列車定位分析與技改

邢飛

(廈門軌道交通集團有限公司運營分公司,福建廈門,361000)

1 現狀分析

1.1 存在問題

廈門地鐵1號線運營以來，因列車定位失敗導致一系列運營事故事件，其中典型的兩起事件為“4.25接觸網掛異物事件”和“11.15電話閉塞法終止事件”。

（1）2018年4月25日，下行列車司機發現高崎-集美學村上行區間接觸網掛異物，因下行司機無法準確的對異物點進行定位，導致司機匯報行調時，只能通過觀看區間百米標、估計出站多少米處、進站前多少米等方式大概判斷故障點位置，司機對異物點的匯到也只是個大概的范圍，給行調的應急處置帶來很大困難。最終導致一起15分鐘以上晚點事件。

（2）2018年11月15日，在總部組織的電話閉塞法演練中，跳停列車司機區間突然停車，司機無法通過車輛顯示屏判定列車所在區間，本來列車停在蓮花路口-呂厝區間，誤報成蓮坂-蓮花路口區間，因司機信息匯報錯誤，導致行調在啟動電話閉塞法行車前列車定位錯誤[1]，險些造成一起人車沖突事故。

1.2 廈門地鐵列車定位方法

1.2.1 確認車輛屏

通過確認車輛屏上顯示的當前站和下一站，判定列車所在車站或區間。如當前站和下一站顯示站名相同，表示列車停在站臺（圖1）；如當前站和下一站顯示不一致時，表示列車在區間。

圖1 車輛屏HMI

優點：正常運行時，能直觀的顯示列車所在車站或區間。

缺點：列車區間運行時，無法判定列車所在區間的具體位置。當列車跳停時，車輛屏上的當前站、下一站無法同步顯示，無法判定列車所在區間。

1.2.2 確認區間百米標

通過確認區間百米標，判定列車所在區間的具體百米位置。如列車停在上行188百米標位置，表示列車停在上行18.8KM 處（圖 2）。

圖2 百米標

優點：列車區間運行時，能判定列車所在百米標位置。

缺點：

a、當列車區間緊制停車，隧道壁無百米標時，司機需下車尋找百米標來判定列車所在區間位置，效率低。

b、高架區段電列車高速運行時，司機肉眼無法看清區間百米標顯示，不利于列車定位。

c、定位精度不高，只能精確到百米。

1.2.3 結論

通過確認車輛屏顯示和區間百米標，均無法準確顯示列車適時定位信息，且精度不高，司機無法快速準確匯報列車所在位置，不利于信息匯報及行調的應急處置，存在較大安全隱患。

2 行業調研

目前軌道交通行業列車定位應用較為普遍的是軌道電路定位、測速定位、信標定位、GPS定位、無線擴頻定位，各種定位優缺點如下。

2.1 軌道電路定位

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。

2.2 測速定位

測速定位法是一種輔助定位方法。通過測量車輪轉動圈數，從而計算列車走行距離，實現對列車的定位。

2.3 信標定位

信標是屬于一種物理標志，所安裝的位置是在線路沿線能夠反映線路絕對位置的地方。信標包含兩種一種是有源信標、一種是無源信標，兩著之間的區別在于有源信標可以實現車地雙向通信，而無源信標是一種非接觸式的信號傳遞，當列車經過信標位置時，車載天線發射電磁波，將絕對信息的位置傳遞給列車，無源信標在城市軌道交通中被大規模使用，信標安放在軌道沿線。在列車的通行中信標起到重要的作用，其作用主要是為列車提供精準的絕對位置參考點[2]。信標的精度非常高，能夠為列車提供精度達到厘米級別的位置，因此也被作為修正列車實際運行距離的手段，信標定位技術的采用，其信息的傳遞是間斷型的，當地面信息點信息發出后，列車在經過此信息點獲取到信息，需到下個信息點后才能完成信息的更新，如果中間這段時間地面情況有變，列車無法接收到實時的信息，所以信息定位技術是其他定位技術的一種補充手段。

2.4 GPS定位

GPS定位技術已經被廣泛的應用在各行各業，GPS主要是由衛星和地面站組成，在地球的上空有24可衛星，并由5個地面基站進行監視。衛星用的原子鐘被作為標準時間使用，會24小時不斷的向地球傳遞精準的時間和位置信息，配備有GPS接收的用戶就會接收到，不會受距離和位置的限制，不管是在地球的任何地方。通過測量衛星信號發射和接收的時間間隔，計算出用戶至衛星的距離，然后根據5顆衛星的數據，即可實時地確定用戶所在地理位置。

2.5 無線擴頻定位

對測距基站和中心控制站進行科學、合理的設置，并將無線擴頻通信發射在列車的兩端進行安裝，由此一來，地面測距基站可以接收到來自于列車兩端發射機的定位信息，然后由測距基站依據所接收到的定位信息進行偽距的有效計算，在將計算結果向中心控制站進行傳遞，實施進一步信息處理，并將處理結果呈現在電子地圖上，機車可以通過無線傳播方式接受信息。該定位方式精準性高，但是成本也高。

2.6 幾種典型定位法的優缺點比較

軌道電路定位：該定位方法存在諸多的優勢，即可以實現對列車的有效定位，又可以對軌道的完好性進行有效檢測，同時，可靠性高、實施方便、成本低等優勢。缺點就是無法實現移動閉塞的構成，這是由于定位精度取決于軌道電路的長度，存在不精準性。

測速定位：屬于增量式相對定位，具有對定位精度要求高、存在累計誤差、對位置信息需要借助其他的方法進行不斷校準的缺點。

信標定位：具有惡劣環境下運行穩定性高、維修費用低、地面應答器安裝點的定位精度較高、使用壽命長、可以正確的區分復線鐵路上的列車的行駛股道等優勢，但是，該方法可以給出點式定位信息[3]。

GPS定位：該定位方法所具備的主要優勢為：設備體積小、簡單、維護費用低、成本低；但是，其也存在一定的缺點，主要是定位精準度略低，在隧道等區段還存在定位盲區，在并行線路上易發生認錯股道的現象等，實際應用效果不是非常理想。

無線擴頻列車定位：其主要優勢在于，具有較好的保密性、抗干擾性和較高的定位精準性，但是，期投資成本高、需要在沿線設置專用擴頻基站，增加了成本的投入。

3 對比分析

廈門地鐵列車定位實則采用的是信標定位，只能給出點式位置信息，無法連續給出位置信息。司機通過車輛屏HMI和區間百米標確認列車定位的方法僅能判定列車所在區間且效率低下（甚至有時連區間都無法判定），精確度為100米，在軌道交通快速發展的今天，已無法滿足小間隔行車的需求。

目前大鐵行業應用較為普遍的軌道電路定位配合測速定位，可實時顯示列車位置信息，通過LKJ監控屏實時顯示列車公里數值，且精度大幅提高，可精確到1米，如LKJ-2000監控顯示（圖3），目前鐵路機車及動車組上均安裝有LKJ-2000列車監控系統。

圖3 LKJ-2000監控顯示屏

通過對比以上幾種列車定位優缺點分析，測速定位法較為符合廈門地鐵列車技改方案，且該方法應用較為普遍。

4 技改措施

廈門地鐵1號線列車可在目前信標定位的基礎上引入測速定位，在列車輪對上加裝編碼器，通過測量車輪轉動圈數，從而計算列車走行距離，實現對列車的精準定位。

4.1 測距原理

列車車輪運動一周，編碼里程計輸出N個脈沖。隨著車輪運動周數的增加，編碼里程計輸出的脈沖數也就隨之增多，進而提升了測速和／或測距精度。

列車運動距離＝編碼里程計輸出的脈沖數×（πΦ／編碼里程計每周輸出的脈沖數）

其中，Φ設置為列車車輪的直徑。

在列車不斷運作中，車輪會產生一定的磨損損耗的，因此，針對于列車車輪的輪徑范圍，在城市軌道交通系統中是允許控制在840mm～770mm，由此一來，Φ就成為了一個變量因素，就必須要對這個變量因素進行定期和不定期的修正。

圖4 編碼里程儀測距原理

圖5 旋轉編碼器

4.2 技改說明

在每列電客車第一、五、九輪對上加裝旋轉編碼器一個，用于計算列車輪對轉動圈數，兩端司機室各加裝液晶顯示器一個，用于顯示列車實際走行公里數。

4.3 功能需求

（1）因車輪直徑Φ是個變量，可通過液晶顯示器人工輸入Φ的數值，更換輸入Φ值，需輸入密碼方可設定。

（2）顯示器具備將編碼器傳遞過來的三個變量N（圈數）進行對比分析，絕對誤差較大的變量不納入計算，另外兩個變量取平均數值，并換算成公里數顯示。

（3）車輪正向轉動時，公里數顯示遞增；車輪反向轉動時，公里數顯示遞減。

（4）顯示器具備獨立電源電池，無需接入外部電源。

（5）本項技術改造僅適用于列車正線正常運行時列車定位，不與信號系統相關聯，作為列車定位的輔助手段。

4.4 使用說明

（1）列車停巖內下行站臺時，司機通過按壓液晶顯示器上的數字鍵，輸入公里數00公里+000米，即，列車運行時開始計算列車走行公里并實時顯示。

（2）列車停鎮海路上行站臺時，司機通過按壓液晶顯示器上的數字鍵，輸入公里數30公里+230米，即，列車運行時逐步遞減列車走行公里數并實時顯示。

（3）車輛檢修人員需定期檢測輪對直徑Φ，并進行更改設置，其他人員無權設置。

4.5 優點分析

（1）提高列車定位準確度，精度可達1米，列車運行中發現異常或停車時，司機在匯報關于列車定位信息時，可直接匯報顯示公里數，無需找參考物或百米標。（2）提高行車指揮效率，行調根據司機匯報的公里數能準確判定列車位置或異物點位置，減少行調與司機間的無效溝通，提高行車調整效率。（3）可有效避免上述列舉的4.25事件和11.15事件，可作為確保列車安全運行輔助手段。

5 結論

對比分析，建議車輛部門對目前1號線所有電客車進行技術改造，提高列車定位精度，保障列車安全運行。