随着通信系统的蓬勃发展和城市智能化程度的提高,日常生活在各个方面得到了相应的改善。交通与出行是每个人每天都要经历的事和面对的问题,越来越多的城市为了规划市内交通、缓解交通压力,开始修建地铁和轻轨等交通设施。虽然这些交通手段给人们的出行带来了极大的便捷,但还是存在很多隐患。香港、重庆等地出现的地铁相撞事故引起了公众的热议和关注。地铁防撞是近年来涌现出的一个新论题,如何在通信信号较为微弱,且环境条件复杂的地下安全调度地铁运行,从而保证乘客和工作人员安全是一个很值得研究和讨论的问题。得益于通信网络与信号系统的逐渐优化,城市轨道交通系统才得到了蓬勃发展。但是,地铁系统对通信网络、信号和系统依赖性较大。当地铁自身的通信系统工作失常时,其自动保护系统和自动驾驶系统将失效。按照当前现状,在故障出现时,驾驶员需人工判断路况,尤其在地铁运行轨道比较狭窄、转弯处的情况更难判断,此时很难得知前后方列车的相对位置,地铁相撞事故很容易发生。所以,一套不依赖地铁自带通信、信号系统的地铁预警防撞设备至关重要。2009年12月22日,在我国上海市,在其轨道交通一号线上曾发生地铁侧冲相撞事件。正因如此,上海、宁波、北京等地的地铁运营集团对地铁防撞系统有了需求。作为预警系统,它能及时广播地铁位置、行进方向、速度等信息,并利用通信信号的飞行时间戳计算相邻地铁间的距离。地铁防撞系统在地铁通信系统出现故障或失常时,能及时引导驾驶员的操作,并及时向控制中心发出故障广播。因此,为了保障轨道交通系统的安全运行,设计地铁防撞系统是有现实意义的。为了应对上述问题,基于Bluetooth、WIFI、GPS、北斗的定位、测距系统在地铁、轻轨等环境中都有研究。但在地下信号强度较弱,遮挡物较多的环境下,上述技术很难做到精确定位和测距。并且,它们的独立性较差,通常很难自成系统,难以在地铁出现故障时起到紧急响应的作用。所以,基于UWB的城市轨道交通防撞系统应运而生。本研究基于UWB技术实现点对多点位置信息的广播与接收。UWB是一种无载波的超宽带通信技术,它可以利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传递数据,约为0.3ns～1.6ns。在通信过程中,抗多径能力强,多径延迟小于1ns;安全性能高、功耗低,约为1mW～5W;适用于地下精确定位和测距。UWB系统通过发送和接收极窄脉冲来实现无线传输。因为UWB脉冲的时间宽度极窄,而且UWB脉冲的飞行时间极快,所以此技术可用于高精度距离测算,且精度可以达到厘米级。本研究将地铁线路上的多辆地铁当作多个独立节点,从而更加便利地设计有关通信网络。通过查阅资料得知,常见的测距和定位的应用场景为一对一,属于单工通信范畴。通信反应时间较慢但不影响整体测距结果,这是因为组网内需开展通信询问与应答的次数较少。对于本研究,通过了解实际应用场景,需建立最大为10对10的多点、动态、临时自组网,在于单工通信相同的工作时间内最多需要进行上万次通信。若按照常规手段测距和多点通信,耗费时间很多,将很难在较短时间内完成临时组网中的精确测距,所以本研究选择测距反应时间处于纳秒级别的UWB技术。目前,UWB技术作为通信领域的新兴技术主要应用于固定基站的定位系统,对于运动基站与标签间的测距和多点广播通信却少有研究成果。所以,从动态的角度出发,基于UWB技术独立设计一套地铁防撞系统是有创新性的。为了实现防撞地需求,测量同一轨道上地铁间的距离至关重要,通过实时得知地铁间的距离差就可更加准确地评估地铁行驶的安全等级。并且,通过判断地铁线路编号,更加高效地进行组网、测距等也至关重要。根据上述背景与需求,本论文将基于UWB技术进行行进地铁间测距、多点动态自组网设计,实现点对多点距离信息的广播与接收。综上所述,本研究的研究目的为设计一款地铁防撞预警系统,此系统能实时辅助地铁交通网络正常运行,并在地铁交通网络出现突发情况时能及时维持地下各列地铁之间的正常通信。从而保证乘客、行人、驾驶员、地铁站工作人员的生命安全。本研究的创新点主要为行进间地铁测距、地铁换向识别技术、多节点临时组网技术。针对以上创新点,本研究将以硬件电路板为核心,以算法和通信协议为指引,开展模拟测试工作。本论文的各章节的主要研究内容和技术重点、难点如下所述。第一章,本论文从地铁相撞问题出发引出此论题。第一,本章介绍了传统定位方式的优缺点,并选取RFID、ZigBee、CSS、UWB四种新兴定位技术做了比较。第二,本章从UWB的优越性和研究问题的特殊性入手,强调了 UWB技术的在本研究中的适用性。第三,本章通过总结大量基于UWB定位、自组网、防撞技术的文献论述了UWB的研究现状。通过本章的背景介绍,可从多方位展现出UWB技术在定位、测距方面地优越性,并为后续章节对UWB技术特点的介绍打下基础。本章的技术重点为研究问题的介绍和相关重要文献的整理。本章的技术难点为RFID,ZigBee,CSS和UWB这四种定位技术的对比。第二章,本论文介绍了UWB技术。本章从定义、技术特性、通信原理、应用参数、抗干扰能力等方面介绍了UWB技术,并重点介绍了常用测距技术和地铁防撞方案。通过本章更细一步对UWB技术的介绍,可以从多角度展现UWB技术和系统的优越性。本章的技术重点为UWB技术的通信原理和地铁防撞方案。本章的技术难点为基于UWB技术的三种测距技术的分析和UWB通信干扰的分析。第二章,本论文介绍了基于UWB的测距原理、地铁防撞方案、地铁换向原理、自组网通信原理。第一,本章基于信号到达时间的算法、信号到达角度的算法、信号到达强度的算法等进行了测距方案的介绍和对比。第二,本章从研究问题的特殊性角度利用TOF（Time of Flight）算法设计基于城市轨道交通的DS-TWR（Double-sided Two-way Ranging）测距系统。第三,基于实际防撞距离等参数要求进行了测距误差的评估。第四,本章介绍了列车换向识别技术、临时自组网络原理和通信报文的传输规范。此章为本文的核心章节,总结了地铁防撞与通信的关键原理,为后续设计章节的开展做了铺垫。本章的技术重点为基于DS-TWR算法的行进间地铁测距技术。本章的技术难点为多节点自组网的通信原理。第四章,本论文介绍了地铁防撞系统的硬件设计。本章主要介绍了地铁防撞系统的硬件构成和重要模块电路的具体设计和功能。第一,本章基于STM32F103、电源、DWM1000等模块开展防撞系统硬件系统的设计。第二,本章对电路器件参数、功能、系统模式转换规律和系统应用场景做了介绍。通过本章对地铁防撞系统硬件部分的介绍,能从应用设计的角度来突出本研究的特性。本章的技术重点为地铁防撞系统的架构和对应硬件电路的结构。本章的技术难点为地铁防撞系统的分机结构和功能。第五章,本论文介绍了地铁防撞系统的软件设计。本章主要介绍基于硬件模块、测距算法、多节点通信网络协议等设计的软件系统。第一,本章主要从编程的角度介绍了地铁防撞系统的测距算法和对应标签、基站函数的编写流程。并以流程图的方式介绍了重要算法设计过程流程。第二,本章通过分析北京等地地铁线路特点和流量.设计多节点、动态、临时组网系统和通信协议。通过本章节对地铁防撞系统软件部分的介绍,可以从代码设计、软件编程的角度更深刻地展示本论文的研究方向。第三.本章介绍了本研究的软硬件测试过程和记录了测量结果。主要基于行进间地铁测距、列车换向识别技术、多节点临时组网技术这三个创新点进行了样机的模拟测试。并分析了一节点对二节点、一节点对三节点、一节点对四节点等情况下的自组网的通信状况和其通信数据报。第四,本章基于所设计的自组网通信协议对模拟测试数据进行分析,对地铁通信系统的稳定性进行讨论。本章的技术重点为地铁防撞系统的软件代码设计。本章的技术难点为地铁防撞系统的多节点、动态、临时自组网通信协议的设计。第六章,本论文对所做工作和测试结果进行了总结。本章对本研究所存在的问题、未来需要改善的技术难点进行了汇总。随后,本章对UWB技术的发展前景进行了概括,并强调了 UWB技术在未来通信网络中至关重要的作用。本论文把软硬件设计和模拟测试结果与实际环境结合在一起,从应用设计的角度开发出尽可能实用的地铁防撞样机。通过本文对城市地下铁路交通系统防撞关键技术的研究,希望可以对城市地铁网络的安稳运行、乘客的出行安全做出保障,并对临时组网通信协议的发展做出贡献。