城市軌道交通列車全自動運行系統的列車喚醒休眠方法研究*

陳寧寧 張 琦 郜洪民 邢科家

(1.中國鐵道科學研究院研究生部，100081，北京；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所，100081，北京；3.國家鐵路智能運輸系統工程技術研究中心 100081，北京∥第一作者，高級工程師、博士研究生)

依據IEC 62290-1—2014《鐵路應用—城市軌道交通管理與指揮/控制系統》規范定義，城市軌道交通的GoA(自動化等級)可以劃分為5個等級：GoA0，GoA1，GoA2，GoA3，GoA4[1-2]。從降低列車使用能耗和提高運營管理自動化水平的角度，GoA4的UTO(無人值守的列車全自動運行)系統要求能夠實現遠程喚醒功能[3-5]。城市軌道交通列車全自動運行系統的構成如圖1所示。其與遠程喚醒相關的設備有車載的WIU(喚醒休眠單元)、軌旁的喚醒休眠設備、控制中心的ATS(列車自動監控)系統。每天運營結束后列車自動進入車輛段庫線停準并實施自動休眠操作。休眠后的列車主要的用電設備都自動關閉，只保留喚醒休眠相關的車輛頭尾冗余配置WIU蓄電池供電。喚醒設備的主要功能是對車輛的位置實施獲取及監督，并將位置發送給控制中心ATS系統；實時接收來自于控制中心ATS系統的喚醒命令。

圖1 列車全自動運行系統構成圖

控制中心ATS系統根據列車位置、狀態和運行計劃編制列車的喚醒計劃。地面ATS按照喚醒計劃給目標列車發送喚醒命令。車輛接收到喚醒命令后，控制車輛其他非喚醒設備(空調、牽引、制動、空壓機等)上電，并進行全車上電后的靜、動態自檢。

車輛段內，車輛由于檢修任務被牽引離開休眠列位，或由于溜車、測試任務動車而造成車輛離開休眠位置，則該車輛將無法被正常喚醒，進而造成早班車庫內發車延誤。對此，為降低此類事件發生的概率，控制中心ATS系統需實時監督列車的位置并根據休眠列車位置的變化來變更喚醒計劃。

1 列車休眠后的列車位置維持及監督

1.1 軌旁傳感器休眠定位技術

軌旁傳感器休眠定位技術是基于軌道電路或計軸技術,利用安裝在軌旁傳感器對休眠車輛進行定位的技術(如圖2所示)，可利用“3點檢查”原則確定列車的位置。

圖2 休眠庫線計軸區段劃分

此技術的優點在于車載設備不需要額外的定位設備帶電，而完全依賴于軌旁設備實現休眠列車的定位。但此定位技術的精度較低，只能確定車輛未離開休眠前的計軸區段，無法確定車輛是否已經離開喚醒休眠區域。且此技術的使用受限于庫線的計軸區段的劃分，2個休眠計軸區段AG和BG之間必須有一個小的計軸區段CG。通過判斷CG段占用與否，來判定休眠于BG段和CG段的車輛是否發生過移動。

1.2 車載傳感器休眠定位技術

1.2.1 利用喚醒休眠應答器定位

喚醒休眠應答器為無源應答器，比普通固定應答器的尺寸要長、通信范圍要大，如圖3所示。應答器和車載設備之間的數據傳輸通過空氣中磁場耦合完成。車載應答器傳輸單元的天線向地面發送27.095 MHz的連續電磁波功率信號，為地面應答器提供產生電源的電磁場。當車載天線接近地面應答器時，地面應答器天線環感應到能量，通過電磁耦合轉換成電能，地面應答器被激活，向車載設備循環發送報文，直至能量消失。

圖3 喚醒休眠應答器

相對于軌旁傳感器休眠定位技術，此技術的定位精度更高。位置精確度應該在0.998置信區間內。列車速度為v時,用|Lerr|(單位為m)來表示測量應答器位置與應答器物理中心相比較的最大誤差：

(1)

喚醒休眠應答器的通信范圍為應答器的物理長度與|Lerr|之和。

此技術的缺點是:讀取喚醒休眠應答器的車載BTM(應答器傳輸單元)功耗很大。列車休眠后，為了節約車輛蓄電池電量，需要車載應答器傳輸單元處于斷電狀態。因此，休眠時車載休眠設備無法通過BTM實時讀取喚醒休眠應答器的報文，更無法通過喚醒休眠應答器來實時獲取列車位置。只有列車被喚醒，且車載BTM得電后，才能繼續獲取列車位置。

1.2.2 利用車載測速單元的多傳感器融合定位

車載測速單元包括速度傳感器、多普勒雷達和主控單元，采用多傳感器信息融合技術。雖多傳感器信息融合技術已經過多年的發展，但絕大多數信息融合研究皆是針對特定問題開展的，未形成完整的理論框架和融合模型。而基本的車載測速單元定位通過相對位置的累加來不斷修正列車的絕對位置。車載主控單元要記錄休眠前的絕對位置作為累計基礎。

速度傳感器安裝在車輛的軸頭上，跟隨車軸的轉動而轉動,通過霍爾或光電方式獲取車軸的轉動角度并轉化為傳感器的脈沖輸出。車載傳感器的信息融合重點在于相對位置的累加。速度傳感器定位的一個誤差源頭為輪徑誤差。隨著車輛運營時間的推移，車輪會磨損。如果輪徑按照出廠參數來設定，勢必會帶來誤差。

多普勒雷達測速是一種直接測量速度和距離的方法。在列車頭部安裝的多普勒雷達，始終面向軌面發射電磁波。根據多普勒效應原理，由于車輛與地面之間有相對移動，故在發射波與反射波之間產生頻移，雷達通過測量頻移就可以計算出列車的速度。通過速度累加可計算出列車移動的距離。雷達測速可克服車輪磨損、空轉和滑行等造成的誤差。

此技術的優點是，速度傳感器的脈沖測距精度很高。此技術的缺點是，由于低速時的雷達精度很低，速度傳感器的方向判斷誤差較大，從而造成定位誤差需要雙向累計[6-11]。休眠前的列車絕對位置不確定性本身就很大，造成休眠時定位可靠性較低。此外，列車休眠時的帶電設備也相應增加，功耗增加。因此利用車載測速單元作為休眠時的定位方法可用性較低。

由于存在列車被工程車拖離休眠位置或由于溜車等其他原因造成車載應答器天線無法與地面加長固定應答器對正的情況,在列車休眠期間，地面ATS系統無法判斷發生上述異常的車輛已經無法成功喚醒，還會繼續給上述異常列車發送喚醒命令;異常列車喚醒后無法讀取地面喚醒休眠應答器報文而導致喚醒失敗，系統可用性降低。

如果通過休眠時保持車載應答器傳輸單元或車載測速單元長期帶電的方式實現位置的持續獲取，車載系統功耗會增加很多,全自動運行系統支持的休眠時間會降低很多。

1.3 休眠時車地通信通道

地面ATS系統需要實時監督停在休眠區域的車輛的狀態。利用軌旁傳感器休眠定位技術時，地面ATS系統無需通過車地通信通道獲取車輛位置。但是車載傳感器休眠定位技術卻需要車地通信通道的支持。休眠后，列車喚醒指令的獲取需要此通道的支持。

車載BTM天線為單向通信設備，地面ATS無法通過此設備獲取列車的狀態。因此，休眠時需要保證車載無線通信設備(WLAN(無線局域網)、LTE(長期演進))保持帶電。這2種通信方式都為高頻通信，其車載設備在休眠時的功耗會較高。

2 喚醒休眠系統設計

為了解決上述問題，設計了如下具備車地通信及實時定位監督功能的喚醒休眠系統。

車地雙向通信及定位裝置的基本構成單位為車載定位傳感器、車載傳感器處理單元和地面定位天線，如圖4、圖5所示。

圖4 車地雙向通信及實時定位的喚醒系統構成圖

圖5 喚醒系統構成實景圖

車地雙向通信及定位裝置的定位原理是車載定位傳感器通過判斷地面天線的發射功率強度判斷是否在天線的覆蓋范圍內。車載既有的BTM、WLAN或LTE無線通信設備不需要帶電，僅低功耗車載定位傳感器及處理單元帶電。地面發射天線為有源設備，需要軌旁設備供電，不同于歐標固定應答器這種無源設備的讀取方式。

2.1 喚醒流程設計

喚醒流程如圖6所示。

圖6 喚醒流程圖

1)已休眠的列車通過車載定位傳感器實時接收地面定位天線發送的無線信號。

2)當接收到定位天線無線信號后先進行接收功率的判斷。如果超過設定的閥值則判斷列車處于允許休眠區域內，根據地面天線的ID(標識)判斷列車所處的位置并將位置發送給控制中心ATS系統。

3)控制中心ATS系統接收到地面天線ID及列車ID，通過兩個唯一的ID判斷列車所處的位置。

4)控制中心ATS系統按照時刻表及列車位置信息通過地面定位天線(WLAN或LTE等其他車地通信設備已斷電)給已休眠列車發送喚醒命令，車載處理單元判斷命令正確后給車輛發送喚醒命令。

5)車輛上電后，系統喚醒成功。

車載定位傳感器與地面定位天線之間可以進行雙向通信，且通信范圍與地面定位傳感器的設備大小相關。喚醒休眠系統可以根據需要的定位范圍確定地面天線的長度，喚醒休眠系統的設計靈活。車載定位傳感器離開地面定位傳感器的物理邊界后就無法實現與地面的雙向通信。

2.2 喚醒休眠系統主要工作特性

1)定位精度:定位精度受限于地面無線輻射邊界的功率衰減，因此，可通過分析天線的衰減特性來選擇合適判斷功率，以提高定位精度。

2)定位有效范圍:受限于地面傳感器的長度(見表1)。

表1 傳感器通信范圍實測結果

3)定位魯棒性：每個地面傳感器有唯一的設備ID，車載處理單元通過地面設備ID判斷所處位置；車地雙向通信基于安全通信協議實現，保證通信的安全性；車載傳感器也有唯一的設備ID,地面ATS系統可以通過此車載ID及安全通信協議來確定列車的位置。此方案能滿足SIL2(安全完整性等級2)的要求。

2.3 喚醒休眠系統設計目標

喚醒休眠系統設計主要解決以下問題：

1)休眠時的位置持續獲取:利用新型的車地雙向通信及定位設備可以不通過既有的車載應答器傳輸單元和車載測速單元來準確地判定休眠時車輛是否靜止于某一固定區域內。利用新型的車地雙向通信設備，地面ATS系統不通過LTE或WLAN設備就能實時監督列車是否在休眠區域內。當地面ATS系統判斷列車移除休眠區域時，可以將該列車從允許喚醒列表中刪除，避免了列車移動但列表未及時更新而造成的喚醒操作失敗，導致車輛段發車晚點。

2)簡化車載休眠設備設計、延長車輛休眠后的待機時間:新型的車載低功耗雙向通信及定位設備為低頻率設備(10～100 kHz)，且地面設備為有源工作模式，車地通信主要依賴地面設備的信號發射，從而降低了車載設備的功耗。

車載天線通過判斷地面的無線覆蓋強度來判斷列車是否在地面天線的范圍內，以實現定位。地面天線的發散角度相對于喚醒休眠應答器的擴散角度小，邊界定位精度相對于喚醒休眠應答器能提高10倍左右，因此定位精度較高。

表2列出了既有設備和新型設備在實現休眠后實時定位及雙向通信功能時的功耗對比。利用新型的低功耗雙向通信及定位設備，既不用開啟車載的無線通信設備(WLAN、LTE)，也不用開啟車載應答器設備和車載測速單元。這簡化了車載休眠設備的系統設計,可有效降低休眠時設備對車輛蓄電池的損耗，進而延長整個系統休眠時的待機時間。

表2 車載設備功耗比較

3 結語

利用雙向通信及列車定位喚醒休眠系統，在簡化系統構成(不用開啟車載應答器傳輸單元、車載定位單元、WLAN及LTE無線通信設備)的同時，可實現休眠過程中控制中心ATS系統持續地獲取列車的位置。

該喚醒休眠系統可以通過調整地面天線的物理長度實現通信范圍的靈活調整，相對于車載應答器傳輸單元和測速單元等既有方式,其具有使用靈活、功耗低和精度高等特點。目前該系統已在現場作實車驗證,有較好的應用前景。