中低速磁浮車載ATP定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 成

(1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

1 概述

中低速磁浮軌道交通是城市軌道交通中的新技術(shù)。它具有環(huán)保、安全性高、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、建設(shè)成本低等優(yōu)點(diǎn)，適用于城市市區(qū)、近距離城市間和旅游景區(qū)的交通連接，可替代輕軌和地鐵。

MATC系統(tǒng)是配套國內(nèi)中低速磁懸浮制式列車研究而研制的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)。MATC系統(tǒng)是基于交叉感應(yīng)環(huán)線的移動(dòng)閉塞列車自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用交叉感應(yīng)環(huán)線實(shí)現(xiàn)車地通信和列車的定位校正，并通過交叉感應(yīng)環(huán)線向地面發(fā)送列車位置，用于區(qū)域控制器跟蹤在線運(yùn)行的所有列車，并將該信息用于計(jì)算后行列車的移動(dòng)授權(quán)，通過交叉感應(yīng)環(huán)線發(fā)送給列車，用于控制列車運(yùn)行。

車載ATP子系統(tǒng)是根據(jù)地面信息和機(jī)車信息實(shí)現(xiàn)防止列車超速運(yùn)行，保證列車行車安全的自動(dòng)控制系統(tǒng)。MATC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通常情況下，車載ATP系統(tǒng)采用應(yīng)答器進(jìn)行列車定位。

圖1 MATC系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.1 Structure of MATC system

車載ATP根據(jù)接收到的應(yīng)答器信息，結(jié)合車載電子地圖，查找列車所在軌道信息。車載ATP通過兩個(gè)連續(xù)接收到的應(yīng)答器信息判斷列車的行駛方向。然后，通過車載測速測距單元計(jì)算列車所在位置。車載ATP根據(jù)進(jìn)路信息計(jì)算列車運(yùn)行軌道信息，計(jì)算期望應(yīng)答器和接收窗口。車載ATP接收到應(yīng)答器后，判斷當(dāng)前應(yīng)答器是否是期望應(yīng)答器，并判斷當(dāng)前應(yīng)答器是否在期望接收窗口內(nèi)，如果是期望應(yīng)答器且在期望應(yīng)答器接收窗口內(nèi)，車載ATP根據(jù)車載電子地圖中應(yīng)答器位置校正列車位置，否則不進(jìn)行位置校正。

MATC車載ATP子系統(tǒng)主要依靠交叉感應(yīng)環(huán)線邊界及固定位置交叉點(diǎn)進(jìn)行列車定位及位置校正。

2.1 位置初始化

車載ATP通過交叉感應(yīng)環(huán)線獲取列車所在環(huán)線，根據(jù)預(yù)存的車載電子地圖，獲取當(dāng)前環(huán)線的區(qū)域編號(hào)、環(huán)線編號(hào)、長度、坡度、彎道、限制速度、交叉點(diǎn)位置、停車點(diǎn)位置。

列車經(jīng)過環(huán)線邊界，車載ATP按照前后順序分別檢測到兩個(gè)相鄰環(huán)線編號(hào)，且收到兩個(gè)環(huán)線邊界的時(shí)間差小于閾值后建立預(yù)定位。車載ATP通過檢測相鄰兩環(huán)線區(qū)段的先后順序，確定列車在線路中的運(yùn)行方向。車載ATP通過對(duì)照電子地圖中環(huán)線區(qū)段邊界的位置，確定列車的初始位置。預(yù)定位狀態(tài)中在窗口內(nèi)收到第一個(gè)交叉點(diǎn)此過程中未發(fā)生可導(dǎo)致定位丟失的事件。

列車建立預(yù)定位后，車載ATP在新環(huán)線接收到第一個(gè)交叉點(diǎn)后，判斷該交叉點(diǎn)是否在正確的交叉點(diǎn)接收窗口內(nèi)，如果交叉點(diǎn)在接收窗口，車載ATP根據(jù)電子地圖中交叉點(diǎn)的位置確定列車在線路中位置，車載ATP完成定位。

2.2 位置更新

車載ATP系統(tǒng)完成列車位置初始化后，實(shí)時(shí)計(jì)算更新列車位置，具體流程如下。

首先，列車在本環(huán)線，未進(jìn)入下一環(huán)線，車載ATP根據(jù)車載測速測距單元周期報(bào)告的速度距離信息，實(shí)時(shí)計(jì)算列車在環(huán)線中的位置。

其次，列車進(jìn)入下一環(huán)線，車載ATP接收到地面環(huán)線新環(huán)線的區(qū)域編號(hào)和環(huán)線編號(hào)。車載ATP通過地面ZC獲取前方進(jìn)路代碼，結(jié)合車載電子地圖計(jì)算列車前方進(jìn)路，計(jì)算新環(huán)線的區(qū)域編號(hào)和環(huán)線編號(hào)。將獲取的新環(huán)線的區(qū)域編號(hào)和環(huán)線編號(hào)和計(jì)算的新環(huán)線的區(qū)域編號(hào)和環(huán)線編號(hào)進(jìn)行比較，如果新環(huán)線的區(qū)域編號(hào)和環(huán)線編號(hào)相同，更新列車在新環(huán)線的位置。

最后，更新列車在新環(huán)線的位置有兩種情況。第一種情況，列車在舊環(huán)線中的環(huán)線偏移量大于舊環(huán)線長度，車載ATP將舊環(huán)線偏移量大于舊環(huán)線長度的差值補(bǔ)償?shù)叫颅h(huán)線的偏移量中。第二種情況，列車在舊環(huán)線中的環(huán)線偏移量小于舊環(huán)線長度，車載ATP將經(jīng)過環(huán)線邊界的通信時(shí)間間隔乘以當(dāng)前列車速度補(bǔ)償?shù)叫颅h(huán)線的偏移量中。

2.3 位置校正

車載ATP系統(tǒng)依靠交叉感應(yīng)環(huán)線固定位置交叉點(diǎn)進(jìn)行列車定位及位置校正，具體校正流程如下：

首先，列車進(jìn)入新環(huán)線，車載ATP通過車載電子地圖計(jì)算本環(huán)線交叉點(diǎn)的位置信息；

其次，車載ATP通過地面環(huán)線獲取地面交叉點(diǎn)信息，車載ATP記錄獲得交叉點(diǎn)的位置信息和時(shí)間信息，并根據(jù)交叉點(diǎn)的位置信息和時(shí)間信息極端得到交叉點(diǎn)的精確位置；

再次，車載ATP計(jì)算接收到的交叉點(diǎn)的期望窗口，如果在期望交叉點(diǎn)的接收窗口內(nèi)，車載ATP根據(jù)車載電子地圖中交叉點(diǎn)的位置校正列車位置。如果不在期望交叉點(diǎn)的接收窗口內(nèi)，車載ATP不進(jìn)行位置校正。

然后，車載ATP如果沒有在期望交叉點(diǎn)的接收窗口內(nèi)接收到期望交叉點(diǎn)，車載ATP根據(jù)車載電子地圖獲取下一個(gè)期望交叉點(diǎn)位置和期望窗口，如圖2所示。

圖2 交叉點(diǎn)位置校正流程圖Fig.2 Flowchart of position correction of crosspoints

2.4 位置報(bào)告

車載ATP在建立定位后把列車位置向地面報(bào)告列車位置，車載ATP向地面描述某位置的方式為“車頭走行方向+環(huán)線區(qū)段編號(hào)+沿車頭走行方向”進(jìn)入軌道的偏移量。

2.5 位置校核

車載ATP系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)列車位置進(jìn)行位置校核，具體校核方法如下。

第一，車載ATP系統(tǒng)計(jì)算列車的定位誤差，車載ATP結(jié)合測距誤差、測速測距單元啟動(dòng)和停車過程中測距誤差實(shí)時(shí)計(jì)算列車安全包絡(luò)。車載ATP經(jīng)過車位位置校正后，重新計(jì)算列車定位誤差。當(dāng)列車定位誤差大于閾值時(shí)，車載ATP丟失定位。

第二，車載ATP系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢核列車在環(huán)線中位置。當(dāng)列車在環(huán)線中的位置小于本環(huán)線長度大于一定閾值，或列車在環(huán)線中的位置大于本環(huán)線長度大于一定閾值，車載ATP認(rèn)為位置計(jì)算錯(cuò)誤，車載ATP丟失定位。

第三，車載ATP實(shí)時(shí)檢查接收到的列車所在環(huán)線編號(hào)，當(dāng)車載ATP接收到的環(huán)線編號(hào)發(fā)生跳變，與車載ATP計(jì)算得到的期望環(huán)線不一致，車載ATP根據(jù)進(jìn)路計(jì)算列車位置跳變的距離，如果列車跳變的距離大于一定閾值，車載ATP應(yīng)丟失定位。

第四，車載ATP實(shí)時(shí)計(jì)算地面交叉點(diǎn)的丟失個(gè)數(shù)，當(dāng)交叉點(diǎn)丟失個(gè)數(shù)大于閾值，車載ATP應(yīng)丟失定位。

第五，車載ATP在期望窗口內(nèi)接收到交叉點(diǎn)，計(jì)算比較列車實(shí)際接收到的交叉點(diǎn)的位置和期望交叉點(diǎn)的位置，如果兩個(gè)位置大于一定閾值，車載ATP應(yīng)丟失定位。

第六，車載ATP在期望窗口外接收到多余交叉點(diǎn)，車載ATP應(yīng)丟失定位。

第七，車載ATP在期望窗口內(nèi)接收到多余交叉點(diǎn)，車載ATP應(yīng)丟失定位。

3 測試

結(jié)合北京軌道交通門頭溝線（S1線）的建設(shè)，本測試基于北京S1線進(jìn)行現(xiàn)場測試。車載ATP實(shí)時(shí)計(jì)算列車位置，與S1線實(shí)際線路中的標(biāo)定位置進(jìn)行比較，驗(yàn)證車載ATP定位系統(tǒng)的安全性和有效性。

經(jīng)過北京S1線現(xiàn)場測試，研發(fā)人員對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分類詳細(xì)分析。分析結(jié)果表明，車載ATP定位系統(tǒng)在加速、減速和勻速運(yùn)動(dòng)過程中，列車位置初始化、位置更新、位置校正、位置報(bào)告、位置校核符合MATC系統(tǒng)的安全要求和系統(tǒng)要求。車載ATP能正確的進(jìn)行列車位置初始化，列車位置更新時(shí)，列車位置誤差在25 km/h以下時(shí)小于0.5 km/h，25 km/h以上小于2%。車載ATP進(jìn)行位置校正時(shí)，列車位置與實(shí)際位置在1 m以內(nèi)。分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 車載ATP定位數(shù)據(jù)分析Fig3 ATP positioning data analysis

4 結(jié)論

通過北京S1線現(xiàn)場測試和數(shù)據(jù)分析，證明車載ATP定位系統(tǒng)符合MATC系統(tǒng)的安全要求和系統(tǒng)要求，具有較高的可用性。