應答器與測速組合定位在地鐵中的應用

夏 青

（蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，蘭州 730070）

城市軌道交通包含地鐵、市郊快速、輕軌、獨軌等多種類型的鐵路，其中地鐵更具代表性[1]。而地鐵的主要特點是線路封閉、行車密度大。隨著城市建設的不斷推進，城市軌道交通也發生著日新月異的變化，從原來的固定閉塞系統、準移動閉塞系統到現在的移動閉塞系統，目前新建的軌道交通線路大多采用先進的基于通信列車控制（CBTC）的移動閉塞系統，而在此系統中列車定位是一項具有基礎意義的關鍵性技術。

目前在國內外城市軌道交通中，列車定位方法主要有軌道電路定位、電子計軸定位、測速定位、查詢應答器定位、感應回線車載傳感器定位、無線擴頻通信定位和GPS定位等[2]，這些定位技術各有特點。鑒于這些定位技術的優缺點，本文提出一種應答器與測速的組合定位方案。采用這種方案，既能保證列車定位的精度，又能降低設備初期投資以及后期維護的費用。

1 列車組合定位概述

1.1 列車定位的作用及選用要求

在城市軌道交通行車指揮系統中，列車定位技術的作用巨大。它不僅要為列車自動防護（ATP）子系統提供位置信息, 保證列車安全間隔運行，并作為列車在車站停車后打開車門以及站內屏蔽門的依據，還為列車自動駕駛（ATO）子系統提供列車精確位置信息。作為列車計算速度曲線，實施速度自動控制的主要參數，為列車自動監督（ATS）子系統提供列車位置信息，作為顯示列車運行狀態的基礎信息。

城市軌道交通列車定位技術的重要作用要求其首先必須能保證提供正確的列車位置信息；其次對列車定位的精度提出了更高要求；另外，提高信息及時性以及減少誤差也非常重要。

根據城市軌道交通的特點，在制定其定位技術方案時，必須考慮以下幾個因素。

1）系統符合故障-安全原則，在發生定位故障時，能夠有可靠替代方式或降速直至停車。

2）系統要求具有高可靠性，采用多種檢測方式相結合的冗余定位、檢測方式。

3）系統要求具有高可用性，采用CBTC條件下的列車定位，可實現列車實時追蹤。

4）系統的造價成本合理，盡量選用成熟的設備，減少軌旁設備以降低設備維護費用。

目前應用的一些軌道交通定位方法，都存在著這樣或那樣的不足之處，無法在保證列車定位系統可靠性、安全性的情況下，實現系統成本與定位精度的平衡。采用組合定位方案可使系統滿足安全性、定位精度、可靠性和造價等方面的要求。

1.2 組合定位的概念

由于單一的定位系統偶然的故障會導致整個系統無法正常工作，甚至會造成災難性的后果；而且每一種定位的方法總有其固有的缺點，單一的定位方法無法在定位的精度、可靠性和代價之間作到很好的平衡。而多種定位技術集成的優勢在于能通過冗余、互補和多種類的信息為系統提供更為精確的信息，使整個軌道交通和指揮系統的安全性、測量精度、可靠性、造價等方面達到一定的平衡。在已有的軌道交通和高速鐵路交通中采取的定位大多數是多種方法的綜合，最多只是以某種方法為主，其他方法為輔。所以，綜合的使用各種定位手段將是目前解決軌道交通和高速鐵路交通定位的最好途徑。

根據應答器定位和測速定位的各自特點，采用應答器與測速的組合定位方案集合了兩種定位技術各自的優勢。日本研究和開發的計算機和無線電輔助列車控制系統（CARAT）利用記錄車輪轉速來計算任意點列車位置，特定地點采用車地感應通信方式檢測位置，此定位法與應答器測速組合定位法在原理上是相同的。測速定位法在輪徑變化、打滑或空轉時，存在累計誤差，此時通過加查詢應答器糾正累計誤差的方法不斷校正其位置信息。在CBTC模式下，依靠測速傳感器和多普勒雷達精確測速以及軌旁應答器的絕對位置信息，列車可以實時定位,并借助CBTC車地傳輸通道實時將列車的具體位置通知地面。

2 應答器與測速組合定位方法

2.1 應答器定位

應答器定位系統由車載查詢器、地面應答器和軌旁電子單元（LEU）組成。應答器輔設在軌道中央，車載天線安裝在機車上與應答器相對應的位置。應答器可分為有源應答器和無源應答器，其中有源應答器與LEU連接，應答器的內部寄存器按協議以數據形式存放實現列車速度監控和其他行車功能所必須的數據。當列車駛過地面應答器且車載天線與應答器對準時，應答器天線首先以一定的頻率通過電磁感應方法將能量傳遞給應答器；應答器內部電路在接收到能量后即開始工作，將所儲存的數據以某種調制方式通過電磁感應傳送到車上。圖1為應答器基本工作原理。

車載設備接收到一條安全的數字應答器報文，該報文給出了應答器的標識，尤其是該應答器中心點的地理位置。應答器支持安全定位，所使用的應答器安全檢測精度是一個系統參數。為了實現應答器的安全定位，當車載天線距應答器的距離超出給定的距離時，列車接收不到應答器報文。應答器可以用作連續式列車速度自動控制系統的列車精確定位設備(這時應答器內部儲存的數據是固定的)；也可以用作點式列車速度自動控制系統的列車檢測、定位輔助設備，作為系統向列車傳輸數據的通道。

查詢應答器是目前使用成熟的點式車地通信設備，定位精度較高，在復線鐵路上可以正確區分列車行駛的股道，維修費用低、使用壽命長且能在惡劣條件下穩定工作，能滿足列車運行速度為0～500 km/h的通信要求，安全性好；不足之處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[3]。

2.2 測速定位

測速定位就是通過不斷測量列車的即時運行速度，對列車的即時速度進行積分（或求和）的方法得到列車的運行距離。測速電機是一個經過廣泛應用的單元，把機械轉速變換成電壓信號，其輸出電壓脈沖信號數量與輸入的轉速成正比關系，圖2為測速電機原理圖。為了得到較為準確的位置信息，在計算具體位置信息時，引入列車的即時速度信息。如在某一個速度采樣時間點tn上測得列車的即時速度為v（tn），則列車即時位置：

S=S0+∑v（tn）·Δt

式中：

S0——初始位置；

Δt——列車速度采樣時間間隔。

用這種方式計算列車位置信息的缺點是：1）因車輪的磨損導致通過車輪直徑獲得路程數據的誤差大。一般軌道交通的車輪直徑為770～840 mm。車輪表面磨損0.5 mm時，列車每行駛約305～335 m就會產生1 m的誤差。2）行駛中車輪會出現打滑空轉的情況，這樣可使誤差更大。3）這些誤差是線性累計的，即隨著行駛里程的增加其絕對誤差會越來越大。為了解決這個誤差，在機車上安裝多普勒雷達，通過多普勒頻移效應，直接測量列車相對于雷達波反射面的速度。

車載同時安裝測速電機和多普勒雷達。測速電機和雷達單元一起用于列車速度和距離的精確檢測。測速電機通過計算經車輪旋轉在發電機里產生的電壓信號來測量列車的速度和距離。雷達則通過評估反射雷達波的多普勒效應來計算列車速度和距離值。雷達的測算結果完全不受列車的空轉和滑行的影響。兩種傳感方式的有機結合得到了更加安全、可靠、精確的速度距離值?，F場實驗通過比較預先測量的兩點間的距離和車載測速系統測量的結果，測速電機的誤差可控制在0.3%，多普勒雷達的誤差為0.1%，然而多普勒雷達的測量精度存在不穩定性，可通過多點測量來消除這一缺點。實驗結果表明位置檢測的精度可達到實用水平[4]。

2.3 組合定位流程及應用

綜合以上兩個定位單元，列車越過第一個應答器后，通過車載測速單元計算列車所在位置，得到的位置信息與列車實際位置存在誤差，且誤差可能不斷增大，當列車運行到第二個應答器時，接收到應答器報文中的位置信息，自動刷新其位置參數，得到更準確的位置參數。圖3為應答器與測速列車定位原理。可根據測速測距單元的誤差設置應答器的間距將定位誤差限定在列控系統要求的范圍內，例如測速測距單元的誤差為0.5%，每300 m設置一個應答器可將定位誤差控制在1.5 m。

列車定位的具體流程描述：在車載ATP啟動時，列車處于未定位狀態。車載安全計算機的線路數據庫記錄有應答器的位置，一旦列車連續經過2個應答器，初始化它的位置參數，這樣列車進入已定位狀態。具體步驟如下。

1）檢測到第1個應答器后，就可以確定描述應答器位置的數據庫單元。根據該描述即可確定列車所在的位置，但是列車不知道自己在軌道上的運行方向。

2）檢測到第2個應答器后就可以確定列車的運行方向及相對于軌道默認方向的列車方向。這是因為通過車載數據庫及列車從一個應答器運行到另一個應答器時，由里程計測得的列車運行方向可以判斷出相鄰應答器的方向。

3）通過第2個應答器后，列車位置可由測速電機和雷達測量確定。在應答器之間，由于連續的位移測量，被定位列車的定位參數可以被實時更新。

4）當列車運行時，位移測量的誤差可能導致列車的位移增加一個不確定的值。

5）當經過另外一個應答器時，列車將刷新它的位置參數，以便通過計算一個更小的位置不確定值得到更加精確的位置。

該方案利用車載設備自主定位的特點，可以保證列車在任何地方、任何時候都可以輸出定位信息，定位數據由車載設備經CBTC車地通信通道傳輸給地面控制中心，而不是反之，保證了系統對定位時效性的需求。同時利用測速定位作為輔助，可大量減少應答器的設置數量，降低了設備初期投入和維護成本。正是因為有了這些優勢，CBTC條件下的應答器與測速組合定位技術在城市軌道交通中開始廣泛應用。

廣州地鐵4號線采用西門子公司的Trainguard MT信號系統[5]，該系統是基于無線的列車控制系統。依靠測速儀及多普勒雷達精確測速與軌旁應答器的絕對位置信息，可以使列車精確定位，并借助無線局域網系統（WLAN）實時通知列車的具體位置。在無線系統故障的情況下，以應答器實現點式通信，計軸系統作為后備位置檢測系統，使軌旁系統在降級模式下實時檢測到列車所在位置。該系統同時應用于南京地鐵2號線、北京地鐵10號線以及廣州地鐵5號線。

3 結束語

城市軌道交通尤其地鐵線路環境復雜，軌旁設備維護困難，采用應答器加測速組合定位的方法可提高整個系統的容錯能力、信息的可信度、空間和時間的覆蓋范圍，同時降低獲得信息的費用并且縮短獲得信息的時間；將離散和連續的定位信息進行融合提高定位的可靠性；能夠將定位系統主要建立在車載環境中，不需在軌旁安裝軌道電路等設備，能夠改善系統的工作環境、提高系統的可靠性、降低系統的生命周期費用；還能夠滿足時間和空間的可用性，不受地理環境的影響。該方案可滿足移動閉塞系統精確定位的需求，在車地通信故障的情況下以應答器實現點式通信，確保了信號系統的高可用性。

[1] 楊光，唐禎敏．幾種典型軌道交通運行控制系統的比較[J]．鐵道學報，2009，2（31）：82-87.

[2] 徐煒．城市軌道交通列車定位系統[J]．鐵路通信信號工程技術，2009，4（6）：41-44.

[3] 張雅靜，王劍，蔡伯根．基于GNSS的虛擬應答器研究[J]．鐵道學報，2008，30（1）：104-108.

[4] Teruo Kobayashi, Osamu Iba, Hiroshi Ebine, et al. Advanced train administration and communication system based on ADS Technologies[C]．The Fourth International Symposium on Autonomous Decentralized Systems,Integration of Heterogeneous Systems. Proceedings. 1999: 388-391.

[5] 孟凡江，黎曉東．CBTC的列車監控與追蹤功能[J]．鐵道通信信號， 2007（3）：14-16.