車(chē)載定位與通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究進(jìn)展

萬(wàn) 壯，謝 劍，趙 尋，覃 杰

(成都地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 維保分公司，四川 成都 610017)

精確的列車(chē)定位信息、良好的車(chē)載通信手段，對(duì)基于通信的列車(chē)控制(Communication Based Train Control System，CBTC)系統(tǒng)起著決定性作用。由于地鐵獨(dú)特的工作環(huán)境和運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，通用的車(chē)載定位與通信手段無(wú)法適用。本文針對(duì)應(yīng)用在地鐵環(huán)境下的車(chē)載通信定位場(chǎng)景，系統(tǒng)梳理了其所涉及的定位與通信技術(shù)以及相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而為后續(xù)的研究工作提供參考。

1 地鐵定位技術(shù)

由于地鐵所處的地下環(huán)境無(wú)法使用衛(wèi)星定位系統(tǒng)，故其所使用的定位技術(shù)與普通車(chē)載定位技術(shù)有所不同。本章節(jié)將重點(diǎn)論述在全球衛(wèi)星定位信號(hào)(Global Navigation Satellite System，GNSS)拒止環(huán)境中的定位問(wèn)題。

1.1 基于接收信號(hào)強(qiáng)度的定位技術(shù)

該種測(cè)距方法根據(jù)接收到的信號(hào)功率測(cè)量值估計(jì)分離距離。無(wú)線電波在通過(guò)無(wú)線信道時(shí)會(huì)經(jīng)歷反射、衍射和散射，這些效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)在任意發(fā)射機(jī)-接收機(jī)間隔距離上逐漸變化，或在幾個(gè)波長(zhǎng)上快速變化，其中逐漸變化的傳播效應(yīng)被稱(chēng)為多徑衰落[1-2]。對(duì)于無(wú)線定位系統(tǒng)，基于接收信號(hào)強(qiáng)度的無(wú)線電測(cè)距，可以通過(guò)使用路徑損耗模型或信號(hào)三角測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)[3-4]。實(shí)際測(cè)量時(shí)，基于接收信號(hào)強(qiáng)度的定位技術(shù)分兩個(gè)階段進(jìn)行：離線訓(xùn)練階段和實(shí)際測(cè)量階段。離線訓(xùn)練階段在固定點(diǎn)(參考點(diǎn)或錨點(diǎn))測(cè)量覆蓋區(qū)域內(nèi)，不同方向上的信號(hào)強(qiáng)度不同。這些固定點(diǎn)以網(wǎng)格的形式覆蓋需定位區(qū)域，可稱(chēng)為無(wú)線電地圖。在測(cè)量階段，需要定位車(chē)輛記錄存在的固定點(diǎn)接收信號(hào)強(qiáng)度，并與訓(xùn)練階段生成的離線數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較，以估計(jì)地鐵位置。基于接收信號(hào)強(qiáng)度的定位估計(jì)框架通常使用最近鄰法[5-6]、K-最近鄰法(K-NN)[7-9]或貝葉斯推理[10-11]來(lái)實(shí)現(xiàn)，此外也有部分方案采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[12-13]或支持向量機(jī)(Support Vector Machine,SVM)[14-15]等方法。

1.2 航位推算定位技術(shù)

航位推算是一種依賴(lài)于里程計(jì)和慣性的導(dǎo)航方法，其通過(guò)將來(lái)自里程計(jì)源或IMU(Inertial Measurement Unit)的測(cè)量值與指南針融合，以確定地鐵的速度、航向及行進(jìn)時(shí)間。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System，INS)利用IMU和陀螺儀實(shí)現(xiàn)定位，系統(tǒng)中的IMU提供平移和旋轉(zhuǎn)信息，文獻(xiàn)[16]指出，其相對(duì)于已知的測(cè)量，會(huì)隨著時(shí)間的推移而更新。文獻(xiàn)[17]提出，隨著時(shí)間的推移，由于地鐵位置需要進(jìn)行連續(xù)的積分運(yùn)算，所以定位信息會(huì)累積大量的誤差，因此應(yīng)協(xié)調(diào)處理。

1.3 基于信標(biāo)的定位方法

基于有源信標(biāo)的定位方法使用三角測(cè)量或更多信標(biāo)來(lái)計(jì)算平臺(tái)的絕對(duì)位置[18]。文獻(xiàn)[19～20]提出基于視覺(jué)的信標(biāo)定位方法。文獻(xiàn)[21～22]使用基于無(wú)線電的定位方法。文獻(xiàn)[23]提出基于紅外的定位方法。文獻(xiàn)[24]提出基于光線的定位方法。文獻(xiàn)[25～26]則使用基于聲學(xué)的信標(biāo)定位方法。信標(biāo)能夠提供準(zhǔn)確的定位信息，但其必須安裝在已知區(qū)域，并需要合理的日常管理。

1.4 基于信號(hào)飛行時(shí)間的定位技術(shù)

基于飛行時(shí)間的方法依賴(lài)于發(fā)射能量脈沖的傳播速度，以及脈沖往返的時(shí)間差。聲納、紅外、激光傳感器具有主動(dòng)探測(cè)的能力[27-30]，且適合在弱光環(huán)境中使用，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

文獻(xiàn)[31]的研究表明，聲納測(cè)距提供了有關(guān)空間占用情況的準(zhǔn)確信息。由于聲音在水中的傳播速度比在空氣中快，所以聲納導(dǎo)航在水下得到了大規(guī)模的應(yīng)用。文獻(xiàn)[32]解釋了基于聲納的空氣導(dǎo)航方法面臨的一些問(wèn)題，如聲納數(shù)據(jù)的合理解釋。文獻(xiàn)[33]的研究表明，聲納對(duì)物體表面的材料較敏感，且會(huì)給精確的地鐵定位帶來(lái)問(wèn)題。

文獻(xiàn)[34]分別使用卡爾曼濾波器和蒙特卡羅濾波器，基于紅外傳感器進(jìn)行了導(dǎo)航和定位。經(jīng)研究表明，紅外傳感器存在對(duì)物體表面顏色敏感的問(wèn)題，其會(huì)導(dǎo)致距離測(cè)量不準(zhǔn)確。然而使用激光雷達(dá)(LiDAR)原理與聲納、紅外傳感器類(lèi)似，其可生成密集、高分辨率的3D地圖，從而實(shí)現(xiàn)高精度的地鐵定位。

2 定位技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)

定位系統(tǒng)的性能可以通過(guò)下述指標(biāo)進(jìn)行表征。

2.1 準(zhǔn)確性

定位準(zhǔn)確性表征了真實(shí)定位數(shù)值與估計(jì)位置之間的定位誤差。在定位技術(shù)的相關(guān)研究中廣泛使用均方根誤差(Root Mean Squared Error，RMSE)

(1)

式中，xp和yp是估計(jì)車(chē)輛位置坐標(biāo)；x與y是車(chē)輛真實(shí)定位坐標(biāo)。

2.2 可用性

可用性是車(chē)載定位系統(tǒng)提供可用位置信息的時(shí)間占比，其通常表示為接收器輸出滿足所需規(guī)范時(shí)段的百分比。

2.3 連續(xù)性

連續(xù)性表征了車(chē)載定位系統(tǒng)無(wú)故障或中斷運(yùn)行的能力，通常連續(xù)性被實(shí)例化為定位接收器在正常工作時(shí)有反饋的概率。

2.4 完整性

完整性表征車(chē)載定位系統(tǒng)提供的信息正確性，即車(chē)輛系統(tǒng)對(duì)定位信息的信任程度。同時(shí)，其也表征了車(chē)載定位系統(tǒng)在提供的信息不準(zhǔn)確時(shí)向用戶(hù)提供及時(shí)警告的能力。

此外，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，對(duì)于車(chē)載定位技術(shù)的評(píng)價(jià)手段包括但不限于：首次定位時(shí)間、信號(hào)捕獲靈敏度、定位跟蹤靈敏度、信號(hào)重新捕獲時(shí)間、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)導(dǎo)航精度等。

3 車(chē)載通信技術(shù)

車(chē)載通信是一類(lèi)移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，最初由美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局于1970年提出，并引入了分組無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的概念。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以在無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施模式下使用無(wú)線信道進(jìn)行通信，其可支持移動(dòng)節(jié)點(diǎn)隨時(shí)隨地進(jìn)行任意方向的通信。車(chē)載通信節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)自動(dòng)配置，實(shí)現(xiàn)通信過(guò)程中節(jié)點(diǎn)自主加入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)。

3.1 地鐵車(chē)載通信標(biāo)準(zhǔn)

車(chē)載場(chǎng)景由于其高拓?fù)渥兓透咭苿?dòng)性，需要高速數(shù)據(jù)傳輸與快速通信。文獻(xiàn)[10]中提出了一種數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)緩沖方案，以減少系統(tǒng)中的延遲。車(chē)載環(huán)境無(wú)線接入標(biāo)準(zhǔn)(WAVE)由眾多標(biāo)準(zhǔn)組成，且這些標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)立執(zhí)行相應(yīng)功能：IEEE802.11a管理網(wǎng)絡(luò)物理層；IEEE1609.1工作于應(yīng)用層；IEEE1609.2提供安全機(jī)制；IEEE1609.3用于管理車(chē)載環(huán)境無(wú)線接入標(biāo)準(zhǔn)；IEEE1609.4管理邏輯鏈路控制層。文獻(xiàn)[35]的研究發(fā)現(xiàn)，車(chē)載環(huán)境無(wú)線接入標(biāo)準(zhǔn)違反了TCP/IP層設(shè)計(jì)，因此其提出了一個(gè)兩層設(shè)計(jì)通訊架構(gòu)來(lái)快速訪問(wèn)IPv6。

3.2 車(chē)用路由研究

路由是車(chē)載通信中使用的一項(xiàng)技術(shù)。在車(chē)載通信網(wǎng)絡(luò)中，由于車(chē)輛的高移動(dòng)性，故而該技術(shù)是一項(xiàng)難以實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。車(chē)載通信網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理、流量管理、廣播、移動(dòng)性、拓?fù)渥兓?、服?wù)質(zhì)量、快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)?；而?chē)載通信中所用的路由系統(tǒng)包括：基于拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議、基于地理信息的路由等。

基于地理信息的路由使用地理位置信息來(lái)選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)消息，并使用信標(biāo)來(lái)廣播消息?；诘乩硇畔⒌穆酚?，無(wú)需維護(hù)路由和路由表。隨著移動(dòng)性的增加，汽車(chē)節(jié)點(diǎn)拓?fù)渥兓l繁，若使用基于拓?fù)涞穆酚?，可能?huì)在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載高的情況下降低性能。因此，基于地理信息的路由方案具有更優(yōu)的表現(xiàn)。

3.3 面向定位的地鐵通信研究

地鐵隧道形狀不規(guī)則，而且墻壁由巖石等成分組成，這兩個(gè)特征均會(huì)影響沿隧道傳播的無(wú)線電信號(hào)，例如現(xiàn)有的定位信號(hào)GPS(Global Positioning System)無(wú)法使用。LORAN(Long Range Navigation)系統(tǒng)是一種常用的隧道內(nèi)定時(shí)定位系統(tǒng)，文獻(xiàn)[36]中討論了隧道中Wi-Fi/ZigBee通信的可用性。文獻(xiàn)[37]中提出了隧道自動(dòng)識(shí)別與自主定位解決方案，通過(guò)幾種假想模型來(lái)分析隧道中的無(wú)線電信號(hào)傳播，例如有限狀態(tài)馬爾可夫信道(Finite-State Markov Chain，F(xiàn)SMC)。目前有3種類(lèi)型的模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境的建模：基于模態(tài)理論[38]、一般繞射理論[39]和基于混合方法[40]。文獻(xiàn)[40]中提出了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的地鐵防撞系統(tǒng)和用于定位地鐵隧道中列車(chē)位置的ZigBee協(xié)議機(jī)制。研究表明，在開(kāi)放空間中，兩個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的傳輸距離可達(dá)100 m。

如今，地鐵行業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施向著基于自動(dòng)傳感和物智能聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的方向發(fā)展。隨著地鐵速度的增加，通信設(shè)備的可靠性以及對(duì)通信質(zhì)量的要求也顯著提高。文獻(xiàn)[41]表明，近期開(kāi)發(fā)的寬帶通信系統(tǒng)(LTE通信技術(shù)、5G通信技術(shù)、超寬帶雷達(dá)、IEEE 802.11ad等)在數(shù)據(jù)通信的帶寬與速度方面均具有較多優(yōu)勢(shì)。在這些技術(shù)廣泛應(yīng)用之前，使用現(xiàn)有框架，并結(jié)合新興技術(shù)，進(jìn)而提高地鐵環(huán)境的通信質(zhì)量，對(duì)于整個(gè)地鐵行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)了地鐵車(chē)載定位技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展概況。對(duì)于目前廣泛采用且處于研究階段的各項(xiàng)定位和通訊技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性地分析。可以看出，針對(duì)地鐵應(yīng)用場(chǎng)景的通信與定位技術(shù)，從相關(guān)的理論基礎(chǔ)出發(fā)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的需求，結(jié)合人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制理論等研究成果，發(fā)展出了種類(lèi)繁多的技術(shù)和理論。

未來(lái)地鐵定位與通訊技術(shù)的發(fā)展方向?yàn)樘岣呒夹g(shù)穩(wěn)健運(yùn)行能力、擴(kuò)大與加深設(shè)備聯(lián)網(wǎng)程度，以應(yīng)對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)可能出現(xiàn)的極端情況，從而提高地鐵整體產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)化、智能化水平。