地鐵列車測速及定位技術(shù)研究

劉廣澤

摘 要：TRAINGUARDMT（TGMT）系統(tǒng)是一種列車自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于地鐵、高速鐵路、短途列車及輕軌系統(tǒng)。本文簡要介紹了TGMT系統(tǒng)中基于多傳感器信息融合的列車測速定位技術(shù)。通過研究多傳感其信息融合測速定位的原理，對現(xiàn)場使用過程中出現(xiàn)的各類故障進(jìn)行分析，為現(xiàn)場維護(hù)提出建設(shè)性意見。

關(guān)鍵詞：列車自動控制系統(tǒng)；多傳感器信息融合；脈沖轉(zhuǎn)速傳器；多普勒雷達(dá)

中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）08-0065-02

Abstract：TRAINGUARDMT （TGMT） is an automatic train control system for metros， rapid transit， commuter and light rail systems for the world market. This paper introduces the technology of speed measurement and train location based on multi-sensor fusion. By studying the principle of multi-sensor fusion speed measurement， this paper analyzes various kinds of faults occurred in the process of field use， and puts forward some constructive suggestions for field maintenance.

Key words：automatic train control ； multi-sensor fusion； odometer pulse generator； doppler radar

1 緒論

廣州地鐵四、五號線以及廣佛線使用的是西門子的TRAINGUARDMT（簡稱TGMT，下同）系統(tǒng)，是基于無線通信的自動列車控制系統(tǒng)（CBTC），是一種連續(xù)的自動列車控制系統(tǒng)。它利用高精度的列車定位，采取雙向連續(xù)、大容量的車地?cái)?shù)據(jù)通信，依靠車載、軌旁的安全功能處理器來加以實(shí)現(xiàn)。其通過多傳感器信息融合技術(shù)，結(jié)合不同傳感器的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn)，通過冗余互補(bǔ)提供更加可靠、精確的列車速度和位置信息。

2 測速定位技術(shù)

測速定位技術(shù)是通過不斷測量列車的運(yùn)行速度、對列車的即時(shí)速度進(jìn)行積分的方法，從而得到列車的運(yùn)行距離，輔助其他定位方法（如查詢-應(yīng)答器定位、電子地圖匹配）來獲取列車的位置信息。

2.1 脈沖轉(zhuǎn)速傳感器（odometer）

脈沖轉(zhuǎn)速傳感器（odometer）由磁頭、脈沖整形放大電路、頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路及濾波電路組成。磁頭是產(chǎn)生脈沖信號的部件，它產(chǎn)生的脈沖信號的頻率與轉(zhuǎn)速成比例，在主機(jī)的主軸上裝一個(gè)齒輪（該齒輪與車輪同軸），把磁頭對準(zhǔn)齒頂固定，磁頭與齒頂之間保持一個(gè)較小的間隙，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動時(shí)，磁頭將交替對準(zhǔn)齒頂和齒槽，即可輸出脈沖信號。通過列車車輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生數(shù)字脈沖，輸出脈沖信號通過信號處理后，可直接輸入微處理器進(jìn)行計(jì)算，得到高測量精度的速度、距離信息。廣州地鐵四、五號線使用的脈沖轉(zhuǎn)速傳感器是西門子里程脈沖發(fā)生器——Siemens 16P OPG，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其內(nèi)部有兩個(gè)振蕩器系統(tǒng)，由與車輪同軸的齒輪轉(zhuǎn)動時(shí)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，分別產(chǎn)生兩個(gè)不同頻率的脈沖序列，由車載控制單元的ODO5板采集速度脈沖信號，進(jìn)行處理計(jì)算出其距離與速度值。

2.2 多普勒雷達(dá)（Doppler radar）

多普勒雷達(dá)依靠雷達(dá)向地面發(fā)射信號，檢查雷達(dá)回波頻率與發(fā)射信號頻率的不同，根據(jù)多普勒效應(yīng)計(jì)算列車的運(yùn)行方向和速度，再對列車的速度進(jìn)行積分，得到列車的運(yùn)行距離。

多普勒雷達(dá)根據(jù)多普勒效應(yīng)進(jìn)行雷達(dá)測速。多普勒效應(yīng)描述：波在波源移向觀察者時(shí)接收頻率變高，而在波源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)接收頻率變低。雷達(dá)測速公式（λ電磁波工作波長；v目標(biāo)與雷達(dá)的相對速度；fd雷達(dá)工作電磁波的頻率偏移量）。

廣州地鐵四、五號線使用的是DEUTA生產(chǎn)的DRS05多普勒雷達(dá)，利用多普勒效應(yīng)測量正在運(yùn)行的車輛的速度。應(yīng)用Ku波段電磁波，頻率為22GHz，測量發(fā)射和接收的微波之間的頻率差。綜合發(fā)射波角度，并通過兩個(gè)相移90度的混頻器（旋轉(zhuǎn)指針）混合信號得到復(fù)合值。由于發(fā)射面并不是嚴(yán)格的一個(gè)點(diǎn)，所以得到的值還需經(jīng)過內(nèi)部算法處理，最后計(jì)算出雷達(dá)速度，如圖2所示。

2.3 多傳感器信息融合測速定位

廣州地鐵四、五號線的列車通過OPG與雷達(dá)兩個(gè)傳感器信息融合進(jìn)行測速定位。在不同的狀態(tài)下，對兩個(gè)速度測量值進(jìn)行加權(quán)平均，計(jì)算出列車的實(shí)時(shí)速度，對速度進(jìn)行時(shí)間積分計(jì)算出行駛的距離。例如：在高速行駛時(shí)，OPG因?yàn)榭辙D(zhuǎn)打滑易產(chǎn)生誤差，更多參考雷達(dá)測速值，低速時(shí)由于多普勒效應(yīng)對于低速物體測速偏差相對較大，則考慮OPG較多。

OPG和雷達(dá)的測速定位信息通過OBUC_ATP的計(jì)算產(chǎn)生前端位置不確定性以及后端位置不確定性。當(dāng)其中一個(gè)測速傳感器發(fā)生故障或工作狀態(tài)出現(xiàn)問題時(shí)，相應(yīng)的位置不確定性就會不正常地增長，當(dāng)總的位置不確定性達(dá)到設(shè)定的150米時(shí)OBUC_ATP就會輸出緊急制動。圖中的列車當(dāng)前速度即為OBCU_ATP融合OPG和雷達(dá)的測速結(jié)果計(jì)算得到的列車實(shí)時(shí)速度。

2.4 TGMT列車的定位過程

列車通過應(yīng)答器及測速傳感器進(jìn)行精確定位。就可實(shí)現(xiàn)列車定位功能。應(yīng)答器安裝于軌道中間，由列車本身激活（是一種被動設(shè)備）。當(dāng)車載天線激活該應(yīng)答器時(shí)，應(yīng)答器發(fā)送自身存儲的應(yīng)答器安全報(bào)文，報(bào)文中包括了應(yīng)答器的標(biāo)識以及相關(guān)的TDB數(shù)據(jù)，尤其是該應(yīng)答器的中間地理位置。

應(yīng)答器支持安全定位，所使用的應(yīng)答器安全檢測精度是一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)答器的安全定位，在車載天線距應(yīng)答器的距離超出給定的距離時(shí)，列車是接收不到應(yīng)答器報(bào)文的。

列車的定位過程為：開始列車未定位；列車駛過兩個(gè)連續(xù)的應(yīng)答器：檢測到第一個(gè)應(yīng)答器后根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的應(yīng)答器的定義，確認(rèn)OBCU應(yīng)答器天線的位置；檢測到第二個(gè)應(yīng)答器后就可以確定列車的運(yùn)行方向及相對于分區(qū)方向的列車方向；在應(yīng)答器之間，通過測速定位，得到連續(xù)的位移測量值，對列車的定位信息進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。列車在運(yùn)行過程中，由于測速定位中測量誤差，可能會導(dǎo)致列車的位移量存在一個(gè)不確定值。當(dāng)列車經(jīng)過一個(gè)應(yīng)答器時(shí)，為了獲得更精確的位置，OBCU將重新調(diào)整定位參數(shù)。定位的誤差將再次調(diào)整到只有應(yīng)答器安全檢測誤差加上應(yīng)答器安裝誤差，也就是說因?yàn)闇y速定位導(dǎo)致的誤差將被清除。列車的位置參數(shù)包括：列車定位狀態(tài)、前段安全位置、后端安全位置、定位誤差值、列車方向、列車運(yùn)行方向，如圖3所示。OBCU_ATP實(shí)時(shí)監(jiān)督著列車的定位信息以及誤差，基于無線通信與軌旁子系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)地信息交換。WCU_ATP通過確定列車的位置是否安全，發(fā)送移動授權(quán)給OBCU。

3 TGMT系統(tǒng)測速故障分析

由于線路特點(diǎn)等原因，測速相關(guān)故障一直是廣州地鐵四號線的歷史遺留問題。其主要表現(xiàn)是在雨天高架段下，雷達(dá)或OPG的測速狀態(tài)出現(xiàn)問題或出現(xiàn)故障，導(dǎo)致列車的位置不確定性不正常地過快增長，導(dǎo)致列車緊急制動或者沖欠標(biāo)過大等情況。

位置不確定性（紫色線）從A點(diǎn)開始不正常地增加，至B點(diǎn)（由于該區(qū)間過大應(yīng)答器間隔較長）位置不確定性超過150m，列車發(fā)生緊急制動，如圖4所示。

通過分析討論總結(jié)了造成該故障的原因有一下兩點(diǎn)：

（1）下雨天雷達(dá)硬件測速出現(xiàn)問題是起因，DEUTA雷達(dá)采用K波段作為雷達(dá)的發(fā)射波，遇到空氣有較大水霧，反射面積水等情況時(shí)將對雷達(dá)測速產(chǎn)生影響；

（2）軟件在檢測出測速問題發(fā)生后為導(dǎo)向安全，在實(shí)際測量值計(jì)算出的不確定性并未達(dá)到150米時(shí)，輸出一個(gè)偏大值，導(dǎo)致緊制。

4 結(jié)語

測速定位相關(guān)問題一直是廣州地鐵四、五號線列車常發(fā)的故障。通過對列車測速與定位原理的研究，旨在明確故障的原因，為故障的處理及預(yù)防開拓思路。

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