基于SINS的地鐵列車防撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

馬艷彬

摘要：本文設(shè)計了一種基于SINS的地鐵列車防撞預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)通過SINS測量的運(yùn)動信息實時計算列車的位置和速度，并通過微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到相鄰列車，并對接收到的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警判斷處理，結(jié)果通過嵌入式顯示終端設(shè)備向列車司機(jī)提供安全預(yù)警信息。本文對地鐵列車防撞預(yù)警系統(tǒng)的定位方法、無線通信技術(shù)、預(yù)警邏輯等進(jìn)行分析與設(shè)計，最后對地鐵列車防撞預(yù)警系統(tǒng)定位性能和預(yù)警功能進(jìn)行了測試。經(jīng)過測試，本防撞預(yù)警系統(tǒng)可為列車駕駛員實時提供本列車同前后列車的車距信息以及本列車的速度位置信息，能夠?qū)崿F(xiàn)地鐵列車的防撞預(yù)警。

關(guān)鍵詞：SINS；防撞；地鐵列車；預(yù)警

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，我國城市軌道交通近幾年來發(fā)展進(jìn)程很快，截至2017年1月，中國已開通地鐵的城市達(dá)到31個。雖然我國城市地鐵建設(shè)發(fā)展迅速，但是城市地鐵的防撞預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展卻處于相對滯后的狀態(tài)。目前，地鐵列車車載控制設(shè)備僅能夠通過地面無線通信基站和軌道電路等地面設(shè)施提供的信號獲取當(dāng)前線路的信息，以保證列車的安全運(yùn)行。如果地面列車運(yùn)行控制設(shè)備發(fā)生故障，接近運(yùn)行的地鐵列車之間不能及時有效地獲取前后列車的車距信息，就可能導(dǎo)致列車追尾碰撞事故。

本文設(shè)計的地鐵列車防撞預(yù)警系統(tǒng)能夠獨(dú)立于既有的信號系統(tǒng)，列車控制系統(tǒng)可以不依賴地面設(shè)備直接獲取附近地鐵列車的速度與位置信息，通過系統(tǒng)控制計算機(jī)計算出本列車和臨近列車的列車間隔距離，當(dāng)列車間距小于預(yù)先設(shè)置的安全車距時，防撞預(yù)警系統(tǒng)能夠向列車駕駛員發(fā)出預(yù)警，提醒駕駛員發(fā)現(xiàn)危險情況并及時做出響應(yīng)，確保列車安全運(yùn)行。本文根據(jù)地鐵列車防撞預(yù)警系統(tǒng)功能需求，確定了系統(tǒng)總體設(shè)計方案，對于關(guān)鍵技術(shù)做了詳細(xì)分析設(shè)計。

一、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

地鐵列車防撞預(yù)警系統(tǒng)的主要功能是能夠?qū)崿F(xiàn)同一軌道上相近列車的通信，為列車駕駛員提供所在列車和相鄰列車的運(yùn)行情況，以防止列車發(fā)生追尾事故。根據(jù)以上功能分析，設(shè)計了地鐵列車防撞預(yù)警系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，如圖1。該系統(tǒng)主要由地面設(shè)備和車載設(shè)備組成。車載設(shè)備由系統(tǒng)控制計算機(jī)模塊、無線數(shù)傳模塊、信號標(biāo)簽閱讀器、預(yù)警顯示終端和慣性定位模塊組成，是防撞系統(tǒng)的核心設(shè)備。車載設(shè)備1根據(jù)捷聯(lián)慣導(dǎo)測量數(shù)據(jù)計算列車的實時位置和速度信息，并通過讀取軌道旁信號標(biāo)簽存儲的位置信息去修正慣導(dǎo)的位置累計誤差，計算結(jié)果通過雙頻無線發(fā)送設(shè)備發(fā)送到相鄰地鐵列車上的車載設(shè)備2，同時車載設(shè)備2將位置信息發(fā)送至車載設(shè)備1，各個車載設(shè)備獨(dú)立計算出與相鄰列車之間的距離，通過預(yù)警邏輯判斷間距是否小于安全列車間隔距離，并給出相應(yīng)的預(yù)警信號，在預(yù)警終端顯示設(shè)備上為司機(jī)提供當(dāng)前列車運(yùn)行狀態(tài)，為列車司機(jī)駕駛列車提供輔助信息。

圖1地鐵列車防撞預(yù)警系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

二、系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

（一）系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件是整個系統(tǒng)的重要組成部分，列車安全預(yù)警系統(tǒng)分為四個部分，分別為列車定位模塊、無線數(shù)傳模塊、LCD終端顯示模塊和系統(tǒng)控制計算機(jī)模塊。

本系統(tǒng)選擇EasyCortex M3-1752開發(fā)板作為系統(tǒng)控制計算機(jī)。該計算機(jī)板載的CAN通信接口可實現(xiàn)與LCD顯示終端的通信，板載的4個串口資源可以實現(xiàn)信標(biāo)讀取器、慣導(dǎo)設(shè)備、和無線通信模塊之間的通信。本系統(tǒng)的SINS單元使用的是湖南遠(yuǎn)望公司生產(chǎn)的YW-GC7510型號的光纖慣性導(dǎo)航測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用光纖陀螺儀和石英加速度計作為慣性敏感元件，可為列車提供高精度、全自主的導(dǎo)航信息。標(biāo)簽讀寫器使用的是ZK-RFID101無源中距離讀寫器，標(biāo)簽卡使用的ZK-RFID601無源電子標(biāo)簽。本系統(tǒng)中無線數(shù)傳模塊采用的是JZ891微功率無線數(shù)傳模塊和JZ873小功率無線數(shù)傳模塊用于車載設(shè)備之間無線數(shù)據(jù)的傳輸。LCD預(yù)警終端顯示模塊采用的是LR-056AD-B型號的5.6寸顯示屏，支持CAN總線通信，實現(xiàn)預(yù)警信息顯示。

（二）系統(tǒng)核心軟設(shè)計

本文設(shè)計的列車防撞預(yù)警系統(tǒng)是根據(jù)臨近同向列車的速度與位置信息，計算出列車間距，當(dāng)列車間距小于預(yù)置的安全車距時，系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出預(yù)警信息，確保列車安全運(yùn)行。所以列車定位技術(shù)和列車之間的無線數(shù)據(jù)傳輸是系統(tǒng)的核心。

1.預(yù)警邏輯程序設(shè)計。系統(tǒng)控制計算機(jī)通過對雙頻無線接收模塊接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)正確無誤則進(jìn)行預(yù)警邏輯計算。系統(tǒng)首先根據(jù)通信協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行解包處理，得到附近列車的編號、位置、行車方向等信息。然后根據(jù)附近列車的位置信息，判斷列車在本車的方位，并計算列車之間的車距信息，根據(jù)計算得到的列車車距信息判斷是否有碰撞的危險，并將預(yù)警結(jié)果發(fā)送到顯示終端。預(yù)警邏輯的軟件設(shè)計流程圖如圖2。

圖2 預(yù)警邏輯軟件流程圖

2. SINS解算軟件設(shè)計。SINS解算，包括位置、姿態(tài)、速度的計算。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的工作過程經(jīng)歷兩個階段：初始對準(zhǔn)階段和導(dǎo)航階段。其算法流程圖如圖3。

圖3 捷聯(lián)慣導(dǎo)解算流程圖

三、系統(tǒng)測試

（一）SINS定位跑車測試

地鐵列車SINS定位方法是系統(tǒng)的主要定位方法，慣導(dǎo)定位精度直接決定預(yù)警的準(zhǔn)確性。為了驗證慣導(dǎo)定位模塊的定位精度，進(jìn)行了數(shù)十次跑車實驗。實驗中以GPS定位數(shù)據(jù)作為參考，來評價慣導(dǎo)定位的精度。本文選擇了其中一次實驗結(jié)果做分析，圖4為位置及誤差曲線。

圖4 跑車位置及誤差

從圖4經(jīng)緯度誤差曲線圖中可以看出，在2分鐘內(nèi)慣導(dǎo)的緯度定位誤差最大達(dá)到4米，經(jīng)度誤差最大不超過1.5米。通過實驗可知，慣導(dǎo)定位在地鐵列車運(yùn)行期間可以提供相當(dāng)精確的速度和位置，而且具有較高的實時性和穩(wěn)定性，能夠滿足地鐵列車區(qū)間定位的要求。

（二）系統(tǒng)功能測試

系統(tǒng)預(yù)警功能測試采用兩臺樣機(jī)設(shè)備模擬地鐵列車運(yùn)行過程中的狀態(tài)進(jìn)行仿真測試，實驗測試環(huán)境如圖5。實驗時設(shè)置最低預(yù)警門限值為110米。PC機(jī)模擬SINS設(shè)備，通過PC機(jī)向車載設(shè)備發(fā)送SINS的跑車數(shù)據(jù)，進(jìn)行捷聯(lián)慣導(dǎo)解算實時計算列車的位置信息，設(shè)備二靜止，速度為零，通過標(biāo)簽閱讀器讀取位置標(biāo)簽改變設(shè)備二的位置，所使用的位置標(biāo)簽卡分別是900米、300米的標(biāo)簽卡。測試結(jié)果如圖6。

圖5 系統(tǒng)功能測試環(huán)境

圖6 系統(tǒng)功能測試結(jié)果

經(jīng)過模擬仿真實驗驗證，本系統(tǒng)可以實現(xiàn)二級預(yù)警功能，通過預(yù)警顯示終端給司機(jī)提供了相應(yīng)的告警提示，預(yù)警效果明顯。

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