摘要：針對(duì)同一軌道上列車(chē)防撞預(yù)警，采用GPS衛(wèi)星定位和航跡推算實(shí)現(xiàn)組合定位，通過(guò)無(wú)線數(shù)傳技術(shù)，可用于復(fù)雜軌道地理環(huán)境(隧道、森林、丘陵等)下的局域鐵路網(wǎng)行車(chē)安全管理。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

0 引言

碰撞避免問(wèn)題是現(xiàn)代交通運(yùn)輸領(lǐng)域的重要研究問(wèn)題，與人們的生活息息相關(guān)，在航空、航海、道路以及軌道交通領(lǐng)域均有很多的研究。如航空領(lǐng)域中的交通預(yù)警和避撞系統(tǒng)/自決策監(jiān)督廣播系統(tǒng)TCAS/ADS—B;航海領(lǐng)域中的船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)AIS;道路交通領(lǐng)域的車(chē)-車(chē)避撞系統(tǒng)C2C等。

道路交通、航空以及航海等領(lǐng)域都已經(jīng)有了較為成熟的防撞預(yù)警系統(tǒng)，相比之下，軌道交通領(lǐng)域的防撞預(yù)警系統(tǒng)研究起步較晚，開(kāi)發(fā)實(shí)際難度也較大。本文主要針對(duì)低速運(yùn)行的貨運(yùn)列車(chē)在復(fù)雜的軌道地理?xiàng)l件(隧道、森林、丘陵等)下運(yùn)行，合理使用單片機(jī)技術(shù)、GPS衛(wèi)星定位技術(shù)和航跡推算導(dǎo)航算法，設(shè)計(jì)出低成本的鐵路列車(chē)防撞系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體介紹

列車(chē)防撞預(yù)警系統(tǒng)由定位系統(tǒng)、無(wú)線通信機(jī)制、決策系統(tǒng)以及報(bào)警裝置等部分組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先將自身信息(實(shí)時(shí)位置、實(shí)時(shí)速度等)廣播到附近區(qū)域，同時(shí)接收所在區(qū)域中的其他裝有該系統(tǒng)的廣播信息。列車(chē)通過(guò)這些從其他列車(chē)接收到的信息，可以全面了解目前附近的交通狀況，若存在發(fā)生危險(xiǎn)的可能則立即向列車(chē)員提供警告和建議，從而避免碰撞事故的發(fā)生。因此，該防撞預(yù)警系統(tǒng)主要有三個(gè)功能：①位置、速度等相關(guān)信息的獲取;②廣播并接收這些相關(guān)信息;③對(duì)這些信息進(jìn)行處理并檢測(cè)是否存在碰撞危險(xiǎn)，若存在則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2 組合導(dǎo)航系統(tǒng)

組合導(dǎo)航系統(tǒng)主要是為列車(chē)防撞預(yù)警系統(tǒng)提供可靠的位置信息、列車(chē)的實(shí)時(shí)定位信息對(duì)列車(chē)控制與系統(tǒng)進(jìn)行碰撞檢測(cè)有至關(guān)重要的作用。

2. 1 GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)

GPS(Global Position System，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))定位的基本原理是根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離交匯原理，確定待測(cè)點(diǎn)的位置。鐵路上已開(kāi)發(fā)成熟的自動(dòng)閉塞系統(tǒng)證實(shí)了GPS適用于列車(chē)定位，GPS定位不依賴(lài)于其他軌旁設(shè)備，只需一部高精度GPS終端接收機(jī)便能實(shí)現(xiàn)常規(guī)定位。但是GPS存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力差、易受電子干擾、信號(hào)容易被遮擋等缺點(diǎn)。如果GPS信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間不能得到及時(shí)恢復(fù)，系統(tǒng)的誤差就不可避免隨時(shí)問(wèn)而積累。當(dāng)列車(chē)行駛在GPS信號(hào)不好的隧道、森林中時(shí)，純粹的衛(wèi)星定位將不能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

2.2 DR航跡推算定位系統(tǒng)

DR(Dead Reckoning，航跡推算系統(tǒng))是利用已知的載體初始位置，根據(jù)運(yùn)動(dòng)載體在該點(diǎn)的航向、航速和航行時(shí)間，實(shí)時(shí)推算下一時(shí)刻的坐標(biāo)位置的一種導(dǎo)航定位方法。它是一種自主式定位，其定位精度不會(huì)受到如電磁干擾、遮擋等外界因素的影響。但是，航跡推算系統(tǒng)不具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，必須每隔一段時(shí)間進(jìn)行誤差校正。本系統(tǒng)所使用的航跡推算系統(tǒng)類(lèi)似于車(chē)載里程儀，其構(gòu)造和原理也大致相同，都是由一個(gè)磁電傳感器和一組貼在車(chē)輪上的磁片構(gòu)成，車(chē)輪每旋轉(zhuǎn)一圈，磁電傳感器便產(chǎn)生一定數(shù)量的脈沖，通過(guò)對(duì)這些脈沖的計(jì)數(shù)，便知列車(chē)在這段時(shí)間的行程，在時(shí)刻的列車(chē)運(yùn)行行程為

式中，n(t)為t時(shí)刻輸出的脈沖數(shù)：n(t)-n(t-1)即為本周期內(nèi)的輸出脈沖數(shù);M為車(chē)輪每轉(zhuǎn)一圈應(yīng)該輸出的脈沖數(shù);D為車(chē)輪直徑。

根據(jù)在t時(shí)刻的列車(chē)運(yùn)行行程，可得列車(chē)的運(yùn)行速度為

式中，τ為計(jì)數(shù)周期，當(dāng)計(jì)數(shù)周期較小時(shí)，該速度可近似描述列車(chē)的瞬時(shí)速度。

2. 3 組合導(dǎo)航算法

當(dāng)列車(chē)運(yùn)行在隧道等衛(wèi)星信號(hào)不好的情況下時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄下最后一個(gè)GPS輸出的有效坐標(biāo)，同時(shí)，DR系統(tǒng)以該點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的地理坐標(biāo)系(一般取東、北、天坐標(biāo)系，滿(mǎn)足右手定則)作為航跡推算的參考坐標(biāo)系，并取該點(diǎn)為其推算位置的起點(diǎn)，利用航向傳感器和DR系統(tǒng)可確定每一時(shí)刻車(chē)輛的位置：

式中，x(t)，y(t)是t時(shí)刻列車(chē)在參考坐標(biāo)系下的位置;x(t-1)，y(t-1)是t-1時(shí)刻列車(chē)在參考坐標(biāo)系下的位置;θ是測(cè)向速度與參考坐標(biāo)系北向的夾角。在此，我們將隧道做一個(gè)合理地簡(jiǎn)化，在一般情況下我們認(rèn)為隧道為直隧道。于是，可根據(jù)系統(tǒng)記錄下的最后一個(gè)GPS輸出的有效坐標(biāo)結(jié)合列車(chē)的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行航跡推算：

式中，λ(t)、L(t)分別為航跡推算過(guò)程中列車(chē)的實(shí)時(shí)經(jīng)度和緯度;λ0、L0分別為起點(diǎn)經(jīng)緯度。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 組合導(dǎo)航模塊

GPS定位具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，但定位不連續(xù)，航跡推算系統(tǒng)恰恰具有良好的短期穩(wěn)定性，但必須每隔一段時(shí)間進(jìn)行定位誤差校正?？梢?jiàn)GPS定位和DR具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，本系統(tǒng)就是采用了GPS/DR組合定位系統(tǒng)，通過(guò)DR定位誤差補(bǔ)償，確保了列車(chē)在GPS信號(hào)丟失時(shí)仍能有效地確定列車(chē)的實(shí)時(shí)位置。組合定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3.2 無(wú)線通信模塊

通信機(jī)制完成系統(tǒng)中各模塊間的通信功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。列車(chē)之間的互相通信是將實(shí)時(shí)的位置信息傳遞給臨近的列車(chē)，通過(guò)計(jì)算與相鄰列車(chē)的距離，并判斷是否存在碰撞的可能，根據(jù)判斷結(jié)果給出相應(yīng)的警告信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)列車(chē)的安全預(yù)警。

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸是利用無(wú)線電波作為傳輸?shù)拿浇?，將?shù)據(jù)信息進(jìn)行編碼調(diào)制到載波頻率上，送到射頻前端，通過(guò)天線發(fā)射出去或?qū)⒔邮盏降碾姴ㄐ盘?hào)進(jìn)行解碼調(diào)制還原出原始數(shù)據(jù)的過(guò)程。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)具有不用預(yù)設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施及自主組網(wǎng)等特點(diǎn)，主要用于解決一些不易架設(shè)線纜，但又需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并傳輸?shù)男⌒蜔o(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信問(wèn)題。由于鐵路沿線架設(shè)通訊線路不方便，而且架線工作量比較大，選擇無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸作為各個(gè)列車(chē)防撞系統(tǒng)之間的通信方式，比較合理。

由于列車(chē)的慣性較大，所以其制動(dòng)距離較長(zhǎng)，可能達(dá)到幾千米，因此對(duì)列車(chē)之間的通信范圍有要求，本項(xiàng)目規(guī)定的最低要求是400m，但從安全系數(shù)上考慮，至少1km的安全距離比較合適。

通過(guò)綜合比較，系統(tǒng)通信模塊選擇YL-5001W中功率無(wú)線數(shù)傳模塊。YL-5001W是一款高穩(wěn)定性，低功耗，高性?xún)r(jià)比的采用GFSK調(diào)制方式的無(wú)線透明數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。該模塊相對(duì)其他通信模塊具有尺寸小，靈敏度高，傳輸距離遠(yuǎn)，通訊數(shù)率高，內(nèi)部自動(dòng)完成通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)收發(fā)控制等特點(diǎn)。能在不改變用戶(hù)的任何數(shù)據(jù)和協(xié)議，完成無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)功能。工作頻率433MHz，串口波特率9.6kpbs，能滿(mǎn)足系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的通信要求。

3.3 控制器及其他電路

主控芯片選擇ST(意法半導(dǎo)體)公司的STM32系列ARM芯片，該系列芯片采用Cortex—M3內(nèi)核，采用8M晶振，通過(guò)鎖相環(huán)倍頻后時(shí)鐘頻率最高可達(dá)到72MHz。本系統(tǒng)選擇的32位的STM32F103RCT6是低功耗高速單片機(jī)，外設(shè)資源豐富，芯片集成了SPI，I2C，USB和A/D等硬件接。

本系統(tǒng)各模塊間采用串口通信，主要用了單片機(jī)的四個(gè)串口，串口一用來(lái)下載程序，串口二與導(dǎo)航系統(tǒng)通信獲取列車(chē)的定位信息，串口三與無(wú)線通信模塊交換數(shù)據(jù)，串口四與觸摸顯示屏相連，將需要的信息顯示在觸摸屏上。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用編程環(huán)境Keil設(shè)計(jì)，主要用C語(yǔ)言編寫(xiě)。由主程序main()、軌跡推算處理子程序GuiJi—Calcaulate()、觸摸屏顯示子程序Show()、中斷處理子程序、通信子程序Communication()、誤差處理子程序Error-Processing()等組成。軟件各部分均按照結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想進(jìn)行編程，易于調(diào)試和維護(hù)。主程序流圖如圖3所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，完成硬件各模塊連接，組裝好樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)中，我們采用電動(dòng)摩托車(chē)來(lái)模擬低速運(yùn)行的列車(chē)，通過(guò)拆除GPS天線來(lái)模擬列車(chē)進(jìn)入隧道、森林等GPS失鎖的情況，并讓兩樣機(jī)相距約500m的距離進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)界面如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)GPS信號(hào)良好時(shí)，誤差小于等于10m，衛(wèi)星失鎖時(shí)，誤差不超過(guò)30m。

經(jīng)綜合分析，本系統(tǒng)達(dá)到項(xiàng)目要求，可以滿(mǎn)足列車(chē)實(shí)際運(yùn)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)合理利用了GPS衛(wèi)星定位技術(shù)以及航跡推算導(dǎo)航算法，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、可靠的低成本組合導(dǎo)航。采用大功率無(wú)線電臺(tái)，使無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸距離大幅度提升，安全預(yù)警距離更大。觸摸屏顯示界面友好，能直接獲取列車(chē)實(shí)時(shí)位置、導(dǎo)航信息來(lái)源、航向、定位誤差等信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，在鐵路系統(tǒng)中具有一定的應(yīng)用前景與參考價(jià)值。