定位同步系統(tǒng)

夏博光，王凡，劉正毅，張二永

（中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京100081）

定位同步系統(tǒng)

夏博光，王凡，劉正毅，張二永

（中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京100081）

針對現(xiàn)有定位技術(shù)定位信息精度不高、設(shè)備占用空間較大等問題，設(shè)計了一種基于GNSS和射頻識別技術(shù)輔助列車定位的小型化定位同步系統(tǒng)新方案。采用GNSS和射頻識別技術(shù)，通過將鐵路及城市軌道交通里程信息與經(jīng)緯度、電子標(biāo)簽號碼建立一一對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)檢測車的里程定位。對小型化定位同步系統(tǒng)進行試驗，驗證系統(tǒng)具有可行性，可為鐵路及城市軌道交通檢測車運行中小型化、便攜化精確定位提供較為有效的解決方案。

里程定位；小型化；定位同步系統(tǒng)；GNSS；射頻識別技術(shù)；GPS；檢測車

1 定位系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

截至2016年底，我國鐵路運營里程已達12.4萬km，其中高速鐵路超過2.2萬km。2016年，國家鐵路共完成旅客發(fā)送量27.70億人次。2017年，全國鐵路預(yù)計投產(chǎn)新線2100km、復(fù)線2500km、電氣化鐵路4000km；預(yù)計完成旅客發(fā)送量30.25億人次。

截至2016年底，我國內(nèi)地已有29座城市擁有129條城市軌道交通運營線路，總長3832km。預(yù)計到2017年末，約有1000km的新線建成運營，總運營里程將達到5000km；新增運營城市5座，屆時運營城市總數(shù)將達34座[1]。

我國鐵路和城市軌道交通的不斷發(fā)展為人們?nèi)粘３鲂刑峁O大便利的同時，其運營安全也面臨著更加嚴峻的考驗。如何保障鐵路及城市軌道交通運營的平穩(wěn)、安全、高效，是鐵路及城市軌道交通運營和養(yǎng)護部門日常工作的重中之重。運營所依靠的軌道、供電、通信、信號等基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定性及安全性，是保障運營安全的基本要素。如何高效、準(zhǔn)確地查找、定位、消除病害，成為運營和養(yǎng)護部門日益關(guān)注的問題。其中，準(zhǔn)確定位病害、提高查找及消除病害的效率成為解決上述問題的關(guān)鍵。隨著科技發(fā)展及硬件設(shè)備的不斷更新，大型動態(tài)檢測設(shè)備搭載在檢測車等速檢測已經(jīng)逐步替代了原有的人工檢測，提高工作效率的同時，也能保障養(yǎng)護部門工作人員的人身安全。檢測車檢測線路病害不受時間、天氣、溫度等外界自然因素的影響，但由于檢測速度快，要保證定位信息的準(zhǔn)確性，需要采用更為準(zhǔn)確和高效的定位方法。

目前，世界各國使用較為廣泛的列車定位方法包括基于速度編碼器的里程累加、測速、應(yīng)答器、衛(wèi)星系統(tǒng)及無線射頻識別等，但各種定位方法均存在一定的局限性（見表1）。

使用單一方法進行列車定位無法滿足定位的準(zhǔn)確性要求，只有將多種定位方法有機結(jié)合，共同使用，才能提高定位精度，保證定位的準(zhǔn)確性。研究適合于我國鐵路及城市軌道交通檢測需要的定位同步系統(tǒng)，提高定位精度，保證定位準(zhǔn)確性，從而提高查找、定位、消除病害的效率，是十分必要的。

表1 各種定位方法的優(yōu)缺點比較[2-5]

通過對各線路基礎(chǔ)設(shè)施檢測系統(tǒng)在統(tǒng)一里程坐標(biāo)下采集的檢測大數(shù)據(jù)進行對比分析，將為更深層次的數(shù)據(jù)分析以及挖掘基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)變化規(guī)律、預(yù)測狀態(tài)惡化趨勢等研究提供堅實基礎(chǔ)。但我國鐵路及城市軌道交通正處于高速發(fā)展階段，專用檢測車數(shù)量有限，同時為保證日常運營的需要，檢測車的檢測頻次受到限制，無法采集足夠的檢測數(shù)據(jù)，研究適合在既有運營旅客列車上安裝的小型化定位系統(tǒng)，進行搭載式日常檢測，獲得更為龐大的檢測數(shù)據(jù)，也成為迫切需要解決的實際問題。

2 系統(tǒng)方案選擇

我國鐵路單節(jié)檢測車的里程校對方式主要有2種，人工修正里程和通過GPS自動修正里程，城市軌道交通主要使用人工修正里程方式[2]。近幾年，在高速綜合檢測列車中，也有應(yīng)用機車LKJ信號和射頻識別技術(shù)進行里程修正的。

人工修正里程靠人工在瞭望窗口進行里程觀察，在檢測車運行到特定里程處通過里程修正小鍵盤進行里程修正。人工修正里程存在以下問題：（1）列車速度過快造成操作人員無法看清公里牌、對里程修正過早或過遲；（2）天氣對操作人員視線的影響，如夜間、霧、雨、雪、風(fēng)等天氣，此外城市軌道交通多以隧道為主，空間狹小，視線受外界光線影響，無法準(zhǔn)確識別公里牌信息；（3）人工修正增加了檢測人員的工作負擔(dān)。

GPS里程自動校對系統(tǒng)利用GPS的定位功能，將GPS接收系統(tǒng)實時輸出的數(shù)據(jù)（包括經(jīng)度、緯度、方向角等參數(shù)）和數(shù)據(jù)庫中已有的里程數(shù)據(jù)進行匹配，在特定經(jīng)緯度匹配對應(yīng)的里程值時，將里程值輸出到檢測系統(tǒng)，對系統(tǒng)進行里程自動修正。GPS實現(xiàn)方式有以下優(yōu)點：（1）簡單且快速，只需要在車頂安裝GPS信號接收天線；（2）靈活性強，線路改變時，可快速對里程數(shù)據(jù)庫進行更改。但是，由于GPS接收器受環(huán)境影響較大，在隧道、山谷等遮擋衛(wèi)星信號接收的地方，GPS里程自動校對系統(tǒng)將無法工作。我國幅員遼闊且地形復(fù)雜，隧道、山谷等較為普遍，影響GPS的正常使用。城市軌道交通多以地下隧道為主，無法使用GPS進行定位[2]。

應(yīng)用機車LKJ信號進行里程修正的方法在實際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)由于誤碼導(dǎo)致里程值修正錯誤的現(xiàn)象，而且這種方法必須開放機車信號，在軌檢車、探傷車和城市軌道交通檢測車中無法應(yīng)用。

隨著芯片技術(shù)及硬件設(shè)備的不斷發(fā)展，射頻識別技術(shù)的應(yīng)用也趨于成熟，已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。射頻識別技術(shù)采用無線通信方式，不受地理環(huán)境的影響，克服了GPS定位系統(tǒng)受山谷、隧道等非露天環(huán)境影響的問題；同時，采用射頻識別技術(shù)只需在需要識別的線路特征點處預(yù)設(shè)電子標(biāo)簽進行定位，克服了小鍵盤修正里程受天氣及光線影響、修正信息誤差較大的問題。目前射頻識別技術(shù)已在我國高速綜合檢測列車的精確定位中得到了較為成熟的應(yīng)用。

同時，為了滿足數(shù)據(jù)采集、處理及同步的需要，現(xiàn)有的檢測車定位系統(tǒng)需要3～4臺采集處理設(shè)備，占用機柜高度至少8U（1U=4.445cm），所需空間較大。

考慮到射頻識別技術(shù)在環(huán)境適應(yīng)性、抗干擾能力及定位精度方面的優(yōu)越性，定位同步系統(tǒng)采用光電編碼器進行里程的累加計算，同時通過衛(wèi)星定位系統(tǒng)（城市軌道交通不使用）、射頻識別技術(shù)及人工修正的方法進行里程修正，對原有定位系統(tǒng)進行集成化改造，可以滿足小型化定位同步系統(tǒng)實現(xiàn)精確定位的需要。

3 系統(tǒng)設(shè)計

定位同步系統(tǒng)主要包括全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）模塊（國有鐵路檢測中使用）、射頻識別模塊、光電編碼器模塊及數(shù)據(jù)采集處理模塊等。

3.1 GNSS模塊

GNSS模塊選擇可接收中國北斗及美國GPS定位系統(tǒng)信號的接收板卡，天線選擇可接收7頻段信號的小型化天線。其中，天線安裝在所搭載的檢測車車頂（臨時狀態(tài)下，可考慮放置在車內(nèi)車窗處），接收板卡安裝于車內(nèi)。首先將檢測車所檢測的線路中每隔一段距離的經(jīng)緯度信息與線路的實際里程信息一一對應(yīng)，并形成記錄文件，檢測車運行過程中實時更新位置信息，將實時的位置信息與記錄文件中的數(shù)據(jù)進行比對，當(dāng)實時經(jīng)緯度信息與記錄文件中的數(shù)據(jù)一致時，讀取該經(jīng)緯度信息對應(yīng)的實際里程信息，修正編碼器的累加里程信息，并實時發(fā)送至其他檢測系統(tǒng)，同步完成里程修正。

3.2 射頻識別模塊

射頻識別模塊選擇高速工業(yè)級電子標(biāo)簽及電子標(biāo)簽閱讀器。為了兼容高速鐵路和城市軌道交通，選擇可滿足400km/h情況下正常識別要求的電子標(biāo)簽作為定位信息修正源，電子標(biāo)簽的載頻為2.45GHz（頻段應(yīng)用廣泛且不需要許可），通信不會受到發(fā)動機點火或其他線路電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁波的干擾。

每一個電子標(biāo)簽中包含全球唯一的識別碼，在標(biāo)簽安裝過程中形成數(shù)據(jù)庫文件，記錄每一個標(biāo)簽號碼對應(yīng)的線路特征信息（包括里程、行別、線路特征點等），當(dāng)檢測車檢測過程中通過電子標(biāo)簽時，安裝在車上的閱讀器讀取標(biāo)簽信息并識別標(biāo)簽號碼，將該號碼與車內(nèi)的數(shù)據(jù)庫信息進行比對，識別標(biāo)簽對應(yīng)的線路特征信息，修正定位系統(tǒng)編碼器累加的里程信息，并將修正信息發(fā)送至其他檢測系統(tǒng)修正里程信息。

由于線路周邊環(huán)境不同，電子標(biāo)簽的安裝方式也不相同。在國有電氣化鐵路旁設(shè)置有接觸網(wǎng)支柱時，閱讀器安裝于檢測車車窗內(nèi)，電子標(biāo)簽安裝于接觸網(wǎng)支柱上，安裝高度根據(jù)閱讀器的安裝高度確定（為了便于信息共享，電子標(biāo)簽安裝高度統(tǒng)一為距離軌面2.2m）；在非電氣化鐵路及城市軌道交通線路旁無接觸網(wǎng)支柱時，閱讀器安裝于檢測車底部中心線沿線，電子標(biāo)簽安裝在線路中心（見圖1、圖2）[6]。

圖1 閱讀器及電子標(biāo)簽安裝位置示意圖

圖2 閱讀器車內(nèi)、車下安裝實物圖

3.3 光電編碼器模塊

光電編碼器安裝于檢測車軸端，與輪對以相同角速度轉(zhuǎn)動，在已知輪對直徑的情況下，通過計算即可得到實時車速及檢測車的實時里程。檢測車使用脈沖數(shù)為5000的光電編碼器?？紤]到車內(nèi)其他檢測系統(tǒng)通過脈沖完成傳感器采樣觸發(fā)的需要，設(shè)計高度為1U的機架式脈沖信號分配單元（見圖3），將1路編碼器脈沖信號分成7路進行廣播傳輸。若檢測車內(nèi)檢測系統(tǒng)所需脈沖信號多于7路，可通過光纖級聯(lián)信號分配單元，滿足車內(nèi)所有檢測系統(tǒng)脈沖信號的需求。

3.4 數(shù)據(jù)采集處理模塊

基于對未來檢測系統(tǒng)設(shè)備小型化及輕量化的考慮，通過對原有定位系統(tǒng)的優(yōu)化，將信號采集、數(shù)據(jù)處理及里程信息發(fā)布等功能模塊進行一體化設(shè)計，集成在一個定位同步服務(wù)器機箱內(nèi)，機箱高度為3U，適合安裝于標(biāo)準(zhǔn)機柜中。數(shù)據(jù)采集處理模塊方案見圖4。

圖3 信號分配單元

圖4 數(shù)據(jù)采集處理模塊方案

3.5 小結(jié)

定位同步服務(wù)器通過接收光電編碼器脈沖信號計算實時車速并累加里程，然后將實時車速及里程信息通過廣播方式發(fā)送至檢測車內(nèi)其他檢測系統(tǒng)。

定位同步系統(tǒng)實時接收GNSS衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號，并將接收的信號與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫信息進行比對，當(dāng)經(jīng)緯度信息與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)吻合時，提取對應(yīng)線路特征信息，通過誤差修正算法修正誤差后得到準(zhǔn)確的里程信息，修正定位同步系統(tǒng)的實時里程信息，并將里程信息發(fā)布至檢測車內(nèi)其他檢測系統(tǒng)。

同理，定位同步系統(tǒng)在接收到電子標(biāo)簽的信號后，將標(biāo)簽的號碼信息與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行比對，得到里程信息及線路特征值，通過誤差修正算法修正誤差后得到準(zhǔn)確的里程信息，修正定位系統(tǒng)的實時里程信息并將里程信息發(fā)布至檢測車內(nèi)其他檢測系統(tǒng)。

同時，系統(tǒng)實時監(jiān)測小鍵盤信號輸入，當(dāng)檢測人員通過小鍵盤輸入里程修正信息時，獲取小鍵盤信息修正定位同步系統(tǒng)的實時里程信息并發(fā)布至其他檢測系統(tǒng)。

里程修正信息發(fā)布主要通過光纖或電纜的方式進行多點實時傳輸，并根據(jù)需要通過光纖串聯(lián)通信設(shè)備，提高通信速度的同時，有效避免外界復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾，可以同時滿足所有檢測系統(tǒng)接收定位信息的需求。

4 系統(tǒng)試驗驗證

為了驗證使用電子標(biāo)簽進行里程定位、列車定位，將定位同步系統(tǒng)安裝在檢測車上，在北京東郊國家鐵道試驗中心對定位的準(zhǔn)確性及重復(fù)性進行試驗驗證。在環(huán)行鐵道試驗線沿線公里標(biāo)0km和1km附近的接觸網(wǎng)支柱上分別安裝電子標(biāo)簽，作為里程修正點。

試驗過程中，檢測車分別以80km/h、100km/h、120km/h、140km/h勻速通過電子標(biāo)簽安裝區(qū)段，通過安裝于車內(nèi)的閱讀器讀取電子標(biāo)簽的標(biāo)簽信息，并將信息傳輸至定位同步系統(tǒng)服務(wù)器，定位同步系統(tǒng)服務(wù)器將標(biāo)簽信息與數(shù)據(jù)庫進行對比，得到電子標(biāo)簽所在位置的里程信息，完成對檢測車運行實際里程的修正。其中，檢測車通過公里標(biāo)0km電子標(biāo)簽時，修正檢測系統(tǒng)里程值為0km，作為每一次檢測的起始。檢測車通過公里標(biāo)1km附近電子標(biāo)簽時，系統(tǒng)采集標(biāo)簽信息并記錄下修正前的實時里程信息，驗證電子標(biāo)簽輔助進行里程信息修正的穩(wěn)定性。

試驗過程中，定位同步系統(tǒng)分別記錄檢測車經(jīng)過公里標(biāo)1km附近電子標(biāo)簽處修正前的實時里程值，并將該里程記錄信息的平均值作為該標(biāo)簽的實際里程（見表2）。從表2的數(shù)據(jù)記錄可以看出，將檢測車以不同運行速度通過1km公里標(biāo)附近電子標(biāo)簽時記錄下的修正前的里程值取平均值作為該電子標(biāo)簽的實際里程值，該電子標(biāo)簽的實際安裝位置可近似認為是0.977037km。通過對表2的里程數(shù)據(jù)進行分析可以看出，定位同步系統(tǒng)在重復(fù)驗證中保持了較高的定位重復(fù)性，每次的修正值可保證在±0.3%的誤差范圍內(nèi)，滿足檢測車檢測過程中定位精度的要求。

5 結(jié)束語

通過對現(xiàn)有定位技術(shù)的研究和分析，提出一種基于GNSS及射頻識別技術(shù)輔助列車定位的小型化定位同步系統(tǒng)新方案。小型化定位同步系統(tǒng)是對現(xiàn)有定位技術(shù)進行的改進和創(chuàng)新，是針對現(xiàn)有定位技術(shù)定位精度不高、設(shè)備占用空間大等問題，對定位精度及集成度的補充和提高。對小型化定位同步系統(tǒng)新方案在實際線路上進行試驗驗證，驗證結(jié)果顯示，系統(tǒng)設(shè)計方案在實際應(yīng)用中可行，可滿足里程精確定位的需求。

表2 里程記錄表

[1]劉宇，樊佳慧，賀力霞，等．2016年中國城市軌道 交通運營線路統(tǒng)計與分析[J]．都市快軌交通， 2017(2)：4-6．

[2]楊超．綜合檢測列車定位同步技術(shù)研究[D]．北 京：中國鐵道科學(xué)研究院，2009．

[3]夏博光，王衛(wèi)東，王登陽．無線射頻（RFID）技 術(shù)在高速檢測列車精確定位中的應(yīng)用[J]．鐵道建 筑，2011(11)：102-106．

[4]王登陽，楊超．高速綜合檢測列車時空同步技術(shù)[J]. 鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2012(1)：16-19．

[5]邢紅霞，王劍，嚴細輝，等．?dāng)?shù)據(jù)融合在列車 定位系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]．中國鐵路，2014(1)： 66-69．

[6]彭麗宇，王登陽，張俊生．朔黃鐵路綜合檢測列 車定位同步技術(shù)研究[J]．鐵道建筑，2017(2)： 129-132．

Positioning Synchronization System

XIA Boguang，WANG Fan，LIU Zhengyi，ZHANG Eryong
（Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

The design of miniaturized positioning synchronization system was proposed in this paper based on the adoption of GNSS and radio frequency identification technology which assist train positioning. By GNSS and radio frequency identification technology, mileage positioning of testing vehicle is carried out by establishing the one-to-one correspondence among the mileage information of railway amp; urban transport, the longitude amp; latitude and the electronic tag number. Experiments were carried out on the miniaturized positioning synchronization system to prove its applicability. The system provides an effective solution to the miniaturized and portable precise positioning for testing vehicle operation in railway and urban transit industry.

mileage positioning；miniaturization；positioning synchronization system；GNSS；radio frequency identification technology；GPS；testing vehicle

U216.3

A

1001-683X（2017）10-0086-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.10.086

中國鐵道科學(xué)研究院科技研究開發(fā)計劃項目（2015YJ093）

夏博光（1984—），男，助理研究員，碩士。E-mail：xbg1984@rails.cn

2017-07-24