超寬帶無線通信技術在智能鐵路中的應用研究

盧冬霞

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

1 概述

智能鐵路已經成為鐵路行業發展趨勢，信息技術與鐵路產業的融合將給鐵路建設、運營、維護、旅客服務等方面帶來深遠影響。針對鐵路建設和運營中環境復雜、管理環節多方參與的狀況，鐵路建設單位、施工單位、設備廠商、監理單位等需要運用定位系統對鐵路人員、設備、材料等精細化安全生產管理。對相關技術進行對比分析，提出一種適用于智能鐵路的系統部署方案。

2 現狀分析

國內鐵路工程建設中建設、施工、監理等單位有大量人員需要進入隧道、站房等空間進行作業，由于環境危險惡劣，容易發生事故。當前采用的人員現場指揮和管理的方式，信息掌控實時性大、人力資源消耗大、調度效率低，迫切需要進行技術提升、實現信息化和智能化的管理[1-2]。通過建設精確、可靠、高效的定位系統，對人員和設備進行實時動態跟蹤，時刻掌握人員和物資在隧道和站房等區域的方位及活動軌跡，當遇到突發事故，可以迅速獲取人員和物資的位置信息，為后續進行救援搶險提供數據保障。

3 無線定位技術發展情況

目前，能夠適應在結構復雜、遮擋嚴重的區域內實現無線定位的技術主要包括：UWB 技術、Wi-Fi 技術、藍牙技術、RFID 技術，如表1 所示。

3.1 UWB室內定位

超寬帶（UWB）技術是一種高速、低成本和低功耗新興無線通信技術，通過發送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數據，可用于室內精確定位。基于UWB 的室內定位技術精度為6 ～10 cm，具有定位精度高、抗多徑干擾能力強、穿透能力強、傳輸速率高等優點。缺點是造價較高。但隨著產業成熟，工程造價會逐步降低。

表1 無線定位技術對比Tab.1 Comparison of wireless positioning technology

3.2 Wi-Fi室內定位

Wi-Fi 的頻段在世界范圍內是無需任何電信運營執照的，因此Wi-Fi 無線設備提供了一個世界范圍內可以使用的，費用極其低廉且數據帶寬極高的無線空中接口，Wi-Fi 定位也因其低成本而成為受眾廣泛的室內空間定位技術。基于Wi-Fi 的室內定位技術精度為2 ～50 m，傳輸帶寬在公用頻段，具有部署成本低、設備功耗低、適用于人員和移動設備定位等優點。Wi-Fi 的缺點是通信距離有限，穩定性差，組網能力差，安全性也較差。

3.3 藍牙室內定位

藍牙技術是一種無線數據與語音通信的開放性全球規范，可以實現固定設備、移動設備之間的短距離數據交換。將藍牙技術應用于室內定位領域，需要在室內安裝適當的藍牙局域網接入點，將網絡設為基于多用戶網絡的連接模式，使接入點始終在一個微網絡的主設備，通過信號強度值獲得用戶的位置，從而實現室內定位。目前，基于藍牙技術的室內定位精度能夠達到2 ～10 m，傳輸帶寬在2.4～2.485 GHz 的ISM 波段。具有設備功耗低、易于集成、適用于人員和移動設備定位等優點，但是其穩定性較差，容易受到干擾。

3.4 RFID室內定位

射頻識別技術(Radio Frequency Identification，RFID)是一種利用射頻信號實現對物體的自動識別并獲得相關信息的技術。RFID 室內空間定位技術是利用射頻通訊方式進行雙向的非接觸式數據交互，基于信號強度分析法，并采用聚類算法，通過識別檢測到的信號強弱來計算標識之間的距離，實現三維空間定位目的。基于RFID 的室內定位技術精度為0.05 ～5 m，具有定位精度高、成本低的優點。缺點是系統部署復雜、缺少國際化標準、安全性較低。

4 基于UWB的鐵路空間數字化應用

4.1 UWB技術優勢

通過對比分析上述4 種具有代表性的室內定位技術，可看出UWB 技術具有較為明顯的優勢，主要體現在以下幾點。

1）定位精度高

UWB 定位技術是目前定位精度最高可用于室內環境的無線定位技術，實驗室的最高精度可以達到厘米級，可以很好地滿足地鐵隧道和站房定位精度的要求。

2）電磁兼容性好

UWB 定位技術采用的是超寬帶納秒級脈沖發送數據，功率譜密度非常低（≤110 dBm，不會干擾其他通信系統），工作頻點高（3.5 ～6.1 GHz，可選擇），對周邊其他電子設備無影響，具有非常好的電磁兼容性和抗干擾能力，尤其適用于各類工程環境，十分適用于鐵路工程復雜的電磁環境。

3）設備能耗低

因為采用納秒級脈沖，其空中接口具有很低的占空因數，因此可實現定位設備的低功耗設計，尤其適用于對功耗敏感的智能穿戴產品，所以其設備功耗低，可以很好地滿足鐵路隧道和站房中的長時間作業需求。

4）發展前景好

UWB 技術屬于近年出現的新的精確無線定位技術，由于超寬帶納秒級脈沖帶來的眾多優勢，近年來在各個領域得到廣泛的重視，已成為當前主流的高精度無線定位技術，并具備一定的通信導航一體化能力，在各個行業的工程領域將得到更為廣泛的應用。

綜上所述，鐵路無線定位系統可以采用 UWB技術作為系統無線定位的解決手段，形成綜合解決方案。

4.2 基于UWB的鐵路空間數字化應用場景

基于UWB 的定位系統可以為鐵路施工、維護過程提供以下功能。

1）人員及車輛實時定位

UWB 定位在不同的環境中能實現不同維度的定位需求，可視化查看人員、物資、車輛的位置分布，便于工作調遣，提升生產效率；定位精度優于15 cm，在發生危險時，可依據人員分布位置信息快速救援。

2）電子圍欄

電子圍欄主要是通過在線發布相關控制信息，明確控制目標，在指定的管制區域內以脈沖監測的手段，通過實時上傳終端用戶的位置信息，來辨別行徑信息與圍欄邊界信息是否相悖，有著強大的阻擋作用和威懾作用。

3）電子地圖

結合地圖信息，基于UWB 的定位系統可以為鐵路施工維護人員精準的PTN 服務— 定位（Positioning）；導航（Navigation），授時體系（Timing）。

4）軌跡回訪

基于UWB 的定位系統支持長期存儲人員及車輛任一時間運行的軌跡，為還原事故、事件處理提供決策依據。

5）設備管理

UWB 技術具有高通信帶寬，可實現物聯網功能，與設備進行拓撲部署，實現運行狀態的實時監控。

4.3 基于UWB的鐵路空間數字化應用系統部署

1）系統結構

基于UWB 的鐵路空間數字化應用系統主要由移動終端、定位基站、交換機和位置管理服務器、數據庫構成，其系統結構如圖1所示。

圖1 系統總體框圖Fig.1 Total block diagram of the system

2）基站部署方案

鐵路定位系統可以按照以下方式部署。

a.站廳層

基站部署。在站廳層，可在距離墻面或廊柱15 cm 處部署一個，南北為一對，每兩個柱子部署一對；在電梯廳兩側各部署一個基站。盡量覆蓋規劃的站廳區域。

交換機部署。在站廳層部署專用交換機,部署在中心位置（電梯廳附近），與基站用網線連接，對基站提供POE 供電和時間同步，距離必須小于100 m。兩臺專用交換機可采取串聯形式連接。

b.站臺層

基站部署。部署在站臺層線路表示牌的下方，確保位于站臺和軌道中均可見，南北為一對，每兩個柱子部署一對，約17 m；在電梯廳兩側各部署一個基站。覆蓋規劃的站臺層區域。

交換機部署。在站廳層部署專用交換機,部署在中心位置（電梯廳附近），與基站用網線連接，對基站提供POE 供電和時間同步，距離必須小于100 m。兩臺專用交換機可采取串聯形式連接。

c.區間

基站部署。在區間每50 m 部署一個基站，實現一維定位。定位系統在區間連續覆蓋，重點部署在區間的出入口區域和道岔區域。

交換機部署。在區間，每臺交換機連接3 個基站，部署于3 臺基站的中間位置，交換機與基站以網線連接，對基站POE 供電和時間同步，距離必須小于100 m。

d.房間

在通信機房和綜合控制室的房間內分別部署一個基站和交換機，可實現零維定位，判斷房間內有無人員。

5 結論

通過對室內定位的相關技術分析，可以發現近年來室內定位已成為國內外研究熱點。針對鐵路環境復雜、遮擋嚴重的區域，研究分析UWB 無線定位技術的應用。UWB 技術因定位精度高、抗多徑干擾能力強、穿透能力強、傳輸速率高等優點，適合作為鐵路空間定位技術。結合鐵路空間環境特點，本文討論了基于UWB 的鐵路空間數字化應用場景，并給出了一種基于UWB 的鐵路空間數字化應用系統部署方案。