车载通信毕业论文

车载通信毕业论文5G网络车车通信的列车接近预警系统研究摘要为了防止在极端条件下发生列车追尾事故，将列车接近预警系统作为既有高速铁路保障列车运行安全的补充手段，提出基于5G网络车车通信的列车接近预警系统。结合车车通信技术发展和铁路运营特点，研究了适用于高速铁路的车车通信技术，并针对2种实现方式进行了分析；提出了列车接近预警系统架构，描述了各个组成部分的功能，并说明了系统实现多源融合定位、基于5G网络的车车通信、列车接近预警等主要功能的原理；详细阐述了车载预警处理设备的软件设计方案。通过对基于5G网络车车通信的列车接近预警系统研究，能够为未来车车通信技术在列车控制系统中的应用提供借鉴。我国铁路具有高度集中的特点，运营场景十分复杂，各工作环节需紧密联系、协同配合［1］。为防止在极端情况下（如恶劣气候、人为因素等），如果列车控制、调度指挥同时出现错误，列车存在发生追尾事故的可能［2］，我国铁路研究使用GSM-R/GPRS网络承载车地数据通信，采用“差分卫星定位+车轮速度传感器”实现列车的精确定位，通过在地面设置预警服务器和在列车上设置预警单元的方式，构建高速铁路列车接近预警系统。目前，该系统在信息传送时延、地面设备复杂度等方面还存在局限。如果将基于5G网络的车车通信技术运用其中，则列车能够通过车车通信获取前方列车的运行位置信息，并自主进行列车接近预警逻辑计算，从而可以有效降低信息传送时延和地面设备复杂度［3］，提升列车接近预警系统的性能。随着5G通信技术的快速发展，我国铁路已开展了5G总体技术方案、系统组网、频率规划、铁路专用业务等方面的研究，利用5G网络实现高速率、低时延、大带宽的数据传输；同时，北斗卫星导航系统的成网运营，也为列车高精度定位提供了有利条件。基于5G网络车车通信的列车接近预警系统，可作为高速铁路列车既有列控系统的补充，通过基于5G网络的车车通信、列车精确定位、列车追踪逻辑计算等，在列车与前方追踪列车的距离达到设定门限时，向司机发出预警，提醒司机提前进行相关操作，避免列车追尾事故的发生，提高高速铁路列车运行的安全性。PART

01车车通信技术车车通信（V2V）技术起源于车联网（V2X），用于实现道路车辆与一切可能影响车辆的实体（其他车辆、行人、路侧设备等）之间的信息交互，实现包括车辆跟踪预警、路面异常预警、行人防撞、交叉口协调等主动安全防护，最终达到减少事故发生、减缓交通拥堵、降低环境污染、节能减排，以及智能化的目的［4］。早期的车车通信主要基于专用短距离通信技术（DSRC），实现车载设备之间的直接信息交互［5］，后续出现了基于蜂窝网络的车车通信技术。按照通信方式区分，车车通信可以有“直接通信”和“基于网络通信”2种方式。“直接通信”受环境影响较大，不能保证数公里以上的可靠数据传输，只适合短距离通信，如相邻汽车之间，且通信距离与具体的应用环境有关，一般从几十米到几百米不等；“基于网络通信”方式受环境影响较小，适合长距离通信，其通信距离可以根据业务的具体应用方式确定。由于铁路列车追踪距离通常在10km以上，因此，更适用采用“基于网络通信”方式。对于列车接近预警系统而言，虽然车载设备无法在脱离地面服务器的情况下确定车车通信的对象，但地面服务器却可根据车载设备上报的列车位置信息构建车车通信网络，并向车车通信网络内的列车发送其他列车的信息，从而实现车车通信网络内列车之间的车车通信。车载设备在进行运行位置信息交互时，可采用经服务器转发和通过网络直接通信2种方式。车车通信连接示意见图1。图1

车车通信连接示意方式1经服务器转发（见图1（a））。携带目的标识和车车通信数据的数据包首先由车载设备发送给服务器，再由服务器根据数据包的目的标识转发给相应的列车。方式2通过网络直接通信（见图1（b））。列车的车车通信数据不经过服务器，而是直接由车载设备根据目的列车标识通过网络发送给目的列车。图1中，将服务器设为A，对于包含B、C、D、E的4个列车成员的车车通信网络，如果采用方式1，实现列车车车通信需要AB、AC、AD、AE共4路通信连接；如果采用方式2，由于列车车载设备必须与服务器建立通信连接，以报告自身位置信息，因此实现车车通信需要AB、AC、AD、AE、BC、CD、DE、BD、BE、CE共10路通信连接。方式2的网络控制面信令开销明显高于方式1，且在列车密集的地点（如车站），2种方式的开销差别更为显著。因此，建议采用方式1完成列车之间的数据交互。PART

02列车接近预警系统架构基于5G网络车车通信的列车接近预警系统（简称“接近预警系统”）由地面服务器设备和车载预警处理设备组成，系统架构见图2。图2

基于5G网络车车通信的列车接近预警系统架构2.1地面服务器设备地面服务器设备由车车通信服务器和电子地图服务器组成，通过接入铁路局5G核心网，实现与车载预警处理设备的通信。车车通信服务器采用分散设置，每个铁路局设置1套，用于收集管辖范围内所有列车报告的位置信息，并以列车位置为中心，构建一定范围内的车车通信网络。设置于北京局、武汉局的车车通信服务器同时具备归属查询功能，能够为车载预警处理设备提供当前位置所属车车通信服务器的IP地址查询功能。电子地图服务器采用集中设置方式，在北京局和武汉局各设置1套，互为校核，用于为车载预警处理设备提供列车运行线路的轨道电子地图下载服务。2.2车载预警处理设备车载预警处理设备由主控单元、业务接入单元、记录单元、速度传感器单元（预留）、应答器接收单元（预留）、操作显示终端等组成。1）主控单元。对各功能模块进行集中调度和控制，并完成多源融合位置计算、接近预警逻辑计算等；采用双板卡冗余设计，同一时刻一个控制板处于主用状态，另一个处于备用状态；主用、备用控制单元之间实时通信，从而实现信息同步。2）业务接入单元。包括串口模块和网口模块，与5G车载传输平台（简称“WTP”，含北斗卫星定位单元和5G传输单元）、应答器传输模块（简称“BTM”）、列控动态监测系统（简称“DMS”）、司法记录单元（简称“JRU”）、列车控制管理系统（简称“TCMS”）等外部设备进行数据交互，同时具备控制板主备仲裁、网口数据交换等功能。车载预警处理设备接入WTP，与车车通信服务器、电子地图服务器进行数据交互，并获取基于北斗卫星定位的经纬度信息；接入BTM、DMS、JRU等既有车载设备，获取无源应答器信息［6］；接入TCMS，获取列车运行速度信息。3）记录单元。用于记录车载预警处理设备接收和发送的数据［7］。4）速度传感器单元（预留）。当车载预警处理设备无法从其他既有车载设备获取速度信息时，可加装车轮速度传感器，由速度传感器单元（预留）接收车轮速度传感器提供的脉冲波，并将脉冲波转换为实际速度数据。5）应答器接收单元（预留）。当车载预警处理设备无法从其他既有车载设备获取应答器信息时，可加装BTM天线，由预留的应答器接收单元接收应答器报文。6）操作显示终端。用于显示自身所属列车的车次号和运行位置信息、追踪列车的车次号和运行位置信息、追踪距离和接近预警信息，以及车载预警处理设备的工作状态等，并为用户提供预警信息按键确认、列车信息录入等操作功能。PART

03功能原理列车接近预警系统的主要功能包括列车多源融合定位、基于5G网络的车车通信，以及列车接近预警功能。作为系统功能实现的核心，车载预警处理设备通过列车多源融合定位功能，确定自身所属列车的运行位置信息，并将自身位置信息上报至车车通信服务器；车车通信服务器根据管辖范围内列车的位置，将一定范围内的列车纳入车车通信网络，网络内列车之间建立车车通信关系，交互运行位置信息，进行列车接近预警逻辑计算，识别运行在同一线路、同一行别的正线追踪列车，实时计算列车追踪距离；当列车追踪距离满足接近预警条件时，发出接近预警信息，提示司机采取处置措施。3.1列车多源融合定位功能车载预警处理设备通过列车多源融合定位功能，确定自身所属列车的位置信息。列车位置信息是实现基于5G网络车车通信的列车接近预警系统功能的基础，可分为车车通信位置信息和列车运行位置信息。其中，车车通信位置信息用于构建车车通信网络，可使用列车位置经纬度信息作为车车通信位置信息；而列车运行位置信息是系统确定列车运行位置和进行接近预警计算的关键依据，包括列车运行线路、行别、正/侧线、方向、速度、公里标等信息。我国铁路列车运行环境复杂，存在各种隧道、峡谷等卫星信号衰弱环境，线路并行、交叉等情况多见。在列车高速移动的情况下，仅依靠北斗卫星导航系统进行列车定位，无法满足定位精度要求［8］。因此，将“北斗卫星定位+5G网络+无源应答器+列车速度传感器”等进行多源融合计算，辅以轨道电子地图，可确定列车运行位置。列车多源融合定位示意见图3。列车运行线路、行别、正/侧线信息可通过无源应答器编号映射的方式获取；列车运行方向可通过列车位置经纬度变化轨迹趋势结合轨道电子地图的方式获取，或在经过无源应答器组时通过无源应答器编号的变化趋势获取；列车运行速度可通过车速传感器信息获取。当列车运行于北斗卫星信号正常接收的区段时，车载设备可通过北斗卫星定位获取列车运行位置的经纬度，匹配轨道电子地图［9］，确定列车运行位置的公里标；当列车运行于无法接收北斗卫星信号的区段（如隧道、山区）时，车载设备通过5G基站信息获取列车运行位置的经纬度，通过车速信息推算得出列车公里标。图3

列车多源融合定位示意3.2基于5G网络的车车通信功能在确定自身所属列车的运行位置之后，车载预警处理设备将车车通信位置信息周期性地上报至车车通信服务器。车车通信服务器在接收到车载设备的车车通信位置信息后，判断列车是否处于管辖范围，如果是，则注册或更新列车的车车通信位置信息，将该列车和以该列车为中心30km范围内的其他列车组成车车通信交互网络，并将网络内其他列车的位置信息和通信标识信息发送给该列车；否则，向该列车回复车车通信位置信息拒绝消息，并注销该列车的车车通信位置信息。车载预警处理设备在获取车车通信网络内其他列车的通信标识信息之后，向其他列车发送自身运行位置信息，同时也接收来自其他列车的运行位置信息。基于5G网络的车车通信过程示意见图4。列车A与距离自身30km范围内的列车B和列车C组成车车通信网络，并进行列车运行位置信息交互。图4

基于5G网络的车车通信示意3.3列车接近预警功能在车载预警处理设备接收到其他列车的运行位置信息之后，首先判断该列车运行的线路信息是否与本车相同，如果不相同且该车为当前追踪列车，则将该追踪列车删除；如果相同，则继续判断当前是否已经存在追踪列车，如果存在，则根据自身与该车的距离判断是否更新追踪列车；否则，将该车设置为追踪列车。此外，在列车侧线接发、转线运行的场景下，如果原有列车追踪关系发生变化，则车载预警处理设备应重新识别追踪列车。在识别出追踪列车之后，列车接近预警系统需要确定合适的预警距离，既要保证在追踪距离超过认可的安全范围时能及时提醒司机，又要避免频繁提醒对司机正常行车造成干扰，即预警距离应大于列车紧急制动距离限值，但也不能设置过大而影响预警效果。此外，还需考虑在系统发出预警至采取制动措施之间司机思考和处理时间。一般情况下，车载设备提示司机的语音播放时长约为4s，间隔3s重复播放，即司机思考和处理的时间按20s考虑。根据不同速度等级下的列车紧急制动距离限制，综合考虑司机思考和处理时间内列车的运行距离，计算得出动车组运行速度与预警距离的对应关系，见表1。表1

动车组运行速度与预警距离的对应关系车载预警处理设备根据追踪列车的公里标，计算与自身运行公里标的差值，获取列车追踪距离，并结合列车与前方追踪列车的相对运行速度，设置3个预警等级，分别为蓝色预警、黄色预警和红色预警［10］。不同预警等级的列车接近预警距离见表2。表2

不同预警等级的列车接近预警距离注：相对速度为列车自身与追踪列车的运行速度的差值列车接近预警示意见图5。当车载预警处理设备分别发出蓝色、黄色预警时，系统提示司机当前列车运行速度和追踪距离，并需分别在20s和14s的反应思考时间之内采取制动措施；而当车载预警处理设备发出红色预警时，追踪距离已临近当前相对速度对应的紧急制动距离限值，司机应在听到预警语音之后，立即采取制动措施。图5

列车接近预警示意PART

04车载预警处理设备的软件设计车载预警处理设备软件主要实现以下功能：①与地面服务器设备进行数据交互；②多源融合定位；③自主识别追踪列车；④实时进行追踪距离和接近预警判断；⑤通过声、光等方式向司机发出列车接近预警。车载预警处理设备主要由接入、控制、通信和记录4个处理模块组成。车载预警处理设备软件模块之间的逻辑关系见图6。其中，接入模块负责接收应答器编号、列车速度、车轮速度传感器脉冲、经纬度、基站编号等数据，并将数据发送至控制模块中的融合定位子模块；通信模块负责解析和打包车载预警处理设备接收和发送的数据；记录模块将数据以文本文件的形式进行存储。图6

车载预警处理设备软件模块之间的逻辑关系控制模块包括融合定位子模块、车车通信子模块和接近预警子模块。1）融合定位子模块根据应答器编号查询获取当前列车运行线路和应答器公里标，并根据当前判定的定位模式选择相应接入数据进行位置计算；当能够正常接收经纬度信息时，判定定位模式为卫星模式，此时通过地图匹配算法将经纬度数据与电子地图匹配，获取当前公里标，输出列车运行位置信息和车车通信位置信息；当无法正常接收经纬度信息时，判定定位模式为推算模式，可通过基站编号查询基站位置，并将基站位置经纬度近似为列车位置经纬度，同时，利用速度和应答器公里标信息，推算列车当前公里标，并在经过无源应答器时使用无源应答器公里标对推算结果进行校正，最后输出列车运行位置信息和车车通信位置信息。2）车车通信子模块根据车车通信位置完成当前所属车车通信服务器的IP地址查询和注册，向当前车车通信服务器上报位置信息，处理来自车车通信服务器的网络信息，并根据网络内其他列车的通信标识进行数据交互。3）接近预警子模块根据其他列车的运行位置信息，将与自身所属列车同线路、同行别、同方向且距离最近的前方列车认定为追踪列车，并实时计算与追踪列车的距离。当距离满足接近预警距离条件时，向操作显示终端发出接近预警信息，由操作显示终端发出接近预警声光提示。列车接近预警界面示意见图7。图7

列车接近预警界面示意PART

05结论列车接近预警系统能够作为既有高速铁路列控系统的补充，在列控系统偶发失效时为列车提供安全保障，防止列车发生追尾事故。将基于5G网络的车车通信技术融入列车接近预警系统，能够进一步提升系统的信息传输效率，简化系统地面设备的复杂程度。该系统的车载预警处理设备通过车车通信，可自主识别追踪列车，实现列车接近预警功能，满足我国铁路列车智能化安全保障需求。但由于目前车车通信技术所遵循的车车协同原则与当前CTCS列控系统技术体系中车地协同的原则有较大不同［11］，短期内开展基于车车通信的列控系统的研究和应用挑战较大，因此，基于5G网络车车通信的列车接近预警系统研究可作为基于车车通信的列控系统的前期探索，为未来车车通信技术在列车控制系统中的应用提供借鉴。

基于车载信息系统任务的多通道人机交互设计研究随着车载通信技术的不断发展，车载信息系统作为智能交通系统的终端，正朝着多功能化、智能化、网络化的方向发展，目前已被广泛应用于汽车之中。技术的发展使车载信息系统日趋成为一个复杂的信息娱乐体系，它涵盖了音乐、导航、游戏等众多的信息服务功能，在给驾驶员带来娱乐与便利的同时，也使车载信息系统在驾驶过程中的使用频率变高。然而这在一定程度上也增加了驾驶负荷，导致用户注意力分心，严重影响着驾驶安全及用户体验。因此，本文试图在车载信息系统任务中引入多通道交互方式，通过合理分配驾驶员注意力资源，减少车载信息系统带来的驾驶危险，提升用户体验。Part01

概念解读

车载信息系统任务车载信息系统包括信息服务系统及信息娱乐系统两个方面，简称IVIS(In-VehicleInformationSystem)。它是一种由车身总线系统及互联网服务形成的综合信息处理系统。随着计算机通信技术的不断发展，车载信息系统的功能也朝着多样化、智能化的方向发展，越来越多的功能涌入车载信息系统，并为驾驶员提供资讯、三维导航、娱乐等信息服务。多种信息服务功能在驾驶员驾驶过程中给驾驶员带来了越来越多需要及时处理的任务，这些任务在满足用户需求的同时也给驾驶安全带来了隐患。

汽车多通道人机交互多通道交互是以手势识别、语音识别、生物识别等多种新颖的交互识别技术为基础，通过允许用户使用身体的不同通道以非精准交互操作的形式与计算机进行交互，以此来实现自然与高效的交互操作。随着计算机技术的发展，用户与计算机之间的交互方式往多样化的方向发展，传统物理控键的使用正在缩减，驾驶员与汽车进行交互的界面也不再局限于屏幕，交互方式变得“无所不在”。Part02

理论研究本文的理论研究主要包括汽车多通道人机交互系统及车载信息系统任务。首先，本文阐明了多通道人机交互的概念，分析总结了车内多通道人机交互的过程。同时，在对大量的文献、量产车、概念车进行调研后，总结了现阶段汽车人机交互过程中几种主要的控制与显示方式。通过分析多通道交互的优势，证明了将多通道应用于汽车人机交互过程中是汽车人机交互设计发展的必然趋势。

同时，本文也对车载信息系统任务进行了研究。结合汽车手册及其他研究，将常见的车载信息系统功能及任务进行了整理总结，见表1。通过对车载信息系统的定义与功能任务进行研究，发现了车载信息系统的两大特点。并引入了解决多任务资源分配的最常用方法之一——多资源理论。表1

IVIS功能任务列表之后，本文研究了多通道人机交互可用性评价方法及车载信息系统任务资源分配研究方法，并提出了基于车载信息系统任务的多通道交互设计的研究框架，如图1所示。

图1

基于车载信息系统任务的多通道交互研究框架

Part03

相关实验

实验研究的内容主要基于上文提出的车载信息系统任务的多通道交互研究框架展开，共进行了两次实验。第一次是通过卡片分类的方式对车载信息系统任务的分类进行研究。第二次实验以信息系统中音乐播放系统为例对多通道方式体验进行了研究。这两次实验为后续从任务出发构建汽车多通道交互设计模型奠定了基础。

实验一：车载信息系统任务的分类研究本文针对目前L3级别的自动驾驶汽车中的人机交互任务展开调研，并结合车载信息系统的任务类别及McKnight等人提出的驾驶任务，筛选出与本研究相关的车载信息系统任务类别，最终统计得到337个车载信息系统中的子任务。随后采用卡片分类法对任务进行相似性归类整合。

第一次卡片分类，参与者将337个子任务卡片分类，得到了打开/关闭、输入、选择、调节、查看等五种操作任务。第二次卡片分类邀请了行业设计专家、有经验的驾驶员以及参与过第一次卡片归类的同学，共6个人，平均分为两组。两组参与者在第一次分类结果的基础上，将车载信息系统的基础任务归为4大类，分别命名为：录入（Entry）、选择（Selection）、激活/关闭（Activation/Deactivate）、调节（Adjustment）。部分归类详情如表2所示。并最终根据这4类任务的特点将其进行定义，如表3所示。

表2

次级驾驶基础任务（部分示例）

表3

次级驾驶基础任务定义实验二：多通道方式体验研究实验以信息系统中音乐播放系统为例，针对前面卡片分类得出的激活/关闭、调节、选择、录入4个基础任务对象展开相关实验研究，然后通过驾驶负荷、驾驶分心、用户满意度三个指标去评估不同通道的交互方式，为构建基于多通道交互的车载信息系统任务模型提供依据。实验采用模拟驾驶器进行研究，共11名男司机和11名女司机参与本次实验。在被试熟悉环境后，用户以40km/h的速度匀速行驶，1分钟后主试会提示被试进行任务操作，被试需针对每一个任务依次完成所对应的控制方式，具体任务如表4所示。与此同时，记录人员每隔10s对用户的驾驶速度进行记录。任务操作实验完成后，让被试对各个交互方式进行SUS量表评分，并针对实验过程中的典型行为展开对被试体验感受的访谈。整个实验流程如图2所示。

表4

音乐播放系统测试任务图2

实验流程Part04

多通道交互设计模型基于前期实验结果中的评价指标及影响因素，构建了基于车载信息系统任务的多通道交互设计评估模型，并提出了进行车载信息系统任务下的交互方式设计时所需遵循的设计原则及设计流程。多通道交互设计评估模型该模型具体分为两个部分，第一部分是多通道交互方式评估模型，该模型从功能出发分解到各个任务，通过实验研究法来探索用户在具体的任务执行过程中，不同交互方式对驾驶负荷、驾驶分心、主观满意度的影响。具体来说就是通过多资源模型中的用户行为要素表来获取用户驾驶负荷值、通过用户具体操作过程中对速度的保持情况来获取用户的驾驶分心程度、通过系统可用性评分来获取用户的主观满意度。基于这三方面来实现对各个交互方式之间的评价，从而得到具体任务下交互方式的优先级。

第二部分是多通道人机交互方式的设计模型，它是通过对交互方式评估模型的反向执行而形成的。交互方式的设计可以从具体影响驾驶负荷、驾驶分心、主观满意度这三个方面的因素展开，以及从操作步骤、操作范围、操作位置、任务持续时间、交互反馈、技术成熟度、环境、学习成本、认知习惯这几个方面展开，通过对这两种方式的研究，进而得到在驾驶安全和用户满意度上更高的交互方式。模型如图3所示。

图3

车载信息系统任务的多通道人机交互设计评估模型

多通道交互设计原则根据实验研究的结果，结合任务完成过程中用户体验的相关描述，研究从任务出发提出了汽车多通道人机交互设计原则，为设计实践提供指导。设计原则如下：1）简化操作步骤，提升复杂任务的交互效率。2）针对任务特征展开交互方式的选择。3）设计符合用户常规认知的操作与反馈方式以减轻认知负荷。4）针对特殊任务展开智能趣味的交互方式设计，提升主观满意度。

多通道交互设计流程本文从具体任务出发构建了设计流程。从设计方法上而言，该流程在设计前期可以更好的帮助设计师获取用户的需求，从用户的角度获取核心产品功能；在设计过程中，能针对具体任务对用户行为进行分析，从具体影响用户操作行为及体验的因素出发进行设计。通过简化用户操作方式，减少驾驶负荷与分心，提升用户满意度；在设计结果上，基于任务展开交互方式的设计，能够更好地理解目标用户的需求，设计出让用户满意度更高、体验更佳的交互方式。图4

基于车载信息系统任务的多通道人机交互设计流程

Part05

实践应用基于车载信息系统任务操作下的通道资源的有限理论研究，本文提出了汽车人机交互设计的设计方法，并通过汽车多通道人机交互设计研究项目中的音