基于飛行時(shí)間的城市軌道交通測距防撞方法研究

魯仕榮，陳 凱，蔣國濤，覃瀟東，劉 琦，韓曉宇

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

當(dāng)前城市軌道交通領(lǐng)域發(fā)展迅速，在提供便利和快捷的同時(shí)其運(yùn)營安全性不可忽視。隨著列車速度的提高，駕駛員通過肉眼觀察路況的難度越來越大，需要一種手段來感知前方的路況，為駕駛員提供安全提示。

目前，城市軌道交通列車間主要是通過信號(hào)系統(tǒng)獲取線路信息來保障列車的安全運(yùn)行，其中最有效的方式是列車自動(dòng)防護(hù)（automatic train protection，ATP），其能監(jiān)控列車之間的距離是否安全，從而實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行和預(yù)防碰撞的目的。一部分列車是基于GPS、北斗等衛(wèi)星定位技術(shù)來感知列車位置的，其通過經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)來測算兩車的距離，進(jìn)而避免列車碰撞；但此技術(shù)受衛(wèi)星信號(hào)因素影響較大。極少數(shù)列車上安裝了類似于汽車專用的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（advanced driving assistance system，ADAS），其通過毫米波和激光探測障礙物來識(shí)別前方車輛，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)測距防撞的目的；但此系統(tǒng)具有成本高、探測距離近等不足。

本文提出一種基于飛行時(shí)間（time of flight，TOF）測距的城市軌道交通測距防撞方法，其采用常用的2.4 GHz 通信頻段進(jìn)行設(shè)備間通信，以感知前方、側(cè)方車輛以及軌旁設(shè)備的狀態(tài)；同時(shí)結(jié)合列車的運(yùn)行線路情況、上下行信息、制動(dòng)距離等工況信息給出合理預(yù)警信號(hào)，從而保證車輛的安全運(yùn)行。

1 2.4 GHz頻段通信的可行性

2.4 GHz 頻段通信是一種開源使用的無線傳輸技術(shù)。此頻段下使用的設(shè)備主要有ZigBee、WiFi、藍(lán)牙及其他常用的USB無線設(shè)備［1］。本文提出一種具有傳輸距離遠(yuǎn)、節(jié)點(diǎn)容量大、功耗低等優(yōu)勢的遠(yuǎn)距離無線電（long range radio，Lora）通信技術(shù)，其使用2.4 GHz（2.4～2.483 5 GHz）頻段，以線性調(diào)頻擴(kuò)頻（chirp spread spectrum，CSS）為調(diào)制方式。較其他的通信方式而言，其遠(yuǎn)距離通信的能力以及借助擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)的前向糾錯(cuò)能力為遠(yuǎn)距離測距提供了可能。

2 TOF測距原理

TOF 測距是一種雙向測距技術(shù)，其利用數(shù)據(jù)信號(hào)在一對(duì)收發(fā)機(jī)之間往返的飛行時(shí)間來測量兩點(diǎn)間的距離。將發(fā)射端發(fā)出數(shù)據(jù)信號(hào)與接收到接收端應(yīng)答信號(hào)的時(shí)間間隔記為Tt［2］，接收端收到發(fā)射端的數(shù)據(jù)信號(hào)與發(fā)出應(yīng)答信號(hào)的時(shí)間間隔記為Tr，如圖1所示。信號(hào)在這對(duì)收發(fā)機(jī)之間的單向飛行時(shí)間Tf=（Tt-Tr）/2，則兩點(diǎn)間的距離d=c*Tf，其中c表示電磁波傳播速度［3］。

圖1 TOF 測距原理Fig. 1 TOF ranging principle

2.1 技術(shù)原理

本文所述的測距設(shè)備主要分為主設(shè)備和從設(shè)備2類。主設(shè)備主動(dòng)發(fā)送信號(hào)，從設(shè)備被動(dòng)應(yīng)答，且主從設(shè)備可靈活切換。

主設(shè)備通過眨眼（Blink）脈沖結(jié)合對(duì)稱雙面雙向測距技術(shù)實(shí)現(xiàn)主從設(shè)備之間的距離測算。

2.1.1 眨眼脈沖

主設(shè)備會(huì)主動(dòng)發(fā)出眨眼信號(hào)。該信號(hào)類似一個(gè)廣播脈沖信號(hào)，主要用于測距請(qǐng)求；脈沖持續(xù)時(shí)間為300 μs，其余時(shí)間為靜默時(shí)間，以保證其他設(shè)備的信號(hào)傳輸（圖2）。眨眼信號(hào)的間隔時(shí)間可以根據(jù)應(yīng)用需求定義。每一次眨眼信號(hào)中主要包含128 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，這些字節(jié)中包含了設(shè)備節(jié)點(diǎn)用于身份識(shí)別的唯一ID。其他設(shè)備一旦收到此數(shù)據(jù)，即可解析出發(fā)出此數(shù)據(jù)的設(shè)備的身份信息。

圖2 眨眼脈沖信號(hào)Fig. 2 Blink pulse signal

眨眼信號(hào)通過多路徑跳頻技術(shù)以及載波偵聽多路訪 問/沖 突 檢 測（carrier sense multiple access with collision detection，CSMA）技術(shù)避免多設(shè)備之間信號(hào)干擾的問題。如圖3 所示，在2.401~2.483 GHz 之間可以分出數(shù)十條頻段通道，眨眼信號(hào)可以利用跳頻技術(shù)在空閑頻段進(jìn)行傳輸，從而避免多重信號(hào)碰撞干擾［4］。

圖3 眨眼脈沖多路徑方式Fig. 3 Blink pulse multipath way

2.1.2 SDS‐TWR測距技術(shù)

對(duì)稱雙面雙向測距（symmetrical double‐sided two way ranging，SDS‐TWR）技術(shù)在一個(gè)完整的測距周期內(nèi)進(jìn)行兩次測距。其由兩個(gè)測距節(jié)點(diǎn)分別逐個(gè)發(fā)起一次測距，測得的距離數(shù)據(jù)量是往常測距數(shù)據(jù)量的2倍，更多的數(shù)據(jù)有助于提高測距精度［5］。

SDS‐TWR 在雙向測距（two way ranging，TWR）的基礎(chǔ)上再進(jìn)行一次反向的TWR，來回就可以得到4個(gè)往返的時(shí)間，再根據(jù)TOF 測距計(jì)算得到2 個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，如圖4所示。

圖4 SDS‐TWR 測距方式Fig. 4 SDS‐TWR ranging method

計(jì)算節(jié)點(diǎn)A 發(fā)出信息和接受信息的時(shí)間差TA，其包含信息往返時(shí)間Td和節(jié)點(diǎn)B 處理信息的時(shí)間TP，即TA=Td+TP。由于處理器執(zhí)行指令的速度是確定的，故執(zhí)行特定程序的時(shí)間是可以測試和評(píng)估的，即TP可以確定，進(jìn)而可以計(jì)算出Td，再根據(jù)TOF 計(jì)算方法即可測得前后兩車之間的距離。節(jié)點(diǎn)B 采用同樣的方法完成第二輪測距。

SDS‐TWR運(yùn)行時(shí)序如圖5所示，以節(jié)點(diǎn)A作為主節(jié)點(diǎn)，一個(gè)完整的測距周期流程如下：

圖5 測距周期時(shí)序Fig. 5 Ranging cycle timing

（1）第一輪測距

節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送測距請(qǐng)求，用序號(hào)1表示；節(jié)點(diǎn)B 接收到信號(hào)后返回確認(rèn)字符（acknowledge character，ACK）給節(jié)點(diǎn)A，用序號(hào)2 表示。

（2）第二輪測距

節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送測距請(qǐng)求，用序號(hào)3表示；節(jié)點(diǎn)A 接收到信號(hào)后返回ACK 給節(jié)點(diǎn)B，用序號(hào)4表示。

（3）距離測算

節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送第二次的測算結(jié)果，用序號(hào)5表示；測距完成，用序號(hào)6表示。

2.2 在軌道交通中的應(yīng)用原理

該測距防撞系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用場景（圖6）可被簡單描述為：本車運(yùn)行前方同軌有車輛運(yùn)行。

圖6 城市軌道交通測距防撞系統(tǒng)工作原理Fig. 6 Working principle of the distance measurement and anti‐collision system in urban rail transit

根據(jù)SDS‐TWR 測距技術(shù)，本車前部（主節(jié)點(diǎn)）向前車發(fā)送主動(dòng)測距信號(hào)；前車尾部（從節(jié)點(diǎn)）設(shè)備收到主動(dòng)詢問信號(hào)后，經(jīng)過信號(hào)鑒別和數(shù)據(jù)校核，向本車發(fā)送被動(dòng)應(yīng)答信號(hào)；本車收到前車發(fā)射的被動(dòng)應(yīng)答信號(hào)若符合預(yù)定通信協(xié)議要求［6］，則等待下一輪測距；兩輪測距結(jié)束后，雙方即可獲得對(duì)方的距離信息。在測距通信的過程中，唯一的節(jié)點(diǎn)ID 中包含有自身列車的信息，再依據(jù)雙方車輛信息和距離信息，即可完成判定及預(yù)警。

3 測距系統(tǒng)

本文所描述的測距系統(tǒng)旨在ATP意外發(fā)生故障的情況下，使用2.4 GHz 頻段通信的方式來感知與前車的距離。通過本系統(tǒng)，車輛可以獲得周邊范圍內(nèi)所有車輛的狀態(tài)信息，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警和制動(dòng)等操作。在ATP正常的情況下，本系統(tǒng)可起到參考預(yù)警的功能，為列車行駛提供另一個(gè)層面的安全數(shù)據(jù)。

3.1 系統(tǒng)組成

車輛整套測距系統(tǒng)組成如圖7 所示。車輛兩頭TC車內(nèi)各有一套測距系統(tǒng)，運(yùn)行在本車內(nèi)的2.4 GHz 測距防撞系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測本車前向的車輛。2.4 GHz測距系統(tǒng)（陰影部分）主要包括測距主設(shè)備、測距天線、射頻識(shí)別（radio frequency identification，RFID）裝置、顯示預(yù)警終端/聲光報(bào)警器等主要部件。主設(shè)備主要完成信號(hào)調(diào)理、預(yù)警處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及通信接口等功能。顯示預(yù)警終端和聲光報(bào)警器主要完成信息顯示、聲光報(bào)警、系統(tǒng)設(shè)置等人機(jī)交互功能。測距天線通過無線連接方式與前車2.4 GHz 測距系統(tǒng)的測距天線進(jìn)行信息交互，并給主機(jī)傳輸信息用于距離計(jì)算。RFID裝置主要負(fù)責(zé)讀取本車的軌道和位置等信息。

圖7 車輛整套測距系統(tǒng)組成Fig.7 Composition of a vehicle ranging system

3.2 測距主設(shè)備組成

測距主設(shè)備主要由射頻測距、數(shù)字IO、傳感器、電源及接口等部分組成。

射頻測距部分主要是由射頻控制器和外部射頻電路組成。其首先利用CSS技術(shù)將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，再將調(diào)制后的數(shù)據(jù)按照特定的頻段進(jìn)行發(fā)送；然后將接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)并發(fā)送給處理單元進(jìn)行處理。

數(shù)字IO部分主要用于是緊急制動(dòng)以及聲光報(bào)警。傳感器部分主要用于故障診斷和當(dāng)前速度的感知。

4 列車之間的測距通信策略

由于測距系統(tǒng)運(yùn)行過程極其復(fù)雜，故本文對(duì)常見運(yùn)行工況下的車輛情況進(jìn)行簡要梳理，并初步制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略。

4.1 車輛的識(shí)別方式

每列車可通過車輛以太網(wǎng)或者RFID 獲取自身的狀態(tài)信息（車次信息、線路信息及上下行信息等）并進(jìn)行打包，在測距的同時(shí)交互雙方信息，進(jìn)而識(shí)別對(duì)方車輛。

4.2 車輛之間斷開方式

當(dāng)測距過程中由于信號(hào)原因出現(xiàn)單次掉線時(shí)，利用雙方最近一次的速度和加速度信息進(jìn)行距離預(yù)測并將預(yù)測值以不同的方式顯示在預(yù)警界面上。

如果多次跟蹤的某一車輛信息丟失，且最近一次測距距離已經(jīng)到達(dá)測距的極限值位置附近（例如1 km），則認(rèn)為該車輛已經(jīng)遠(yuǎn)離探測視野并通過生命周期方式對(duì)其進(jìn)行管理，直到在目標(biāo)車隊(duì)列中將其刪除。

如果不處于測距的極限值位置附近，突然間信號(hào)消失的該車輛可能存在以下兩種情況：

（1）如果該車輛與本車不是同線路車輛，且是調(diào)試或未編組或在站/在庫停放的車輛，則認(rèn)為該車輛已斷電；

（2）如果該車輛與本車是在同一線路上，信號(hào)突然消失后則須立即進(jìn)行報(bào)警處理，必要時(shí)進(jìn)行制動(dòng)減速。

如果所有的節(jié)點(diǎn)均在同時(shí)失去了通信鏈路，則認(rèn)為本車測距節(jié)點(diǎn)已故障；將最后一次的測距數(shù)據(jù)和預(yù)估的距離數(shù)據(jù)在終端上顯示并報(bào)告設(shè)備故障。

4.3 車輛之間的常態(tài)通信內(nèi)容

當(dāng)本車發(fā)現(xiàn)對(duì)面的車輛后，兩車之間可以通過ID號(hào)進(jìn)行通信，通信的內(nèi)容包含但不限于運(yùn)行狀態(tài)信息、速度及加速度等，以便關(guān)注本車外的其他車輛，從而進(jìn)行預(yù)警評(píng)估。

4.4 不同車輛的處理方式

在行駛過程中，與本車建立連接的車輛可能包含同軌道、不同軌道、在庫或在站?？?、檢修或尚未編組未運(yùn)行等狀況的車輛。

4.4.1 同一軌道車輛

同一軌道的車輛是需要著重跟蹤的車輛。正常情況下，該車輛與本車輛具有相同的線路號(hào)、上下行狀態(tài)等信息。本車需要以不低于200 ms/幀的頻次進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)測距和通信，獲取對(duì)方車輛的速度、加速度等信息，在顯示器上優(yōu)先顯示同軌道前車的距離狀態(tài)及預(yù)警等級(jí)信息；在獲取允許制動(dòng)信號(hào)的情況下，本車在必要時(shí)進(jìn)行緊急制動(dòng)，以避免兩車發(fā)生碰撞。

4.4.2 其他軌道車輛

確定為其他軌道的車輛時(shí)，只需要在顯示器上實(shí)時(shí)提醒駕駛員本車與對(duì)方車輛的信息，同時(shí)結(jié)合道岔數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷：

（1）如果前方有道岔，則需要駕駛員提前輸入進(jìn)入道岔后新的線路號(hào)，依據(jù)新的線路號(hào)即可判斷是否同軌；

（2）若無道岔或者不同軌，則不需要對(duì)該對(duì)方車輛進(jìn)行預(yù)警。

4.4.3 未運(yùn)行車輛

未運(yùn)行車輛主要關(guān)注是否同軌，如果不同軌，按照4.4.2節(jié)處理；如果同軌，則按照4.4.1節(jié)處理。

4.5 目標(biāo)車隊(duì)列的管理辦法

在系統(tǒng)軟件中建立一個(gè)同軌目標(biāo)車管理隊(duì)列，如圖8所示。隊(duì)列中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均是一個(gè)目標(biāo)車信息。當(dāng)發(fā)現(xiàn)新的車輛時(shí)，將車輛狀態(tài)更新進(jìn)目標(biāo)車隊(duì)列中，其隊(duì)列中同時(shí)可以存放n個(gè)同軌目標(biāo)車節(jié)點(diǎn)（根據(jù)需求確定n的數(shù)量）［7］。

圖8 同軌車輛信息示意Fig. 8 Schematic diagram of vehicle information on the same track

每200 ms對(duì)目標(biāo)車進(jìn)行輪流測距，每個(gè)目標(biāo)車節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)生命周期，生命周期初始值為255。

每一次通信后都可獲得范圍內(nèi)的所有列車信息并解析收到的信息：

（1）如果收到的列車信息不在目標(biāo)車隊(duì)列中，則增加進(jìn)目標(biāo)隊(duì)列，生命周期初始化為255；

（2）如果收到的列車信息在目標(biāo)隊(duì)列中，則將該列車的生命周期繼續(xù)更新為255；

（3）如果目標(biāo)車隊(duì)列中的列車信息沒有出現(xiàn)在收到的信息中，則將該列車的生命周期減1，直至減為0后從目標(biāo)隊(duì)列中刪除。

目標(biāo)車隊(duì)列首先按照距離值進(jìn)行排序，同軌且距離值最小的排在隊(duì)列最前面。

非同軌的列車建立n個(gè)節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列，其管理辦法與上述一致，當(dāng)整個(gè)隊(duì)列中沒有同軌目標(biāo)車時(shí)，在預(yù)警顯示界面上顯示優(yōu)先級(jí)最高的非同軌車輛的狀態(tài)。

4.6 測距數(shù)據(jù)的清洗

通信過程中可能受到信號(hào)、干擾等因素的影響，進(jìn)而導(dǎo)致一些數(shù)據(jù)出錯(cuò)。為了避免錯(cuò)誤數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)預(yù)警的影響，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的邏輯判斷和清洗：

（1）當(dāng)數(shù)據(jù)幀的特征值（報(bào)文頭、幀號(hào)、累加和等）不正確時(shí)，認(rèn)為有誤。

（2）根據(jù)城市軌道交通車輛的最大制動(dòng)力、牽引力計(jì)算出一個(gè)速度變化范圍，從而可以計(jì)算出每次測距時(shí)間間隔內(nèi)的距離變化范圍，進(jìn)而判斷數(shù)據(jù)的正確性。如按照城市軌道交通車輛兩車最大相對(duì)速度240 km/h 計(jì)算，每0.2 s 測一幀，則數(shù)據(jù)距離變化應(yīng)該小于13.4 m［8］。

（3）出現(xiàn)數(shù)據(jù)故障的時(shí)間若持續(xù)1 min，則認(rèn)為是設(shè)備故障，需進(jìn)行故障報(bào)警提醒。

4.7 預(yù)警狀態(tài)切換

根據(jù)測得的距離數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換當(dāng)前的預(yù)警狀態(tài)（圖9），具體如下：

圖9 組件預(yù)警狀態(tài)示意圖Fig. 9 Schematic diagram of component warning status

（1）當(dāng)距離d大于列車二級(jí)預(yù)警距離時(shí)，預(yù)警狀態(tài)此時(shí)處于正常狀態(tài)（無預(yù)警狀態(tài)）［9］，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測車距并顯示距離數(shù)據(jù)。

（2）當(dāng)d小于等于列車二級(jí)預(yù)警距離但大于列車一級(jí)預(yù)警距離時(shí)，預(yù)警狀態(tài)調(diào)整為二級(jí)預(yù)警階段，通過顯示器將二級(jí)預(yù)警狀態(tài)以及實(shí)時(shí)的距離信息顯示在顯示終端上，同時(shí)記錄預(yù)警時(shí)間日志。

（3）當(dāng)距離d小于等于列車一級(jí)預(yù)警距離時(shí)，預(yù)警狀態(tài)調(diào)整為一級(jí)預(yù)警狀態(tài)，顯示器實(shí)時(shí)顯示預(yù)警狀態(tài)信息和距離值并進(jìn)行急促聲光報(bào)警。其中，一級(jí)預(yù)警狀態(tài)不能直接跳轉(zhuǎn)到無預(yù)警狀態(tài)。

5 結(jié)語

本文提供了一種在城市軌道交通領(lǐng)域中通過2.4 GHz通信頻段實(shí)現(xiàn)測距的方法。其通過測算距離及時(shí)進(jìn)行預(yù)警，協(xié)助駕駛員安全駕駛，可有效避免列車發(fā)生碰撞。該方法不僅可以提供日常運(yùn)行的安全預(yù)警，還適用于城市軌道交通車輛的虛擬連掛，實(shí)現(xiàn)兩列車或多列車在不通過機(jī)械件連接的情況下跟車行駛，且可以在運(yùn)行過程中隨時(shí)進(jìn)行編組和解編。

此外，可將軌旁設(shè)備也接入本通信測距網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)行駛的列車對(duì)周邊全部設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行感知；還可將本設(shè)備微型化配置給現(xiàn)場施工作業(yè)人員，實(shí)現(xiàn)人車之間的感知，有助于緊急情況下作業(yè)人員避險(xiǎn)。