王啟龍 上海鐵路局合肥電務段

根據(jù)我國快速客運網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，2020年前，以北京、上海、武漢、廣州為中心，部分省會城市為節(jié)點，將形成1.2萬km快速客運網(wǎng)絡，同時結合動車組配置和運用優(yōu)化方案，在北京、上海、武漢、廣州建設4個現(xiàn)代化動車基地，配套建設25個動車運用所，以滿足“快速維修、安全可靠、高效運營”的要求。

動車組是高速鐵路系統(tǒng)中技術最集中、系統(tǒng)最龐大的部分，它是高新技術集合體，技術含量高。其運用、維修方式與即有機車、車輛有較大差異，特點是高度的專業(yè)化、集約化、社會化和程序化，因此必須依托覆蓋面廣、功能強大、集成度高的信息管理系統(tǒng)，快速、準確、及時地完成各種業(yè)務信息的采集、處理和傳遞，實現(xiàn)生產(chǎn)流程高效運轉，充分發(fā)揮設施能力，保障動車組高效檢修、安全運營。承擔動車組日常檢修和運用工作的動車運用所的建成，體現(xiàn)了我國鐵路動車組的檢修與運用水平達到了世界發(fā)達國家水平。

動車所站場規(guī)模較大，進出車輛較多，有既有車，也有動車組。在檢修和運用作業(yè)過程中，要在不同場區(qū)間頻繁調車轉線，就必須讓調度指揮人員實時掌握動車組位置和股道占用信息，而動車所檢修庫內(nèi)沒有軌道電路，無法掌握動車組停放的具體位置信息（即使有軌道電路，也會因軌道電路區(qū)段太長，而無法判斷動車組停放的具體位置）。因此亟需建立一套底層的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以實現(xiàn)動車組停放及運動位置跟蹤，實時掌握動車所內(nèi)股道占用狀態(tài)以及庫內(nèi)作業(yè)股道通斷電狀態(tài)，為動車所調度人員提供先進的動車組運用、檢修管理手段，使調度人員在值班室內(nèi)可以一目了然地看到動車所股道進路開放、動車組進出車及其停放位置、列車編組等實時信息，提高調度指揮效率，為全路“動車組管理信息系統(tǒng)”提供基礎數(shù)據(jù)。

1 設計原則及思路

1.1 設計原則

根據(jù)動車所調度安全的要求和相關技術規(guī)程，動車所動車位置跟蹤系統(tǒng)的設計原則是：技術先進、管理到位、系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)、確保安全。

1.2 系統(tǒng)設計

實現(xiàn)動車組運用和檢修工作的信息化，首先要了解動車所運用的現(xiàn)狀。目前，已建成的動車所的信息管理系統(tǒng)由于缺少股道信息安全管理系統(tǒng)的支撐，在使用中主要存在以下問題：

⑴微機監(jiān)測復示終端只能看到進路開放情況，看不到車輛停留位置和車體編組信息。

⑵由于車次號與動車組車號不是同一概念，通過目前電務系統(tǒng)，無法讀取進出動車所的動車組車號，以致動車組管理系統(tǒng)只能靠人工輸入動車組進出所時間和動車車次、車號，容易錯輸，效率低下。

針對上述問題，系統(tǒng)設計時，包括了兩個子系統(tǒng)：車號識別子系統(tǒng)、動車組位置追蹤子系統(tǒng)。1.2.1車號識別子系統(tǒng)

⑴當動車組出入存車場、檢查庫時自動讀取動車組車號。

⑵自動記錄動車組出入存車場、檢查庫時間。1.2.2動車組位置追蹤子系統(tǒng)

⑴顯示動車所內(nèi)存車場、檢查庫內(nèi)股道上停放的動車組位置及編組信息。

⑵可輸入動車組車號查找動車組所在位置。

⑶可點擊存車場、檢查庫股道，查找股道上停放的動車組信息。

⑷實時動態(tài)顯示軌道電路的車輛進出情況。

2 實現(xiàn)原理

2.1 車號識別實現(xiàn)原理

車號自動識別設備（AEI）由深圳市遠望谷信息技術股份有限公司提供，包括AEI主機（AEI主控板、通信接口板、射頻收發(fā)信機、磁鋼信號處理板、標簽數(shù)據(jù)解碼板、電源板等）、車輪傳感器（射頻收發(fā)信機開關機磁鋼、計軸判輛磁鋼）、AEI天線。它除了為后臺管理系統(tǒng)提供車輛標簽數(shù)據(jù)外，還提供車速、計軸判輛、標簽自動對位等功能。

車輛進出庫時，通過安裝在咽喉處的車號自動識別設備（AEI）讀取安裝在動車組兩端（既有車安裝在機車頭部）的電子標簽內(nèi)容。獲取車號、車次、端位、進出方向、輛數(shù)、進站速度等信息，界面實時綁定顯示該車號信息，實現(xiàn)車號的識別(如圖 1 所示)。

圖1 AEI數(shù)據(jù)采集及傳輸原理圖

2.2 動車組位置追蹤實現(xiàn)原理

從咽喉處通過AEI設備讀取車輛內(nèi)包含的標簽信息，在界面上即會顯示一個車次窗口，綁定該車號信息，沿軌道行進方向（紅光帶）進行追蹤，類似于DMIS系統(tǒng)的車次跟蹤。車輛進入庫內(nèi)存車線之后，根據(jù)車組信息和位置傳感器，實時顯示在該股道的具體存放位置。在安裝了位置傳感器的股道，可以精確定位動車組停放的具體位置。對于重聯(lián)車，需要根據(jù)頭車的車次號反查尾車的車次號（因為尾車標簽部分不供電，無法直接讀?。?，得到另一臺動車組的車號信息，顯示在股道上。

3 技術關鍵

3.1 動車組在存車線上的定位

動車所內(nèi)的存車線約450～480(m)，動車長度約201m。一般情況下一條存車線存放動車1～2列（8節(jié)編組和16節(jié)編組或重聯(lián)車），在此使用條件約束下，我們要求對動車的定位誤差小于5m，要滿足這樣的定位精度，顯然使用即有的軌道信號技術是難于滿足要求的。此外，對所用的傳感器要求非常高，要耐高溫、耐寒冷、耐潮濕、耐油污、耐振動、耐雨雪、耐行人干擾等。為此，設計了如下定位方案：

3.1.1 地圈式定位法

地圈式定位法是根據(jù)頻率鎖定原理，地圈為振蕩器的電感部件，當機車經(jīng)過設在軌枕間的地圈時，改變振蕩器頻率，鎖相環(huán)電路隨即進行鎖定，以此檢測機車位置。這種傳感器經(jīng)試驗能達到技術要求，但由于檢查庫下有排污地溝，安裝有難度，且數(shù)量較多時，會給工務系統(tǒng)維護帶來不便。經(jīng)試驗后該方案被放棄。

3.1.2 車輪傳感器定位法

車輪傳感器有很多種，而適用于庫內(nèi)使用的，應選擇低速性能較好的有源傳感器（庫內(nèi)限速10km/h），它的原理是通過對機車車輪的計軸、測速、測距來判定機車位置。試驗小組在進行上線試驗時發(fā)現(xiàn)這種方式對運動的機車效果較好，但對于低速或靜止的整備線機車來說就難以計軸、測速、測距來判定機車位置。因此該方案被放棄。

3.1.3 紅外線定位法

我們利用紅外線傳感器對障礙物有反射作用的原理來對機車定位進行試驗。該方案在做室內(nèi)試驗時可以，但上線試驗時發(fā)現(xiàn)紅外線的靈敏度太高，遇下雨、下雪天氣容易受到干擾，因此不具備實用價值。該方案被放棄。

3.1.4 超聲波定位法

同樣超聲波傳感器也有遇到障礙物有反射作用的特性。經(jīng)上道試驗證明，超聲波傳感器對下雨、下雪、灰塵、油污沒有誤動現(xiàn)象，抗干擾能力較強，能達到理想效果，具有實用價值，因此采用了這一方案。根據(jù)上海南動車所的實際情況，超聲波傳感器安裝如圖2所示。

圖2 股道超聲波傳感器安裝位置示意圖

超聲波傳感器安裝應以能實現(xiàn)精確定位的情況下，盡量少安裝為原則，要求每兩個超聲波傳感器間的距離小于200m,并保證8節(jié)編組的動車組能且只能觸動相鄰兩個超聲波傳感器，16節(jié)編組的動車組至少能觸動相鄰三個超聲波傳感器。由于進出都在右側，所以如圖2所示，每股道上安裝三個超聲波傳感器，就能比較容易判斷動車組的位置。

當動車進入存車線時，pos1超聲波傳感器接收到信號，說明動車已經(jīng)開始進入，pos2接收到信號時，對于8節(jié)編組的動車來說，就已經(jīng)完全進入存車線，而對于16節(jié)動車的長編組和重聯(lián)車來說，則不能這樣判斷。系統(tǒng)在處理時，先默認按照8節(jié)編組的動車來處理，并等pos3的信息，如果pos1、pos2、pos3處超聲波傳感器都收到信號，則把原來顯示的短編組變?yōu)殚L編組或重聯(lián)車顯示，如果pos2和pos3有信號，pos1的信號消失，則說明是8節(jié)編組動車，且將停在II列位（盡頭線側）,動車組編組情況如圖3所示。

圖3 動車組編組情況示意圖

3.2 動車位置追蹤

動車位置追蹤主要解決車號窗口跟隨紅光帶移動的問題。存車線外的軌道電路占用信息，是通過輝煌科技股份有限公司的微機監(jiān)測接口獲得的站場開關量數(shù)據(jù)。庫內(nèi)動車運動分3種情況：進車、出車、調車轉場。由于股道占用的開關量數(shù)據(jù)是從微機監(jiān)測接口中得到的，理論上，數(shù)據(jù)是不應該跳變振蕩的，但實際監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，特別是雨雪天，經(jīng)常出現(xiàn)光帶不連續(xù)、亂顯示的情況，紅光帶的時序邏輯錯誤明顯，如果嚴格按照理論上的判別依據(jù)，難以有效地進行車輛跟蹤，在顯示界面上易造成矩形框左右來回亂跑的情況，如何解決這一問題，保證車號窗口始終跟在紅光帶運動？

排一條進路，根據(jù)光帶和站場軌道物理連接關系，可以遞歸找到進路起點和終點，在系統(tǒng)中記錄下這條進路，開始等待起點軌道的被占用（紅光帶）數(shù)據(jù)，若接收到起點的紅光帶數(shù)據(jù)，表示有車進入此進路，則根據(jù)咽喉處讀取的車號報文，在屏幕上顯示為該股道上有一個矩形車號窗口，隨著列車的移動，車號窗口也隨著紅光帶的前進方向移動。

考慮到進路的唯一性，我們在設計算法時采用了過濾局部數(shù)據(jù)震蕩的算法。因為通過觀察發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)震蕩總的趨勢是和車輛實際運動方向一致的，采用類似于瞎子爬山算法求解全局最優(yōu)問題，我們考慮容忍光帶數(shù)據(jù)局部的震蕩，判別思路不是只看當前和下一步紅光帶的時序，而是把趨勢判斷步長定位4步，即往前多看4步紅光帶變化的時序邏輯，判定時刻定位重繪矩行框的之前，按照少數(shù)服從多數(shù)的原則，若記錄的紅光帶右邊方向的個數(shù)大于左邊的個數(shù)，說明車輛向右移動，反之向左移動，進而最終判定車輛運動方向是進所方向還是出所方向，合理地在界面上顯示矩形框的運動軌跡。當然這個邏輯是低于排進路邏輯的，一個完整的進路決定車輛總的運動趨勢，嚴格上講，依據(jù)進路光帶的變紅時序和程序里面鎖存的各個進路股道順序號（界面繪制股道時的索引號），可以逐一進行比對，假定都以第一次收到的紅光帶數(shù)據(jù)為準，可以通過實際和程序內(nèi)鎖定的數(shù)據(jù)進行比較，同樣采用少數(shù)服從多數(shù)的原則，來確定車輛的局部運行方向。大致算法描述如下：

接受紅光帶數(shù)據(jù)，保存光帶的結構數(shù)組賦初值-1；

判斷此紅光帶的右面第四條軌道是否為股道，如果是取此紅光帶以后四條數(shù)據(jù)并記錄在結構數(shù)組里，收到紅光帶數(shù)據(jù)，相應序號的結構數(shù)組賦值1，收到白光帶數(shù)據(jù)賦值0，以第一次讀到的光帶數(shù)據(jù)為準，如有新的重復的光帶數(shù)據(jù)讀到，不覆蓋數(shù)組原有值。若為終點或大于終點，則直接等待終點收到第一條紅光帶為止，將矩形框移至該光帶后，延時到該光帶出清后消失。

判斷當前結構數(shù)組里面新增加的四個值（從左至右，a1-a2-a3-a4），假定為 a1，a2，a3，a4，如果 a1 和 a4 的值為 1 或a1，a3的值為1，或者a2，a4的值為1，則判斷存在進所方向（L->R）。根據(jù)判斷結果顯示矩形框移動至當前紅光帶位置。

雖然上述方法過濾掉了一些不正常的數(shù)據(jù)，使顯示界面更加簡潔、明了，但因為用算法過濾了采集的原始數(shù)據(jù)，不是最真實的原始數(shù)據(jù)，不易在正線車次跟蹤時使用。上海南動車所由于是庫內(nèi)作業(yè)，動車行駛速度非常慢，采集底層數(shù)據(jù)時會出現(xiàn)各種問題（其中很多情況是有些軌道區(qū)段“壓不死”），過濾掉干擾數(shù)據(jù)，也是迫不得已而為之。

4 結束語

上海南動車所在庫內(nèi)增加了少量設備，運用成熟的算法，實現(xiàn)了準確的車輛追蹤與定位，準確率達99.99%，為我局的動車檢修信息化積累了寶貴的經(jīng)驗。