基于車車通信的軌道交通列車測距方法設計研究

藺湘然

（陜西交通職業技術學院，陜西西安，710018）

0 引言

本文以地鐵列車為對象，分析了以“車-車”直接通信為基礎的應急追蹤預警方案，并對無線測距技術進行了闡述，然后按照地鐵運行環境，遴選契合的測距技術，然后對該技術實現機制、應用實情進行剖析，并成功開展了測距實驗。

1 追蹤預警方案

1.1 基于車-車直接通信的地鐵列車追蹤預警方案

地鐵列車追蹤預警方案主要是通過各個設備之間的通信技術，為列車員提供防碰撞的預警信息，實現車與車之間的信息交互。本文所設計的追蹤預警方案主要特點可以概括為以下幾點：

（1）實時車距計算：機車司機室頭尾部位配置相應測距裝置，在追蹤運行之際，前車尾部測距裝置與后車頭部測距裝置能夠形成交互，由此實現測距信息的傳遞。

（2）工作模式識別：本系統可以對頭部、尾部的測距裝置進行精準辨識，而且還能按照線路，對上、下行情況進行區分，確保地鐵列車在掉頭行駛之際，能夠實現工作模式的自動化切換。

（3）獨立于既有信號系統：借助于動態應答機制，使得“車-車”能夠直接信息交互；而且這個系統與機車運行管控系統沒有信息互動，當對ATP系統進行切除后，能夠對測距裝置進行實時辨識，同時還會給出警報信息。

（4）預警信號：在測距裝置檢測出兩車間距之后，倘若距離低于設定的閾值，就會基于不同等級給予具體預警信號，涉及到屏幕、語音提示等。

（5）故障診斷與自檢：本系統支持上電自檢，并能對工作故障與狀態進行診斷，同時還能對設備工作狀態加以分析與記錄，這也是本次提出的該追蹤預警系統主要具備的功能。

1.2 無線測距技術的介紹

無線定位技術的進步為相應測距技術的進一步發展提供很好支持，這類技術的關鍵功能，就是借助于相應定位技術，對當前節點位置進行感知，然后利用科學算法，獲得兩個或者多個節點相互之間的距離[1]。該測距技術能夠再“車-車”直接通信領域應用，并能實時感知已經構建應答體系的機車位置，并借助于測距技術相關算法，對機車間距進行更為精準的計算。與地鐵列車實際情況相結合，對表1以下幾種無線測距技術進行分析：

表1 各種無線測距特性

（1）GPS全球定位測距技術：這項定位技術具有極高的成熟度，將其與通信技術進行有效融合，能夠很好進行測距，然而，在隧道環境下，衛星信號往往會被阻隔，進而難以實現測距。

（2）以移動網絡為基礎的定位測距技術：此項技術在50米范圍之內可以做到精準定位，將固定基站與移動目標坐標進行信息互動，通過有關參量的參量，就能進行很好的測距。然而，此項技術對基礎設備有著頗高依賴性，在地鐵環境中很難運用[2]。

（3）以WLAN為基礎的定位測距技術：立足于WIFI覆蓋區域，從而實現測距。這種信號較容易遭受其他信號干擾，而且地鐵的運行管控系統頗具復雜性，而且此信號穩定性較弱。

（4）以超聲波為基礎的定位測距技術：具體是對超聲波在空氣傳播時間進行檢測，從而換算成距離，不過這種波束有著較為明顯的發散現象，為此，在地鐵環境中用以測距，容易產生頗大誤差。

（5）以ZigBee為基礎的測距技術：對于ZigBee而言，它為典型的低功耗局域網協議，遵循的是IEEE802.15.4標準。該技術主要運用RSSI算法，完成距離信息的計算，而且該算法容易讓這些技術相關功能，借助于無線傳感網絡某些無線定位技術，對當前節點位置進行相應的感知，接著借助于相關算法，獲得不同節點，甚至數個節點相互之間的距離[3]。將此技術在“車-車”直接通信領域應用，能夠迅速獲取應答機制機車位置，利用測距技術相關算法，可以對機車間隔進行實時計算。根據地鐵機車運行環境、“車-車”通信信息要求，對這幾種測距技術屬性進行深入分析。這種技術的信號容易遭受干擾，適應范圍不廣。

（6）以RFID為基礎的測距技術：這就是將標簽應用至天線磁場，從而獲取相應頻率的射頻信號，它主要應用短距離測距，而且還需要配置大量標簽，投入成本很高。

（7）以CSS信號為基礎的測距技術：對于CSS而言，即是多維多址接入技術簡單使用，它對調制技術諸多優勢進行融合，此項技術的優勢體現在較低的功耗，較遠的傳輸距離，借助于SDS-TWR，來進行測距，這種算法無須對基礎設施進行固定[4]，而且測距精度較高，同時還有頗遠的測距范圍，可以將CSS信號在列車無線通信中進行運用。

2 通信測距在車-車通信中主要應用

2.1 CSS技術簡介

多維多址接入技術其中包括多個簡便應用，CSS便是其中一種，它將其中三種最具有代表性的技術進行了相應融合。CSS傳輸信息主要是通過Chirp 脈沖信號，基本信號處理是通過 Sinc 脈沖信號，通過Sinc 脈波處理發射與接收端。一般是使用Chirp脈波信號進行傳輸信號，時間與瞬時頻率兩者之間關系的表達式可以表示為：

（1）在公式（1）中0所代表的為載波頻率，同時也是掃頻頻率，一般都是常數。線性調頻信號s(t)和線性調頻信號的瞬時相位φ(t)在信息脈沖T可以用表達式概括為：

信號掃頻方向受到±μ決定性影響，其為正、負值，分別對應的是Up/Down-Chirp。借助于Chirp信號所具有的掃頻屬性，能夠將其很好的應用至通信環節，可以對數據符號進行相應的表達，并滿足擴頻需求。此外，這項信號的相關性較為突出，為此，獲取的信號有著較高的精準性，滿足時間分辨率要求，在多徑信道環境中，常常利用此信號進行精準定位與測距。

2.2 基于CSS信號的車-車直接通信

在列車“車-車”直接通信領域，可以對CSS信號進行運用，下圖1給出了詳細設計方案。在列車頭部位置（后車），可以配置此信號的發送模塊，前車頭部則配置被動模塊。前后車在運行之際，后車頭部裝置對此信號進行傳遞，而前車尾部就能收取此信號，并將其進一步傳遞后車頭部，這樣后車頭部裝置就能基于此信號，利用SDS-TWR算法，來對該信號進行測量，進而獲取輛車間隔位置，從而判定輛車是不是具有運行安全性。此算法無須不同節點在時鐘上具有同步性，因此對硬件性能要求較低，于是系統復雜度就會下降，無須建設固定設施，就能實現輛車間距參量。該算法涉及到對稱概念，具體即為兩個端節點應答用時具有統一性，亦即Treply A和Treply B具有一致性；雙邊即兩端節點都要開展一次往返測試。其結果可以對列車之間傳輸時間進行計算，從而得出該信號在追蹤列車時所對應的傳輸距離。

圖1 基于CSS信號的車-車直接通信方案

（1）后車車頭完成首次測量，在此過程中，要將信息傳遞至前車尾部，并由該尾部裝置傳遞響應信息，重新回傳至后車頭部。

（2）后車頭部裝置對首次參量過程總計時間（T1表示）進行記錄，而前車尾部響應信號傳遞至頭部裝置所需時間則記錄為T2，也就是響應時間。

（3）前車尾部開展二次參量，將需要傳遞的信息，傳遞至后車頭部裝置，并由其給出響應信號。

（4）前車尾部對二次測量投入的時間（T3）進行記錄，而后車頭部響應信號傳遞至前車尾部的響應時間，則是T4。

前面T2和T1之間的差值，即為數次測距節點進行一次往返所需時間；同樣，T3和T4差值，即為二次測距兩個節點往返一次所需用時。根據SDS-TWR算法，這些信號在相互節點之間傳播的次數共為4次。按照（5）式，就能獲取信號在單程傳播時，投入的時間，用t表示。

2.3 現場驗證

在本次研究中，將地鐵11號線（上海）隧道段作為實驗區域，所用的信號頻率和發射功率分別為1.2G赫與30dBm,收發使用到定向螺旋天線。該列車通過司機進行人工駕駛，根據軌道百米標位置，完成停車。因為前車列車司機對列尾相應百米標很難看清，為此，停車預報與實際值相互之間的誤差，達到正負30米。將列車1維持成靜止態，而列車2則根據試驗要求，停留至相應測量點，在每次測距結束后，行進至接下來的定點。與列車1的距離，從1百至6百米變化，每次變化間隔1百米，然后借助于測距單元，對兩個列車間距進行測量。結果得出，定點區域獲取的測量值具有一定穩定性，由于軌道百米標存在著正負30米誤差，為此，在6百米范圍之內，測距誤差不能高于5.0%。