城市軌道交通列車(chē)定位方法分析

曹啟濱

（北京地鐵運(yùn)營(yíng)公司通信信號(hào)公司，北京 100088）

城市軌道交通系統(tǒng)承擔(dān)著龐大的城市公共交通客流的運(yùn)送任務(wù)，因此城市軌道交通無(wú)論地鐵或輕軌，都非常注重運(yùn)營(yíng)效率。軌道交通運(yùn)營(yíng)效率的一個(gè)重要影響因素就是列車(chē)追蹤間隔，需要高密度、小間隔的列車(chē)持續(xù)運(yùn)行，列車(chē)定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一要求的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

1 列車(chē)定位的概念

列車(chē)定位就是通過(guò)已有的技術(shù)設(shè)備，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地掌握運(yùn)營(yíng)線路上列車(chē)實(shí)際地理方位、運(yùn)行狀態(tài)、行駛速度等關(guān)鍵信息，并能夠?qū)⒘熊?chē)實(shí)時(shí)位置信息通過(guò)傳輸線纜傳送到軌道交通指揮控制終端界面上，供軌道交通行車(chē)指揮與調(diào)度工作人員掌握線路運(yùn)行信息。

通過(guò)列車(chē)的定位，使調(diào)度系統(tǒng)能夠掌控在線列車(chē)數(shù)量、具體位置。

通過(guò)列車(chē)的定位，便于調(diào)度員及時(shí)對(duì)線路運(yùn)營(yíng)情況判別和處置，必要時(shí)及時(shí)發(fā)布增減車(chē)次、調(diào)整運(yùn)營(yíng)計(jì)劃的決策。

通過(guò)列車(chē)的定位，實(shí)現(xiàn)列車(chē)與地面（軌旁）的信息與數(shù)據(jù)通信，使列車(chē)能夠獲取有關(guān)安全認(rèn)證和授權(quán)信息。

2 目前軌道交通常用的列車(chē)定位技術(shù)介紹

2.1 軌道電路

通過(guò)軌道電路實(shí)現(xiàn)列車(chē)定位是最傳統(tǒng)的列車(chē)監(jiān)測(cè)方式，目前在軌道交通及國(guó)鐵各類(lèi)線路均廣泛使用。軌道電路依靠軌道繼電器狀態(tài)來(lái)檢測(cè)軌道占用情況。軌道電路將走行軌分成若干個(gè)軌道區(qū)段，每個(gè)軌道區(qū)段有軌道安全型繼電器監(jiān)督占用狀態(tài)。當(dāng)無(wú)列車(chē)占用，繼電器通過(guò)軌道變壓器送出的安全電壓，能夠保持勵(lì)磁吸起狀態(tài)，繼電器前節(jié)點(diǎn)接通，代表區(qū)段空閑的綠色信號(hào)機(jī)開(kāi)放；當(dāng)列車(chē)軋入該軌道區(qū)段，列車(chē)輪對(duì)的分路電阻很小，致使軌道繼電器電流大部分被分路，勵(lì)磁電流降低，繼電器無(wú)法繼續(xù)保持吸起狀態(tài)，安全型繼電器接通后節(jié)點(diǎn)，紅燈點(diǎn)亮，表明該區(qū)段有列車(chē)占用。

軌道電路原理簡(jiǎn)單，設(shè)備構(gòu)成也比較簡(jiǎn)單，使用的軌道繼電器發(fā)生故障、軌道區(qū)段自身故障時(shí)，都能夠使繼電器接通代表紅色燈光的后節(jié)點(diǎn)導(dǎo)通，避免因故障原因使被占用的區(qū)段信號(hào)升級(jí)，符合信號(hào)要求“故障導(dǎo)向安全”的基本理念。

2.2 地面信標(biāo)

地面信標(biāo)屬于列車(chē)控制系統(tǒng)的地面（軌旁）設(shè)備，地面信標(biāo)通常安裝在正線走行軌兩軌道中心，水平放置，用于與車(chē)載信標(biāo)天線實(shí)現(xiàn)通信。車(chē)載信標(biāo)天線懸掛在列車(chē)司機(jī)室下方第一輪對(duì)后方，水平安裝。車(chē)載信標(biāo)天線具備無(wú)線發(fā)射和接收功能，通過(guò)無(wú)線電磁波信號(hào)激活地面信標(biāo)，并將被激活的地面信標(biāo)信息捕捉到車(chē)載信息處理系統(tǒng)中，通過(guò)解譯信標(biāo)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文內(nèi)容，來(lái)獲取列車(chē)定位。

列車(chē)在軌道線路上行駛時(shí)，通過(guò)列車(chē)不斷采集地面信標(biāo)的信息，其列車(chē)定位不斷更新。通過(guò)采集信標(biāo)，列車(chē)獲取自身在線路的定位，傳遞行車(chē)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了車(chē)-地信息交互。

2.3 計(jì)軸

計(jì)軸是安裝在走行軌邊側(cè)，通過(guò)檢測(cè)列車(chē)輪對(duì)數(shù)量判斷軌道區(qū)段占用的信號(hào)設(shè)備。其工作原理類(lèi)似軌道電路。需要將走行軌分為若干個(gè)區(qū)段，在每個(gè)區(qū)段的入口和出口分別設(shè)置計(jì)軸點(diǎn)，計(jì)軸點(diǎn)通過(guò)檢測(cè)輪對(duì)通過(guò)瞬間產(chǎn)生的電磁感應(yīng)信號(hào)判斷輪對(duì)輪軸數(shù)量，并能夠辨別方向。只要進(jìn)入?yún)^(qū)段和離去區(qū)段的輪軸數(shù)量一致，認(rèn)為列車(chē)出清。如果進(jìn)與出的輪軸數(shù)量不同，設(shè)備會(huì)認(rèn)為軌道占用而不能開(kāi)放信號(hào)。

2.4 裂縫波導(dǎo)管

城市軌道交通需要高密度行車(chē)，基于無(wú)線通信的移動(dòng)閉塞控制系統(tǒng)CBTC是當(dāng)今為提高運(yùn)輸效率、保證安全運(yùn)營(yíng)的最先進(jìn)的列車(chē)運(yùn)營(yíng)控制技術(shù)，國(guó)內(nèi)外眾多的城軌線路相繼使用CBTC信號(hào)系統(tǒng)。CBTC需要列車(chē)與地面軌旁設(shè)備有高速實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)通信，移動(dòng)閉塞需要高精度的列車(chē)定位——通過(guò)無(wú)線通信系統(tǒng)完成。

列車(chē)控制系統(tǒng)（ATC）的無(wú)線通信方式主要包括無(wú)線自由波、漏泄電纜和裂縫波導(dǎo)管。其中在軌道交通系統(tǒng)中，信號(hào)系統(tǒng)出于對(duì)安全性的極端敏感性，必須防止其他電磁波無(wú)線信號(hào)的混入干擾，因此裂縫波導(dǎo)技術(shù)廣泛采用。裂縫波導(dǎo)管與鋼軌平行，根據(jù)線路條件和列車(chē)車(chē)下吊裝件安裝條件，有安裝在軌道外側(cè)和內(nèi)側(cè)兩種。車(chē)載無(wú)線天線設(shè)備在列車(chē)車(chē)體下方與波導(dǎo)管垂直接近的位置安裝，用于與波導(dǎo)實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)。通常車(chē)載無(wú)線天線每個(gè)駕駛室配置2臺(tái)，便于與分布在軌面左右兩側(cè)的波導(dǎo)通信。在CBTC系統(tǒng)中，每組列車(chē)兩個(gè)駕駛室無(wú)線通信單元互為冗余備份，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

無(wú)線波導(dǎo)天線的使用，讓ATC軌旁設(shè)備與ATC車(chē)載設(shè)備之間的通信連續(xù)，可以通過(guò)報(bào)文形式持續(xù)的向地面?zhèn)鬟f列車(chē)運(yùn)營(yíng)的速度、模式、車(chē)輛指標(biāo)等具體數(shù)據(jù)信息，又能夠?qū)崟r(shí)刷新列車(chē)定位，將ATC軌旁設(shè)備中區(qū)域控制區(qū)ZC、邏輯控制區(qū)LC的計(jì)算數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給列車(chē)，為形成列車(chē)自動(dòng)追蹤的速度曲線提供計(jì)算依據(jù)。

3 幾種常用列車(chē)定位技術(shù)應(yīng)用分析

城市軌道交通列車(chē)定位直接關(guān)系著行車(chē)安全與行車(chē)效率。以下對(duì)上述討論的幾種定位技術(shù)簡(jiǎn)要分析。

傳統(tǒng)的軌道電路監(jiān)控列車(chē)在區(qū)段的占用，這種設(shè)備技術(shù)原理簡(jiǎn)單，設(shè)備安裝容易，設(shè)備技術(shù)含量相對(duì)不高，單套設(shè)備投資成本低，因此得到廣泛應(yīng)用。但是軌道區(qū)段的長(zhǎng)短決定了其行車(chē)效率，如果區(qū)段設(shè)置過(guò)長(zhǎng)，會(huì)嚴(yán)重影響行車(chē)通過(guò)效率；如果區(qū)段過(guò)短，增加了設(shè)備安裝數(shù)量，也增加了維護(hù)、維修作業(yè)工作量。傳統(tǒng)的軌道電路極易受到外界自然環(huán)境的影響，其電氣指標(biāo)可能發(fā)生偏移，特別是地下鐵道系統(tǒng)面臨隧洞內(nèi)陰暗潮濕、灰塵多的惡劣自然條件，容易使軌道電路發(fā)生“紅光帶”等故障。軌道交通運(yùn)營(yíng)車(chē)次密度很高，一旦區(qū)間戶(hù)外設(shè)備故障，為了組織行車(chē)很難給予維修人員足夠的搶修時(shí)間，因此易發(fā)生故障的設(shè)備對(duì)運(yùn)營(yíng)影響較大。

定位信標(biāo)技術(shù)在軌道交通系統(tǒng)中已有多年成功應(yīng)用，特別是軌道交通系統(tǒng)停站頻繁，且眾多新建線路增加了站臺(tái)屏蔽門(mén)設(shè)備，列車(chē)無(wú)論ATO自動(dòng)駕駛停車(chē)還是依靠人工駕駛，都必須準(zhǔn)確對(duì)標(biāo)停車(chē)以保證車(chē)門(mén)和站臺(tái)屏蔽門(mén)的有效聯(lián)動(dòng)，方便乘降，因此定位信標(biāo)發(fā)揮了作用。同時(shí)地面信標(biāo)存儲(chǔ)的信息量較軌道電路傳送給列車(chē)的有效信息要龐大，更能夠適用于高密度、精準(zhǔn)停車(chē)的需要。

計(jì)軸在軌道交通新建線路普遍采用，計(jì)軸設(shè)備本身避免了軌道電路容易受到惡劣環(huán)境影響的不足，依靠車(chē)輪與計(jì)軸點(diǎn)踏面之間的電磁作用監(jiān)控列車(chē)占用與出清，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理計(jì)軸點(diǎn)發(fā)送的信息，在整體上安全性和可靠性很高。但是計(jì)軸同樣依靠軌道區(qū)段的劃分來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)定位，存在區(qū)段長(zhǎng)效率低、區(qū)段短維護(hù)量大的問(wèn)題，所以計(jì)軸點(diǎn)的列車(chē)定位和閉塞方式已經(jīng)廣泛成為擁有CBTC的控制系統(tǒng)的后備方案，在CBTC車(chē)地通信異常或有非CBTC列車(chē)（如非限列車(chē)、無(wú)模式調(diào)試車(chē)）時(shí)使用。

裂縫波導(dǎo)管系統(tǒng)能夠提供實(shí)時(shí)高速車(chē)-地通信，在CBTC控制系統(tǒng)中，ATC軌旁設(shè)備區(qū)域控制器ZC和邏輯控制器LC能夠?qū)⒕€路電子地圖、區(qū)間限速、ATS運(yùn)行授權(quán)、列車(chē)沖突點(diǎn)等信息集中與列車(chē)進(jìn)行交互，車(chē)載計(jì)算機(jī)通過(guò)捕獲這些信息計(jì)算控制列車(chē)的牽引與制動(dòng)的目標(biāo)-距離曲線，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量高精度的列車(chē)定位。

綜上所述，城市軌道交通使用了軌道電路、信標(biāo)、計(jì)軸和裂縫波導(dǎo)管等列車(chē)定位技術(shù)，軌道電路和計(jì)軸均需要設(shè)置閉塞區(qū)段，區(qū)段的選擇制約了通過(guò)效率。而基于移動(dòng)通信的CBTC系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)的閉塞區(qū)段定位的概念，移動(dòng)閉塞的列車(chē)閉塞區(qū)段完全是移動(dòng)虛擬的，根據(jù)列車(chē)運(yùn)營(yíng)軌跡實(shí)時(shí)刷新，它對(duì)列車(chē)的精確定位要求極高，裂縫波導(dǎo)管技術(shù)的發(fā)展?jié)M足了這一技術(shù)需要，正在逐步被更多的軌道交通新線路應(yīng)用。

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