一种基于车车通信的列车测距防撞预警系统及方法

本发明属于通信，具体涉及一种基于车车通信的列车测距防撞预警系统及方法。

背景技术：

1、在地面21世纪以来，我国经济水平发展迅速，城市人口急速上升，城市公共交通的需求也变得越来越迫切。轨道交通作为一种绿色交通方式在综合交通运输体系中发挥着骨干作用，它具有速度快、运量大、节约能源、安全可靠和准点率高等优点，是国家重要的基础设施和交通运输领城的大动脉。目前我国已拥有世界最大的铁路网络，截止到2022年底，全国铁路的运营里程达到15.5万公里，其中高铁4.2万公里，居世界第一；且累计有55个城市开通了城市轨道交通线路，其运营线路突破1万公里，达到10287.45公里。然而随着城市轨道交通的不断发展，城轨列车在实际的运行过程中出现了许多安全隐患，发生诸多列车追尾事故。本文研究的信号故障场景为在基于通信的列车运行控制系统中，信号设备出现故障导致列车采取在atp系统切除、人工目视行车的降级模式下运行的场景，在这种场景下列车存在追尾的风险。如当联锁故障时，故障区段列车首先会故障导向安全采取紧急制动停车，但是存在为了保证运营效率的情况，列车会将atp系统切除，采用人工驾驶模式，利用电话闭塞法组织行车，这时司机或运营人员若操作不当，列车存在与前车相撞的风险。在信号故障场景下，如何获取前车的位置信息是对列车进行防撞研究的关键。因此为了防止列车发生追尾事故，在列车信号故障情况下对列车之间进行测距定位尤为关键。目前常用的定位技术主要有gps、卫星通信、红外线定位、超声波雷达定位、rfid近距离定位、wifi定位、蓝牙定位等，但这些定位技术仍存在稳定性较弱、安全性较差、成本较高、定位精度不够等问题。

2、因为城轨列车运行坏境相对复杂，有的是在隧道以及地下等，这样就要求系统在不同环境下保证要有较高可靠性的同时，还需满足准确的测距距离和测距精度。

3、综合比较现有几种测距定位方法：gps、zigbee定位测距技术、基于无线射频识别rfid定位测距技术，在列车地下或隧道运行时，测距信号受影响，运行时性能差，不能满足系统的可靠性要求。而基于超声波的定位测距技术虽然其定位的精度很高，但其测距距离远小于系统的测距距离要求，仅有几十米，并且在实现其测距功能时，结构复杂，成本较高，不能满足系统的要求。基于二次雷达定位测距技术虽然其测距距离很远，测距精度很高，但其成本相对较高，最重要的是其所占用的频道窄，其所占用的频谱不适于在城轨列车中。基于线性调频扩频css定位测距技术虽然其成本不高，不用建设基站，实现难度小，但其测距距离小于系统的要求的1000m，不能满足系统的测距需求。

4、在针对列车测距防撞法的研究上，最关键的问题是获取相邻列车的距离信息，而距离信息的获取方式主要分为直接测量与间接定位两种。直接测量方式是利用无线通信、红外射频等技术测量前后车间距，间接定位即基于全球定位系统(gps)卫星、机器视觉等方式获取列车位置进行防撞研究。国内外针对列车测距防撞理论方法与应用方面开展了一定研究，但是城市轨道交通内路况较复杂，运行场景较多，这对列车测距防撞方法提出了更高的要求。我国的城轨列车线路复杂，运行于隧道地下等，而gps信号在地下以及隧道中是信号很弱，安装定位信标的成本较高，不适合在地铁列车上应用，红外无线射频、接受信号强度的测距距离有限，不能满足1000m以上的测距要求。

技术实现思路

1、为了解决上述存在的问题，本发明提出：一种基于车车通信的列车测距防撞预警系统，列车上安装列车防撞预警系统，列车防撞预警系统由主机和从机两部分组成，主机和从机之间除单片机内程序不同外其他硬件均相同，由stm32控制模块、sx1280模块以及电源模块三部分组成，stm32控制模块与sx1280模块双向通信，电源模块为电路中各个模块实现供电管理，主机和从机之间采用toa算法实现系统的定位功能，并采用卡尔曼滤波算法对其进行优化提高系统的定位精度，系统运行时，首先由主机发送测距开始指令，当从机接收到测距指令后，开始进行测距并进行数据传输；最后将全部数据上传至车载上位主机，车载上位主机通过数据分析，向列车司机提供必要的信息显示，包括前车与后车的实时间隔距离、列车实时车速，列车实时车速小于预定安全距离进行声光报警。

2、进一步地，所述stm32控制模块通过单片机stm32f103c8t6实现数据采集、存储并处理收发的数据，单片机stm32f103c8t6与声光报警模块、led显示屏连接，单片机stm32f103c8t6连接车载上位主机。

3、进一步地，所述sx1280模块采用sx1280无线数传模块进行主机和从机之间的数据通信，sx1280无线数传模块采用lora扩频。

4、进一步地，主机、从机使用的通信方式为扩频通信，主机发射端的编码器首先对信号进行编码处理，然后主机的发射端产生一段伪随机码，对经过编码后的信号作扩频处理，经过带通滤波器后再对信号功率进行放大发送至从机的接收端。

5、进一步地，在接收端从机进行的是和发射端相反的工作,在接收端从机对接收到的信号进行放大处理，然后经过带通滤波器，利用与发射端一样的伪随机码，对其接收到的信号作解扩处理，最后经过低通滤波器获得原始发送数据。

6、一种基于车车通信的列车测距防撞预警方法，包括如下步骤：

7、s1、将sx1280无线数传模块、单片机stm32f103c8t6等初始化处理；

8、s2、读取工作角色后进行测距，判断是否为测距目标，当否认时则要返回单片机stm32f103c8t6外设，重新配置以后再判断是否为测距目标；

9、s3、当获取时间戳后，计算出来距离传送给卡尔曼滤波函数进行处理；

10、s4、最终经过卡尔曼滤波算法处理过的数据上传到车载上位主机进行解算并显示距离位置信息然后判断距离防撞预警。

11、进一步地，所述步骤s3中，通过toa测距计算前后车之间的距离，toa测距是基于到达时间测距法，在后车与前车进行通信时，后车向前车发送经过调制好的信号，前车接收到信号后，将收到的信号返回发送到后车，后车在接收到前车信号后对相位进行捕获，从而计算出其与发送序列的相位差ε，然后根据公式(1)计算信号在信道中的传播时间t，

12、t＝ε×tc (1)

13、其中，tc代表扩频序列的码元宽度。

14、在得到信号的传播时间t后，根据公式(2)计算出前后车之间的距离，从而实现对前车位置的相对定位，

15、

16、其中c代表光速，为3×108m/s。

17、本发明的有益效果为：车车通信不通过地面设备实现列车之间的直接通信，将一部分联锁和地面设备的功能集成到车载控制器中，可有效降低通信时延、减少轨旁设备数量和提高列车的自主权，这为列车之间进行测距定位提供了新思路。因此，基于点对点车车通信实现相邻列车间主动测距，获取前后车距离信息，提升列车在信号故障下测距防撞能力，降低相邻列车碰撞风险，保障列车的运行安全。sx1280无线射频模块具有穿透力强、功耗低、安全性高、利于集成、高灵敏度、定位精度高等优点，在移动的物体和物体定位跟踪与导航的应用上有很大的优势；应用场景非常广泛，可用于安防系统、定位系统、无人机、医疗保健产品、汽车行业应用等。

18、与车地通信方式相比，车车通信不通过地面设备实现列车间的直接通信，将一部分联锁和地面设备的功能集成到车载控制器中，可有效降低通信时延、减少轨旁设备数量和提高列车的自主权。

19、设计了城轨列车测距防撞预警系统的整体结构组成，对比分析其他无线测距与定位方法，提出了适合应用于城轨列车上的基于车车通信的测距技术。