北斗鐵路列車衛(wèi)星定位與輔助預(yù)警系統(tǒng)

余顏麗 虞 凱

（中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

1 概述

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，與美國GPS、俄羅斯格洛納斯、歐盟伽利略系統(tǒng)并稱全球4大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)[1]。與GPS、格洛納斯和伽利略系統(tǒng)相比，北斗系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于短信服務(wù)和導(dǎo)航結(jié)合，增加了通信功能；自主系統(tǒng)，高強(qiáng)度加密設(shè)計(jì)，安全、可靠和穩(wěn)定，適合關(guān)鍵部門應(yīng)用[2]。目前北斗衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、通信、電力、金融、氣象、海洋和水文監(jiān)測等各個(gè)方面。

在我國鐵路領(lǐng)域，凡與衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)的技術(shù)產(chǎn)品，一般都采用GPS。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用，以及我國既有線列車提速和客運(yùn)專線建設(shè)步伐加快，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星將在鐵路行業(yè)開展大面積應(yīng)用，例如列車、地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)控和工程測量等[3]。

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。在軌道交通行車安全和指揮系統(tǒng)中，列車定位是一項(xiàng)關(guān)鍵性的技術(shù)。準(zhǔn)確、及時(shí)地獲取列車位置信息，是列車安全、有效運(yùn)行的保障。針對(duì)此，本文引入北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，提出北斗鐵路列車衛(wèi)星定位與輔助預(yù)警系統(tǒng)，防止列車追尾事故的發(fā)生。該系統(tǒng)是一種相對(duì)獨(dú)立于信號(hào)系統(tǒng)的列車追蹤接近預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠?qū)π旭傊辛熊囘M(jìn)行準(zhǔn)確定位，并根據(jù)鐵路運(yùn)行列車的運(yùn)行位置進(jìn)行相鄰列車間距預(yù)警計(jì)算。當(dāng)相鄰列車間的距離達(dá)到預(yù)警條件時(shí)，提示司機(jī)和調(diào)度人員注意行車安全，同時(shí)，當(dāng)運(yùn)用成熟時(shí)，可提供與列車調(diào)度體系中其他運(yùn)行系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)接口。

2 系統(tǒng)需求

本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，首先需要確定合適的列車追蹤預(yù)警距離，既要保證在列車間距超過認(rèn)可的安全范圍時(shí)及時(shí)提醒司機(jī)，又要避免頻繁提醒對(duì)司機(jī)正常行車的干擾；其次需要按不同線路、不同線別（上行、下行）對(duì)運(yùn)行列車進(jìn)行位置識(shí)別，根據(jù)線路間距等技術(shù)指標(biāo)綜合考慮系統(tǒng)中對(duì)列車定位精度的要求。

2.1 列車追蹤預(yù)警距離

列車預(yù)警距離應(yīng)包含3部分：列車緊急制動(dòng)距離、司機(jī)做出判斷時(shí)列車運(yùn)行距離和預(yù)警信息傳輸時(shí)列車運(yùn)行距離。

按照我國鐵路相關(guān)規(guī)定的要求[4，5，6]，列車的緊急制動(dòng)距離如表1所示。

表1 列車緊急制動(dòng)距離限值表

從表1可以知道，列車在不同制動(dòng)初速度時(shí)的緊急制動(dòng)距離限值是不同的，系統(tǒng)中可以考慮按列車運(yùn)行速度的不同設(shè)置預(yù)警距離。

同時(shí)，為了降低接近預(yù)警提示對(duì)司機(jī)的干擾，系統(tǒng)中設(shè)置的預(yù)警距離應(yīng)該大于列車緊急制動(dòng)距離限值，但也不能設(shè)置過大而影響預(yù)警效果。考慮系統(tǒng)對(duì)司機(jī)預(yù)警后給司機(jī)30 s的思考和處理時(shí)間，然后司機(jī)才可能采取相應(yīng)的處理措施，因此,這段時(shí)間內(nèi)列車的運(yùn)行距離如表2所示。

表2 30 s內(nèi)不同運(yùn)行速度的列車運(yùn)行距離表

預(yù)警信息傳輸時(shí)延與所選用的通信網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。按最大傳輸時(shí)延10 s考慮，則在這段時(shí)間內(nèi)列車的運(yùn)行距離如表3所示。

表3 10 s內(nèi)不同運(yùn)行速度的列車運(yùn)行距離表

由此，可計(jì)算得到針對(duì)不同運(yùn)營速度的線路，列車追蹤預(yù)警距離如表4所示。

表4 不同運(yùn)營速度線路的列車追蹤預(yù)警距離表

2.2 列車運(yùn)行位置定位精度

列車運(yùn)行位置的定位可按軌道方向分為縱向和橫向?？v向上，系統(tǒng)對(duì)列車位置的定位精度應(yīng)保證能識(shí)別在同一軌道上運(yùn)行的前后兩列車,能達(dá)到100 m就足夠了；橫向上，系統(tǒng)對(duì)列車位置的定位精度應(yīng)保證能識(shí)別在上行軌道和下行軌道上運(yùn)行的兩列車，需根據(jù)高速鐵路上、下行線路線間最小間距而確定。

按照我國鐵路相關(guān)規(guī)定的要求[4，5，6]，高速鐵路區(qū)間正線、站內(nèi)正線的線間最小距離如表5所示。

表5 鐵路線間距要求

按線間最小距離4 000 mm考慮，列車追蹤接近預(yù)警系統(tǒng)可按列車定位精度優(yōu)于2 m考慮。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

北斗鐵路列車衛(wèi)星定位與輔助預(yù)警系統(tǒng)由預(yù)警中心、GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)、定位及預(yù)警系統(tǒng)車載終端（簡稱車載終端）、差分基準(zhǔn)站等構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

北斗鐵路列車衛(wèi)星定位與輔助預(yù)警系統(tǒng)由列車衛(wèi)星定位子系統(tǒng)和列車安全行駛輔助預(yù)警子系統(tǒng)構(gòu)成。

列車衛(wèi)星定位子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)列車運(yùn)行位置的精確定位，主要由車載終端、差分基準(zhǔn)站、GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。車載終端和差分基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)接收北斗定位衛(wèi)星的信號(hào)，計(jì)算位置信息，并通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)位置信息（包括經(jīng)度、緯度等）實(shí)時(shí)傳送至列車安全行駛輔助預(yù)警子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心。

列車安全行駛輔助預(yù)警子系統(tǒng)主要由預(yù)警中心、GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。預(yù)警中心接收來自于列車衛(wèi)星定位子系統(tǒng)的定位信息，計(jì)算列車間的距離，對(duì)列車間距實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)列車間距達(dá)到預(yù)警距離時(shí)，則通過車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送預(yù)警信息給司機(jī)，為司機(jī)提供輔助預(yù)警，防止列車追尾事故的發(fā)生。

4 列車衛(wèi)星定位子系統(tǒng)

4.1 定位技術(shù)方案

列車在運(yùn)行過程中，由于線路、地形及其他情況的變化較大，不同的地方需要采用不同的定位方式。在鐵路區(qū)間北斗衛(wèi)星信號(hào)接收狀況良好的情況下，采用北斗衛(wèi)星定位。當(dāng)在隧道、山區(qū)、森林和城市建筑群等處，北斗衛(wèi)星信號(hào)會(huì)減弱或消失，這時(shí)需要采用其他輔助定位方式。

可供選擇的輔助定位方式如下。

1）車輪速度傳感器定位

利用列車車輪速度傳感器脈沖信號(hào)，計(jì)算列車實(shí)時(shí)運(yùn)行速度。在北斗衛(wèi)星信號(hào)失效時(shí)，根據(jù)列車速度推算列車運(yùn)行位置。由于列車在運(yùn)行過程中輪軌磨損，空轉(zhuǎn)、打滑，利用車輪速度傳感器計(jì)算列車運(yùn)行速度存在較大的誤差。

2）采用航位推算（DR）進(jìn)行定位

采用DR方法進(jìn)行定位，在進(jìn)入隧道后利用陀螺儀判斷列車運(yùn)行方向，通過讀取列車在進(jìn)入隧道時(shí)的即時(shí)速度，配合加速度傳感器獲得精確的位置信息。DR是典型的獨(dú)立定位技術(shù)[7]。其原理就是陸地車輛定位可以認(rèn)為是行駛在二維平面內(nèi)，在已知起點(diǎn)的情況下，測出車輛行駛的方向和距離，求出X、Y方向上的位移量，從而推算出行駛列車的位置。

綜合考慮，本系統(tǒng)采用“北斗衛(wèi)星+DR組合定位”的方案。結(jié)合目前我國鐵路列車己有的行車監(jiān)控儀，并安裝上壓電速率陀螺，與定位終端一起形成衛(wèi)星定位+DR組合定位導(dǎo)航方案。方案示意如圖2所示。

4.2 衛(wèi)星差分定位技術(shù)方案

對(duì)列車運(yùn)行位置的精確定位是列車安全行駛輔助預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度在10 m左右，尚不能滿足列車精確定位的要求，需要采取差分等誤差補(bǔ)償處理技術(shù)。

差分定位是根據(jù)兩臺(tái)以上接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點(diǎn)之間相對(duì)位置的方法[8]。為了實(shí)現(xiàn)差分定位，需在鐵路沿線設(shè)置地面衛(wèi)星差分基準(zhǔn)站，要達(dá)到高精度定位，大概每50 km需要設(shè)置1個(gè)差分站。同時(shí)，為了傳輸?shù)孛嫘l(wèi)星差分基準(zhǔn)站接收的衛(wèi)星差分定位信息，還需要在地面衛(wèi)星差分基準(zhǔn)站與預(yù)警中心建立傳輸通道。采取衛(wèi)星差分定位技術(shù)后，定位精度優(yōu)于1 m，根據(jù)定位信息可以很容易識(shí)別出列車當(dāng)前的運(yùn)行線路、運(yùn)行線別等。

4.3 車地?zé)o線數(shù)據(jù)通信方案

車地?zé)o線通信用于運(yùn)行中的列車與預(yù)警中心之間的通信，實(shí)現(xiàn)列車定位信息、預(yù)警信息、差分定位信息的無線傳輸。適合車地?zé)o線數(shù)據(jù)通信的主要方式如下。

1）衛(wèi)星通信

目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具備短報(bào)文通信的能力。然而，對(duì)于山區(qū)、隧道等區(qū)域，衛(wèi)星信號(hào)無法實(shí)現(xiàn)覆蓋，則存在通信盲區(qū)，通信不可靠。

2）公眾移動(dòng)通信網(wǎng)

公眾移動(dòng)通信網(wǎng)提供短消息和通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）兩種通信方式。公眾移動(dòng)通信網(wǎng)同樣存在信號(hào)覆蓋不足的問題，通信可靠性不能得到保障。

3）鐵路專用無線通信網(wǎng)

目前，所有鐵路區(qū)段均設(shè)置有鐵路專用移動(dòng)通信系統(tǒng)，如GSM-R（GSM for Railw ay）通信系統(tǒng)等。GPRS是在GSM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的移動(dòng)高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GSM-R系統(tǒng)的GPRS網(wǎng)下行信道平均吞吐量大約為3～5 k By te/s，上行信道平均吞吐量大約為2～3 k By te/s。目前GPRS網(wǎng)絡(luò)主要承載的調(diào)度命令信息無線傳送、列車無線車次號(hào)校核信息傳送和DM S信息傳送等業(yè)務(wù)的容量約占系統(tǒng)容量的三分之一左右。

本系統(tǒng)的列車定位信息和預(yù)警信息數(shù)據(jù)量少，一般在幾十By te/s左右；差分信息大概為200～300 By te/s。因此，GSM-R系統(tǒng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)完全有能力承擔(dān)本系統(tǒng)的業(yè)務(wù)傳輸，可作為車地?zé)o線傳輸平臺(tái)的首選方案。

5 列車安全行駛輔助預(yù)警子系統(tǒng)

5.1 子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖3所示，列車安全行駛輔助預(yù)警子系統(tǒng)主要由預(yù)警中心、通信網(wǎng)絡(luò)、車站預(yù)警接口3部分組成，預(yù)警中心配置有數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、通信服務(wù)器、G IS服務(wù)器和顯示終端，并具有與列車調(diào)度體系中其他運(yùn)行系統(tǒng)等的外部數(shù)據(jù)接口。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：接收從通信服務(wù)器傳送來的列車運(yùn)行實(shí)時(shí)信息和提供用戶的各種共享信息，經(jīng)整合處理并存在數(shù)據(jù)庫中，并為各級(jí)應(yīng)用服務(wù)提供相應(yīng)的信息服務(wù)。

通信服務(wù)器：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的整合和數(shù)據(jù)流的動(dòng)態(tài)管理。其內(nèi)容包括車-地信息轉(zhuǎn)發(fā)、地-車信息轉(zhuǎn)發(fā)、地-地信息轉(zhuǎn)發(fā)。

應(yīng)用服務(wù)器：完成對(duì)輸入系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的綜合處理，包括列車安全行駛的狀態(tài)監(jiān)控信息的獲取、安全輔助預(yù)警計(jì)算、信息查詢與統(tǒng)計(jì)等。

G IS服務(wù)器：存儲(chǔ)鐵路網(wǎng)絡(luò)的地理信息數(shù)據(jù)，處理其他服務(wù)器發(fā)送的查詢請(qǐng)求，進(jìn)行空間地理數(shù)據(jù)分析等。

顯示終端：負(fù)責(zé)以二維視圖、三維視圖等形式展示列車運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)可視化管理。

5.2 子系統(tǒng)功能

列車安全行駛輔助預(yù)警子系統(tǒng)的總體功能主要包括：基礎(chǔ)信息管理、列車安全行駛監(jiān)控、安全行駛輔助預(yù)警、信息查詢與統(tǒng)計(jì)分析、人機(jī)交互界面、系統(tǒng)維護(hù)6個(gè)功能模塊。各功能模塊詳細(xì)的功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

基礎(chǔ)信息管理：形成列車安全行駛監(jiān)控與預(yù)警基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫，對(duì)北斗信息、列車基礎(chǔ)信息、機(jī)車基礎(chǔ)信息及其他基礎(chǔ)信息等進(jìn)行整合與管理。

列車安全行駛監(jiān)控：通過將列車車載終端設(shè)備獲得的位置數(shù)據(jù)、以及其他系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)信息接入列車安全行駛輔助預(yù)警系統(tǒng)中，并進(jìn)行整合、集成、處理、管理等操作，實(shí)現(xiàn)列車安全行駛的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

安全行駛輔助預(yù)警：主要功能為預(yù)警規(guī)則設(shè)置、安全預(yù)警計(jì)算及提示、預(yù)警信息管理。通過建立列車安全行駛預(yù)警指標(biāo)體系和模型，劃分安全預(yù)警等級(jí)。預(yù)警中心根據(jù)列車運(yùn)行位置信息對(duì)同一鐵路正線運(yùn)行的列車按照上、下行線路分別進(jìn)行列車追蹤預(yù)警計(jì)算，判斷同一線別上相鄰列車的距離。當(dāng)發(fā)生越限、故障時(shí)，系統(tǒng)向司機(jī)發(fā)出安全預(yù)警提示。

信息查詢與統(tǒng)計(jì)分析：對(duì)歷史監(jiān)控與預(yù)警信息進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，用戶可以通過監(jiān)控信息查詢來獲得所監(jiān)控列車的在途行駛信息、運(yùn)行狀態(tài)、輔助預(yù)警評(píng)估和其他詳細(xì)情況。

人機(jī)交互界面：在對(duì)北斗精確位置數(shù)據(jù)信息綜合處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行列車在途行駛運(yùn)行狀態(tài)的可視化展示，并為上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)或列車調(diào)度體系中其他應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)提供直觀的視圖展示和決策支持。

系統(tǒng)維護(hù)：包括用戶管理、權(quán)限設(shè)置、數(shù)據(jù)維護(hù)3個(gè)功能，有效保障列車安全行駛輔助預(yù)警系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。

6 結(jié)束語

本文提出的鐵路列車定位及輔助預(yù)警系統(tǒng)獨(dú)立于現(xiàn)有信號(hào)系統(tǒng)，不參與控車，通過北斗衛(wèi)星實(shí)時(shí)接收列車的位置信息，當(dāng)列車間距離達(dá)到預(yù)警條件時(shí)，系統(tǒng)向司機(jī)發(fā)出預(yù)警提示，防止列車追尾事故的發(fā)生。

系統(tǒng)應(yīng)用取得豐富經(jīng)驗(yàn)并驗(yàn)證了其可靠性，其中的定位信息可應(yīng)用于我國鐵路CTCS-4級(jí)列控系統(tǒng)，相關(guān)技術(shù)有助于搭建CTCS-4級(jí)列控系統(tǒng)雛形。同時(shí)，考慮在地理氣象條件惡劣，人煙稀少，生活條件艱苦的線路得到推廣應(yīng)用，以減少軌旁設(shè)備的運(yùn)營維護(hù)成本，提高系統(tǒng)可靠性。

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