基于列車間直接通信技術的避撞系統研究

陳啟香

（寶雞文理學院 電子電氣工程學院，陜西 寶雞　721000）

基于列車間直接通信技術的避撞系統研究

陳啟香

（寶雞文理學院 電子電氣工程學院，陜西 寶雞721000）

為了避免列車間碰撞事故發生，提出了一種基于列車間直接通信技術的避撞系統，設計了列車避撞系統的結構框架并定義了各子模塊的功能，同時對列車間直接通信技術、自主定位方式及避撞邏輯進行分析。作為信號系統的安全輔助系統，避撞系統可有效提升鐵路運輸安全性能。

列車間直接通信；定位；列車避撞；安全輔助

近些年來，列車速度的不斷提高，列車在區間內的碰撞事故頻頻發生。而列車在區間內的運行安全是由閉塞系統保證，既有線、新建線大多數是以CTCS-2級列控系統來保證，區間內追蹤運行的列車間沒有任何通信，僅靠車載或地面信號機顯示行車，而信號機的顯示是由列控中心控制；在建客專新路、高鐵線路，追蹤運行列車間的安全是由CTCS-3級列控系統來保證，CTCS-3級列控采用GSM-R通信，前后行列車間依靠GSM-R的基站及無線閉塞中心實現間接通信，通信環節多、可靠性不高。當列控中心或無線閉塞中心故障，直接導致追蹤運行列車間追尾事故的發生。因此很有必要研究一種避撞系統，該避撞系統所依賴的技術要獨立于現有信號系統，并不影響現有信號系統的工作，且作為現有限號系統的冗余系統。基于以上，本文提出了基于列車間直接通信的避撞系統。

避撞系統是交通領域防止交通工具發生碰撞的系統，其在公路、海事和航空領域都已經應用。但在軌道交通領域，德國航空航天中心 （DLR，German Aerospace Center）從 2006年開始對于鐵路碰撞防護系統進行研究［1-2］。

1　系統功能

文中提出的基于列車間直接通信技術的避撞系統疊加于現有列控系統之上，通過列車間直接通信技術實現彼此速度位置等信息的實時交換，依靠現有的定位技術實現自主定位，最終為列車駕駛員提供避撞預警信息，避免列車碰撞事故的發生，因此該避撞系統應具備以下基本功能模塊：

1）不依賴于地面基礎設施的直接通信模塊（車車通信）：要求不影響現有列車通信設備工作；

2）列車實時定位模塊：選取定位精度高、適應各種地理環境的車載定位技術；

3）車距計算模塊：根據得到的位置數據，實時計算追蹤運行列車間的間距，列車間間距是避撞系統工作所需基本數據之一；

4）獨立于現有信號系統的碰撞邏輯與預警判斷：避撞系統作為現有信號系統的安全輔助系統，每列車的車載安全計算機根據收到的位置、速度信息，再結合自身位置信息得出車距信息，然后按預設的預警邏輯進行判斷、評估碰撞風險，輸出不同級別的預警信息進行顯示；

5）系統自檢與故障診斷及相關數據的存儲于分析模塊：以提高系統工作的可靠性；

6）信息顯示模塊：包括預警信息、及前后行車、本車的位置間距信息。

2　結構設計

依據上述對基于列車間直接通信技術避撞系統設計原則及功能特點的分析，系統的總體結構框架圖如圖1所示。該系統主要完成列車間速度位置的收發、距離的推算、碰撞邏輯判斷、控制命令的執行等。

圖1　系統總體結構圖

基于列車間直接通信技術的避撞系統采用車車通信模塊實現前后行列車間自組式雙向通信或查詢—應答式通信［3］，測速定位模塊來實現列車自主定位［3］，安全計算機實現列車間距推算、碰撞邏輯判斷，并在人機交互子系統反映相關警示信息。

2　系統關鍵技術研究

1）列車間直接通信技術（車—車通信）

列車間直接通信技術是無地面基礎設施、無地面控制中心的移動端到移動端的無線移動通信技術，即M2M（Mobile to Mobile，移動端到移動端）［4］。

結合鐵路運行環境的特點（高山、隧道、樹林），列車間直接通信信道具有傳播環境復雜、伴有多徑衰落及多普勒頻頻移等，文獻［5，6］提出基于超短波的列車間直接通信技術并對其信道進行了研究。為使列車間直接通信技術能夠適應各種復雜環境，發信機采用多頻段的發信機，天線安裝在列車頂部，采用定向式多頻段天線，同時采用了Ad-hoc移動自組織網絡（MANET）作為系統的通信模式，與公路領域車—車通信VANTE相比，具有以下優點：鐵路網線狀分布，使得網絡拓撲結構簡單；列車運行按照運行計劃執行，使得網絡中移動節點較為固定，且運行軌跡有規律可循；同時不存在隱藏節點和暴露節點，使得MAC層協議簡單化。列車間直接通信技術的結構圖如圖2所示：

圖2　列車間直接通信系統框架圖

2）定位技術

列車的位置信息對碰撞檢測具有至關重要的作用，列車的運行環境既有地上部分，也有地下部分（隧道），因此對于定位技術的討論分兩部分。

①地上部分

參照德國宇航中心提出的 RCAS（RailwayCollision Avoidance System）所采用的定位技術并結合我國高速鐵路的運行環境，本文提出的避撞系統采用全球衛星導航系統GNSS（Global Navigation Satellite System）和傳感器融合的方式，將GNSS、里程計和渦流傳感器等傳感器的測量數據進行融合，融合后的數據通過地圖匹配算法的修正，最終列車的動態位置在既有的電子地圖上顯示［7-8］，其結構如圖3所示。

圖3　定位方式示意圖

②地下部分

GNSS并不適用于隧道區段，而渦流傳感器是除GNSS之外唯一能實現絕對定位的車載傳感器，因此可將渦流傳感器、點式應答器、數字地圖匹配和捷聯慣導定位技術進行合理組合［9-11］，即可滿足地下部分（隧道）的列車定位技術要求。

③避撞邏輯

在列車運行過程中其碰撞類型主要有：迎面相撞、追尾相撞及側沖相撞3種。本位提出的避撞系統主要針對于迎面相撞、追尾相撞，對于側沖相撞主要發生在存在道岔的路段，可利用文獻［12］提出的利用陀螺儀輔助進行道岔的判別，在道岔關鍵點使用陀螺儀信息檢查列車航向變化，進而防止側沖事故的發生。

為保證避撞系統的可靠工作，列車制動是又一關鍵技術環節。在列車制動距離的計算中，制動距離Sz為制動空走距離Sk和有效制動距離Se之和，結合列車牽引計算和動力學的相關理論得出現行列車Se的計算公式［13-14］：

其中，a為列車減速度；在計算Se時，需將列車制動初速度v0到制動末速度vm分段，v1，v2為每一段速度間隔的初速和末速；b為單位制動力；ω0為列車的單位基本阻力；ij為加算坡度，平直線路ij＝0；γ為列車回轉系數；g為重力加速度：tk為空走時間。

則列車制動距離：Sz＝Sk＋Se（m）。

將駕駛員反應時間treact（Dreact）及制動裕量Dadd考慮在內，列車安全停靠下來的制動距離 S=Sz+Dreact+Dadd。其中 Dreact= v0*treact，制動裕量Dadd的長度為列車當前速度的二次函數即Dadd=k0+k1v+k2v2，Dadd在高速運行時，為列車提供了足夠的裕量；在低速運行時，保證了列車之間間隔距離較短［15］。

1）迎面相撞

假設兩車初速度相同，制動性能也相同，則迎面相撞的預警距離為［3］：

2）追尾相撞

參照RCAS所定義的避撞預警距離：至少大于列車的制動距離，再結合列車間直接通信的通信范圍至少大于兩倍的列車制動距離，因此追尾相撞的預警距離為：

車載安全計算機的碰撞邏輯與預警判斷模塊不斷地進行運算、判斷，當兩列車距離達到預警距離時，避撞系統將觸發制動。

3　結　論

本論文提出的避撞系統借助列車間直接通信技術，實現同一線路上列車間信息的交換，當前列車根據自身狀態以及鄰近列車的狀態，進行避撞邏輯計算，進而判定碰撞風險并采取相關避撞策略。

基于列車間直接通信技術的避撞系統是對當前列車運行控制系統的一個良好補充，更加有效地避免列車間的相撞，保障我國鐵路運輸安全。

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Analysis of collision avoidance system based on train to train direct communication

CHEN Qi-xiang
（School of Electrical Engineering，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721000，China）

In order to avoid collision between tracing trains，the collision avoidance system based on train to train direct communication is designed in this paper.In this paper，System architecture and function of subsystems are presented，also the technology of train to train direct communication，location mode，and collision avoidance logic is discussed.As a safety assistant system of signal system，collision avoidance can increase the safety of transportation efficiently.

train to train direct communication；location；collision avoidance；safety assistant system

TN929.5

A

1674－6236（2016）16-0134-03

2016-02-26稿件編號：201602160

國家自然科學基金地區項目（61164010）；寶雞文理學院校級重點資助項目（ZK15087）

陳啟香（1988—），女，甘肅白銀人，碩士。研究方向：列車運行控制，鐵路通信與信號技術。