鐵路列車追蹤預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)研究

馬騰云（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

馬騰云，男，碩士畢業(yè)于新南威爾士大學(xué)，工程師。曾參與徐州北站編組站綜合自動(dòng)化改造工程、寶成線無線列調(diào)改造工程、哈大客專系統(tǒng)集成、京滬/滬昆無線列調(diào)設(shè)備改造、《GSM-R采購和實(shí)施指南》翻譯、向莆線系統(tǒng)集成等項(xiàng)目。

1 列車追蹤預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

列車追蹤預(yù)警系統(tǒng)是結(jié)合衛(wèi)星定位等系統(tǒng)建立的一套列車間距告警系統(tǒng)，此系統(tǒng)的建立是為了提高火車的運(yùn)輸安全及運(yùn)輸效率，這是一套獨(dú)立的安全告警系統(tǒng)。追蹤預(yù)警系統(tǒng)將由定位系統(tǒng)、地面系統(tǒng)以及車載系統(tǒng)3大部分構(gòu)成。

定位系統(tǒng)：采用多模通信和多種定位方法相結(jié)合的方式“GSM-R（GPRS）/450 MHz無線通信+GPS/慣導(dǎo)”為系統(tǒng)提供精確的列車位置信息；

地面系統(tǒng)：預(yù)警分析服務(wù)器、位置服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、GPS差分基站管理中心；

車載系統(tǒng)：車載預(yù)警系統(tǒng)、CIR、列車定位系統(tǒng)、差分GPS接收機(jī)。列車追蹤預(yù)警系統(tǒng)所提供的功能如下。

1）系統(tǒng)應(yīng)具備對(duì)同一線路上列車追蹤告警功能；

2）系統(tǒng)故障后不影響列車正常運(yùn)行和其他設(shè)備正常工作；

3）系統(tǒng)根據(jù)緊急制動(dòng)限值、司機(jī)反應(yīng)時(shí)間及GSM-R網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)等因素，設(shè)置提示、預(yù)警、告警三級(jí)，采用語音和圖像提示；

4）系統(tǒng)定位、計(jì)算顯示32 km以內(nèi)前方追蹤運(yùn)行列車的運(yùn)行狀態(tài)和位置；

5）系統(tǒng)具備自檢、記錄和故障提示等功能。

1.1 衛(wèi)星定位系統(tǒng)的介紹和選取

要進(jìn)行追蹤預(yù)警服務(wù)，關(guān)鍵問題之一就是需要知道列車的精確位置。只有通過對(duì)比兩輛列車的位置參數(shù)，才能在小于規(guī)定安全間距時(shí)給出報(bào)警提示。因此需要一個(gè)可靠的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，現(xiàn)有的衛(wèi)星定位系統(tǒng)有GPS、北斗衛(wèi)星、伽利略和GLONASS。完整的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)與其他衛(wèi)星系統(tǒng)相比毫不遜色，而且作為中國自主開發(fā)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)不受國際環(huán)境的影響。由于目前北斗衛(wèi)星的星體顆數(shù)還不完整，定位精度不高，近期還只能依靠GPS作為主用系統(tǒng)，但是遠(yuǎn)期成熟的北斗二代將會(huì)取代GPS作為主用定位系統(tǒng)。下面對(duì)兩套系統(tǒng)進(jìn)行介紹比較。

1）共同點(diǎn)[1]

都可以提供：

經(jīng)緯度、海拔高度、航行速度和方向、時(shí)間信息。

都是由3部分組成：

空間部分、控制部分、用戶部分。

衛(wèi)星都使用兩個(gè)無線電頻率發(fā)射信號(hào)：

L1和L2。L1和L2位于微波（L波段）頻率段，分別為1 575.42 MHz和1 227.60 MHz。

2）不同點(diǎn)[1]如表1所示

表1 定位系統(tǒng)對(duì)比

通過對(duì)比分析，可以看出北斗和GPS之間主要的工作原理、定位和導(dǎo)航功能是相似的，而且這兩個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)都存在定位和導(dǎo)航盲區(qū)這樣的缺點(diǎn)，如隧道。隨著北斗二代中的衛(wèi)星顆數(shù)的逐步到位，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)也會(huì)逐步完善。北斗精確的定位功能和雙向通信的優(yōu)勢(shì)將逐步取代單向的GPS系統(tǒng)作為主要導(dǎo)航系統(tǒng)和研究對(duì)象。

1.2 系統(tǒng)工作方式研究

在高鐵線路中，高鐵沿線安裝GPS基準(zhǔn)站，在路局內(nèi)成立GPS管理中心，利用既有傳輸通道（GSM-R）將各個(gè)GPS基準(zhǔn)站和GPS基準(zhǔn)站管理中心相互連接，通過GR IS接口將所有外部設(shè)備與GSM-R系統(tǒng)中的GPRS子系統(tǒng)相連接，外部設(shè)備主要指的是告警系統(tǒng)的地面系統(tǒng)。

下面介紹一下各地面系統(tǒng)工作步驟：

第一步：確立精確的位置信息，可以有兩個(gè)方式。一是由于機(jī)車C IR自身帶有GPS模塊和GPRS模塊，所以機(jī)車可以將自己的GPS位置信息通過GPRS上傳至中心控制站，GPS管理中心利用鐵路沿線GPS基準(zhǔn)站信息，對(duì)機(jī)車上傳的位置信息進(jìn)行校正、計(jì)算處理，通過GPRS無線傳輸通道將位置信息傳給機(jī)車。二是利用廣播的方式，基準(zhǔn)站通過GPRS無線信道不停地向列車發(fā)送偽距修正值，升級(jí)后的CIR收到偽距修正值，利用差分GPS模塊可以計(jì)算出精確的位置信息。

第二步：再通過GPRS通道將校正后的位置信息和車次號(hào)傳給地面的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)庫中不光存儲(chǔ)列車的位置和車次號(hào)信息，同時(shí)還存儲(chǔ)線路上道岔的位置信息，車站位置信息以及車次所跑的線路。道岔的位置信息能夠?yàn)榱熊囂峁?zhǔn)確的正線和側(cè)線信息。

第三步：將列車信息（車次、位置、線路）傳送給位置服務(wù)器，由位置服務(wù)器對(duì)不同線路上的列車進(jìn)行分類，計(jì)算同一線路上的行駛列車間距。

第四步：從數(shù)據(jù)庫中把道岔位置信息和由位置服務(wù)器歸整好的同一線路上的列車信息（如間距信息等）一同送給預(yù)警分析服務(wù)器。

第五步：由預(yù)警分析服務(wù)器判斷列車間距，小于安全位置將觸發(fā)報(bào)警信息，再由GPRS通道發(fā)到車載報(bào)警器，通過語言提示三級(jí)預(yù)警命令，即提示、預(yù)警、告警。在普通線路中，使用450 MHz無線傳輸通道，傳送GPS的定位信息以及預(yù)警信息。系統(tǒng)工作過程如圖1所示。

GSM-R網(wǎng)中通信方式：1）GR IS與預(yù)警服務(wù)器交換數(shù)據(jù)時(shí)，傳輸層采用U DP，網(wǎng)絡(luò)層采用IP協(xié)議。2）GR IS與車載預(yù)警設(shè)備交換數(shù)據(jù)時(shí)，傳輸層采用UDP，網(wǎng)絡(luò)層采用IP協(xié)議。

1.3 遠(yuǎn)期系統(tǒng)功能擴(kuò)充研究

遠(yuǎn)期隨著北斗衛(wèi)星的使用，利用其雙向通信的功能，即由地面經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)210 b it的短信到另一端，在確保列車追蹤預(yù)警系統(tǒng)基本功能的前提下，可擴(kuò)大追蹤預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警功能。

1）將鐵路沿線主要設(shè)備與衛(wèi)星相連。通過室內(nèi)監(jiān)控設(shè)備將與行車有關(guān)的設(shè)備、儀器和儀表的運(yùn)行狀況，以短信報(bào)文的形式發(fā)送給衛(wèi)星，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控中心和列車司機(jī)。

2）未來利用衛(wèi)星直接參與到一些簡單的列車控制的過程中，通過衛(wèi)星的測(cè)速功能，可以將一些路段的臨時(shí)限速輸錄在RBC中，當(dāng)RBC收到由衛(wèi)星傳來的火車位置、速度信息時(shí)可以和限速路段的速度對(duì)比，如超速就告警。

3）在線路監(jiān)控方面，采用因地制宜，積極與已有防護(hù)設(shè)備相連的方法進(jìn)行監(jiān)控。例如，在山區(qū)容易塌方的地段，已經(jīng)建立了大量的防護(hù)網(wǎng)，將防護(hù)網(wǎng)上的傳感器的位置做精確定位，并將其與最近的衛(wèi)星天線設(shè)備相連，一旦傳感器被觸發(fā)，可將信息以報(bào)文形式傳至衛(wèi)星，再由衛(wèi)星傳送到最近的RBC設(shè)備和控制中心。在多強(qiáng)風(fēng)地帶，如新疆與甘肅交接處常年有10級(jí)以上大風(fēng)，將地面測(cè)風(fēng)速設(shè)備與衛(wèi)星相連，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到危險(xiǎn)等級(jí)，通過衛(wèi)星短信功能將消息告訴控制中心和司機(jī)，提前做好安防措施。

4）對(duì)于多股道進(jìn)行分辨的問題：將線路按次序進(jìn)行排列，如4條線，按1、2、3、4的順序給線路排次，形成1號(hào)線，2號(hào)線，依次類推。并將這些信息植入芯片形成無源信息安置在相應(yīng)軌道的道心上，當(dāng)火車從軌道上駛過時(shí)，獲得股道的位置信息，并將此股道信息通過衛(wèi)星報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)至控制中心。同時(shí)衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以提供運(yùn)行方向上的信息，結(jié)合這些信息監(jiān)控中心就可以知道火車所在的準(zhǔn)確股道及行駛方向。這樣可以預(yù)防火車正面碰撞事故的發(fā)生。

2 關(guān)鍵問題研究和分析

定位系統(tǒng)主要是為列車追蹤預(yù)警系統(tǒng)提供可靠的位置信息，就定位技術(shù)和定位信息而言需要保持很高的可靠性、精確性和穩(wěn)定性。所以不僅要提高定位系統(tǒng)的性能，而且要與其他系統(tǒng)配合使用，這樣列車追蹤預(yù)警系統(tǒng)才能更好地發(fā)揮作用。

2.1 關(guān)于GPS信號(hào)衰落的問題

當(dāng)火車穿越崇山峻嶺或高樓林立的大都市時(shí)，GPS信號(hào)會(huì)因?yàn)閸{谷穿越效應(yīng)而產(chǎn)生衰落甚至消失。這對(duì)GPS信號(hào)的可靠性提出了挑戰(zhàn)。利用GPRS通信技術(shù)解決峽谷效應(yīng)：在移動(dòng)通信基站處測(cè)出其精確的坐標(biāo)，并存放在地理信息系統(tǒng)G IS數(shù)據(jù)庫中。移動(dòng)通信基站利用GPRS通信技術(shù)向列車發(fā)送包含本基站編號(hào)以及坐標(biāo)的信號(hào)，當(dāng)在GPS信號(hào)衰落的情況下，車載GPS接收機(jī)收到周圍基站發(fā)送的信號(hào)，將收到的4個(gè)最強(qiáng)基站信號(hào)以及車速等信息實(shí)時(shí)傳送給控制中心。控制中心將收到的信號(hào)與G IS數(shù)據(jù)庫中存放的基站信息對(duì)比，根據(jù)車速、車輛行駛方向、4個(gè)基站之間的距離、信號(hào)頻率以及車載GPS接收到的信號(hào)時(shí)間差計(jì)算出當(dāng)前列車的準(zhǔn)確坐標(biāo)，返回給車載GPS來消除衰落現(xiàn)象。

2.2 關(guān)于GPS信號(hào)覆蓋的問題

當(dāng)列車行駛在隧道中，GPS接收機(jī)與衛(wèi)星失去聯(lián)系，信號(hào)中斷。定位信息失效影響了列車追蹤預(yù)警系統(tǒng)的正常工作。這時(shí)候需要一個(gè)補(bǔ)償手段來彌補(bǔ)隧道中GPS信號(hào)的缺失。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供這方面的技術(shù)支持。慣導(dǎo)系統(tǒng)屬于一種推算導(dǎo)航方式．即從一已知點(diǎn)的位置根據(jù)連續(xù)測(cè)得的運(yùn)動(dòng)體航向角和速度推算出其下一點(diǎn)的位置，因而可連續(xù)測(cè)出運(yùn)動(dòng)體的當(dāng)前位置[2]。

2.3 提高定位精度的問題

為了提高移動(dòng)GPS終端的精確度，引入差分GPS基站（DGPS），即在一個(gè)精確的已知位置（基準(zhǔn)站）上安裝GPS監(jiān)測(cè)接收機(jī)，計(jì)算得到基準(zhǔn)站與GPS衛(wèi)星的距離改正數(shù)。該差值通常稱為偽距離修正值（PRC），由基準(zhǔn)站將此改正數(shù)據(jù)傳送給用戶接收機(jī)，用戶站接收誤差修正值并對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行改正，以獲得精確的定位結(jié)果[3]。

2.4 機(jī)車綜合無線通信設(shè)備（CIR）

CIR是車載無線通信設(shè)備，廣泛使用在機(jī)車上。此設(shè)備包含GPS接收模塊、GPRS模塊以及450MHz機(jī)車電臺(tái)。要對(duì)既有的GPS模塊進(jìn)行升級(jí)，升級(jí)后的各個(gè)模塊之間的兼容性，還需要考證。

2.5 電子地圖的問題

要達(dá)到精確的定位只有GPS定位系統(tǒng)是不夠的，還要配合精準(zhǔn)的電子地圖。利用GPS/G IS等其他測(cè)繪技術(shù)建立鐵路系統(tǒng)自己的GIS地圖信息[4]。

3 結(jié)論

綜上所述，為了提高列車的安全性，結(jié)合多項(xiàng)技術(shù)組建的列車追蹤預(yù)警系統(tǒng)是有必要的。這套獨(dú)立的安全系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)的是對(duì)同一線路上相鄰兩輛列車當(dāng)小于規(guī)定安全間距時(shí)的預(yù)警，通過未來結(jié)合北斗系統(tǒng)可以對(duì)列車追蹤預(yù)警系統(tǒng)功能進(jìn)行擴(kuò)充。新系統(tǒng)利用已有的穩(wěn)定傳輸手段進(jìn)行通信，和其他設(shè)備一起安置，集中化管理減少維護(hù)成本。但是還有一些需要進(jìn)一步研究的問題，例如如何對(duì)C IR中的GPS模塊升級(jí)；是否有足夠的信道傳輸預(yù)警信息，以及可能對(duì)其他信息的干擾；不同差分GPS技術(shù)的選擇等。雖然列車追蹤預(yù)警系統(tǒng)的建立充滿挑戰(zhàn)，但是建立這套預(yù)警系統(tǒng)還是值得期望的。

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