車車通信后備模式下智能軌旁對象控制器系統*

崔惠珊 王 艷

(1.北京交通職業技術學院軌道交通系，102200，北京；2.北京運捷科技有限公司綜合管理部，102400，北京∥第一作者，講師)

在基于車車通信的列車運行控制系統中，正常運行模式下，列車通過車車通信獲取前后車的實時狀態，通信數據包括位置、速度和加速度等。后車基于自身車載控制器的運算能力預測前車的行駛軌跡，同時計算兩車不發生位移重合的安全防護速度，以實現基于相對速度制動追蹤模型的安全防護。車車通信系統由傳統的以地面為中心控制轉為以列車為中心控制，由于車的自主性提高，列車可根據自身的精確位置及時申請并釋放道岔資源，提升了運行效率。

但在后備模式時，當通信中斷、列車降級運行，若取消聯鎖、應答器、區域控制器和計軸器等系統，如何實現檢測區段占用、獲得列車位置、將信息傳給列控中心及其他列車已成為研究的重點。本文基于車路協同的思路，利用UWB(超寬帶)和 RFID(射頻識別)技術設計了一種智能軌旁對象控制器系統，與車載系統等協同工作，實現了雙向列車定位、列車車號識別、列車完整性判斷、列車行駛方向判斷和軌道占用檢測等一系列基礎功能，提供了地面設備辦理進路的后備模式，保障了降級模式下列車高效的運行。本研究為車車通信列車運行控制系統降級模式的運行提供了研究思路與試驗基礎。

1 車車通信后備模式研究現狀

車車通信系統的核心組成設備包括中心設備ATS(列車自動監控)、車載系統、車站OC(對象控制器)、道岔及通信系統等。基于車車通信的全自動運行系統架構如圖1所示。

針對車車通信的后備模式，文獻[1]提出一種基于雷達和攝像頭兩種傳感器的遠程瞭望系統，通過列車裝備激光雷達、相機等傳感器，實現前方障礙物感知。根據實際測試，在直道上的遠程瞭望系統探測距離可達300 m。然而在彎道情況下，受到激光雷達和相機自身工作原理的影響，檢測效果會變差。文獻[2]提出一種可以提供聯鎖級、點式級的車車通信后備模式，便于在未裝備車載設備或車載設備故障的列車線路內混合運營。在線路建設初期或為了提高降級運行效率,文獻[3]提出在地面布置獨立設備以實現降級列車的運行，如區段自動閉塞、部署計軸及信號機設備、增加聯鎖系統等。但目前若僅在岔區部署計軸系統，無法獲取列車的行駛方向和列車車號，OC和ATS系統仍無法為列車辦理進路。

對于后備模式下的非通信列車的線路資源管理，文獻[4]提出經司機向行車調度員確認非通信列車的位置后，由行車調度員根據列車的運行計劃在人機界面輸入非通信列車位置、目的地等信息，再由列車管理設備為非通信列車申請當前位置到目的地之間所需的線路資源。然而，此種方案并不適用于FAO(全自動運行)模式。

2 UWB和RFID技術應用可行性分析

已有較多學者對如何將UWB技術應用于城市軌道交通系統進行了研究。文獻[5]對信號系統故障下的列車應急運行控制系統進行了研究，將一個車載UWB信標與兩個地面錨點組成測試系統，在北京地鐵10號線蓮花橋站、六里橋站、西局站三站兩區間進行了測試，列車定位誤差在5 m以內。

文獻[6]對用于城市軌道交通定位算法的UWB技術進行了研究，根據城市軌道交通特點和UWB模塊特性，采用最小二乘法、Taylor遞歸法、Kalman濾波等算法，使定位誤差獲得了顯著改善，距離誤差降低至10 cm以內，且絕大部分定位點距離誤差小于5 cm，能夠滿足精準停車需求。

RFID技術在城市軌道交通中有較多的可行性研究。文獻[7]研究了基于RFID技術的低地板有軌電車位置檢測系統，并在北京亦莊新城有軌電車T1線上裝車應用，位置檢測系統顯示列車在不同速度下(0～70 km/h)，信標的讀取率可達到100%。

3 智能軌旁對象控制器系統設計研究方案

3.1 總體架構

智能軌旁對象控制器系統應用架構如圖2所示。智能軌旁對象控制器設備包括安全計算機平臺、UWB錨點和RFID閱讀器。軌旁UWB設備稱之為錨點，為列車定位提供定位參考原點。安全計算機平臺通過安全通信協議與ATS、OC等通信。車載設備傳感器包括在車頭和車尾分別部署兩個異構的UWB模組(稱為標簽)，以及在每一節車廂都安裝RFID標簽。

圖2 智能軌旁系統應用架構圖Fig.2 Application architecture diagram of smart trackside system

當列車運行到智能軌旁對象控制器附近時，列車上的UWB標簽與軌旁錨點通信測距，使列車獲得車載標簽相對于錨點的距離，進而實現列車自身的精確定位。由于UWB技術下，錨點和標簽的角色可以互換，軌旁UWB也能夠獲得列車的位置并發送至OC和ATS。以軌旁智能對象控制器為區段分界點，基于列車位置的OC能夠通過計算獲得區段的占用信息。

基于RFID和UWB技術，智能軌旁對象控制器可以獲得車次和車號信息，并發送給ATS。在確保列車完整性的基礎上，ATS依據車次與運行圖排列進路，并在列車進入岔區前的一個區段由OC驅動道岔，道岔的鎖閉信息通過UWB發送給非通信列車，列車在保證安全的情況下通過道岔。

3.2 雙向列車定位分析

雙向定位是指列車獲得自身相對于錨點的位置，以及智能軌旁控制器獲得列車在軌道上的位置。列車定位算法如圖3所示。設點A是地面的UWB錨點1，點B是地面的UWB錨點2，兩個錨點數據由安全計算機處理。點C是列車的車頭UWB設備，點D是車尾的UWB設備。在安裝部署錨點設備時可以確定距離AB，UWB直接測量距離AC、AD、BC和BD。由于列車完整性未知，距離CD是未知的。線段AC、AB和BC組成三角形。首先，基于三角形的邊長關系，即兩邊之和大于第三邊，兩邊之差小于第三邊，判斷三段距離是否合理。然后計算點C在直線AB上的投影點E的位置，可以獲得AE長度和BE長度。若計算線段AE與線段AB的長度和約等于線段BE的長度，則認為計算點E的位置是合理的，即獲得了車頭距離UWB錨點的位置。同理可得車尾距離錨點的位置。定位算法流程圖如圖4所示。由于定位是通過兩個異構的UWB和安全計算機平臺實現的，架構上可以保證定位結果安全可靠，達到SIL4(SIL為安全完整性等級)級別。

圖3 列車定位算法示意圖Fig.3 Diagram of train locating algorithm

圖4 定位算法流程圖Fig.4 Flow chart of locating algorithm

3.3 列車車號識別分析

參考ATIS(鐵路車號自動識別系統)中基于RFID獲得車號的技術，當列車經過時，由軌道上部署的閱讀器獲得列車上RFID標簽的數據內容，即列車車號數據。一般UHF(特高頻)頻段的RFID的輻射范圍為10 m，兩側距離則為20 m，列車以80 km/h的運行速度經過時，行駛時間約為1 s，按照地面安全計算機300 ms的運行周期計算，至少可以閱讀3次RFID標簽數據。

為了實現功能安全，UWB技術也承載車號識別的功能。當列車經過時，列車車次和車號數據通過UWB技術以約定的通信協議對外廣播出去，地面錨點接收后可獲得列車車號和編組數據。

3.4 列車完整性判斷分析

列車完整性判斷基于車頭和車尾之間UWB標簽的距離。3.2節中，通過計算獲得了線段AE和線段BF的長度，將線段AE、AB和BF的長度和與列車長度進行比較，若兩者誤差在合理范圍內，則說明列車是完整的。除此之外，列車完整性判斷也可以通過當前編組的所有車號進行判斷。UWB和RFID依次獲得經過的車廂車號，這些車號組成一個有順序的數列，如果所有車號的順序與ATS中存儲的數據一致，則說明列車是完整的。

圖5 UWB錨點與標簽位置關系圖Fig.5 Diagram of relationship between UWB anchor point and label position

3.5 列車行駛方向判斷

軌道UWB錨點1車頭標簽C、車尾標簽D的位置關系如圖5所示。在確定列車完整性的基礎上，L為定值，若列車定位準確，則L1和L2的測距正確。當L1L2時，則說明車頭遠離錨點1(見圖5 c))。因此基于L1與L2的長度變化過程，即可獲得列車相對于錨點1的行駛方向。同理可獲得列車相對于錨點2的行駛方向。由于錨點1、錨點2的排列方向與軌道上、下行的關系是對應的，通過標簽信息可以知道C為車頭、D為車尾，故可以通過計算獲得列車的行進方向。

3.6 軌道占用檢測分析

在列車定位、行駛方向判斷及車號等信息皆可獲取的基礎上，可以識別軌道占用檢測。當圖3中的線段AE長度約等于0，且RFID閱讀器只能獲得車頭的RFID標簽時，說明列車開始進入下一個區段。當圖3中的線段AF長度約等于0，且RFID閱讀器僅能獲得車尾的標簽時，說明列車駛出了上一個區段，全部進入下一個區段。通過判斷車頭和車尾分別進入區段的情況，可以獲得軌道占用信息。

3.7 智能軌旁對象控制器樣機

通過上述方案設計分析，基于UWB和RFID技術的智能軌旁對象控制器能夠滿足車車通信后備模式下的應用，其控制樣機已研制完成。智能軌旁對象控制器樣機的整體尺寸為42 cm×35 cm×10 cm，功耗約為35 W，具有IP65(IP為侵入保護)防護等級。相對于傳統計軸和軌道電路，智能軌旁對象控制器功耗和尺寸更小，可以更方便地部署在軌旁。目前，智能軌旁對象控制器樣機在城市軌道交通通信與運行控制國家工程實驗室進行了測試，測試結果驗證了其可以實現雙向列車定位、列車車號識別、列車完整性判斷、列車行駛方向判斷和軌道占用檢測等功能。

4 結語

基于各研究機構對智能感知技術、UWB和RFID技術的相關研究，本文從功能安全的角度為出發點，設計了一套智能軌旁對象控制器系統，為車車通信后備模式提供了列車自動運行基礎數據，實現了由OC和ATS控制列車的后備運行。車車通信的后備運行模式，是復雜的系統工程問題。本研究著重于地面傳感部分的方案設計，實現了雙向列車定位、車號識別、完整性判斷、列車行駛方向判斷以及軌道占用檢測等功能。