軌道交通列車(chē)定位技術(shù)的選擇與比較

陳艷華

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通運(yùn)輸系，陜西西安710014）

軌道交通系統(tǒng)列車(chē)具有運(yùn)行速度快，間隔較近，運(yùn)行密度高等特點(diǎn)，因此，為了保證列車(chē)運(yùn)行的高安全、高可靠性，需要設(shè)定許多技術(shù)參數(shù)，其中列車(chē)的物理位置信息是列車(chē)控制系統(tǒng)中重要參數(shù)之一。在軌道交通行車(chē)系統(tǒng)中列車(chē)定位是非常重要的技術(shù)。因此，這里詳細(xì)討論了軌道交通技術(shù)。

1 列車(chē)定位技術(shù)

獲得列車(chē)物理位置信息，即確定車(chē)輛在地球表面上的坐標(biāo)，簡(jiǎn)稱為列車(chē)定位。及時(shí)準(zhǔn)確地獲取列車(chē)物理位置，才能確保列車(chē)安全有效運(yùn)行。因此，通過(guò)列車(chē)定位，可以更加有效地提高行車(chē)的安全和效率，使行車(chē)調(diào)度與控制實(shí)現(xiàn)全新智能化模式成為可能[1]。因此列車(chē)定位應(yīng)提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的列車(chē)位置信息，并具有以下功能[2-3]。

1）能夠?yàn)榱熊?chē)控制系統(tǒng)隨時(shí)隨地提供準(zhǔn)確的位置和實(shí)時(shí)速度信息，保證前后列車(chē)的安全間隔；

2）縮短前后追蹤列車(chē)的間隔時(shí)間，提高區(qū)間列車(chē)運(yùn)行速度；

3）通過(guò)列車(chē)定位可獲得列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)信息，從而便于實(shí)現(xiàn)列控系統(tǒng)的車(chē)載及軌旁設(shè)備的故障分析；

4）依據(jù)列車(chē)超速防護(hù)子系統(tǒng)的速度—模式曲線，實(shí)現(xiàn)列車(chē)的定點(diǎn)停車(chē)及超速防護(hù)；

5）為列車(chē)安全運(yùn)行提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，從而使ATC系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)成為可能。

2 列車(chē)定位的主要方法

2.1 軌道電路定位法[4]

傳統(tǒng)的軌道電路定位法是利用鐵路線路的2根鋼軌作為導(dǎo)體，兩端加以機(jī)械絕緣（或電氣絕緣），并接上送電和受電設(shè)備所構(gòu)成的電路。軌道電路就是檢測(cè)軌道區(qū)段是否有列車(chē)占用，來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)的定位。目前廣泛采用S型連接棒音頻無(wú)絕緣軌道電路，即采用電氣絕緣實(shí)現(xiàn)區(qū)段的劃分實(shí)現(xiàn)列車(chē)定位。

2.2 地面應(yīng)答器法[5]

地面應(yīng)答器也稱為信標(biāo)，地面應(yīng)答器與車(chē)載應(yīng)答器，軌旁電子單元配合使用來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)定位。地面應(yīng)答器主要分為有源和無(wú)源2種。應(yīng)答器安裝在站內(nèi)或每個(gè)軌道分區(qū)等軌道沿線，應(yīng)答器無(wú)需與任何設(shè)備相連，其內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)已固定。當(dāng)列車(chē)通過(guò)時(shí)，地面應(yīng)答器與車(chē)載的相應(yīng)設(shè)備對(duì)準(zhǔn)，車(chē)載設(shè)備以電磁感應(yīng)的原理以一定的頻率傳遞給地面應(yīng)答器相應(yīng)信號(hào)，應(yīng)答器接收到車(chē)載設(shè)備傳送的信號(hào)后開(kāi)始工作，通常利用移頻鍵控方式將列車(chē)當(dāng)前的絕對(duì)點(diǎn)物理位置信息回傳至列車(chē)。車(chē)載設(shè)備會(huì)使列車(chē)定位信息再次刷新，得到新的列車(chē)位置起點(diǎn)。

2.3 交叉電纜回線定位法[6]

交叉電纜回線定位是使用電纜按一定間隔繞制成一個(gè)環(huán)路設(shè)于軌道上。其設(shè)備的布置方式：在2根基本軌之間鋪設(shè)交叉電纜回線，一條線安裝在基本軌間的到床上，另一條線安裝在鋼軌的頸部底端，兩條線每隔相應(yīng)距離作一次交叉。當(dāng)列車(chē)通過(guò)每一個(gè)電纜交叉點(diǎn)時(shí)，車(chē)載設(shè)備感應(yīng)接收到交叉電纜回線提供的相應(yīng)信號(hào)變化信息，并由車(chē)載計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，從而確定列車(chē)的物理坐標(biāo)信息，使車(chē)載設(shè)備對(duì)列車(chē)位置信息刷新。

2.4 測(cè)速定位法[7-8]

測(cè)速定位法是先測(cè)得列車(chē)運(yùn)行的即時(shí)速度，對(duì)其進(jìn)行積分即得列車(chē)運(yùn)行距離，從而實(shí)現(xiàn)列車(chē)的定位。目前測(cè)速的方法很多,一類(lèi)是利用輪軸旋轉(zhuǎn)信息的測(cè)速方法,具體主要為測(cè)速電機(jī)和脈沖轉(zhuǎn)速傳感器方式；另一類(lèi)是利用無(wú)線通信方法,直接測(cè)出列車(chē)運(yùn)行的速度,具體包括多普勒雷達(dá)測(cè)速、GPS測(cè)速定位和無(wú)線擴(kuò)頻定位。

除以上述定位方法外，軌道交通中還應(yīng)用其他一些定位技術(shù)，例如：計(jì)軸器定位、慣性列車(chē)定位系統(tǒng)定位、航位推算系統(tǒng)定位、地圖匹配定位、裂縫波導(dǎo)定位、無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)定位等。

3 列車(chē)定位技術(shù)的選擇與比較

3.1 閉塞制式的分析[9]

軌道交通列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)采用3種閉塞制式：固定閉塞，準(zhǔn)移動(dòng)閉塞和移動(dòng)閉塞。在軌道交通中，不同的閉塞制式對(duì)于列車(chē)定位技術(shù)的采用是有取舍的。

1）軌道電路定位法無(wú)法確定列車(chē)在閉塞分區(qū)內(nèi)的具體位置，因此列車(chē)實(shí)施制動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)總在分區(qū)的邊界，在確保安全的前提下，需設(shè)防護(hù)區(qū)段，加大了列車(chē)間的間隔，使區(qū)間通過(guò)能力的提高受到限制。該定位法定位的精度較低，無(wú)法構(gòu)成移動(dòng)閉塞。

2）地面應(yīng)答器法也是較典型的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞定位技術(shù)。

3）交叉電纜回線定位法可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞，是目前行業(yè)內(nèi)比較先進(jìn)的控制技術(shù)。

4）利用測(cè)速原理的無(wú)線擴(kuò)頻定位技術(shù)也可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞。該方式的定位原理與輪軸測(cè)速不同，是利用電臺(tái)間相互傳輸信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位。

3.2 設(shè)備投資成本分析[10-11]

1）軌道電路定位法由于可以利用現(xiàn)有設(shè)備不需要再投資，因而費(fèi)用較低，而且該方法即可實(shí)現(xiàn)列車(chē)定位，也可以檢測(cè)線路是否完好，能實(shí)現(xiàn)故障—安全原則。

2）GPS定位法的設(shè)備投資也較小。只要在列車(chē)兩端安裝GPS接收機(jī)和差分誤差信息接收器，接收器導(dǎo)航定位衛(wèi)星發(fā)送來(lái)的信息，通過(guò)測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射與接收的時(shí)間差，得到衛(wèi)星至地面的距離，就可確定列車(chē)的坐標(biāo)位置。

3）交叉電纜回線定位法實(shí)現(xiàn)時(shí)只需在線間鋪設(shè)電纜環(huán)線，因此成本較低。

4）無(wú)線擴(kuò)頻定位技術(shù)由于設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，需要在區(qū)段沿線設(shè)置用于測(cè)距的專用擴(kuò)頻基站和中心控制站，投資成本較高。

5）利用設(shè)置地面信標(biāo)，可以消除測(cè)速設(shè)備帶來(lái)的累計(jì)誤差，通過(guò)地面信標(biāo)與測(cè)速設(shè)備配合實(shí)現(xiàn)定位，投資相對(duì)較小。

3.3 維護(hù)費(fèi)用分析

1）軌道電路法在實(shí)現(xiàn)列車(chē)定位功能時(shí)，由于存在送電和受電設(shè)備，因而軌旁設(shè)備數(shù)量較大，維護(hù)工作量也相應(yīng)較大。

2）GPS定位法實(shí)現(xiàn)列車(chē)定位時(shí)，不設(shè)地面設(shè)備，只需在車(chē)列上安裝接收機(jī)即可，因此大量的安裝及維護(hù)費(fèi)用得到節(jié)約。

3）地面應(yīng)答器定位法由于設(shè)備簡(jiǎn)單，維護(hù)及運(yùn)行費(fèi)用也較低。

3.4 抗干擾性能分析

1）軌道電路定位法因?yàn)檐壍离娐返墓ぷ鳁l件和設(shè)備的特殊性，使其抗干擾性較差。軌道電路易受振動(dòng)、天氣、環(huán)境和車(chē)輛輪對(duì)潔凈程度的影響,比如雨天、下雪天會(huì)導(dǎo)致軌道電路分路不良。牽引電流和道砟阻抗變化等因素也會(huì)對(duì)其造成干擾。

2）GPS衛(wèi)星定位也易受到障礙物干擾，在軌道線路周?chē)钃跷镙^多的地方易形成盲區(qū)，惡劣的天氣對(duì)其性能影響也較大，使定位精度下降，另外該方式又受制于衛(wèi)星和空間站的設(shè)備性能情況。

3）交叉電纜回線定位法利用極性交叉的原理實(shí)現(xiàn)，因此可以抗?fàn)恳娏鞯母蓴_。

4）地面應(yīng)答器法抗干擾性也較強(qiáng)，能適應(yīng)惡劣氣候條件，可以在任何環(huán)境、地點(diǎn)，甚至GPS無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位的位置，都可以可靠工作。

5）無(wú)線擴(kuò)頻定位法由于為獨(dú)立系統(tǒng)，不易受其他因素干擾，因此定位比較精確。

3.5 定位精度分析[12]

1）軌道電路法只能實(shí)現(xiàn)分區(qū)內(nèi)的邊界定位，因此定位精度不高，為了實(shí)現(xiàn)較精確的定位，可以與測(cè)速設(shè)備配合使用。計(jì)軸器定位法與軌道電路法相近，定位精度也不高，通常也需與測(cè)速裝置相結(jié)合實(shí)現(xiàn)列車(chē)定位。

2）地面應(yīng)答器法是點(diǎn)式定位，相對(duì)附近區(qū)域定位精度較高。但如果實(shí)現(xiàn)各連續(xù)點(diǎn)的定位，則必須縮小應(yīng)答器設(shè)置的間距，加大應(yīng)答器的設(shè)置數(shù)量提高定位的精度。

3）GPS衛(wèi)星定位屬于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下工作，定位的精度則受到限制，但只要GPS信號(hào)可用，就可以提供列車(chē)的絕對(duì)位置信息，即使是在較遠(yuǎn)的距離利用其載波相位進(jìn)行定位，精度也會(huì)較高，時(shí)間的積累不影響誤差值。使用差分定位方法，定位精度可以達(dá)到3 m左右。

4）交叉電纜回線定位累計(jì)誤差較大，定位精度與交叉區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置形成一對(duì)矛盾，因此提高定位精度難度較大。

5）在通過(guò)測(cè)速定位的方法中，無(wú)線擴(kuò)頻定位技術(shù)定位比較精確，對(duì)列車(chē)定位的精度可達(dá)5 m范圍內(nèi)的誤差，信息傳輸?shù)臅r(shí)間間隔也較小，具有在較差的電磁條件下可靠傳輸數(shù)據(jù)的能力。而測(cè)量車(chē)輪轉(zhuǎn)速定位法因車(chē)輪磨損導(dǎo)致的累計(jì)誤差較大，因而在定位精度要求不高的情況，可以用增加地面信標(biāo)的方法補(bǔ)償校正。

除從以上方面進(jìn)行比較外，還可以從以下方面進(jìn)行比較：

1）采集定位信息是否連續(xù)，定位信息的特點(diǎn)分為：點(diǎn)式信息和連續(xù)式信息，其中地面應(yīng)答器采集的就是點(diǎn)式信息，GPS列車(chē)定位的信息則是連續(xù)的。

2）定位設(shè)備的安裝位置可分為軌旁定位和車(chē)載定位2種。軌旁定位方式目前主要有軌道電路法、計(jì)軸器法、查詢應(yīng)答器法、交叉感應(yīng)回線法、無(wú)線擴(kuò)頻法等；車(chē)載定位方式主要有是在輪軸上安裝里程儀或者脈沖轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)現(xiàn)列車(chē)的定位。

3）與軌道是否接觸[13-14]，由于軌道交通運(yùn)營(yíng)模式存在車(chē)體運(yùn)行中與軌道是否接觸的區(qū)別，在定位技術(shù)上也有差別。與輪軌交通方式對(duì)比分析，磁懸浮交通對(duì)列車(chē)定位提出了特殊的要求。其中車(chē)輪轉(zhuǎn)速方法定位無(wú)法實(shí)現(xiàn)，只能用無(wú)線方式。由于磁懸浮列車(chē)速度較高，則對(duì)定位的相關(guān)參數(shù)要求更高。目前磁懸浮列車(chē)定位的方法主要有：交叉電纜回線定位、傳感器定位、微波定位。

4）定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難易程度，定位方法中交叉電纜回線定位法實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單。

5）線路是否封閉[15]，如果軌道交通線路是封閉的，那么列控系統(tǒng)要求定位信息必須是絕對(duì)位置信息，才能滿足控制要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了使信號(hào)系統(tǒng)中的列控中心和車(chē)載本身確定列車(chē)的當(dāng)前位置，以及向旅客提供向?qū)畔?，獲得列車(chē)當(dāng)前的物理位置是非常必要的。定位信息的準(zhǔn)確度直接影響列車(chē)運(yùn)行的安全。隨著通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多新型定位技術(shù)并已運(yùn)用，例如：基于絕對(duì)位置編碼的絕對(duì)定位方法，其定位精度、可靠性、抗干擾性均較高，并且成本較低。還有利用無(wú)線傳感器實(shí)現(xiàn)定位、低頻射頻識(shí)別無(wú)源標(biāo)簽定位等。

在列車(chē)定位技術(shù)的選擇與比較中不難發(fā)現(xiàn)，只利用一種定位方法很難在定位精度、成本、可靠性等方面得到均衡，而且從故障—安全方面考慮，也不能保證系統(tǒng)的安全可靠性。因此，目前在列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)中定位往往是綜合運(yùn)用，將多種方法融合，互補(bǔ)，使之能滿足列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)安全運(yùn)行要求。

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