基于SINS的地鐵列車防撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬艷彬

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種基于SINS的地鐵列車防撞預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)SINS測(cè)量的運(yùn)動(dòng)信息實(shí)時(shí)計(jì)算列車的位置和速度，并通過(guò)微功率無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到相鄰列車，并對(duì)接收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警判斷處理，結(jié)果通過(guò)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(duì)地鐵列車防撞預(yù)警系統(tǒng)的定位方法、無(wú)線通信技術(shù)、預(yù)警邏輯等進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，最后對(duì)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(cè)試。經(jīng)過(guò)測(cè)試，本防撞預(yù)警系統(tǒng)可為列車駕駛員實(shí)時(shí)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(guó)城市軌道交通近幾年來(lái)發(fā)展進(jìn)程很快，截至2017年1月，中國(guó)已開通地鐵的城市達(dá)到31個(gè)。雖然我國(guó)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(duì)滯后的狀態(tài)。目前，地鐵列車車載控制設(shè)備僅能夠通過(guò)地面無(wú)線通信基站和軌道電路等地面設(shè)施提供的信號(hào)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(shí)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(jì)的地鐵列車防撞預(yù)警系統(tǒng)能夠獨(dú)立于既有的信號(hào)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(guò)系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)計(jì)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(shí)，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(xiǎn)情況并及時(shí)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(jì)方案，對(duì)于關(guān)鍵技術(shù)做了詳細(xì)分析設(shè)計(jì)。

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(jì)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(jì)算機(jī)模塊、無(wú)線數(shù)傳模塊、信號(hào)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(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算列車的實(shí)時(shí)位置和速度信息，并通過(guò)讀取軌道旁信號(hào)標(biāo)簽存儲(chǔ)的位置信息去修正慣導(dǎo)的位置累計(jì)誤差，計(jì)算結(jié)果通過(guò)雙頻無(wú)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(shí)車載設(shè)備2將位置信息發(fā)送至車載設(shè)備1，各個(gè)車載設(shè)備獨(dú)立計(jì)算出與相鄰列車之間的距離，通過(guò)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(hào)，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(jì)

（一）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，列車安全預(yù)警系統(tǒng)分為四個(gè)部分，分別為列車定位模塊、無(wú)線數(shù)傳模塊、LCD終端顯示模塊和系統(tǒng)控制計(jì)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(jì)算機(jī)。該計(jì)算機(jī)板載的CAN通信接口可實(shí)現(xiàn)與LCD顯示終端的通信，板載的4個(gè)串口資源可以實(shí)現(xiàn)信標(biāo)讀取器、慣導(dǎo)設(shè)備、和無(wú)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(hào)的光纖慣性導(dǎo)航測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用光纖陀螺儀和石英加速度計(jì)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(wú)源中距離讀寫器，標(biāo)簽卡使用的ZK-RFID601無(wú)源電子標(biāo)簽。本系統(tǒng)中無(wú)線數(shù)傳模塊采用的是JZ891微功率無(wú)線數(shù)傳模塊和JZ873小功率無(wú)線數(shù)傳模塊用于車載設(shè)備之間無(wú)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(hào)的5.6寸顯示屏，支持CAN總線通信，實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息顯示。

（二）系統(tǒng)核心軟設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)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(jì)算出列車間距，當(dāng)列車間距小于預(yù)置的安全車距時(shí)，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(wú)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(jì)。系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)雙頻無(wú)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(wú)誤則進(jìn)行預(yù)警邏輯計(jì)算。系統(tǒng)首先根據(jù)通信協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解包處理，得到附近列車的編號(hào)、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(jì)算列車之間的車距信息，根據(jù)計(jì)算得到的列車車距信息判斷是否有碰撞的危險(xiǎn)，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(jì)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(jì)。SINS解算，包括位置、姿態(tài)、速度的計(jì)算。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的工作過(guò)程經(jīng)歷兩個(gè)階段：初始對(duì)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(cè)試

（一）SINS定位跑車測(cè)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(yàn)證慣導(dǎo)定位模塊的定位精度，進(jìn)行了數(shù)十次跑車實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中以GPS定位數(shù)據(jù)作為參考，來(lái)評(píng)價(jià)慣導(dǎo)定位的精度。本文選擇了其中一次實(shí)驗(yàn)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(guò)1.5米。通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)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(cè)試

系統(tǒng)預(yù)警功能測(cè)試采用兩臺(tái)樣機(jī)設(shè)備模擬地鐵列車運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)進(jìn)行仿真測(cè)試，實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境如圖5。實(shí)驗(yàn)時(shí)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(guò)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(shí)時(shí)計(jì)算列車的位置信息，設(shè)備二靜止，速度為零，通過(guò)標(biāo)簽閱讀器讀取位置標(biāo)簽改變?cè)O(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(cè)試結(jié)果如圖6。

圖5 系統(tǒng)功能測(cè)試環(huán)境

圖6 系統(tǒng)功能測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)模擬仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)二級(jí)預(yù)警功能，通過(guò)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。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊 頔，薄煜明，趙高鵬. 基于 ARM 的地鐵列車輔助防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2014，27（10）：16-20..

[2]馮達(dá).微功率無(wú)線通信技術(shù)在家用電器檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2009

[3]靳洪都.高速列車追蹤接近預(yù)警系統(tǒng)車載設(shè)備研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2013endprint