朱 琎,楊劍鋒,周 宇

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院,蘭州 730070)

列車定位與跟蹤是列車運行控制系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù),在鐵路信號控制系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色。準確、及時、可靠地獲得列車的位置信息,是鐵路安全、高效運營的保障,也是發(fā)揮運能、提高效率的前提。從保證安全的角度出發(fā),列車運行控制系統(tǒng)需要了解當前列車位置,以判斷其距前方列車尾部的距離,或是距列車運行前方信號機的距離,從而控制列車加速、減速或者停車,防止列車碰撞、擠岔以及追尾等事故的發(fā)生。從提高運輸效率出發(fā),列車運行控制系統(tǒng)根據(jù)列車位置以及運營約束條件和速度約束條件等,通過優(yōu)化列車間距,從而在保證安全的條件下提高行車密度和鐵路運輸效率[1]。

1 現(xiàn)有的列車定位技術(shù)

目前,在列車運行控制系統(tǒng)中,列車定位大多是采用輪軸測速傳感器、軌道電路、查詢應(yīng)答器以及GPS定位等技術(shù)來實現(xiàn)的[1]。下面針對這幾種主要的列車定位方法來進行分析。

1.1 輪軸測速傳感器法

由于車輪的轉(zhuǎn)動直接反應(yīng)列車的運動,因此利用車輪的轉(zhuǎn)動信息可以獲得列車的實時運行速度,進而通過對其進行積分運算便可得到列車的走行距離。該方法是：將脈沖轉(zhuǎn)速傳感器安裝在列車輪軸上,輪軸每轉(zhuǎn)動1周,傳感器就輸出一定數(shù)目的脈沖,這樣的脈沖頻率與輪軸的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系,輸出脈沖經(jīng)過濾波、隔離和整形以后,直接輸入微處理器進行頻率測量并將其轉(zhuǎn)換成列車運行速度和走行距離。近年來,由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展和普及,高精度脈沖轉(zhuǎn)速傳感器、微處理器等新技術(shù)相繼投入使用,使得輪軸測速傳感器法在測量精度和可靠性等方面都有了很大提高。

然而,在列車的走行過程中,由于線路條件、加速或制動等因素的影響,機車輪對發(fā)生空轉(zhuǎn)或滑行,這將直接影響列車實際運行速度的測量精度。因此,如何克服空轉(zhuǎn)或滑行等因素造成的測量精度下降,是這種方法需要解決的關(guān)鍵問題。

1.2 軌道電路

基于軌道電路的列車定位方法是通過將鋼軌分割成不同的區(qū)段,在每個區(qū)段的始端和終端加上發(fā)送/接收器,從而構(gòu)成一個信息傳輸回路。當區(qū)段空閑時,信息由發(fā)送器通過回路傳輸?shù)浇邮掌?接收繼電器勵磁吸起；當列車進入?yún)^(qū)段,此區(qū)段占用時,輪對將兩根鋼軌短路,信息不能送至接收器,接收繼電器失磁落下,從而達到列車檢測及定位的目的。

軌道電路不僅可以完成列車的占用檢測和定位,還可以實現(xiàn)鋼軌的斷軌檢測,是一種高安全、高可靠的列車占用檢測及定位方法。但軌道電路的工作狀態(tài)嚴重依賴于道床狀態(tài),在道砟電阻很低的地方(如隧道內(nèi)),軌道電路無法正常工作。

1.3 查詢-應(yīng)答器

查詢-應(yīng)答器鋪設(shè)在軌道中央,當列車經(jīng)過時可以以無線的方式向列車提供當前位置、前方路況等信息。它可以用作連續(xù)式列車運行控制系統(tǒng)的列車精確定位設(shè)備,可以作為列車檢測或定位輔助設(shè)備。顯然,采用這種方法想要得到精確地列車定位就必須在軌道上設(shè)置大量的應(yīng)答器。目前,單個應(yīng)答器的價格仍相對較高,大量的應(yīng)答器不僅使得鐵路建設(shè)的成本增加,還同時帶來了維修的難題。

1.4 GPS定位系統(tǒng)

全球定位系統(tǒng)GPS是基于GNSS的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用。GNSS定位的顯著特點是大范圍、高精度和低成本[1,2]。利用GPS衛(wèi)星信號的高精度載波相位觀測進行定位,在數(shù)千千米距離上,其精度可達幾個ppm,而且誤差不隨時間而積累。但由于GPS容易受到地形的影響,造成衛(wèi)星的信號無法很好地接收到,使得當列車進入隧道環(huán)境或遮蔽環(huán)境后,無法完成可靠的定位與跟蹤。

目前,我國的CTCS系統(tǒng)主要使用查詢-應(yīng)答器、里程計(輪軸測速傳感法)以及軌道電路相結(jié)合的方法進行列車定位,這種方法較任何單一技術(shù)手段的列車定位在精度和可靠性方面都有了很大提高。但由于應(yīng)答器組之間的鋪設(shè)距離較遠,且列車在運行過程中存在空轉(zhuǎn)/滑行等情況,如何在隧道等軌道電路不宜使用的地區(qū)實現(xiàn)連續(xù)、高精度、高可靠的列車定位一直是鐵路研究人員研究的熱點問題。

本文提出了一種基于SAW RFID的列車定位與跟蹤系統(tǒng),通過在軌道中央相對密集地鋪設(shè)廉價的SAW標簽來代替查詢-應(yīng)答器,彌補在隧道或遮蔽環(huán)境下其他列車定位方法的不足,實現(xiàn)列車在隧道或遮蔽環(huán)境下實時、接近連續(xù)式的列車定位與跟蹤,為列車運行控制系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

2 RFID與SAW RFID

RFID(射頻識別)是近年來隨著無線電技術(shù)和大規(guī)模集成電路的普及應(yīng)用而出現(xiàn)的一項先進的自動識別和數(shù)據(jù)采集技術(shù),在生產(chǎn)制造、銷售流通、公共安全等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。但是其作用距離一般只在1 m以內(nèi),這極大地限制了RFID技術(shù)優(yōu)勢的充分發(fā)揮。SAW(聲表面波)技術(shù)是一種新興的識別技術(shù),它具有標簽無源、抗干擾能力強、體積小等優(yōu)點,它的有效識別距離可達數(shù)米,并且可以識別高速運動的物體[3-5]。因此,應(yīng)用SAW技術(shù)的運動目標識別和定位系統(tǒng)將會有極好的前景。

2.1 RFID系統(tǒng)的組成

通常情況下,RFID系統(tǒng)是由閱讀器、電子標簽和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)構(gòu)成。閱讀器和標簽都有各自的集成天線。兩者之間通信過程涉及到數(shù)據(jù)和能量傳輸,通信協(xié)議和時序的設(shè)定,圖1為RFID 系統(tǒng)的組成[5]。

圖1 RFID系統(tǒng)的組成

2.2 RFID的工作原理

聲表面波(SAW)是傳播于晶體表面的一種機械波,其聲速僅為電磁波速的十萬分之一,傳播衰耗很小。聲表面波器件的功能部分,是采用現(xiàn)代微電子技術(shù)在表面拋光的壓電材料基片上制作的叉指換能器(IDT)、反射體和耦合柵等金屬電極結(jié)構(gòu),基于(逆)壓電效應(yīng),射頻信號在經(jīng)歷電磁波—聲表面波—電磁波的換能過程中得到處理,達到預(yù)定功能要求。

SAW RFID 系統(tǒng)由閱讀器和應(yīng)答器(SAW 標簽)組成。應(yīng)答器由壓電基片、叉指換能器(IDT)、聲表面波反射器以及連接在叉指換能器上的天線組成,如圖2所示,換能器的2條總線與電子標簽的天線相連接。閱讀器的天線周期地發(fā)送高頻查詢脈沖,在電子標簽天線的接收范圍內(nèi),被接收到的高頻脈沖通過叉指換能器轉(zhuǎn)變?yōu)槁暠砻娌?當 SAW 遇到機械或電不連續(xù)的表面時,SAW的一部分就會被反射回去。壓電基片和金屬化表面之間的過渡就是具有這樣的不連續(xù)性,因此安裝在壓電基片上的一組金屬反射器就構(gòu)成了聲表面波反射器。由于反射器陣列的排列方式是與一組編碼嚴格對應(yīng)的,因此,反射器陣列產(chǎn)生的SAW 回波信號包含有標簽的編碼信息。叉指換能器接收到這些聲表面波回波信號,通過壓電效應(yīng)將其轉(zhuǎn)換為電信號并通過天線以射頻脈沖串的方式發(fā)射出去,閱讀器天線接收到回波信號,經(jīng)過解調(diào)、解碼等信號處理達到識別的目的[6-8]。

圖2 SAW的物理結(jié)構(gòu)

由于聲表面波傳播速度低,有效的反射脈沖串在經(jīng)過幾微秒的延遲時間后才回到閱讀器,在此延遲期間,來自閱讀其周圍的干擾反射已衰減,因此不會對聲表面波電子標簽的有效信號產(chǎn)生干擾。

比較我國鐵路目前使用的查詢-應(yīng)答器,SAW RFID技術(shù)具有以下優(yōu)點[2,9-11]：

(1)標簽芯片與車載天線匹配簡單,制作工藝成本更低；

(2)不僅能識別靜止物體,而且能識別速度達360 km/h的高速運動物體；

(3)標簽具有確定的使用期限,且使用期限內(nèi)不需維修,可有效降低鐵路的維護成本；

(4)數(shù)據(jù)量大,根據(jù)需要可傳輸除識別信息外的目標的身份信息、運行狀態(tài)等；

(5)保密性高,未經(jīng)允許幾乎不能復(fù)制與修改任何數(shù)據(jù),符合列車運行控制系統(tǒng)高安全性的要求；

(6)具有很強的環(huán)境適應(yīng)性,抗干擾能力強,可在全天候下使用,幾乎不受污染與潮濕的影響。

因此,使用SAW RFID技術(shù)代替查詢-應(yīng)答器,不僅可以解決列車在隧道環(huán)境或遮蔽環(huán)境下的列車定位,與GPS全球定位技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)在部分環(huán)境比較惡劣的線路(如青藏線)上無“盲區(qū)”的列車定位與跟蹤[10],而且還可有效降低鐵路建設(shè)和維護成本。

3 基于SAW RFID的列車定位與跟蹤系統(tǒng)

在CTCS-2/3級列車運行控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及查詢-應(yīng)答器在列車定位與跟蹤中的應(yīng)用,本文提出了基于SAW RFID的列車定位與跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[11-12],如圖3所示。系統(tǒng)的工作原理如下。

圖3 系統(tǒng)工作原理

將無源SAW標簽以一定的間距(如200 m)固定于軌道中央,標簽讀寫器及相應(yīng)的通信設(shè)備安裝在列車上,并與車載安全計算機相連接,讀寫器天線則安裝在機車底部,用來讀取標簽內(nèi)精確的位置信息等數(shù)據(jù),從而實現(xiàn)列車定位。

車載讀寫器周期性地通過發(fā)射天線發(fā)送特定頻率的射頻信號,當某個SAW標簽進入有效工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而獲得能量被激活。SAW標簽則將自身以編碼的信息(如SAW標簽所處位置參數(shù)、位置參數(shù)的精度、下一區(qū)段的線路條件、前行列車通過該標簽時的時間、速度等)通過內(nèi)置射頻天線發(fā)射出去。

車載讀寫器的接收天線接收到來自SAW標簽的調(diào)制信號,經(jīng)解調(diào)、解碼等處理后送入車載安全計算機。車載安全計算機綜合來自RFID讀寫器、測速測距單元、線路數(shù)據(jù)庫等的信息,實時地計算出列車速度、當前位置等數(shù)據(jù),并通過無線通信的方式發(fā)給地面控制中心。

在車載讀寫器讀取標簽數(shù)據(jù)的同時,車載安全計算機發(fā)送命令通過讀寫器向SAW標簽以無線的方式寫入本次列車的車次號、運行速度和當前時間等信息,后續(xù)列車可讀取這些信息作為行車參考[12]。當列車的外部通訊發(fā)生中斷時,司機也可根據(jù)這些信息做出相應(yīng)的調(diào)整,避免追尾等交通事故的發(fā)生。

4 車-地數(shù)據(jù)傳輸及誤碼率仿真分析

在列車高速運行時,車載設(shè)備與SAW標簽之間的通信時間是很短暫的。列車通過一次的運行速度與車上接收報文的次數(shù)可用如下經(jīng)驗公式描述[13]

式中，M為接收報文的次數(shù)；a為接收放大器的靈敏度；b為傳輸速度；n為每幀碼的位數(shù)；l為有效場強作用距離；t為系統(tǒng)的響應(yīng)時間(ms)；v為列車的運行速度。一般在v=350 km/h時,要保證傳輸長報文時M>3以上才有利于車載設(shè)備可靠譯碼和正確接收報文[13-14]。

通用超高頻RFID讀寫器與SAW標簽之間的數(shù)據(jù)傳輸率為40k～160k bit/s(取60k bit/s),讀寫器的讀取范圍為4～7 m(取5 m)[7],由此可以計算得到列車速度和車地通信時間的對照關(guān)系,如表1所示。

表1 列車速度與車地通信時間對照

由表1可知,當列車速度在300 km/h以內(nèi),通過標簽1次時車上可接收報文的次數(shù)都大于3,滿足車載設(shè)備可靠譯碼和正確接收報文的條件。

由于SAW標簽與車載讀寫器之間的數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)過空間傳輸信道,因此空間信道面臨的干擾問題同樣會出現(xiàn)在車載讀寫器與SAW標簽之間的數(shù)據(jù)傳輸過程中。干擾帶來的直接影響是車載讀寫器和SAW標簽通信過程中的數(shù)據(jù)錯誤,即誤碼。在列車的運行過程中,接收到的來自地面SAW標簽的數(shù)據(jù)直接關(guān)系到列車運行安全,因此,在車載讀寫器與SAW標簽的通信過程中應(yīng)保證盡可能小的誤碼率[9,14]。由于條件所限,無法完成現(xiàn)場試驗。本文利用MATLAB軟件和蒙特卡洛法進行信號模擬,分析列車在高速運行條件下車載讀寫器接收SAW標簽信號的誤碼率。如圖4所示。

圖4 不同車速下信噪比與誤碼率的關(guān)系

由圖4可以看出,列車運行速度越高,誤碼率也就越大,且誤碼率的下降速度也越慢。當列車速度為100 km/h且信噪比為38 dB時,車載讀寫器接收的SAW標簽信號基本無誤碼；當列車速度為350 km/h時且信噪比為46 dB時,車載讀寫器接收的SAW標簽信號也基本無誤碼,滿足列車高速運行情況下車地通信對誤碼率的要求[14]。

在實際應(yīng)用時,為了滿足更高速列車的應(yīng)用需求,同時考慮到系統(tǒng)的響應(yīng)時間等因素的影響,可以使用具有更高數(shù)據(jù)傳輸效率、更遠讀取范圍的芯片。同樣,在有信號干擾的條件下,為了盡可能地降低誤碼率,車載讀寫器不僅需要具備較高的熱噪聲性能,而且需要提高其接收天線的選頻特性。

5 結(jié)語

列車定位與跟蹤在列車運行控制系統(tǒng)中起著非常重要的作用,列車定位方法的精度和可靠性是確定列車安全防護距離的重要因素?；赟AW RFID技術(shù)的列車定位與跟蹤具有建設(shè)和維修成本低、抗干擾能力強等特點,具備防滑校正能力,結(jié)合輪軸測速傳感器的連續(xù)式速度測量,能夠做到對高速運行列車的定位和跟蹤,可以實時、精確地確定列車在線路上的位置,并通過無線通信系統(tǒng)傳輸給地面控制中心,為鐵路調(diào)度指揮提供數(shù)據(jù)支持,對安全前提下的高效率鐵路運輸具有重大意義。

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