基于CSS技術(shù)的列車(chē)輔助防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

宗清澤, 張 麗, 梁汝軍, 姜琨久

(中車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司, 南京 210031)

城市軌道交通列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，列車(chē)的運(yùn)行安全由列車(chē)自動(dòng)防護(hù)ATP(Automatic Train Protection)系統(tǒng)予以保證。然而，由于城市軌道交通系統(tǒng)的高度復(fù)雜性，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中信號(hào)和車(chē)輛的故障時(shí)有發(fā)生，且由于ATP的故障導(dǎo)向安全設(shè)計(jì)，在大多數(shù)故障情況下會(huì)導(dǎo)致列車(chē)停車(chē)。在這種情況下，一般會(huì)切除ATP轉(zhuǎn)為人工駕駛模式，此時(shí)列車(chē)缺乏設(shè)備層面的安全防護(hù)手段，誤操作或人員疏忽可能會(huì)導(dǎo)致十分嚴(yán)重的碰撞事故，存在較大風(fēng)險(xiǎn)。

因此，研究出一種獨(dú)立于信號(hào)系統(tǒng)且不干擾車(chē)輛其他設(shè)備、在ATP切除的情況下能有效防止列車(chē)碰撞的輔助防撞系統(tǒng)有很大的必要性和現(xiàn)實(shí)意義。

1 列車(chē)輔助防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

設(shè)計(jì)的列車(chē)輔助防撞系統(tǒng)主要由測(cè)距天線(xiàn)、RFID閱讀器、地面信標(biāo)、分析主機(jī)、操作屏、聲光報(bào)警單元等設(shè)備組成，每列車(chē)頭尾車(chē)各設(shè)一套獨(dú)立的設(shè)備,見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

首先，兩端主機(jī)讀取司機(jī)室激活信號(hào)確定各自工作狀態(tài)，并通過(guò)RFID閱讀器信息來(lái)確定列車(chē)的上、下行狀態(tài)；然后，列車(chē)在ATP切除以后，自動(dòng)激活輔助防撞系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)距天線(xiàn)主動(dòng)向前方發(fā)射問(wèn)詢(xún)信號(hào)，進(jìn)而基于線(xiàn)性調(diào)頻擴(kuò)頻(CSS)信號(hào)測(cè)距原理，結(jié)合SDS-TWR算法，計(jì)算前后列車(chē)的距離并評(píng)估，最后輸出預(yù)警信息來(lái)輔助實(shí)現(xiàn)防撞功能。

1.2 工作原理

1.2.1主機(jī)工作狀態(tài)

列車(chē)上電激活后，分析主機(jī)自動(dòng)檢測(cè)列車(chē)激活端鑰匙信號(hào)，根據(jù)列車(chē)激活端鑰匙信號(hào)來(lái)決定主機(jī)的工作狀態(tài)：激活端主機(jī)處于主動(dòng)搜索狀態(tài)，非激活端主機(jī)處于被動(dòng)應(yīng)答狀態(tài)。

1.2.2上、下行識(shí)別

列車(chē)進(jìn)入正線(xiàn)后，列車(chē)運(yùn)行于上行線(xiàn)還是下行線(xiàn)與受控司機(jī)室之間有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)主控制器鑰匙開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)確定工作模式，并以此來(lái)判別自身是車(chē)頭設(shè)備還是車(chē)尾設(shè)備，從而決定其工作狀態(tài)[1]。但此方法僅適用于正線(xiàn)運(yùn)行的列車(chē)，對(duì)于特殊區(qū)段(折返區(qū)段、存車(chē)線(xiàn)、庫(kù)內(nèi)、試車(chē)線(xiàn)等)的識(shí)別仍不明確，故本系統(tǒng)采用設(shè)置地面信標(biāo)的方式來(lái)確定多種運(yùn)行工況。該信標(biāo)僅供輔助防撞系統(tǒng)使用，獨(dú)立于信號(hào)系統(tǒng)，具體安裝位置包括：

(1)出庫(kù)線(xiàn)道岔處安裝4個(gè)信標(biāo),見(jiàn)圖2。

圖2 正線(xiàn)道岔處信標(biāo)布置示意圖

(2)正線(xiàn)所有存在折返作業(yè)的道岔處均安裝4個(gè)信標(biāo)(以最復(fù)雜的存車(chē)線(xiàn)為例)，見(jiàn)圖3。

圖3 存車(chē)線(xiàn)信標(biāo)布置示意圖

按照上述布置不僅可以滿(mǎn)足正線(xiàn)列車(chē)的上、下行狀態(tài)判斷，還能滿(mǎn)足特殊區(qū)段(折返區(qū)段、存車(chē)線(xiàn)、庫(kù)內(nèi)、試車(chē)線(xiàn)等)的狀態(tài)識(shí)別，適用于各種復(fù)雜的地鐵線(xiàn)路工況。

1.2.3輔助防撞工作機(jī)理

通過(guò)前述的主機(jī)工作狀態(tài)和上、下行信息，建立前后列車(chē)的問(wèn)詢(xún)-應(yīng)答式測(cè)距機(jī)制。主要工作步驟如下：

(1)在ATP切除模式下列車(chē)同時(shí)向前后發(fā)送問(wèn)詢(xún)信號(hào)；

(2)前車(chē)尾端的設(shè)備收到問(wèn)詢(xún)信號(hào)后，進(jìn)行信號(hào)鑒別和數(shù)據(jù)校核，若符合預(yù)定的通信協(xié)議，則向后車(chē)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，同時(shí)，后車(chē)頭端的設(shè)備則向前車(chē)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)；

(3)車(chē)輛接收前、后車(chē)發(fā)射的應(yīng)答信號(hào)并進(jìn)行解碼；

(4)車(chē)輛通過(guò)計(jì)算發(fā)送問(wèn)詢(xún)信號(hào)至收到應(yīng)答信號(hào)的時(shí)間差T，計(jì)算車(chē)距；

(5)車(chē)輛示警終端實(shí)時(shí)顯示前后車(chē)距離，若發(fā)現(xiàn)存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)則提前發(fā)出聲光示警，供駕駛員參考；當(dāng)前后車(chē)距達(dá)到危險(xiǎn)車(chē)距時(shí)，通過(guò)硬線(xiàn)輸出緊急制動(dòng)。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

基于線(xiàn)性調(diào)頻擴(kuò)頻(CSS)信號(hào)定位技術(shù)，結(jié)合2.4G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，運(yùn)用SDS-TWR算法，研究并設(shè)計(jì)出獨(dú)立于信號(hào)系統(tǒng)之外的列車(chē)輔助防撞系統(tǒng)。

1.3.12.4G無(wú)線(xiàn)技術(shù)

2.4G無(wú)線(xiàn)技術(shù)，其頻段處于2.405～2.485 GHz之間。該頻段無(wú)線(xiàn)技術(shù)無(wú)需許可證，只需要遵守一定的發(fā)射功率(小于1 W)，并且不對(duì)其他頻段造成干擾即可免費(fèi)使用，這使得2.4G無(wú)線(xiàn)技術(shù)能夠成熟地應(yīng)用于本系統(tǒng)。

1.3.2線(xiàn)性調(diào)頻擴(kuò)頻(CSS)無(wú)線(xiàn)測(cè)距技術(shù)

本系統(tǒng)采用的線(xiàn)性調(diào)頻擴(kuò)頻(CSS)技術(shù)，其相較于GPS、超聲波、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、WLAN網(wǎng)絡(luò)、ZigBee、無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別RFID等無(wú)線(xiàn)定位測(cè)距技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)如表1所示。

表1 線(xiàn)性調(diào)頻擴(kuò)頻(CSS)技術(shù)性能優(yōu)勢(shì)表

1.3.3SDS-TWR算法

SDS-TWR的基本原理是利用無(wú)線(xiàn)通信中的傳播時(shí)延來(lái)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的距離。TWR測(cè)距法通過(guò)一次數(shù)據(jù)的往返來(lái)消除兩個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)間不同步的影響。SDS-TWR則是在TWR的基礎(chǔ)上又進(jìn)行了一次反向的TWR。其測(cè)距流程如下(后車(chē)車(chē)頭為主動(dòng)端，前車(chē)車(chē)尾為被動(dòng)端)：

(1)由后車(chē)車(chē)頭向前車(chē)車(chē)尾發(fā)送測(cè)距數(shù)據(jù)包；

(2)前車(chē)車(chē)尾接收到該數(shù)據(jù)包后進(jìn)行信號(hào)鑒別和數(shù)據(jù)校核，若符合預(yù)定的通信協(xié)議，則發(fā)出確認(rèn)包，并計(jì)算從接受數(shù)據(jù)包到發(fā)出確認(rèn)包之間的時(shí)延T2；

(3)后車(chē)車(chē)頭接收前車(chē)車(chē)尾的確認(rèn)包，并計(jì)算從發(fā)出測(cè)距數(shù)據(jù)包到接收確認(rèn)包之間的時(shí)延T1；

(4)前車(chē)車(chē)尾發(fā)出測(cè)距數(shù)據(jù)包，其中數(shù)據(jù)幀包含T2；

(5)后車(chē)車(chē)頭接收前車(chē)車(chē)尾發(fā)出的含有T2的測(cè)距數(shù)據(jù)包，經(jīng)信號(hào)鑒別后發(fā)出確認(rèn)包，并計(jì)算從接受該測(cè)距數(shù)據(jù)包到發(fā)出確認(rèn)包之間的時(shí)延T3；

(6)前車(chē)車(chē)尾接受新的確認(rèn)包，并計(jì)算從發(fā)出含有T2的測(cè)距數(shù)據(jù)包到收到新的確認(rèn)包之間的時(shí)延T4；

(7)前車(chē)車(chē)尾向后車(chē)車(chē)頭發(fā)出含有T4的測(cè)距數(shù)據(jù)包。

圖4 SDS-TWR測(cè)距過(guò)程圖

理論上，在第1次測(cè)量中，T1、T2是兩倍的無(wú)線(xiàn)信號(hào)從后車(chē)車(chē)頭到前車(chē)車(chē)尾的傳播時(shí)延。同理，第2次測(cè)量中T3、T4也是兩倍的無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳播時(shí)延。由此可知：后車(chē)車(chē)頭至前車(chē)車(chē)尾的傳播時(shí)延為：

(1)

設(shè)電磁波的傳播速度為c，那么后車(chē)車(chē)頭到前車(chē)車(chē)尾的距離計(jì)算式(2)：

(2)

通過(guò)SDS-TWR算法，不僅能夠消除時(shí)鐘不同步造成的測(cè)距影響，還能消除兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間時(shí)鐘漂移誤差造成的測(cè)距影響，進(jìn)一步提高測(cè)距精度[2]。

2 列車(chē)輔助防撞系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)ATP切除后列車(chē)的運(yùn)行需要，結(jié)合上述技術(shù)方案的工作原理，研究并設(shè)計(jì)出的輔助防撞系統(tǒng)具備以下功能：

(1)判斷列車(chē)狀態(tài)：能有效判斷列車(chē)所處的上、下行狀態(tài)，僅與同一股道上的列車(chē)通信；

(2)測(cè)距測(cè)速：能夠測(cè)出本列車(chē)與前車(chē)的實(shí)時(shí)距離，為司機(jī)提供判斷依據(jù)；

(3)預(yù)警：在車(chē)距達(dá)到預(yù)警距離時(shí)對(duì)司機(jī)進(jìn)行預(yù)警，提醒司機(jī)及時(shí)減速；

(4)觸發(fā)緊急制動(dòng)：在達(dá)到危險(xiǎn)車(chē)距時(shí)，人工觸發(fā)緊急制動(dòng)已有風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)直接輸出緊急制動(dòng)；

(5)試車(chē)線(xiàn)防護(hù)：能夠?yàn)樵囓?chē)線(xiàn)為人工駕駛狀態(tài)的列車(chē)提供防撞功能；

2.1 測(cè)距測(cè)速

前后列車(chē)建立通信后，通過(guò)SDS-TWR算法可獲得兩車(chē)之間的距離。分析主機(jī)需根據(jù)車(chē)輛牽引制動(dòng)相關(guān)參數(shù)，計(jì)算列車(chē)的預(yù)警距離與緊急制動(dòng)距離，計(jì)算的參數(shù)如表2(以運(yùn)行速度80 km/h，緊急制動(dòng)平均減速度1.2 m/s2為例)：

表2 測(cè)距測(cè)速所需參數(shù)計(jì)算表

2.2 預(yù)警信息及緊急制動(dòng)

(1)當(dāng)Sd(危險(xiǎn)距離)

(2)當(dāng)Sn(實(shí)時(shí)距離)≤Sd(危險(xiǎn)距離)時(shí)：系統(tǒng)輸出I級(jí)危險(xiǎn)信息，列車(chē)輔助防撞系統(tǒng)提供最高級(jí)示警，系統(tǒng)輸出最高級(jí)聲光報(bào)警，提示司機(jī)進(jìn)行緊急制動(dòng)，或在試車(chē)線(xiàn)模式時(shí)直接實(shí)施緊急制動(dòng)。

2.3 隧道彎道測(cè)距

當(dāng)彎道弧長(zhǎng)一定的情況下，彎道的半徑越小，彎道曲率越大，無(wú)線(xiàn)信號(hào)折射次數(shù)也會(huì)越多。將隧道內(nèi)的無(wú)線(xiàn)傳輸數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化如圖5。

圖5 隧道彎道中無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型

圖5為無(wú)線(xiàn)信號(hào)沿內(nèi)徑切線(xiàn)傳播的電磁波路徑圖，計(jì)算在該路徑下無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳播路徑與實(shí)際弧長(zhǎng)誤差。表3所示為軌道半徑不同時(shí)，無(wú)線(xiàn)信號(hào)發(fā)生6次折射的最大傳播距離(這里認(rèn)為在6次折射范圍內(nèi)，無(wú)線(xiàn)信號(hào)能正常通訊；超過(guò)6次，無(wú)法正常通訊)，當(dāng)超過(guò)該值時(shí)，通訊無(wú)法連接。

表3 軌道半徑與最大傳播距離對(duì)照表

從表3可以看出，在無(wú)線(xiàn)通信范圍內(nèi)，無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳播距離與彎道弧度距離相差較小(小于1%)。隨著轉(zhuǎn)彎半徑的減小，無(wú)線(xiàn)信號(hào)的通信距離減小；隨著轉(zhuǎn)彎半徑的增大，在不考慮信號(hào)衰減的情況下，通信距離增大。

2.4 試車(chē)線(xiàn)防護(hù)

為了保障列車(chē)在試車(chē)線(xiàn)的作業(yè)安全，系統(tǒng)在每條試車(chē)線(xiàn)兩端各設(shè)置一套輔助防撞裝置，試車(chē)線(xiàn)輔助防撞裝置包括測(cè)距天線(xiàn)和分析主機(jī)。當(dāng)作業(yè)車(chē)駛?cè)朐囓?chē)線(xiàn)進(jìn)行調(diào)試作業(yè)時(shí)，列車(chē)激活端司機(jī)室天線(xiàn)為主動(dòng)探測(cè)端，試車(chē)線(xiàn)天線(xiàn)為被動(dòng)應(yīng)答端，主被動(dòng)端之間建立通信，測(cè)定列車(chē)頭端到試車(chē)線(xiàn)終點(diǎn)的距離，及時(shí)向作業(yè)人員發(fā)出警示。

圖6 試車(chē)線(xiàn)安全輔助示意圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所研究的輔助防撞系統(tǒng)可用性，在某地鐵線(xiàn)路進(jìn)行了正線(xiàn)驗(yàn)證試驗(yàn)。

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片

經(jīng)過(guò)實(shí)際追蹤驗(yàn)證試驗(yàn)，前、后兩列車(chē)車(chē)距在直線(xiàn)1 000 m范圍內(nèi)能有效捕獲，其中安全距離(350 m以上)范圍內(nèi)次數(shù)為371次；預(yù)警距離(350 m以?xún)?nèi))范圍內(nèi)次數(shù)為81次，捕獲百分比為100%，距離和捕獲次數(shù)的關(guān)系統(tǒng)計(jì)如圖8所示。

圖8 距離-捕獲次數(shù)分布圖

試驗(yàn)證明：基于線(xiàn)性調(diào)頻擴(kuò)頻信號(hào)(CSS)測(cè)距技術(shù)的輔助防撞系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性好，抗干擾能力強(qiáng)，在小半徑曲線(xiàn)和上下坡道區(qū)域能有效建立前后車(chē)通信實(shí)時(shí)測(cè)距，符合列車(chē)輔助防撞系統(tǒng)的功能需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)論是在正線(xiàn)ATP切除，還是在試車(chē)線(xiàn)人工駕駛模式下，文中所研究的列車(chē)輔助防撞系統(tǒng)，均能通過(guò)CSS技術(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量同一軌道上兩車(chē)之間的距離，進(jìn)而為司機(jī)提供碰撞預(yù)警信息，同時(shí)在達(dá)到危險(xiǎn)車(chē)距時(shí)輸出緊急制動(dòng)，從而保障列車(chē)的運(yùn)行安全。該系統(tǒng)能夠克服外界復(fù)雜電磁環(huán)境影響，具有探測(cè)范圍廣、可靠性高以及全天候工作的特點(diǎn)，為ATP切除后的列車(chē)提供了設(shè)備層面的安全保障，提高了城市軌道交通運(yùn)行的安全性與可靠性。