基于信標的列車次級定位系統應用研究*

柴 娟 吳 敏

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司，200235，上海∥高級工程師)

CBTC(基于通信的列車控制)系統主要通過列車主動發送定位報告獲取列車位置信息，并借助計軸區段進行安全防護計算，以確保列車安全的運行。現有CBTC系統通過聯鎖子系統提供的計軸區段占用狀態和車載系統提供的列車位置報告綜合判定得到ZC(區域控制器)的邏輯區段占用狀態。計軸系統在應用過程中存在著發生故障后影響正常行車秩序、維護替換比較困難等問題。為解決計軸系統的上述問題，本文提出了一種采用既有ATP(列車自動防護)系統的地面應答器，采用車地系統結合的方式，為CBTC系統提供了與計軸系統相同安全等級的列車次級位置通用檢測方案。基于此方案，對未來CBTC列車次級定位系統的架構、應用場景進行分析和研究。

1 計軸設備使用現狀

在CBTC系統運行日趨穩定的情況下，計軸設備故障影響運營的事件呈上升趨勢，已成為目前上海城市軌道交通超大網絡規模下高密度運營模式的痛點之一。因此，解決以計軸設備輔助定位的CBTC中計軸系統與ZC系統相互依賴性緊密、耦合度高的問題變得迫切。

1.1 現場環境關聯性強

計軸輔助定位根據其交變磁場的變化頻率和變化的時間順序來判斷通過的列車軸數，其工作原理導致計軸設備易受干擾，如電磁干擾、工程車干擾和檢修梯車夜間施工干擾等。若計軸受擾，需采用列車或人工模擬車輛進行清掃。計軸設備的感應設備安裝在軌道上，與鐵軌高度關聯，更換鐵軌時需要對其進行拆卸、再安裝和調試等工作，從而增加了維護工作量。

1.2 計軸設備故障現狀

計軸故障在運營中時有發生，導致計軸的虛假占用。計軸故障的原因主要包括[1]：① 計軸設備停機；② 計軸設備板卡電源故障；③監測點磁頭與計軸設備發生通信故障；④ 計軸區段空閑，且受到監測點的錯誤警告；⑤ 計軸區段的輪軸計數值為負值；⑥ 計軸設備監測點的2個CPU(中央處理器)信息不一致；⑦ 檢測到計軸區段內“剩余”軸數小于1個門限值，即被認定少于1個列車的輪軸數。

現有CBTC系統一般采取基于通信列車追蹤的技術來規避對列車運行的影響。在此過程中，軌旁ATP還需向聯鎖同步計軸區段占用的判斷信息，使得聯鎖也能夠完成進路的正常排列和解鎖。

日常運營過程中經常會出現CBTC主定位系統失效的列車(即非通信列車)經過1個故障占用區段的情況，此時CBTC系統無法對列車的長度進行判斷。而根據信號系統故障安全導向的原則，CBTC系統需假設故障占用區段有列車遺留而判定為實際占用，這將導致后續列車的移動授權或進路都無法通過該故障區段。若計軸設備故障發生在早晚高峰時段，或發生在道岔區段、折返站、出入段線等關鍵線路區域，都將造成較大的運營影響。

2 基于信標的次級定位系統

在現有CBTC系統中，列車的次級定位是指對非通信列車或未安裝CBTC車載設備的列車進行定位的手段。在城市軌道交通正線區段，列車的次級定位技術一般以計軸系統為主，而在部分車輛段區段內，列車的次級定位則采用軌道電路系統。

基于信標的次級定位系統是一套獨立于車載系統的定位處理系統。信標次級定位設備安裝在列車上，與信標天線連接，用于讀取軌道上的信標位置信息(主要包括列車號、信標號及線路號等)，并通過車地無線鏈路上傳至地面。軌旁服務器負責接收、存儲、轉換車載發送列車定位信息，列車位置通過人機界面進行輸出顯示，無線傳輸可使用信號系統獨立的以太網絡，也可在確保信息安全的前提下使用公網。基于信標的列車次級定位系統的安全等級為SIL4(安全完整性等級4)，可實現故障列車與正常列車的混跑。

基于信標的列車次級定位是通過無線網絡進行信息傳輸，必須保證無線通道的高可靠性。目前上海城市軌道交通既有線路改造和新線建設中，信號系統的無線通信網絡均采用雙制式四網絡的標準。在CBTC車載雙系統的精確計算，以及在穩定可靠的LTE-M(城市軌道交通用長期演進)和Wi-Fi(無線保真)雙制式網絡車地無線通信技術保障下，唯一需要考慮的是CBTC系統故障列車以及工程車的定位問題。

2.1 系統架構

基于信標的列車次級定位系統架構如圖1所示，在列車上安裝1 套內部冗余的次級信標定位主機。列車次級信標定位系統獨立于車載控制器。當車載控制器發生故障時，次級信標定位仍能正常工作。根據無線通信可用性情況，列車次級信標定位的無線通信通道也可獨立布置。在計軸的布置上，正線無岔線路按照相鄰2個計軸點距離不大于1.2 km予以布置，以滿足信號系統后備模式下列車追蹤間隔性能要求。在信標的布置上，為了滿足車站上下行方向精確停車的要求，正線上信標的布置數量較多。在車站外的非停車軌區段，信標按300 m/個進行布置，完全能滿足列車在正線的定位精度要求。

注：CC1——車載系統1；CC2——車載系統2。B1、B2、B3——軌旁信標的編號。

2.2 線路級信標次級定位系統

列車將位置信息主動上報到信號系統軌旁設備，列車次級定位信息可在ATS(列車自動監控)系統予以顯示。ATS系統將對列車次級定位的信息和車載主定位信息進行區分，信號系統會對其信息優先級進行設置。基于信標的列車次級定位顯示方式，也可獨立設置顯示終端，界面與ATS界面保持一致性。當ATS故障情況下，用以顯示本線路列車的當前位置。列車次級信標定位系統實時上傳列車的車體號和信標的ID(標識)，本地服務器匯聚列車上傳的信息，計算出列車所在的區域。

2.3 網絡級基于信標的列車次級定位系統

對線路級列車位置進行信息匯聚和處理，可實現在線路級的終端顯示全線網列車當前所在的區域，如圖2所示。網絡級基于信標的列車次級定位系統可為跨線路運行的列車提供更可靠、更靈活的運營管理方式。

注：OCC——運營控制中心；COCC——網絡運營協調中心。

3 網絡級基于信標的列車次級定位系統的規劃

上海城市軌道交通部分線路的信號系統達到或者超過使用年限。基于這些線路的信號系統改造項目，逐步建立全網絡的基于信標的列車次級定位系統，需從以下方面著手規劃。

3.1 專用的無線通道

隨著無線技術的飛速發展，結合上海城市軌道交通信號車地無線通信網絡的建設現狀，車地無線網絡按照LTE-M和Wi-Fi的雙制式網絡進行建設。基于信標的列車次級定位系統的車地無線通信方式與信號系統車地通信方式保持一致，均采用LTE通信，軌旁分別設置LTE網的AP(接入點)、Wi-Fi的AP、PRP(并行冗余協議)通信協議；車載分別設置TAU(車載接入單元)、OBM(車載調制解調器)、PRP通信協議。

3.2 各城市軌道交通線路可建立獨立的傳輸網

各城市軌道交通線路可基于供應商提供的信號系統架構的特性，獨立建設該線路的定位系統有線環網，安全地將列車位置信息傳輸至列車控制系統，對列車進行實時追蹤。

3.3 線網內統一信標ID、通信地址規劃

為了實現全線網信號車地通信無線網絡的接入，需對全線網次級信標定位設備的ID和通信網絡通信IP(互聯網協議)地址進行統一分配，以確保全網軌旁信標設備的編碼唯一性。對于信標設備的ID，應基于不同線路的信標數量進行統一規劃；對于車載定位系統，應根據各線路劃分為不同網段，統一對其IP進行規劃。

3.4 統一接口通信協議

為了實現跨線運行電客列車的定位，需對進入上海城市軌道交通信號系統中的車地通信協議進行統一規劃：在信標-信標天線方面，應明確所采用的信標報文及編碼協議；在信標天線-車載定位系統方面，應明確所采用的通信協議；在車地傳輸方面，應統一協議和應用層的數據結構。

4 基于信標的列車次級定位系統應用場景分析

4.1 列車定位管理

基于信標的列車次級定位系統對正線上、車輛段/停車場內的列車運行進行定位追蹤，通過獨立的人機界面進行顯示。遵守統一接口通信協議的跨線運行列車，其列車定位功能可實現無縫銜接，并在線路側或網絡中心側的人機界面上顯示。

4.2 列車轉線作業

目前城市軌道交通線路間的聯絡線通過照查檢查方式實現線路間的聯鎖功能。聯絡線邊界區段有采用如軌道電路、計軸、虛擬站臺等方式來實現互鎖互防。而在聯絡線的人機界面上，其顯示范圍存在局限性，且易造成聯絡線上的設備故障，進而影響正線運營。例如，2017年上海軌道交通2號線和17號線間聯絡線上的道岔SW06F失表(如圖3所示)，2號線X10L信號機無法開放，導致2號線虹橋火車站下行列車無速度碼，造成10 min的運營晚點。

圖3 上海軌道交通2號線、17號線間聯絡線示意圖

在基于統一軌旁應答器編碼規則和無線通信協議的基礎上，基于信標的列車次級定位系統可實現線網內所有線路的列車定位。列車在轉線作業中，調度人員可根據列車的精確位置，將聯絡線區域的設備鎖閉在相應的位置上，并對司機進行動車授權。司機根據調度員指令，采用人工駕駛模式將列車運行到指定目的地。

基于信標的列車次級定位系統可實現對列車位置的實時跟蹤，以保證其他通信列車及故障列車的安全，同時向軌旁ATP系統提供降級列車位置信息。聯絡線基于信標的列車次級定位的處理方式，不再是照查電路的互鎖互控，而是根據聯鎖線具體長度、站型等因素，通過在聯絡線上加裝其他輔助檢測設備，對進入線路的列車進行識別和資源管理，從而有效地解決了聯絡線上設備故障對正線運營造成影響的問題。

4.3 列車控制系統的降級管理模式

當2套CC(車載控制器)均發生故障時，列車需要采用降級模式運行，信號軌旁ATP系統將故障列車最后1次向VOBC(車載控制器)匯報的位置作為起點，進行列車跟蹤，判斷列車行駛過的地面信標的連續性，以安全的方式更新故障列車的位置信息。

基于信標的列車次級定位系統通過線路上的應答器來獲取列車位置信息，并將列車位置信息發送軌旁ATP。調度人員也可通過ATS向故障列車發送運行任務，信號系統會對該列車分配資源，司機按照車輛模式根據信號燈顯示駕駛列車。CBTC系統將根據故障列車的位置，建立該故障列車的包絡線，以確保故障列車和正常列車的安全混跑運營，直至故障列車就近下線。

在極端情況下，列車的次級信標定位和車載信號均發生故障，此時信號系統會根據列車位置資源的管理，其地面系統生成的占用狀態不再自動刪除，且進路占用直接延伸至進路末端。地面系統依據多列車通過后匯報應答器報文的狀態來對故障應答器進行登記，并通過增加占用延伸區域的方式進行強化防護。

4.4 次級定位故障處置

計軸設備存在故障后若沒有及時恢復，將造成列車位置無法檢測。若故障位置發生在出入場線入口或者聯絡線交界處，會造成CBTC系統無法正常使用。而基于信標的列車次級定位系統獨立于CBTC系統，采用無線冗余、電源獨立、環網獨立的方式，其故障不會影響到CBTC系統的正常使用。

次級定位故障影響的范圍較小。若單個應答器發生故障，基于信標的列車次級定位系統將根據列車的位置包絡具備連續性的特征，擴大列車的占用區段，等到列車行駛至下1個應答器后即可重新精確定位。信標天線經過2個應答器后，能夠確定列車所在的位置區域，可容忍不連續的應答器故障，其原理如圖4所示。圖4中，假設單個信標B3故障，則不確定區指的是列車位置不確定的范圍，即位置由B1延伸至B4信標處；靜態占用區是指列車長度加上不確定區的長度。基于信標的列車次級定位系統采用靜態占用區長度作為列車實際占用位置區段。

注：B1、B2、B3、B4分別為軌旁信標的編號。

4.5 應用效果分析

基于信標的列車次級定位系統目前在上海的軌道交通3號線、4號線大修上予以應用，凸顯出其在穩定性、維護性等方面的優勢：① 基于信標的列車次級定位系統不受軌道環境的影響，采用了標準化的歐標應答器，有著成熟、可靠的技術和多年的應用經驗；② 可實時監控信標的工作狀態，通過增加性能分析等手段對設備的異常狀態進行預判；③ 基于信標的列車次級定位系統采用無電子地圖的系統，線路升級無需更新其軟件；④ 采用了統一協議接口，可實現免維護的跨線互聯互通的列車定位。

5 結語

城市軌道交通信號系統應結合所在城市特點和本地運維需求進行不同方向的規劃。基于信標的列車次級定位系統能實現正線信號控制區域的無計軸化，具有簡化系統結構、便于安裝、抗干擾能力強，以及可減少設備維護工作量、降低維護綜合運營成本等優點，從而提升了系統可用性和快速恢復能力。在城市軌道交通超大規模網絡化運維管理的背景下，基于信標的列車次級定位系統在不需要太多投入的情況下可對系統功能進行正向增強，是上海未來新線線路建設和既有線路改造的首選方向。