尾車各設(shè)一套獨(dú)立的設(shè)備,見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

首先，兩端主機(jī)讀取司機(jī)室激活信號確定各自工作狀態(tài)，并通過RFID閱讀器信息來確定列車的上、下行狀態(tài)；然后，列車在ATP切除以后，自動激活輔助防撞系統(tǒng)，通過測距天線主動向前方發(fā)射問詢信號，進(jìn)而基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻(CSS)信號測距原理，結(jié)合SDS-TWR算法，計(jì)算前后列車的距離并評估，最后輸出預(yù)警信息來輔助實(shí)現(xiàn)防撞功能。

1.2 工作原理

1.2.1主機(jī)工作狀態(tài)

列車上電激活后，分析主機(jī)自動檢測列車激活端鑰匙信號，根據(jù)列車激活端鑰匙信號來決定主機(jī)的工作狀態(tài)：激活端主機(jī)處于主動搜索狀態(tài)，非激活端主機(jī)處于被動應(yīng)答狀態(tài)。

1.2.2上、下行識別

列車進(jìn)入正線后，列車運(yùn)行于上行線還是下行線與受控司機(jī)室之間有一一對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)主控制器鑰匙開關(guān)輸出信號確定工作模式，并以此來判別自身是車頭設(shè)備還是車尾設(shè)備，從而決定其工作狀態(tài)[1]。但此方法僅適用于正線運(yùn)行的列車，對于特殊區(qū)段(折返區(qū)段、存車線、庫內(nèi)、試車線等)的識別仍不明確，故本系統(tǒng)采用設(shè)置地面信標(biāo)的方式來確定多種運(yùn)行工況。該信標(biāo)僅供輔助防撞系統(tǒng)使用，獨(dú)立于信號系統(tǒng)，具體安裝位置包括：

(1)出庫線道岔處安裝4個信標(biāo),見圖2。

圖2 正線道岔處信標(biāo)布置示意圖

(2)正線所有存在折返作業(yè)的道岔處均安裝4個信標(biāo)(以最復(fù)雜的存車線為例)，見圖3。

圖3 存車線信標(biāo)布置示意圖

按照上述布置不僅可以滿足正線列車的上、下行狀態(tài)判斷，還能滿足特殊區(qū)段(折返區(qū)段、存車線、庫內(nèi)、試車線等)的狀態(tài)識別，適用于各種復(fù)雜的地鐵線路工況。

1.2.3輔助防撞工作機(jī)理

通過前述的主機(jī)工作狀態(tài)和上、下行信息，建立前后列車的問詢-應(yīng)答式測距機(jī)制。主要工作步驟如下：

(1)在ATP切除模式下列車同時向前后發(fā)送問詢信號；

(2)前車尾端的設(shè)備收到問詢信號后，進(jìn)行信號鑒別和數(shù)據(jù)校核，若符合預(yù)定的通信協(xié)議，則向后車發(fā)送應(yīng)答信號，同時，后車頭端的設(shè)備則向前車發(fā)送應(yīng)答信號；

(3)車輛接收前、后車發(fā)射的應(yīng)答信號并進(jìn)行解碼；

(4)車輛通過計(jì)算發(fā)送問詢信號至收到應(yīng)答信號的時間差T，計(jì)算車距；

(5)車輛示警終端實(shí)時顯示前后車距離，若發(fā)現(xiàn)存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)則提前發(fā)出聲光示警，供駕駛員參考；當(dāng)前后車距達(dá)到危險(xiǎn)車距時，通過硬線輸出緊急制動。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻(CSS)信號定位技術(shù)，結(jié)合2.4G無線通信技術(shù)，運(yùn)用SDS-TWR算法，研究并設(shè)計(jì)出獨(dú)立于信號系統(tǒng)之外的列車輔助防撞系統(tǒng)。

1.3.12.4G無線技術(shù)

2.4G無線技術(shù)，其頻段處于2.405～2.485 GHz之間。該頻段無線技術(shù)無需許可證，只需要遵守一定的發(fā)射功率(小于1 W)，并且不對其他頻段造成干擾即可免費(fèi)使用，這使得2.4G無線技術(shù)能夠成熟地應(yīng)用于本系統(tǒng)。

1.3.2線性調(diào)頻擴(kuò)頻(CSS)無線測距技術(shù)

本系統(tǒng)采用的線性調(diào)頻擴(kuò)頻(CSS)技術(shù)，其相較于GPS、超聲波、移動網(wǎng)絡(luò)、WLAN網(wǎng)絡(luò)、ZigBee、無線射頻識別RFID等無線定位測距技術(shù)，其優(yōu)勢如表1所示。

表1 線性調(diào)頻擴(kuò)頻(CSS)技術(shù)性能優(yōu)勢表

1.3.3SDS-TWR算法

SDS-TWR的基本原理是利用無線通信中的傳播時延來測量兩點(diǎn)之間的距離。TWR測距法通過一次數(shù)據(jù)的往返來消除兩個節(jié)點(diǎn)時間不同步的影響。SDS-TWR則是在TWR的基礎(chǔ)上又進(jìn)行了一次反向的TWR。其測距流程如下(后車車頭為主動端，前車車尾為被動端)：

(1)由后車車頭向前車車尾發(fā)送測距數(shù)據(jù)包；

(2)前車車尾接收到該數(shù)據(jù)包后進(jìn)行信號鑒別和數(shù)據(jù)校核，若符合預(yù)定的通信協(xié)議，則發(fā)出確認(rèn)包，并計(jì)算從接受數(shù)據(jù)包到發(fā)出確認(rèn)包之間的時延T2；

(3)后車車頭接收前車車尾的確認(rèn)包，并計(jì)算從發(fā)出測距數(shù)據(jù)包到接收確認(rèn)包之間的時延T1；

(4)前車車尾發(fā)出測距數(shù)據(jù)包，其中數(shù)據(jù)幀包含T2；

(5)后車車頭接收前車車尾發(fā)出的含有T2的測距數(shù)據(jù)包，經(jīng)信號鑒別后發(fā)出確認(rèn)包，并計(jì)算從接受該測距數(shù)據(jù)包到發(fā)出確認(rèn)包之間的時延T3；

(6)前車車尾接受新的確認(rèn)包，并計(jì)算從發(fā)出含有T2的測距數(shù)據(jù)包到收到新的確認(rèn)包之間的時延T4；

(7)前車車尾向后車車頭發(fā)出含有T4的測距數(shù)據(jù)包。

圖4 SDS-TWR測距過程圖

理論上，在第1次測量中，T1、T2是兩倍的無線信號從后車車頭到前車車尾的傳播時延。同理，第2次測量中T3、T4也是兩倍的無線信號傳播時延。由此可知：后車車頭至前車車尾的傳播時延為：

(1)

設(shè)電磁波的傳播速度為c，那么后車車頭到前車車尾的距離計(jì)算式(2)：

(2)

通過SDS-TWR算法，不僅能夠消除時鐘不同步造成的測距影響，還能消除兩個節(jié)點(diǎn)之間時鐘漂移誤差造成的測距影響，進(jìn)一步提高測距精度[2]。

2 列車輔助防撞系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)ATP切除后列車的運(yùn)行需要，結(jié)合上述技術(shù)方案的工作原理，研究并設(shè)計(jì)出的輔助防撞系統(tǒng)具備以下功能：

(1)判斷列車狀態(tài)：能有效判斷列車所處的上、下行狀態(tài)，僅與同一股道上的列車通信；

(2)測距測速：能夠測出本列車與前車的實(shí)時距離，為司機(jī)提供判斷依據(jù)；

(3)預(yù)警：在車距達(dá)到預(yù)警距離時對司機(jī)進(jìn)行預(yù)警，提醒司機(jī)及時減速；

(4)觸發(fā)緊急制動：在達(dá)到危險(xiǎn)車距時，人工觸發(fā)緊急制動已有風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)直接輸出緊急制動；

(5)試車線防護(hù)：能夠?yàn)樵囓嚲€為人工駕駛狀態(tài)的列車提供防撞功能；

2.1 測距測速

前后列車建立通信后，通過SDS-TWR算法可獲得兩車之間的距離。分析主機(jī)需根據(jù)車輛牽引制動相關(guān)參數(shù)，計(jì)算列車的預(yù)警距離與緊急制動距離，計(jì)算的參數(shù)如表2(以運(yùn)行速度80 km/h，緊急制動平均減速度1.2 m/s2為例)：

表2 測距測速所需參數(shù)計(jì)算表

2.2 預(yù)警信息及緊急制動

(1)當(dāng)Sd(危險(xiǎn)距離)

(2)當(dāng)Sn(實(shí)時距離)≤Sd(危險(xiǎn)距離)時：系統(tǒng)輸出I級危險(xiǎn)信息，列車輔助防撞系統(tǒng)提供最高級示警，系統(tǒng)輸出最高級聲光報(bào)警，提示司機(jī)進(jìn)行緊急制動，或在試車線模式時直接實(shí)施緊急制動。

2.3 隧道彎道測距

當(dāng)彎道弧長一定的情況下，彎道的半徑越小，彎道曲率越大，無線信號折射次數(shù)也會越多。將隧道內(nèi)的無線傳輸數(shù)學(xué)模型簡化如圖5。

圖5 隧道彎道中無線傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型

圖5為無線信號沿內(nèi)徑切線傳播的電磁波路徑圖，計(jì)算在該路徑下無線信號傳播路徑與實(shí)際弧長誤差。表3所示為軌道半徑不同時，無線信號發(fā)生6次折射的最大傳播距離(這里認(rèn)為在6次折射范圍內(nèi)，無線信號能正常通訊；超過6次，無法正常通訊)，當(dāng)超過該值時，通訊無法連接。

表3 軌道半徑與最大傳播距離對照表

從表3可以看出，在無線通信范圍內(nèi)，無線信號傳播距離與彎道弧度距離相差較小(小于1%)。隨著轉(zhuǎn)彎半徑的減小，無線信號的通信距離減??；隨著轉(zhuǎn)彎半徑的增大，在不考慮信號衰減的情況下，通信距離增大。

2.4 試車線防護(hù)

為了保障列車在試車線的作業(yè)安全，系統(tǒng)在每條試車線兩端各設(shè)置一套輔助防撞裝置，試車線輔助防撞裝置包括測距天線和分析主機(jī)。當(dāng)作業(yè)車駛?cè)朐囓嚲€進(jìn)行調(diào)試作業(yè)時，列車激活端司機(jī)室天線為主動探測端，試車線天線為被動應(yīng)答端，主被動端之間建立通信，測定列車頭端到試車線終點(diǎn)的距離，及時向作業(yè)人員發(fā)出警示。

圖6 試車線安全輔助示意圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所研究的輔助防撞系統(tǒng)可用性，在某地鐵線路進(jìn)行了正線驗(yàn)證試驗(yàn)。

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場圖片

經(jīng)過實(shí)際追蹤驗(yàn)證試驗(yàn)，前、后兩列車車距在直線1 000 m范圍內(nèi)能有效捕獲，其中安全距離(350 m以上)范圍內(nèi)次數(shù)為371次；預(yù)警距離(350 m以內(nèi))范圍內(nèi)次數(shù)為81次，捕獲百分比為100%，距離和捕獲次數(shù)的關(guān)系統(tǒng)計(jì)如圖8所示。

圖8 距離-捕獲次數(shù)分布圖

試驗(yàn)證明：基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻信號(CSS)測距技術(shù)的輔助防撞系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性好，抗干擾能力強(qiáng)，在小半徑曲線和上下坡道區(qū)域能有效建立前后車通信實(shí)時測距，符合列車輔助防撞系統(tǒng)的功能需求。

4 結(jié)束語

無論是在正線ATP切除，還是在試車線人工駕駛模式下，文中所研究的列車輔助防撞系統(tǒng)，均能通過CSS技術(shù)實(shí)時測量同一軌道上兩車之間的距離，進(jìn)而為司機(jī)提供碰撞預(yù)警信息，同時在達(dá)到危險(xiǎn)車距時輸出緊急制動，從而保障列車的運(yùn)行安全。該系統(tǒng)能夠克服外界復(fù)雜電磁環(huán)境影響，具有探測范圍廣、可靠性高以及全天候工作的特點(diǎn)，為ATP切除后的列車提供了設(shè)備層面的安全保障，提高了城市軌道交通運(yùn)行的安全性與可靠性。