城市轨道及地铁车辆防撞预警系统浅析

城市轨道及地铁车辆防撞预警系统浅析
摘要：在ATP切除的情况下，列车辅助追踪预警系统实时测量本车与同方
向运行的前车的距离，与预设阈值比较后，为司机提供安全距离声光警示，防止
列车追尾。

关键字：城市轨道车辆 ATP 防撞预警
引言：随着城市的发展需求，越来越多的车市使用上城市轨道及地铁车辆，
为了保证城市轨道及地铁车辆在密集的运行期间及车辆故障时的安全避让，在列
车上使用了辅助追踪预警系统，该系统适应最高运行速度120km/h及以下的轨道
车辆，有完全独立于信号系统和无线通信系统，符合轨道交通车载电子设备相关
标准，不对车辆其他设备产生干扰。

可以实时追踪本车运行前方同一股道的列车，测量本车与前车的相对距离，在司机室提供信息显示，包括安全距离两级声光
警示（即危险距离预警和要求驾驶员紧急制动两级警示），预留紧急制动请求功能，系统判定处于危险车距时发出紧急制动请求。

设备工作状态显示，故障信息
显示等，并具备驾驶员警示确认功能，能够识别列车上行、下行，测距功能不受
相反方向运行列车的干扰，可以识别ATP切除开关的位置，ATP切除条件下自动
启动系统报警功能。

1.
原理介绍
1.
SDS-TWR测距方法
本系统采用2.4G的定位测距方案，其中底层调制技术采用片上CSS核心技术。

传统的无线定位技术采用RSSI信号强度检测方法，该方法采用信号衰减进
行测量，理论测量的精确距离范围在80米以内，80米以外甚至将无法获得粗略
的距离信息；在实际使用中，由于环境等因素的影响，达到3米精度左右精确测量的最大范围将在15-30米。

在环境障碍、遮挡等典型情况下，测距误差极大，无法满足城轨列车多隧道和弯道情况下的定位需求。

CSS基于时间系统，在测量精度1ns的情况下，无线电检测精度将达到0.3米，而实际使用中，由于前端多路径到达波检测、时间偏差等原因影响，误差可以控制在0.6-1.5米；在测量距离上，射频功率0dBm时可以达到100m，且只要信号到达，就可以利用信号测距。

CSS系统一个更优越的地方在于，由于采用Chirp信号，使得射频前端设计容易，能够快速的增加功率模块，进一步增大测量范围。

如果采用功率放大器后，800-2000米的应用不会存在问题，其测量特性也不会因为增加功率放大器这一环节而有所变化；
CSS技术具有极强的抗干扰、抗频率偏移特性以及抗多路径效应能力，使得测距精度大幅提高，这是传统的无线定位技术所望尘莫及的。

另外本系统采用先进的TDOA定位技术。

此技术采用对称双边双程测距方式（SDS-TWR(Symmetric Double-Sided Two Way Ranging)），利用信号在两个非同步的收发机往返之间的传输时间来测量距离，抵消了测距过程中的因时间非同步带来的抖动，大幅提高的测距精度，因而保证了较高的定位精度。

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1.
天线高度对于测距的影响
对于坡度小于30‰的城轨列车的正线，坡道对于测距没有影响。

在极端坡道情况下坡度大于38‰的时候，天线的安装高度会对安全距离的测量产生影响。

此时需要通过提升天线高度来满足测距需求。

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隧道的影响
由于SDS-TWR测距在物理层利用的2.4GHz无线信号，当列车在隧道内并且存在弯道的路况下，往往无法实现无线信号的直线传输，此时只能利用非视距传
播(NLOS)模式。

非视距模式下会因为无线信号在隧道顶和底以及侧壁的多次反射
从而产生测距误差。

根据研究，几何光学法适用于高频电磁波传播的分析，这是
由于高频场的电磁波具有似光性。

因此根据费马原理，同一方向上的无线信号经
多次反射的等效传播路径与地面环境中在相同相对位置存在相同障碍物情况下的
等效传播路径长度是相同的，均为最短传播路径，同时同一方向上无线信号具有
相同长度的传播路径，即NLOS时延相同。

另外城轨列车隧道内一般障碍物较少，由障碍物引起的NLOS时延可以忽略不计，我们仅需要考虑无线电磁波在隧道壁
以及隧道顶和底反射引起的NLOS时延即可。

此时延误差可以通过采用一些滤波
算法进行有效地消除。

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主要问题的解决
1.
隧道环境的各影响因素
对于隧道设备抗干扰的问题，本测距模块采用的的线性调频扩频技术CSS。

CSS技术具有极强的抗干扰效果。

CSS扩频技术就是基于线性调频信号的脉冲压
缩原理而来。

首先将基带信号进行线性调频使其扫过较大的带宽,然后在接收端
通过匹配滤波器实现解调。

由于与匹配滤波器不符的信号在时间上不会被压缩,
因此噪声信号并不会被加强,而有用信息则被网络压缩能量更加集中,使得接收信
噪比大大提高,信号特征更易获取。

达到抗干扰的目的。

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信号的削弱对测距（精度和范围）的影响
为减少信号的削弱对测距的影响，本系统采用定向80°极化天线，该天线在
空旷可视情况下，可测量500米以上距离，在隧道内，经过实验测量，信号在经
过时延扩展和信号衰减后，仍可测量300米以上距离。

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列车线路分层对测距的影响
（上下两层或多层），且距离较近，它们之间的通信干扰是如何处理的；对
于上行的不同线路来说，测距模块采用定向天线，定向天线角度为80°，可以排
除掉定向角度外其它层空间目标数据的干扰，
通过在无线测距模块中，增加毫米波雷达进行车辆速度方向的判断，利用毫
米波雷达进行列车速度方向（上下行）的判断，同层列车相对而行时，两辆列车
无线通讯模块会接收到不同运动方向列车的信息和数据包，通过上下行的判断即
可克服同层相对运行列车的干扰问题（同向运行的列车具有相同的列车运动速度，即同时为上行或者下行）。

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折返点的处理
在折返点会出现两车同一轨道相向而行的情况，采用两种方案进行处理：
1.
采用增加地面标签方案，利用标签确定同轨两辆列车的位置与运动方向，同
时结合无线测距系统实现同轨两辆列车实时相对位置监控。

2.
采用毫米波雷达与2.4G无线测距方案相结合，利用列车上安装的毫米波雷
达实施探测同轨道列车的运动方向和相对位置，实时监测两辆列车的相对位置，
对距离不断接近，并具有潜在碰撞危险的列车进行监控报警。

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车内其他通信设备（2.4G、非2.4G）、轨道附近2.4G信号对本系统的影响
模块包含一个性能卓越的MAC 控制器，提供对载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）、时分多址接入（TDMA）和频分多址（FDMA）协议的支持。

CSMA/CA协议主动避免冲突的产生，其工作流程如下分两步：
第一步：送出数据前，监听媒体状态，等没有人使用媒体，维持一段时间后，再等待一段随机的时间后依然没有人使用，才送出数据。

由于每个设备采用的随
机时间不同，所以可以减少冲突的机会。

第二步：送出数据前，先送一段小小的请求传送报文(RTS： Request to Send)给目标端，等待目标端回应允许传送报文(CTS：Clear to Send )后，才开
始传送。

利用RTS-CTS握手(handshake)程序，确保接下来传送数据时，不会被
碰撞。

另外该设备支持TDMA协议和FDMA。

TDMA协议允许多个用户在不同的时间片（时隙）来使用相同的频率，在满足定时和同步的条件下，用户一个接一个，每
个用户使用他们自己的时间片，这允许多用户共享同样的传输媒体；FDMA使每个
设备占用一个频率的信道，各个用户使用不同频率的信道，以使相互没有干扰。

2 结语
通过列车防撞预警系统的功能，可以保证列车在运行期间或故障滞留期间，
后续车辆能够在安全距离内停车，保证列车的安全运行。

参考文献
[1]刘晓娟张雁鹏城市轨道交通智能控制系统中国铁道出版社，2016
[2]张振淼城市轨道交通车辆北京：中国铁道出版社，1998
[3]林瑜筠城市轨道交通设备北京：中国铁道出版社，2006
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