一種有軌電車跟蹤方法的設計與實現

景順利

（南京恩瑞特實業有限公司，南京 211106）

1 概述

近年來，隨著城市軌道交通的迅速崛起，有軌電車越來越成為二、三線城市軌道交通發展的趨勢[1-2]。其中，有軌電車運營調度系統是實現有軌電車運營調度和行車管理自動化的重要手段。運營調度系統的列車跟蹤是一項十分重要與關鍵的技術，如何準確、可靠地實現列車跟蹤是有軌電車運營調度系統必須解決的問題[3]。

運營調度系統列車跟蹤負責跟蹤線路中運行列車的位置，并將列車識別信息與對應的軌道進行管理，在人機界面對應的位置進行實時顯示，并為調度員提供人工操作功能，方便調度員根據運行需求，在故障情況下實現針對跟蹤列車的列車車次號的相關操作。

2 地鐵與有軌電車跟蹤的區別

在城市軌道交通中，地鐵與有軌電車項目由于系統設計、軌旁設備設置、網絡部署等形式不同，導致地鐵的ATS 系統與有軌電車的運營調度系統在列車跟蹤方式上有所差別[4]，主要差異如下。

2.1 軌道占用信息獲取方式不同

在地鐵項目中，ATS 系統能通過正線聯鎖獲取線路軌旁的所有物理軌道、邏輯軌道的占用、出清信息，通過車輛段聯鎖獲取車輛段/停車場內物理計軸或軌道電路的占用、出清信息，分別實現正線的基于聯鎖占用信息的車次號跟蹤，車輛段的基于聯鎖占用信息的車組號跟蹤[5]。

在有軌電車項目中，運營調度系統通過正線道岔控制器只能獲取有岔區段的占用、出清信息，軌旁無岔區段的占用、出清信息無法獲取，導致無法完全按照來自道岔控制器上報的占用、出清信息實現車次號跟蹤。

2.2 跟蹤方式不同

地鐵項目中，ATS 系統在正線根據列車上報的列車位置、狀態信息及聯鎖上報的占用、出清信息，在車輛段根據聯鎖上報的占用、出清信息分別實現車次號與軌道的關聯、車組號與軌道的關聯。并將車組號或車次號與對應的軌道在人機界面進行實時移動顯示。當前列車對應的軌道占用信息來自于正線或車輛段聯鎖系統[6]。

在有軌電車項目中，運營調度系統根據道岔控制器上報的軌道占用信息實現有岔區段車次號跟蹤，在無岔區段，根據列車上報的列車位置、狀態信息實現車次號跟蹤。在有岔、無岔邊界處實現占用跟蹤，并進行位置信息修正。

2.3 列車包絡獲取方式不同

在地鐵項目中，列車車載信號系統周期性上報列車位置、狀態信息給軌旁區域控制器（ZC）進行處理，ZC 根據列車位置、狀態信息計算出當前列車所在的包絡，并生成邏輯區段的占用、出清信息發送給聯鎖。ATS 系統根據聯鎖上報的邏輯區段占用信息更新界面顯示，調度員可以通過界面邏輯區段的占用顯示，獲知列車的位置信息及對應車次號的顯示[7]。

在有軌電車項目中，系統設計中無岔區段不布置計軸設備，聯鎖系統得不到來自計軸系統的物理占用，同時系統中不配置ZC。列車將位置、狀態信息直接發送給運營調度系統，運營調度系統沒有直接的邏輯區段占用、出清信息，需根據列車車頭、車尾的列車位置信息計算列車包絡，即列車車頭所在軌道、車尾所在軌道以及車頭、車尾之間軌道，并將列車包絡中的邏輯區段占用、出清信息在人機界面實時顯示[8]。

3 系統功能描述

3.1 電車定位

3.1.1 定位方式

有軌電車在正線區間通過電車上安裝的GPS/BD 設備、地面定位信標和車輛提供的速度信息確定電車在軌道線路網絡中的位置。車載控制器中配置有與運行線路相關的地理坐標數據庫，定位時融合處理接收到的GPS/BD 粗定位數據和信標檢測信息后，在人機操作界面上顯示電車位置，同時通過車-地無線通信通道將電車位置上報控制中心運營調度系統。

考慮到GPS/BD 的定位有一定的誤差，在車站、道岔和路口區域安裝定位信標， 可更精確地校正電車位置。在地下或一些無GPS 信號的地方由于無法采用GPS/BD 定位方式，需在出/入段線處安裝定位信標，采用信標加里程計方式定位電車位置。

3.1.2 位置信息標識

在線路網絡描述模型中，采用基于相連接的線路區段進行位置描述，定位信息標識如圖1 所示。對于一個線路區段，由以下一些參數來確定：

圖1 定位信息標識Fig.1 Positioning information identifier

1）線路區段的起始點；

2）線路區段的正常方向；

3）線路區段的長度。

車載控制器根據GPS/BD、定位信標等信息確定電車位置后，向運營調度系統發送每列電車的位置信息如下：電車車頭區段ID、電車車頭偏移量、電車車尾區段ID、電車車尾偏移量等。

3.1.3 電車位置確定

電車位置信息包括車頭和車尾的位置和方向。對于每個投入運營的車載控制器設備來說，電車定位包括兩個過程：一是電車定位初始化；二是電車運行過程中電車位置信息的更新。

在車載控制器設備完成初始化后，車載控制器子系統啟動電車的初始定位。電車的初始位置獲得有兩種途徑：一是電車在人工駕駛時經過兩個連續的地面信標；二是通過人工設置上/下行和方向使電車定位。

當采用信標加里程方式定位時，電車每經過一個地面信標就能接收到一個用于信標識別的編號報文。根據信標的識別號，車載控制器設備可以利用車載數據庫里的靜態線路信息對信標進行定位。

3.2 電車跟蹤方式

3.2.1 通信電車跟蹤

有軌電車系統中，通信電車在道岔區段、無岔區段采用不同的信息進行跟蹤，在無岔區段采用定位信標+里程計方式進行定位顯示；在有岔區段除采用定位+里程計方式外，還采用計軸精確檢測道岔區段的占用/出清狀態信息進行跟蹤。即：位置報告+占用/出清相結合的方式進行電車的跟蹤。

因此，車載控制器需要向運營調度系統周期性提供電車位置報告，具體信息包括：車頭所在區段編號、車頭所在位置對應區段的偏移量、車尾所在區段編號、車尾所在位置對應區段的偏移量、列車運行方向、車頭運行方向、車尾運行方向、車頭定位確定性、車尾位置確定性等信息，位置報告發送周期為1 s。系統根據電車位置信息的移動實時計算電車所在包絡，將當前電車包絡內的軌道設置為占用狀態，將電車已運行經過的軌道設置為出清狀態，同時將車次信息關聯到車頭所在的軌道。具體顯示如圖2 所示。

圖2 有軌車次號顯示Fig.2 Display of tram number

3.2.2 無通信電車跟蹤

有軌電車系統中，道岔控制器不提供無岔區段的占用、出清等信息。當電車丟失通信時，則該電車的位置顯示為系統在最后一次收到列車位置信息時所處的軌道位置；當電車恢復通信后，系統根據位置報告重新計算電車所在的包絡，并更新包絡內軌道為占用狀態，將電車已運行經過的軌道設置為出清狀態，并發送HMI 更新界面上元素狀態顯示。

針對丟失通信電車所處位置信息不同，系統進行不同情況處理，具體處理如下。

1）當電車丟失通信后前方計軸上報占用、出清信息后，采用基于計軸區段占用、出清的狀態進行步進；

2）列車丟失通信時，在車次框上顯示列車丟失通信狀態；

3）丟失通信電車完全占用道岔，道岔出清后，本道岔關聯的前后軌道為空閑狀態時，保留本道岔關聯的車次框。

電車丟失通信后，界面顯示電車跟蹤狀態如圖3 所示。

圖3 丟通信時車次號顯示Fig.3 Display of tram number when communication is interrupted

3.3 區段狀態顯示

3.3.1 無岔區段狀態顯示

無岔區段元素狀態（列車在無岔區段顯示位置，即占用軌道）無法從現場采集，運營調度系統根據周期性接收到的電車位置報告，需要運營調度系統根據列車車頭、車尾的列車位置信息計算列車包絡，即列車車頭所在軌道、車尾所在軌道以及車頭、車尾之間軌道。

若電車存在通信，根據車載控制器上報的車頭、車尾位置信息，判斷某列車顯示在某一軌道（可能是一個軌道，也可能是多個軌道），同時當列車駛出該軌道時應出清該軌道上列車占用顯示。將無岔區段元素狀態變化的信息發送給人機界面進行元素狀態顯示，如圖4 所示。

圖4 通信正常時軌道狀態顯示Fig.4 Display of track status when communication is normal

若電車丟失通信，將該電車設置為無通信電車，電車停在原位置，占用軌道顯示為無通信電車占用（即紫色），如圖5 所示。針對丟失通信的電車處理如下。

圖5 丟通信時軌道狀態顯示Fig.5 Display of track status when communication is interrupted

1）當有后續電車前進時，推動無通信電車前行；

2）用人工步進方式將無通信電車步進到指定位置；

3）丟失通信電車恢復通信后，根據最新的位置信息更新列車顯示。

3.3.2 道岔區段狀態顯示

運營調度系統根據道岔控制器上報的道岔及計軸的占用、出清、進路征用、鎖閉、道岔定/反位等信息進行狀態顯示。

同時根據接收到的道岔占用信息，采用標準跟蹤方式將列車車次信息步進到道岔。

4 系統設計

4.1 電列車包絡計算

電車包絡計算主要功能是獲取當前電車所在軌道區段，占用區段可能是一個軌道或者多個軌道。當系統接收到電車位置信息時，觸發電車包絡計算功能，與系統中保存的上一次的位置信息進行對比，通過兩次位置信息的變化更新電車包絡中所包含的軌道。具體處理過程如下。

1)根據接收到的位置信息，計算當前電車車頭、車尾所在的軌道frongtTrack 和rearTrack。

2) 根據電車索引獲取系統保存的當前電車車頭、車尾所在的軌道oldFrongtTrack 和oldRearTrack。

3)對實時接收的電車車頭、車尾所在位置信息與系統中保存的電車的車頭、車尾所在位置信息進行對比，獲取電車當前包絡軌道。

方法:在其背部相鄰部位分別劃出5個5 cm×5 cm方塊,試驗前,采集犬毛進行活菌計數,隨后試驗組和消毒劑對照組分別噴復合溶葡萄球菌酶溶液及苯扎溴銨溶液(1∶600稀釋),使之均勻分布于表面,10 min 后將犬毛剪下,放入含10 mL中和劑試管中,中和10 min后,振打均勻分析,培養48 h后活菌計數,觀察其對犬毛中攜帶的自然菌殺滅效果。

4）若前后兩次車頭、車尾對應的軌道信息相同，說明電車包絡信息未發生變化。

5）若當前電車車頭、車尾對應軌道與系統中電車車尾、車頭對應軌道一致，說明電車在當前位置發生換端，更新原包絡信息前后順序。

6）若當前電車車頭與車尾信息與系統保存的不一致時，根據線路拓撲結構，從系統中保存的車頭軌道，按照電車運行方向進行搜索，直至查詢到當前電車車頭所在的軌道，再按照運行方向搜索時，將搜索到的軌道設置為占用狀態；從系統中保存的車尾軌道，按照電車運行方向進行搜索，直至查詢到當前電車車尾所在的軌道，將搜索到的軌道設置為出清狀態。

7）根據步驟6）計算獲取電車實際的包絡信息及電車移動過程中導致的軌道占用、出清狀態的更新。

具體處理流程如圖6 所示。

圖6 電車包絡計算Fig.6 Calculation of tram profile

4.2 基于計軸區段的標準電車跟蹤步進

電車跟蹤對象是計軸區段，計軸區段占用/出清狀態變化會觸發電車跟蹤作業，列車跟蹤作業過程包含列車識別和列車步進，計軸區段變化過程如下。

一個計軸區段由“空閑”狀態變為“占用”狀態。通常這時一列電車的第一個輪對剛剛進入該計軸區段，即觸發列車跟蹤作用，將電車車次號關聯到當前占用的計軸區段。

一個計軸區段由“占用”狀態變為“空閑”狀態。通常這時一列電車的最后一個輪對剛剛出清該計軸區段，此時判斷“空閑”的計軸區段是否關聯電車車次號，若關聯車次號則將車次號關聯到當前電車占用的計軸區段。 顯示示例如圖7 所示。

圖7 站場Fig.7 Layout of stations and yards

1）計軸區段“占用”引起的車次號跟蹤，主要為確定電車來自于的源計軸區段。

2）計軸區段“空閑”引起的車次號跟蹤，主要為確定電車運行到的目標計軸區段。

針對圖3 中的列車移動，處理以下兩個事件。

1）計軸區段GD1102 占用事件

系統接收到計軸區段GD1102 占用后，查看其默認前置軌道VG1002A 的狀態和默認后置軌道VG1102 的狀態，根據計軸區段GD1102 和前后置的不同狀態識別電車來源。處理流程如圖8 所示。

圖8 計軸區段占用列車識別Fig.8 Identification of a train in an occupied axle-counting section

2）計軸區段GD1102 出清事件

系統接收到計軸區段GD1102 出清后，獲取計軸區段GD1102 關聯的車次號。若不關聯車次號，則不進行處理；若關聯車次號，查看其默認前置軌道VG1002A 的狀態和默認后置軌道VG1102 的狀態，根據前置、后置軌道的不同狀態識別電車運行到的目標軌道。處理流程如圖9 所示。

圖9 計軸區段出清步進Fig.9 Step-by-step check of the clearing of the axle-counting section

5 結束語

本文從信號系統差異、系統原理及系統設計等方面詳細介紹了一種有軌電車的電車跟蹤方法，實現有軌電車信號系統中基于位置信息及計軸區段狀態信息融合的電車車次號跟蹤，以及電車在無岔區段占用狀態的顯示。方便調度員第一時間掌握線路上運行電車、上線列車及下線列車的運行情況。作為一種有效的現有有軌電車跟蹤方法，已經在廣州、南京、嘉興等地有軌電車項目中成功應用，因此，適合于在有軌電車項目中進一步推廣。