基于車載信號的列車防撞系統(tǒng)研究

周國軍 程貴良

摘要：傳統(tǒng)鐵路運行過程中，線路異物侵限時，列車不具備列車自動防護(hù)功能，由司機(jī)人工駕駛行車，采用混合行車路權(quán)方式，因此存在一定的安全隱患。為了防止列車前方出現(xiàn)障礙物或者前后車之間的距離不足時發(fā)生撞擊事故，特別在大霧和霧霾天氣，為了保證行車的安全，車載信號系統(tǒng)必須具備防撞功能。本文對車載防撞系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，提出了可行的解決方案，進(jìn)一步提高了行車的安全性。

關(guān)鍵詞：列車;防撞;定位;毫米波雷達(dá)

中圖分類號：U284.93 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

車載信號系統(tǒng)是列車信號控制的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一，主要功能包括安全類功能和非安全類，其中安全類功能主要包括列車定位、列車DMI顯示、平交路口信號控制和超速告警;非安全類功能有與車輛控制器交互信息如車速、下一站到站時間等旅客乘車信息。從信號系統(tǒng)的功能特點可知，車載信號系統(tǒng)用不具備自動防護(hù)和自動跟蹤的功能。但是，當(dāng)列車前方出現(xiàn)障礙物或者前后車之間的距離很近時，就當(dāng)前的信號系統(tǒng)而言，不具備自動防護(hù)功能，此時如果司機(jī)沒有采取有效的措施，可能發(fā)生行車事故。因此，為了保障列車運行的安全，車載信號系統(tǒng)的防撞功能應(yīng)運而生。特別在當(dāng)前霧霾十分嚴(yán)峻的現(xiàn)狀下，車載防撞系統(tǒng)的研究迫在眉睫。

1關(guān)鍵技術(shù)分析

當(dāng)列車運行前方一定距離內(nèi)出現(xiàn)障礙物或前后車距小于安全值時，車載司機(jī)顯示單元DMI將發(fā)出障礙物告警提示，此時司機(jī)應(yīng)當(dāng)采取制動措施。如果車輛具有鳴笛接口，則車載控制器通過鳴笛向車外發(fā)出警示聲以提示列車前方車輛或人員。特別地，當(dāng)發(fā)生大霧或者霧霾嚴(yán)重的情況下，該功能輔助司機(jī)安全駕駛列車運行。因此，對于車載防撞功能來說，其關(guān)鍵技術(shù)為列車定位、障礙物探測和車距的計算。

2列車定位

列車定位方法較多，包括衛(wèi)星定位、軌道電路、計軸器、感應(yīng)式通信環(huán)線以及RFID電子標(biāo)簽等，但是這些單一的定位方法都存在一定的缺陷和不足，為了保證定位的可靠性和精確度，必須采取組合定位的方案。由于衛(wèi)星定位基礎(chǔ)設(shè)施完備，RFID電子便簽定位技術(shù)成熟且價格便宜，因此采用GPS/BDS+RFID+里程計的組合定位方案實現(xiàn)對列車的定位。采用這種方法定位，不但提高了定位的可靠性，而且具備較高定位的精度和完備性。表1為定位模式切換和選擇策略。

其中，“1”代表正常狀態(tài)，“0”代表故障狀態(tài);“A”代表GPS/BDS，“B”代表RFID，“C”代表里程計;“X”代表正線道岔、平交路口以及車站區(qū)域，“Y”代表非正線道岔和非平交路口的正線區(qū)域，“Z”代表出入段線（地下）。

由表1可知，如果RFID電子便簽布置恰當(dāng)，只有當(dāng)GPS/BDS定位、RFID電子標(biāo)簽定位和里程計定位三者同時發(fā)生故障時，列車才徹底失去定位信息。顯然，三者同時發(fā)生故障的概率是非常小的，而且一般情況下采取故障報警的措施，一旦任何一種定位方式故障，系統(tǒng)都會報警，及時對其進(jìn)行維修處理。因此，該組合方案的可靠性和完備性很高。由于采用的是無源RFID電子標(biāo)簽，其內(nèi)部固化了精確的線路數(shù)據(jù)，因此精度也有保障。

3障礙物探測

由于列車采用非獨立路權(quán)模式，其他機(jī)動車輛和行人與列車混行，因此在列車運行過程中，其前方經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)動車輛、行人及其他障礙物。為了保障行車安全，避免列車與障礙物發(fā)生碰撞事故，尤其是在大霧及霧霾嚴(yán)重的情況下，必須在列車上配備障礙物探測裝置來探測運行前方的障礙物，一旦障礙物進(jìn)入危險區(qū)域內(nèi)，車載設(shè)備立即報警，司機(jī)及時采取制動措施。目前常用的探測技術(shù)有雷達(dá)探測、紅外線探測和超聲波探測等。雷達(dá)探測全天候好，探測距離精確，抗干擾能力強;紅外線探測無精確探測距離，全天候能力差;超聲波探測對人體存在一定的危害，不適用于城市人流密集區(qū)域物體的探測。選取抗干擾能力強、環(huán)境適應(yīng)性好、分辨率高及更新速度快的毫米波雷達(dá)探測方案實現(xiàn)障礙物的探測。

3.1車載防撞系統(tǒng)組成

車載防撞系統(tǒng)由毫米波雷達(dá)，列車定位設(shè)備，車載控制器，司機(jī)顯示模塊和告警模塊組成。毫米波雷達(dá)完成障礙物的探測，采集外部目標(biāo)物信息;列車定位設(shè)備獲取列車的實時位置信息;車載控制器綜合處理列車的方向、速度、加速度、位置和障礙物信息，判斷出障礙物相對列車的位置;司機(jī)顯示模塊顯示來自車載控制器的處理結(jié)果，以圖形方式給司機(jī)給出提示;告警模塊實現(xiàn)碰撞發(fā)生時的語音報警提示。圖1為車載防撞系統(tǒng)組成圖。

3.2毫米波雷達(dá)工作原理

毫米波的波長為1-10mm，具有微波和紅外兩種波譜的特點。毫米波雷達(dá)的角分辨率高、頻帶寬，具備全天候特性，有利于采用脈沖壓縮技術(shù)，同時毫米波雷達(dá)元器件尺寸小，使得系統(tǒng)的體積比較小。毫米波雷達(dá)由天饋模塊、發(fā)射模塊、接收模塊、數(shù)字及圖像處理模塊和電源模塊等組成，如圖2所示。

發(fā)射模塊接收數(shù)字及視頻處理模塊發(fā)送的控制信號和定時信號，產(chǎn)生高功率、低占空比的射頻信號。天饋模塊包含了毫米波天線、饋線和伺服，接收來自數(shù)字及視頻處理模塊發(fā)送的伺服控制和波束選擇控制命令，將來自發(fā)射模塊的高功率射頻信號定向輻射到空間，并在接收時收集大面積的回波信號，還可以作為空間濾波器，提供目標(biāo)物的角度分辨等功能。接收模塊對來自天饋模塊的射頻信號進(jìn)行濾波、混頻、放大和采樣處理，最后發(fā)送至數(shù)字及視頻處理模塊。數(shù)字及視頻處理模塊形成全機(jī)定時信號，為其他各模塊形成相應(yīng)的信號和控制命令，消除通道的零漂，同時進(jìn)行非相參積累和門限判決，最終提取最近的目標(biāo)。電源模塊為整個毫米波雷達(dá)裝置提供電源。

3.3障礙物探測流程

毫米波雷達(dá)將探測到的目標(biāo)信號發(fā)送給車載控制器后，車載控制器根據(jù)本列車的實時運行狀態(tài)（如速度和加速度）和列車與目標(biāo)之間的相對距離、角度和速度，以地面為參照物，首先判斷目標(biāo)的運動狀態(tài)（靜止和運動）。如果目標(biāo)處于靜止?fàn)顟B(tài)，則需要判斷目標(biāo)是否在發(fā)生碰撞事故的范圍內(nèi)，如果是，則確定該目標(biāo)為障礙物，否則忽略不計。如果目標(biāo)處于運動狀態(tài)，則需要計算障礙物和列車運動軌跡，根據(jù)目標(biāo)物軌跡和列車軌跡之間的位置關(guān)系（限定范圍內(nèi)相交或者不香交），確定目標(biāo)是否為障礙物。

一旦系統(tǒng)判斷目標(biāo)為障礙物，車載控制器及時向人機(jī)界面發(fā)送圖文報警信息，為了防止司機(jī)工作繁忙或者疏忽造成的提示信息不能及時發(fā)現(xiàn)和處理，車載設(shè)備同時發(fā)出語音報警提示。

4車距計算

列車車載控制器通過速度傳感器獲取到自身的運行速度，通過定位設(shè)備獲取并計算出列車的位置和運行方向信息。速度、位置、方向和列車長度信息通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸給運營調(diào)度中心。同時，本次列車通過無線通信網(wǎng)絡(luò)從運營調(diào)度中心獲得前方和后方列車實時的運行方向、速度、位置和列車長度信息。進(jìn)一步通過毫米波雷達(dá)探測裝置獲取前后方列車之間的距離，以上信息經(jīng)過車載控制器綜合計算和分析，如果發(fā)現(xiàn)列車前后方間隔小于安全間隔，車載設(shè)備應(yīng)在給定時間內(nèi)給出報警信息，防止列車發(fā)生碰撞事故。

在列車間距計算過程中，假定列車獲得的定位信息都為列車車頭處的位置信息，主要包含四種情況：前后車同向運行、前后車對向運行、前車同向靜止和前車對向靜止。假設(shè)前車車長為L，安全間隔為So，前車的速度為V1，后車速度為V2。

（1）前后車同向運行

初始狀態(tài)下：S>So。如圖3所示，當(dāng)V2V1時，后車追蹤前車運行，相對速度V相=V2-V1。根據(jù)列車獲取到的位置信息，前后車間距S=|S1-S2|-L，當(dāng)S