鄭州市軌道交通1號線一期工程列車輔助定位技術研究

田華軍 馬子彥 陳 琦

(鄭州市軌道交通有限公司,450000∥第一作者，高級工程師)

?

鄭州市軌道交通1號線一期工程列車輔助定位技術研究

田華軍 馬子彥 陳 琦

(鄭州市軌道交通有限公司,450000∥第一作者，高級工程師)

在分析上海軌道交通10號線“9·27”事故發生原因的基礎上,提出在非正常情況下利用現有機電設備為行車調度指揮人員準確提供列車實際位置(列車輔助定位)的方案,以及實現該方案的關鍵技術，包括接口方式、傳輸方式、圖形顯示方式等。列車輔助定位技術已在鄭州市軌道交通1號線上實施,以確保在信號系統發生故障后采用電話閉塞模式時的行車安全。

城市軌道交通； 行車指揮系統； 列車輔助定位

Author′s address Zhengzhou Rail Transit Co.,Ltd.,450000,Zhengzhou,China

2011年9月27日，上海軌道交通10號線發生兩車追尾事故。其原因為：10號線信號故障后全線

改為電話閉塞模式，由調度員人工指揮行車,在指揮行車過程中，行車調度員在未準確定位故障區間內全部列車位置的情況下,違規發布電話閉塞命令,致使10號線1005號列車與1016號列車發生追尾碰撞。

對上海軌道交通10號線事故發生原因的分析可知,目前的地鐵行車指揮系統中,在信號系統故障后,沒有其他手段來準確地為行車調度指揮人員提供當前線路所有列車的準確位置，當信號系統發生故障后采用電話閉塞行車時,調度人員需要與在線所有列車的司機確認列車位置并指揮其行車,這勢必給調度人員增加大量紛繁復雜的工作，且容易造成遺漏或疏忽。如何在信號系統故障下，準確清晰地為調度指揮人員反映當前所有列車準確位置(即列車輔助定位功能),保證地鐵行車安全，已經成為研究的重要方向之一,尤其是在不增加新設備新接口的情況下,僅利用現有信號、通信等機電設備實現列車輔助定位功能，意義更為重大。

地鐵機電設備系統紛繁復雜,包含種類很多，涉及到行車指揮的系統包括通信、信號、供電及車輛等。其中,信號系統可自動指揮所有列車有秩序、有計劃的行駛和停止,能完成自動駕駛、自動開關車門和屏蔽門、自動安全防護等功能,其車載子系統與軌旁子系統均清晰掌握所有在線列車的位置信息；通信系統主要承擔調度指揮人員與列車司機的無線通話業務。本研究的主要目的，就是當行車指揮系統尤其是信號系統出現故障，需改為電話閉塞模式指揮行車時,借助現有的機電設備將列車位置信息實時顯示在控制中心的某個設備上,使得行車調度指揮人員能清晰掌握各列車實際位置,從而實現列車輔助定位功能,確保行車指揮工作安全可控。

1 設計方案

結合即將開通的鄭州市軌道交通1號線一期工程,鄭州市軌道交通有限公司組織相關系統集成商進行了多次技術準備及研討,在此基礎上形成了最終設計方案,并在實際工程中得到了應用。

1.1 設計思路

在鄭州市軌道交通1號線一期工程車輛及機電設備系統接口中,信號系統車載子系統與車輛牽引控制系統有接口,車輛牽引控制系統與通信系統車載子系統也有接口(見圖1)。其中,信號系統發送至牽引控制系統的與車輛位置信息有關的報文包括:上下行信息、車次號、下一站的ID、到下一站距離、車組號、車次號、司機號、上下行信息、當前車站等。

因此,可利用信號系統與牽引系統、牽引系統與通信系統的接口,將上述相關信息從信號系統車載子系統逐層轉發至控制中心通信系統CAD(計算機輔助設計)調度系統服務器,由CAD調度服務器解析數據包的列車位置信息并分發至各無線調度臺,最終呈現給行車調度。數據信息詳細轉發流程如圖2所示。

圖1 鄭州市軌道交通1號線一期工程車輛及機電設備系統接口示意

圖2 輔助列車定位信息傳遞流程圖

1.2 接口設計

列車輔助定位功能的設計原則為：最大程度利用現有接口,盡量減少新增接線。本著這個設計原則,在原系統設計方案基礎上,對接口設計做了如下變動(見表1)，以實現列車輔助定位功能。其中，信號車載子系統與牽引系統的接口由信號車載控制器(CC)及牽引列車管理系統(TMS)通過RS485接口連接實現(見圖3)。其采用半雙工通信機制,以CC為主進行主從式數據交換,只有CC設備能夠發起一個請求,同時TMS應答以確認收到請求。牽引系統與車載PIS設備間的接口保持原有MVB(車輛通信網絡)接口不變。車載PIS設備與通信系統地面PIS車載設備的接口在原有設計基礎上,單獨為列車輔助定位功能增加一根網線,以網絡通信的方式完成數據交換。通信系統地面PIS車載設備與通信系統無線車載臺原本沒有接口,但均留有備用串口,因此在每列車上增加串口數據線連接地面PIS車載設備與無線車載臺。由于每列車有車頭和車尾2個無線車載臺,為了輔助定位功能的可靠性,將2個車載臺都與地面PIS車載設備連接,地面PIS車載設備可同時向2個無線車載臺轉發車載信號設備信息,無線系統選擇其中1個車載臺接收上述信息。

表1 接口設計變動

圖3 信號與車輛接口示意圖

2 主要設備

(1) CAD調度服務器。利用系統提供的數據傳輸服務與通信無線車載臺實現數據傳輸,并根據需要把所接收到的車載信號車輛位置信息轉發至各調度臺，是車輛位置信息傳輸的關鍵設備。CAD調度服務器采用機架式服務器硬件,其上運行定制研發的CAD調度服務器軟件。CAD調度服務器軟件具有友好的用戶操作界面,允許用戶查看系統內車輛位置信息數據傳輸活動。

(2) 通信無線車載臺：由主機、控制盒、天線、饋線等組成(見圖4),在主機和控制盒上設計有各種外部接口，以連接到外部系統設備。其中,控制盒上的RS232接口專門用來連接地面PIS車載設備。無線車載臺控制盒能夠提供操作、顯示界面,運行期間,用戶可通過操控該設備調用各種用戶功能。

圖4 車載臺連接圖

3 關鍵技術

3.1 信息傳輸與控制策略

車載信號車輛位置信息的信源是車載信號設備,信宿是控制中心專用無線系統CAD調度服務器和調度臺,通信車載臺在接收、解析該類信息后將其轉發給CAD調度服務器,由后者在系統內部實現信息共享,分發給相應的調度臺等設備。

地面PIS車載設備提供給通信無線車載臺設備的車載信號車輛位置信息是一種高精度、周期性實時更新的信息流。為了豐富調度指揮者指揮行車的手段,可將車輛位置信息區分為高精度列車位置信息和低精度列車位置信息。

高精度列車位置信息完全復制車載信號設備信息,包括上下行信息、下一車站ID、至下一車站距離。在特定緊急情況下(控制中心信號ATS(列車自動監控)人機界面故障),該信息可用來反映準確的定位列車位置,實現列車輔助定位功能。

對于高精度列車位置信息,將采用以下傳輸與控制策略:必須由控制中心調度用戶或列車司機手動操作觸發信息上報,每次觸發操作僅上報一次信息,上報完成之后將自動關閉信息上報,直至接收到下一個上報控制指令；控制中心調度用戶可同時觸發多個列車車載臺進行位置信息上報；高精度列車位置信息傳輸與控制中心側無線系統和信號系統接口狀態無關。高精度列車位置信息將以圖文方式在調度臺軟件界面上呈現給用戶。

低精度列車位置信息是由車載信號車輛位置信息轉換而來的信息,包括上下行信息、當前車站信息。當控制中心專用無線系統與信號系統之間接口故障時,該信息可用來輔助調度席位分配、釋放列車資源,完成界面列車位置信息更新。

與高精度列車位置信息傳輸和控制策略相比,低精度列車位置信息傳輸和控制策略的最大不同是每次觸發操作將打開信息上報狀態,直至車載臺接收到手動關閉控制指令,在此期間如果檢查到信息變化時持續上報信息包。低精度列車位置信息傳輸與控制中心側無線系統和信號系統接口狀態相關,僅當無線系統與信號系統接口故障時,才能啟動低精度列車位置信息傳輸。這樣能夠有效防止無線系統從兩個接口接收到不一致的位置信息造成調度混亂。低精度列車位置信息將以列表方式在調度臺軟件界面上呈現給用戶。

3.2 傳輸特殊處理

通信車載臺在進行車載信號車輛位置信息傳輸時,需要采用以下特殊處理措施:

(1) 通信車載臺一直接收地面PIS車載設備提供的數據信息,但僅在接收到控制指令時才會開始、停止列車位置信息上傳,控制中心調度用戶和列車司機可通過手動操作對該車載臺發出控制指令。

(2) 控制中心CAD調度服務器僅在中心信號鏈路故障的情況下才會啟動低精度列車位置信息傳輸,無線系統CAD調度系統將以這些車載信號設備信息輔助列車運營調度。

(3) 為節省無線通道資源,車載臺并不是直接復制信號設備數據包,而是對這些信息進行一定的整合、變換后再轉發給CAD調度服務器。

(4) 即使通信車載臺從地面PIS車載設備接收到的信息發生了改變,但只要列車位置信息沒有發生改變,則通信車載臺不會上傳該變換結果——列車在正線上運行時,如果不跨站不折返,其低精度列車位置信息將不會改變。

3.3 圖形化顯示界面

由車載信號系統傳遞的車輛位置信息最終通過放置在控制中心的無線調度臺以圖形/列表界面顯示出來。高精度列車位置信息以圖形界面方式顯示,主要內容為線路站型、列車位置及車體號等,其中列車位置信息可根據列車實際位置動態更新并區分出當前列車是在區間還是在站臺。同時為便于查看,增加了僅顯示上行列車、僅顯示下行列車及顯示全部列車等按鈕。高精度列車位置信息顯示界面如圖5所示。

低精度列車位置信息以文字方式顯示,內容為當前列車位置、司機號、車體號、車組號及上下行等(見圖6)。此界面不能顯示精確位置,僅能顯示列車靠近的站臺名稱。

4 優點

列車輔助定位技術的作用是在行車指揮系統故障后輔助調度人員指揮行車,其增加了調度人員對線路列車分布情況的了解程度,豐富了調度人員指揮行車的手段,提高了行車指揮的安全性。

圖6 行車調度臺低精度列車位置界面示意圖

列車輔助定位技術沒有增加任何新的機電設備,僅借助現有的信號、牽引控制和通信車載，以及地面、控制中心設備,通過現有的有線及無線通信網絡實現。其傳輸信息簡單,車地通信量小,且沒有借用信號系統的車地通信網絡,因此不會引起信號系統的車地通信故障,沒有增加危害行車的因素。

列車輔助定位技術僅在無線車載臺上顯示列車位置信息,顯示信息量小,不會影響正常行車指揮時調度人員的工作。

5 結語

鄭州市軌道交通1號線一期工程自2013年底開通以來,車輛、信號、通信系統工作狀態穩定,運營平穩有序,其中列車輔助定位功能的實現,為我國城市軌道交通的首例。該技術的應用，體現了城市軌道交通行車指揮技術的創新與優化,為行車指揮提供了更全面的安全保障措施,具有很好的現實意義及推廣價值。

[1] 鄭瑩.基于無線通信的CBTC研究綜述[J].通信技術,2011,4(12):137.

[2] 柏鋼.面向ITS的車輛導航與定位技術的應用與研究[D].南京:東南大學,1999:23-27.

[3] 劉進,吳汶麒.軌道交通列車定位技術[J].城市軌道交通研究,2002(1):30.

[4] WILLIAM C V.Do you know where your train is [J] .Railway Age, 1996,197(2):41.

[5] 李凱.青藏線列車衛星定位系統技術方案研究[J].鐵道通信信號,2003,39(4):18.

Application of Auxiliary Positioning Technology on the First-stage Project of Zhengzhou Rail Transit Line 1

TIAN Huajun, MA Ziyan, CHEN Qi

With an analysis of the 9.27 accident of Shanghai rail transit Line 10, a train auxiliary positioning plan is proposed, which could provide accurate location of tain by taking advantages of the existing electro-mechanical equipment for traffic dispatching and commanding officers in abnormal conditions. Meanwhile, the corresponding key technologies for the implementation of the scheme are also described, including interface mode, transmission mode and graphics display mode. The train auxiliary positioning technology has been implemented on Zhengzhou rail transit Line 1, aiming to ensure the safety and controllability of train dispatching by using telephone blocking mode in signal failures.

urban rail transit; dispatching and commanding; train auxiliary positioning

U29-39

10.16037/j.1007-869x.2016.04.005

2014-05-06)