劉毅東（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 背景介紹

1.1 MATC系統(tǒng)

本文為針對基于交叉感應環(huán)線的移動閉塞列車自動控制系統(tǒng)（M A TC）中車載ATP子系統(tǒng)定位校正算法的專題研究。

M ATC系統(tǒng)是配套國內(nèi)中低速磁懸浮制式列車研究而研制的列車自動控制系統(tǒng)。而車載ATP系統(tǒng)作為該系統(tǒng)的重要組成部分，需要根據(jù)地面信息和機車信息防止列車超速運行，并保證列車行車安全。其中，通過一系列定位校正算法確保車載A TP保持正確定位，是實現(xiàn)車載A TP安全防護及穩(wěn)定工作的重要基礎之一。

1.2 MATC車載ATP位置校正

M A TC車載A TP子系統(tǒng)主要依靠交叉感應環(huán)線邊界及固定位置交叉點進行列車定位校正。

交叉感應環(huán)線沿線布置，以400 m s為周期向車載A TP發(fā)送地面信息幀，并在該信息幀中傳遞可唯一標示本環(huán)線的ID號，車載A TP通過檢測交叉感應環(huán)線的ID變化即可獲得列車經(jīng)過相鄰交叉感應環(huán)線的時刻及位置。

交叉點在交叉感應環(huán)線內(nèi)部，間隔固定距離布置，當車載TW C天線經(jīng)過交叉點時，車載ATP可獲得脈沖信號，并以此進行校位。

其中，定位校正算法的難點如下。

1）交叉點信號存在較多干擾，需通過適當選取交叉點接收窗口大小及丟失數(shù)目閾值等參數(shù)，在保證濾除干擾、定位正確的前提下，盡量提高系統(tǒng)可用性；

2）由于存在通信延時及地面調(diào)度周期影響，列車進入新環(huán)線與車載A TP實際收到該環(huán)線信息之間存在隨機延時，實驗表明該延時在10 ～800 m s間隨機分布，在列車高速運行的條件下，將導致定位產(chǎn)生較大誤差；

3）當列車高速通過連續(xù)短環(huán)線時，車載A TP可能丟失該環(huán)線信息，即產(chǎn)生“跳環(huán)”現(xiàn)象，定位算法中應對該現(xiàn)象進行處理。

劉毅東，男，碩士畢業(yè)于清華大學，助理工程師。主要研究方向包括嵌入式開發(fā)，車載ATP軟件開發(fā)，曾參與基于通信的列車自動控制系統(tǒng)研究與設備研制,基于交叉感應環(huán)線的MATC系統(tǒng)集成研究項目。

下文將分別對以上3個難點進行說明。

2 定位校正算法說明

2.1 交叉點相關設計說明

2.1.1 交叉點距離選取

車載A TP使用交叉點進行位置校正，交叉點距離（Ssync）選取應滿足以下條件。

1）兩交叉點距離應大于一個車地通信周期（Tt-z）內(nèi)車輛以最高速度（Vmax）走行的距離；在當前系統(tǒng)設計中，有

因此有Ssync≥Vmax×Tt-z＞13 m

2）兩交叉點距離應為枕軌間距（S）的整數(shù)倍，且為方便施工，應盡量保持為整數(shù)米。

3）為保證校位精度，應盡量縮小交叉點間距。

根據(jù)施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)，有

而為滿足2），可選長度為6N（N=1,2,3…）。即18 m、24 m、30 m…綜合考慮通信延時裕量和交叉點電磁干擾后，選擇使用24 m間隔。

因此，該距離需根據(jù)現(xiàn)場條件1）、2）計算后選取。

2.1.2 交叉點丟失數(shù)目選取

由于定位誤差及環(huán)境問題，交叉點可能存在丟失的情況，為增加系統(tǒng)可用性，A TP應在滿足定位誤差的前提下容忍交叉點丟失，設未校位距離為ΔS，列車定位誤差為Δoffset容忍閾值由以下因素決定：

1）在站臺停車時，工程定制停準窗為±1 m，因此有

停車點設定在105 m，在最差情況下，考慮距離停車點最近的兩組交叉點（96 m和72 m）全部丟失，則此時Δo f fset=（105 m-48 m）×2%=1.14 m，認為可以接受。若距離停車點最近的3組交叉點（96 m、72 m、48 m）全部丟失，則Δo ffset=（105 m-24 m）×2%=1.62 m，已無法置信A TP的停準判斷。因此站臺最差情況下，可容忍丟失2組交叉點。

2）在區(qū)間行車時，根據(jù)需求，車載A TP定位誤差不應超過5 m。此時未校位距離

考慮道岔區(qū)段最多存在3條連續(xù)短環(huán)線組成的短環(huán)區(qū)，且兩組短環(huán)區(qū)相隔距離不小于200 m，短環(huán)區(qū)內(nèi)每條短環(huán)線均小于24 m，無法布置環(huán)線。則此時在合理情況下未校位長度ΔS1=24 m×4=96 m（設過環(huán)線邊界不抵消2%的測距不確定性及短環(huán)線簇的前一環(huán)末尾24 m不進行校位），最大交叉點丟失數(shù)目為

即在正線運營時，最多可允許丟失6組交叉點。如圖1所示。

現(xiàn)階段，在不區(qū)分站臺與正線停車的情況下，可容忍丟失2組交叉點。

2.1.3 交叉點接收窗口大小選取

由于車載A TP存在定位誤差，因此需要設定交叉點接收窗口（Wsync），窗口大小由以下因素決定。

1）在最理想情況，即完成一次校位后，下一接收窗口應不小于A TP在Ssync內(nèi)的測距誤差，因此有

2）對于非24 m處交叉點，極限情況下，即2.1.2節(jié)2）中，若短環(huán)區(qū)前一軌的最后一個交叉點丟失，且新軌24 m處交叉點丟失，則有

通過1），2），對于非24 m處交叉點，窗口為3.36 m必然保證ATP正確解析交叉點信息。

3）在跨環(huán)線邊界時，考慮第一周期的ZC幀無法被A TP正常解析，則A TP將延時判知進入下一環(huán)線，此過程中不再使用交叉點校位，該情況下，有

即在最差情況下，ATP將在進入新環(huán)線26.67 m后才開始接收交叉點信息，此時無法判斷出環(huán)線第一個交叉點。

在A TP判斷進入新環(huán)線后加入200 m s平均延時的算法下，ATP計算位置與車輛實際位置相差為

ΔX=26.67 m-(120/3.6) m/s×0.2 s=20 m

即若窗口大于4 m，則ATP將無法區(qū)分第一和第二個交叉點，造成定位錯誤。

因此在Vmax=120 km/h條件下，考慮2）、3）兩種情況，若使用該過環(huán)線邊界算法，為保證安全，應將窗口接收大小控制在3 ～4 m之間，此時在3）的假設條件下，A TP必然丟失新環(huán)線所有交叉點，導致緊急制動。

在實際運營中，一般有Vmax=80 km/h，此時使用上述步驟討論如下：

在跨環(huán)線邊界時，考慮第一周期的ZC幀無法被A TP正常解析，則ATP將延時判知進入下一環(huán)線，此過程中不再使用交叉點校位，該情況下，有

即在該情況下，A TP將在進入新環(huán)線17.8 m后開始接收交叉點信息，此時可通過調(diào)整窗口大小判斷出環(huán)線第一個交叉點。

在A TP判斷進入新環(huán)線后加入200 m s平均延時的算法下，第一個交叉點（專指24 m處交叉點，而非第一個接收到的交叉點）窗口大小為：

此時交叉點窗口前沿距環(huán)線邊界為10.6 m，已處于邊界干擾區(qū)之外，因此不會出現(xiàn)交叉點信號串擾現(xiàn)象。

由于環(huán)線邊界已進行校位，不再單獨計算該過程中A TP的2%測距線性不確定性。由上知在Vmax=120 km/h條件下，若24 m處交叉點窗口小于4 m，則新環(huán)線交叉點將全部丟失；若24 m處交叉點窗口大于4 m，則可導致A TP將48 m處交叉點作為24 m交叉點進行校位，產(chǎn)生定位錯誤；Vmax=80 km/h條件下，24 m處交叉點窗口不小于13.4 m即可保證該交叉點被正確解析，此時若該交叉點丟失且A TP未輸出緊急，則由1）2）結論，ATP仍可通過48 m交叉點進行正確校位。

2.2 進入新環(huán)線定位處理說明

2.2.1 現(xiàn)有過環(huán)線定位方法說明

一般的，在A TP判斷進入新環(huán)線后，需要對列車位置進行校正。目前的校正算法為A TP收到新環(huán)線ID后，首先將偏移（OFFSET）清零，再通過測量當前車速（VCUR）和估計ZC幀平均延時（TAVG）補償車輛位置，即

根據(jù)現(xiàn)場測試結果，暫將TAVG設置為200 m s。

2.2.2 重設計過環(huán)線定位方法的討論

通過2.1節(jié)討論，知該方法的校位結果與最高車速相關，在最差情況下將導致A TP必然輸出緊急制動或必然出現(xiàn)交叉點校位錯誤。對過環(huán)線處理算法重新設計如下：

1）若收到新環(huán)線ID時，列車偏移OFFSETCUR已大于當前所在軌長度length，則有

即直接將OFFSET轉移到新軌道上，當發(fā)生跳環(huán)時，length中應包含已跳過的環(huán)線長度。

2）若收到新環(huán)線ID時，列車偏移OFFSETCUR不大于當前所在軌長度length，則有

其中，Δt為包含新環(huán)線ID的ZC命令幀與上一同類型ZC命令幀間的時間差，OFFSETOLD為收到上一幀ZC命令幀時車輛偏移，VCUR為Δt時間段內(nèi)平均速度，一般的，等于當前測速結果。當發(fā)生跳環(huán)時，len g th中應包含已跳過的環(huán)線長度。

對交叉點校位過程進行重新討論，內(nèi)容如下。

a．交叉點距離選取與2.1.1節(jié)相同，即交叉點距離為24 m；

b．交叉點丟失數(shù)目計算與2.1.2節(jié)相同，即站臺最多容忍2組交叉點丟失，區(qū)間最多容忍6組丟失；

c．非24 m處交叉點窗口大小計算與2.1.3節(jié)相同，即Vmax=120 km/h條件下，窗口大小為3.36 m；

d．對于24 m交叉點，若ATP收到新環(huán)線ID時：OFFSETCUR＞length

則列車進入新環(huán)線后的定位與ZC幀延時無關，窗口大小僅由位置不確定性決定，即3.36 m。

OFFSETCUR≤length

該情況相關討論如圖2所示。

其中S x為列車收到03G最后一幀ZC數(shù)據(jù)時，A TP計算位置與環(huán)線邊界距離差，y為A TP收到05G的ZC幀時，列車實際進入05G的距離。由校位算法：

若VCUR×Δt＞SX，則校位后計算位置與列車實際位置差值僅與Δt內(nèi)列車走行的距離有關。最差情況下，S x+S y對應的列車走行時間為3 s，即車載與地面間最大通信間隔，在VMAX=120 km/h條件下

若VCUR×Δt＜SX，則校位后有OFFSETNEW=0，該位置與列車實際位置差值不大于校位前列車位置不確定性與Δt內(nèi)列車產(chǎn)生的不確定性之和，即

通過之前分析，在A TP未丟失定位的條件下，有ΔSMAX=3.36 m，因此有

即設定窗口大小為5.36 m，即可保證24 m處交叉點被正確識別，且與最高車速無關。若因通信故障或其他原因導致24 m交叉點丟失，仍可按照3.36 m的窗口判別48 m交叉點，進行校位或繼續(xù)丟棄。

2.3 跳環(huán)線處理說明

當車地出現(xiàn)通信中斷時，車載A TP將有可能無法收到預期的下一相鄰環(huán)線信息，為提高可用性，ATP需進行跳環(huán)處理，即在一定距離范圍內(nèi)，允許收到位于進路內(nèi)非相鄰環(huán)線ZC幀，并進行校位處理；而另一方面，當A TP通過計算判定跳環(huán)距離過大或跳環(huán)不合理時，應按照丟失定位處理，輸出緊急制動。該處處理設計如下文所述。

2.3.1 ATP提前收到下一環(huán)ZC幀的處理

該現(xiàn)象主要由以下因素導致：

a．ATP定位誤差；

b．工程安裝誤差；

c．電子地圖錯誤。

考慮A TP定位誤差，在2.1.2節(jié)所述最差情況下，有

因此考慮到可用性，可根據(jù)車載A TP需求將a中因素取為上限值，即5 m。工程安裝誤差包括交叉環(huán)線鋪設長度誤差及測速測距單元安裝誤差等因素，目前暫時將b中因素設置為ΔWb=5 m（可調(diào)），綜合考慮a，b，并根據(jù)可用性增加ΔWs=5 m裕量，有

ΔWmax=(ΔWa+ΔWb+ΔWs)=15 m

因此當ΔWmax＞15 m時，可認為A TP定位誤差過大或包含c類因素，觸發(fā)緊急制動。

2.3.2 ATP延遲收到下一環(huán)ZC幀的處理

1）當過環(huán)線時，車地通信正常，則該現(xiàn)象主要由以下因素導致：

a．ATP定位誤差；

b．工程安裝誤差；

c．電子地圖錯誤；

d．通信延遲。

考慮通信延遲，與2.1.3節(jié)3）中討論相同，即

ΔWd=ΔL=Vmax×2Tt-z=(120/3.6) m/s×0.8 s=26.67 m

從而有

ΔWmax=(ΔWa+ΔWb+ΔWd+ΔWs)=41.67 m

因此當ΔWmax＞42 m時，可認為A TP定位誤差過大或包含C類因素，觸發(fā)緊急制動。

2）當過環(huán)線時，車地通信發(fā)生不大于3 s的中斷，則該現(xiàn)象主要由以下因素導致：

a．車地通信中斷時長

若允許3 s的中斷時長，則在最高車速120 km/h條件下，列車進入下一環(huán)100 m后才能接收到新ZC幀或觸發(fā)緊急制動，此時A TP無法區(qū)分該現(xiàn)象是因正常中斷時長導致或是因設備故障導致，且該長度已大于丟失3個交叉點的閾值范圍，因此該長度認為已不安全。

在運營車速60 km/h條件下，列車進入下一環(huán)50 m后接收到新ZC幀或觸發(fā)緊急制動，該距離與1）中計算的正常情況下跳環(huán)長度差距在可接受范圍內(nèi)。

綜合考慮1）、2），認為將跳環(huán)長度設置為50 m可兼顧可用性與安全性。此時A TP可進行跳環(huán)處理，校位方式與2.2節(jié)討論相同。

2.3.3 其他相關問題討論

目前A TP允許車地通信存在3 s的中斷，通過上一節(jié)的討論說明該過程中列車在最差情況下已向前行進100 m，存在安全風險。因此可以考慮添加限制，即在車載A TP收到兩幀ZC的時間間隔內(nèi)，走行距離不能超過50 m，與跳環(huán)處理保持一致。

3 測試與結論

3.1 測試方法

對定位校正算法的測試基于M A TC項目現(xiàn)有半實物仿真平臺進行，以下為該平臺的測試環(huán)境示意如圖3所示。

通過實時比較車載A TP定位計算結果與M ATC仿真系統(tǒng)中線路模型的理論計算結果，即可驗證上文定位校正算法的有效性。圖4所示為車載A TP在進入新環(huán)線及交叉點校位時的實時串口打印信息。

多輪系統(tǒng)測試結果表明，車載A TP在過環(huán)線及過交叉點時可進行正確校位，且能正確處理跳環(huán)操作，正常情況下，車載A TP與仿真系統(tǒng)線路模型定位誤差可控制在3 m以內(nèi)。測試結果在《MATC_車載系統(tǒng)測試報告》中記錄。

3.2 結論

通過系統(tǒng)測試，證明當前車載A TP基于交叉點及進入新環(huán)線的定位校正算法可滿足車載A TP定位需求，且具有較好的穩(wěn)定性。