軌道車防撞系統研究

摘要：軌道車是軌道交通基礎設施建設和維護的重要工具。實際維護中，兩輛軌道車朝著同一方向分別進行獨立作業，在兩車不知彼此定位信息時，極有可能發生相撞事故。針對此，文章設計并研制了一套軌道車定位防撞系統，該系統采用GPS定位和車輪定位相結合的方式，實時獲取列車位置信息，同時，通過GSM通信技術，將軌道車實時位置信息發送給監管中心，必要時監管中心分別向兩車發出減速、停車信號，防止軌道車相撞。

關鍵詞：軌道車 防撞 GPS定位 GSM數據傳輸

0 引言

軌道車主要用于軌道交通施工、設備維護、緊急救援、定期檢查等工作，其安全運行關系到整個軌道交通運輸系統。隨著我國新建軌道交通線路增多，列車的運行密度加大，從而增加了相關設備的維護工作。由于線路設備維護作業增多，需要上線維護軌道車增加，導致多個地方相繼發生軌道車在作業過程中出發生相撞，因此，必須有一定的技術手段來確保行車安全。本文從實際工程應用的角度研究出一種基于“GPS定位+GSM數據傳輸+線路里程定位”的軌道車防撞系統，該系統通過GPS定位和車輪定位相結合的方式，實時獲取軌道車位置信息，在獲取軌道車位置信息后，通過GSM通信技術發送給監管中心，監管中心對兩輛軌道車的位置對照數據庫進行分析，得出兩車相距，同時做出決策，如果兩車相距較近時，則迅速分別向兩車發出減速、停車信號，達到預防軌道車防撞目的。實際線路上的試驗表明，該系統可有效防止軌道車相撞，從一定程度上保證了軌道交通運營和維護的安全。

1 防撞系統測量原理及構成

1.1 測量原理 軌道車防撞系統通過GPS設備在車輛運行過程連續獲取軌道車當前位置，通過光電編碼速度傳感器及數據庫定位技術，精確定位車輛位置，經數據處理設備實時處理、保存并通過GSM模塊實時發送相關數據到軌道車及軌道車監管中心。

安裝有防撞系統的軌道車在運行過程中，每輛車的位置由GPS模塊和車輪定位模塊得到，并以公里標的形式來表示，實現對車輛的定位，定位信息有：車輛運行速度、工區號、行駛方向、公里標、所在位置前后接觸網支撐桿號。通過GSM通信技術將軌道車1的定位信息實時傳輸至軌道車2，并將兩輛軌道車的定位信息基于數據庫加以對比分析，得出兩輛軌道車的相對距離，在一定運行速度下，相對距離小于閾值時發出減速的信號，準備停車。同時，考慮一定的安全裕度，閾值設置為2km。

因為兩種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合的方法。GPS定位模塊誤差在10m以內，該誤差與軌道車行駛距離沒有相關性。車輪定位模塊誤差屬于累計誤差，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，防撞系統采用GPS定位模塊對其進行誤差補償，防止積累誤差超過10m。GPS定位模塊依賴于衛星信號，在軌道車進入隧道時，偶爾會出現信號較差的情況，使GPS定位不能正常運行，此時必須采用車輪定位模塊來實時對列車位置信息進行捕獲。可見，綜合應用兩種定位技術能保證軌道車定位的實時性、可靠性和精確性。

1.2 系統構成 本系統由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據處理模塊）、GSM模塊（包含接收和發送模塊）、綜合數據處理設備（含控制模塊和語音報警）和顯示設備等5大部分組成。系統結構見圖1，系統柜見圖2。其中GPS模塊、GSM模塊、綜合數據處理設備（含控制模塊）、顯示設備、里程數據處理模塊安裝于車內，GPS天線安裝于車外，速度傳感器安裝車軸上。①綜合數據處理設備，主要完成對GPS信息、GSM接收數據和軌道車運行速度和里程進行處理。并對GPS信息進行計算；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前位置，為軌道車定位提供基礎數據；③GSM數據接收模塊主要用于接收其它軌道車發送過來的各種信息，這些信息包括其它速度信息、公里標、經緯度；④GSM數據發送模塊主要用于發送當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、經緯度；⑤里程數據采集模塊主要用于采集當前軌道車的速度，并計算軌道車運行的里程，并將數據傳送給綜合數據處理模塊，便于計算車輛的當前位置。

2 軌道車防撞系統實現

2.1 軟件模塊 在軌道車行駛前要對系統進行初始設置，設置該車輛的工區號、前行方向、初始公里標、初始桿號，設置的初始值必須已經在數據庫中有對應存檔，否則系統將誤報。軌道車在運行過程中系統將實時顯示與其他軌道車的相對距離，并將本車的位置和速度發送至其他軌道車，當同一工區的兩輛軌道車相對距離小于2km時，系統將發送警報信號，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運行結束，圖3、4分別為防撞系統的軟件結構圖和軟件系統流程圖。

2.2 GPS定位模塊 GPS定位模塊采用簡單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接收機獲取到軌道車經度、緯度和速度信息，并通過防撞系統處理軟件對軌道車行駛接收到的經度、緯度信息進行計算得到任意兩輛軌道車之間的距離。任意兩點間（A、B兩軌道車）的距離d按式（1）計算。

d=111.12cos[ ] （1）

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

通過GPS方式測量出來的任意兩個軌道車之間距離是直線距離，此時必須通過數據庫，將軌道車位置與線路公里標和桿號進行關聯，這樣才能得到軌道車定位需要的距離，從而實現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，脈沖轉速傳感器安裝在車輪軸上，輪軸每轉動1周，傳感器輸出一定數目的脈沖，脈沖頻率與輪軸轉速成正比。輸出的脈沖經隔離和整形后直接輸入計算機CPU進行頻率測量，再經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 為時間。

軌道車速度V通過輪軸脈沖速度傳感器測得，將軌道車速度V和位置s通過GMS數據傳輸模塊發送相應接收端，實現數據共享以便軌道車互相定位。

當軌道車運行時，輪軸脈沖速度傳感器輸出脈沖信號，傳感器每轉動1周輸出N個脈沖，通過計數模塊對脈沖數進行計算，每個脈沖對應的車輪走行距離ΔL按式（3）計算。

ΔL= （3）

式（3）中，D為軌道車輪徑；N為輪軸脈沖速度傳感器轉動1周輸出脈沖數。

實際使用中，ΔL一般在10mm左右，經過長距離行駛后，會產生累計誤差，系統通過GPS信息結合數據信息對累計誤差進行修正。

2.4 GSM數據傳輸模塊 軌道車防撞系統數據傳輸模塊，根據其無線通信鏈路的不同，有集群通信系統和GSM移動網絡兩種選擇。在本系統中采用了GSM移動網絡，GSM移動網絡有如下優勢：①GSM移動網絡最大限度節省了成本；②采用GSM網絡，可以通過短消息完成數據交換，由于這套系統每次所需傳輸的數據量相對較小，短消息業務是最理想的選擇；③GSM移動網絡可以有效地降低系統的通信誤碼率，且速度也比較快，對系統的穩定性也有保證。

2.5 數據庫模塊 軌道車防撞系統數據庫模塊取每根接觸網支柱的標號為桿號，在系統運行時，必須提前對每個工區編輯公里標、桿號等數據信息，以建立數據庫，為軌道車運行時提供參考依據。數據庫數據信息有里程工區號、公里標、接觸網桿號、行駛方向。數據庫信息的導入、生成和數據庫維護都通過數據庫模塊完成（圖6）。數據庫模塊主要功能如下。①導入桿號數據。從excel線路數據表格中，將桿號基礎數據導入到數據庫；②導入公里標數據。從excel線路數據表格中，將公里標數據導入到數據庫；③查看/修改。查看/修改數據庫中已有的線路數據；④添加/刪除線路。添加/刪除線路信息；⑤公里標數據庫轉換工具。轉換公里標數據庫。

3 結束語

本文研究的基于GPS、GSM和里程定位技術的軌道車防撞系統，從根本上有效解決了軌道車在區間作業時的碰撞問題，并在實際運行中該系統得到了驗證，可達到以下性能指標：①實時顯示車輛實際位置；②判斷任意兩輛軌道作業車之間距離，并進行語音提示；③任意兩輛軌道作業車之間距離小于設定值時自動警示；④實現管理中心實時監控。

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