基于车车通信的地铁列车应急追踪预警方法研究

【摘 要】当地铁列车因信号系统故障而采用人工驾驶时，缺乏技术防护，存在一定的安全风险，列车应急追踪预警系统可以提供基本的安全防护。基于车车通信的追踪预警通过测量车-车无线电信号传播时间，计算前后距并对比报警阈值，实现地铁列车的应急追踪预警。本文介绍基于车车通信的无线测距技术，对测距原理、设计方案进行相关研究，并在地铁隧道内完成现场实验，验证了方案的有效性。

【关键词】地铁；车-车通信；追踪预警；无线测距

【Abstract】There is a potential safety hazard when the train is manual driving due to the automatic train control system failure. The Train Collision Warning System is able to provide rear-end collision protection in this situation. The system is prompt the emergency distance by measuring the train to train radio propagation time， calculating the distance between the trains and comparing the pre-set alarm threshold. In this paper， we introduces the technology of wireless ranging based on train to train communication， studies the principle of distance ranging and design scheme. Finally we conducted the field experiment in a subway tunnel， which proving the effectiveness of the design scheme.

【Key words】Urban Railway Transit； Train to train communication； Train-following warning； Wireless ranging

0 引言

地铁列车以其大运量、准时、耗能集约等优点在城市公共交通系统中占有突出地位[1]，获得了大力发展。截至2015年底，中国大陆地区拥有了110条在建及正式投入运行的地铁列车线路，总里程达到3293km。地铁列车的运行环境较为复杂，运行速度较快，其运行安全由具有故障-安全理念的列车超速防护系统（ATP）保障[2]。系统出现故障时，会导致列车停车。在实际运行中，为保证行车效率，在ATP切除后采用人工驾驶方式行车。此时，运行的地铁列车缺乏必要的通信交流，列车间的碰撞事故在所难免。2011年，上海地铁10号线发生的“9.27”列车追尾事故正是因为列车在ATP切除状态下运行缺乏通信交流发生的。因此，研究列车应急追踪预警技术很有必要。本文介绍了地铁列车基于车-车直接通信的应急追踪预警方案，分析了无线传感器网络的无线测距技术，根据地铁列车的运行环境选择适合的测距技术，最后对所选的测距技术的原理与实际的应用情况进行介绍，完成了测距实验。

1 追踪预警方案

1.1基于车-车直接通信的地铁列车追踪预警方案

地铁列车追踪预警方案的目的是不依赖于原有的基于车-地双向通信的列车自动控制系统，借助设备之间的直接通信技术，实现车-车之间的信息交互，为列车驾驶员提供防碰撞的预警信息。该系统框架见图1。

该追踪预警方案具有如下特点：

（1）实时车距计算：在地铁列车司机室的头尾部分别安装测距设备，在两列车追踪运行时，由前车的车尾设备与后车的车头设备建立实时通信应答机制，前后列车的设备间传送测距信息。

（2）工作模式识别：系统能准确识别头尾端设备，根据线路区分上、下行情况并能够保证在地铁列车掉头行驶时自动切换工作模式。

（3）独立于既有信号系统：系统根据建立实时应答机制的设备实现车-车直接通信的功能，与基于车-地双向无线通信的列车运行控制系统不产生信息交互。在ATP切除时能够即刻识别并发出告警信息。

（4）预警信号：由测距设备测得列车追踪运行距离后，由系统之前设定好的极限阈值进行对比，分等级发出预警信号，包括语音提示与屏幕显示等信息辅助司机。

（5）系统自检与故障诊断：系统应具备上电自检的功能，对自身工作状态与故障进行诊断分析，并且能够对设备的工作状态进行记录与分析。

上述为地铁列车基于车-车直接通信的追踪预警系统应具有的功能。

1.2 无线测距技术的介绍

无线测距技术的发展在很大程度上得益于无线定位技术的发展。这些技术的核心功能是通过无线传感器网络中一些先进的无线定位技术感知到当前节点的位置，并通过特定的算法进而得到两节点甚至多节点之间的距离[3]。将无线测距技术应用在地铁列车的车-车直接通信中，能够感知到已建立应答机制的运行列车的位置，并通过测距技术的特定算法实时计算出列车行车的间隔。

结合地铁列车的运行环境以及车-车直接通信的具体需求，对这几种无线测距技术的特性进行探讨分析：

（1）GPS全球定位测距技术：该技术是现阶段的定位技术中发展最为成熟的，它能够结合卫星与通讯技术实现测距功能。但当地铁列车在隧道等信号被阻隔的环境中时，无法实现测距的功能。

（2）基于移动网络的定位测距技术：该技术能够实现50m范围内的精确定位，通过移动目标与固定基站的坐标交互，在获得测量参数之后，实现测距功能。但由于该技术对基础设备的依赖性较大，不适应于地铁列车的运行环境。

（3）基于WLAN的定位测距技术：在WIFI覆盖的范围内实现定位测距功能，而WIFI信号容易受到其它信号的干扰。地铁列车的运行控制系统较为复杂，WIFI信号极易受到干扰。

（4）基于超声波的定位测距技术：通过计算超声波在空气中传播的时间得到测距结果，因为超声波的波束发散较为严重，在地铁列车的长大坡道与隧道等特殊环境中得到的测距误差较大。

（5）基于ZigBee的定位测距技术：ZigBee 是基于 IEEE802.15.4 标准的一种低功耗局域网协议[4]，该种无线测距技术通常采用RSSI（Receive Signal Strength Indicator）算法得到距离信息，该种算法的易受干扰，适用性不强，测距范围较远。

（6）基于RFID的定位测距技术：该技术利用标签进入天线磁场后接收待定频率的无线射频信号[2]，该技术适应于短距离测距且需要在地面安装标签，工程量较大。

（7）基于CSS信号的定位测距技术：CSS（Chirp Spread Spectrum）是多维多址接入技术的一种简便应用，它融合了三种典型的调制技术各自的优点[5]。该技术有传输距离远、功耗低等优点，采用SDS-TWR（Symmetric Double Sided Two Way Ranging）作为测距算法，该种算法不需要固定的基础设施，具有较高的测距精度，测距范围较远。

可考虑将CSS信号应用于地铁列车间的无线通信中。

2 通信测距在车-车通信中的应用

2.1 CSS技术简介

CSS是MDMA（多维多址接入） 技术的一种简便应用，它融合了三种典型的调制技术各自的优点。CSS调制使用两种基本信号处理和传输信息，分别为Sinc 脉冲信号和 Chirp 脉冲信号。在接收端及发射端的基频部分，是采用 Sinc 脉波做处理。传输的过程使用的是 Chirp 脉波信号，Chirp 信号的瞬时频率在信息脉冲持续时间 T 内随着时间的变化而线性的增加或减小，其瞬时频率与时间的关系表达式为

式中0为载波频率，是扫频速率，通常为一常数。线性调频信号的瞬时相位φ（t）与线性调频信号s（t）在信息脉冲持续时间T 内的表达式分别为

±μ决定了信号的扫频方向，即信号瞬时频率的变化走向。取正号时为“Up-Chirp”，负号时为“Down-Chirp”。利用 Chirp 信号的扫频特性，将其应用在通信领域中，表达数据符号，达到扩频的效果。且该信号具有非常尖锐的相关特性，由此可以获得精确的信号到达时间分辨率，非常适合多径信道环境中的精确测距和定位。

2.2 基于CSS信号的车-车直接通信

将CSS信号应用于列车的车-车直接通信中，具体方案设计见图2。后车头部的设备为主动发射装置，前车头部的设备为被动接受装置。当两辆地铁列车追踪运行时，由后车头部设备主动发送CSS信号，前车尾部设备接受到该信号后，再将接收到的信号发送至后车车头，由后车车头的主动发射设备根据SDS-TWR算法对测距信号进行测量，得到列车的追踪间隔，实时监测追踪列车的运行安全。

SDS-TWR算法不需要系统中各个节点间的时钟同步，使得系统对硬件时钟的要求得到降低，从而降低系统整体的复杂度，并且不需要固定的基础设施，可以实现移动测距[8]。在此算法中对称指的是两个端节点的应答时间是相同的，即 Treply A=Treply B；双边指的是两端节点都进行一次往返测试。往返测试结果将用来对追踪列车间的传输时间进行计算，从而计算出信号在追踪列车间的传输距离。计算流程见图3。

（1）后车车头发起第一次测量，将信息发送至前车车尾，并由前车车尾发送响应信号至后车车头。

（2）后车车头记录第一次测量过程的累积时间T1，前车车尾的响应信号将记录的响应时间T2发送至节点1。

（3）前车车尾发起第二次测量，将信息发送至后车车头，并由后车车头发送响应信号至前车车尾。

（4）前车车尾记录测量第二次测量过程的累积时间T3，后车车头的相应信号将记录的响应时间T4发送至前车车尾。

T1和T2的差为信号在第一次测距中节点间往返一次用的时间，T3和T4的差为信号在第二次测距中节点间往返一次用的时间。

在SDS-TWR算法中，信号在节点间总共传播了4次。根据式（5）计算得到信号在节点间单程传播所用的时间t。

已知电磁波在空气中的传播速度c，可知列车间的追踪间隔，见式（6）。

2.3 现场验证

现场试验在上海地铁11号线的隧道区段内进行。实验信号频率1200MHz，发射功率30dBm，由定向螺旋天线收发。试验列车由司机人工驾驶，按照轨道的百米标位置停车。由于前行的列车司机无法看到列尾对应的百米标，因此停车处的预报值与真实值的存在±30m误差。

列车1保持静止，列车2分别在各测量定点处停留，完成距离测量工作后行驶至下一定点。测量定点距列车1从100m至600m，间隔100m变化，在每一定点位置处利用该测距单元完成两列车之间的距离测量，测量结果如下图4所示。

图4中，横轴表示车距测量次数，纵轴表示车距数值，1个散点表示1次测量结果。显然，定点处得到的测量值是相对稳定的，考虑轨道百米标±30m的误差值，测距单元在600m内的测距误差不超过5%。

3 结语

车-车通信是轨道交通信号控制系统的发展方向之一，在车车通信基础上完成车距测量，可以为人工{驶模式下的列车运行提供基本的安全防护，能够实现列车应急追踪预警。

本文分析了若干无线测距技术，提出基于CSS车车通信的测距方案，并在地铁运营正线隧道内进行了相关实验，验证了该技术的可行性，为推进列车追踪预警的研究提供了新思路。

【参考文献】

[1]李敬.列车防撞系统在城市轨道交通信号系统中的应用探讨[A].重庆工程师论文集[C].2014：4.

[2]林俊亭，王晓明，党，曹岩.城市轨道交通列车碰撞防护系统设计与研究[J]. 铁道科学与工程学报，2015，02：407-413.

[3]彭宇，.无线传感器网络定位技术综述[J].电子测量与仪器学报，2011，05：389-399.

[4]闫富松，赵军辉，李秀萍.ZigBee技术及其应用[J].广东通信技术，2006，04：48-51.

[5]郑栋.基于CSS的宽带无线定位技术研究[D].江南大学，2013.

[6]王洪俭，沈拓，韦姗姗，韦乐香.基于RSSI的轨道交通列车追踪预警方法[J].科技信息，2013，18：1+3.

[7]Shanshan WEI，Xiaoqing ZENG，Tuo SHEN等.A Method for Correction Ranging of Train Based on RSSI[C].//2015 International Conference on Mechanical，Electronics and Information Technology Engineering（ICMITE2015）（2015机械、电子与信息技术工程国际会议）论文集.2015：484-490.

[8]杨清玉，于宁，王霄，冯仁剑.无线传感器网络线性调频扩频测距方法研究[J]. 传感技术学报，2010，12：1761-1765.