上海城市軌道交通列車主動定位系統軌旁信標布置規則研究

陳 鳴

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司， 200235， 上海∥工程師)

列車定位子系統是CBTC(基于通信的列車控制)信號系統的核心子系統之一，可實現可靠、高效的列車定位。列車定位子系統中,軌旁信標的布設起著至關重要的作用。

目前,上海城市軌道交通已開通運營的18條線路中,有13條線路分別采用了2家不同集成商提供的CBTC信號系統。中國城市軌道交通協會發布的《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》(以下簡稱“綱要”)中明確要求：2025年，中國式智慧城軌特色基本形成，躋身世界先進智慧城軌國家行列。此外，綱要還要求“自主化列車全自動運行系統成熟完善并大面積推廣應用，互聯互通取得重大突破，具有自主知識產權的全自動運行系統開始進入國際市場”。

列車定位子系統作為實現不同信號制式間互聯互通的基礎條件，軌旁信標布置規則的統一是最底層的技術需求。本文旨在對定位信標布設的規則進行研究，為更好地實現信號系統互聯互通建立基礎，為后續定位設備的硬件統型及編碼規則的統一等工作的開展提供參考。

1 上海城市軌道交通軌旁信標布置規則的現狀分析

目前,上海城市軌道交通線網的CBTC系統均采用對列車當前位置的絕對定位與相對定位結合的方式實現列車定位。即：通過車載查詢設備、讀取地面定位信標設備獲取列車當前位置的絕對定位信息；通過速度計的測速和測距結果來計算獲得列車當前位置的相對定位信息。線網內采用CBTC系統的13條線路在軌旁信標標準選型上有2種，分別為采用UNISIG/TB標準的歐式信標及采用AAR/GB標準的美式信標。

1.1 歐式信標的布設原則

采用歐式信標的CBTC信號系統在軌旁布設2種信標，分別為RB(重定位信標)與MTIB(動態列車初始化信標)。

在后備模式中，RB與LEU(軌旁電子單元)連接，為車載控制器提供信號機、道岔、軌道區段等的狀態信息。停車信號機由1個RB防護，接近信號機由2個RB防護。

1.2 美式信標的布設原則

采用美式信標的CBTC信號系統同樣在軌旁布設2種信標：無源的A型信標和有源的B型信標。其中，2個連續的A型信標用來初始化列車位置，單個A型信標可以對已有位置信息的列車進行定位校準。

在后備模式中，每1個B型信標為車載控制器提供其所關聯信號機的1種表示狀態，即關聯信號機為紅白綠三顯示信號機時，需要在相同位置布置2個B型信標，以分別標識白燈與綠燈的狀態。

1.3 歐式信標與美式信標布設原則的對比

歐式信標與美式信標在常用定位信標布設距離上的限制差異較小。歐式無源信標采用了電感耦合方式，信標的可識別距離小于1.0 m，而美式無源信標采用了電磁反向散射耦合方式，信標的識別距離為1.0～1.5 m。由此，美式無源信標在布設時對相鄰信標的最小間距有額外的要求，以避免在列車行駛時發生錯誤讀取相鄰信標的情況。

此外，單個歐式有源信標相較美式有源信標可編輯的碼位更多，在后備模式中可以為車載控制器提供更多前方信號軌旁設備的狀態信息，提供更完善的系統級防護功能。如果美式信標要實現與歐式信標相同的功能，則需在相同位置布設更多信標，工程成本相較歐式信標更高，且可能存在的故障點也更多。由此可見，歐式信標更適用于上海城市軌道交通列車主動定位系統軌旁信標的布設。

2 互聯互通需求下自主定位軌旁信標總體布置原則

根據綱要的要求，在參考GB 50157—2013《地鐵設計規范》、建標104—2008《城市軌道交通工程項目建設標準》及DG/TJ 08-2232—2017《城市軌道交通工程技術規范》等各類規范、標準的基礎上，本文對上海城市軌道交通超大網絡互聯互通需求下列車主動定位系統進行研究。在ATC(列車自動控制)區域內，列車主動定位系統軌旁定位信標布置應與信號主系統保持一致；在非ATC區域內也應布設定位信標，以確保所有行車區域具備有效追蹤列車位置的功能。

列車主動定位系統用于取代現有各信號系統相對獨立的列車定位子系統，統一軌旁信標布置規則，使之成為最底層的技術需求，為最終實現信號系統的互聯互通奠定基礎。

2.1 定位精度要求

截至2020年底，上海城市軌道交通線網的運營線路及在建線路，其列車的最高運行速度均在120 km/h以下。在采用絕對定位與相對定位結合對列車進行定位的CBTC線路中，定位信標的布設密度與列車的運行速度直接相關。

對軌旁信標進行布置時，應滿足列車最高運行速度120 km/h情況下定位精度不低于最小追蹤間隔，且在站臺區域定位精度不低于最大停站精度要求。

2.2 無源信標及有源信標的布置要求

無源信標也可稱為固定信標，按功能可分為輪徑校準信標、精準停車定位信標和其他定位信標。有源信標分為主信標和填充信標2種。主信標布置在信號機處。填充信標的布置點與主信標外方有一定距離，該距離要滿足不能因列車未收到填充信標的報文而降速的要求，以及信號系統后備模式下列車追蹤間隔的要求。由此，該距離應滿足如下要求：

1) 在最大線路限速條件下，距離的最小值應大于列車按照最高速度以GEBR(保證緊急制動率)計算得到的緊急制動距離和常用制動距離二者的最大值。

2) 距離的最大值應小于后備模式下列車追蹤間隔要求的追蹤距離，即小于主信標關聯的信號機的進路長度與安全防護區段距離之和。

3 各類軌旁信標的布置原則

3.1 精確停車信標的布置原則

精確停車信標的具體布置原則為:ATC模式下，在站臺、側線、折返線、聯絡線、區間信號機、停車場列檢庫等需要以ATO(列車自動運行)精確停車的區域，以及停車庫內定修線、鏇輪線等非ATC區域，均應布置用于精確停車的無源信標，并采用車載應答器天線頭尾冗余的方式予以布置。

以站臺區域為例，精確停車信標的布置原則如下：①在車載應答器天線前后2個方向距離約0.5～1.0 m處各設置1個信標；②在車載應答器天線前后2個方向距離約25.0～30.0 m處各設置1個信標；③在車載應答器天線前后2個方向距離約70.0～100.0 m處各設置1個信標。圖1為以列車運行的反方向為例繪制的停車信標布置示意圖。

圖1 站臺區域精準停車信標的布置原則

3.2 輪徑校準信標布置原則

輪徑校準信標的布置原則為:在銜接車輛段或停車場的出入段線、聯絡線及正線存車線的出口處應設置2個用于輪徑校準的無源信標。

為提高CBTC系統可用性，在正線區間也可設置輪徑校準信標，每3個站的正線區間設置2個。這2個無源信標間的距離一般為20～60 m。輪徑校準信標宜布置在平直軌道區域，若由于客觀原因無法完全保證線路平直性，則優先考慮在無彎道的區域布置。

3.3 有源信標的布置原則

有源信標的布置原則為:

1) 為確保列車運行安全，應保證列車以RM(限制人工模式)向前運行時所通過有源信標可以獲得有效的點式移動授權，使列車升級到點式ATP(列車自動防護)模式運行級別。

2) 在每個信號機處設置有源信標，為正線站臺正向進路提供點式ATP防護功能。

3) 在每個信號機處設置有源信標，為停車線、折返線、出入段線等雙向防護進路提供點式ATP防護功能。

4) 在正方向區間信號機處設置有源信標。

5) 如圖2所示，列車停在停車點時，有源信標離車載應答器天線的距離應為1.0 m，即當列車起動運行1.0 m后可以讀取該有源信標。

圖2 站臺區域有源信標離車載應答器天線的距離

4 列車自主定位系統軌旁信標編碼規范

為滿足與其他信號制式軌道交通區域互聯互通的要求，所有用于定位功能的信標(包含有源信標及無源信標)，其定位相關報文編碼均應滿足全線網唯一性的標準，以實現不同信號制式下列車跨線運行時定位系統的有效兼容。

為確保上海城市軌道交通全線網列車自主定位系統軟硬件架構統一，軌旁信標編碼規則也應統一。根據歐式信標的硬件特性，信標報文宜采用830位長報文結構，用戶信息包中不足的比特位以“1”補齊。

信息幀的報文結構定義如表1所示。其中：

表1 軌旁信標信息幀的報文結構定義Tab.1 Message structure definition of the wayside beacon message frame

1) M_MCOUNT為報文計數器。單個應答器會對應多條報文，該變量表示本報文在這些報文中的序號；固定應答器只包含1條報文，M_MCOUNT設為255；有源應答器默認報文，M_MCOUNT設為252；LEU默認報文，M_MCOUNT設為0；M_MCOUNT值禁用253和254。其他報文的M_MCOUNT值由廠商自定。

2) NID_C為復合區段。在多條線路共線的正線區間或停車場內，復合區段碼位以“1”表示。

3) NID_L為線路編號。采用區域內統一編號的方式，可在區域線路規劃時統一分配。聯絡線以各線路信號系統控制邊界為界，賦予不同的線路編號。

4) NID_BG為應答器(組)編號。用于在1條線路內唯一識別的ID，由5位十進制數表示，最大值為16 383。

用戶信息包中至少應包含如表2所示的信息。

表2 軌旁信標用戶信息包的定義內容

5 結語

依托綱要的要求，在目前信號技術的飛速發展時期，城市軌道交通信號系統向著確保安全、提升運營能力，同時兼備高可靠性、高維護性的方向有序發展。本文構建的上海城市軌道交通列車主動定位系統軌旁信標布置規則，能有效實現不同信號制式互聯互通下軌旁定位系統標準的統一。