超寬帶無線通信技術(shù)在智能鐵路中的應(yīng)用研究

盧冬霞

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

1 概述

智能鐵路已經(jīng)成為鐵路行業(yè)發(fā)展趨勢，信息技術(shù)與鐵路產(chǎn)業(yè)的融合將給鐵路建設(shè)、運(yùn)營、維護(hù)、旅客服務(wù)等方面帶來深遠(yuǎn)影響。針對鐵路建設(shè)和運(yùn)營中環(huán)境復(fù)雜、管理環(huán)節(jié)多方參與的狀況，鐵路建設(shè)單位、施工單位、設(shè)備廠商、監(jiān)理單位等需要運(yùn)用定位系統(tǒng)對鐵路人員、設(shè)備、材料等精細(xì)化安全生產(chǎn)管理。對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行對比分析，提出一種適用于智能鐵路的系統(tǒng)部署方案。

2 現(xiàn)狀分析

國內(nèi)鐵路工程建設(shè)中建設(shè)、施工、監(jiān)理等單位有大量人員需要進(jìn)入隧道、站房等空間進(jìn)行作業(yè)，由于環(huán)境危險(xiǎn)惡劣，容易發(fā)生事故。當(dāng)前采用的人員現(xiàn)場指揮和管理的方式，信息掌控實(shí)時(shí)性大、人力資源消耗大、調(diào)度效率低，迫切需要進(jìn)行技術(shù)提升、實(shí)現(xiàn)信息化和智能化的管理[1-2]。通過建設(shè)精確、可靠、高效的定位系統(tǒng)，對人員和設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤，時(shí)刻掌握人員和物資在隧道和站房等區(qū)域的方位及活動(dòng)軌跡，當(dāng)遇到突發(fā)事故，可以迅速獲取人員和物資的位置信息，為后續(xù)進(jìn)行救援搶險(xiǎn)提供數(shù)據(jù)保障。

3 無線定位技術(shù)發(fā)展情況

目前，能夠適應(yīng)在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、遮擋嚴(yán)重的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)無線定位的技術(shù)主要包括：UWB 技術(shù)、Wi-Fi 技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、RFID 技術(shù)，如表1 所示。

3.1 UWB室內(nèi)定位

超寬帶（UWB）技術(shù)是一種高速、低成本和低功耗新興無線通信技術(shù)，通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級(jí)以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，可用于室內(nèi)精確定位。基于UWB 的室內(nèi)定位技術(shù)精度為6 ～10 cm，具有定位精度高、抗多徑干擾能力強(qiáng)、穿透能力強(qiáng)、傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是造價(jià)較高。但隨著產(chǎn)業(yè)成熟，工程造價(jià)會(huì)逐步降低。

表1 無線定位技術(shù)對比Tab.1 Comparison of wireless positioning technology

3.2 Wi-Fi室內(nèi)定位

Wi-Fi 的頻段在世界范圍內(nèi)是無需任何電信運(yùn)營執(zhí)照的，因此Wi-Fi 無線設(shè)備提供了一個(gè)世界范圍內(nèi)可以使用的，費(fèi)用極其低廉且數(shù)據(jù)帶寬極高的無線空中接口，Wi-Fi 定位也因其低成本而成為受眾廣泛的室內(nèi)空間定位技術(shù)。基于Wi-Fi 的室內(nèi)定位技術(shù)精度為2 ～50 m，傳輸帶寬在公用頻段，具有部署成本低、設(shè)備功耗低、適用于人員和移動(dòng)設(shè)備定位等優(yōu)點(diǎn)。Wi-Fi 的缺點(diǎn)是通信距離有限，穩(wěn)定性差，組網(wǎng)能力差，安全性也較差。

3.3 藍(lán)牙室內(nèi)定位

藍(lán)牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，可以實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備之間的短距離數(shù)據(jù)交換。將藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)定位領(lǐng)域，需要在室內(nèi)安裝適當(dāng)?shù)乃{(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)，將網(wǎng)絡(luò)設(shè)為基于多用戶網(wǎng)絡(luò)的連接模式，使接入點(diǎn)始終在一個(gè)微網(wǎng)絡(luò)的主設(shè)備，通過信號(hào)強(qiáng)度值獲得用戶的位置，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。目前，基于藍(lán)牙技術(shù)的室內(nèi)定位精度能夠達(dá)到2 ～10 m，傳輸帶寬在2.4～2.485 GHz 的ISM 波段。具有設(shè)備功耗低、易于集成、適用于人員和移動(dòng)設(shè)備定位等優(yōu)點(diǎn)，但是其穩(wěn)定性較差，容易受到干擾。

3.4 RFID室內(nèi)定位

射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)是一種利用射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)對物體的自動(dòng)識(shí)別并獲得相關(guān)信息的技術(shù)。RFID 室內(nèi)空間定位技術(shù)是利用射頻通訊方式進(jìn)行雙向的非接觸式數(shù)據(jù)交互，基于信號(hào)強(qiáng)度分析法，并采用聚類算法，通過識(shí)別檢測到的信號(hào)強(qiáng)弱來計(jì)算標(biāo)識(shí)之間的距離，實(shí)現(xiàn)三維空間定位目的?；赗FID 的室內(nèi)定位技術(shù)精度為0.05 ～5 m，具有定位精度高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是系統(tǒng)部署復(fù)雜、缺少國際化標(biāo)準(zhǔn)、安全性較低。

4 基于UWB的鐵路空間數(shù)字化應(yīng)用

4.1 UWB技術(shù)優(yōu)勢

通過對比分析上述4 種具有代表性的室內(nèi)定位技術(shù)，可看出UWB 技術(shù)具有較為明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

1）定位精度高

UWB 定位技術(shù)是目前定位精度最高可用于室內(nèi)環(huán)境的無線定位技術(shù)，實(shí)驗(yàn)室的最高精度可以達(dá)到厘米級(jí)，可以很好地滿足地鐵隧道和站房定位精度的要求。

2）電磁兼容性好

UWB 定位技術(shù)采用的是超寬帶納秒級(jí)脈沖發(fā)送數(shù)據(jù)，功率譜密度非常低（≤110 dBm，不會(huì)干擾其他通信系統(tǒng)），工作頻點(diǎn)高（3.5 ～6.1 GHz，可選擇），對周邊其他電子設(shè)備無影響，具有非常好的電磁兼容性和抗干擾能力，尤其適用于各類工程環(huán)境，十分適用于鐵路工程復(fù)雜的電磁環(huán)境。

3）設(shè)備能耗低

因?yàn)椴捎眉{秒級(jí)脈沖，其空中接口具有很低的占空因數(shù)，因此可實(shí)現(xiàn)定位設(shè)備的低功耗設(shè)計(jì)，尤其適用于對功耗敏感的智能穿戴產(chǎn)品，所以其設(shè)備功耗低，可以很好地滿足鐵路隧道和站房中的長時(shí)間作業(yè)需求。

4）發(fā)展前景好

UWB 技術(shù)屬于近年出現(xiàn)的新的精確無線定位技術(shù)，由于超寬帶納秒級(jí)脈沖帶來的眾多優(yōu)勢，近年來在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的重視，已成為當(dāng)前主流的高精度無線定位技術(shù)，并具備一定的通信導(dǎo)航一體化能力，在各個(gè)行業(yè)的工程領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼮閺V泛的應(yīng)用。

綜上所述，鐵路無線定位系統(tǒng)可以采用 UWB技術(shù)作為系統(tǒng)無線定位的解決手段，形成綜合解決方案。

4.2 基于UWB的鐵路空間數(shù)字化應(yīng)用場景

基于UWB 的定位系統(tǒng)可以為鐵路施工、維護(hù)過程提供以下功能。

1）人員及車輛實(shí)時(shí)定位

UWB 定位在不同的環(huán)境中能實(shí)現(xiàn)不同維度的定位需求，可視化查看人員、物資、車輛的位置分布，便于工作調(diào)遣，提升生產(chǎn)效率；定位精度優(yōu)于15 cm，在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，可依據(jù)人員分布位置信息快速救援。

2）電子圍欄

電子圍欄主要是通過在線發(fā)布相關(guān)控制信息，明確控制目標(biāo)，在指定的管制區(qū)域內(nèi)以脈沖監(jiān)測的手段，通過實(shí)時(shí)上傳終端用戶的位置信息，來辨別行徑信息與圍欄邊界信息是否相悖，有著強(qiáng)大的阻擋作用和威懾作用。

3）電子地圖

結(jié)合地圖信息，基于UWB 的定位系統(tǒng)可以為鐵路施工維護(hù)人員精準(zhǔn)的PTN 服務(wù)— 定位（Positioning）；導(dǎo)航（Navigation），授時(shí)體系（Timing）。

4）軌跡回訪

基于UWB 的定位系統(tǒng)支持長期存儲(chǔ)人員及車輛任一時(shí)間運(yùn)行的軌跡，為還原事故、事件處理提供決策依據(jù)。

5）設(shè)備管理

UWB 技術(shù)具有高通信帶寬，可實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能，與設(shè)備進(jìn)行拓?fù)洳渴?，?shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4.3 基于UWB的鐵路空間數(shù)字化應(yīng)用系統(tǒng)部署

1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于UWB 的鐵路空間數(shù)字化應(yīng)用系統(tǒng)主要由移動(dòng)終端、定位基站、交換機(jī)和位置管理服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Total block diagram of the system

2）基站部署方案

鐵路定位系統(tǒng)可以按照以下方式部署。

a.站廳層

基站部署。在站廳層，可在距離墻面或廊柱15 cm 處部署一個(gè)，南北為一對，每兩個(gè)柱子部署一對；在電梯廳兩側(cè)各部署一個(gè)基站。盡量覆蓋規(guī)劃的站廳區(qū)域。

交換機(jī)部署。在站廳層部署專用交換機(jī),部署在中心位置（電梯廳附近），與基站用網(wǎng)線連接，對基站提供POE 供電和時(shí)間同步，距離必須小于100 m。兩臺(tái)專用交換機(jī)可采取串聯(lián)形式連接。

b.站臺(tái)層

基站部署。部署在站臺(tái)層線路表示牌的下方，確保位于站臺(tái)和軌道中均可見，南北為一對，每兩個(gè)柱子部署一對，約17 m；在電梯廳兩側(cè)各部署一個(gè)基站。覆蓋規(guī)劃的站臺(tái)層區(qū)域。

交換機(jī)部署。在站廳層部署專用交換機(jī),部署在中心位置（電梯廳附近），與基站用網(wǎng)線連接，對基站提供POE 供電和時(shí)間同步，距離必須小于100 m。兩臺(tái)專用交換機(jī)可采取串聯(lián)形式連接。

c.區(qū)間

基站部署。在區(qū)間每50 m 部署一個(gè)基站，實(shí)現(xiàn)一維定位。定位系統(tǒng)在區(qū)間連續(xù)覆蓋，重點(diǎn)部署在區(qū)間的出入口區(qū)域和道岔區(qū)域。

交換機(jī)部署。在區(qū)間，每臺(tái)交換機(jī)連接3 個(gè)基站，部署于3 臺(tái)基站的中間位置，交換機(jī)與基站以網(wǎng)線連接，對基站POE 供電和時(shí)間同步，距離必須小于100 m。

d.房間

在通信機(jī)房和綜合控制室的房間內(nèi)分別部署一個(gè)基站和交換機(jī)，可實(shí)現(xiàn)零維定位，判斷房間內(nèi)有無人員。

5 結(jié)論

通過對室內(nèi)定位的相關(guān)技術(shù)分析，可以發(fā)現(xiàn)近年來室內(nèi)定位已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。針對鐵路環(huán)境復(fù)雜、遮擋嚴(yán)重的區(qū)域，研究分析UWB 無線定位技術(shù)的應(yīng)用。UWB 技術(shù)因定位精度高、抗多徑干擾能力強(qiáng)、穿透能力強(qiáng)、傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)，適合作為鐵路空間定位技術(shù)。結(jié)合鐵路空間環(huán)境特點(diǎn)，本文討論了基于UWB 的鐵路空間數(shù)字化應(yīng)用場景，并給出了一種基于UWB 的鐵路空間數(shù)字化應(yīng)用系統(tǒng)部署方案。