潘嵊

(上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司，上海 200023)

列車輔助定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

潘嵊

(上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司，上海 200023)

城市軌道交通的運(yùn)行主要是依靠信號(hào)系統(tǒng)，作為機(jī)電系統(tǒng)，不可避免會(huì)發(fā)生故障，在信號(hào)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，對(duì)行車會(huì)產(chǎn)生安全問(wèn)題。在信號(hào)系統(tǒng)失效，工作人員采用人工方式控制列車運(yùn)行情況下，利用無(wú)線射頻(RFID)技術(shù)和紅外技術(shù)，配合閉路電視監(jiān)控(CCTV)系統(tǒng)，對(duì)列車進(jìn)行定位和記錄，使行車指揮人員了解列車位置、運(yùn)行軌跡，從而為后續(xù)的列車運(yùn)行指揮控制提供依據(jù)。從技術(shù)上和管理上，保障城市軌道交通的運(yùn)行安全。

信號(hào)系統(tǒng)；RFID；紅外技術(shù)；CCTV；自動(dòng)控制；報(bào)警聯(lián)動(dòng)

Abstract: Urban rail transit relies mainly upon its signaling system, which as an electromechanical system will inevitably encounter failures. Thus, rail transit will be faced with safety problems. When the signaling system is invalid and train operation is controlled in the manual way, radio frequency identification (RFID) technology and infrared technology, in combination with closed-circuit television (CCTV) monitoring system, are used to locate and record the train, so that train control personnel may be informed on train position and its moving trajectory to provide a basis for subsequent train command and control. With respect to technology and management, this system can ensure safe operation of urban rail transit.

Keywords: signaling system; RFID; infrared technology; CCTV, automatic control; alarm linkage

0 引 言

城市軌道交通已經(jīng)成為人們出行主要的工具，快速的發(fā)展也對(duì)安全提出了新的要求。近年來(lái)，上海軌道交通出現(xiàn)了較多的運(yùn)行事故。上海軌道交通一號(hào)線在2009年12月22日上?；疖囌菊鄯稻€上發(fā)生列車側(cè)向碰擦事故，沒(méi)有造成重大人員傷亡；上海軌道交通十號(hào)線在9月27日發(fā)生列車追尾事故，造成271人受傷。信號(hào)系統(tǒng)作為機(jī)電系統(tǒng)，其安全性、可靠性并非百分之百。在信號(hào)系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，調(diào)度人員需要輔助系統(tǒng)來(lái)幫助其進(jìn)行控制。

上海地鐵2號(hào)線是上?？土髁孔疃?，運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的線路之一，正線采用8節(jié)編組列車，東延伸采用4節(jié)編組和8節(jié)編組混跑的模式，混跑模式增加了技術(shù)和管理上的難度，也較容易出現(xiàn)混亂和事故。

本文將結(jié)合地鐵2號(hào)線現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過(guò)利用RFID技術(shù)，紅外技術(shù)，配合CCTV系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車從進(jìn)入站臺(tái)到離開(kāi)站臺(tái)的記錄工作，得到列車實(shí)際位置，起到輔助定位的作用。調(diào)度人員可以根據(jù)這些信息在應(yīng)急情況下進(jìn)行指揮，并能有效防止非相關(guān)人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域。

1 RFID 技術(shù)介紹

1.1 RFID 定義和工作原理

RFID(Radio Frequency Identification)，即無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)。它是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)[1]。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器射頻磁場(chǎng)時(shí)，標(biāo)簽被激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)電流，將標(biāo)簽中儲(chǔ)存的信息發(fā)射到閱讀器中，閱讀器通過(guò)解碼系統(tǒng)識(shí)別標(biāo)簽，并將識(shí)別信息進(jìn)一步傳遞到計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)進(jìn)行分析處理和深入應(yīng)用。

1.2 RFID 組成

圖1 RFID 系統(tǒng)

RFID 系統(tǒng)一般由三部分組成，如圖1所示。

(1)讀寫器: 讀取標(biāo)簽信息的設(shè)備；

(2)標(biāo)簽:由藕合元件及芯片組成，每個(gè)標(biāo)簽具有惟一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象。每個(gè)標(biāo)簽都有一個(gè)ID號(hào)碼UID，在制作芯片時(shí)就燒制在ROM中。

(3)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件。

2 地鐵記點(diǎn)系統(tǒng)

2.1 記點(diǎn)系統(tǒng)作用

記點(diǎn)系統(tǒng)主要是作為記錄列車進(jìn)站和出站時(shí)間的工具，上海地鐵人員比較密集，為了提高運(yùn)載能力，列車間隔一般較短，工作人員可以根據(jù)記點(diǎn)系統(tǒng)查看兩輛列車進(jìn)出站的間隔時(shí)間，為列車調(diào)度等提供依據(jù)，并且不需要專門配置人員進(jìn)行手動(dòng)記錄，既提高準(zhǔn)確率又節(jié)省了工作量[2]。

2.2 工作原理

在列車車頭/車尾位置安裝了RFID有源標(biāo)簽，在列車進(jìn)站時(shí)，車站站臺(tái)上車頭、車尾處安裝的定向天線接收到標(biāo)簽發(fā)出的信號(hào)，反饋給軌旁接收終端，經(jīng)處理后通過(guò)數(shù)據(jù)線傳給車站機(jī)房的數(shù)據(jù)處理器。由記點(diǎn)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，并將處理過(guò)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本站的數(shù)據(jù)處理器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)把數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)線傳輸?shù)杰嚳厥?，通過(guò)車控室工作站的人機(jī)界面將本站及臨站數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。各車站的數(shù)據(jù)經(jīng)公共網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行臋C(jī)房的服務(wù)器上供各站點(diǎn)查詢歷史數(shù)據(jù)，備用的服務(wù)器會(huì)同步主用服務(wù)器上的數(shù)據(jù)。控制中心和調(diào)度大廳中的工作站則通過(guò)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)及記點(diǎn)工作軟件，通過(guò)人機(jī)界面將全線數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。

2.3 組網(wǎng)方式

一般的列車記點(diǎn)系統(tǒng)由控制中心(OCC)記點(diǎn)設(shè)備、車載設(shè)備、車站設(shè)備組成。

(1)OCC設(shè)備

OCC安裝2臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器(主備冗余)、1臺(tái)記點(diǎn)工作站、1臺(tái)網(wǎng)管工作站及搭建相應(yīng)的記點(diǎn)系統(tǒng)軟件平臺(tái)。軟件平臺(tái)以動(dòng)態(tài)模擬的方式直觀地將線路上所有運(yùn)營(yíng)列車所在具體位置呈獻(xiàn)給用戶。

(2)車站設(shè)備

車站安裝站臺(tái)閱讀器：在每站上/下行站臺(tái)列車?？课恢密囶^/車尾附近各安裝一臺(tái)站臺(tái)閱讀器，同時(shí)在每個(gè)車站通信設(shè)備室安裝數(shù)據(jù)處理器一臺(tái)，搭建相應(yīng)的記點(diǎn)系統(tǒng)軟件平臺(tái)。車站軟件通過(guò)表單的形式記錄通過(guò)該站的列車信息及進(jìn)站出站時(shí)間。

(3)車載設(shè)備

在2號(hào)線運(yùn)營(yíng)列車的頭部和尾部分別安裝一個(gè)電子標(biāo)簽，高度盡量與站臺(tái)閱讀器一致，保證閱讀器能有效讀取到標(biāo)簽。

2.4 運(yùn)行模式

(1)中心運(yùn)行模式

數(shù)據(jù)處理器將車站區(qū)間及隧道區(qū)間各軌旁定位終端所探測(cè)到的列車識(shí)別信息及實(shí)時(shí)運(yùn)行信息傳輸給中心服務(wù)器，中心服務(wù)器將所有這些信息整合后通過(guò)控制中心工作站將全線運(yùn)行列車的實(shí)時(shí)運(yùn)行路徑在全線列車運(yùn)行圖上以動(dòng)畫形式顯示，同時(shí)整合后的信息會(huì)在另外的界面以表格方式列出。中心界面如圖2所示。

圖2 控制中心記點(diǎn)系統(tǒng)界面示意圖

(2)車站運(yùn)行模式

當(dāng)列車進(jìn)入站臺(tái)軌旁定位終端的識(shí)別探測(cè)區(qū)域時(shí)，位于站臺(tái)車尾的軌旁定位輔助終端對(duì)列車進(jìn)行定位識(shí)別，以識(shí)別列車在上行或是下行，并判斷列車為長(zhǎng)車或是短車，并由軌旁接收終端讀取到RFID車載標(biāo)簽發(fā)送的車體識(shí)別信息，車站數(shù)據(jù)處理器將定位輔助終端和接收終端的數(shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)行收集并保存，再由列車自動(dòng)識(shí)別算法軟件對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行處理判斷得出正確的車體及運(yùn)行和編組信息。圖3為車站列車自動(dòng)記點(diǎn)系統(tǒng)界面圖。

圖3 車站記點(diǎn)系統(tǒng)界面示意圖

(3)反向運(yùn)行模式

當(dāng)列車根據(jù)運(yùn)行要求，需進(jìn)行反向運(yùn)行時(shí)，位于站臺(tái)車頭及車尾的軌旁接收終端和輔助定位終端同時(shí)能夠檢測(cè)到車載標(biāo)簽發(fā)出的RFID信號(hào)及列車狀態(tài)清空。站臺(tái)車頭處的軌旁接收終端和輔助定位終端在定位區(qū)域優(yōu)先探測(cè)到列車，而位于站臺(tái)車尾處的軌旁接收終端和輔助定位終端未檢測(cè)并識(shí)別到列車。此時(shí)列車處于逆行的出站啟動(dòng)狀態(tài)。此時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行模式與上述正常運(yùn)行模式下的識(shí)別/定位探測(cè)模式類似。

3 紅外輔助定位系統(tǒng)

2號(hào)線正線列車為8節(jié)編組，共2種車型，東延伸列車為4節(jié)編組，全線共3種不同列車。標(biāo)簽安裝在3種列車車頭及車尾駕駛室內(nèi)，不同列車鋼板厚度不同，信號(hào)的穿透性也不同。讀卡器受現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境影響，每個(gè)車站安裝位置均有所不同。并且像廣蘭路這種三側(cè)站臺(tái)的車站，讀卡器安裝距離很近，在環(huán)境因素的影響下，實(shí)際運(yùn)行中，讀卡器讀不到標(biāo)簽數(shù)據(jù)的情況或串讀的情況時(shí)有發(fā)生，特別是在早晚及回庫(kù)等列車速度相對(duì)較快的情況下。作為輔助定位系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這樣的情況是不允許發(fā)生的，所以將采用更精準(zhǔn)的紅外來(lái)進(jìn)行輔助定位。

3.1 采用紅外進(jìn)行輔助定位的優(yōu)點(diǎn)

(1)準(zhǔn)確性高

作為定位系統(tǒng)，準(zhǔn)確性是最重要的。軌道交通系統(tǒng)種類繁多，在列車正常運(yùn)行過(guò)程中，不可避免會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，RFID信號(hào)受電磁干擾及金屬阻擋等影響很大，紅外技術(shù)卻不受電磁干擾影響。采用漫反射紅外傳感器，工作范圍可調(diào)，且響應(yīng)速度快，狀態(tài)只有遮擋和不遮擋，不受列車速度影響，準(zhǔn)確性比較高。

(2)安裝方便

紅外傳感器基本安裝在站臺(tái)端頭門外，距離列車軌道較近，只需采用漫反射式紅外傳感器，如距離較遠(yuǎn)，可以采用對(duì)射式紅外傳感器?，F(xiàn)在的紅外傳感器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，體積較小，安裝較為靈活，可以固定在RFID讀卡器支架上，互相不會(huì)干擾。

(3)成本較低

紅外傳感器發(fā)展較早，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，早已應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，且技術(shù)相對(duì)成熟，產(chǎn)品之間可替代性強(qiáng)，市場(chǎng)價(jià)格較低。

(4)拓展功能

紅外傳感器安裝在讀卡器支架上，讀卡器支架一般安裝在軌行區(qū)，即一般人員不能進(jìn)入的區(qū)域，通過(guò)紅外傳感器與RFID可以判斷是否為列車經(jīng)過(guò)或人員或異物遮擋[3]。

3.2 紅外傳感器工作原理

1)安裝結(jié)構(gòu)

圖4 紅外安裝示意圖

在站臺(tái)車頭和車尾處各安裝兩個(gè)紅外傳感器，兩個(gè)紅外傳感器之間為130°左右?jiàn)A角，如圖4所示。

安裝4個(gè)紅外傳感器的好處是：

(1)滿足像廣蘭路等車站4節(jié)8節(jié)列車混跑的情況。

(2)可以判斷出列車不規(guī)則行駛或反向行駛，增加準(zhǔn)確性。

(3)可以進(jìn)行降級(jí)運(yùn)行，增加可靠性。

2)工作原理

紅外傳感器是一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)，常開(kāi)情況下為1，常閉情況下為0。當(dāng)沒(méi)有列車遮擋的情況下，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)傳感器的狀態(tài)為1111，通過(guò)傳感器狀態(tài)變化，并通過(guò)讀卡器讀到的標(biāo)簽信息，可以判斷特定列車的行駛情況、運(yùn)行軌跡等，起到輔助定位的作用。

(1)8節(jié)列車正常行駛，從1進(jìn)站，從4出站。

8節(jié)列車從1進(jìn)入，正常進(jìn)站，4個(gè)傳感器的狀態(tài)變化為1111、0111、0011、1011、1001。正常行駛從4位置出站時(shí)的變化為1001、1101、1100、1110、1111。

“如果你以后想乘船，帶上貝殼船票到這里來(lái)，我?guī)愠龊?。”韓貝把阿巴送到家門口跟他告別時(shí)說(shuō)，“但你不能泄露這個(gè)秘密?！?/p>

(2)8節(jié)列車反向行駛，從4進(jìn)站，從1出站。

如果反向行駛，從4位置進(jìn)站，4個(gè)傳感器的變化為1111、1110、1100、1101、1001。

從1位置出站，4個(gè)傳感器變化為1001、1011、0011、0111、1111。

(3)4節(jié)列車正常行駛，從1進(jìn)站，從4出站。

4節(jié)列車從1進(jìn)入，正常進(jìn)站，4個(gè)傳感器的狀態(tài)變化為1111、0111、0011、1111、1101。從4位置出站時(shí)的變化為1101、1100、1110、1111。

(4)4節(jié)列車反向行駛，從4進(jìn)站，從1出站。

4節(jié)列車反向行駛，從4位置進(jìn)入，傳感器變化為1111、1110、1100、1111、1011。從1位置出站時(shí)的變化為1011、0011、0111、1111。

(5)非常規(guī)行駛情況

除了以上四種正常行駛情況外，其他行駛情況都是非常規(guī)行駛，在這種情況下，服務(wù)器發(fā)送報(bào)警信號(hào)通知車站和控制中心。并且通過(guò)4個(gè)紅外傳感器和2個(gè)讀卡器判斷列車在進(jìn)站后所有運(yùn)動(dòng)軌跡，在控制中心的動(dòng)態(tài)圖上可以直觀的體現(xiàn)。

(6)降級(jí)模式

當(dāng)紅外傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，操作界面會(huì)顯示故障提醒，同時(shí)根據(jù)故障位置進(jìn)行降級(jí)處理。利用另外三個(gè)傳感器的工作狀態(tài)判斷列車進(jìn)出站軌跡。在列車正常運(yùn)行下，只需2個(gè)紅外傳感器及1個(gè)讀卡器就可以進(jìn)行判斷，所以可以進(jìn)行二級(jí)甚至三級(jí)降級(jí)，這樣對(duì)整個(gè)運(yùn)營(yíng)的可靠性提高很多，不會(huì)因?yàn)樵O(shè)備故障問(wèn)題影響運(yùn)營(yíng)。

4 報(bào)警聯(lián)動(dòng)自動(dòng)控制

4.1 誤闖判斷

因?yàn)榧t外傳感器安裝在軌行區(qū)，空間封閉，一般情況下不允許人員進(jìn)入，在列車沒(méi)有經(jīng)過(guò)的情況下，處于常開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)有列車經(jīng)過(guò)有遮擋的時(shí)候，讀卡器會(huì)讀到列車信息，而且傳感器的遮擋時(shí)間及順序相對(duì)固定，所以列車經(jīng)過(guò)很好判斷。如果沒(méi)有讀到標(biāo)簽且有遮擋，可以認(rèn)為是有人或異物闖入，在這種情況下，記點(diǎn)服務(wù)器可以發(fā)送報(bào)警信號(hào)給視頻監(jiān)控服務(wù)器，視頻監(jiān)控系統(tǒng)立刻作出聯(lián)動(dòng)，車站工作人員可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)視頻判斷闖入的是什么。

4.2 報(bào)警聯(lián)動(dòng)及自動(dòng)控制

圖5 自動(dòng)控制原理框圖

在根據(jù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)判斷遮擋物后，如果產(chǎn)生危險(xiǎn)，可以根據(jù)預(yù)案進(jìn)行報(bào)警聯(lián)動(dòng)。如果有人員闖入，可以觸發(fā)軌行區(qū)的聲光報(bào)警，可以通過(guò)廣播通知闖入人員立刻離開(kāi)，情況危急的時(shí)候還能通知列車駕駛員進(jìn)行緊急制動(dòng)。如果有異物，可以通知最近的工作人員進(jìn)行處理。隨著智能化控制越來(lái)越成熟，觸發(fā)報(bào)警后，視頻監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)自己判斷人或物，并通過(guò)綜合監(jiān)控系統(tǒng)或智能化自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行控制，如門禁系統(tǒng)，消防系統(tǒng)，信號(hào)系統(tǒng)，廣播系統(tǒng)，如圖5所示。一系列的自動(dòng)控制不需要人員操作，以達(dá)到在最短時(shí)間內(nèi)作出響應(yīng)的目的[4]。

5 有待改進(jìn)

紅外傳感器雖然技術(shù)成熟，安全可靠，成本便宜，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧，安裝方便，但是受使用環(huán)境影響較大。在軌道交通的應(yīng)用中，一般都要安裝在無(wú)人區(qū)域或限制區(qū)域，應(yīng)用場(chǎng)合有所限制。

紅外光受天氣影響比較大，此設(shè)計(jì)應(yīng)用在地下車站封閉區(qū)間內(nèi)，沒(méi)有天氣因素的干擾，不會(huì)造成影響。而在地面車站，根據(jù)實(shí)際測(cè)試，紅外光受霧霾，大霧，雨雪等天氣影響很大，在極端天氣下，紅外傳感器的工作狀態(tài)會(huì)很不穩(wěn)定，失去了作為定位系統(tǒng)的作用。

在地面車站，考慮可以用雷達(dá)替換，其實(shí)不管是紅外還是雷達(dá)，都是電磁波，雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是白天黑夜均能探測(cè)遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，且不受霧、云和雨的阻擋，具有全天候、全天時(shí)的特點(diǎn)[5]，但如果應(yīng)用到實(shí)際中，還需要進(jìn)一步測(cè)試。

6 結(jié)束語(yǔ)

列車輔助定位系統(tǒng)是在信號(hào)系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時(shí)候作為列車運(yùn)行的最重要的依據(jù)。因此在能滿足正常運(yùn)營(yíng)的情況下，要有高的可靠性、安全性。本文所提出的設(shè)計(jì)在符合規(guī)范的前提下，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及實(shí)際需求，通過(guò)對(duì)RFID技術(shù)及紅外技術(shù)的應(yīng)用，配合其他各個(gè)系統(tǒng)，使的設(shè)計(jì)更安全、可靠、合理、實(shí)用，能很好的滿足使用要求。并且在上海軌道交通2號(hào)線中得到了很好的應(yīng)用。

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Design of an Auxiliary Train Positioning System

Pan Sheng

(Shanghai Electrical Automation Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200023, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.005

TP272/278

A

1000-3886(2017)03-0012-04

定稿日期: 2016-01-10

本項(xiàng)研究工作得到了上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的資助，資助課題(12DZ225900)

潘嵊(1983-)，男，上海人 ，工程師，主要從事機(jī)電工程工作。