轨道车防撞系统研究

摘要：轨道车是轨道交通基础设施建设和维护的重要工具。实际维护中，两辆轨道车朝着同一方向分别进行独立作业，在两车不知彼此定位信息时，极有可能发生相撞事故。针对此，文章设计并研制了一套轨道车定位防撞系统，该系统采用GPS定位和车轮定位相结合的方式，实时获取列车位置信息，同时，通过GSM通信技术，将轨道车实时位置信息发送给监管中心，必要时监管中心分别向两车发出减速、停车信号，防止轨道车相撞。

关键词：轨道车 防撞 GPS定位 GSM数据传输

0 引言

轨道车主要用于轨道交通施工、设备维护、紧急救援、定期检查等工作，其安全运行关系到整个轨道交通运输系统。随着我国新建轨道交通线路增多，列车的运行密度加大，从而增加了相关设备的维护工作。由于线路设备维护作业增多，需要上线维护轨道车增加，导致多个地方相继发生轨道车在作业过程中出发生相撞，因此，必须有一定的技术手段来确保行车安全。本文从实际工程应用的角度研究出一种基于“GPS定位+GSM数据传输+线路里程定位”的轨道车防撞系统，该系统通过GPS定位和车轮定位相结合的方式，实时获取轨道车位置信息，在获取轨道车位置信息后，通过GSM通信技术发送给监管中心，监管中心对两辆轨道车的位置对照数据库进行分析，得出两车相距，同时做出决策，如果两车相距较近时，则迅速分别向两车发出减速、停车信号，达到预防轨道车防撞目的。实际线路上的试验表明，该系统可有效防止轨道车相撞，从一定程度上保证了轨道交通运营和维护的安全。

1 防撞系统测量原理及构成

1.1 测量原理 轨道车防撞系统通过GPS设备在车辆运行过程连续获取轨道车当前位置，通过光电编码速度传感器及数据库定位技术，精确定位车辆位置，经数据处理设备实时处理、保存并通过GSM模块实时发送相关数据到轨道车及轨道车监管中心。

安装有防撞系统的轨道车在运行过程中，每辆车的位置由GPS模块和车轮定位模块得到，并以公里标的形式来表示，实现对车辆的定位，定位信息有：车辆运行速度、工区号、行驶方向、公里标、所在位置前后接触网支撑杆号。通过GSM通信技术将轨道车1的定位信息实时传输至轨道车2，并将两辆轨道车的定位信息基于数据库加以对比分析，得出两辆轨道车的相对距离，在一定运行速度下，相对距离小于阈值时发出减速的信号，准备停车。同时，考虑一定的安全裕度，阈值设置为2km。

因为两种定位方式都存在一定的定位误差，为保证轨道车定位的精确性，轨道车定位模块采用GPS定位模块与车轮定位模块相结合的方法。GPS定位模块误差在10m以内，该误差与轨道车行驶距离没有相关性。车轮定位模块误差属于累计误差，随着轨道车行驶距离的加大误差变大。为防止在行驶距离过大时车轮定位模块的积累误差很大超过10m，影响行轨道车间距离的判断，防撞系统采用GPS定位模块对其进行误差补偿，防止积累误差超过10m。GPS定位模块依赖于卫星信号，在轨道车进入隧道时，偶尔会出现信号较差的情况，使GPS定位不能正常运行，此时必须采用车轮定位模块来实时对列车位置信息进行捕获。可见，综合应用两种定位技术能保证轨道车定位的实时性、可靠性和精确性。

1.2 系统构成 本系统由GPS模块（含GPS天线）、速度里程采集模块（车轮定位模块，包含速度传感器和里程数据处理模块）、GSM模块（包含接收和发送模块）、综合数据处理设备（含控制模块和语音报警）和显示设备等5大部分组成。系统结构见图1，系统柜见图2。其中GPS模块、GSM模块、综合数据处理设备（含控制模块）、显示设备、里程数据处理模块安装于车内，GPS天线安装于车外，速度传感器安装车轴上。①综合数据处理设备，主要完成对GPS信息、GSM接收数据和轨道车运行速度和里程进行处理。并对GPS信息进行计算；②GPS模块采用高精度双频、50Hz采样频率的GPS模块主要是获取车辆的当前位置，为轨道车定位提供基础数据；③GSM数据接收模块主要用于接收其它轨道车发送过来的各种信息，这些信息包括其它速度信息、公里标、经纬度；④GSM数据发送模块主要用于发送当前轨道车的各种信息到其它轨道车及轨道车管理中心，这些信息包括其它速度信息、公里标、经纬度；⑤里程数据采集模块主要用于采集当前轨道车的速度，并计算轨道车运行的里程，并将数据传送给综合数据处理模块，便于计算车辆的当前位置。

2 轨道车防撞系统实现

2.1 软件模块 在轨道车行驶前要对系统进行初始设置，设置该车辆的工区号、前行方向、初始公里标、初始杆号，设置的初始值必须已经在数据库中有对应存档，否则系统将误报。轨道车在运行过程中系统将实时显示与其他轨道车的相对距离，并将本车的位置和速度发送至其他轨道车，当同一工区的两辆轨道车相对距离小于2km时，系统将发送警报信号，提醒轨道车开始减速行驶，等待连挂，等待连挂成功之后系统运行结束，图3、4分别为防撞系统的软件结构图和软件系统流程图。

2.2 GPS定位模块 GPS定位模块采用简单GPS接收模块，将GPS接收天线安装到轨道车车顶，通过GPS天线和GPS接收机获取到轨道车经度、纬度和速度信息，并通过防撞系统处理软件对轨道车行驶接收到的经度、纬度信息进行计算得到任意两辆轨道车之间的距离。任意两点间（A、B两轨道车）的距离d按式（1）计算。

d=111.12cos[ ] （1）

式（1）中，a1、b1分别为A轨道车的经度和纬度；a2、 b2分别为B轨道车的经度和纬度。

通过GPS方式测量出来的任意两个轨道车之间距离是直线距离，此时必须通过数据库，将轨道车位置与线路公里标和杆号进行关联，这样才能得到轨道车定位需要的距离，从而实现任意两轨道车之间距离判别。

2.3 车轮定位模块 基于輪轴脉冲速度传感器的车轮定位模块，其脉冲速度传感器安装到轨道车车轴上（图5），其基本工作原理是，脉冲转速传感器安装在车轮轴上，轮轴每转动1周，传感器输出一定数目的脉冲，脉冲频率与轮轴转速成正比。输出的脉冲经隔离和整形后直接输入计算机CPU进行频率测量，再经换算得出车辆速度和走行距离。轨道车走行距离s按式（2）计算。

s= Vdt+s0 （2）

式（2）中，V为轨道车车速；s0为轨道车初始位置；t0、t 为时间。

轨道车速度V通过轮轴脉冲速度传感器测得，将轨道车速度V和位置s通过GMS数据传输模块发送相应接收端，实现数据共享以便轨道车互相定位。

当轨道车运行时，轮轴脉冲速度传感器输出脉冲信号，传感器每转动1周输出N个脉冲，通过计数模块对脉冲数进行计算，每个脉冲对应的车轮走行距离ΔL按式（3）计算。

ΔL= （3）

式（3）中，D为轨道车轮径；N为轮轴脉冲速度传感器转动1周输出脉冲数。

实际使用中，ΔL一般在10mm左右，经过长距离行驶后，会产生累计误差，系统通过GPS信息结合数据信息对累计误差进行修正。

2.4 GSM数据传输模块 轨道车防撞系统数据传输模块，根据其无线通信链路的不同，有集群通信系统和GSM移动网络两种选择。在本系统中采用了GSM移动网络，GSM移动网络有如下优势：①GSM移动网络最大限度节省了成本；②采用GSM网络，可以通过短消息完成数据交换，由于这套系统每次所需传输的数据量相对较小，短消息业务是最理想的选择；③GSM移动网络可以有效地降低系统的通信误码率，且速度也比较快，对系统的稳定性也有保证。

2.5 数据库模块 轨道车防撞系统数据库模块取每根接触网支柱的标号为杆号，在系统运行时，必须提前对每个工区编辑公里标、杆号等数据信息，以建立数据库，为轨道车运行时提供参考依据。数据库数据信息有里程工区号、公里标、接触网杆号、行驶方向。数据库信息的导入、生成和数据库维护都通过数据库模块完成（图6）。数据库模块主要功能如下。①导入杆号数据。从excel线路数据表格中，将杆号基础数据导入到数据库；②导入公里标数据。从excel线路数据表格中，将公里标数据导入到数据库；③查看/修改。查看/修改数据库中已有的线路数据；④添加/删除线路。添加/删除线路信息；⑤公里标数据库转换工具。转换公里标数据库。

3 结束语

本文研究的基于GPS、GSM和里程定位技术的轨道车防撞系统，从根本上有效解决了轨道车在区间作业时的碰撞问题，并在实际运行中该系统得到了验证，可达到以下性能指标：①实时显示车辆实际位置；②判断任意两辆轨道作业车之间距离，并进行语音提示；③任意两辆轨道作业车之间距离小于设定值时自动警示；④实现管理中心实时监控。

参考文献：

[1]中兴通讯NC教育管理中心.GSM移动通信技术原理与应用 [M].北京：人民邮电，2009.

[2]李陆新.机车轴端光电式转速传感器的改进设计[J].机车电传动，2003（01）.

[3]李天文.GPS原理及應用[M].北京：科学出版社，2003.

作者简介：曲静（1980-），女，山东龙口人，工程师，研究方向：轨道车防撞技术。