劉小磊， 黃 璞

(1. 杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司， 杭州 310017； 2. 杭州杭港地鐵有限公司， 杭州 310017)

RFID技術(shù)在列車高精度定位中的應(yīng)用

劉小磊1， 黃 璞2

(1. 杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司， 杭州 310017； 2. 杭州杭港地鐵有限公司， 杭州 310017)

在CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)中，列車定位的精確性是保證列車安全高效運行的前提，而基于RFID(radio frequency identification，無線射頻識別)的列車定位技術(shù)，是提供高精度列車定位的技術(shù)條件。從電子標(biāo)簽、讀寫器、系統(tǒng)高層3方面對RFID技術(shù)工作原理進(jìn)行闡述，并介紹基于不同設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的RFID鐵路應(yīng)答器的技術(shù)指標(biāo)及工作原理；分析影響列車定位精度的列車位置不確定性產(chǎn)生的3種因素(測速誤差、輪徑誤差和應(yīng)答器校正誤差)，提出通過RFID鐵路應(yīng)答器消除列車位置不確定性，提高列車精確定位的方法，并通過實測數(shù)據(jù)，驗證RFID技術(shù)高精度定位的可行性，即在不同行車速度下，RFID技術(shù)均能準(zhǔn)確完成列車定位，RFID應(yīng)答器響應(yīng)時間均在0.2 s以內(nèi)，實際定位誤差均未超過測量值的2%，可以滿足軌道交通中低速CBTC列車輔助定位的需求。

城市軌道交通； 基于通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)； 無線射頻識別(RFID)技術(shù)； 列車定位； 列車不確定性； 應(yīng)答器

1 研究背景

目前，新建城市軌道交通列車基本采用CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)運營，隨著列車運營間隔的不斷縮短以及ATO(列車自動駕駛系統(tǒng))高精 度 停 站 的需求，對列車定位精度提出更高的要求。當(dāng)前，主流信號設(shè)備廠商均采用RFID(radio frequency identification，無線射頻識別)技術(shù)作為列車定位的輔助設(shè)備，以提高CBTC列車的定位精度。隨著ETCS(歐洲列車控制系統(tǒng))及CTCS(中國列車控制系統(tǒng))技術(shù)在客運專線等國內(nèi)外高鐵線路的應(yīng)用，RFID輔助列車定位技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。

2 RFID技術(shù)概述

RFID技術(shù)是自動識別技術(shù)的一種，它通過無線射頻信號獲取物體的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對物體加以識別。RFID技術(shù)無需與被識別物體直接接觸，即可完成信息的輸入和處理，能快速、實時、準(zhǔn)確地采集和處理信息[1]。

RFID因應(yīng)用不同，其組成也會有所不同，但基本都是由電子標(biāo)簽、讀寫器和系統(tǒng)高層這三大部分組成。RFID系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[2]。

圖1 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 RFID system structure

2.1 電子標(biāo)簽

電子標(biāo)簽由芯片及天線組成，附著在物體上用以標(biāo)識目標(biāo)對象，每個電子標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，存儲著被識別物體的相關(guān)信息。

2.2 讀寫器

讀寫器是利用射頻技術(shù)讀寫電子標(biāo)簽的設(shè)備。當(dāng)RFID系統(tǒng)工作時，首先由讀寫器發(fā)射一個特定的詢問信號；電子標(biāo)簽收到這個信號后，就會給出應(yīng)答信號，應(yīng)答信號中含有電子標(biāo)簽攜帶的數(shù)據(jù)信息；讀寫器接收這個應(yīng)答信號，并對其進(jìn)行處理，然后將處理后的應(yīng)答信號傳輸給外部主機(jī)，進(jìn)行相應(yīng)操作。

2.3 系統(tǒng)高層

系統(tǒng)高層針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)處理，發(fā)出指令信號，并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。

目前，RFID在票務(wù)系統(tǒng)[3](城市公交車、軌道交通AFC、高速公路收費、門票等)、收費卡、食品安全追蹤、第二代身份證、門禁系統(tǒng)、防盜、集裝箱識別、物流系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

3 RFID鐵路應(yīng)答器簡介

CBTC系統(tǒng)是利用不依賴于軌道電路的高精度的列車定位、雙向連續(xù)、大容量的車—地數(shù)據(jù)通信以及車載、地面的安全功能處理器，實現(xiàn)連續(xù)自動列車控制的一種系統(tǒng)[4]。如今采用RFID技術(shù)的鐵路應(yīng)答器已廣泛應(yīng)用在CBTC運營線路，用于列車定位、提供線路數(shù)據(jù)和列車移動授權(quán)等。

鐵路應(yīng)答器RFID系統(tǒng)由應(yīng)答器標(biāo)簽、應(yīng)答器天線和應(yīng)答器主機(jī)組成[5]，標(biāo)簽根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)可分為美式標(biāo)簽(簡稱美標(biāo))和歐洲應(yīng)答器(簡稱歐標(biāo))兩種，它們均廣泛用于國內(nèi)軌道交通，根據(jù)不同信號系統(tǒng)平臺設(shè)計分別采用，特性比較可參見對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，本文總結(jié)主要差異見表1。另根據(jù)供電方式可分為有源應(yīng)答器和無源應(yīng)答器兩種。CBTC系統(tǒng)中所使用的均為無源應(yīng)答器，無源應(yīng)答器詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1[6]。

表1 無源應(yīng)答器對比

4 列車位置不確定性對定位的影響

4.1 列車位置不確定性概念

CBTC軌旁ATP(列車自動防護(hù))需要在適當(dāng)?shù)木群统浞滞暾缘臈l件下實時獲取列車位置信息，并根據(jù)列車位置實時計算出列車移動授權(quán)。CBTC列車在定位過程中，由于各種因素會導(dǎo)致系統(tǒng)誤差，該誤差值稱為列車位置不確定性。在CBTC移動閉塞模式下，移動授權(quán)終點應(yīng)位于前行列車的后面，軌旁ATP為列車計算移動授權(quán)時，需包含列車位置不確定性，以保證兩車的安全運行間隔[7]。

圖2 列車安全位置示意Fig.2 Train vital position

4.2 不確定性產(chǎn)生因素

產(chǎn)生定位誤差的因素主要有測速設(shè)備測量的不確定性、輪徑校準(zhǔn)誤差和應(yīng)答器校正誤差等。

4.2.1 測速誤差

當(dāng)前普遍采用的測速設(shè)備為光電速度傳感器，將其安裝在車輪上，通過計算車輪旋轉(zhuǎn)在測速傳感器里產(chǎn)生的脈沖數(shù)來測量列車的速度和距離。

速度傳感器向車載ATP設(shè)備發(fā)送脈沖，車輪每轉(zhuǎn)1圈都發(fā)送固定數(shù)量的脈沖。車載ATP設(shè)備對脈沖進(jìn)行計數(shù)以確定列車速度。速度傳感器可以非常精確地檢測“零速度”，最小可以檢測到0.1 km/h，能夠檢測到的最小位移大約是3 cm，在移動閉塞區(qū)間內(nèi)測量運行列車位置精度誤差不大于10 m。

如果T是車載ATP設(shè)備獲得N個脈沖的時間，Nw是車輪每轉(zhuǎn)1圈的脈沖數(shù)，D是車輪直徑，可以得到列車速度v為：

傳感器脈沖數(shù)直接影響列車速度測量的精度，從而影響列車定位的準(zhǔn)確性。

4.2.2 輪徑誤差

如果D是車輪直徑，Nw是車輪每轉(zhuǎn)1圈的脈沖數(shù)，可以得到車載ATP設(shè)備獲得速度傳感器N個脈沖后列車的走行距離S：

如果列車輪徑出現(xiàn)誤差，如車輪磨損或輪徑值設(shè)定不準(zhǔn)確等，隨著運行距離的不斷增加，將導(dǎo)致列車位移誤差呈線性增長，影響列車定位的準(zhǔn)確性。

4.2.3 應(yīng)答器校正誤差

應(yīng)答器的校正誤差由應(yīng)答器及車載天線的位置安裝誤差和應(yīng)答器接收偏差組成。由于應(yīng)答器與車載天線間使用RFID射頻方式進(jìn)行通信，其通信信號有一定的輻射范圍，輻射面呈扇形區(qū)，故應(yīng)答器及車載天線的安裝有著嚴(yán)格的安裝精度要求。人工安裝誤差始終存在且無法避免，所以計算列車不確定性時需考慮最壞安裝情況下的誤差值[8]。

另外，由于受應(yīng)答器輻射范圍及列車獲得應(yīng)答器信息時延的影響，從列車收到并正確處理信息到應(yīng)答器接收信息中的應(yīng)答器坐標(biāo)點與實際存在一定偏差，影響列車測距誤差，故計算列車不確定性時需考慮最壞情況下的應(yīng)答器接收偏差值。應(yīng)答器輻射范圍如圖3所示。

圖3 應(yīng)答器輻射范圍示意Fig.3 Transponder radiation range

5 RFID應(yīng)答器對列車定位的作用

5.1 列車自動輪徑校準(zhǔn)

為降低列車輪徑誤差引起的列車不確定性，提高其定位精度，CBTC系統(tǒng)提供自動輪徑校準(zhǔn)功能，當(dāng)列車車輪磨損或其他原因變化后可獲得列車最新的實際輪徑值。自動輪徑校準(zhǔn)(見圖4)功能通過精確布置在轉(zhuǎn)換軌(有些廠家安裝在區(qū)間)附近的兩個連續(xù)RFID應(yīng)答器實現(xiàn)，列車在進(jìn)入正線之前或者退出運營回庫時，可完成對列車輪徑的自動校準(zhǔn)。

圖4 列車自動輪徑校準(zhǔn)示意Fig.4 Auto wheel-diameter calibration

自動輪徑校準(zhǔn)過程：利用速度傳感器測出列車經(jīng)過兩個應(yīng)答器的轉(zhuǎn)動圈數(shù)，根據(jù)列車運行距離等于車輪轉(zhuǎn)動圈數(shù)乘以列車車輪周長(列車車輪周長等于當(dāng)前輪徑值乘以圓周率π)，計算得到列車的運行距離，將該運行距離與所述實際距離進(jìn)行比較，若該運行距離等于所述實際距離，則表示當(dāng)前車輪磨損不明顯，此時不需要校準(zhǔn)輪徑值，若該運行距離大于所述實際距離，則表示車輪有磨損，需要校準(zhǔn)輪徑值。輪徑更新值Dn等于兩應(yīng)答器間安裝距離(該距離已寫入系統(tǒng)電子地圖)與列車的行走距離之比再乘以校正前的輪徑值，即：

其中，D是車輪直徑，Nw是車輪每轉(zhuǎn)1圈的脈沖數(shù)，S為兩應(yīng)答器間安裝距離，N為列車在兩應(yīng)答器間走行所獲得的脈沖數(shù)。

5.2 列車位置定位

列車位置定位(見圖5)是列車依靠CBTC系統(tǒng)有效運行的前提條件[9]，列車初始位置定位是憑借兩個連續(xù)RFID應(yīng)答器實現(xiàn)的，當(dāng)車載信號系統(tǒng)接收到第1個應(yīng)答器ID信息后，依此從線路數(shù)據(jù)庫中查詢到列車所在的位置坐標(biāo)，當(dāng)接收到第2個應(yīng)答器ID信息時，根據(jù)讀到的兩個應(yīng)答器所在的線路位置坐標(biāo)，判斷出列車運行的方向，從而對列車運行做出精確定位。

圖5 列車定位示意Fig.5 Train locating

5.3 列車位置校準(zhǔn)

列車位置不確定性隨著列車運行里程的增加呈規(guī)律性變化。根據(jù)不確定性值的變化規(guī)律，可分為固定誤差和累積誤差，固定誤差主要由應(yīng)答器校正誤差構(gòu)成，累積誤差主要由測速誤差(含傳感器計算誤差、車輪磨損計算誤差等)構(gòu)成，累積誤差隨著行駛里程的增加而呈線性增長。

為了減少列車不確定性持續(xù)增長對列車運行安全的影響，引入了應(yīng)答器對列車的位置進(jìn)行校準(zhǔn)。在線路上每隔一段固定距離鋪設(shè)一個應(yīng)答器，列車在經(jīng)過應(yīng)答器時獲得該應(yīng)答器的ID信息，并依據(jù)ID信息從線路數(shù)據(jù)庫中查詢到列車所在的精確線路位置坐標(biāo)，將不確定性累積誤差值清零?？紤]到應(yīng)答器自身的校正誤差，不確定性固定誤差值始終存在，無法消除。當(dāng)列車從x0點應(yīng)答器運行到x點應(yīng)答器時，其不確定性計算表達(dá)式如下：

ε(x-x0)=εg+εl(x-x0)

其中，ε表示列車不確定性誤差，εg表示固定誤差，εl表示累積誤差。

CBTC列車在運行過程中，通過布置在線路上的應(yīng)答器不斷校準(zhǔn)，列車不確定性變化趨勢見圖6。

圖6 列車不確定性變化趨勢Fig.6 The changing trend of train uncertaincy

列車每通過一個應(yīng)答器，如圖6中實線部分，累積誤差就清零一次，列車位置被校準(zhǔn)，列車不確定性縮??；當(dāng)其中一個應(yīng)答器B信息丟失未被正確校準(zhǔn)，如圖6中虛線部分，且列車到達(dá)C應(yīng)答器時，不確定性將遠(yuǎn)大于被應(yīng)答器B校準(zhǔn)后的值。當(dāng)多個應(yīng)答器信息連續(xù)丟失時，不確定性值將呈線性增長，影響列車的運行安全。所以，目前通用設(shè)計是當(dāng)連續(xù)丟失2個應(yīng)答器時，列車即觸發(fā)緊急制動。

5.4 RFID應(yīng)答器定位精度驗證

當(dāng)列車與RFID應(yīng)答器相互作用時，列車需及時獲得應(yīng)答器的數(shù)據(jù)，以保證列車精確定位；而RFID應(yīng)答器固有的校準(zhǔn)誤差，直接影響列車的定位精度。根據(jù)《城市軌道交通CBTC信號系統(tǒng)：ATP子系統(tǒng)規(guī)范》要求[10]，車載信號設(shè)備自接收到地面信息至完成處理的時間應(yīng)小于或等于0.75 s，列車位置最大測量誤差小于或等于2%。為驗證RFID應(yīng)答器是否滿足相關(guān)軌道交通參數(shù)要求，特選用Transcore廠家的一款鐵路RFID應(yīng)答器，測試列車在不同速度下RFID應(yīng)答器的響應(yīng)時間及所對應(yīng)的測距誤差。

應(yīng)答器響應(yīng)時間測試結(jié)果如表2所示。

表2 應(yīng)答器響應(yīng)時間記錄

不同行車速度下的定位誤差，由固定誤差和RFID應(yīng)答器校準(zhǔn)實際誤差組成，而固定誤差為旁瓣和應(yīng)答器安裝等無法消除的誤差。應(yīng)答器的定位誤差測試結(jié)果如表3所示。

表3 應(yīng)答器定位誤差記錄

測試結(jié)果表明，不同行車速度下，RFID技術(shù)均能準(zhǔn)確完成列車定位，RFID應(yīng)答器響應(yīng)時間均在0.2 s以內(nèi)，實際定位誤差均未超過測量值的2%，滿足軌道交通中低速CBTC列車輔助定位的需求。

6 結(jié)語

列車定位是CBTC列車正常運行的基礎(chǔ)條件，其精度和可靠性是確定列車安全防護(hù)距離的重要因素?；赗FID技術(shù)的鐵路應(yīng)答器可滿足CBTC列車定位需求，配合列車電子地圖消除列車定位誤差，精準(zhǔn)地確定列車在線路上的位置，保證CBTC列車的安全運行，在CBTC列車定位系統(tǒng)中起著非常重要的作用。

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(編輯：王艷菊)

Application of RFID Technology in CBTC Train Location System

LIU Xiaolei1， HUANG Pu2

(1. Hangzhou metro group Co., Ltd., Hangzhou 310017; 2. Hangzhou MTR Corporation Co., Ltd., Hangzhou 310017)

In the communication-based train control (CBTC) system, the train locating accuracy is the premise for safe and efficient operation, and the train locating technology in view of RFID provides the technical conditions for high accuracy of train locating. In terms of the working principle of RFID technology, the paper introduces the technical indicators and the working principle of RFID railway transponder with different design standards, mainly analyzes three factors influencing the uncertain train location: speed measurement error, wheel diameter error and reactor correcting error, and puts forward the method of eliminating the train location uncertainty by RFID transponder to improve the train locating accuracy. At last, the feasibility of high precision location of RFID technology is verified by the site data. RFID technology can guarantee the train locating accuracy under different train running speeds. The response time of RFID transponder is less than 0.2 second, and the error of train locating is no more than 2% of the measured values, which can meet the auxiliary train locating requirements with CBTC for medium and low operation speeds of rail transit.Keywords: urban rail transit; CBTC; RFID; train locating; train location uncertainty; transponder

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.03.021

2017-03-30

2017-04-25

劉小磊，男，碩士，工程師，從事軌道交通信號系統(tǒng)的應(yīng)用研究，liuxiaolei@hzmetro.com

U231.6

A

1672-6073(2017)03-0107-05