現代有軌電車信標定位系統比較

徐海貴

（卡斯柯信號有限公司，200071，上海//工程師）

現代有軌電車信標定位系統比較

徐海貴

（卡斯柯信號有限公司，200071，上海//工程師）

分析了現代有軌電車信號控制系統中的絕對定位特點，分析了射頻識別技術在不同應用頻率波段的特點。對幾種常用信標定位系統的車載閱讀器和軌旁信標進行了詳細比較。由于現代有軌電車存在安裝空間小、維護性要求高、成本要求嚴格等方面的限制，Balogh信標系統在現代有軌電車絕對定位應用中具有更大的優(yōu)勢。

現代有軌電車；車輛絕對定位；車載閱讀器；軌旁信標

現代有軌電車定位技術是整個智能信號控制系統的關鍵環(huán)節(jié)。目前主流的定位技術主要包括衛(wèi)星定位、查詢-應答器定位、通信環(huán)線定位，軌道電路和計軸定位等。根據現代有軌電車智能信號控制系統中道岔控制子系統、綜合調度指揮子系統及路口優(yōu)先子系統對車輛定位的要求，信標定位作為主要的列車絕對定位方式被廣泛應用［1］。

信標定位系統通常基于射頻識別（RFID）技術，主要由閱讀器或查詢機、應答器或信標組成。軌道交通中常用的列車信標定位系統主要包括歐式應答器系統和Transcore美式信標系統。目前，應用歐式應答器系統的信號廠商主要有阿爾斯通及西門子等；國內研制的Y·FB型、TDY型、LKY1-TH型等歐式應答器系統在中國鐵路CTCS-2、CTCS-3列車控制系統中也得到了廣泛應用［2］；應用Transcore美式信標系統的廠商則有泰雷茲及安薩爾多；此外，瑞典TagMaster公司的閱讀器及信標系統作為龐巴迪的CITYFLO650列車自動控制系統中的絕對定位單元，已在中國臺北捷運內湖線及天津地鐵2、3號線路中應用；法國Balogh公司的閱讀器及信標系統在作為有軌電車控制系統中的絕對定位單元，已在世界范圍內，尤其是法國、比利時、西班牙等國家的有軌電車系統得到廣泛應用；深圳遠望谷研制的車輛自動識別系統（AEI）信標產品在中國鐵路車號自動識別系統及現代有軌電車信號系統中已有應用。

現代有軌電車通常采用70%或100%低地板車輛，其地板面高度通常為300～350 mm［3］。這限制了閱讀器在車輛底部的安裝空間。此外，有軌電車對定位的安全性及定位精度的要求也與其他軌道交通方式不同。因此，有必要根據有軌電車車輛定位需求特點，對適用于有軌電車絕對定位的閱讀器及信標系統進行研究。

1 有軌電車定位特點分析

有軌電車運行速度較低，運行間隔較大，其軌旁和車載設備簡單。由于通常與社會車輛混行，故其司機采用目視行車的駕駛模式。有軌電車定位具有如下特點：

（1） 列車定位的精度要求不高：與地鐵和輕軌相比，有軌電車通常由司機人工駕駛，不具備ATO（列車自動運行）駕駛功能，對列車速度和定位的實時性及精度要求相對不高。

（2） 列車定位的安全完整性要求不高：有軌電車采用司機目視行車，通常只要求超速和闖紅燈報警，不配備完整的ATP（列車自動防護）功能，其軌旁和車載設備相對簡單。

（3） 軌旁及車載定位設備安裝受限制：在與社會車輛共線路段，軌旁定位設備應與地面平齊或埋在路面下，且不影響社會車輛正常通行及行人的走行；車載定位設備受車輛地板面高度影響，在車底的安裝空間受限。

（4） 有軌電車建設成本較低：通常有軌電車的建設成本只有地鐵的1/5～1/3，因此有軌電車需要選用相對簡單實用、成本較低的定位設備。

（5） 維護性要求高：軌旁定位設備需具有較高的可靠性，其運營后的維護應能盡量減少對道路和綠化的破壞。

從上述特點來看，有軌電車車輛的定位精度和安全要求總體上低于地鐵，但在定位設備的安裝限制、維護性要求及低成本等方面的要求高于地鐵。在現代有軌電車絕對定位閱讀器及信標系統方案設計中，這幾個因素具有決定性的影響，需重點考慮。

2 列車信標定位系統

列車信標定位系統一般主要由地面信標、閱讀器及信標天線3部分組成。某些信標定位系統的信標天線和閱讀器采用集成設計。

列車信標定位系統通常采用RFID技術來實現車載設備和軌旁設備的通信。RFID技術在低頻段、高頻段、超高頻段及微波段均有不同的應用和技術特點［4］。不同頻率波段的典型應用頻率及相應特性如表1所示。

2.1 地面信標

地面信標由合元件及芯片組成，每個信標具有唯一的ID。不同頻率的信標有不同的特點。通常低頻信標比超高頻信標便宜，節(jié)省能量，穿透廢金屬物體力強，工作頻率不受無線電頻率管制約束，但感應距離較短。超高頻信標作用范圍廣，傳送數據速度快，但是比較耗能，穿透力較弱，作業(yè)區(qū)域不能有太多干擾，適用于監(jiān)測港口、倉儲等物流領域的物品。高頻信標屬中短距識別，讀寫速度也居中，產品價格也相對便宜，適用于電子票證。

表1 RFID技術在不同頻率波段的特點

地面信標根據是否由外部供電可分為無源信標和有源信標。無源信標沒有外接電源供電，平時處于休眠狀態(tài)；當列車經過無源信標上方時，接收到車載天線發(fā)出的功率載波，激活無源信標中的電子單元，使其向車載設備發(fā)送調制好的編碼信息［5］。無源信標通常用于列車定位初始化，重定位及輪徑校準，對外發(fā)送信息固定不變。有源信標需要外接電源供電，除了能用于列車定位外，在后備模式下還可向車載設備傳送信號機及道岔等軌道設備的變量信息［6］。表2為軌道交通中常用的地面無源信標性能參數。

由表2可見：①歐式信標尺寸較大，對地面安裝要求較高，地面信標的安裝需考慮在混行路段承受社會車輛的重量問題，通常需要安裝井及保護蓋，而Balogh信標有堅固的保護盒，可直接預埋路面。② 歐式信標和Transcore信標服務年限較長；而Balogh信標和TagMaster信標服務年限短需考慮10 a后維護的問題。③信標都滿足鐵路應用的溫度和防護等級的要求，Balogh信標低溫范圍不夠，但目前正在升級能適應-40℃的新產品。④歐式信標的價格相對較貴，其他信標的價格差距不太大。

對于有源信標，Transcore信標、Balogh信標、TagMaster信標都只有激活和未激活兩種狀態(tài)，即一個有源信標只能關聯信號機的一種狀態(tài)表示。通過軌旁有源信標組的布置，信標可向車載設備提供信號機及道岔信息。由于有軌電車系統功能相對簡單，需要有源信標傳輸的軌旁變量相對較少，故兩種狀態(tài)的有源信標均能滿足有軌電車信號系統的應用。歐式有源信標雖體積、質量及頻率等特性與無源信標相同，卻可提供較多的軌旁信息，更適用于我國鐵路及地鐵。

表2 軌道交通中常用地面無源信標的主要性能參數

2.2 閱讀器與信標天線

閱讀器和信標天線為列車信標定位系統車載設備。其中：閱讀器負責讀取信標的信息，信標天線負責在信標和閱讀器間傳遞射頻信息。

歐式車載閱讀器（BTM）體積較小，通常安裝在主機柜中。Transcore閱讀器（TIU）體積較大，需要占用主機柜較大空間。Balogh和TagMaster閱讀系統的閱讀器中集成了信標天線模塊。

信標天線單元通常安裝在列車底下，用來接收軌旁信標的信號。表3為軌道交通中常用的閱讀器信標天線主要參數。

通過表3的對比，可以得到如下結論：

（1）歐式信標天線和Transcore信標天線的典型安裝高度均為300 cm左右，已達低地板有軌電車的地板高度。這兩種天線（尤其是歐式信標天線）的尺寸都比較大，對列車底部安裝空間的要求比較高，很難在低地板有軌電車底部找到足夠的安裝空間。歐式閱讀系統和Transcore閱讀系統的閱讀器和信標天線是獨立的，其閱讀器安裝在機柜內，會占用車載信號系統主機柜的空間，難以適應現代有軌電車有限的空間。

（2）各種閱讀器及天線的工作溫度、振動、濕度及IP防護等級都達到了鐵路行業(yè)的要求。其中，Balogh閱讀器的低溫適應性略差，目前正在升級適用于-40℃的新一代產品。

（3）列車最高運行速度都在300 km/h以上，符合有軌電車的最高運行速度的要求。其中，Balogh信標天線的定位誤差大于其他信標系統，但較高的定位精度會增加技術難度及開發(fā)成本。而且有軌電車應用中沒有ATO功能，定位精度要求不高。

表3 軌道交通中常用閱讀器與信標天線的主要參數

（4）歐式閱讀系統和Transcore閱讀系統價格相對比較貴。Balogh和TagMaster的閱讀器和天線為集成設計，價格相對較便宜，具有一定競爭力。

（5）安全完整性方面，歐式信標、Transcore美式信標、TagMaster信標都在地鐵中具有SIL4級的應用，Balogh信標安全完整性相對較低。由于有軌電車是司機目視行車為主，通常要求超速及闖紅燈報警或SIL2級防護，故Balogh信標系統在歐洲有軌電車中已有大量應用。

3 結語

由于有軌電車車輛安裝空間受限、維護性要求高、低成本控制要求嚴格，因此，歐式信標定位系統和Transcore信標系統難以滿足要求；應用較少的TagMaster信標系統可作為一個潛在的應用方案；Balogh信標系統在現代有軌電車絕對定位應用中具有優(yōu)勢，目前在國內外有軌電車信號系統中已被廣泛應用。

在我國，自主研制的Y·FB型、TDY型、LKY1-TH型等歐式應答器系統在客運專線、高速鐵路，以及城市軌道交通中已被大量應用。這類信標定位系統由于尺寸較大、安裝空間要求高，在現代有軌電車系統中應用會受到安裝空間不夠的限制，因此需根據現代有軌電車的特點，從減小尺寸、降低成本等方面進行改進，以適應有軌電車系統的應用。車輛自動識別（AEI）系統將車號信標替換應答器安裝在地面軌間，將車號閱讀器替換應答器接收模塊安裝在列車上來實現輕軌及有軌電車的定位需求。AEI系統的信標及閱讀器系統尺寸比較小，價格相對較便宜，隨著技術進步及可靠性提高，在有軌電車系統中的應用將值得期待。此外，國內自主研制的信標系統在技術支持及維護、采購周期等方面的優(yōu)勢也是不可忽視的。

［1］ 李鴻旭，喻智宏，劉圣革.現代有軌電車智能控制系統中的車輛定位技術方案［J］.都市快軌交通，2013，26（6）：160.

［2］ 趙曉峰.城市軌道交通列車絕對定位系統比較［J］.城市軌道交通研究，2015（10）：57.

［3］ 苗彥英.低地板有軌電車車輛技術特征［J］.城市交通，2013，11（4）：39.

［4］ 王春軍，李艷峰.RFID在列車運行控制系統中的應用［J］.鐵路通信信號工程技術，2012，9（4）：3.

［5］ 李向紅，李永善，曹進.高速鐵路中的查詢應答器［J］.鐵路通信信號，2004，40（10）：5.

［6］ 顧家泉，李立明.美式信標在基于通信的列車控制信號系統中的應用分析［J］.城市軌道交通研究，2015（11）：64.

［7］ 沈景炎.我國有軌電車的發(fā)展、標準與規(guī)劃探討［J］.都市快軌交通，2015，28（6）：6.

Comparative Study on Trackside Beacon Positioning System of Modern Tram

XU Haigui

Thecharacteristicsofabsolutepositioning in modern tram controlsystem，the characteristicsofradio frequency identification in differentfrequency bandsare analyzed，different kinds of onboard tag readers and the trackside beacons which are applicable for railway industry are separately compared.Due to the limited installation space of modern tram，high maintenance reliability and low cost for the onboard equipment are strictly required,and the Balogh beacon and reader system have the advantage over other devices in modern tram absolute positioning system.

modern tram；vehicle absolute positioning；onboard reader；trackside beacon

Author′saddressCASCOSignalLtd.，200071，Shanghai，China

U482.109

10.16037/j.1007-869x.2017.12.035

2017-07-26）