軌道車防撞系統(tǒng)研究

摘要：軌道車是軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和維護(hù)的重要工具。實(shí)際維護(hù)中，兩輛軌道車朝著同一方向分別進(jìn)行獨(dú)立作業(yè)，在兩車不知彼此定位信息時(shí)，極有可能發(fā)生相撞事故。針對(duì)此，文章設(shè)計(jì)并研制了一套軌道車定位防撞系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用GPS定位和車輪定位相結(jié)合的方式，實(shí)時(shí)獲取列車位置信息，同時(shí)，通過GSM通信技術(shù)，將軌道車實(shí)時(shí)位置信息發(fā)送給監(jiān)管中心，必要時(shí)監(jiān)管中心分別向兩車發(fā)出減速、停車信號(hào)，防止軌道車相撞。

關(guān)鍵詞：軌道車 防撞 GPS定位 GSM數(shù)據(jù)傳輸

0 引言

軌道車主要用于軌道交通施工、設(shè)備維護(hù)、緊急救援、定期檢查等工作，其安全運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)。隨著我國(guó)新建軌道交通線路增多，列車的運(yùn)行密度加大，從而增加了相關(guān)設(shè)備的維護(hù)工作。由于線路設(shè)備維護(hù)作業(yè)增多，需要上線維護(hù)軌道車增加，導(dǎo)致多個(gè)地方相繼發(fā)生軌道車在作業(yè)過程中出發(fā)生相撞，因此，必須有一定的技術(shù)手段來確保行車安全。本文從實(shí)際工程應(yīng)用的角度研究出一種基于“GPS定位+GSM數(shù)據(jù)傳輸+線路里程定位”的軌道車防撞系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過GPS定位和車輪定位相結(jié)合的方式，實(shí)時(shí)獲取軌道車位置信息，在獲取軌道車位置信息后，通過GSM通信技術(shù)發(fā)送給監(jiān)管中心，監(jiān)管中心對(duì)兩輛軌道車的位置對(duì)照數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析，得出兩車相距，同時(shí)做出決策，如果兩車相距較近時(shí)，則迅速分別向兩車發(fā)出減速、停車信號(hào)，達(dá)到預(yù)防軌道車防撞目的。實(shí)際線路上的試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可有效防止軌道車相撞，從一定程度上保證了軌道交通運(yùn)營(yíng)和維護(hù)的安全。

1 防撞系統(tǒng)測(cè)量原理及構(gòu)成

1.1 測(cè)量原理 軌道車防撞系統(tǒng)通過GPS設(shè)備在車輛運(yùn)行過程連續(xù)獲取軌道車當(dāng)前位置，通過光電編碼速度傳感器及數(shù)據(jù)庫(kù)定位技術(shù)，精確定位車輛位置，經(jīng)數(shù)據(jù)處理設(shè)備實(shí)時(shí)處理、保存并通過GSM模塊實(shí)時(shí)發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)到軌道車及軌道車監(jiān)管中心。

安裝有防撞系統(tǒng)的軌道車在運(yùn)行過程中，每輛車的位置由GPS模塊和車輪定位模塊得到，并以公里標(biāo)的形式來表示，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的定位，定位信息有：車輛運(yùn)行速度、工區(qū)號(hào)、行駛方向、公里標(biāo)、所在位置前后接觸網(wǎng)支撐桿號(hào)。通過GSM通信技術(shù)將軌道車1的定位信息實(shí)時(shí)傳輸至軌道車2，并將兩輛軌道車的定位信息基于數(shù)據(jù)庫(kù)加以對(duì)比分析，得出兩輛軌道車的相對(duì)距離，在一定運(yùn)行速度下，相對(duì)距離小于閾值時(shí)發(fā)出減速的信號(hào)，準(zhǔn)備停車。同時(shí)，考慮一定的安全裕度，閾值設(shè)置為2km。

因?yàn)閮煞N定位方式都存在一定的定位誤差，為保證軌道車定位的精確性，軌道車定位模塊采用GPS定位模塊與車輪定位模塊相結(jié)合的方法。GPS定位模塊誤差在10m以內(nèi)，該誤差與軌道車行駛距離沒有相關(guān)性。車輪定位模塊誤差屬于累計(jì)誤差，隨著軌道車行駛距離的加大誤差變大。為防止在行駛距離過大時(shí)車輪定位模塊的積累誤差很大超過10m，影響行軌道車間距離的判斷，防撞系統(tǒng)采用GPS定位模塊對(duì)其進(jìn)行誤差補(bǔ)償，防止積累誤差超過10m。GPS定位模塊依賴于衛(wèi)星信號(hào)，在軌道車進(jìn)入隧道時(shí)，偶爾會(huì)出現(xiàn)信號(hào)較差的情況，使GPS定位不能正常運(yùn)行，此時(shí)必須采用車輪定位模塊來實(shí)時(shí)對(duì)列車位置信息進(jìn)行捕獲?？梢?，綜合應(yīng)用兩種定位技術(shù)能保證軌道車定位的實(shí)時(shí)性、可靠性和精確性。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成 本系統(tǒng)由GPS模塊（含GPS天線）、速度里程采集模塊（車輪定位模塊，包含速度傳感器和里程數(shù)據(jù)處理模塊）、GSM模塊（包含接收和發(fā)送模塊）、綜合數(shù)據(jù)處理設(shè)備（含控制模塊和語(yǔ)音報(bào)警）和顯示設(shè)備等5大部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，系統(tǒng)柜見圖2。其中GPS模塊、GSM模塊、綜合數(shù)據(jù)處理設(shè)備（含控制模塊）、顯示設(shè)備、里程數(shù)據(jù)處理模塊安裝于車內(nèi)，GPS天線安裝于車外，速度傳感器安裝車軸上。①綜合數(shù)據(jù)處理設(shè)備，主要完成對(duì)GPS信息、GSM接收數(shù)據(jù)和軌道車運(yùn)行速度和里程進(jìn)行處理。并對(duì)GPS信息進(jìn)行計(jì)算；②GPS模塊采用高精度雙頻、50Hz采樣頻率的GPS模塊主要是獲取車輛的當(dāng)前位置，為軌道車定位提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；③GSM數(shù)據(jù)接收模塊主要用于接收其它軌道車發(fā)送過來的各種信息，這些信息包括其它速度信息、公里標(biāo)、經(jīng)緯度；④GSM數(shù)據(jù)發(fā)送模塊主要用于發(fā)送當(dāng)前軌道車的各種信息到其它軌道車及軌道車管理中心，這些信息包括其它速度信息、公里標(biāo)、經(jīng)緯度；⑤里程數(shù)據(jù)采集模塊主要用于采集當(dāng)前軌道車的速度，并計(jì)算軌道車運(yùn)行的里程，并將數(shù)據(jù)傳送給綜合數(shù)據(jù)處理模塊，便于計(jì)算車輛的當(dāng)前位置。

2 軌道車防撞系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件模塊 在軌道車行駛前要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始設(shè)置，設(shè)置該車輛的工區(qū)號(hào)、前行方向、初始公里標(biāo)、初始桿號(hào)，設(shè)置的初始值必須已經(jīng)在數(shù)據(jù)庫(kù)中有對(duì)應(yīng)存檔，否則系統(tǒng)將誤報(bào)。軌道車在運(yùn)行過程中系統(tǒng)將實(shí)時(shí)顯示與其他軌道車的相對(duì)距離，并將本車的位置和速度發(fā)送至其他軌道車，當(dāng)同一工區(qū)的兩輛軌道車相對(duì)距離小于2km時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)送警報(bào)信號(hào)，提醒軌道車開始減速行駛，等待連掛，等待連掛成功之后系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束，圖3、4分別為防撞系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖和軟件系統(tǒng)流程圖。

2.2 GPS定位模塊 GPS定位模塊采用簡(jiǎn)單GPS接收模塊，將GPS接收天線安裝到軌道車車頂，通過GPS天線和GPS接收機(jī)獲取到軌道車經(jīng)度、緯度和速度信息，并通過防撞系統(tǒng)處理軟件對(duì)軌道車行駛接收到的經(jīng)度、緯度信息進(jìn)行計(jì)算得到任意兩輛軌道車之間的距離。任意兩點(diǎn)間（A、B兩軌道車）的距離d按式（1）計(jì)算。

d=111.12cos[ ] （1）

式（1）中，a1、b1分別為A軌道車的經(jīng)度和緯度；a2、 b2分別為B軌道車的經(jīng)度和緯度。

通過GPS方式測(cè)量出來的任意兩個(gè)軌道車之間距離是直線距離，此時(shí)必須通過數(shù)據(jù)庫(kù)，將軌道車位置與線路公里標(biāo)和桿號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，這樣才能得到軌道車定位需要的距離，從而實(shí)現(xiàn)任意兩軌道車之間距離判別。

2.3 車輪定位模塊 基于輪軸脈沖速度傳感器的車輪定位模塊，其脈沖速度傳感器安裝到軌道車車軸上（圖5），其基本工作原理是，脈沖轉(zhuǎn)速傳感器安裝在車輪軸上，輪軸每轉(zhuǎn)動(dòng)1周，傳感器輸出一定數(shù)目的脈沖，脈沖頻率與輪軸轉(zhuǎn)速成正比。輸出的脈沖經(jīng)隔離和整形后直接輸入計(jì)算機(jī)CPU進(jìn)行頻率測(cè)量，再經(jīng)換算得出車輛速度和走行距離。軌道車走行距離s按式（2）計(jì)算。

s= Vdt+s0 （2）

式（2）中，V為軌道車車速；s0為軌道車初始位置；t0、t 為時(shí)間。

軌道車速度V通過輪軸脈沖速度傳感器測(cè)得，將軌道車速度V和位置s通過GMS數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送相應(yīng)接收端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享以便軌道車互相定位。

當(dāng)軌道車運(yùn)行時(shí)，輪軸脈沖速度傳感器輸出脈沖信號(hào)，傳感器每轉(zhuǎn)動(dòng)1周輸出N個(gè)脈沖，通過計(jì)數(shù)模塊對(duì)脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)算，每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的車輪走行距離ΔL按式（3）計(jì)算。

ΔL= （3）

式（3）中，D為軌道車輪徑；N為輪軸脈沖速度傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)1周輸出脈沖數(shù)。

實(shí)際使用中，ΔL一般在10mm左右，經(jīng)過長(zhǎng)距離行駛后，會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差，系統(tǒng)通過GPS信息結(jié)合數(shù)據(jù)信息對(duì)累計(jì)誤差進(jìn)行修正。

2.4 GSM數(shù)據(jù)傳輸模塊 軌道車防撞系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模塊，根據(jù)其無(wú)線通信鏈路的不同，有集群通信系統(tǒng)和GSM移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)兩種選擇。在本系統(tǒng)中采用了GSM移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，GSM移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)有如下優(yōu)勢(shì)：①GSM移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)最大限度節(jié)省了成本；②采用GSM網(wǎng)絡(luò)，可以通過短消息完成數(shù)據(jù)交換，由于這套系統(tǒng)每次所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相對(duì)較小，短消息業(yè)務(wù)是最理想的選擇；③GSM移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可以有效地降低系統(tǒng)的通信誤碼率，且速度也比較快，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性也有保證。

2.5 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊 軌道車防撞系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊取每根接觸網(wǎng)支柱的標(biāo)號(hào)為桿號(hào)，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，必須提前對(duì)每個(gè)工區(qū)編輯公里標(biāo)、桿號(hào)等數(shù)據(jù)信息，以建立數(shù)據(jù)庫(kù)，為軌道車運(yùn)行時(shí)提供參考依據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)信息有里程工區(qū)號(hào)、公里標(biāo)、接觸網(wǎng)桿號(hào)、行駛方向。數(shù)據(jù)庫(kù)信息的導(dǎo)入、生成和數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)都通過數(shù)據(jù)庫(kù)模塊完成（圖6）。數(shù)據(jù)庫(kù)模塊主要功能如下。①導(dǎo)入桿號(hào)數(shù)據(jù)。從excel線路數(shù)據(jù)表格中，將桿號(hào)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)；②導(dǎo)入公里標(biāo)數(shù)據(jù)。從excel線路數(shù)據(jù)表格中，將公里標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)；③查看/修改。查看/修改數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的線路數(shù)據(jù)；④添加/刪除線路。添加/刪除線路信息；⑤公里標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)換工具。轉(zhuǎn)換公里標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的基于GPS、GSM和里程定位技術(shù)的軌道車防撞系統(tǒng)，從根本上有效解決了軌道車在區(qū)間作業(yè)時(shí)的碰撞問題，并在實(shí)際運(yùn)行中該系統(tǒng)得到了驗(yàn)證，可達(dá)到以下性能指標(biāo)：①實(shí)時(shí)顯示車輛實(shí)際位置；②判斷任意兩輛軌道作業(yè)車之間距離，并進(jìn)行語(yǔ)音提示；③任意兩輛軌道作業(yè)車之間距離小于設(shè)定值時(shí)自動(dòng)警示；④實(shí)現(xiàn)管理中心實(shí)時(shí)監(jiān)控。

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作者簡(jiǎn)介：曲靜（1980-），女，山東龍口人，工程師，研究方向：軌道車防撞技術(shù)。