崔惠珊 王 艷

(1.北京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院軌道交通系，102200，北京；2.北京運捷科技有限公司綜合管理部，102400，北京∥第一作者，講師)

在基于車車通信的列車運行控制系統(tǒng)中，正常運行模式下，列車通過車車通信獲取前后車的實時狀態(tài)，通信數(shù)據(jù)包括位置、速度和加速度等。后車基于自身車載控制器的運算能力預(yù)測前車的行駛軌跡，同時計算兩車不發(fā)生位移重合的安全防護速度，以實現(xiàn)基于相對速度制動追蹤模型的安全防護。車車通信系統(tǒng)由傳統(tǒng)的以地面為中心控制轉(zhuǎn)為以列車為中心控制，由于車的自主性提高，列車可根據(jù)自身的精確位置及時申請并釋放道岔資源，提升了運行效率。

但在后備模式時，當(dāng)通信中斷、列車降級運行，若取消聯(lián)鎖、應(yīng)答器、區(qū)域控制器和計軸器等系統(tǒng)，如何實現(xiàn)檢測區(qū)段占用、獲得列車位置、將信息傳給列控中心及其他列車已成為研究的重點。本文基于車路協(xié)同的思路，利用UWB(超寬帶)和 RFID(射頻識別)技術(shù)設(shè)計了一種智能軌旁對象控制器系統(tǒng)，與車載系統(tǒng)等協(xié)同工作，實現(xiàn)了雙向列車定位、列車車號識別、列車完整性判斷、列車行駛方向判斷和軌道占用檢測等一系列基礎(chǔ)功能，提供了地面設(shè)備辦理進路的后備模式，保障了降級模式下列車高效的運行。本研究為車車通信列車運行控制系統(tǒng)降級模式的運行提供了研究思路與試驗基礎(chǔ)。

1 車車通信后備模式研究現(xiàn)狀

車車通信系統(tǒng)的核心組成設(shè)備包括中心設(shè)備ATS(列車自動監(jiān)控)、車載系統(tǒng)、車站OC(對象控制器)、道岔及通信系統(tǒng)等?；谲囓囃ㄐ诺娜詣舆\行系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

針對車車通信的后備模式，文獻(xiàn)[1]提出一種基于雷達(dá)和攝像頭兩種傳感器的遠(yuǎn)程瞭望系統(tǒng)，通過列車裝備激光雷達(dá)、相機等傳感器，實現(xiàn)前方障礙物感知。根據(jù)實際測試，在直道上的遠(yuǎn)程瞭望系統(tǒng)探測距離可達(dá)300 m。然而在彎道情況下，受到激光雷達(dá)和相機自身工作原理的影響，檢測效果會變差。文獻(xiàn)[2]提出一種可以提供聯(lián)鎖級、點式級的車車通信后備模式，便于在未裝備車載設(shè)備或車載設(shè)備故障的列車線路內(nèi)混合運營。在線路建設(shè)初期或為了提高降級運行效率,文獻(xiàn)[3]提出在地面布置獨立設(shè)備以實現(xiàn)降級列車的運行，如區(qū)段自動閉塞、部署計軸及信號機設(shè)備、增加聯(lián)鎖系統(tǒng)等。但目前若僅在岔區(qū)部署計軸系統(tǒng)，無法獲取列車的行駛方向和列車車號，OC和ATS系統(tǒng)仍無法為列車辦理進路。

對于后備模式下的非通信列車的線路資源管理，文獻(xiàn)[4]提出經(jīng)司機向行車調(diào)度員確認(rèn)非通信列車的位置后，由行車調(diào)度員根據(jù)列車的運行計劃在人機界面輸入非通信列車位置、目的地等信息，再由列車管理設(shè)備為非通信列車申請當(dāng)前位置到目的地之間所需的線路資源。然而，此種方案并不適用于FAO(全自動運行)模式。

2 UWB和RFID技術(shù)應(yīng)用可行性分析

已有較多學(xué)者對如何將UWB技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通系統(tǒng)進行了研究。文獻(xiàn)[5]對信號系統(tǒng)故障下的列車應(yīng)急運行控制系統(tǒng)進行了研究，將一個車載UWB信標(biāo)與兩個地面錨點組成測試系統(tǒng)，在北京地鐵10號線蓮花橋站、六里橋站、西局站三站兩區(qū)間進行了測試，列車定位誤差在5 m以內(nèi)。

文獻(xiàn)[6]對用于城市軌道交通定位算法的UWB技術(shù)進行了研究，根據(jù)城市軌道交通特點和UWB模塊特性，采用最小二乘法、Taylor遞歸法、Kalman濾波等算法，使定位誤差獲得了顯著改善，距離誤差降低至10 cm以內(nèi)，且絕大部分定位點距離誤差小于5 cm，能夠滿足精準(zhǔn)停車需求。

RFID技術(shù)在城市軌道交通中有較多的可行性研究。文獻(xiàn)[7]研究了基于RFID技術(shù)的低地板有軌電車位置檢測系統(tǒng)，并在北京亦莊新城有軌電車T1線上裝車應(yīng)用，位置檢測系統(tǒng)顯示列車在不同速度下(0～70 km/h)，信標(biāo)的讀取率可達(dá)到100%。

3 智能軌旁對象控制器系統(tǒng)設(shè)計研究方案

3.1 總體架構(gòu)

智能軌旁對象控制器系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)如圖2所示。智能軌旁對象控制器設(shè)備包括安全計算機平臺、UWB錨點和RFID閱讀器。軌旁UWB設(shè)備稱之為錨點，為列車定位提供定位參考原點。安全計算機平臺通過安全通信協(xié)議與ATS、OC等通信。車載設(shè)備傳感器包括在車頭和車尾分別部署兩個異構(gòu)的UWB模組(稱為標(biāo)簽)，以及在每一節(jié)車廂都安裝RFID標(biāo)簽。

圖2 智能軌旁系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)圖Fig.2 Application architecture diagram of smart trackside system

當(dāng)列車運行到智能軌旁對象控制器附近時，列車上的UWB標(biāo)簽與軌旁錨點通信測距，使列車獲得車載標(biāo)簽相對于錨點的距離，進而實現(xiàn)列車自身的精確定位。由于UWB技術(shù)下，錨點和標(biāo)簽的角色可以互換，軌旁UWB也能夠獲得列車的位置并發(fā)送至OC和ATS。以軌旁智能對象控制器為區(qū)段分界點，基于列車位置的OC能夠通過計算獲得區(qū)段的占用信息。

基于RFID和UWB技術(shù)，智能軌旁對象控制器可以獲得車次和車號信息，并發(fā)送給ATS。在確保列車完整性的基礎(chǔ)上，ATS依據(jù)車次與運行圖排列進路，并在列車進入岔區(qū)前的一個區(qū)段由OC驅(qū)動道岔，道岔的鎖閉信息通過UWB發(fā)送給非通信列車，列車在保證安全的情況下通過道岔。

3.2 雙向列車定位分析

雙向定位是指列車獲得自身相對于錨點的位置，以及智能軌旁控制器獲得列車在軌道上的位置。列車定位算法如圖3所示。設(shè)點A是地面的UWB錨點1，點B是地面的UWB錨點2，兩個錨點數(shù)據(jù)由安全計算機處理。點C是列車的車頭UWB設(shè)備，點D是車尾的UWB設(shè)備。在安裝部署錨點設(shè)備時可以確定距離AB，UWB直接測量距離AC、AD、BC和BD。由于列車完整性未知，距離CD是未知的。線段AC、AB和BC組成三角形。首先，基于三角形的邊長關(guān)系，即兩邊之和大于第三邊，兩邊之差小于第三邊，判斷三段距離是否合理。然后計算點C在直線AB上的投影點E的位置，可以獲得AE長度和BE長度。若計算線段AE與線段AB的長度和約等于線段BE的長度，則認(rèn)為計算點E的位置是合理的，即獲得了車頭距離UWB錨點的位置。同理可得車尾距離錨點的位置。定位算法流程圖如圖4所示。由于定位是通過兩個異構(gòu)的UWB和安全計算機平臺實現(xiàn)的，架構(gòu)上可以保證定位結(jié)果安全可靠，達(dá)到SIL4(SIL為安全完整性等級)級別。

圖3 列車定位算法示意圖Fig.3 Diagram of train locating algorithm

圖4 定位算法流程圖Fig.4 Flow chart of locating algorithm

3.3 列車車號識別分析

參考ATIS(鐵路車號自動識別系統(tǒng))中基于RFID獲得車號的技術(shù)，當(dāng)列車經(jīng)過時，由軌道上部署的閱讀器獲得列車上RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)內(nèi)容，即列車車號數(shù)據(jù)。一般UHF(特高頻)頻段的RFID的輻射范圍為10 m，兩側(cè)距離則為20 m，列車以80 km/h的運行速度經(jīng)過時，行駛時間約為1 s，按照地面安全計算機300 ms的運行周期計算，至少可以閱讀3次RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)。

為了實現(xiàn)功能安全，UWB技術(shù)也承載車號識別的功能。當(dāng)列車經(jīng)過時，列車車次和車號數(shù)據(jù)通過UWB技術(shù)以約定的通信協(xié)議對外廣播出去，地面錨點接收后可獲得列車車號和編組數(shù)據(jù)。

3.4 列車完整性判斷分析

列車完整性判斷基于車頭和車尾之間UWB標(biāo)簽的距離。3.2節(jié)中，通過計算獲得了線段AE和線段BF的長度，將線段AE、AB和BF的長度和與列車長度進行比較，若兩者誤差在合理范圍內(nèi)，則說明列車是完整的。除此之外，列車完整性判斷也可以通過當(dāng)前編組的所有車號進行判斷。UWB和RFID依次獲得經(jīng)過的車廂車號，這些車號組成一個有順序的數(shù)列，如果所有車號的順序與ATS中存儲的數(shù)據(jù)一致，則說明列車是完整的。

圖5 UWB錨點與標(biāo)簽位置關(guān)系圖Fig.5 Diagram of relationship between UWB anchor point and label position

3.5 列車行駛方向判斷

軌道UWB錨點1車頭標(biāo)簽C、車尾標(biāo)簽D的位置關(guān)系如圖5所示。在確定列車完整性的基礎(chǔ)上，L為定值，若列車定位準(zhǔn)確，則L1和L2的測距正確。當(dāng)L1L2時，則說明車頭遠(yuǎn)離錨點1(見圖5 c))。因此基于L1與L2的長度變化過程，即可獲得列車相對于錨點1的行駛方向。同理可獲得列車相對于錨點2的行駛方向。由于錨點1、錨點2的排列方向與軌道上、下行的關(guān)系是對應(yīng)的，通過標(biāo)簽信息可以知道C為車頭、D為車尾，故可以通過計算獲得列車的行進方向。

3.6 軌道占用檢測分析

在列車定位、行駛方向判斷及車號等信息皆可獲取的基礎(chǔ)上，可以識別軌道占用檢測。當(dāng)圖3中的線段AE長度約等于0，且RFID閱讀器只能獲得車頭的RFID標(biāo)簽時，說明列車開始進入下一個區(qū)段。當(dāng)圖3中的線段AF長度約等于0，且RFID閱讀器僅能獲得車尾的標(biāo)簽時，說明列車駛出了上一個區(qū)段，全部進入下一個區(qū)段。通過判斷車頭和車尾分別進入?yún)^(qū)段的情況，可以獲得軌道占用信息。

3.7 智能軌旁對象控制器樣機

通過上述方案設(shè)計分析，基于UWB和RFID技術(shù)的智能軌旁對象控制器能夠滿足車車通信后備模式下的應(yīng)用，其控制樣機已研制完成。智能軌旁對象控制器樣機的整體尺寸為42 cm×35 cm×10 cm，功耗約為35 W，具有IP65(IP為侵入保護)防護等級。相對于傳統(tǒng)計軸和軌道電路，智能軌旁對象控制器功耗和尺寸更小，可以更方便地部署在軌旁。目前，智能軌旁對象控制器樣機在城市軌道交通通信與運行控制國家工程實驗室進行了測試，測試結(jié)果驗證了其可以實現(xiàn)雙向列車定位、列車車號識別、列車完整性判斷、列車行駛方向判斷和軌道占用檢測等功能。

4 結(jié)語

基于各研究機構(gòu)對智能感知技術(shù)、UWB和RFID技術(shù)的相關(guān)研究，本文從功能安全的角度為出發(fā)點，設(shè)計了一套智能軌旁對象控制器系統(tǒng)，為車車通信后備模式提供了列車自動運行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了由OC和ATS控制列車的后備運行。車車通信的后備運行模式，是復(fù)雜的系統(tǒng)工程問題。本研究著重于地面?zhèn)鞲胁糠值姆桨冈O(shè)計，實現(xiàn)了雙向列車定位、車號識別、完整性判斷、列車行駛方向判斷以及軌道占用檢測等功能。