基于車載信號的列車防撞系統研究

周國軍 程貴良

摘要：傳統鐵路運行過程中，線路異物侵限時，列車不具備列車自動防護功能，由司機人工駕駛行車，采用混合行車路權方式，因此存在一定的安全隱患。為了防止列車前方出現障礙物或者前后車之間的距離不足時發生撞擊事故，特別在大霧和霧霾天氣，為了保證行車的安全，車載信號系統必須具備防撞功能。本文對車載防撞系統的關鍵技術進行了分析，提出了可行的解決方案，進一步提高了行車的安全性。

關鍵詞：列車;防撞;定位;毫米波雷達

中圖分類號：U284.93 文獻標識碼：A

車載信號系統是列車信號控制的關鍵子系統之一，主要功能包括安全類功能和非安全類，其中安全類功能主要包括列車定位、列車DMI顯示、平交路口信號控制和超速告警;非安全類功能有與車輛控制器交互信息如車速、下一站到站時間等旅客乘車信息。從信號系統的功能特點可知，車載信號系統用不具備自動防護和自動跟蹤的功能。但是，當列車前方出現障礙物或者前后車之間的距離很近時，就當前的信號系統而言，不具備自動防護功能，此時如果司機沒有采取有效的措施，可能發生行車事故。因此，為了保障列車運行的安全，車載信號系統的防撞功能應運而生。特別在當前霧霾十分嚴峻的現狀下，車載防撞系統的研究迫在眉睫。

1關鍵技術分析

當列車運行前方一定距離內出現障礙物或前后車距小于安全值時，車載司機顯示單元DMI將發出障礙物告警提示，此時司機應當采取制動措施。如果車輛具有鳴笛接口，則車載控制器通過鳴笛向車外發出警示聲以提示列車前方車輛或人員。特別地，當發生大霧或者霧霾嚴重的情況下，該功能輔助司機安全駕駛列車運行。因此，對于車載防撞功能來說，其關鍵技術為列車定位、障礙物探測和車距的計算。

2列車定位

列車定位方法較多，包括衛星定位、軌道電路、計軸器、感應式通信環線以及RFID電子標簽等，但是這些單一的定位方法都存在一定的缺陷和不足，為了保證定位的可靠性和精確度，必須采取組合定位的方案。由于衛星定位基礎設施完備，RFID電子便簽定位技術成熟且價格便宜，因此采用GPS/BDS+RFID+里程計的組合定位方案實現對列車的定位。采用這種方法定位，不但提高了定位的可靠性，而且具備較高定位的精度和完備性。表1為定位模式切換和選擇策略。

其中，“1”代表正常狀態，“0”代表故障狀態;“A”代表GPS/BDS，“B”代表RFID，“C”代表里程計;“X”代表正線道岔、平交路口以及車站區域，“Y”代表非正線道岔和非平交路口的正線區域，“Z”代表出入段線（地下）。

由表1可知，如果RFID電子便簽布置恰當，只有當GPS/BDS定位、RFID電子標簽定位和里程計定位三者同時發生故障時，列車才徹底失去定位信息。顯然，三者同時發生故障的概率是非常小的，而且一般情況下采取故障報警的措施，一旦任何一種定位方式故障，系統都會報警，及時對其進行維修處理。因此，該組合方案的可靠性和完備性很高。由于采用的是無源RFID電子標簽，其內部固化了精確的線路數據，因此精度也有保障。

3障礙物探測

由于列車采用非獨立路權模式，其他機動車輛和行人與列車混行，因此在列車運行過程中，其前方經常出現機動車輛、行人及其他障礙物。為了保障行車安全，避免列車與障礙物發生碰撞事故，尤其是在大霧及霧霾嚴重的情況下，必須在列車上配備障礙物探測裝置來探測運行前方的障礙物，一旦障礙物進入危險區域內，車載設備立即報警，司機及時采取制動措施。目前常用的探測技術有雷達探測、紅外線探測和超聲波探測等。雷達探測全天候好，探測距離精確，抗干擾能力強;紅外線探測無精確探測距離，全天候能力差;超聲波探測對人體存在一定的危害，不適用于城市人流密集區域物體的探測。選取抗干擾能力強、環境適應性好、分辨率高及更新速度快的毫米波雷達探測方案實現障礙物的探測。

3.1車載防撞系統組成

車載防撞系統由毫米波雷達，列車定位設備，車載控制器，司機顯示模塊和告警模塊組成。毫米波雷達完成障礙物的探測，采集外部目標物信息;列車定位設備獲取列車的實時位置信息;車載控制器綜合處理列車的方向、速度、加速度、位置和障礙物信息，判斷出障礙物相對列車的位置;司機顯示模塊顯示來自車載控制器的處理結果，以圖形方式給司機給出提示;告警模塊實現碰撞發生時的語音報警提示。圖1為車載防撞系統組成圖。

3.2毫米波雷達工作原理

毫米波的波長為1-10mm，具有微波和紅外兩種波譜的特點。毫米波雷達的角分辨率高、頻帶寬，具備全天候特性，有利于采用脈沖壓縮技術，同時毫米波雷達元器件尺寸小，使得系統的體積比較小。毫米波雷達由天饋模塊、發射模塊、接收模塊、數字及圖像處理模塊和電源模塊等組成，如圖2所示。

發射模塊接收數字及視頻處理模塊發送的控制信號和定時信號，產生高功率、低占空比的射頻信號。天饋模塊包含了毫米波天線、饋線和伺服，接收來自數字及視頻處理模塊發送的伺服控制和波束選擇控制命令，將來自發射模塊的高功率射頻信號定向輻射到空間，并在接收時收集大面積的回波信號，還可以作為空間濾波器，提供目標物的角度分辨等功能。接收模塊對來自天饋模塊的射頻信號進行濾波、混頻、放大和采樣處理，最后發送至數字及視頻處理模塊。數字及視頻處理模塊形成全機定時信號，為其他各模塊形成相應的信號和控制命令，消除通道的零漂，同時進行非相參積累和門限判決，最終提取最近的目標。電源模塊為整個毫米波雷達裝置提供電源。

3.3障礙物探測流程

毫米波雷達將探測到的目標信號發送給車載控制器后，車載控制器根據本列車的實時運行狀態（如速度和加速度）和列車與目標之間的相對距離、角度和速度，以地面為參照物，首先判斷目標的運動狀態（靜止和運動）。如果目標處于靜止狀態，則需要判斷目標是否在發生碰撞事故的范圍內，如果是，則確定該目標為障礙物，否則忽略不計。如果目標處于運動狀態，則需要計算障礙物和列車運動軌跡，根據目標物軌跡和列車軌跡之間的位置關系（限定范圍內相交或者不香交），確定目標是否為障礙物。

一旦系統判斷目標為障礙物，車載控制器及時向人機界面發送圖文報警信息，為了防止司機工作繁忙或者疏忽造成的提示信息不能及時發現和處理，車載設備同時發出語音報警提示。

4車距計算

列車車載控制器通過速度傳感器獲取到自身的運行速度，通過定位設備獲取并計算出列車的位置和運行方向信息。速度、位置、方向和列車長度信息通過無線通信網絡傳輸給運營調度中心。同時，本次列車通過無線通信網絡從運營調度中心獲得前方和后方列車實時的運行方向、速度、位置和列車長度信息。進一步通過毫米波雷達探測裝置獲取前后方列車之間的距離，以上信息經過車載控制器綜合計算和分析，如果發現列車前后方間隔小于安全間隔，車載設備應在給定時間內給出報警信息，防止列車發生碰撞事故。

在列車間距計算過程中，假定列車獲得的定位信息都為列車車頭處的位置信息，主要包含四種情況：前后車同向運行、前后車對向運行、前車同向靜止和前車對向靜止。假設前車車長為L，安全間隔為So，前車的速度為V1，后車速度為V2。

（1）前后車同向運行

初始狀態下：S>So。如圖3所示，當V2V1時，后車追蹤前車運行，相對速度V相=V2-V1。根據列車獲取到的位置信息，前后車間距S=|S1-S2|-L，當S