城市軌道交通中的列車定位技術(shù)分析

【摘要】闡述了列車定位技術(shù)的重要性，針對(duì)城市軌道交通中幾種常用的列車定位方法進(jìn)行了介紹和比較分析。

【關(guān)鍵詞】城市軌道交通；列車定位；組合定位

1.引言

城市軌道交通具有速度快、安全可靠、節(jié)能環(huán)保、準(zhǔn)時(shí)舒適等優(yōu)點(diǎn)，己成為世界各國(guó)解決城市交通問題的首選方案。列車的定位技術(shù)在列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中占據(jù)著很重要的地位，它直接關(guān)系到列車的安全運(yùn)行，影響著軌道交通的運(yùn)輸效率。幾乎每個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)都需要列車的位置信息作為參數(shù)之一，列車定位的引入使得調(diào)度指揮和行車控制一體化新的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能。由此可見，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取列車速度和位置信息是列車安全、高效運(yùn)行的重要保障。

2.列車定位技術(shù)

列車定位的任務(wù)是獲取列車在鐵路網(wǎng)絡(luò)中的位置，目前在國(guó)內(nèi)外軌道交通列車自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用的列車定位方式主要有以下幾種[1-4]：

2.1 基于軌道電路的列車定位

軌道電路定位法是最普遍的列車定位技術(shù)。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。當(dāng)軌道區(qū)段無車占用時(shí)，接收端可以接收到發(fā)送端所發(fā)送的信息，接收端的軌道繼電器勵(lì)磁吸起；當(dāng)列車進(jìn)入軌道區(qū)段時(shí)，車輪將兩根鋼軌短路，接收端接收不到發(fā)送端所發(fā)送的信息，接收端繼電器失磁落下，達(dá)到檢測(cè)列車定位的目的。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)進(jìn)行連續(xù)跟蹤，就能獲取列車在線路中所處的位置。

2.2 基于電子計(jì)軸的列車定位

電子計(jì)軸定位是通過在軌道區(qū)段的分界點(diǎn)安裝計(jì)軸點(diǎn)來檢測(cè)輪對(duì)通過瞬間所產(chǎn)生的電磁感應(yīng)信號(hào)，從而判斷列車的輪軸數(shù)量和運(yùn)行方向。當(dāng)車輪駛過計(jì)軸點(diǎn)時(shí)，在會(huì)計(jì)軸點(diǎn)中形成脈沖信號(hào)，通過電纜傳輸?shù)娇刂浦行?，然后由控制中心的?jì)數(shù)裝置根據(jù)脈沖對(duì)車輪進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后由中央處理單元根據(jù)計(jì)數(shù)情況判斷列車占用/出清，實(shí)現(xiàn)列車檢測(cè)和定位功能。

2.3 基于信標(biāo)的列車定位

地面信標(biāo)通常安裝在兩根鋼軌中間，分為有源信標(biāo)和無源信標(biāo)兩種，每個(gè)信標(biāo)有一個(gè)唯一的編號(hào)并帶有特定的位置信息。在車載上安裝具有無線發(fā)射和接收功能的信標(biāo)讀取天線，當(dāng)列車從信標(biāo)上面越過時(shí)，車載信標(biāo)天線會(huì)以電磁感應(yīng)的形式將能量傳給地面信標(biāo)，地面信標(biāo)接收到能量后被激活，其內(nèi)部電路開始進(jìn)行工作，將存儲(chǔ)的位置等參數(shù)信息以某種調(diào)制方式通過電磁感應(yīng)傳送給車載信息處理系統(tǒng)中，然后通過解析數(shù)據(jù)來獲取列車的位置信息。

2.4 基于測(cè)速的列車定位

測(cè)速定位就是通過不斷測(cè)量列車的即時(shí)運(yùn)行速度，然后對(duì)即時(shí)速度進(jìn)行積分（或求和）獲得列車的運(yùn)行距離。測(cè)速定位主要包括輪速（里程表）法和多普勒雷達(dá)法等測(cè)量方法。

輪速法的原理是在列車外側(cè)安裝旋轉(zhuǎn)式光柵，當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)由輪軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn)；在光柵的兩側(cè)安裝發(fā)光裝置和光電傳感器，隨著光柵的旋轉(zhuǎn)光電傳感器可以接收到發(fā)光裝置的“光脈沖”信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)送至車載計(jì)數(shù)器，由車載計(jì)數(shù)器對(duì)該脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；通過檢測(cè)該信號(hào)次數(shù)可以判斷車輪即時(shí)轉(zhuǎn)角，由車輪的轉(zhuǎn)角又可以求得列車的位移。

多普勒效應(yīng)測(cè)速原理是在車頭位置安裝多普勒雷達(dá)，雷達(dá)向地面發(fā)送一定頻率的信號(hào)，并檢測(cè)反射回來的信號(hào)。根據(jù)多普勒效應(yīng)原理可知，如果列車在前進(jìn)狀態(tài)，反射的信號(hào)頻率高于發(fā)射信號(hào)頻率；反之，則低于發(fā)射信號(hào)頻率。而且，列車運(yùn)行速度越快，兩個(gè)信號(hào)之間的頻率差越大。通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)之間的頻率差就可以獲取列車的運(yùn)行方向和即時(shí)運(yùn)行速度，然后對(duì)列車的速度進(jìn)行積分就可得到列車的運(yùn)行距離從而獲取列車的位置。

2.5 基于無線擴(kuò)頻的列車定位

無線擴(kuò)頻定位法采用先進(jìn)的無線擴(kuò)頻通信、偽碼測(cè)距和計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜環(huán)境中列車的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確定位、跟蹤。無線擴(kuò)頻的基本原理是：在地面沿線路設(shè)置無線基站，無線基站不斷發(fā)射帶有其位置信息的擴(kuò)頻信號(hào)。列車接收到由無線基站發(fā)送的擴(kuò)頻信息后，求解列車與信息之間的時(shí)鐘差，并根據(jù)該時(shí)鐘差求出與無線基站的距離，同對(duì)接收三個(gè)以上無線基站的信息就可以求出列車的即時(shí)位置。

2.6 基于交叉環(huán)線的列車定位

在兩根鋼軌之間敷設(shè)交叉感應(yīng)回線：一條線固定在軌道中央的道床上，另一條線固定在鋼軌的頸部下方，它們每隔一定距離作交叉，中央回線就像一個(gè)天線，列車經(jīng)過每個(gè)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。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。

3.幾種列車定位方案的比較分析

軌道電路定位方案的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、方便、可靠性高且技術(shù)比較成熟，既可以實(shí)現(xiàn)列車定位，又可以檢測(cè)軌道的完好情況，滿足故障-安全原則；其缺點(diǎn)是定位精度取決于軌道電路的長(zhǎng)度，定位精度不是很高、誤差較大，且信息傳輸距離有限，設(shè)備的維護(hù)量大，無法構(gòu)成真正意義上的移動(dòng)閉塞。

電子計(jì)軸定位繼承了軌道電路定位的很多特點(diǎn)，這種方法定位安全性較高，精度較差，通常也需要與測(cè)速裝置結(jié)合起來使用。由于不依賴于軌道電路，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)，維護(hù)量相對(duì)較??；但不具備向列車傳輸信息的通道，容易受外界其他金屬物品的干擾，也無法檢測(cè)斷軌故障。

信標(biāo)定位方案在地面信標(biāo)安裝點(diǎn)的定位精度較高，維修費(fèi)用低、使用壽命長(zhǎng)且能在惡劣條件下穩(wěn)定工作；但只能給出點(diǎn)式定位信息，維護(hù)量大，且存在設(shè)置間距和投資規(guī)模的矛盾。

基于測(cè)速的列車定位是一種典型的增量式相對(duì)定位，雖然能在一定程度上緩解了軌道電路和計(jì)軸定位方案的始端、終端不能測(cè)量的缺點(diǎn)，但存在累計(jì)誤差，且不能直接進(jìn)行車-地通信。在定位精度要求較高的地點(diǎn)，需要利用其它的方法不斷校正其位置信息。

無線擴(kuò)頻列車定位的優(yōu)點(diǎn)是定位比較精確、抗干擾性強(qiáng)，但對(duì)地面設(shè)備的要求較高，需要在沿線設(shè)置專用擴(kuò)頻基站，投資成本較高，維護(hù)起來相對(duì)麻煩。

交叉感應(yīng)回線定位方式成本較低，實(shí)現(xiàn)也比較簡(jiǎn)單，但只能實(shí)現(xiàn)列車的相對(duì)定位，每隔一段距離就要對(duì)列車的位置進(jìn)行修正，而且定位精度受交叉區(qū)長(zhǎng)度的限制，如果交叉區(qū)比較窄，位置脈沖漏計(jì)的可能性會(huì)增大。

4.結(jié)束語(yǔ)

對(duì)軌道交通中幾種常用的列車定位方法進(jìn)行了介紹和分析，除上述常用的列車定位技術(shù)外，還有GPS定位、IPS定位、接觸網(wǎng)定位器定位等方法。由于單一的定位方法總會(huì)存在一定的局限性和缺點(diǎn)，很難在定位的精度、可靠性和代價(jià)之間作到很好的平衡。而組合定位技術(shù)能通過冗余、互補(bǔ)和多種的信息為系統(tǒng)提供更為精確的信息，使整個(gè)軌道交通和指揮系統(tǒng)中的安全性、測(cè)量精度、可靠性、造價(jià)等方面做到一定的平衡。因此，在已有的軌道交通中大多采用組合定位的方法，或以某種方法為主，其它方法為輔。例如成都地鐵1、2號(hào)線和天津地鐵2、3號(hào)線采用的是測(cè)速、電子計(jì)軸和地面信標(biāo)組合定位的方式。就目前而言，合理地使用多重定位方案是解決城市軌道交通定位的最好途徑。

參考文獻(xiàn)

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