高速綜合檢測(cè)時(shí)空同步技術(shù)

■ 王登陽(yáng) 楊超

高速綜合檢測(cè)列車(chē)軌道、牽引供電、通信、信號(hào)等基礎(chǔ)設(shè)施相互之間關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，影響因素多。高速綜合檢測(cè)時(shí)空同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一整套對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析、評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐的多系統(tǒng)時(shí)間里程同步采集發(fā)布系統(tǒng)，為多專(zhuān)業(yè)檢測(cè)數(shù)據(jù)融合智能分析奠定基礎(chǔ)。通過(guò)系統(tǒng)的定位試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的定位精度，證明時(shí)空同步技術(shù)為高速綜合檢測(cè)列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的時(shí)空同步提供了一個(gè)較為有效的解決方案。

1 時(shí)空同步技術(shù)概況

高速鐵路現(xiàn)階段主要采用高速綜合檢測(cè)列車(chē)進(jìn)行鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的綜合檢測(cè)。高速綜合檢測(cè)列車(chē)上有多個(gè)專(zhuān)業(yè)的檢測(cè)系統(tǒng)，分別對(duì)軌道幾何狀態(tài)、加速度、輪軌力、接觸網(wǎng)、通信、信號(hào)等進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)。高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)復(fù)雜，為了保障行車(chē)安全、提高運(yùn)輸效率、降低運(yùn)營(yíng)成本，需要通過(guò)綜合數(shù)據(jù)分析，對(duì)高速綜合檢測(cè)列車(chē)檢測(cè)數(shù)據(jù)及基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)變化規(guī)律做出評(píng)價(jià)，為高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全評(píng)估和指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修提供技術(shù)支撐。

參與動(dòng)態(tài)檢測(cè)的所有專(zhuān)業(yè)擁有統(tǒng)一、精確的時(shí)間里程信息，是進(jìn)行線(xiàn)路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析的前提和基礎(chǔ)。高速綜合檢測(cè)時(shí)空同步技術(shù)即是在綜合檢測(cè)列車(chē)上解決里程精確定位問(wèn)題，為各個(gè)專(zhuān)業(yè)提供統(tǒng)一實(shí)時(shí)里程、時(shí)間同步等基礎(chǔ)信息的關(guān)鍵技術(shù)之一。時(shí)空同步技術(shù)包括里程定位和時(shí)間同步2個(gè)技術(shù)要點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外高速綜合檢測(cè)列車(chē)采用的定位技術(shù)主要有以下幾種：

1.1 里程累加技術(shù)

（1）基于速度編碼器的里程累加定位技術(shù)。里程累加計(jì)距所需的脈沖信號(hào)通過(guò)安裝在列車(chē)輪對(duì)軸頭的光電編碼器提供。列車(chē)行駛過(guò)程中，光電編碼器和車(chē)輪以相同角速率轉(zhuǎn)動(dòng)，列車(chē)行駛距離可通過(guò)采集、累計(jì)脈沖信號(hào)獲得。但是，利用速度編碼器對(duì)行車(chē)距離進(jìn)行累加的誤差隨時(shí)間逐漸增大，并由于存在長(zhǎng)短鏈、車(chē)輪空轉(zhuǎn)、滑行、磨損等多種情況，單純的速度編碼器累加不能對(duì)線(xiàn)路里程進(jìn)行精確定位，必須輔以其他里程修正技術(shù)。

（2）基于多普勒雷達(dá)測(cè)速的定位技術(shù)。利用多普勒雷達(dá)獲得列車(chē)行駛速度，利用陀螺儀獲得列車(chē)在三維空間中各個(gè)方向的加速度，通過(guò)積分合成計(jì)算列車(chē)行駛距離?；诙嗥绽绽走_(dá)測(cè)速的定位技術(shù)與速度編碼器定位技術(shù)一樣，存在累加誤差，必須輔以其他里程修正技術(shù)。

1.2 里程定位技術(shù)

（1）基于應(yīng)答器的定位技術(shù)。基于應(yīng)答器的定位技術(shù)是目前廣泛采用的列車(chē)定位方法。應(yīng)答器按照規(guī)定距離安裝于軌道中心線(xiàn)上，列車(chē)通過(guò)應(yīng)答器上方時(shí)，車(chē)載應(yīng)答器接收天線(xiàn)獲取到應(yīng)答器信息（包含位置信息），完成對(duì)列車(chē)的定位?；趹?yīng)答器的定位技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是定位精度高、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)成本較低、在惡劣環(huán)境下可保證良好的穩(wěn)定性；缺點(diǎn)是只能獲得應(yīng)答器所在位置的定位信息，必須輔以速度編碼器或多普勒雷達(dá)測(cè)速定位技術(shù)才能完整定位線(xiàn)路里程。新線(xiàn)聯(lián)調(diào)聯(lián)試過(guò)程中，應(yīng)答器設(shè)備未調(diào)試完成，不能作為檢測(cè)列車(chē)的定位信息源使用。

（2）基于GPS的定位技術(shù)。GPS定位技術(shù)是通過(guò)衛(wèi)星對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行測(cè)定并進(jìn)行定位和導(dǎo)航的技術(shù)。GPS定位技術(shù)具有使用方便、技術(shù)成熟、成本相對(duì)較低、維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)。因此，GPS定位技術(shù)也是現(xiàn)階段檢測(cè)列車(chē)廣泛采用的定位技術(shù)之一。但GPS在山區(qū)、隧道、車(chē)站等遮擋區(qū)段會(huì)完全失效，且定位精度受衛(wèi)星星況、天氣氣候等因素影響較大。

（3）基于RFID的定位技術(shù)。RFID無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)作為一種新興的定位手段，已較廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，尤其在物流管理領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。RFID技術(shù)在我國(guó)鐵路貨車(chē)追蹤、貨車(chē)車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別等方面也早已得到應(yīng)用，并趨于成熟?；赗FID的定位技術(shù)原理與應(yīng)答器定位技術(shù)相似，但RFID標(biāo)簽具有尺寸小、安裝方便等特點(diǎn)。因此，更適合在高速綜合檢測(cè)列車(chē)上進(jìn)行精確定位。

除以上所述方法外，無(wú)線(xiàn)測(cè)距、慣性導(dǎo)航等其他定位技術(shù)在列車(chē)的定位系統(tǒng)中也得到應(yīng)用。

1.3 時(shí)間同步技術(shù)

時(shí)間同步目前最通用的方法是利用GPS時(shí)鐘授時(shí)，先將網(wǎng)絡(luò)中一臺(tái)計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘與GPS時(shí)鐘同步，再將這臺(tái)計(jì)算機(jī)作為時(shí)間服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他設(shè)備基于網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（Network Time Protocol）或精密時(shí)鐘同步協(xié)議（Precision Timing Protocol）與其進(jìn)行時(shí)間同步。時(shí)間服務(wù)器輸出必須通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口，數(shù)據(jù)輸出格式必須符合時(shí)間同步協(xié)議，局域網(wǎng)內(nèi)所有PC、服務(wù)器和其他設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與時(shí)間服務(wù)器保持同步，時(shí)間同步協(xié)議自動(dòng)判斷網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間補(bǔ)償，從而使局域網(wǎng)設(shè)備時(shí)間保持統(tǒng)一精準(zhǔn)。時(shí)間同步原理見(jiàn)圖1。

圖1 時(shí)間同步原理

2 綜合檢測(cè)時(shí)空同步技術(shù)

2.1 里程同步實(shí)現(xiàn)原理

目前，高速綜合檢測(cè)列車(chē)采用RFID定位技術(shù)、GPS定位技術(shù)做為里程定位手段，里程累加使用速度編碼器定位技術(shù)，三者補(bǔ)充融合是解決里程定位問(wèn)題的最佳手段。GPS與RFID定位優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

由于GPS與RFID定位技術(shù)各具優(yōu)勢(shì)，時(shí)空校準(zhǔn)系統(tǒng)中兩者相互補(bǔ)充、相互備份，速度編碼器信號(hào)用于定位點(diǎn)間里程的累加計(jì)距和誤差修正。

線(xiàn)路上每1～5 km設(shè)置一個(gè)定位點(diǎn)，采集GPS經(jīng)緯度，并在定位點(diǎn)同一截面線(xiàn)路兩側(cè)接觸網(wǎng)支柱上安裝電子標(biāo)簽（見(jiàn)圖2）。在每2個(gè)相鄰定位點(diǎn)間系統(tǒng)利用高分辨率光電編碼器進(jìn)行累加計(jì)距，維持里程定位數(shù)據(jù)連續(xù)性，編碼器信號(hào)累加誤差隨行車(chē)距離增加不斷增大，系統(tǒng)在每個(gè)定位點(diǎn)處的里程校準(zhǔn)值用來(lái)修正編碼器累加誤差。

2.2 時(shí)空校準(zhǔn)系統(tǒng)

綜合檢測(cè)時(shí)空校準(zhǔn)系統(tǒng)以時(shí)間可控為基本設(shè)計(jì)理念，采用精確時(shí)鐘同步技術(shù)做為誤差修正手段，融合高速射頻、差分GSP、慣性導(dǎo)航及實(shí)時(shí)通信等定位手段，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)列車(chē)高速檢測(cè)過(guò)程中的里程精確定位、信息發(fā)布、狀態(tài)監(jiān)控等功能。系統(tǒng)主要分為時(shí)間同步和里程同步兩部分，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

表1 GPS與RFID定位數(shù)據(jù)源優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

圖2 定位點(diǎn)標(biāo)簽安裝方式

（1）時(shí)間同步。系統(tǒng)采用GPS作為全車(chē)時(shí)鐘同步的基礎(chǔ)時(shí)鐘源。車(chē)載檢測(cè)系統(tǒng)由于涉及多個(gè)系統(tǒng)，為避免GPS時(shí)鐘在通過(guò)隧道、橋梁、車(chē)站等GPS信號(hào)遮擋區(qū)段信息丟失，高速綜合檢測(cè)列車(chē)的時(shí)空校準(zhǔn)系統(tǒng)配備高精度時(shí)間服務(wù)器提供連續(xù)、精確、守時(shí)的時(shí)間信息。

（2）里程同步。系統(tǒng)采用速度編碼器、DGPS定位系統(tǒng)和高速射頻電子標(biāo)簽技術(shù)結(jié)合的方式進(jìn)行地理數(shù)據(jù)信息采集和定位。

為了減少里程同步數(shù)據(jù)的通信時(shí)延，系統(tǒng)使用專(zhuān)用實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的可靠傳輸，保證了同步數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)在微秒以?xún)?nèi)。車(chē)內(nèi)各檢測(cè)系統(tǒng)PC、服務(wù)器等按照 “綜合檢測(cè)列車(chē)?yán)锍掏絽f(xié)議”與時(shí)空校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行里程同步，達(dá)到全車(chē)檢測(cè)系統(tǒng)里程的實(shí)時(shí)統(tǒng)一。

列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，里程同步服務(wù)器采集實(shí)時(shí)GPS經(jīng)緯度和射頻標(biāo)簽信息，在“GPS–里程”和“RFID–里程”信息數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行信息對(duì)比，當(dāng)?shù)竭_(dá)某個(gè)定位點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)軟件自動(dòng)匹配出經(jīng)緯度和射頻標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的線(xiàn)路里程，同時(shí)完成里程誤差修正，獲得當(dāng)前列車(chē)瞬時(shí)里程值。里程同步服務(wù)器通過(guò)采集速度編碼器脈沖信號(hào)，在這個(gè)里程值上進(jìn)行累加計(jì)算，以維護(hù)里程值的準(zhǔn)確性，直到下一個(gè)定位點(diǎn)對(duì)里程值進(jìn)行再次修正。時(shí)空校準(zhǔn)系統(tǒng)就是通過(guò)這樣一個(gè)修正→累加→再修正→再累加的循環(huán)，始終維護(hù)列車(chē)?yán)锍潭ㄎ坏臏?zhǔn)確性。時(shí)空校準(zhǔn)系統(tǒng)里程同步原理見(jiàn)圖4。

時(shí)空校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件界面見(jiàn)圖5，安裝在里程同步服務(wù)器上，主要功能包括整車(chē)時(shí)間同步、整車(chē)?yán)锍掏郊靶熊?chē)信息記錄。此外，服務(wù)器還具有監(jiān)控各個(gè)系統(tǒng)客戶(hù)端連接情況和正確接收?qǐng)?bào)文情況等輔助功能。

2.3 系統(tǒng)車(chē)內(nèi)布置

時(shí)空校準(zhǔn)系統(tǒng)服務(wù)器及接口單元在機(jī)柜內(nèi)的布置見(jiàn)圖6，包括里程同步服務(wù)器、時(shí)空校準(zhǔn)接口單元和時(shí)間服務(wù)器。

射頻閱讀器通過(guò)萬(wàn)向調(diào)節(jié)裝置安裝在兩側(cè)車(chē)窗，與車(chē)窗玻璃貼合，2個(gè)標(biāo)簽閱讀器安裝位置與車(chē)頂?shù)亩ㄎ籊PS天線(xiàn)處于車(chē)體同一斷面上。射頻標(biāo)簽閱讀器在車(chē)內(nèi)安裝實(shí)物見(jiàn)圖7。定位GPS天線(xiàn)采用高增益雙頻航空專(zhuān)用GPS天線(xiàn)，天線(xiàn)安裝在車(chē)頂位置（見(jiàn)圖8）。

3 定位精度驗(yàn)證

圖3 時(shí)空校準(zhǔn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 里程同步原理

圖5 時(shí)空校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件界面

圖6 時(shí)空校準(zhǔn)系統(tǒng)機(jī)柜布置圖

2011年3月4日—5月3日，系統(tǒng)在京滬高速鐵路先導(dǎo)段（徐州東—蚌埠南）進(jìn)行了最高速度350 km/h定位精度驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)在380A-001高速綜合檢測(cè)列車(chē)上完成。試驗(yàn)過(guò)程中，檢測(cè)車(chē)車(chē)內(nèi)軌道檢測(cè)、動(dòng)力學(xué)檢測(cè)、接觸網(wǎng)檢測(cè)、信號(hào)檢測(cè)等系統(tǒng)采用里程精確定位系統(tǒng)進(jìn)行里程同步。

為了驗(yàn)證高速狀態(tài)下的系統(tǒng)定位精度，試驗(yàn)采用了激光觸發(fā)裝置。試驗(yàn)在上行線(xiàn)K756+209及K756＋004 2處接觸網(wǎng)桿上安裝射頻標(biāo)簽，作為精度驗(yàn)證A、B 2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，安裝高度為軌面以上2.2 m；在2處試驗(yàn)點(diǎn)間，上行線(xiàn)K756+102處接觸網(wǎng)桿上安裝激光發(fā)生器試驗(yàn)裝置，安裝高度為軌面以上2.35 m。車(chē)內(nèi)激光接收位置與標(biāo)簽閱讀器在同一列車(chē)定位截面。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量得到：激光發(fā)生器與A、B 2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的精確間距分別為109.1 m和95.7 m，測(cè)量誤差≤0.1 m。

當(dāng)列車(chē)高速經(jīng)過(guò)A、B 2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)及中間激光器基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，標(biāo)簽閱讀器和激光發(fā)生器信號(hào)采集見(jiàn)圖9。列車(chē)經(jīng)過(guò)A或B兩點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)定位出試驗(yàn)點(diǎn)里程，并在此里程基礎(chǔ)上根據(jù)光電編碼器信號(hào)進(jìn)行里程累加。激光觸發(fā)裝置在接收到激光光束的瞬間發(fā)出觸發(fā)脈沖，驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器停止里程累加，從而得到列車(chē)從射頻標(biāo)簽到激光發(fā)生器處的定位距離。整個(gè)激光觸發(fā)過(guò)程由硬件板卡完成，延時(shí)誤差忽略不計(jì)。

列車(chē)以不同速度（50、150、200、250、300、350 km/h）通過(guò)試驗(yàn)點(diǎn)和激光器，系統(tǒng)定位的行車(chē)間距與實(shí)際值對(duì)比，從而驗(yàn)證系統(tǒng)的定位精度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10是各速度級(jí)下時(shí)空校準(zhǔn)系統(tǒng)定位的A、B 2個(gè)定位點(diǎn)到基準(zhǔn)點(diǎn)的“距離-速度”曲線(xiàn)。曲線(xiàn)描述了列車(chē)以不同速度級(jí)正反向通過(guò)K756—K757試驗(yàn)區(qū)段數(shù)次。從圖中可以看出，列車(chē)正反向通過(guò)A、B 2個(gè)定位點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)次，每次獲得的定位點(diǎn)到基準(zhǔn)點(diǎn)距離曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)距離基本吻合，定位最大誤差<0.3 m。

4 結(jié)論

綜合檢測(cè)時(shí)空同步技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了400 km/h條件下的精確定位，定位精度達(dá)到1 m，極大提升了國(guó)內(nèi)檢測(cè)列車(chē)裝備的技術(shù)水平。

圖7 車(chē)內(nèi)射頻閱讀安裝完成圖

圖8 車(chē)頂GPS天線(xiàn)安裝完成圖

圖9 射頻標(biāo)簽試驗(yàn)驗(yàn)證示意圖

圖10 系統(tǒng)定位修正后兩點(diǎn)距激光器與實(shí)際距離對(duì)比驗(yàn)證曲線(xiàn)

目前，時(shí)空校準(zhǔn)系統(tǒng)已經(jīng)在CRH380A-0150C、CRH380A-001、CRH380B-002、0號(hào)、CRH2-061C等多輛高速綜合檢測(cè)列車(chē)上使用。在京滬高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試及日常檢測(cè)中取得了較好的應(yīng)用效果。