丁全健 曹德智

摘 要：文章闡述了地鐵列車(chē)定位技術(shù)，采用車(chē)載測(cè)速發(fā)電機(jī)進(jìn)行精確定位，同時(shí)還采用接近傳感器進(jìn)行站臺(tái)輔助定位，并詳細(xì)分析列車(chē)定位系統(tǒng)的組成和原理，敘述了列車(chē)定位功能的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)閉塞 列車(chē)定位 精確定位

在CBTC下的列車(chē)定位在該系統(tǒng)中只能達(dá)到虛擬區(qū)段，即定位到30m（站臺(tái)區(qū)段）～250m（區(qū)間區(qū)段）的范圍，并將列車(chē)的移動(dòng)在人機(jī)界面上仍然按照準(zhǔn)移動(dòng)閉塞的方式映射為逐段跳變，這種延續(xù)準(zhǔn)移動(dòng)閉塞下的列車(chē)定位的設(shè)計(jì)思路并未完全利用連續(xù)通信的特點(diǎn)，實(shí)時(shí)傳輸列車(chē)的精確位置并在系統(tǒng)中定位，它與完全意義上的移動(dòng)閉塞仍有區(qū)別。因?yàn)樵谶@種模式下ATS已經(jīng)得到了每列車(chē)的具體位置信息，此時(shí)的系統(tǒng)內(nèi)部列車(chē)定位應(yīng)以實(shí)際列車(chē)發(fā)送的位置信息為準(zhǔn)，精確地對(duì)應(yīng)到軌道拓?fù)鋱D上具體的某一點(diǎn)，而不應(yīng)仍然定位到某個(gè)區(qū)段。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，大范圍或長(zhǎng)時(shí)間的系統(tǒng)故障后往往不能準(zhǔn)確地重新定位列車(chē)也是該系統(tǒng)的局限，還有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

1 測(cè)速電機(jī)和雷達(dá)

測(cè)速電機(jī)和雷達(dá)單元一起用于列車(chē)速度和距離的精確檢測(cè)。測(cè)速電機(jī)是一個(gè)經(jīng)過(guò)廣泛驗(yàn)證的單元，通過(guò)計(jì)算經(jīng)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)在測(cè)速電機(jī)里產(chǎn)生的脈沖來(lái)測(cè)量列車(chē)的速度和距離。雷達(dá)則通過(guò)評(píng)估反射雷達(dá)波的多普勒效應(yīng)來(lái)計(jì)算列車(chē)速度和距離值。雷達(dá)的測(cè)算結(jié)果完全不受列車(chē)的空轉(zhuǎn)和滑行的影響。兩種傳感方式的有機(jī)結(jié)合得到了更加安全、可靠、精確的速度距離值。列車(chē)速度和距離的精確測(cè)量是所有與速度有關(guān)的安全功能以及列車(chē)定位的先決條件。

2列車(chē)定位過(guò)程與位置計(jì)算

2.1列車(chē)位置計(jì)算

列車(chē)定位系統(tǒng)主要由安裝在車(chē)底的多普勒雷達(dá)和信標(biāo)讀取器、安裝在車(chē)軸上的速度傳感器以及安裝在軌道中間的信標(biāo)等設(shè)備組成。列車(chē)定位系統(tǒng)根據(jù)速度傳感器和多普勒雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行列車(chē)位置計(jì)算，并判別列車(chē)運(yùn)行方向。列車(chē)定位系統(tǒng)中的4個(gè)速度傳感器分別安裝在TC1車(chē)的4個(gè)輪軸上，其中2個(gè)連接到VATC A系統(tǒng)，2個(gè)連接到VATC B系統(tǒng)。每個(gè)速度傳感器會(huì)不斷發(fā)送以2個(gè)脈沖為一組的信號(hào)到VATC。每個(gè)脈沖代表列車(chē)已運(yùn)行的一個(gè)固定位移， 因此，VATC可連續(xù)地確定列車(chē)在系統(tǒng)地圖中的位置以及列車(chē)的速度和加速度。列車(chē)的運(yùn)行方向則是通過(guò)比較每個(gè)速度傳感器的2個(gè)順序脈沖的相位關(guān)系來(lái)判定。安裝在TC1車(chē)車(chē)底，根據(jù)多普勒原理通過(guò)測(cè)量發(fā)送頻率和接收頻率來(lái)確定列車(chē)運(yùn)行速度。多普勒雷達(dá)主要用于精確測(cè)量5km/h以上的速度，并檢測(cè)車(chē)輪空轉(zhuǎn)/打滑。多普勒雷達(dá)與速度傳感器測(cè)量到的數(shù)據(jù)，最終都將用于列車(chē)速度和位置的確定。

2.2列車(chē)定位過(guò)程

為確定列車(chē)精確位置，系統(tǒng)采用列車(chē)長(zhǎng)度來(lái)確定列車(chē)兩端位置。通過(guò)處理速度傳感器和多普勒雷達(dá)的輸出信息，得到行駛距離（位移）、速度和方向。由于考慮到誤差的普遍存在，系統(tǒng)針對(duì)特定距離設(shè)有一個(gè)誤差范圍，如列車(chē)每運(yùn)行100m最大允許誤差為儀a%（a為定值），累計(jì)誤差不得超過(guò)N（N為定值）。只要不超過(guò)誤差范圍，系統(tǒng)即認(rèn)為列車(chē)位置正確。為了防止位置誤差累計(jì)過(guò)大，系統(tǒng)沿軌道設(shè)置若干信標(biāo)。當(dāng)遇到信標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)先檢查信標(biāo)的位置坐標(biāo)是否在當(dāng)前計(jì)算的列車(chē)位置誤差范圍之內(nèi)。如果信標(biāo)坐標(biāo)不在當(dāng)前計(jì)算得到的位置（超過(guò)位置誤差范圍）、信標(biāo)的坐標(biāo)錯(cuò)誤或其坐標(biāo)位置不在軌道數(shù)據(jù)庫(kù)中，系統(tǒng)即認(rèn)為列車(chē)位置錯(cuò)誤，并采取緊急制動(dòng)。只有在檢查通過(guò)后，系統(tǒng)才會(huì)根據(jù)信標(biāo)位置信息更新列車(chē)位置，并重置位置誤差。此外，當(dāng)列車(chē)連續(xù)通過(guò)2個(gè)有效信標(biāo)后，VATP會(huì)自動(dòng)校準(zhǔn)輪徑，以消除人為輸入車(chē)輪直徑所產(chǎn)生的誤差。系統(tǒng)根據(jù)上一個(gè)信標(biāo)的位置，不斷計(jì)算從上一個(gè)信標(biāo)開(kāi)始的位移和位置誤差，并以此來(lái)計(jì)算列車(chē)當(dāng)前位置（包括列車(chē)前端和后端的位置誤差）。這樣就可以確保列車(chē)始終在系統(tǒng)計(jì)算得到的虛擬占用區(qū)域內(nèi)。在確定列車(chē)位置之后，車(chē)載信號(hào)系統(tǒng)會(huì)將信息實(shí)時(shí)發(fā)給軌旁。軌旁信號(hào)系統(tǒng)擁有與車(chē)載信號(hào)系統(tǒng)相同的軌道物理地圖，這樣軌旁就可以實(shí)時(shí)校驗(yàn)并更新列車(chē)位置，從而實(shí)現(xiàn)軌旁信號(hào)系統(tǒng)對(duì)列車(chē)位置的實(shí)時(shí)追蹤。通過(guò)以上方法，信號(hào)系統(tǒng)就可以實(shí)時(shí)得到列車(chē)精確位置，進(jìn)而維持區(qū)間列車(chē)追蹤運(yùn)行間隔，并實(shí)現(xiàn)列車(chē)站臺(tái)精確停車(chē)功能。

3位置誤差校正

3.1利用信標(biāo)校正列車(chē)位置

信標(biāo)安裝在軌旁，存儲(chǔ)著線路絕對(duì)物理位置數(shù)據(jù)信息。當(dāng)列車(chē)駛近信標(biāo)，讀取器傳輸一個(gè)無(wú)線電載波頻率給信標(biāo)，并接收當(dāng)讀取器越過(guò)信標(biāo)時(shí)由信標(biāo)反射回來(lái)的調(diào)制信號(hào)。來(lái)自信標(biāo)的反射信號(hào)為讀取器提供一個(gè)線路精確位置，與列車(chē)物理地圖的一點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。每個(gè)信標(biāo)的數(shù)據(jù)都會(huì)通過(guò)讀取器來(lái)驗(yàn)證，以確保其準(zhǔn)確性。然后，該數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)一個(gè)RS-485串口連接傳輸?shù)矫總€(gè)車(chē)載ATP通道上。ATP處理器根據(jù)這些數(shù)據(jù)對(duì)通過(guò)速度傳感器和多普勒雷達(dá)得到的列車(chē)位置進(jìn)行校正，從而得到列車(chē)在系統(tǒng)中的準(zhǔn)確位置。全線設(shè)有若干個(gè)信標(biāo)，這樣系統(tǒng)就可以不斷校正列車(chē)位置，從而保證列車(chē)位置的準(zhǔn)確性。

3.2采用輪徑校準(zhǔn)技術(shù)保證精確性

由于速度傳感器需根據(jù)列車(chē)輪徑值大小，及車(chē)輪轉(zhuǎn)速計(jì)算列車(chē)走行距離，從而確定列車(chē)位置，因此，當(dāng)列車(chē)更換新輪或車(chē)輪磨損時(shí)，系統(tǒng)還需及時(shí)校正車(chē)輪輪徑值大小以保證列車(chē)位置的精確性。列車(chē)定位系統(tǒng)采用2個(gè)信標(biāo)之間的已知距離進(jìn)行輪徑值校準(zhǔn)，即當(dāng)列車(chē)在平直軌道上連續(xù)通過(guò)2個(gè)有效信標(biāo)，并及時(shí)讀取其中有效位置信息后，系統(tǒng)將根據(jù)2信標(biāo)間的有效距離計(jì)算出當(dāng)前列車(chē)車(chē)輪的輪徑值。采用多普勒雷達(dá)防止因空轉(zhuǎn)/打滑而導(dǎo)致的列車(chē)位置誤差。多普勒雷達(dá)能精確測(cè)量5km/h以上的速度，以防止因雨、雪天氣等外界因素，導(dǎo)致車(chē)輪空轉(zhuǎn)/打滑而使系統(tǒng)得不到準(zhǔn)確的列車(chē)運(yùn)行速度。

4結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際應(yīng)用中，這套系統(tǒng)對(duì)測(cè)速電機(jī)、雷達(dá)的安裝工藝要求較高，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中曾多次出現(xiàn)因兩者的安裝精度不夠而使列車(chē)失去定位而降級(jí)運(yùn)行，極大降低了運(yùn)營(yíng)效率。另外，因沈陽(yáng)地鐵1號(hào)線采用的是直線電機(jī)車(chē)組，這樣就使得車(chē)載應(yīng)答器通道有時(shí)會(huì)由于EMC問(wèn)題而無(wú)法正常工作，也會(huì)使列車(chē)無(wú)法定位。通過(guò)對(duì)電機(jī)及車(chē)載應(yīng)答器天線加裝屏蔽來(lái)改善EMC問(wèn)題，取得了顯著效果，但仍有部分車(chē)存在EMC問(wèn)題，需繼續(xù)查找原因整改。

參考文獻(xiàn)：

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[2]陳新，周俊，林必毅.地鐵列車(chē)定位技術(shù)的研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2012