CBTC下的列車定位不確定性影響因素分析

徐紀康

(上海工程技術大學城市軌道交通學院)

在CBTC系統中，列車位置的確定，是列車自動控制的基礎。對列車定位的精確性，會直接影響列車運行的性能。因此，本文首先分析了列車定位的原理，然后采用故障樹分析法分析影響列車定位的因素，并建立相關的列車定位故障樹模型，最后說明該模型的作用以及為進一步的研究做好準備。

1 列車定位的原理分析

1.1 概述

在城市軌道交通的CBTC信號系統中，列車的定位，即確定列車的位置，主要依賴于速度傳感器獲取列車的即時速度值，然后采用積分的方法來獲取列車的運行距離。同時，由于采用速度傳感器的方法獲取的是列車相對的運行距離，也存在累計的誤差，所以，還需要采用定位信標來計算列車的絕對位置以及校準其累計誤差。

1.2 速度傳感器的定位原理分析

速度傳感器一般安裝在車輛的非驅動軸上。通過采集脈沖信號來獲取車輪的轉動角度，然后根據以下公式來確定列車的運行距離

其中，S為列車的運行距離;φ為車輪的直徑;N為一定時間內采集到的脈沖數;M為車輪轉一周采集到的標準脈沖數。

通過速度傳感器獲取的列車運行距離，只是相對的列車位移大小，并沒有確定列車在線路軌道上的具體位置。因此，單獨依靠速度傳感器來定位是不夠的。所以，很多的信號供應商采用信標來輔助完成列車的定位功能。

1.3 定位信標的定位原理分析

信標是一種基于電磁耦合原理而構成的高速點式數據傳輸設備，在特定地點實現地面給車載發送一些數據信息。

圖1 信標定位工作原理

如圖1所示，車載計算機通過應答查詢器獲取列車所經過的信標ID值。然后，車載計算機根據ID值去線路數據庫中查詢相對應的信標安裝位置，從而來確定列車在線路上的絕對位置。

2 影響列車定位的因素分析

2.1 故障樹分析法介紹

故障樹分析法(Fault tree analysis，FTA)由美國貝爾電話室的H.A.Walson首先提出，它是一種系統可靠性的分析方法。利用故障樹，可以尋找潛在故障或者進行故障診斷，還可以進一步分析預測系統故障發生的概率。

故障樹以圖形化的方式表示了一個系統內故障或者其他事件之間的交互關系。在故障樹中，底事件通過一些邏輯符號(如與門和或門)連接到一個或多個頂事件。頂事件一般指危機系統的事件或者是不希望發生的系統故障。底事件通常指部件故障或者是人員的錯誤操作。

故障分析法的基本步驟如下。

(1)定義系統和系統故障;

(2)建立故障樹;

(3)進行定性或者定量分析。

本文采用故障樹分析法主要是分析影響列車定位不確定性的影響因素，所以暫且不考慮關于列車定位不確定性的定量分析。

2.2 故障樹分析法分析列車位置不確定性因素

通過以上對列車定位原理的分析，可以說明，列車定位不確定性的影響因素主要由信標和速度傳感器的誤差導致的問題，如圖2所示。

圖2 列車位置不確定性的影響因素

根據故障樹分析法的原理，需要分別對信標讀取和檢測延時誤差，以及速度傳感器的測量誤差分別進行細化到每項具體的內容，從而分析清楚各種底層的影響因素。

(1)信標的窗口誤差。

由于在一定的空間范圍內，列車都能通過電磁耦合過程來讀取信標的信息，如圖3所示。所以，列車的應答查詢器只要在一定的信標窗口范圍內，都能讀到該信標。

所以，該信標的讀取窗口范圍影響了列車的位置不確定性值。具體的信標窗口范圍的值大小，主要由信標的硬件特性以及信標的安裝來決定的。

圖3 獲取信標的窗口范圍

(2)信標的檢測延時誤差。

在1.3的描述中，通過對于列車獲取信標信息的原理，可以得到，當車載安全計算機獲取信標信息的時候，存在一定的延時，具體的延時由以下兩部分組成。

①應答查詢器獲取信標信息的延時，t應答器延時。

②車載安全計算機獲取應答查詢器發送過來的信標信息延時，t安全計算機延時。

因此，信標檢測誤差產生的位置不確定性值計算公式如下

其中，Pdistance為由于延時產生的位置不確定性值;Vtrain為列車在檢測到信標時的實際速度。

因此，通過分析可以得到信標讀取和檢測誤差對列車位置不確定性的故障樹模型。

(3)速度傳感器測量誤差。

根據上述對于速度傳感器定位的原理分析，影響速度傳感器計算列車運行距離的因素主要有列車的輪徑值誤差以及速度傳感器采集脈沖信號的誤差。

2.3 影響列車定位不確定性的故障樹模型建立

綜上所述，建立CBTC系統下的列車定位不確定性的故障樹模型，如圖4所示。通過該模型，可以清晰得認識到，影響列車定位不確定性的主要因素，以及這些因素之間的關系。

圖4 列車定位不確定性的影響因素故障樹模型

3 結論

(1)通過對列車定位的原理分析，提出了影響列車定位確定的各種因素。

(2)采用故障樹分析的方法，確定影響列車定位不確定性的因素相互之間的關系，為進一步進行定量的分析提供參考。

(3)通過分析列車定位不確定的影響因素，為下一步建立CBTC系統下的列車定位不確定性的數學模型作好準備工作。

:

［1］徐金祥.城市軌道交通列車運行自動控制技術［M］.2012.

［2］韓小濤，尹項根，張哲.故障分析法在變電站通信系統可靠性分析中應用［J］.電網技術，2004，28(1):56-59.