基于列車間直接通信技術(shù)的避撞系統(tǒng)研究

陳啟香

（寶雞文理學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，陜西 寶雞　721000）

基于列車間直接通信技術(shù)的避撞系統(tǒng)研究

陳啟香

（寶雞文理學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，陜西 寶雞721000）

為了避免列車間碰撞事故發(fā)生，提出了一種基于列車間直接通信技術(shù)的避撞系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了列車避撞系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架并定義了各子模塊的功能，同時(shí)對列車間直接通信技術(shù)、自主定位方式及避撞邏輯進(jìn)行分析。作為信號(hào)系統(tǒng)的安全輔助系統(tǒng)，避撞系統(tǒng)可有效提升鐵路運(yùn)輸安全性能。

列車間直接通信；定位；列車避撞；安全輔助

近些年來，列車速度的不斷提高，列車在區(qū)間內(nèi)的碰撞事故頻頻發(fā)生。而列車在區(qū)間內(nèi)的運(yùn)行安全是由閉塞系統(tǒng)保證，既有線、新建線大多數(shù)是以CTCS-2級列控系統(tǒng)來保證，區(qū)間內(nèi)追蹤運(yùn)行的列車間沒有任何通信，僅靠車載或地面信號(hào)機(jī)顯示行車，而信號(hào)機(jī)的顯示是由列控中心控制；在建客專新路、高鐵線路，追蹤運(yùn)行列車間的安全是由CTCS-3級列控系統(tǒng)來保證，CTCS-3級列控采用GSM-R通信，前后行列車間依靠GSM-R的基站及無線閉塞中心實(shí)現(xiàn)間接通信，通信環(huán)節(jié)多、可靠性不高。當(dāng)列控中心或無線閉塞中心故障，直接導(dǎo)致追蹤運(yùn)行列車間追尾事故的發(fā)生。因此很有必要研究一種避撞系統(tǒng)，該避撞系統(tǒng)所依賴的技術(shù)要獨(dú)立于現(xiàn)有信號(hào)系統(tǒng)，并不影響現(xiàn)有信號(hào)系統(tǒng)的工作，且作為現(xiàn)有限號(hào)系統(tǒng)的冗余系統(tǒng)。基于以上，本文提出了基于列車間直接通信的避撞系統(tǒng)。

避撞系統(tǒng)是交通領(lǐng)域防止交通工具發(fā)生碰撞的系統(tǒng)，其在公路、海事和航空領(lǐng)域都已經(jīng)應(yīng)用。但在軌道交通領(lǐng)域，德國航空航天中心 （DLR，German Aerospace Center）從 2006年開始對于鐵路碰撞防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行研究［1-2］。

1　系統(tǒng)功能

文中提出的基于列車間直接通信技術(shù)的避撞系統(tǒng)疊加于現(xiàn)有列控系統(tǒng)之上，通過列車間直接通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)彼此速度位置等信息的實(shí)時(shí)交換，依靠現(xiàn)有的定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)自主定位，最終為列車駕駛員提供避撞預(yù)警信息，避免列車碰撞事故的發(fā)生，因此該避撞系統(tǒng)應(yīng)具備以下基本功能模塊：

1）不依賴于地面基礎(chǔ)設(shè)施的直接通信模塊（車車通信）：要求不影響現(xiàn)有列車通信設(shè)備工作；

2）列車實(shí)時(shí)定位模塊：選取定位精度高、適應(yīng)各種地理環(huán)境的車載定位技術(shù)；

3）車距計(jì)算模塊：根據(jù)得到的位置數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算追蹤運(yùn)行列車間的間距，列車間間距是避撞系統(tǒng)工作所需基本數(shù)據(jù)之一；

4）獨(dú)立于現(xiàn)有信號(hào)系統(tǒng)的碰撞邏輯與預(yù)警判斷：避撞系統(tǒng)作為現(xiàn)有信號(hào)系統(tǒng)的安全輔助系統(tǒng)，每列車的車載安全計(jì)算機(jī)根據(jù)收到的位置、速度信息，再結(jié)合自身位置信息得出車距信息，然后按預(yù)設(shè)的預(yù)警邏輯進(jìn)行判斷、評估碰撞風(fēng)險(xiǎn)，輸出不同級別的預(yù)警信息進(jìn)行顯示；

5）系統(tǒng)自檢與故障診斷及相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)于分析模塊：以提高系統(tǒng)工作的可靠性；

6）信息顯示模塊：包括預(yù)警信息、及前后行車、本車的位置間距信息。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)上述對基于列車間直接通信技術(shù)避撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及功能特點(diǎn)的分析，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要完成列車間速度位置的收發(fā)、距離的推算、碰撞邏輯判斷、控制命令的執(zhí)行等。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

基于列車間直接通信技術(shù)的避撞系統(tǒng)采用車車通信模塊實(shí)現(xiàn)前后行列車間自組式雙向通信或查詢—應(yīng)答式通信［3］，測速定位模塊來實(shí)現(xiàn)列車自主定位［3］，安全計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)列車間距推算、碰撞邏輯判斷，并在人機(jī)交互子系統(tǒng)反映相關(guān)警示信息。

2　系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

1）列車間直接通信技術(shù)（車—車通信）

列車間直接通信技術(shù)是無地面基礎(chǔ)設(shè)施、無地面控制中心的移動(dòng)端到移動(dòng)端的無線移動(dòng)通信技術(shù)，即M2M（Mobile to Mobile，移動(dòng)端到移動(dòng)端）［4］。

結(jié)合鐵路運(yùn)行環(huán)境的特點(diǎn)（高山、隧道、樹林），列車間直接通信信道具有傳播環(huán)境復(fù)雜、伴有多徑衰落及多普勒頻頻移等，文獻(xiàn)［5，6］提出基于超短波的列車間直接通信技術(shù)并對其信道進(jìn)行了研究。為使列車間直接通信技術(shù)能夠適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，發(fā)信機(jī)采用多頻段的發(fā)信機(jī)，天線安裝在列車頂部，采用定向式多頻段天線，同時(shí)采用了Ad-hoc移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（MANET）作為系統(tǒng)的通信模式，與公路領(lǐng)域車—車通信VANTE相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：鐵路網(wǎng)線狀分布，使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單；列車運(yùn)行按照運(yùn)行計(jì)劃執(zhí)行，使得網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)較為固定，且運(yùn)行軌跡有規(guī)律可循；同時(shí)不存在隱藏節(jié)點(diǎn)和暴露節(jié)點(diǎn)，使得MAC層協(xié)議簡單化。列車間直接通信技術(shù)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2　列車間直接通信系統(tǒng)框架圖

2）定位技術(shù)

列車的位置信息對碰撞檢測具有至關(guān)重要的作用，列車的運(yùn)行環(huán)境既有地上部分，也有地下部分（隧道），因此對于定位技術(shù)的討論分兩部分。

①地上部分

參照德國宇航中心提出的 RCAS（RailwayCollision Avoidance System）所采用的定位技術(shù)并結(jié)合我國高速鐵路的運(yùn)行環(huán)境，本文提出的避撞系統(tǒng)采用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS（Global Navigation Satellite System）和傳感器融合的方式，將GNSS、里程計(jì)和渦流傳感器等傳感器的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，融合后的數(shù)據(jù)通過地圖匹配算法的修正，最終列車的動(dòng)態(tài)位置在既有的電子地圖上顯示［7-8］，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　定位方式示意圖

②地下部分

GNSS并不適用于隧道區(qū)段，而渦流傳感器是除GNSS之外唯一能實(shí)現(xiàn)絕對定位的車載傳感器，因此可將渦流傳感器、點(diǎn)式應(yīng)答器、數(shù)字地圖匹配和捷聯(lián)慣導(dǎo)定位技術(shù)進(jìn)行合理組合［9-11］，即可滿足地下部分（隧道）的列車定位技術(shù)要求。

③避撞邏輯

在列車運(yùn)行過程中其碰撞類型主要有：迎面相撞、追尾相撞及側(cè)沖相撞3種。本位提出的避撞系統(tǒng)主要針對于迎面相撞、追尾相撞，對于側(cè)沖相撞主要發(fā)生在存在道岔的路段，可利用文獻(xiàn)［12］提出的利用陀螺儀輔助進(jìn)行道岔的判別，在道岔關(guān)鍵點(diǎn)使用陀螺儀信息檢查列車航向變化，進(jìn)而防止側(cè)沖事故的發(fā)生。

為保證避撞系統(tǒng)的可靠工作，列車制動(dòng)是又一關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。在列車制動(dòng)距離的計(jì)算中，制動(dòng)距離Sz為制動(dòng)空走距離Sk和有效制動(dòng)距離Se之和，結(jié)合列車牽引計(jì)算和動(dòng)力學(xué)的相關(guān)理論得出現(xiàn)行列車Se的計(jì)算公式［13-14］：

其中，a為列車減速度；在計(jì)算Se時(shí)，需將列車制動(dòng)初速度v0到制動(dòng)末速度vm分段，v1，v2為每一段速度間隔的初速和末速；b為單位制動(dòng)力；ω0為列車的單位基本阻力；ij為加算坡度，平直線路ij＝0；γ為列車回轉(zhuǎn)系數(shù)；g為重力加速度：tk為空走時(shí)間。

則列車制動(dòng)距離：Sz＝Sk＋Se（m）。

將駕駛員反應(yīng)時(shí)間treact（Dreact）及制動(dòng)裕量Dadd考慮在內(nèi)，列車安全?？肯聛淼闹苿?dòng)距離 S=Sz+Dreact+Dadd。其中 Dreact= v0*treact，制動(dòng)裕量Dadd的長度為列車當(dāng)前速度的二次函數(shù)即Dadd=k0+k1v+k2v2，Dadd在高速運(yùn)行時(shí)，為列車提供了足夠的裕量；在低速運(yùn)行時(shí)，保證了列車之間間隔距離較短［15］。

1）迎面相撞

假設(shè)兩車初速度相同，制動(dòng)性能也相同，則迎面相撞的預(yù)警距離為［3］：

2）追尾相撞

參照RCAS所定義的避撞預(yù)警距離：至少大于列車的制動(dòng)距離，再結(jié)合列車間直接通信的通信范圍至少大于兩倍的列車制動(dòng)距離，因此追尾相撞的預(yù)警距離為：

車載安全計(jì)算機(jī)的碰撞邏輯與預(yù)警判斷模塊不斷地進(jìn)行運(yùn)算、判斷，當(dāng)兩列車距離達(dá)到預(yù)警距離時(shí)，避撞系統(tǒng)將觸發(fā)制動(dòng)。

3　結(jié)　論

本論文提出的避撞系統(tǒng)借助列車間直接通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)同一線路上列車間信息的交換，當(dāng)前列車根據(jù)自身狀態(tài)以及鄰近列車的狀態(tài)，進(jìn)行避撞邏輯計(jì)算，進(jìn)而判定碰撞風(fēng)險(xiǎn)并采取相關(guān)避撞策略。

基于列車間直接通信技術(shù)的避撞系統(tǒng)是對當(dāng)前列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的一個(gè)良好補(bǔ)充，更加有效地避免列車間的相撞，保障我國鐵路運(yùn)輸安全。

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Analysis of collision avoidance system based on train to train direct communication

CHEN Qi-xiang
（School of Electrical Engineering，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721000，China）

In order to avoid collision between tracing trains，the collision avoidance system based on train to train direct communication is designed in this paper.In this paper，System architecture and function of subsystems are presented，also the technology of train to train direct communication，location mode，and collision avoidance logic is discussed.As a safety assistant system of signal system，collision avoidance can increase the safety of transportation efficiently.

train to train direct communication；location；collision avoidance；safety assistant system

TN929.5

A

1674－6236（2016）16-0134-03

2016-02-26稿件編號(hào)：201602160

國家自然科學(xué)基金地區(qū)項(xiàng)目（61164010）；寶雞文理學(xué)院校級重點(diǎn)資助項(xiàng)目（ZK15087）

陳啟香（1988—），女，甘肅白銀人，碩士。研究方向：列車運(yùn)行控制，鐵路通信與信號(hào)技術(shù)。