基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的地鐵列車(chē)防追尾方法研究

沈拓++鄧奇++張瑋瑋

【摘 要】地鐵列車(chē)的安全運(yùn)行由基于車(chē)-地雙向通信的列車(chē)自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)保障，當(dāng)列車(chē)自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)失效地鐵列車(chē)降級(jí)運(yùn)行時(shí)，有必要研究一種基于車(chē)-車(chē)直接通信的列車(chē)防追尾方法以保證地鐵列車(chē)的行車(chē)安全?；跓o(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的防追尾方法通過(guò)相應(yīng)算法測(cè)量車(chē)-車(chē)直接通信信號(hào)得到追蹤間隔，通過(guò)對(duì)比追蹤間隔與預(yù)警閾值，給出預(yù)警信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地鐵列車(chē)的避撞防護(hù)。本文介紹兩種應(yīng)用于地鐵列車(chē)防追尾方法中的無(wú)線(xiàn)測(cè)距技術(shù)，對(duì)其測(cè)距原理、設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究分析。

【關(guān)鍵詞】地鐵列車(chē)；車(chē)-車(chē)直接通信；防追尾；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)

0 引言

地鐵列車(chē)以其耗能少、運(yùn)行密度大等優(yōu)點(diǎn)在城市公共交通系統(tǒng)中占有突出地位。截至2014年底，中國(guó)內(nèi)地?fù)碛?01條在建及正式投入運(yùn)行的地鐵列車(chē)線(xiàn)路，運(yùn)行總里程達(dá)3155km。地鐵列車(chē)的運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，運(yùn)行速度較快，其運(yùn)行安全由具有故障-安全理念的列車(chē)超速防護(hù)系統(tǒng)（Automatic Train Protection ATP）保障[1]。系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致列車(chē)停車(chē)。在實(shí)際運(yùn)行中，為保證行車(chē)效率，在ATP切除后采用人工駕駛方式行車(chē)。此時(shí)，運(yùn)行的地鐵列車(chē)缺乏必要的通信交流，列車(chē)間的碰撞事故在所難免。2011年，上海地鐵10號(hào)線(xiàn)發(fā)生的“9.27”列車(chē)追尾事故正是因?yàn)榱熊?chē)在ATP切除狀態(tài)下運(yùn)行缺乏通信交流發(fā)生的。因此，研究列車(chē)的防追尾方法很有必要。

先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點(diǎn)收集信息，通過(guò)感知信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。將基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)測(cè)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(chē)的安全運(yùn)行，由無(wú)線(xiàn)測(cè)距信號(hào)實(shí)現(xiàn)車(chē)-車(chē)直接通信，通過(guò)該信號(hào)的測(cè)量得到列車(chē)的追蹤間隔。在保證地鐵列車(chē)安全運(yùn)行的前提下，提高運(yùn)行效率。

本文首先介紹地鐵列車(chē)基于車(chē)-車(chē)直接通信的防追尾方案，其次研究基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)測(cè)距技術(shù)，根據(jù)地鐵列車(chē)的運(yùn)行環(huán)境選擇適合的測(cè)距技術(shù)，最后對(duì)所選的測(cè)距技術(shù)的原理與實(shí)際的應(yīng)用情況進(jìn)行對(duì)比分析。

1 基于車(chē)-車(chē)直接通信的地鐵列車(chē)防追尾方案

地鐵列車(chē)防追尾方案的目的是不依賴(lài)于原有的基于車(chē)-地雙向通信的列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)，借助設(shè)備之間的直接通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)-車(chē)之間的信息交互，為列車(chē)駕駛員提供防碰撞的預(yù)警信息。該方案的系統(tǒng)框架見(jiàn)圖1。

該防追尾方案的介紹如下：

（1）實(shí)時(shí)車(chē)距計(jì)算：在地鐵列車(chē)司機(jī)室的頭尾部分別安裝測(cè)距設(shè)備，在兩列車(chē)追蹤運(yùn)行時(shí)，由前車(chē)的車(chē)尾設(shè)備與后車(chē)的車(chē)頭設(shè)備建立實(shí)時(shí)應(yīng)答機(jī)制，前后列車(chē)的設(shè)備間傳送測(cè)距信息。

（2）工作模式識(shí)別：系統(tǒng)能準(zhǔn)確識(shí)別頭尾端設(shè)備，根據(jù)線(xiàn)路區(qū)分上、下行情況并能夠保證在地鐵列車(chē)掉頭行駛時(shí)自動(dòng)切換工作模式。

（3）獨(dú)立于既有信號(hào)系統(tǒng)：系統(tǒng)根據(jù)建立實(shí)時(shí)應(yīng)答機(jī)制的設(shè)備實(shí)現(xiàn)車(chē)-車(chē)直接通信的功能，與基于車(chē)-地雙向無(wú)線(xiàn)通信的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)不產(chǎn)生信息交互。在ATP切除時(shí)能夠即刻識(shí)別并發(fā)出告警信息。

（4）預(yù)警信號(hào)：由測(cè)距設(shè)備測(cè)得列車(chē)追蹤運(yùn)行距離后，由系統(tǒng)之前設(shè)定好的極限閾值進(jìn)行對(duì)比，分等級(jí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，包括語(yǔ)音提示與屏幕顯示等信息輔助司機(jī)控制列車(chē)運(yùn)行，但不參與直接控車(chē)。

（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(duì)自身工作狀態(tài)與故障進(jìn)行診斷分析，并且能夠?qū)υO(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行記錄與分析。

上述為地鐵列車(chē)基于車(chē)-車(chē)直接通信的防追尾系統(tǒng)應(yīng)具有的功能。

2 無(wú)線(xiàn)測(cè)距技術(shù)的介紹

無(wú)線(xiàn)測(cè)距技術(shù)的發(fā)展在很大程度上得益于無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)的發(fā)展。這些技術(shù)的核心功能是通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中一些先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)感知到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的位置，并通過(guò)特定的算法進(jìn)而得到兩節(jié)點(diǎn)甚至多節(jié)點(diǎn)之間的距離[2]。將無(wú)線(xiàn)測(cè)距技術(shù)應(yīng)用在地鐵列車(chē)的車(chē)-車(chē)直接通信中，能夠感知到已建立應(yīng)答機(jī)制的運(yùn)行列車(chē)的位置，并通過(guò)測(cè)距技術(shù)的特定算法實(shí)時(shí)計(jì)算出列車(chē)行車(chē)的間隔。

結(jié)合地鐵列車(chē)的運(yùn)行環(huán)境，以及車(chē)-車(chē)直接通信的具體需求，對(duì)這幾種無(wú)線(xiàn)測(cè)距技術(shù)的特性進(jìn)行探討分析：

（1）GPS全球定位測(cè)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(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。但由于該技術(shù)在實(shí)現(xiàn)時(shí)較為復(fù)雜，當(dāng)?shù)罔F列車(chē)運(yùn)行至隧道等信號(hào)被阻隔的環(huán)境中時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確測(cè)距的功能。

（2）基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的定位測(cè)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(guò)移動(dòng)目標(biāo)與固定基站的坐標(biāo)交互，在獲得測(cè)量參數(shù)之后，實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。但由于該技術(shù)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)備的依賴(lài)性較大，不適應(yīng)于地鐵列車(chē)的運(yùn)行環(huán)境。

（3）基于WLAN的定位測(cè)距技術(shù)：在WIFI覆蓋的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)定位測(cè)距功能，而WIFI信號(hào)容易受到其它信號(hào)的干擾。地鐵列車(chē)的運(yùn)行控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，WIFI信號(hào)極易受到干擾。

（4）基于超聲波的定位測(cè)距技術(shù)：通過(guò)計(jì)算超聲波在空氣中傳播的時(shí)間得到測(cè)距結(jié)果，因?yàn)槌暡ǖ牟ㄊl(fā)散較為嚴(yán)重，在地鐵列車(chē)的長(zhǎng)大坡道與隧道等特殊環(huán)境中得到的測(cè)距結(jié)果不精確。

（5）基于RFID的定位測(cè)距技術(shù)：該技術(shù)利用標(biāo)簽進(jìn)入天線(xiàn)磁場(chǎng)后接收待定頻率的無(wú)線(xiàn)射頻信號(hào)[2]，該技術(shù)適應(yīng)于短距離測(cè)距且需要在地面安裝標(biāo)簽，工程量較大，不適用于地鐵列車(chē)的車(chē)-車(chē)直接通信的方案。

（6）基于ZigBee的定位測(cè)距技術(shù)：ZigBee 是基于 IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的一種低功耗局域網(wǎng)協(xié)議[3]，該種無(wú)線(xiàn)測(cè)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(qiáng)，測(cè)距范圍較遠(yuǎn)?？煽紤]將ZigBee信號(hào)應(yīng)用于地鐵列車(chē)間的無(wú)線(xiàn)通信中。

（7）基于CSS信號(hào)的定位測(cè)距技術(shù)： CSS（chirp spread spectrum）是多維多址接入技術(shù)的一種簡(jiǎn)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(diǎn)[4]。該技術(shù)有傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，采用SDS-TWR（Symmetric Double Sided Two Way Ranging）作為測(cè)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(cè)距精度，測(cè)距范圍較遠(yuǎn)?？煽紤]將CSS信號(hào)應(yīng)用于地鐵列車(chē)間的無(wú)線(xiàn)通信中。

由以上分析可得， ZigBee信號(hào)和CSS信號(hào)適應(yīng)性強(qiáng)，可應(yīng)用于地鐵列車(chē)的車(chē)-車(chē)直接通信。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的大力發(fā)展在很大程度上促進(jìn)了軌道交通的發(fā)展，將先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)測(cè)距技術(shù)應(yīng)用于列車(chē)間的信息傳輸能夠提高列車(chē)運(yùn)行的可靠性，這也將是軌道交通新的發(fā)展趨勢(shì)。

本文通過(guò)分析無(wú)線(xiàn)測(cè)距技術(shù)的特點(diǎn)，提出基于ZigBee信號(hào)的車(chē)-車(chē)通信方案與基于CSS信號(hào)的車(chē)-車(chē)通信方案，并對(duì)兩種方案的測(cè)距算法進(jìn)行介紹，最后對(duì)兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，為推進(jìn)列車(chē)防追尾的研究提供一些新思路。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]