城市軌道交通中的列車定位技術分析

【摘要】闡述了列車定位技術的重要性，針對城市軌道交通中幾種常用的列車定位方法進行了介紹和比較分析。

【關鍵詞】城市軌道交通；列車定位；組合定位

1.引言

城市軌道交通具有速度快、安全可靠、節能環保、準時舒適等優點，己成為世界各國解決城市交通問題的首選方案。列車的定位技術在列車運行控制系統中占據著很重要的地位，它直接關系到列車的安全運行，影響著軌道交通的運輸效率。幾乎每個子系統的實現都需要列車的位置信息作為參數之一，列車定位的引入使得調度指揮和行車控制一體化新的綜合自動化系統的實現成為可能。由此可見，實時、準確地獲取列車速度和位置信息是列車安全、高效運行的重要保障。

2.列車定位技術

列車定位的任務是獲取列車在鐵路網絡中的位置，目前在國內外軌道交通列車自動控制系統中得到應用的列車定位方式主要有以下幾種[1-4]：

2.1 基于軌道電路的列車定位

軌道電路定位法是最普遍的列車定位技術。軌道電路是以鐵路線路的兩根鋼軌作為導體，并用引接線連接信號發送、接收設備所構成的電氣回路。當軌道區段無車占用時，接收端可以接收到發送端所發送的信息，接收端的軌道繼電器勵磁吸起；當列車進入軌道區段時，車輪將兩根鋼軌短路，接收端接收不到發送端所發送的信息，接收端繼電器失磁落下，達到檢測列車定位的目的。列車在線路中運行時，其所在的軌道電路會給出占用指示，對軌道電路占用狀態進行連續跟蹤，就能獲取列車在線路中所處的位置。

2.2 基于電子計軸的列車定位

電子計軸定位是通過在軌道區段的分界點安裝計軸點來檢測輪對通過瞬間所產生的電磁感應信號，從而判斷列車的輪軸數量和運行方向。當車輪駛過計軸點時，在會計軸點中形成脈沖信號，通過電纜傳輸到控制中心，然后由控制中心的計數裝置根據脈沖對車輪進行計數，最后由中央處理單元根據計數情況判斷列車占用/出清，實現列車檢測和定位功能。

2.3 基于信標的列車定位

地面信標通常安裝在兩根鋼軌中間，分為有源信標和無源信標兩種，每個信標有一個唯一的編號并帶有特定的位置信息。在車載上安裝具有無線發射和接收功能的信標讀取天線，當列車從信標上面越過時，車載信標天線會以電磁感應的形式將能量傳給地面信標，地面信標接收到能量后被激活，其內部電路開始進行工作，將存儲的位置等參數信息以某種調制方式通過電磁感應傳送給車載信息處理系統中，然后通過解析數據來獲取列車的位置信息。

2.4 基于測速的列車定位

測速定位就是通過不斷測量列車的即時運行速度，然后對即時速度進行積分（或求和）獲得列車的運行距離。測速定位主要包括輪速（里程表）法和多普勒雷達法等測量方法。

輪速法的原理是在列車外側安裝旋轉式光柵，當列車運行時由輪軸的旋轉帶動光柵旋轉；在光柵的兩側安裝發光裝置和光電傳感器，隨著光柵的旋轉光電傳感器可以接收到發光裝置的“光脈沖”信號，并將其轉化為電脈沖信號送至車載計數器，由車載計數器對該脈沖信號進行計數；通過檢測該信號次數可以判斷車輪即時轉角，由車輪的轉角又可以求得列車的位移。

多普勒效應測速原理是在車頭位置安裝多普勒雷達，雷達向地面發送一定頻率的信號，并檢測反射回來的信號。根據多普勒效應原理可知，如果列車在前進狀態，反射的信號頻率高于發射信號頻率；反之，則低于發射信號頻率。而且，列車運行速度越快，兩個信號之間的頻率差越大。通過測量兩個信號之間的頻率差就可以獲取列車的運行方向和即時運行速度，然后對列車的速度進行積分就可得到列車的運行距離從而獲取列車的位置。

2.5 基于無線擴頻的列車定位

無線擴頻定位法采用先進的無線擴頻通信、偽碼測距和計算機信息處理技術，實現了對復雜環境中列車的實時準確定位、跟蹤。無線擴頻的基本原理是：在地面沿線路設置無線基站，無線基站不斷發射帶有其位置信息的擴頻信號。列車接收到由無線基站發送的擴頻信息后，求解列車與信息之間的時鐘差，并根據該時鐘差求出與無線基站的距離，同對接收三個以上無線基站的信息就可以求出列車的即時位置。

2.6 基于交叉環線的列車定位

在兩根鋼軌之間敷設交叉感應回線：一條線固定在軌道中央的道床上，另一條線固定在鋼軌的頸部下方，它們每隔一定距離作交叉，中央回線就像一個天線，列車經過每個電纜交叉點時，通過車載設備檢測環線內信號的相位變化。并對相位變化的次數進行計數，從而確定列車運行的距離，達到對列車定位的目的。

3.幾種列車定位方案的比較分析

軌道電路定位方案的優點是經濟、方便、可靠性高且技術比較成熟，既可以實現列車定位，又可以檢測軌道的完好情況，滿足故障-安全原則；其缺點是定位精度取決于軌道電路的長度，定位精度不是很高、誤差較大，且信息傳輸距離有限，設備的維護量大，無法構成真正意義上的移動閉塞。

電子計軸定位繼承了軌道電路定位的很多特點，這種方法定位安全性較高，精度較差，通常也需要與測速裝置結合起來使用。由于不依賴于軌道電路，對環境的適應性更強，維護量相對較小；但不具備向列車傳輸信息的通道，容易受外界其他金屬物品的干擾，也無法檢測斷軌故障。

信標定位方案在地面信標安裝點的定位精度較高，維修費用低、使用壽命長且能在惡劣條件下穩定工作；但只能給出點式定位信息，維護量大，且存在設置間距和投資規模的矛盾。

基于測速的列車定位是一種典型的增量式相對定位，雖然能在一定程度上緩解了軌道電路和計軸定位方案的始端、終端不能測量的缺點，但存在累計誤差，且不能直接進行車-地通信。在定位精度要求較高的地點，需要利用其它的方法不斷校正其位置信息。

無線擴頻列車定位的優點是定位比較精確、抗干擾性強，但對地面設備的要求較高，需要在沿線設置專用擴頻基站，投資成本較高，維護起來相對麻煩。

交叉感應回線定位方式成本較低，實現也比較簡單，但只能實現列車的相對定位，每隔一段距離就要對列車的位置進行修正，而且定位精度受交叉區長度的限制，如果交叉區比較窄，位置脈沖漏計的可能性會增大。

4.結束語

對軌道交通中幾種常用的列車定位方法進行了介紹和分析，除上述常用的列車定位技術外，還有GPS定位、IPS定位、接觸網定位器定位等方法。由于單一的定位方法總會存在一定的局限性和缺點，很難在定位的精度、可靠性和代價之間作到很好的平衡。而組合定位技術能通過冗余、互補和多種的信息為系統提供更為精確的信息，使整個軌道交通和指揮系統中的安全性、測量精度、可靠性、造價等方面做到一定的平衡。因此，在已有的軌道交通中大多采用組合定位的方法，或以某種方法為主，其它方法為輔。例如成都地鐵1、2號線和天津地鐵2、3號線采用的是測速、電子計軸和地面信標組合定位的方式。就目前而言，合理地使用多重定位方案是解決城市軌道交通定位的最好途徑。

參考文獻

[1]曾小清，王長林，張樹京.基于通信的軌道交通運行控制[M].上海：同濟大學出版社，2007.

[2]張瑋.城市軌道交通列車運行控制系統維護[M].成都：西南交通大學出版社，2012.

[3]林瑜筠，魏艷，趙煒.城市軌道交通信號基礎設備[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

[4]孫林祥，房堅.城市軌道交通的列車定位技術[J].電子技術應用，2002，28（7）：28-30.