CBTC下的列車定位不確定性影響因素分析

徐紀(jì)康

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院)

在CBTC系統(tǒng)中，列車位置的確定，是列車自動(dòng)控制的基礎(chǔ)。對(duì)列車定位的精確性，會(huì)直接影響列車運(yùn)行的性能。因此，本文首先分析了列車定位的原理，然后采用故障樹分析法分析影響列車定位的因素，并建立相關(guān)的列車定位故障樹模型，最后說(shuō)明該模型的作用以及為進(jìn)一步的研究做好準(zhǔn)備。

1 列車定位的原理分析

1.1 概述

在城市軌道交通的CBTC信號(hào)系統(tǒng)中，列車的定位，即確定列車的位置，主要依賴于速度傳感器獲取列車的即時(shí)速度值，然后采用積分的方法來(lái)獲取列車的運(yùn)行距離。同時(shí)，由于采用速度傳感器的方法獲取的是列車相對(duì)的運(yùn)行距離，也存在累計(jì)的誤差，所以，還需要采用定位信標(biāo)來(lái)計(jì)算列車的絕對(duì)位置以及校準(zhǔn)其累計(jì)誤差。

1.2 速度傳感器的定位原理分析

速度傳感器一般安裝在車輛的非驅(qū)動(dòng)軸上。通過(guò)采集脈沖信號(hào)來(lái)獲取車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后根據(jù)以下公式來(lái)確定列車的運(yùn)行距離

其中，S為列車的運(yùn)行距離;φ為車輪的直徑;N為一定時(shí)間內(nèi)采集到的脈沖數(shù);M為車輪轉(zhuǎn)一周采集到的標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)。

通過(guò)速度傳感器獲取的列車運(yùn)行距離，只是相對(duì)的列車位移大小，并沒(méi)有確定列車在線路軌道上的具體位置。因此，單獨(dú)依靠速度傳感器來(lái)定位是不夠的。所以，很多的信號(hào)供應(yīng)商采用信標(biāo)來(lái)輔助完成列車的定位功能。

1.3 定位信標(biāo)的定位原理分析

信標(biāo)是一種基于電磁耦合原理而構(gòu)成的高速點(diǎn)式數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，在特定地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)地面給車載發(fā)送一些數(shù)據(jù)信息。

圖1 信標(biāo)定位工作原理

如圖1所示，車載計(jì)算機(jī)通過(guò)應(yīng)答查詢器獲取列車所經(jīng)過(guò)的信標(biāo)ID值。然后，車載計(jì)算機(jī)根據(jù)ID值去線路數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢相對(duì)應(yīng)的信標(biāo)安裝位置，從而來(lái)確定列車在線路上的絕對(duì)位置。

2 影響列車定位的因素分析

2.1 故障樹分析法介紹

故障樹分析法(Fault tree analysis，F(xiàn)TA)由美國(guó)貝爾電話室的H.A.Walson首先提出，它是一種系統(tǒng)可靠性的分析方法。利用故障樹，可以尋找潛在故障或者進(jìn)行故障診斷，還可以進(jìn)一步分析預(yù)測(cè)系統(tǒng)故障發(fā)生的概率。

故障樹以圖形化的方式表示了一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)故障或者其他事件之間的交互關(guān)系。在故障樹中，底事件通過(guò)一些邏輯符號(hào)(如與門和或門)連接到一個(gè)或多個(gè)頂事件。頂事件一般指危機(jī)系統(tǒng)的事件或者是不希望發(fā)生的系統(tǒng)故障。底事件通常指部件故障或者是人員的錯(cuò)誤操作。

故障分析法的基本步驟如下。

(1)定義系統(tǒng)和系統(tǒng)故障;

(2)建立故障樹;

(3)進(jìn)行定性或者定量分析。

本文采用故障樹分析法主要是分析影響列車定位不確定性的影響因素，所以暫且不考慮關(guān)于列車定位不確定性的定量分析。

2.2 故障樹分析法分析列車位置不確定性因素

通過(guò)以上對(duì)列車定位原理的分析，可以說(shuō)明，列車定位不確定性的影響因素主要由信標(biāo)和速度傳感器的誤差導(dǎo)致的問(wèn)題，如圖2所示。

圖2 列車位置不確定性的影響因素

根據(jù)故障樹分析法的原理，需要分別對(duì)信標(biāo)讀取和檢測(cè)延時(shí)誤差，以及速度傳感器的測(cè)量誤差分別進(jìn)行細(xì)化到每項(xiàng)具體的內(nèi)容，從而分析清楚各種底層的影響因素。

(1)信標(biāo)的窗口誤差。

由于在一定的空間范圍內(nèi)，列車都能通過(guò)電磁耦合過(guò)程來(lái)讀取信標(biāo)的信息，如圖3所示。所以，列車的應(yīng)答查詢器只要在一定的信標(biāo)窗口范圍內(nèi)，都能讀到該信標(biāo)。

所以，該信標(biāo)的讀取窗口范圍影響了列車的位置不確定性值。具體的信標(biāo)窗口范圍的值大小，主要由信標(biāo)的硬件特性以及信標(biāo)的安裝來(lái)決定的。

圖3 獲取信標(biāo)的窗口范圍

(2)信標(biāo)的檢測(cè)延時(shí)誤差。

在1.3的描述中，通過(guò)對(duì)于列車獲取信標(biāo)信息的原理，可以得到，當(dāng)車載安全計(jì)算機(jī)獲取信標(biāo)信息的時(shí)候，存在一定的延時(shí)，具體的延時(shí)由以下兩部分組成。

①應(yīng)答查詢器獲取信標(biāo)信息的延時(shí)，t應(yīng)答器延時(shí)。

②車載安全計(jì)算機(jī)獲取應(yīng)答查詢器發(fā)送過(guò)來(lái)的信標(biāo)信息延時(shí)，t安全計(jì)算機(jī)延時(shí)。

因此，信標(biāo)檢測(cè)誤差產(chǎn)生的位置不確定性值計(jì)算公式如下

其中，Pdistance為由于延時(shí)產(chǎn)生的位置不確定性值;Vtrain為列車在檢測(cè)到信標(biāo)時(shí)的實(shí)際速度。

因此，通過(guò)分析可以得到信標(biāo)讀取和檢測(cè)誤差對(duì)列車位置不確定性的故障樹模型。

(3)速度傳感器測(cè)量誤差。

根據(jù)上述對(duì)于速度傳感器定位的原理分析，影響速度傳感器計(jì)算列車運(yùn)行距離的因素主要有列車的輪徑值誤差以及速度傳感器采集脈沖信號(hào)的誤差。

2.3 影響列車定位不確定性的故障樹模型建立

綜上所述，建立CBTC系統(tǒng)下的列車定位不確定性的故障樹模型，如圖4所示。通過(guò)該模型，可以清晰得認(rèn)識(shí)到，影響列車定位不確定性的主要因素，以及這些因素之間的關(guān)系。

圖4 列車定位不確定性的影響因素故障樹模型

3 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)列車定位的原理分析，提出了影響列車定位確定的各種因素。

(2)采用故障樹分析的方法，確定影響列車定位不確定性的因素相互之間的關(guān)系，為進(jìn)一步進(jìn)行定量的分析提供參考。

(3)通過(guò)分析列車定位不確定的影響因素，為下一步建立CBTC系統(tǒng)下的列車定位不確定性的數(shù)學(xué)模型作好準(zhǔn)備工作。

:

［1］徐金祥.城市軌道交通列車運(yùn)行自動(dòng)控制技術(shù)［M］.2012.

［2］韓小濤，尹項(xiàng)根，張哲.故障分析法在變電站通信系統(tǒng)可靠性分析中應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(1):56-59.