軌道交通列車定位技術的選擇與比較

陳艷華

（西安鐵路職業技術學院交通運輸系，陜西西安710014）

軌道交通系統列車具有運行速度快，間隔較近，運行密度高等特點，因此，為了保證列車運行的高安全、高可靠性，需要設定許多技術參數，其中列車的物理位置信息是列車控制系統中重要參數之一。在軌道交通行車系統中列車定位是非常重要的技術。因此，這里詳細討論了軌道交通技術。

1 列車定位技術

獲得列車物理位置信息，即確定車輛在地球表面上的坐標，簡稱為列車定位。及時準確地獲取列車物理位置，才能確保列車安全有效運行。因此，通過列車定位，可以更加有效地提高行車的安全和效率，使行車調度與控制實現全新智能化模式成為可能[1]。因此列車定位應提供準確、實時的列車位置信息，并具有以下功能[2-3]。

1）能夠為列車控制系統隨時隨地提供準確的位置和實時速度信息，保證前后列車的安全間隔；

2）縮短前后追蹤列車的間隔時間，提高區間列車運行速度；

3）通過列車定位可獲得列車運行狀態的基礎信息，從而便于實現列控系統的車載及軌旁設備的故障分析；

4）依據列車超速防護子系統的速度—模式曲線，實現列車的定點停車及超速防護；

5）為列車安全運行提供關鍵的數據，從而使ATC系統功能實現成為可能。

2 列車定位的主要方法

2.1 軌道電路定位法[4]

傳統的軌道電路定位法是利用鐵路線路的2根鋼軌作為導體，兩端加以機械絕緣（或電氣絕緣），并接上送電和受電設備所構成的電路。軌道電路就是檢測軌道區段是否有列車占用，來實現列車的定位。目前廣泛采用S型連接棒音頻無絕緣軌道電路，即采用電氣絕緣實現區段的劃分實現列車定位。

2.2 地面應答器法[5]

地面應答器也稱為信標，地面應答器與車載應答器，軌旁電子單元配合使用來實現列車定位。地面應答器主要分為有源和無源2種。應答器安裝在站內或每個軌道分區等軌道沿線，應答器無需與任何設備相連，其內部寄存器的數據已固定。當列車通過時，地面應答器與車載的相應設備對準，車載設備以電磁感應的原理以一定的頻率傳遞給地面應答器相應信號，應答器接收到車載設備傳送的信號后開始工作，通常利用移頻鍵控方式將列車當前的絕對點物理位置信息回傳至列車。車載設備會使列車定位信息再次刷新，得到新的列車位置起點。

2.3 交叉電纜回線定位法[6]

交叉電纜回線定位是使用電纜按一定間隔繞制成一個環路設于軌道上。其設備的布置方式：在2根基本軌之間鋪設交叉電纜回線，一條線安裝在基本軌間的到床上，另一條線安裝在鋼軌的頸部底端，兩條線每隔相應距離作一次交叉。當列車通過每一個電纜交叉點時，車載設備感應接收到交叉電纜回線提供的相應信號變化信息，并由車載計算機進行處理，從而確定列車的物理坐標信息，使車載設備對列車位置信息刷新。

2.4 測速定位法[7-8]

測速定位法是先測得列車運行的即時速度，對其進行積分即得列車運行距離，從而實現列車的定位。目前測速的方法很多,一類是利用輪軸旋轉信息的測速方法,具體主要為測速電機和脈沖轉速傳感器方式；另一類是利用無線通信方法,直接測出列車運行的速度,具體包括多普勒雷達測速、GPS測速定位和無線擴頻定位。

除以上述定位方法外，軌道交通中還應用其他一些定位技術，例如：計軸器定位、慣性列車定位系統定位、航位推算系統定位、地圖匹配定位、裂縫波導定位、無線移動通信技術定位等。

3 列車定位技術的選擇與比較

3.1 閉塞制式的分析[9]

軌道交通列車運行控制系統采用3種閉塞制式：固定閉塞，準移動閉塞和移動閉塞。在軌道交通中，不同的閉塞制式對于列車定位技術的采用是有取舍的。

1）軌道電路定位法無法確定列車在閉塞分區內的具體位置，因此列車實施制動的起點和終點總在分區的邊界，在確保安全的前提下，需設防護區段，加大了列車間的間隔，使區間通過能力的提高受到限制。該定位法定位的精度較低，無法構成移動閉塞。

2）地面應答器法也是較典型的準移動閉塞定位技術。

3）交叉電纜回線定位法可以實現移動閉塞，是目前行業內比較先進的控制技術。

4）利用測速原理的無線擴頻定位技術也可實現移動閉塞。該方式的定位原理與輪軸測速不同，是利用電臺間相互傳輸信號實現定位。

3.2 設備投資成本分析[10-11]

1）軌道電路定位法由于可以利用現有設備不需要再投資，因而費用較低，而且該方法即可實現列車定位，也可以檢測線路是否完好，能實現故障—安全原則。

2）GPS定位法的設備投資也較小。只要在列車兩端安裝GPS接收機和差分誤差信息接收器，接收器導航定位衛星發送來的信息，通過測量衛星信號發射與接收的時間差，得到衛星至地面的距離，就可確定列車的坐標位置。

3）交叉電纜回線定位法實現時只需在線間鋪設電纜環線，因此成本較低。

4）無線擴頻定位技術由于設備相對復雜，需要在區段沿線設置用于測距的專用擴頻基站和中心控制站，投資成本較高。

5）利用設置地面信標，可以消除測速設備帶來的累計誤差，通過地面信標與測速設備配合實現定位，投資相對較小。

3.3 維護費用分析

1）軌道電路法在實現列車定位功能時，由于存在送電和受電設備，因而軌旁設備數量較大，維護工作量也相應較大。

2）GPS定位法實現列車定位時，不設地面設備，只需在車列上安裝接收機即可，因此大量的安裝及維護費用得到節約。

3）地面應答器定位法由于設備簡單，維護及運行費用也較低。

3.4 抗干擾性能分析

1）軌道電路定位法因為軌道電路的工作條件和設備的特殊性，使其抗干擾性較差。軌道電路易受振動、天氣、環境和車輛輪對潔凈程度的影響,比如雨天、下雪天會導致軌道電路分路不良。牽引電流和道砟阻抗變化等因素也會對其造成干擾。

2）GPS衛星定位也易受到障礙物干擾，在軌道線路周圍阻擋物較多的地方易形成盲區，惡劣的天氣對其性能影響也較大，使定位精度下降，另外該方式又受制于衛星和空間站的設備性能情況。

3）交叉電纜回線定位法利用極性交叉的原理實現，因此可以抗牽引電流的干擾。

4）地面應答器法抗干擾性也較強，能適應惡劣氣候條件，可以在任何環境、地點，甚至GPS無法實現定位的位置，都可以可靠工作。

5）無線擴頻定位法由于為獨立系統，不易受其他因素干擾，因此定位比較精確。

3.5 定位精度分析[12]

1）軌道電路法只能實現分區內的邊界定位，因此定位精度不高，為了實現較精確的定位，可以與測速設備配合使用。計軸器定位法與軌道電路法相近，定位精度也不高，通常也需與測速裝置相結合實現列車定位。

2）地面應答器法是點式定位，相對附近區域定位精度較高。但如果實現各連續點的定位，則必須縮小應答器設置的間距，加大應答器的設置數量提高定位的精度。

3）GPS衛星定位屬于相對運動狀態下工作，定位的精度則受到限制，但只要GPS信號可用，就可以提供列車的絕對位置信息，即使是在較遠的距離利用其載波相位進行定位，精度也會較高，時間的積累不影響誤差值。使用差分定位方法，定位精度可以達到3 m左右。

4）交叉電纜回線定位累計誤差較大，定位精度與交叉區長度設置形成一對矛盾，因此提高定位精度難度較大。

5）在通過測速定位的方法中，無線擴頻定位技術定位比較精確，對列車定位的精度可達5 m范圍內的誤差，信息傳輸的時間間隔也較小，具有在較差的電磁條件下可靠傳輸數據的能力。而測量車輪轉速定位法因車輪磨損導致的累計誤差較大，因而在定位精度要求不高的情況，可以用增加地面信標的方法補償校正。

除從以上方面進行比較外，還可以從以下方面進行比較：

1）采集定位信息是否連續，定位信息的特點分為：點式信息和連續式信息，其中地面應答器采集的就是點式信息，GPS列車定位的信息則是連續的。

2）定位設備的安裝位置可分為軌旁定位和車載定位2種。軌旁定位方式目前主要有軌道電路法、計軸器法、查詢應答器法、交叉感應回線法、無線擴頻法等；車載定位方式主要有是在輪軸上安裝里程儀或者脈沖轉速傳感器實現列車的定位。

3）與軌道是否接觸[13-14]，由于軌道交通運營模式存在車體運行中與軌道是否接觸的區別，在定位技術上也有差別。與輪軌交通方式對比分析，磁懸浮交通對列車定位提出了特殊的要求。其中車輪轉速方法定位無法實現，只能用無線方式。由于磁懸浮列車速度較高，則對定位的相關參數要求更高。目前磁懸浮列車定位的方法主要有：交叉電纜回線定位、傳感器定位、微波定位。

4）定位技術實現的難易程度，定位方法中交叉電纜回線定位法實現比較簡單。

5）線路是否封閉[15]，如果軌道交通線路是封閉的，那么列控系統要求定位信息必須是絕對位置信息，才能滿足控制要求。

4 結束語

為了使信號系統中的列控中心和車載本身確定列車的當前位置，以及向旅客提供向導信息，獲得列車當前的物理位置是非常必要的。定位信息的準確度直接影響列車運行的安全。隨著通信和計算機技術的發展，出現了很多新型定位技術并已運用，例如：基于絕對位置編碼的絕對定位方法，其定位精度、可靠性、抗干擾性均較高，并且成本較低。還有利用無線傳感器實現定位、低頻射頻識別無源標簽定位等。

在列車定位技術的選擇與比較中不難發現，只利用一種定位方法很難在定位精度、成本、可靠性等方面得到均衡，而且從故障—安全方面考慮，也不能保證系統的安全可靠性。因此，目前在列車運行控制系統中定位往往是綜合運用，將多種方法融合，互補，使之能滿足列車運行控制系統安全運行要求。

[1]劉曉娟，張雁鵬，湯自安.城市軌道交通智能控制系統[M].北京：中國鐵道出版社，2008：46-48.

[2]劉進，吳汶麟.軌道交通列車定位技術[J].城市軌道交通研究，2001，4（1）：30-34.

LIU Jin，WU Wen-lin.Train positioning technology of railway and mass transit[J].Urban Mass Transit，2001，4（1）：30-34.

[3]田學薇，劉曉娟.全自動無人駕駛軌道交通列車定位技術[J].城市軌道交通研究,2007（12）：52-53.

TIAN Xue-wei，LIU Xiao-juan.Train position technique in FAO of rail transit[J].Urban Mass Transit,2007（12）：52-53.

[4]林瑜筠.城市軌道交通信號設備[M].北京：中國鐵道出版社，2006：9.

[5]吳汶麟.國外鐵路信號新技術[M].北京：中國鐵道出版社，2000：96-98.

[6]蔡愛華，季錦章.地鐵信號系統的現狀及發展趨勢[J].電子工程師，2000（5）：1-3.

CAI Ai-hua，JI Jin-zhang.Nowadays situation and development tendenly of mass transit signaling system[J].Electronic Engineering，2000（5）：1-3.

[7]劉進,吳汶麟.基于擴頻技術的列車定位[J].交通運輸工程學報，2001，1（4）：26-28.

LIU Jin,WU Wen-lin.The spread spectrum technology based on train location[J].Journal of Traffic and Transportation Engineering，2001，1（4）：26-28.

[8]劉蓓，張雯，文武臣.基于無線擴頻的列車定位方法[J].重慶工學院學報：自然科學，2008，22（12）：6-8.

LIU Bei，ZHANG Wen，WEN Wu-chen.Research of train positioning technologies based on radio spread spectrum Wireless spread spectrum-based train positioning method[J].Journal of Chongqing Institute of Technology：Natural Science Edition，2008，22（12）：6-8.

[9]陳新，周俊，林必毅.地鐵列車定位技術的研究[J].微計算機信息,2009，25（24）：117-118.

CHEN Xin，ZHOU Jun，LIN Bi-yi.MTR train positioning technology research[J].Control&Automation，2009，25（24）：117-118.

[10]孫有望，李云清.城市軌道交通概論[M].北京：中國鐵道出版社，2003：130.

[11]陳曉乾，王劍，蔡伯根，等.GPS在列車完整性檢查中的應用研究[J].北京交通大學學報，2006，30（4）：69-70.

CHEN Xiao-qian，WANG Jian，CAI Bo-gen，et al.Reasearch of GPS application in train integrity monitoring[J].Journal of Beijing Jiaotong University，2006，30（4）：69-70.

[12]孫林祥，房堅.城市軌道交通的列車定位技術[J].電子工程師，2002，5（7）：27-29.

SUN Lin-xiang，FANG Jian.The technique of train position determination in mass transit[J].Electronic Engineering，2002，5（7）：27-29.

[13]周文武，龍志強，常文森.磁懸浮列車測速定位系統的設計與實現[J].電子技術應用，2002,28（6）：39-40.

ZHOU Wen-wu，LONG Zhi-qiang.Design and implementation of Maglev train speed and position system[J].Application of Electronic Technique，2002，28（6）：39-40.

[14]吳汶麟.高速磁懸浮交通的運行安全與指揮系統[R].上海：鐵路通信信號工程科技信息中心，2000.

[15]邱成，朱衡君.城市軌道交通封閉曲線線路列車定位技術[J].中國鐵道科學，2007，28（2）：86-88.

QIU Cheng，ZHU Heng-jun.Train positioning technology for the closed-loop track railway in urban mass transit technology[J].China Railway Science，2007，28（2）：86-88.