基于無線傳感器網絡的地鐵列車防追尾方法研究

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保障，當列車自動防護系統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。基于無線傳感器網絡的防追尾方法通過相應算法測量車-車直接通信信號得到追蹤間隔，通過對比追蹤間隔與預警閾值，給出預警信息，進而實現地鐵列車的避撞防護。本文介紹兩種應用于地鐵列車防追尾方法中的無線測距技術，對其測距原理、設計方案進行研究分析。

【關鍵詞】地鐵列車；車-車直接通信；防追尾；無線傳感器網絡

0 引言

地鐵列車以其耗能少、運行密度大等優點在城市公共交通系統中占有突出地位。截至2014年底，中國內地擁有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。地鐵列車的運行環境較為復雜，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（Automatic Train Protection ATP）保障[1]。系統出現故障時，會導致列車停車。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號線發生的“9.27”列車追尾事故正是因為列車在ATP切除狀態下運行缺乏通信交流發生的。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絡由節點收集信息，通過感知信號對系統進行控制。將基于無線傳感器網絡的無線測距技術應用于軌道交通領域，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絡的無線測距技術，根據地鐵列車的運行環境選擇適合的測距技術，最后對所選的測距技術的原理與實際的應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，借助設備之間的直接通信技術，實現車-車之間的信息交互，為列車駕駛員提供防碰撞的預警信息。該方案的系統框架見圖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備，在兩列車追蹤運行時，由前車的車尾設備與后車的車頭設備建立實時應答機制，前后列車的設備間傳送測距信息。

（2）工作模式識別：系統能準確識別頭尾端設備，根據線路區分上、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：系統根據建立實時應答機制的設備實現車-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不產生信息交互。在ATP切除時能夠即刻識別并發出告警信息。

（4）預警信號：由測距設備測得列車追蹤運行距離后，由系統之前設定好的極限閾值進行對比，分等級發出預警信號，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）系統自檢與故障診斷：系統應具備上電自檢的功能，對自身工作狀態與故障進行診斷分析，并且能夠對設備的工作狀態進行記錄與分析。

上述為地鐵列車基于車-車直接通信的防追尾系統應具有的功能。

2 無線測距技術的介紹

無線測距技術的發展在很大程度上得益于無線定位技術的發展。這些技術的核心功能是通過無線傳感器網絡中一些先進的無線定位技術感知到當前節點的位置，并通過特定的算法進而得到兩節點甚至多節點之間的距離[2]。將無線測距技術應用在地鐵列車的車-車直接通信中，能夠感知到已建立應答機制的運行列車的位置，并通過測距技術的特定算法實時計算出列車行車的間隔。

結合地鐵列車的運行環境，以及車-車直接通信的具體需求，對這幾種無線測距技術的特性進行探討分析：

（1）GPS全球定位測距技術：該技術是現階段的定位技術中發展最為成熟的，它能夠結合衛星與通訊技術實現測距功能。但由于該技術在實現時較為復雜，當地鐵列車運行至隧道等信號被阻隔的環境中時，無法實現精確測距的功能。

（2）基于移動網絡的定位測距技術：該技術能夠實現50m范圍內的精確定位，通過移動目標與固定基站的坐標交互，在獲得測量參數之后，實現測距功能。但由于該技術對基礎設備的依賴性較大，不適應于地鐵列車的運行環境。

（3）基于WLAN的定位測距技術：在WIFI覆蓋的范圍內實現定位測距功能，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較為復雜，WIFI信號極易受到干擾。

（4）基于超聲波的定位測距技術：通過計算超聲波在空氣中傳播的時間得到測距結果，因為超聲波的波束發散較為嚴重，在地鐵列車的長大坡道與隧道等特殊環境中得到的測距結果不精確。

（5）基于RFID的定位測距技術：該技術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]，該技術適應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：ZigBee 是基于 IEEE802.15.4 標準的一種低功耗局域網協議[3]，該種無線測距技術通常采用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。可考慮將ZigBee信號應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： CSS（chirp spread spectrum）是多維多址接入技術的一種簡便應用，它融合了三種典型的調制技術各自的優點[4]。該技術有傳輸距離遠、功耗低等優點，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設施，具有較高的測距精度，測距范圍較遠。可考慮將CSS信號應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信號適應性強，可應用于地鐵列車的車-車直接通信。

4 結語

無線傳感器網絡的大力發展在很大程度上促進了軌道交通的發展，將先進的無線測距技術應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展趨勢。

本文通過分析無線測距技術的特點，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]