淺談基于CBTC信號的地鐵列車定位的實現

丁全健 曹德智

摘 要：文章闡述了地鐵列車定位技術，采用車載測速發電機進行精確定位，同時還采用接近傳感器進行站臺輔助定位，并詳細分析列車定位系統的組成和原理，敘述了列車定位功能的實現。

關鍵詞：移動閉塞 列車定位 精確定位

在CBTC下的列車定位在該系統中只能達到虛擬區段，即定位到30m（站臺區段）～250m（區間區段）的范圍，并將列車的移動在人機界面上仍然按照準移動閉塞的方式映射為逐段跳變，這種延續準移動閉塞下的列車定位的設計思路并未完全利用連續通信的特點，實時傳輸列車的精確位置并在系統中定位，它與完全意義上的移動閉塞仍有區別。因為在這種模式下ATS已經得到了每列車的具體位置信息，此時的系統內部列車定位應以實際列車發送的位置信息為準，精確地對應到軌道拓撲圖上具體的某一點，而不應仍然定位到某個區段。同時，在實際應用中，大范圍或長時間的系統故障后往往不能準確地重新定位列車也是該系統的局限，還有待于進一步改進。

1 測速電機和雷達

測速電機和雷達單元一起用于列車速度和距離的精確檢測。測速電機是一個經過廣泛驗證的單元，通過計算經車輪旋轉在測速電機里產生的脈沖來測量列車的速度和距離。雷達則通過評估反射雷達波的多普勒效應來計算列車速度和距離值。雷達的測算結果完全不受列車的空轉和滑行的影響。兩種傳感方式的有機結合得到了更加安全、可靠、精確的速度距離值。列車速度和距離的精確測量是所有與速度有關的安全功能以及列車定位的先決條件。

2列車定位過程與位置計算

2.1列車位置計算

列車定位系統主要由安裝在車底的多普勒雷達和信標讀取器、安裝在車軸上的速度傳感器以及安裝在軌道中間的信標等設備組成。列車定位系統根據速度傳感器和多普勒雷達采集的數據進行列車位置計算，并判別列車運行方向。列車定位系統中的4個速度傳感器分別安裝在TC1車的4個輪軸上，其中2個連接到VATC A系統，2個連接到VATC B系統。每個速度傳感器會不斷發送以2個脈沖為一組的信號到VATC。每個脈沖代表列車已運行的一個固定位移， 因此，VATC可連續地確定列車在系統地圖中的位置以及列車的速度和加速度。列車的運行方向則是通過比較每個速度傳感器的2個順序脈沖的相位關系來判定。安裝在TC1車車底，根據多普勒原理通過測量發送頻率和接收頻率來確定列車運行速度。多普勒雷達主要用于精確測量5km/h以上的速度，并檢測車輪空轉/打滑。多普勒雷達與速度傳感器測量到的數據，最終都將用于列車速度和位置的確定。

2.2列車定位過程

為確定列車精確位置，系統采用列車長度來確定列車兩端位置。通過處理速度傳感器和多普勒雷達的輸出信息，得到行駛距離（位移）、速度和方向。由于考慮到誤差的普遍存在，系統針對特定距離設有一個誤差范圍，如列車每運行100m最大允許誤差為儀a%（a為定值），累計誤差不得超過N（N為定值）。只要不超過誤差范圍，系統即認為列車位置正確。為了防止位置誤差累計過大，系統沿軌道設置若干信標。當遇到信標時，系統先檢查信標的位置坐標是否在當前計算的列車位置誤差范圍之內。如果信標坐標不在當前計算得到的位置（超過位置誤差范圍）、信標的坐標錯誤或其坐標位置不在軌道數據庫中，系統即認為列車位置錯誤，并采取緊急制動。只有在檢查通過后，系統才會根據信標位置信息更新列車位置，并重置位置誤差。此外，當列車連續通過2個有效信標后，VATP會自動校準輪徑，以消除人為輸入車輪直徑所產生的誤差。系統根據上一個信標的位置，不斷計算從上一個信標開始的位移和位置誤差，并以此來計算列車當前位置（包括列車前端和后端的位置誤差）。這樣就可以確保列車始終在系統計算得到的虛擬占用區域內。在確定列車位置之后，車載信號系統會將信息實時發給軌旁。軌旁信號系統擁有與車載信號系統相同的軌道物理地圖，這樣軌旁就可以實時校驗并更新列車位置，從而實現軌旁信號系統對列車位置的實時追蹤。通過以上方法，信號系統就可以實時得到列車精確位置，進而維持區間列車追蹤運行間隔，并實現列車站臺精確停車功能。

3位置誤差校正

3.1利用信標校正列車位置

信標安裝在軌旁，存儲著線路絕對物理位置數據信息。當列車駛近信標，讀取器傳輸一個無線電載波頻率給信標，并接收當讀取器越過信標時由信標反射回來的調制信號。來自信標的反射信號為讀取器提供一個線路精確位置，與列車物理地圖的一點相對應。每個信標的數據都會通過讀取器來驗證，以確保其準確性。然后，該數據會通過一個RS-485串口連接傳輸到每個車載ATP通道上。ATP處理器根據這些數據對通過速度傳感器和多普勒雷達得到的列車位置進行校正，從而得到列車在系統中的準確位置。全線設有若干個信標，這樣系統就可以不斷校正列車位置，從而保證列車位置的準確性。

3.2采用輪徑校準技術保證精確性

由于速度傳感器需根據列車輪徑值大小，及車輪轉速計算列車走行距離，從而確定列車位置，因此，當列車更換新輪或車輪磨損時，系統還需及時校正車輪輪徑值大小以保證列車位置的精確性。列車定位系統采用2個信標之間的已知距離進行輪徑值校準，即當列車在平直軌道上連續通過2個有效信標，并及時讀取其中有效位置信息后，系統將根據2信標間的有效距離計算出當前列車車輪的輪徑值。采用多普勒雷達防止因空轉/打滑而導致的列車位置誤差。多普勒雷達能精確測量5km/h以上的速度，以防止因雨、雪天氣等外界因素，導致車輪空轉/打滑而使系統得不到準確的列車運行速度。

4結束語

在實際應用中，這套系統對測速電機、雷達的安裝工藝要求較高，在運營過程中曾多次出現因兩者的安裝精度不夠而使列車失去定位而降級運行，極大降低了運營效率。另外，因沈陽地鐵1號線采用的是直線電機車組，這樣就使得車載應答器通道有時會由于EMC問題而無法正常工作，也會使列車無法定位。通過對電機及車載應答器天線加裝屏蔽來改善EMC問題，取得了顯著效果，但仍有部分車存在EMC問題，需繼續查找原因整改。

參考文獻：

[1]孫林祥.城市軌道交通的列車定位技術[J].電子工程師，2012

[2]陳新，周俊，林必毅.地鐵列車定位技術的研究[J].微計算機信息，2012