超宽带无线通信技术在智能铁路中的应用研究

卢冬霞

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

1 概述

智能铁路已经成为铁路行业发展趋势，信息技术与铁路产业的融合将给铁路建设、运营、维护、旅客服务等方面带来深远影响。针对铁路建设和运营中环境复杂、管理环节多方参与的状况，铁路建设单位、施工单位、设备厂商、监理单位等需要运用定位系统对铁路人员、设备、材料等精细化安全生产管理。对相关技术进行对比分析，提出一种适用于智能铁路的系统部署方案。

2 现状分析

国内铁路工程建设中建设、施工、监理等单位有大量人员需要进入隧道、站房等空间进行作业，由于环境危险恶劣，容易发生事故。当前采用的人员现场指挥和管理的方式，信息掌控实时性大、人力资源消耗大、调度效率低，迫切需要进行技术提升、实现信息化和智能化的管理[1-2]。通过建设精确、可靠、高效的定位系统，对人员和设备进行实时动态跟踪，时刻掌握人员和物资在隧道和站房等区域的方位及活动轨迹，当遇到突发事故，可以迅速获取人员和物资的位置信息，为后续进行救援抢险提供数据保障。

3 无线定位技术发展情况

目前，能够适应在结构复杂、遮挡严重的区域内实现无线定位的技术主要包括：UWB 技术、Wi-Fi 技术、蓝牙技术、RFID 技术，如表1 所示。

3.1 UWB室内定位

超宽带（UWB）技术是一种高速、低成本和低功耗新兴无线通信技术，通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，可用于室内精确定位。基于UWB 的室内定位技术精度为6 ～10 cm，具有定位精度高、抗多径干扰能力强、穿透能力强、传输速率高等优点。缺点是造价较高。但随着产业成熟，工程造价会逐步降低。

表1 无线定位技术对比Tab.1 Comparison of wireless positioning technology

3.2 Wi-Fi室内定位

Wi-Fi 的频段在世界范围内是无需任何电信运营执照的，因此Wi-Fi 无线设备提供了一个世界范围内可以使用的，费用极其低廉且数据带宽极高的无线空中接口，Wi-Fi 定位也因其低成本而成为受众广泛的室内空间定位技术。基于Wi-Fi 的室内定位技术精度为2 ～50 m，传输带宽在公用频段，具有部署成本低、设备功耗低、适用于人员和移动设备定位等优点。Wi-Fi 的缺点是通信距离有限，稳定性差，组网能力差，安全性也较差。

3.3 蓝牙室内定位

蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，可以实现固定设备、移动设备之间的短距离数据交换。将蓝牙技术应用于室内定位领域，需要在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，将网络设为基于多用户网络的连接模式，使接入点始终在一个微网络的主设备，通过信号强度值获得用户的位置，从而实现室内定位。目前，基于蓝牙技术的室内定位精度能够达到2 ～10 m，传输带宽在2.4～2.485 GHz 的ISM 波段。具有设备功耗低、易于集成、适用于人员和移动设备定位等优点，但是其稳定性较差，容易受到干扰。

3.4 RFID室内定位

射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)是一种利用射频信号实现对物体的自动识别并获得相关信息的技术。RFID 室内空间定位技术是利用射频通讯方式进行双向的非接触式数据交互，基于信号强度分析法，并采用聚类算法，通过识别检测到的信号强弱来计算标识之间的距离，实现三维空间定位目的。基于RFID 的室内定位技术精度为0.05 ～5 m，具有定位精度高、成本低的优点。缺点是系统部署复杂、缺少国际化标准、安全性较低。

4 基于UWB的铁路空间数字化应用

4.1 UWB技术优势

通过对比分析上述4 种具有代表性的室内定位技术，可看出UWB 技术具有较为明显的优势，主要体现在以下几点。

1）定位精度高

UWB 定位技术是目前定位精度最高可用于室内环境的无线定位技术，实验室的最高精度可以达到厘米级，可以很好地满足地铁隧道和站房定位精度的要求。

2）电磁兼容性好

UWB 定位技术采用的是超宽带纳秒级脉冲发送数据，功率谱密度非常低（≤110 dBm，不会干扰其他通信系统），工作频点高（3.5 ～6.1 GHz，可选择），对周边其他电子设备无影响，具有非常好的电磁兼容性和抗干扰能力，尤其适用于各类工程环境，十分适用于铁路工程复杂的电磁环境。

3）设备能耗低

因为采用纳秒级脉冲，其空中接口具有很低的占空因数，因此可实现定位设备的低功耗设计，尤其适用于对功耗敏感的智能穿戴产品，所以其设备功耗低，可以很好地满足铁路隧道和站房中的长时间作业需求。

4）发展前景好

UWB 技术属于近年出现的新的精确无线定位技术，由于超宽带纳秒级脉冲带来的众多优势，近年来在各个领域得到广泛的重视，已成为当前主流的高精度无线定位技术，并具备一定的通信导航一体化能力，在各个行业的工程领域将得到更为广泛的应用。

综上所述，铁路无线定位系统可以采用 UWB技术作为系统无线定位的解决手段，形成综合解决方案。

4.2 基于UWB的铁路空间数字化应用场景

基于UWB 的定位系统可以为铁路施工、维护过程提供以下功能。

1）人员及车辆实时定位

UWB 定位在不同的环境中能实现不同维度的定位需求，可视化查看人员、物资、车辆的位置分布，便于工作调遣，提升生产效率；定位精度优于15 cm，在发生危险时，可依据人员分布位置信息快速救援。

2）电子围栏

电子围栏主要是通过在线发布相关控制信息，明确控制目标，在指定的管制区域内以脉冲监测的手段，通过实时上传终端用户的位置信息，来辨别行径信息与围栏边界信息是否相悖，有着强大的阻挡作用和威慑作用。

3）电子地图

结合地图信息，基于UWB 的定位系统可以为铁路施工维护人员精准的PTN 服务— 定位（Positioning）；导航（Navigation），授时体系（Timing）。

4）轨迹回访

基于UWB 的定位系统支持长期存储人员及车辆任一时间运行的轨迹，为还原事故、事件处理提供决策依据。

5）设备管理

UWB 技术具有高通信带宽，可实现物联网功能，与设备进行拓扑部署，实现运行状态的实时监控。

4.3 基于UWB的铁路空间数字化应用系统部署

1）系统结构

基于UWB 的铁路空间数字化应用系统主要由移动终端、定位基站、交换机和位置管理服务器、数据库构成，其系统结构如图1所示。

图1 系统总体框图Fig.1 Total block diagram of the system

2）基站部署方案

铁路定位系统可以按照以下方式部署。

a.站厅层

基站部署。在站厅层，可在距离墙面或廊柱15 cm 处部署一个，南北为一对，每两个柱子部署一对；在电梯厅两侧各部署一个基站。尽量覆盖规划的站厅区域。

交换机部署。在站厅层部署专用交换机,部署在中心位置（电梯厅附近），与基站用网线连接，对基站提供POE 供电和时间同步，距离必须小于100 m。两台专用交换机可采取串联形式连接。

b.站台层

基站部署。部署在站台层线路表示牌的下方，确保位于站台和轨道中均可见，南北为一对，每两个柱子部署一对，约17 m；在电梯厅两侧各部署一个基站。覆盖规划的站台层区域。

交换机部署。在站厅层部署专用交换机,部署在中心位置（电梯厅附近），与基站用网线连接，对基站提供POE 供电和时间同步，距离必须小于100 m。两台专用交换机可采取串联形式连接。

c.区间

基站部署。在区间每50 m 部署一个基站，实现一维定位。定位系统在区间连续覆盖，重点部署在区间的出入口区域和道岔区域。

交换机部署。在区间，每台交换机连接3 个基站，部署于3 台基站的中间位置，交换机与基站以网线连接，对基站POE 供电和时间同步，距离必须小于100 m。

d.房间

在通信机房和综合控制室的房间内分别部署一个基站和交换机，可实现零维定位，判断房间内有无人员。

5 结论

通过对室内定位的相关技术分析，可以发现近年来室内定位已成为国内外研究热点。针对铁路环境复杂、遮挡严重的区域，研究分析UWB 无线定位技术的应用。UWB 技术因定位精度高、抗多径干扰能力强、穿透能力强、传输速率高等优点，适合作为铁路空间定位技术。结合铁路空间环境特点，本文讨论了基于UWB 的铁路空间数字化应用场景，并给出了一种基于UWB 的铁路空间数字化应用系统部署方案。