城市軌道交通的列車定位技術(shù)

【摘　要】　實(shí)時(shí)、精確地確定列車在線路中的位置是保證安全、發(fā)揮效率、提供最佳服務(wù)的前提。本文介紹了在城市軌道交通系統(tǒng)中已獲得成功應(yīng)用的各種列車定位方法, 包括軌旁和車載定位技術(shù)。
關(guān)鍵詞: 城市軌道交通, 列車定位, 軌道電路, 編碼里程儀, 裂縫波導(dǎo), 擴(kuò)頻通信

1　引　言
隨著城市人口的不斷增加, 城市交通問題日益突出。地鐵、輕軌具備客運(yùn)量大、污染少等特點(diǎn), 是解決大中城市交通問題的首選方案。由于軌道交通列車運(yùn)行密度高、車站間距近、安全性要求高, 列車自動(dòng)控制系統(tǒng)及列車本身需要實(shí)時(shí)了解列車在線路中的精確位置, 分布于軌旁及列車上的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)線路中列車的相對(duì)位置實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地對(duì)每一列車進(jìn)行監(jiān)督、控制、調(diào)度及安全防護(hù), 在保證列車運(yùn)行安全的前提下, 最大限度地提高系統(tǒng)的效率, 為乘客提供最佳的服務(wù)。
實(shí)時(shí)、精確地確定列車在線路中的位置是保證安全、發(fā)揮效率、提供最佳服務(wù)的前提。列車自動(dòng)控制系統(tǒng)利用軌旁及車載設(shè)備對(duì)列車進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤。軌旁定位主要采用軌道電路、信標(biāo)、電纜環(huán)線、裂縫波導(dǎo)、擴(kuò)頻電臺(tái)等技術(shù)手段, 列車自身的定位可依賴于安裝在輪軸上的編碼里程儀實(shí)現(xiàn), 通過車地之間的信息傳輸通道, 實(shí)現(xiàn)軌旁與列車之間實(shí)時(shí)的信息交換, 實(shí)時(shí)控制列車在線路中的運(yùn)行。
2　軌旁定位技術(shù)
2. 1　利用軌道電路的定位技術(shù)
2. 1. 1　軌道電路的定位原理
軌道電路是以鐵路線路的兩根鋼軌作為導(dǎo)體, 并用引接線連接信號(hào)發(fā)送、接收設(shè)備所構(gòu)成的電氣回路。軌道電路有機(jī)械絕緣和電氣絕緣兩種類型。采用機(jī)械絕緣的軌道電路, 需切斷鋼軌, 安裝軌道絕緣節(jié), 這對(duì)使用長(zhǎng)鋼軌線路妨礙很大, 不僅需經(jīng)常維修, 還降低了安全性。采用電氣絕緣, 則無需切斷鋼軌, 目前城市軌道交通系統(tǒng)中, 普遍采用“S 棒”進(jìn)行電氣隔離的數(shù)字音頻軌道電路。數(shù)字音頻軌道電路的原理圖如圖1 所示。

圖1　數(shù)字音頻軌道電路原理圖

數(shù)字軌道電路中, 全部有源器件都集中在控制室內(nèi), 室外設(shè)備僅包括由電容、線圈等組成的調(diào)諧盒及軌間的S 型聯(lián)接導(dǎo)線。調(diào)諧盒中有發(fā)射與接收線圈。數(shù)字軌道電路的發(fā)射單元以差分模式向另一端通過鐵軌傳輸一個(gè)調(diào)制信號(hào), 在軌道電路的另一端提取這個(gè)信號(hào)。接收的信息和傳送的信息經(jīng)逐位比較確認(rèn)相同時(shí), 完成對(duì)接收信息的驗(yàn)證, 判斷鋼軌和軌道電路的工作狀態(tài)。當(dāng)軌道電路內(nèi)有車占用時(shí), 由于列車車軸的分路作用, 接收端檢測(cè)出信號(hào)電平的變化, 從而判斷出有車到達(dá)該軌道電路。
2. 1. 2　利用軌道電路確定列車在線路中的位置
圖2 為利用軌道電路確定列車在線路中位置的原理圖。在線路設(shè)計(jì)時(shí), 根據(jù)用戶對(duì)列車運(yùn)行密度的要求, 將整個(gè)線路用S 棒分割成若干個(gè)軌道區(qū)段, 并對(duì)所有軌道區(qū)段進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)。對(duì)線路地形及線路設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化描述后形成線路地圖, 貯存在軌旁和?或車載計(jì)算機(jī)中。為了防止相鄰軌道電路音頻信號(hào)的串?dāng)_, 同時(shí)也為了準(zhǔn)確判斷列車越過軌道電路連界, 相鄰數(shù)字軌道電路采用不同的載頻。列車在線路中運(yùn)行時(shí), 其所在的軌道電路會(huì)給出占用指示, 對(duì)軌道電路占用狀態(tài)的連續(xù)跟蹤, 也就實(shí)現(xiàn)了對(duì)列車在線路中所處位置的連續(xù)跟蹤。

圖2　利用軌道電路確定列車在線路中的位置為了保證安全, 軌道電路任何形式的故障都表示為“ 有車占用”, 為了避免錯(cuò)誤的跟蹤, 系統(tǒng)對(duì)軌道電路的“ 連續(xù)占用”與“ 順序出清”進(jìn)行邏輯判斷, 保證列車跟蹤的可靠性和安全性。利用數(shù)字軌道電路對(duì)列車進(jìn)行定位是目前城市軌道交通系統(tǒng)中應(yīng)用最為普遍的技術(shù)手段。
2. 2　信標(biāo)定位
信標(biāo)是安裝在線路沿線反映線路絕對(duì)位置的物理標(biāo)志。信標(biāo)分有源信標(biāo)和無源信標(biāo)兩種, 有源信標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)車地的雙向通信, 無源信標(biāo)類似于非接觸式IC 卡, 在列車經(jīng)過信標(biāo)所在位置時(shí), 車載天線發(fā)射的電磁波激勵(lì)信標(biāo)工作, 并傳遞絕對(duì)位置信息給列車。
城市軌道交通系統(tǒng)中所使用的信標(biāo)大部分為無源信標(biāo), 安裝在軌道沿線。信標(biāo)的作用是為列車提供精確的絕對(duì)位置參考點(diǎn)(也可以提供線路的坡度、彎度等其它信息)。由于信標(biāo)提供的位置精度很高, 達(dá)厘米量級(jí), 常用信標(biāo)作為修正列車實(shí)際運(yùn)行距離的手段。采用信標(biāo)定位技術(shù)的信息傳遞是間斷的, 即當(dāng)列車從一個(gè)信息點(diǎn)獲得地面信息后, 要到下一個(gè)信息點(diǎn)才能更新信息, 若其間地面情況發(fā)生變化, 就無法立即將變化的信息實(shí)時(shí)傳遞給列車, 因此, 信標(biāo)定位技術(shù)往往作為其它定位技術(shù)的補(bǔ)充手段。
2. 3　裂縫波導(dǎo)定位技術(shù)
采用裂縫波導(dǎo)作為列車信息傳輸?shù)脑砜驁D見圖3, 列車定位原理圖如圖4 所示。裂縫波導(dǎo)是52. 5mm ×105mm ×2mm 中空的鋁質(zhì)矩形方管, 在其頂部每隔60mm 開有窄縫, 采用2. 715GH z 的連續(xù)波頻率通過裂縫耦合出不均勻的場(chǎng)強(qiáng), 對(duì)連續(xù)波的場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行采集和處理, 并通過計(jì)數(shù)器確定列車經(jīng)過的裂縫數(shù), 從而計(jì)算出列車走行的距離, 確定列車在線路中的位置。
裂縫波導(dǎo)除了傳輸用于裂縫計(jì)數(shù)的2. 715GH z 的連續(xù)波頻率外, 主要用于車地信息交換的傳輸通道, 車地通信的載頻范圍為2. 4～ 2. 4853GH z, 該頻段內(nèi)的微波信號(hào)沿波導(dǎo)均勻輻射。

圖3　裂縫波導(dǎo)信息傳輸原理圖

圖4　裂縫波導(dǎo)定位原理
2. 4　電纜環(huán)線定位技術(shù)在整個(gè)軌道線路沿線鋪設(shè)電纜環(huán)線, 電纜環(huán)線位
于軌道中間, 每隔一定的距離交叉一次。列車經(jīng)過每個(gè)電子工程師電子技術(shù)應(yīng)用　

圖5　利用電纜環(huán)線對(duì)列車定位的原理圖電纜交叉點(diǎn)時(shí)通過車載設(shè)備檢測(cè)環(huán)線內(nèi)信號(hào)的相位變化(相位變化原理見圖6)。并對(duì)相位變化的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù), 從而確定列車運(yùn)行的距離, 達(dá)到對(duì)列車定位的目的。

圖6　環(huán)線交叉點(diǎn)相位變化原理
2. 5　無線擴(kuò)頻通信定位技術(shù)
利用無線擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)確定列車在線路中的位置借鑒了軍用定位技術(shù)。利用車站、軌旁和列車上的擴(kuò)頻電臺(tái); 一方面通過這些電臺(tái)在列車與軌旁控制室之間傳遞安全信息, 另一方面也利用它們對(duì)列車進(jìn)行定位。軌旁電臺(tái)的位置是固定不變的, 并經(jīng)過精確測(cè)量。所有的電臺(tái)都由同步時(shí)鐘精確同步。軌旁計(jì)算機(jī)或車載計(jì)算機(jī)利用不同電臺(tái)傳輸信息的時(shí)間延時(shí)可以精確計(jì)算出列車的位置。

圖7　AA TC 系統(tǒng)框圖圖7 為基于無線擴(kuò)頻通信的列車定位系統(tǒng)原理圖。

由分布的電臺(tái)構(gòu)成無線通信網(wǎng), 多數(shù)情況下, 站間可以被無線電可靠地覆蓋, 而且有冗余。這種冗余是一種自愈式的結(jié)構(gòu), 當(dāng)其中一個(gè)電臺(tái)故障時(shí), 系統(tǒng)可以重新組織, 并自動(dòng)報(bào)告故障電臺(tái)位置或編號(hào), 不會(huì)影響通信和對(duì)列車的控制。通常一個(gè)電臺(tái)的信息會(huì)有兩個(gè)甚至三個(gè)電臺(tái)接收, 擴(kuò)展頻譜技術(shù)最初是為軍事應(yīng)用設(shè)計(jì)的, 具備在惡劣電磁環(huán)境下可靠傳輸?shù)哪芰ΑＣ扛?. 5s 可對(duì)每輛列車的位置進(jìn)行檢測(cè), 對(duì)列車定位的精度可達(dá)±5m。
3　車載列車定位技術(shù)
車載定位設(shè)備主要采用安全型編碼里程計(jì)。編碼里程計(jì)通過編碼盤與輪軸耦合, 驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)裝在編碼盤四周的光電傳感器。這些傳感器產(chǎn)生一個(gè)和速度成比例的脈沖序列, 車載設(shè)備通過采樣電路得到列車運(yùn)行的速度和距離。圖8 是編碼里程儀測(cè)距原理圖。

圖8　編碼里程儀測(cè)距原理
列車車輪運(yùn)動(dòng)一周, 編碼里程計(jì)輸出64 個(gè)或128 個(gè)脈沖。列車車輪運(yùn)動(dòng)一周, 編碼里程計(jì)輸出的脈沖數(shù)越多, 測(cè)速和?或測(cè)距精度越高。
列車運(yùn)動(dòng)速度= 單位時(shí)間內(nèi)編碼里程計(jì)輸出的脈沖數(shù)× (Π5 編碼里程計(jì)每周輸出的脈沖數(shù)) 列車運(yùn)動(dòng)距離= 編碼里程計(jì)輸出的脈沖數(shù)× (Π5 編碼里程計(jì)每周輸出的脈沖數(shù)) 式中5 為列車車輪的直徑。由于列車周而復(fù)始地運(yùn)動(dòng), 車輪輪徑不斷磨損, 目前城市軌道交通系統(tǒng)中允許列車車輪的輪徑范圍為840mm～ 770mm , 因此(是個(gè)變量, 要定期或不定期地進(jìn)行修正。
利用車載編碼里程計(jì)確定列車運(yùn)行的距離還需要考慮列車運(yùn)動(dòng)過程中車輪的空轉(zhuǎn)和打滑。實(shí)際工程應(yīng)用中, 可以采用信標(biāo)、軌道電路分界點(diǎn)、電纜環(huán)線等手段傳送給列車絕對(duì)位置標(biāo)識(shí), 這些標(biāo)識(shí)在線路中的位置是固定不變的, 并經(jīng)過精確測(cè)量。車載設(shè)備接收到這些標(biāo)識(shí)后, 對(duì)車載里程計(jì)的測(cè)距誤差進(jìn)行修正。通常車載里程計(jì)只給出列車對(duì)應(yīng)地面某個(gè)標(biāo)識(shí)的相對(duì)距離, 保證列車在線路中運(yùn)行時(shí), 車載定位設(shè)備的距離測(cè)量不會(huì)有大的積累誤差。
4　結(jié)束語(yǔ)
利用各種技術(shù)手段確定列車在線路中的位置、對(duì)列車進(jìn)行精確定位的目的是對(duì)線路中所有的列車進(jìn)行統(tǒng)一管理, 確保各列車之間安全運(yùn)行的最小間隔, 保證列車運(yùn)行的安全; 同時(shí), 通過統(tǒng)一的調(diào)度和管理, 保證線路中運(yùn)營(yíng)列車的均勻分布。本文介紹的各種定位技術(shù)在城市軌道系統(tǒng)中均有成功應(yīng)用的實(shí)例, 具體系統(tǒng)中采用何種定位技術(shù), 取決于對(duì)線路運(yùn)輸能力的要求。通常, 城市軌道交通系統(tǒng)中需要綜合運(yùn)用多種定位技術(shù)。如廣州地鐵一號(hào)線, 正線上采用數(shù)字軌道電路, 車站加裝精確同步環(huán)線, 利用車載編碼里程儀經(jīng)過軌道電路和環(huán)線的同步后的距離數(shù)據(jù), 實(shí)現(xiàn)列車的自動(dòng)駕駛。
除了本文介紹的各種列車定位方法, 還有其它各種列車定位技術(shù), 如采用雷達(dá)測(cè)速、測(cè)距的定位方法, 采用計(jì)軸設(shè)備確定列車位置的技術(shù), 大鐵路上還可以采用GPS 、GM S2R 等技術(shù)對(duì)列車進(jìn)行定位, GSM 2R 是國(guó)際鐵路聯(lián)盟(U IC) 和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ET S I) 為歐洲新一代鐵路開發(fā)的無線移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展, 相信將有越來越多技術(shù)含量更高的先進(jìn)列車定位技術(shù)問世。

參　考　文　獻(xiàn)
1　吳汶麒主編. 城市軌道交通信號(hào)與通信系統(tǒng). 中國(guó)鐵道出版社, 1999
2　蔡愛華, 季錦章. 地鐵信號(hào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì). 電子工程師, 2000, 5