應(yīng)答器與測速組合定位在地鐵中的應(yīng)用

夏 青

（蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070）

城市軌道交通包含地鐵、市郊快速、輕軌、獨(dú)軌等多種類型的鐵路，其中地鐵更具代表性[1]。而地鐵的主要特點(diǎn)是線路封閉、行車密度大。隨著城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，城市軌道交通也發(fā)生著日新月異的變化，從原來的固定閉塞系統(tǒng)、準(zhǔn)移動閉塞系統(tǒng)到現(xiàn)在的移動閉塞系統(tǒng)，目前新建的軌道交通線路大多采用先進(jìn)的基于通信列車控制（CBTC）的移動閉塞系統(tǒng)，而在此系統(tǒng)中列車定位是一項具有基礎(chǔ)意義的關(guān)鍵性技術(shù)。

目前在國內(nèi)外城市軌道交通中，列車定位方法主要有軌道電路定位、電子計軸定位、測速定位、查詢應(yīng)答器定位、感應(yīng)回線車載傳感器定位、無線擴(kuò)頻通信定位和GPS定位等[2]，這些定位技術(shù)各有特點(diǎn)。鑒于這些定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出一種應(yīng)答器與測速的組合定位方案。采用這種方案，既能保證列車定位的精度，又能降低設(shè)備初期投資以及后期維護(hù)的費(fèi)用。

1 列車組合定位概述

1.1 列車定位的作用及選用要求

在城市軌道交通行車指揮系統(tǒng)中，列車定位技術(shù)的作用巨大。它不僅要為列車自動防護(hù)（ATP）子系統(tǒng)提供位置信息, 保證列車安全間隔運(yùn)行，并作為列車在車站停車后打開車門以及站內(nèi)屏蔽門的依據(jù)，還為列車自動駕駛（ATO）子系統(tǒng)提供列車精確位置信息。作為列車計算速度曲線，實(shí)施速度自動控制的主要參數(shù)，為列車自動監(jiān)督（ATS）子系統(tǒng)提供列車位置信息，作為顯示列車運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)信息。

城市軌道交通列車定位技術(shù)的重要作用要求其首先必須能保證提供正確的列車位置信息；其次對列車定位的精度提出了更高要求；另外，提高信息及時性以及減少誤差也非常重要。

根據(jù)城市軌道交通的特點(diǎn)，在制定其定位技術(shù)方案時，必須考慮以下幾個因素。

1）系統(tǒng)符合故障-安全原則，在發(fā)生定位故障時，能夠有可靠替代方式或降速直至停車。

2）系統(tǒng)要求具有高可靠性，采用多種檢測方式相結(jié)合的冗余定位、檢測方式。

3）系統(tǒng)要求具有高可用性，采用CBTC條件下的列車定位，可實(shí)現(xiàn)列車實(shí)時追蹤。

4）系統(tǒng)的造價成本合理，盡量選用成熟的設(shè)備，減少軌旁設(shè)備以降低設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。

目前應(yīng)用的一些軌道交通定位方法，都存在著這樣或那樣的不足之處，無法在保證列車定位系統(tǒng)可靠性、安全性的情況下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)成本與定位精度的平衡。采用組合定位方案可使系統(tǒng)滿足安全性、定位精度、可靠性和造價等方面的要求。

1.2 組合定位的概念

由于單一的定位系統(tǒng)偶然的故障會導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法正常工作，甚至?xí)斐蔀?zāi)難性的后果；而且每一種定位的方法總有其固有的缺點(diǎn)，單一的定位方法無法在定位的精度、可靠性和代價之間作到很好的平衡。而多種定位技術(shù)集成的優(yōu)勢在于能通過冗余、互補(bǔ)和多種類的信息為系統(tǒng)提供更為精確的信息，使整個軌道交通和指揮系統(tǒng)的安全性、測量精度、可靠性、造價等方面達(dá)到一定的平衡。在已有的軌道交通和高速鐵路交通中采取的定位大多數(shù)是多種方法的綜合，最多只是以某種方法為主，其他方法為輔。所以，綜合的使用各種定位手段將是目前解決軌道交通和高速鐵路交通定位的最好途徑。

根據(jù)應(yīng)答器定位和測速定位的各自特點(diǎn)，采用應(yīng)答器與測速的組合定位方案集合了兩種定位技術(shù)各自的優(yōu)勢。日本研究和開發(fā)的計算機(jī)和無線電輔助列車控制系統(tǒng)（CARAT）利用記錄車輪轉(zhuǎn)速來計算任意點(diǎn)列車位置，特定地點(diǎn)采用車地感應(yīng)通信方式檢測位置，此定位法與應(yīng)答器測速組合定位法在原理上是相同的。測速定位法在輪徑變化、打滑或空轉(zhuǎn)時，存在累計誤差，此時通過加查詢應(yīng)答器糾正累計誤差的方法不斷校正其位置信息。在CBTC模式下，依靠測速傳感器和多普勒雷達(dá)精確測速以及軌旁應(yīng)答器的絕對位置信息，列車可以實(shí)時定位,并借助CBTC車地傳輸通道實(shí)時將列車的具體位置通知地面。

2 應(yīng)答器與測速組合定位方法

2.1 應(yīng)答器定位

應(yīng)答器定位系統(tǒng)由車載查詢器、地面應(yīng)答器和軌旁電子單元（LEU）組成。應(yīng)答器輔設(shè)在軌道中央，車載天線安裝在機(jī)車上與應(yīng)答器相對應(yīng)的位置。應(yīng)答器可分為有源應(yīng)答器和無源應(yīng)答器，其中有源應(yīng)答器與LEU連接，應(yīng)答器的內(nèi)部寄存器按協(xié)議以數(shù)據(jù)形式存放實(shí)現(xiàn)列車速度監(jiān)控和其他行車功能所必須的數(shù)據(jù)。當(dāng)列車駛過地面應(yīng)答器且車載天線與應(yīng)答器對準(zhǔn)時，應(yīng)答器天線首先以一定的頻率通過電磁感應(yīng)方法將能量傳遞給應(yīng)答器；應(yīng)答器內(nèi)部電路在接收到能量后即開始工作，將所儲存的數(shù)據(jù)以某種調(diào)制方式通過電磁感應(yīng)傳送到車上。圖1為應(yīng)答器基本工作原理。

車載設(shè)備接收到一條安全的數(shù)字應(yīng)答器報文，該報文給出了應(yīng)答器的標(biāo)識，尤其是該應(yīng)答器中心點(diǎn)的地理位置。應(yīng)答器支持安全定位，所使用的應(yīng)答器安全檢測精度是一個系統(tǒng)參數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)答器的安全定位，當(dāng)車載天線距應(yīng)答器的距離超出給定的距離時，列車接收不到應(yīng)答器報文。應(yīng)答器可以用作連續(xù)式列車速度自動控制系統(tǒng)的列車精確定位設(shè)備(這時應(yīng)答器內(nèi)部儲存的數(shù)據(jù)是固定的)；也可以用作點(diǎn)式列車速度自動控制系統(tǒng)的列車檢測、定位輔助設(shè)備，作為系統(tǒng)向列車傳輸數(shù)據(jù)的通道。

查詢應(yīng)答器是目前使用成熟的點(diǎn)式車地通信設(shè)備，定位精度較高，在復(fù)線鐵路上可以正確區(qū)分列車行駛的股道，維修費(fèi)用低、使用壽命長且能在惡劣條件下穩(wěn)定工作，能滿足列車運(yùn)行速度為0～500 km/h的通信要求，安全性好；不足之處是只能給出點(diǎn)式定位信息，存在設(shè)置間距和投資規(guī)模的矛盾[3]。

2.2 測速定位

測速定位就是通過不斷測量列車的即時運(yùn)行速度，對列車的即時速度進(jìn)行積分（或求和）的方法得到列車的運(yùn)行距離。測速電機(jī)是一個經(jīng)過廣泛應(yīng)用的單元，把機(jī)械轉(zhuǎn)速變換成電壓信號，其輸出電壓脈沖信號數(shù)量與輸入的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，圖2為測速電機(jī)原理圖。為了得到較為準(zhǔn)確的位置信息，在計算具體位置信息時，引入列車的即時速度信息。如在某一個速度采樣時間點(diǎn)tn上測得列車的即時速度為v（tn），則列車即時位置：

S=S0+∑v（tn）·Δt

式中：

S0——初始位置；

Δt——列車速度采樣時間間隔。

用這種方式計算列車位置信息的缺點(diǎn)是：1）因車輪的磨損導(dǎo)致通過車輪直徑獲得路程數(shù)據(jù)的誤差大。一般軌道交通的車輪直徑為770～840 mm。車輪表面磨損0.5 mm時，列車每行駛約305～335 m就會產(chǎn)生1 m的誤差。2）行駛中車輪會出現(xiàn)打滑空轉(zhuǎn)的情況，這樣可使誤差更大。3）這些誤差是線性累計的，即隨著行駛里程的增加其絕對誤差會越來越大。為了解決這個誤差，在機(jī)車上安裝多普勒雷達(dá)，通過多普勒頻移效應(yīng)，直接測量列車相對于雷達(dá)波反射面的速度。

車載同時安裝測速電機(jī)和多普勒雷達(dá)。測速電機(jī)和雷達(dá)單元一起用于列車速度和距離的精確檢測。測速電機(jī)通過計算經(jīng)車輪旋轉(zhuǎn)在發(fā)電機(jī)里產(chǎn)生的電壓信號來測量列車的速度和距離。雷達(dá)則通過評估反射雷達(dá)波的多普勒效應(yīng)來計算列車速度和距離值。雷達(dá)的測算結(jié)果完全不受列車的空轉(zhuǎn)和滑行的影響。兩種傳感方式的有機(jī)結(jié)合得到了更加安全、可靠、精確的速度距離值。現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)通過比較預(yù)先測量的兩點(diǎn)間的距離和車載測速系統(tǒng)測量的結(jié)果，測速電機(jī)的誤差可控制在0.3%，多普勒雷達(dá)的誤差為0.1%，然而多普勒雷達(dá)的測量精度存在不穩(wěn)定性，可通過多點(diǎn)測量來消除這一缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明位置檢測的精度可達(dá)到實(shí)用水平[4]。

2.3 組合定位流程及應(yīng)用

綜合以上兩個定位單元，列車越過第一個應(yīng)答器后，通過車載測速單元計算列車所在位置，得到的位置信息與列車實(shí)際位置存在誤差，且誤差可能不斷增大，當(dāng)列車運(yùn)行到第二個應(yīng)答器時，接收到應(yīng)答器報文中的位置信息，自動刷新其位置參數(shù)，得到更準(zhǔn)確的位置參數(shù)。圖3為應(yīng)答器與測速列車定位原理。可根據(jù)測速測距單元的誤差設(shè)置應(yīng)答器的間距將定位誤差限定在列控系統(tǒng)要求的范圍內(nèi)，例如測速測距單元的誤差為0.5%，每300 m設(shè)置一個應(yīng)答器可將定位誤差控制在1.5 m。

列車定位的具體流程描述：在車載ATP啟動時，列車處于未定位狀態(tài)。車載安全計算機(jī)的線路數(shù)據(jù)庫記錄有應(yīng)答器的位置，一旦列車連續(xù)經(jīng)過2個應(yīng)答器，初始化它的位置參數(shù)，這樣列車進(jìn)入已定位狀態(tài)。具體步驟如下。

1）檢測到第1個應(yīng)答器后，就可以確定描述應(yīng)答器位置的數(shù)據(jù)庫單元。根據(jù)該描述即可確定列車所在的位置，但是列車不知道自己在軌道上的運(yùn)行方向。

2）檢測到第2個應(yīng)答器后就可以確定列車的運(yùn)行方向及相對于軌道默認(rèn)方向的列車方向。這是因?yàn)橥ㄟ^車載數(shù)據(jù)庫及列車從一個應(yīng)答器運(yùn)行到另一個應(yīng)答器時，由里程計測得的列車運(yùn)行方向可以判斷出相鄰應(yīng)答器的方向。

3）通過第2個應(yīng)答器后，列車位置可由測速電機(jī)和雷達(dá)測量確定。在應(yīng)答器之間，由于連續(xù)的位移測量，被定位列車的定位參數(shù)可以被實(shí)時更新。

4）當(dāng)列車運(yùn)行時，位移測量的誤差可能導(dǎo)致列車的位移增加一個不確定的值。

5）當(dāng)經(jīng)過另外一個應(yīng)答器時，列車將刷新它的位置參數(shù)，以便通過計算一個更小的位置不確定值得到更加精確的位置。

該方案利用車載設(shè)備自主定位的特點(diǎn)，可以保證列車在任何地方、任何時候都可以輸出定位信息，定位數(shù)據(jù)由車載設(shè)備經(jīng)CBTC車地通信通道傳輸給地面控制中心，而不是反之，保證了系統(tǒng)對定位時效性的需求。同時利用測速定位作為輔助，可大量減少應(yīng)答器的設(shè)置數(shù)量，降低了設(shè)備初期投入和維護(hù)成本。正是因?yàn)橛辛诉@些優(yōu)勢，CBTC條件下的應(yīng)答器與測速組合定位技術(shù)在城市軌道交通中開始廣泛應(yīng)用。

廣州地鐵4號線采用西門子公司的Trainguard MT信號系統(tǒng)[5]，該系統(tǒng)是基于無線的列車控制系統(tǒng)。依靠測速儀及多普勒雷達(dá)精確測速與軌旁應(yīng)答器的絕對位置信息，可以使列車精確定位，并借助無線局域網(wǎng)系統(tǒng)（WLAN）實(shí)時通知列車的具體位置。在無線系統(tǒng)故障的情況下，以應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)點(diǎn)式通信，計軸系統(tǒng)作為后備位置檢測系統(tǒng)，使軌旁系統(tǒng)在降級模式下實(shí)時檢測到列車所在位置。該系統(tǒng)同時應(yīng)用于南京地鐵2號線、北京地鐵10號線以及廣州地鐵5號線。

3 結(jié)束語

城市軌道交通尤其地鐵線路環(huán)境復(fù)雜，軌旁設(shè)備維護(hù)困難，采用應(yīng)答器加測速組合定位的方法可提高整個系統(tǒng)的容錯能力、信息的可信度、空間和時間的覆蓋范圍，同時降低獲得信息的費(fèi)用并且縮短獲得信息的時間；將離散和連續(xù)的定位信息進(jìn)行融合提高定位的可靠性；能夠?qū)⒍ㄎ幌到y(tǒng)主要建立在車載環(huán)境中，不需在軌旁安裝軌道電路等設(shè)備，能夠改善系統(tǒng)的工作環(huán)境、提高系統(tǒng)的可靠性、降低系統(tǒng)的生命周期費(fèi)用；還能夠滿足時間和空間的可用性，不受地理環(huán)境的影響。該方案可滿足移動閉塞系統(tǒng)精確定位的需求，在車地通信故障的情況下以應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)點(diǎn)式通信，確保了信號系統(tǒng)的高可用性。

[1] 楊光，唐禎敏．幾種典型軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)的比較[J]．鐵道學(xué)報，2009，2（31）：82-87.

[2] 徐煒．城市軌道交通列車定位系統(tǒng)[J]．鐵路通信信號工程技術(shù)，2009，4（6）：41-44.

[3] 張雅靜，王劍，蔡伯根．基于GNSS的虛擬應(yīng)答器研究[J]．鐵道學(xué)報，2008，30（1）：104-108.

[4] Teruo Kobayashi, Osamu Iba, Hiroshi Ebine, et al. Advanced train administration and communication system based on ADS Technologies[C]．The Fourth International Symposium on Autonomous Decentralized Systems,Integration of Heterogeneous Systems. Proceedings. 1999: 388-391.

[5] 孟凡江，黎曉東．CBTC的列車監(jiān)控與追蹤功能[J]．鐵道通信信號， 2007（3）：14-16.