CBTC列車控制系統定位技術

周留運

(天津軌道交通集團有限公司 天津 300384)

隨著無線通信技術的發展，軌道交通列車控制系統正從傳統的固定閉塞方式向移動閉塞方式轉變。目前，基于無線通信的列車控制系統(Communication-based Train Control，CBTC)已成為軌道交通行業主流的列車控制技術并被廣泛使用。CBTC在列車控制精度上有了質的提升，并具有較高的安全性和可靠性。本文以天津地鐵3號線列車控制系統為例，對移動閉塞列車控制系統定位技術進行了介紹。

1 CBTC列車控制系統的構成

基于無線通信的移動閉塞列車控制系統包括列車自動監控子系統(ATS)、列車自動防護子系統(ATP)、列車自動運行子系統(ATO)、聯鎖子系統、數據傳輸子系統(DTS)和車-地通信子系統(TWC)等。通過以上子系統實現列車進路控制、列車安全防護和列車運行自動控制等功能。

2 用于列車定位的主要設備

2.1 信標和信標讀取器

信標和信標讀取器屬于查詢應答裝置，是利用無線感應原理實現車-地通信的一種數據傳輸裝置。信標安裝于兩根走行軌之間(見圖1)，信標內存儲了線路地理位置信息和其他線路參數。信標讀取器安裝在列車的下方，列車通過信標上方時，向每個信標傳送 2.4,GHz的無線電載波頻率，并接收信標返回的調制信息。

圖1 信標設置示意圖Fig.1 Schematic diagram of beacon setting

信標讀取器通過沿線信標可以獲取列車的精確位置信息，該位置對應于車輛物理地圖上的1個點。信標讀取器對每個來自信標數據的準確性進行驗證，然后通過通信接口將數據傳送到車載ATP通道中，車載ATP處理器對該數據進行處理，確定列車的準確位置。

2.2 測速電機

測速電機是一個脈沖轉速傳感器，通過測量車輪轉速測定列車運行速度和距離。每個測速電機上均有兩個通道，可以發出兩組脈沖流，脈沖相位呈 90,°。每套車載列車自動控制系統設備均備有兩個測速電機，分別安裝在單獨的非動力車軸上。

2.3 多普勒雷達

多普勒雷達安裝于車底(見圖 2)，應用了多普勒原理，通過測量發送頻率和接收的反射頻率之間的差異來計算列車速度和距離值。雷達的測算結果完全不受列車空轉和滑行的影響。多普勒雷達有2個天線，可以為速度測量提供冗余的信號通道。多普勒雷達輸出的是一種脈沖流，其頻率與已測量的列車速度成比。多普勒雷達用于準確讀取5,km/h以上的速度。

圖2 多普勒雷達位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the position of a Doppler radar

3 列車定位

3.1 定位原理

列車位置和方向的確定是通過車載 ATP實現的。車載ATP通過安裝在列車上的測速電機、多普勒雷達、信標讀取器等傳感器計算列車運行方向、速度和走行距離，以此來確定列車位置。測速電機和多普勒雷達共同實現車速的精確檢測，克服列車打滑和空轉的影響。信標讀取器接收沿軌道分布的信標中所含的地理位置信息，提供列車位置精確校正功能并輔助補償列車輪徑誤差。

車載列車控制系統設置有線路數據庫，用于表示系統物理地圖，列車每遇到1個信標，ATP就會根據該信標驗證位置坐標是否在當前計算的列車地理位置的位置誤差范圍之內，然后更新車輛位置并重新設定位置誤差。如果信標坐標在當前計算的位置之外、信標的坐標編程不正確或者軌道線路的數據庫中不存在該坐標，ATP將實施緊急制動。

3.2 定位過程

列車定位信息處理過程(見圖3)具體包括3個步驟：①系統通過處理測速電機和多普勒雷達的輸出信息，生成行駛距離(位移)、速度和方向的精確數據。線路曲線半徑過小可能會導致測速電機產生一個較小的位移誤差。為解決這一問題，ATP在列車運行的整個距離上確定累計誤差范圍。②為了防止定位誤差累計過大，沿線路設置的每個信標都有 1個唯一的編號并帶有特定的位置信息。系統通過信標讀取器識別信標，從而校正自身的位置。當遇到信標時，在更新車載位置和重新設置位置誤差之前，ATP會檢查信標的位置坐標是否在當前計算的車載位置誤差范圍之內。此外，當列車經過信標標記時，ATP將自動校準輪徑值，消除人為輸入車輪直徑所產生的誤差。③車載列車控制系統從上一個信標位置計算列車位移和位置誤差。通過加上每一側的列車長度和列車每一段的位置誤差，確定列車的精確位置。

圖3 列車定位處理過程Fig.3 Treating process of train positioning

4 結 語

列車定位是列車自動控制技術的核心，CBTC在實現列車自動控制過程中，就根據每列車的位置信息，對線路上運行的列車發送移動授權，保證列車之間的安全間隔。由于在列車定位過程中要通過測速電機、多普勒雷達和信標等多種設備，并將這些信息傳送到列車控制系統進行信息處理，在定位過程中對各設備的可靠度要求較高，任何一種設備故障都會導致定位失敗而觸發緊急制動。今后，列車定位技術的發展一方面需要提高設備的可靠性，另一方面也需要開發更先進的位置檢測技術，以實現更加可靠的列車定位。■

［1］GB 50517-2013 地鐵設計規范[S].2013.

［2］GB/T 12758-2004 城市軌道交通信號系統通用技術條件[S].2004.

［3］吳汶麟.城市軌道交通信號與通信系統[M].北京：中國鐵道出版社，2003.