基于通信的列車控制模式下的列車定位新技術

劉 鋒

(深圳地鐵3號線投資有限公司，518000，深圳∥工程師)

列車測速定位在列車運行控制系統中有著非常重要的地位:列車定位方法的精度和可靠性是影響列車安全防護距離的重要因素之一，關系到列車的運行間隔，影響軌道交通系統的運營效率;列車定位方法的機理和采用的傳感器是影響列車運行控制系統制式的一個重要因素，關系到可采用的閉塞制式，影響到列車運行控制系統的兼容性和生命周期費用。所以列車運行控制系統的性能與列車定位子系統密不可分。在軌道交通行車安全和指揮系統中，實時、準確地獲得列車速度和位置信息是列車安全、高效運行的保障，對列車測速定位方法的深入研究，對于推動列車運行控制系統的研究和軌道交通系統的發展具有重大意義。

1 列車定位技術及其發展歷程

列車測速定位系統是利用傳感器技術來獲得列車的運行速度和位置信息。當列車在某段線路上正常運行時，由于軌道對列車運行的導向和約束作用，列車的軌跡可被認為是唯一的。因此，傳統的利用傳感器進行列車定位的方法是把曲線段視為直線段，將列車的定位問題變化為對線路的長度測量問題。

固定閉塞技術中采用軌道電路作為檢測列車位置的基本手段。美國人魯賓遜1870年發明了開路式軌道電路，從此誕生了自動化的列車定位技術。其列車定位原理是將線路劃分為多個固定的軌道區段，利用列車車軸短路軌道電路使軌道繼電器失磁落下或勵磁吸起(開路式軌道電路)來給出這一區段的列車占用信息。傳統的固定閉塞制式下，系統無法知道列車在區段內的具體位置，因此列車制動的起點和終點總在某一區段的邊界。為充分保證安全，必須在兩列車間增加一個防護區段，這使得列車間的安全間隔較大，影響了線路的使用效率。

準移動閉塞在控制列車的安全間隔技術上比固定閉塞進了一步。它通過采用報文式軌道電路輔之環線或應答器來判斷分區占用并傳輸信息，信息量大，可以告知后續列車繼續前行的距離;后續列車可根據這一距離合理地采取減速或制動。準移動閉塞制式下，列車制動的起點可延伸至保證其安全制動的地點，從而可改善列車速度控制，縮小列車安全間隔，提高線路利用效率。但準移動閉塞中后續列車的最大目標制動點仍必須在先行列車占用分區的外方，因此它并沒有完全突破軌道電路的限制。

基于WLAN無線通信的移動閉塞是一種采用先進的通信和計算機技術，連續控制、監測列車運行的控制方式。其列車定位技術大多采用交叉感應環線、信標、測速電機、多普勒雷達和信標讀取器等技術，擺脫了用軌道電路判別閉塞分區占用情況，突破了固定及準移動閉塞的局限性，實現了對列車位置的精確定位，較以往系統具有更大的技術優越性和先進性，代表著目前世界上列車定位技術的發展趨勢。

2 列車定位技術現狀分析

隨著工程技術的發展，人們提出了多種列車定位技術，如軌道電路、里程計、查詢/應答器、測速儀、衛星系統、無線通信、感應回線等，目前常用的有以下幾種。

(1)基于軌道電路的列車定位:將鋼軌分成不同的區段，在每個區段的始端和終端加上發送、接收器件，構成一個信息傳輸回路。當列車進入區段時，輪對將兩根鋼軌短路，信息不能到達接收端，接收端繼電器失磁落下，達到列車定位的目的。軌道電路定位方式的優點是經濟、方便、可靠性高，既可以實現列車定位，又可以檢測軌道的完好情況。其缺點是定位精度取決于軌道電路的長度，不精確，無法構成移動閉塞。

(2)基于查詢/應答器的列車定位:是世界鐵路上運用最為廣泛的一種方式，一般由車載查詢器、地面應答器和軌旁電子單元組成。應答器以一定間隔距離設置在鐵路沿線上，列車每經過一個地面應答器，車載查詢器就會讀取存儲在其上的數據信息，實現列車的點式定位。查詢/應答器定位方式的優點是地面應答器安裝地點的定位精度較高，在復雜道路上可以正確區分列車的行駛股道，維修費用低、使用壽命長且能在惡劣條件下穩定工作。其缺點是只能給出點式定位信息，存在設置間距和投資規模的矛盾。一般采用混合定位法，即用輪軸編碼器累加測距，以查詢/應答器糾正累計。在輪徑變化、打滑或空轉時，累計誤差可能很大，臨近前方應答器時，累計誤差達到最大。

(3)基于測速的列車定位:由于軌道線路是一維的，只要檢測出列車的行駛速度，經過計算得出行駛里程，就可以確定列車在軌道線路上的具體位置。列車的行駛速度可采用速度傳感器(陀螺儀)測量列車在三維空間的加速度，然后通過積分計算獲得，也可通過多普勒雷達測速方式測量。基于測速的列車定位是一種典型的增量式相對定位，存在累計誤差。在定位精度要求較高的地點，可以通過加標志位(如查詢應答器)的方法不斷校正其位置信息。

(4)基于無線通信的列車定位:在列車上和軌道沿線設置擴頻無線電設備，利用先進的無線擴頻通信、偽碼和計算機信息處理技術，實現對列車的實時定位、跟蹤。無線擴頻列車定位的優點是定位比較精確，但需要在沿線設置專用擴頻基站，投資成本較高。利用GSM(全球移動通信系統)數字蜂窩網、CDMA(碼分多址通信)等地面通信網也可以實現列車的定位，主要包括基于信號到達時間或時間差、基于信號到達角度、基于接收信號以及混合定位等基本方式。該技術充分利用了現有的通信系統，系統建設和運營維護成本較低;但目前尚不成熟，定位精度不高，定位誤差為幾十米到幾百米，不能滿足列車控制對定位精度的要求。

(5)基于感應回線的列車定位:在軌道線路上鋪設等距交叉的電纜，當列車經過每個電纜交叉點時，車載設備檢測到回線內信號的極性變化，并對極性變化的次數進行計數，從而確定列車經過的距離，達到列車定位的目的。交叉感應回線定位方式成本較低，實現也比較簡單，但只能實現列車的相對定位，每隔一段距離要對列車的位置進行修正，而且定位精度受交叉區長度的影響。如果交叉區比較窄，位置脈沖漏計的可能性增大。

除上述常用的列車定位技術外，科技工作者在新型列車定位方法研究方面做出了不懈的努力，提出了一些各具特色的定位方法。例如，利用接觸網定位器進行列車定位，通過電渦流傳感器檢測線路沿線由鋼軌扣件和道岔產生的非特性隨機信號進行列車的測速和定位。

3 城市軌道交通運行環境分析

城市軌道交通有著自己的特點:

(1)由于城市土地資源緊張，一般的城市軌道交通都是地下鐵道，列車運行于地下一定的深度，地面上的電磁波無法直接傳播到地鐵中，列車無法接收到GPS(全球定位系統)等的衛星信號，所以在城市軌道交通中，GPS等定位技術己無用武之地。

(2)城市軌道交通中列車的運行路線比較固定，而且比較簡單，可看作是一維的，故只要測量出列車運行的距離就可以確定列車的位置。

(3)城市軌道交通的列車速度不是很高，一般為80 km/h。但城市軌道交通中CBTC系統的應用和發展，移動自動閉塞的實現，使列車之間的追蹤間隔越來越小，一般能到90 s，未來會更小，測速定位的實時性和精度就顯得更加重要。

(4)城市軌道交通的路面情況雖然沒有鐵路復雜，但也有很多的不確定因素，對雷達測速有一定的隨機干擾(白色和有色噪聲)。城市軌道交通與鐵路一樣存在輪對空轉和滑行等情況，輪軸測速傳感器測速也因此受到影響。加速度由于列車的振動等也會有測量誤差。

4 基于多傳感器信息融合的列車測速定位新技術

4.1 多傳感器信息融合結構分析

多級式融合結構的各局部節點可以同時或分別是集中式、分布式、或混合式融合中心。它們將接收和處理來自多個傳感器的數據或來自多個融合節點的狀態估計，而系統的融合中心要再次對各局部融合節點傳送來的狀態估計進行融合。也就是說，列車的狀態估計要經過多達兩級以上的狀態融合處理。如圖1所示，局部融合節點1的融合對象是輪軸速度傳感器和加速度計，而局部融合節點2的融合對象是多普勒雷達速度傳感器和加速度計;加速度計在這里有兩個用途，首先是用于輪軸速度傳感器的空轉滑行檢測和處理，另外也作為數據融合的其中一個對象。

由于輪軸速度傳感器和多普勒雷達速度傳感器的測速原理不同，它們的誤差來源也有很大的區別，采用這兩種傳感器能有效地進行優勢互補。加速度計與這兩種傳感器的差別更大，上述兩種傳感器測量的是列車速度分量，而加速度計測量的是列車加速度分量，其隨機誤差主要是其固有測量誤差和列車振動引起的測量誤差，不受軌道狀況的影響，所以加速度計與上述兩種傳感器進行信息融合能進一步提高測速定位的精度。

圖1 多級式多傳感器融合結構

4.2 測速定位系統的算法模型分析

信息融合的結構方案關系到測速定位系統的性能，對列車狀態估計的精度和實時性有很大的影響。但如果沒有好的處理算法，再好的融合結構也無從發揮。

應用于隨機系統的Kalman濾波理論在航空、航天、工業過程控制等領域得到了非常廣泛的應用。它建立在精確的數學模型基礎之上，并假設噪聲輸入為嚴格的高斯過程或高斯序列。然而實際問題常常不能滿足這些條件，導致濾波發散。基于魯棒H∞濾波融合的測速定位方法與基于Kalman濾波融合的測速定位方法很相似，但H∞濾波對干擾信號的頻譜特性不需做任何假設，過程和測量噪聲可以是具有有界能量的任意信號(見圖2)，這與 Kalman濾波剛好相反。Kalman濾波融合算法估計精度較高，但需要對干擾信號有準確的數學描述，魯棒性不強;H∞濾波融合算法估計精度沒有Kalman濾波融合算法高，但其不需要對干擾信號作任何假設，有較高 的魯棒性。

圖2 基于多級H∞濾波的多傳感器信息融合列車測速定位方法

4.3 基于多級H∞濾波的多傳感器信息融合列車測速定位系統原理結構

測速定位系統的結構如圖3所示。其硬件設備主要包括輪軸速度傳感器、多普勒雷達、加速計、查詢應答器、測速板和計算機等。測速板是為了保證數據采集的同步設計的。測速板上設計了需要的各種接口，其功能是:①實時采集各種傳感器的測量信息，并對數據進行簡單的預處理，如速度計算、數據幀分析、應答器報文分析等，同時對各個傳感器進行簡單的工作狀態檢測;②把處理好的信息通過以太網傳輸到計算機。計算機進行濾波融合計算，得到較高精度和較高可靠性的測速定位估計，送到列車控制系統。為了提高系統的可靠性，利用設備供應商提供的軟件，計算機可對多普勒雷達、加速計和應答器的數據進行單獨的分析，以增加信息的冗余，也能更好地檢測設備的工作狀態。

綜上所述，基于多級H∞濾波的多傳感器信息融合列車測速定位系統，把輪軸速度傳感器、多普勒雷達、加速度計和查詢應答器等結合起來進行多傳感器信息融合，能有效進行優勢互補。同時，它采用了適于城市軌道交通的基于聯合H∞濾波融合的測速定位算法，并針對各個傳感器測速定位的特點進行了相應的處理，如測速輪對的名義輪徑的修正、多普勒雷達速度傳感器的速度系數的調整等，達到了較高的列車定位精度和可靠性。

圖3 基于多級H∞濾波的多傳感器信息融合列車測速定位系統結構

5 基于漏泄同軸光纜的列車定位新技術

目前，世界上只有日本的高速列車區段采用漏泄同軸實現車地通信。日本所采用的漏泄同軸輻射槽是“八”字形的，其耦合損耗波動高達20 dB。同時，由于在漏纜中沒有光纖束管，不能構成光電轉換穩定的寬帶車地通信系統，故整個系統的使用帶寬不到1 MHz，不能傳遞高速列車準確定位和實時追蹤的信息。此外，其車載的發射和接收天線都是開放式天線，車載的發射系統將對外界產生電磁場干擾，車載接收系統也很容易受到外界電磁波的干擾。車地通信系統關系到行車安全，如受到外界干擾，將增加誤碼，甚至使行車指令產生錯誤，危及行車安全。

5.1 雙鋼絲加強內導體E形開槽外導體漏泄同軸光纜

該漏泄同軸光纜由聚乙烯或其它塑料擠塑形成塑料空管，在塑料空管的兩側含有兩根加強鋼絲。兩根加強鋼絲與塑料空管中心在同一平面上。這種含有兩根加強鋼絲的塑料空管是內導體的機械強度支撐體。在擠塑過程中，在含有兩根加強鋼絲的塑料空管中縱向放置具有充油的光纖束管(充油束管中的光纖數由系統需求確定)。該充油光纖束管是車－地通信的光傳輸媒質，可以構成光電轉換高質量的車－地通信系統。由于內導體是由0.05 mm左右的銅塑復合帶所組成，所以可節省大量的銅，使漏纜的價格下降。這種新型內導體的大小尺寸由漏泄同軸的結構尺寸所決定。在內導體上有相應厚度的物理發泡聚乙烯絕緣層。寬度大于物理發泡聚乙烯絕緣層、橫截面周長5～7 mm、厚0.1 mm的銅帶上，周期性軋制正反E字形輻射槽。將軋有周期性正反E字形輻射槽的銅帶縱包在物理發泡聚乙烯絕緣層上，形成漏泄同軸外導體。在漏泄同軸外導體上擠塑2.5 mm厚的聚乙烯護層，就制成了雙鋼絲加強內導體E形開槽外導體漏泄同軸光纜。

5.2 漏泄同軸電纜車載天線

漏泄同軸電纜制成的車載天線利用外導體縱向長槽漏泄同軸的nλ/4(n為奇數，λ為車載發送天線或接收天線的電磁波波長)的短路線作為車載系統的發射和接收天線。截取nλ/4長度的漏泄同軸電纜，并將其終端內導體和外導體用直徑與縱向長槽漏泄同軸外導體直徑一致的銅片密封短路，始端內外導體分別接饋線的內外導體，即制成縱向長槽漏泄同軸車載天線。這種天線與漏泄同軸間的耦合性能穩定可靠，使車載天線接收系統對外來電磁波干擾具有很高的防衛度，車載發射天線系統場強隨距離增加而迅速衰減。

5.3 光電變換發送接收模塊

光電變換發送接收模塊示意如圖4所示。光電變換發送接收模塊中的功率分配器分別接在兩根長度為500 m(或1 000 m)的漏泄同軸光纜的端頭;這兩根漏泄同軸光纜的另一端接有該漏泄同軸光纜的特性阻抗。漏泄同軸光纜中的兩根光纖在整個線上是連通的，其中一根在光電變換發送接收結構中有光的分波器，分下λi(i=1，2，…，n)的波長，λi的光信號經光電變換為發送的電信號，放大后進入功率分配器，再連接到左右兩根漏泄同軸光纜的內外導體。

光電變換發送接收模塊利用了漏泄同軸光纜中的光纖束構成了光電變換發送接收結構。結構中含有光纖的合波和分波器、光的調制器和探測器、大功率高頻放大器、電的濾波器和功率分配器。采用500～900 MHz范圍內的頻率，也可采用 400～450 MHz的頻率。

圖4 光電變換發送接受模塊示意圖

光電變換發送接收模塊中功率分配器與左右兩根漏泄同軸光纜的連接點、兩根漏泄同軸光纜終端特性阻抗的連接點就是準確位置標定點。

5.4 列車定位和指揮系統終端

列車定位系統結構示意圖如圖5所示。其中，車載數字信息處理系統包括濾波器、QPSK(四相相移鍵控信號)調制系統、高頻寬帶的放大器、高速數據處理終端、根據軌道曲率半徑和路基情況制定的三維電子地圖、車載發射和接收天線、執行列車定位和指揮系統終端下達的行車指令的執行結構等;列車定位和指揮系統的終端含有光纖發射和接收模塊、電的濾波器、QPSK電的調制系統、高頻寬帶電的放大器、高速數據處理終端、根據軌道曲率半徑和路基情況制定的電子地圖、最優化行車運行圖的決策結構和行車指令發出系統。

列車定位和指揮系統的終端發出的行車指令由漏泄同軸輻射到車載天線，列車可無誤碼地接收到終端所發出的行車指令。第二根光纖在光電變換發送接收結構中有λi的合波器，從漏泄同軸經波長分配器接收的機車信號，經光電變換為光信號，再經合波器傳至列車定位和指揮系統的終端，這樣列車定位和指揮系統的終端就可以接收到整個行車調度區段所有機車發出的信息。

圖5 基于漏泄同軸電纜的列車定位系統結構示意圖

光電變換發送接收模塊結構中的功率分配器與左右兩根漏泄同軸光纜相連。兩根漏泄同軸光纜的間隔約0.2 m，兩根同軸特性阻抗連接處的間隔也是0.2 m，車載天線在經過0.2 m時收到的是“位置標定信號”。這個“位置標定信號”就是準確定位定標信號。列車準確定位和實時追蹤系統采用QPSK調制，傳輸速率達4 Mbik/s，每隔20 ms發送一組列車信息，且每組信息重復發10次，所以“位置標定信號”不會影響列車信息傳輸的正確性。這種車－地信息通信的誤碼率遠小于10－6。

車載天線的接收系統在λi的位置上收到“位置標定信號”，這時車載計算機的電子地圖上將明確標出該車所在的準確位置，還可精確計算出列車的實際運行速度和加速度。這樣，列車定位和指揮系統的終端接收到每趟列車發出的實時信息，就可在三維電子地圖上實時顯示出整個調度區間內每趟列車所在的準確標定位置、運行速度和加速度。計算機根據該電子地圖內存數據和實時接收到的各列車的信息，可迅速計算出最佳列車運行圖，并向各趟列車發出相應的行車指令。列車接收到行車指令后，按指令操縱列車加速、減速甚至剎車。

綜上所述，基于E型開槽漏泄同軸光電纜的列車定位技術，對原有漏泄同軸電纜進行技術改造，并設計了與之配套的車載漏泄同軸天線、光電纜轉換發送接收系統和列車定位指揮終端，使之適用于軌道交通中高速列車的車－地通信和列車定位系統，有利于提高車－地通信的可靠性，簡化列車定位系統設置，提高列車定位精度。

6 結語

基于多級H∞濾波的多傳感器信息融合列車測速定位技術，引入了多級融合和H∞濾波融合算法相結合的新技術，有助于解決現階段因誤差累積、坡度、車輪空轉打滑蠕行、列車振動等因素產生的列車定位精度不高的缺陷。基于漏泄同軸光電纜的列車定位技術將車－地通信和列車測速定位融合為一體，提高了車－地通信的可靠性和列車定位的精度，簡化了列車定位系統，減少了工程投資，為未來城市軌道交通車－地通信和列車定位系統的發展提供了借鑒思路。

［1］簡水生，延鳳平，童治，等.采用漏泄同軸光纜實現列車定位和實時追蹤的方法及系統:中國，200610169814.3［P］.2007 －07－11.

［2］張振興.城市軌道交通中的列車定位方法研究［D］.北京:北京交通大學，2008.

［3］浙江浙大網新集團有限公司.深圳市軌道交通二期3號線工程信號系統投標文件［G］.2008.

［4］龐巴迪運輸集團.深圳市軌道交通二期3號線工程信號系統CBTC系統技術規格書［G］.2008.