MATCMATC系統車載ATPATP定位校正算法設計

劉毅東（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 背景介紹

1.1 MATC系統

本文為針對基于交叉感應環線的移動閉塞列車自動控制系統（M A TC）中車載ATP子系統定位校正算法的專題研究。

M ATC系統是配套國內中低速磁懸浮制式列車研究而研制的列車自動控制系統。而車載ATP系統作為該系統的重要組成部分，需要根據地面信息和機車信息防止列車超速運行，并保證列車行車安全。其中，通過一系列定位校正算法確保車載A TP保持正確定位，是實現車載A TP安全防護及穩定工作的重要基礎之一。

1.2 MATC車載ATP位置校正

M A TC車載A TP子系統主要依靠交叉感應環線邊界及固定位置交叉點進行列車定位校正。

交叉感應環線沿線布置，以400 m s為周期向車載A TP發送地面信息幀，并在該信息幀中傳遞可唯一標示本環線的ID號，車載A TP通過檢測交叉感應環線的ID變化即可獲得列車經過相鄰交叉感應環線的時刻及位置。

交叉點在交叉感應環線內部，間隔固定距離布置，當車載TW C天線經過交叉點時，車載ATP可獲得脈沖信號，并以此進行校位。

其中，定位校正算法的難點如下。

1）交叉點信號存在較多干擾，需通過適當選取交叉點接收窗口大小及丟失數目閾值等參數，在保證濾除干擾、定位正確的前提下，盡量提高系統可用性；

2）由于存在通信延時及地面調度周期影響，列車進入新環線與車載A TP實際收到該環線信息之間存在隨機延時，實驗表明該延時在10 ～800 m s間隨機分布，在列車高速運行的條件下，將導致定位產生較大誤差；

3）當列車高速通過連續短環線時，車載A TP可能丟失該環線信息，即產生“跳環”現象，定位算法中應對該現象進行處理。

劉毅東，男，碩士畢業于清華大學，助理工程師。主要研究方向包括嵌入式開發，車載ATP軟件開發，曾參與基于通信的列車自動控制系統研究與設備研制,基于交叉感應環線的MATC系統集成研究項目。

下文將分別對以上3個難點進行說明。

2 定位校正算法說明

2.1 交叉點相關設計說明

2.1.1 交叉點距離選取

車載A TP使用交叉點進行位置校正，交叉點距離（Ssync）選取應滿足以下條件。

1）兩交叉點距離應大于一個車地通信周期（Tt-z）內車輛以最高速度（Vmax）走行的距離；在當前系統設計中，有

因此有Ssync≥Vmax×Tt-z＞13 m

2）兩交叉點距離應為枕軌間距（S）的整數倍，且為方便施工，應盡量保持為整數米。

3）為保證校位精度，應盡量縮小交叉點間距。

根據施工現場數據，有

而為滿足2），可選長度為6N（N=1,2,3…）。即18 m、24 m、30 m…綜合考慮通信延時裕量和交叉點電磁干擾后，選擇使用24 m間隔。

因此，該距離需根據現場條件1）、2）計算后選取。

2.1.2 交叉點丟失數目選取

由于定位誤差及環境問題，交叉點可能存在丟失的情況，為增加系統可用性，A TP應在滿足定位誤差的前提下容忍交叉點丟失，設未校位距離為ΔS，列車定位誤差為Δoffset容忍閾值由以下因素決定：

1）在站臺停車時，工程定制停準窗為±1 m，因此有

停車點設定在105 m，在最差情況下，考慮距離停車點最近的兩組交叉點（96 m和72 m）全部丟失，則此時Δo f fset=（105 m-48 m）×2%=1.14 m，認為可以接受。若距離停車點最近的3組交叉點（96 m、72 m、48 m）全部丟失，則Δo ffset=（105 m-24 m）×2%=1.62 m，已無法置信A TP的停準判斷。因此站臺最差情況下，可容忍丟失2組交叉點。

2）在區間行車時，根據需求，車載A TP定位誤差不應超過5 m。此時未校位距離

考慮道岔區段最多存在3條連續短環線組成的短環區，且兩組短環區相隔距離不小于200 m，短環區內每條短環線均小于24 m，無法布置環線。則此時在合理情況下未校位長度ΔS1=24 m×4=96 m（設過環線邊界不抵消2%的測距不確定性及短環線簇的前一環末尾24 m不進行校位），最大交叉點丟失數目為

即在正線運營時，最多可允許丟失6組交叉點。如圖1所示。

現階段，在不區分站臺與正線停車的情況下，可容忍丟失2組交叉點。

2.1.3 交叉點接收窗口大小選取

由于車載A TP存在定位誤差，因此需要設定交叉點接收窗口（Wsync），窗口大小由以下因素決定。

1）在最理想情況，即完成一次校位后，下一接收窗口應不小于A TP在Ssync內的測距誤差，因此有

2）對于非24 m處交叉點，極限情況下，即2.1.2節2）中，若短環區前一軌的最后一個交叉點丟失，且新軌24 m處交叉點丟失，則有

通過1），2），對于非24 m處交叉點，窗口為3.36 m必然保證ATP正確解析交叉點信息。

3）在跨環線邊界時，考慮第一周期的ZC幀無法被A TP正常解析，則A TP將延時判知進入下一環線，此過程中不再使用交叉點校位，該情況下，有

即在最差情況下，ATP將在進入新環線26.67 m后才開始接收交叉點信息，此時無法判斷出環線第一個交叉點。

在A TP判斷進入新環線后加入200 m s平均延時的算法下，ATP計算位置與車輛實際位置相差為

ΔX=26.67 m-(120/3.6) m/s×0.2 s=20 m

即若窗口大于4 m，則ATP將無法區分第一和第二個交叉點，造成定位錯誤。

因此在Vmax=120 km/h條件下，考慮2）、3）兩種情況，若使用該過環線邊界算法，為保證安全，應將窗口接收大小控制在3 ～4 m之間，此時在3）的假設條件下，A TP必然丟失新環線所有交叉點，導致緊急制動。

在實際運營中，一般有Vmax=80 km/h，此時使用上述步驟討論如下：

在跨環線邊界時，考慮第一周期的ZC幀無法被A TP正常解析，則ATP將延時判知進入下一環線，此過程中不再使用交叉點校位，該情況下，有

即在該情況下，A TP將在進入新環線17.8 m后開始接收交叉點信息，此時可通過調整窗口大小判斷出環線第一個交叉點。

在A TP判斷進入新環線后加入200 m s平均延時的算法下，第一個交叉點（專指24 m處交叉點，而非第一個接收到的交叉點）窗口大小為：

此時交叉點窗口前沿距環線邊界為10.6 m，已處于邊界干擾區之外，因此不會出現交叉點信號串擾現象。

由于環線邊界已進行校位，不再單獨計算該過程中A TP的2%測距線性不確定性。由上知在Vmax=120 km/h條件下，若24 m處交叉點窗口小于4 m，則新環線交叉點將全部丟失；若24 m處交叉點窗口大于4 m，則可導致A TP將48 m處交叉點作為24 m交叉點進行校位，產生定位錯誤；Vmax=80 km/h條件下，24 m處交叉點窗口不小于13.4 m即可保證該交叉點被正確解析，此時若該交叉點丟失且A TP未輸出緊急，則由1）2）結論，ATP仍可通過48 m交叉點進行正確校位。

2.2 進入新環線定位處理說明

2.2.1 現有過環線定位方法說明

一般的，在A TP判斷進入新環線后，需要對列車位置進行校正。目前的校正算法為A TP收到新環線ID后，首先將偏移（OFFSET）清零，再通過測量當前車速（VCUR）和估計ZC幀平均延時（TAVG）補償車輛位置，即

根據現場測試結果，暫將TAVG設置為200 m s。

2.2.2 重設計過環線定位方法的討論

通過2.1節討論，知該方法的校位結果與最高車速相關，在最差情況下將導致A TP必然輸出緊急制動或必然出現交叉點校位錯誤。對過環線處理算法重新設計如下：

1）若收到新環線ID時，列車偏移OFFSETCUR已大于當前所在軌長度length，則有

即直接將OFFSET轉移到新軌道上，當發生跳環時，length中應包含已跳過的環線長度。

2）若收到新環線ID時，列車偏移OFFSETCUR不大于當前所在軌長度length，則有

其中，Δt為包含新環線ID的ZC命令幀與上一同類型ZC命令幀間的時間差，OFFSETOLD為收到上一幀ZC命令幀時車輛偏移，VCUR為Δt時間段內平均速度，一般的，等于當前測速結果。當發生跳環時，len g th中應包含已跳過的環線長度。

對交叉點校位過程進行重新討論，內容如下。

a．交叉點距離選取與2.1.1節相同，即交叉點距離為24 m；

b．交叉點丟失數目計算與2.1.2節相同，即站臺最多容忍2組交叉點丟失，區間最多容忍6組丟失；

c．非24 m處交叉點窗口大小計算與2.1.3節相同，即Vmax=120 km/h條件下，窗口大小為3.36 m；

d．對于24 m交叉點，若ATP收到新環線ID時：OFFSETCUR＞length

則列車進入新環線后的定位與ZC幀延時無關，窗口大小僅由位置不確定性決定，即3.36 m。

OFFSETCUR≤length

該情況相關討論如圖2所示。

其中S x為列車收到03G最后一幀ZC數據時，A TP計算位置與環線邊界距離差，y為A TP收到05G的ZC幀時，列車實際進入05G的距離。由校位算法：

若VCUR×Δt＞SX，則校位后計算位置與列車實際位置差值僅與Δt內列車走行的距離有關。最差情況下，S x+S y對應的列車走行時間為3 s，即車載與地面間最大通信間隔，在VMAX=120 km/h條件下

若VCUR×Δt＜SX，則校位后有OFFSETNEW=0，該位置與列車實際位置差值不大于校位前列車位置不確定性與Δt內列車產生的不確定性之和，即

通過之前分析，在A TP未丟失定位的條件下，有ΔSMAX=3.36 m，因此有

即設定窗口大小為5.36 m，即可保證24 m處交叉點被正確識別，且與最高車速無關。若因通信故障或其他原因導致24 m交叉點丟失，仍可按照3.36 m的窗口判別48 m交叉點，進行校位或繼續丟棄。

2.3 跳環線處理說明

當車地出現通信中斷時，車載A TP將有可能無法收到預期的下一相鄰環線信息，為提高可用性，ATP需進行跳環處理，即在一定距離范圍內，允許收到位于進路內非相鄰環線ZC幀，并進行校位處理；而另一方面，當A TP通過計算判定跳環距離過大或跳環不合理時，應按照丟失定位處理，輸出緊急制動。該處處理設計如下文所述。

2.3.1 ATP提前收到下一環ZC幀的處理

該現象主要由以下因素導致：

a．ATP定位誤差；

b．工程安裝誤差；

c．電子地圖錯誤。

考慮A TP定位誤差，在2.1.2節所述最差情況下，有

因此考慮到可用性，可根據車載A TP需求將a中因素取為上限值，即5 m。工程安裝誤差包括交叉環線鋪設長度誤差及測速測距單元安裝誤差等因素，目前暫時將b中因素設置為ΔWb=5 m（可調），綜合考慮a，b，并根據可用性增加ΔWs=5 m裕量，有

ΔWmax=(ΔWa+ΔWb+ΔWs)=15 m

因此當ΔWmax＞15 m時，可認為A TP定位誤差過大或包含c類因素，觸發緊急制動。

2.3.2 ATP延遲收到下一環ZC幀的處理

1）當過環線時，車地通信正常，則該現象主要由以下因素導致：

a．ATP定位誤差；

b．工程安裝誤差；

c．電子地圖錯誤；

d．通信延遲。

考慮通信延遲，與2.1.3節3）中討論相同，即

ΔWd=ΔL=Vmax×2Tt-z=(120/3.6) m/s×0.8 s=26.67 m

從而有

ΔWmax=(ΔWa+ΔWb+ΔWd+ΔWs)=41.67 m

因此當ΔWmax＞42 m時，可認為A TP定位誤差過大或包含C類因素，觸發緊急制動。

2）當過環線時，車地通信發生不大于3 s的中斷，則該現象主要由以下因素導致：

a．車地通信中斷時長

若允許3 s的中斷時長，則在最高車速120 km/h條件下，列車進入下一環100 m后才能接收到新ZC幀或觸發緊急制動，此時A TP無法區分該現象是因正常中斷時長導致或是因設備故障導致，且該長度已大于丟失3個交叉點的閾值范圍，因此該長度認為已不安全。

在運營車速60 km/h條件下，列車進入下一環50 m后接收到新ZC幀或觸發緊急制動，該距離與1）中計算的正常情況下跳環長度差距在可接受范圍內。

綜合考慮1）、2），認為將跳環長度設置為50 m可兼顧可用性與安全性。此時A TP可進行跳環處理，校位方式與2.2節討論相同。

2.3.3 其他相關問題討論

目前A TP允許車地通信存在3 s的中斷，通過上一節的討論說明該過程中列車在最差情況下已向前行進100 m，存在安全風險。因此可以考慮添加限制，即在車載A TP收到兩幀ZC的時間間隔內，走行距離不能超過50 m，與跳環處理保持一致。

3 測試與結論

3.1 測試方法

對定位校正算法的測試基于M A TC項目現有半實物仿真平臺進行，以下為該平臺的測試環境示意如圖3所示。

通過實時比較車載A TP定位計算結果與M ATC仿真系統中線路模型的理論計算結果，即可驗證上文定位校正算法的有效性。圖4所示為車載A TP在進入新環線及交叉點校位時的實時串口打印信息。

多輪系統測試結果表明，車載A TP在過環線及過交叉點時可進行正確校位，且能正確處理跳環操作，正常情況下，車載A TP與仿真系統線路模型定位誤差可控制在3 m以內。測試結果在《MATC_車載系統測試報告》中記錄。

3.2 結論

通過系統測試，證明當前車載A TP基于交叉點及進入新環線的定位校正算法可滿足車載A TP定位需求，且具有較好的穩定性。