基于无线传感器网络的地铁列车防追尾方法研究

沈拓++邓奇++张玮玮

【摘 要】地铁列车的安全运行由基于车-地双向通信的列车自动防护系统保障，当列车自动防护系统失效地铁列车降级运行时，有必要研究一种基于车-车直接通信的列车防追尾方法以保证地铁列车的行车安全。基于无线传感器网络的防追尾方法通过相应算法测量车-车直接通信信号得到追踪间隔，通过对比追踪间隔与预警阈值，给出预警信息，进而实现地铁列车的避撞防护。本文介绍两种应用于地铁列车防追尾方法中的无线测距技术，对其测距原理、设计方案进行研究分析。

【关键词】地铁列车；车-车直接通信；防追尾；无线传感器网络

0 引言

地铁列车以其耗能少、运行密度大等优点在城市公共交通系统中占有突出地位。截至2014年底，中国内地拥有101条在建及正式投入运行的地铁列车线路，运行总里程达3155km。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（Automatic Train Protection ATP）保障[1]。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，研究列车的防追尾方法很有必要。

先进的无线传感器网络由节点收集信息，通过感知信号对系统进行控制。将基于无线传感器网络的无线测距技术应用于轨道交通领域，在ATP切除后为保证地铁列车的安全运行，由无线测距信号实现车-车直接通信，通过该信号的测量得到列车的追踪间隔。在保证地铁列车安全运行的前提下，提高运行效率。

本文首先介绍地铁列车基于车-车直接通信的防追尾方案，其次研究基于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对比分析。

1 基于车-车直接通信的地铁列车防追尾方案

地铁列车防追尾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。该方案的系统框架见图1。

该防追尾方案的介绍如下：

（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控制列车运行，但不参与直接控车。

（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-车直接通信的防追尾系统应具有的功能。

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[2]。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。但由于该技术在实现时较为复杂，当地铁列车运行至隧道等信号被阻隔的环境中时，无法实现精确测距的功能。

（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结果不精确。

（5）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，不适用于地铁列车的车-车直接通信的方案。

（6）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[3]，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，该种算法的适用性较强，测距范围较远。可考虑将ZigBee信号应用于地铁列车间的无线通信中。

（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[4]。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。

由以上分析可得， ZigBee信号和CSS信号适应性强，可应用于地铁列车的车-车直接通信。

4 结语

无线传感器网络的大力发展在很大程度上促进了轨道交通的发展，将先进的无线测距技术应用于列车间的信息传输能够提高列车运行的可靠性，这也将是轨道交通新的发展趋势。

本文通过分析无线测距技术的特点，提出基于ZigBee信号的车-车通信方案与基于CSS信号的车-车通信方案，并对两种方案的测距算法进行介绍，最后对两种方案的优缺点进行对比，为推进列车防追尾的研究提供一些新思路。

【参考文献】

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[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.

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[10]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.

[责任编辑：杨玉洁]