基于SINS的地铁列车防撞预警系统设计

马艳彬

摘要：本文设计了一种基于SINS的地铁列车防撞预警系统，系统通过SINS测量的运动信息实时计算列车的位置和速度，并通过微功率无线数据传输模块将数据发送到相邻列车，并对接收到的实时数据进行预警判断处理，结果通过嵌入式显示终端设备向列车司机提供安全预警信息。本文对地铁列车防撞预警系统的定位方法、无线通信技术、预警逻辑等进行分析与设计，最后对地铁列车防撞预警系统定位性能和预警功能进行了测试。经过测试，本防撞预警系统可为列车驾驶员实时提供本列车同前后列车的车距信息以及本列车的速度位置信息，能够实现地铁列车的防撞预警。

关键词：SINS；防撞；地铁列车；预警

随着城市建设的发展，我国城市轨道交通近几年来发展进程很快，截至2017年1月，中国已开通地铁的城市达到31个。虽然我国城市地铁建设发展迅速，但是城市地铁的防撞预警系统的发展却处于相对滞后的状态。目前，地铁列车车载控制设备仅能够通过地面无线通信基站和轨道电路等地面設施提供的信号获取当前线路的信息，以保证列车的安全运行。如果地面列车运行控制设备发生故障，接近运行的地铁列车之间不能及时有效地获取前后列车的车距信息，就可能导致列车追尾碰撞事故。

本文设计的地铁列车防撞预警系统能够独立于既有的信号系统，列车控制系统可以不依赖地面设备直接获取附近地铁列车的速度与位置信息，通过系统控制计算机计算出本列车和临近列车的列车间隔距离，当列车间距小于预先设置的安全车距时，防撞预警系统能够向列车驾驶员发出预警，提醒驾驶员发现危险情况并及时做出响应，确保列车安全运行。本文根据地铁列车防撞预警系统功能需求，确定了系统总体设计方案，对于关键技术做了详细分析设计。

一、系统总体结构

地铁列车防撞预警系统的主要功能是能够实现同一轨道上相近列车的通信，为列车驾驶员提供所在列车和相邻列车的运行情况，以防止列车发生追尾事故。根据以上功能分析，设计了地铁列车防撞预警系统的总体结构，如图1。该系统主要由地面设备和车载设备组成。车载设备由系统控制计算机模块、无线数传模块、信号标签阅读器、预警显示终端和惯性定位模块组成，是防撞系统的核心设备。车载设备1根据捷联惯导测量数据计算列车的实时位置和速度信息，并通过读取轨道旁信号标签存储的位置信息去修正惯导的位置累计误差，计算结果通过双频无线发送设备发送到相邻地铁列车上的车载设备2，同时车载设备2将位置信息发送至车载设备1，各个车载设备独立计算出与相邻列车之间的距离，通过预警逻辑判断间距是否小于安全列车间隔距离，并给出相应的预警信号，在预警终端显示设备上为司机提供当前列车运行状态，为列车司机驾驶列车提供辅助信息。

图1地铁列车防撞预警系统的总体结构

二、系统详细设计

（一）系统硬件设计

硬件是整个系统的重要组成部分，列车安全预警系统分为四个部分，分别为列车定位模块、无线数传模块、LCD终端显示模块和系统控制计算机模块。

本系统选择EasyCortex M3-1752开发板作为系统控制计算机。该计算机板载的CAN通信接口可实现与LCD显示终端的通信，板载的4个串口资源可以实现信标读取器、惯导设备、和无线通信模块之间的通信。本系统的SINS单元使用的是湖南远望公司生产的YW-GC7510型号的光纤惯性导航测量系统。该系统采用光纤陀螺仪和石英加速度计作为惯性敏感元件，可为列车提供高精度、全自主的导航信息。标签读写器使用的是ZK-RFID101无源中距离读写器，标签卡使用的ZK-RFID601无源电子标签。本系统中无线数传模块采用的是JZ891微功率无线数传模块和JZ873小功率无线数传模块用于车载设备之间无线数据的传输。LCD预警终端显示模块采用的是LR-056AD-B型号的5.6寸显示屏，支持CAN总线通信，实现预警信息显示。

（二）系统核心软设计

本文设计的列车防撞预警系统是根据临近同向列车的速度与位置信息，计算出列车间距，当列车间距小于预置的安全车距时，系统向驾驶员发出预警信息，确保列车安全运行。所以列车定位技术和列车之间的无线数据传输是系统的核心。

1.预警逻辑程序设计。系统控制计算机通过对双频无线接收模块接收到的数据进行处理，数据正确无误则进行预警逻辑计算。系统首先根据通信协议对数据进行解包处理，得到附近列车的编号、位置、行车方向等信息。然后根据附近列车的位置信息，判断列车在本车的方位，并计算列车之间的车距信息，根据计算得到的列车车距信息判断是否有碰撞的危险，并将预警结果发送到显示终端。预警逻辑的软件设计流程图如图2。

图2 预警逻辑软件流程图

2. SINS解算软件设计。SINS解算，包括位置、姿态、速度的计算。捷联惯导系统的工作过程经历两个阶段：初始对准阶段和导航阶段。其算法流程图如图3。

图3 捷联惯导解算流程图

三、系统测试

（一）SINS定位跑车测试

地铁列车SINS定位方法是系统的主要定位方法，惯导定位精度直接决定预警的准确性。为了验证惯导定位模块的定位精度，进行了数十次跑车实验。实验中以GPS定位数据作为参考，来评价惯导定位的精度。本文选择了其中一次实验结果做分析，图4为位置及误差曲线。

图4 跑车位置及误差

从图4经纬度误差曲线图中可以看出，在2分钟内惯导的纬度定位误差最大达到4米，经度误差最大不超过1.5米。通过实验可知，惯导定位在地铁列车运行期间可以提供相当精确的速度和位置，而且具有较高的实时性和稳定性，能够满足地铁列车区间定位的要求。

（二）系统功能测试

系统预警功能测试采用两台样机设备模拟地铁列车运行过程中的状态进行仿真测试，实验测试环境如图5。实验时设置最低预警门限值为110米。PC机模拟SINS设备，通过PC机向车载设备发送SINS的跑车数据，进行捷联惯导解算实时计算列车的位置信息，设备二静止，速度为零，通过标签阅读器读取位置标签改变设备二的位置，所使用的位置标签卡分别是900米、300米的标签卡。测试结果如图6。

图5 系统功能测试环境

图6 系统功能测试结果

经过模拟仿真实验验证，本系统可以实现二级预警功能，通过预警显示终端给司机提供了相应的告警提示，预警效果明显。

参考文献：

[1]杨 頔，薄煜明，赵高鹏. 基于 ARM 的地铁列车辅助防撞系统设计 [J]. 工业控制计算机，2014，27（10）：16-20..

[2]冯达.微功率无线通信技术在家用电器检测领域的应用[D]. 广州：华南理工大学，2009

[3]靳洪都.高速列车追踪接近预警系统车载设备研究[D].北京：北京交通大学，2013endprint