萬 壯，謝 劍，趙 尋，覃 杰

(成都地鐵運(yùn)營有限公司 維保分公司，四川 成都 610017)

精確的列車定位信息、良好的車載通信手段，對基于通信的列車控制(Communication Based Train Control System，CBTC)系統(tǒng)起著決定性作用。由于地鐵獨(dú)特的工作環(huán)境和運(yùn)營特點(diǎn)，通用的車載定位與通信手段無法適用。本文針對應(yīng)用在地鐵環(huán)境下的車載通信定位場景，系統(tǒng)梳理了其所涉及的定位與通信技術(shù)以及相應(yīng)的評價指標(biāo)，從而為后續(xù)的研究工作提供參考。

1 地鐵定位技術(shù)

由于地鐵所處的地下環(huán)境無法使用衛(wèi)星定位系統(tǒng)，故其所使用的定位技術(shù)與普通車載定位技術(shù)有所不同。本章節(jié)將重點(diǎn)論述在全球衛(wèi)星定位信號(Global Navigation Satellite System，GNSS)拒止環(huán)境中的定位問題。

1.1 基于接收信號強(qiáng)度的定位技術(shù)

該種測距方法根據(jù)接收到的信號功率測量值估計分離距離。無線電波在通過無線信道時會經(jīng)歷反射、衍射和散射，這些效應(yīng)會導(dǎo)致接收信號在任意發(fā)射機(jī)-接收機(jī)間隔距離上逐漸變化，或在幾個波長上快速變化，其中逐漸變化的傳播效應(yīng)被稱為多徑衰落[1-2]。對于無線定位系統(tǒng)，基于接收信號強(qiáng)度的無線電測距，可以通過使用路徑損耗模型或信號三角測量來實現(xiàn)[3-4]。實際測量時，基于接收信號強(qiáng)度的定位技術(shù)分兩個階段進(jìn)行：離線訓(xùn)練階段和實際測量階段。離線訓(xùn)練階段在固定點(diǎn)(參考點(diǎn)或錨點(diǎn))測量覆蓋區(qū)域內(nèi)，不同方向上的信號強(qiáng)度不同。這些固定點(diǎn)以網(wǎng)格的形式覆蓋需定位區(qū)域，可稱為無線電地圖。在測量階段，需要定位車輛記錄存在的固定點(diǎn)接收信號強(qiáng)度，并與訓(xùn)練階段生成的離線數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，以估計地鐵位置?；诮邮招盘枏?qiáng)度的定位估計框架通常使用最近鄰法[5-6]、K-最近鄰法(K-NN)[7-9]或貝葉斯推理[10-11]來實現(xiàn)，此外也有部分方案采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[12-13]或支持向量機(jī)(Support Vector Machine,SVM)[14-15]等方法。

1.2 航位推算定位技術(shù)

航位推算是一種依賴于里程計和慣性的導(dǎo)航方法，其通過將來自里程計源或IMU(Inertial Measurement Unit)的測量值與指南針融合，以確定地鐵的速度、航向及行進(jìn)時間。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System，INS)利用IMU和陀螺儀實現(xiàn)定位，系統(tǒng)中的IMU提供平移和旋轉(zhuǎn)信息，文獻(xiàn)[16]指出，其相對于已知的測量，會隨著時間的推移而更新。文獻(xiàn)[17]提出，隨著時間的推移，由于地鐵位置需要進(jìn)行連續(xù)的積分運(yùn)算，所以定位信息會累積大量的誤差，因此應(yīng)協(xié)調(diào)處理。

1.3 基于信標(biāo)的定位方法

基于有源信標(biāo)的定位方法使用三角測量或更多信標(biāo)來計算平臺的絕對位置[18]。文獻(xiàn)[19～20]提出基于視覺的信標(biāo)定位方法。文獻(xiàn)[21～22]使用基于無線電的定位方法。文獻(xiàn)[23]提出基于紅外的定位方法。文獻(xiàn)[24]提出基于光線的定位方法。文獻(xiàn)[25～26]則使用基于聲學(xué)的信標(biāo)定位方法。信標(biāo)能夠提供準(zhǔn)確的定位信息，但其必須安裝在已知區(qū)域，并需要合理的日常管理。

1.4 基于信號飛行時間的定位技術(shù)

基于飛行時間的方法依賴于發(fā)射能量脈沖的傳播速度，以及脈沖往返的時間差。聲納、紅外、激光傳感器具有主動探測的能力[27-30]，且適合在弱光環(huán)境中使用，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

文獻(xiàn)[31]的研究表明，聲納測距提供了有關(guān)空間占用情況的準(zhǔn)確信息。由于聲音在水中的傳播速度比在空氣中快，所以聲納導(dǎo)航在水下得到了大規(guī)模的應(yīng)用。文獻(xiàn)[32]解釋了基于聲納的空氣導(dǎo)航方法面臨的一些問題，如聲納數(shù)據(jù)的合理解釋。文獻(xiàn)[33]的研究表明，聲納對物體表面的材料較敏感，且會給精確的地鐵定位帶來問題。

文獻(xiàn)[34]分別使用卡爾曼濾波器和蒙特卡羅濾波器，基于紅外傳感器進(jìn)行了導(dǎo)航和定位。經(jīng)研究表明，紅外傳感器存在對物體表面顏色敏感的問題，其會導(dǎo)致距離測量不準(zhǔn)確。然而使用激光雷達(dá)(LiDAR)原理與聲納、紅外傳感器類似，其可生成密集、高分辨率的3D地圖，從而實現(xiàn)高精度的地鐵定位。

2 定位技術(shù)評價指標(biāo)

定位系統(tǒng)的性能可以通過下述指標(biāo)進(jìn)行表征。

2.1 準(zhǔn)確性

定位準(zhǔn)確性表征了真實定位數(shù)值與估計位置之間的定位誤差。在定位技術(shù)的相關(guān)研究中廣泛使用均方根誤差(Root Mean Squared Error，RMSE)

(1)

式中，xp和yp是估計車輛位置坐標(biāo)；x與y是車輛真實定位坐標(biāo)。

2.2 可用性

可用性是車載定位系統(tǒng)提供可用位置信息的時間占比，其通常表示為接收器輸出滿足所需規(guī)范時段的百分比。

2.3 連續(xù)性

連續(xù)性表征了車載定位系統(tǒng)無故障或中斷運(yùn)行的能力，通常連續(xù)性被實例化為定位接收器在正常工作時有反饋的概率。

2.4 完整性

完整性表征車載定位系統(tǒng)提供的信息正確性，即車輛系統(tǒng)對定位信息的信任程度。同時，其也表征了車載定位系統(tǒng)在提供的信息不準(zhǔn)確時向用戶提供及時警告的能力。

此外，根據(jù)應(yīng)用場景的不同，對于車載定位技術(shù)的評價手段包括但不限于：首次定位時間、信號捕獲靈敏度、定位跟蹤靈敏度、信號重新捕獲時間、靜態(tài)和動態(tài)導(dǎo)航精度等。

3 車載通信技術(shù)

車載通信是一類移動無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，最初由美國國防部高級研究計劃局于1970年提出，并引入了分組無線電網(wǎng)絡(luò)的概念。移動節(jié)點(diǎn)可以在無基礎(chǔ)設(shè)施模式下使用無線信道進(jìn)行通信，其可支持移動節(jié)點(diǎn)隨時隨地進(jìn)行任意方向的通信。車載通信節(jié)點(diǎn)能夠通過自動配置，實現(xiàn)通信過程中節(jié)點(diǎn)自主加入或離開網(wǎng)絡(luò)。

3.1 地鐵車載通信標(biāo)準(zhǔn)

車載場景由于其高拓?fù)渥兓透咭苿有?，需要高速?shù)據(jù)傳輸與快速通信。文獻(xiàn)[10]中提出了一種數(shù)據(jù)競爭緩沖方案，以減少系統(tǒng)中的延遲。車載環(huán)境無線接入標(biāo)準(zhǔn)(WAVE)由眾多標(biāo)準(zhǔn)組成，且這些標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)立執(zhí)行相應(yīng)功能：IEEE802.11a管理網(wǎng)絡(luò)物理層；IEEE1609.1工作于應(yīng)用層；IEEE1609.2提供安全機(jī)制；IEEE1609.3用于管理車載環(huán)境無線接入標(biāo)準(zhǔn)；IEEE1609.4管理邏輯鏈路控制層。文獻(xiàn)[35]的研究發(fā)現(xiàn)，車載環(huán)境無線接入標(biāo)準(zhǔn)違反了TCP/IP層設(shè)計，因此其提出了一個兩層設(shè)計通訊架構(gòu)來快速訪問IPv6。

3.2 車用路由研究

路由是車載通信中使用的一項技術(shù)。在車載通信網(wǎng)絡(luò)中，由于車輛的高移動性，故而該技術(shù)是一項難以實現(xiàn)的任務(wù)。車載通信網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理、流量管理、廣播、移動性、拓?fù)渥兓?、服?wù)質(zhì)量、快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)?；而車載通信中所用的路由系統(tǒng)包括：基于拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議、基于地理信息的路由等。

基于地理信息的路由使用地理位置信息來選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)消息，并使用信標(biāo)來廣播消息?；诘乩硇畔⒌穆酚?，無需維護(hù)路由和路由表。隨著移動性的增加，汽車節(jié)點(diǎn)拓?fù)渥兓l繁，若使用基于拓?fù)涞穆酚?，可能會在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載高的情況下降低性能。因此，基于地理信息的路由方案具有更優(yōu)的表現(xiàn)。

3.3 面向定位的地鐵通信研究

地鐵隧道形狀不規(guī)則，而且墻壁由巖石等成分組成，這兩個特征均會影響沿隧道傳播的無線電信號，例如現(xiàn)有的定位信號GPS(Global Positioning System)無法使用。LORAN(Long Range Navigation)系統(tǒng)是一種常用的隧道內(nèi)定時定位系統(tǒng)，文獻(xiàn)[36]中討論了隧道中Wi-Fi/ZigBee通信的可用性。文獻(xiàn)[37]中提出了隧道自動識別與自主定位解決方案，通過幾種假想模型來分析隧道中的無線電信號傳播，例如有限狀態(tài)馬爾可夫信道(Finite-State Markov Chain，F(xiàn)SMC)。目前有3種類型的模型實現(xiàn)了對環(huán)境的建模：基于模態(tài)理論[38]、一般繞射理論[39]和基于混合方法[40]。文獻(xiàn)[40]中提出了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的地鐵防撞系統(tǒng)和用于定位地鐵隧道中列車位置的ZigBee協(xié)議機(jī)制。研究表明，在開放空間中，兩個ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的傳輸距離可達(dá)100 m。

如今，地鐵行業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施向著基于自動傳感和物智能聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的方向發(fā)展。隨著地鐵速度的增加，通信設(shè)備的可靠性以及對通信質(zhì)量的要求也顯著提高。文獻(xiàn)[41]表明，近期開發(fā)的寬帶通信系統(tǒng)(LTE通信技術(shù)、5G通信技術(shù)、超寬帶雷達(dá)、IEEE 802.11ad等)在數(shù)據(jù)通信的帶寬與速度方面均具有較多優(yōu)勢。在這些技術(shù)廣泛應(yīng)用之前，使用現(xiàn)有框架，并結(jié)合新興技術(shù)，進(jìn)而提高地鐵環(huán)境的通信質(zhì)量，對于整個地鐵行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

4 結(jié)束語

本文總結(jié)了地鐵車載定位技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展概況。對于目前廣泛采用且處于研究階段的各項定位和通訊技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性地分析?？梢钥闯?，針對地鐵應(yīng)用場景的通信與定位技術(shù)，從相關(guān)的理論基礎(chǔ)出發(fā)，根據(jù)應(yīng)用場景的需求，結(jié)合人工智能、計算機(jī)科學(xué)、控制理論等研究成果，發(fā)展出了種類繁多的技術(shù)和理論。

未來地鐵定位與通訊技術(shù)的發(fā)展方向為提高技術(shù)穩(wěn)健運(yùn)行能力、擴(kuò)大與加深設(shè)備聯(lián)網(wǎng)程度，以應(yīng)對地鐵運(yùn)營時可能出現(xiàn)的極端情況，從而提高地鐵整體產(chǎn)業(yè)的自動化、智能化水平。