現(xiàn)代有軌電車信標(biāo)定位系統(tǒng)比較

徐海貴

（卡斯柯信號(hào)有限公司，200071，上海//工程師）

現(xiàn)代有軌電車信標(biāo)定位系統(tǒng)比較

徐海貴

（卡斯柯信號(hào)有限公司，200071，上海//工程師）

分析了現(xiàn)代有軌電車信號(hào)控制系統(tǒng)中的絕對(duì)定位特點(diǎn)，分析了射頻識(shí)別技術(shù)在不同應(yīng)用頻率波段的特點(diǎn)。對(duì)幾種常用信標(biāo)定位系統(tǒng)的車載閱讀器和軌旁信標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)比較。由于現(xiàn)代有軌電車存在安裝空間小、維護(hù)性要求高、成本要求嚴(yán)格等方面的限制，Balogh信標(biāo)系統(tǒng)在現(xiàn)代有軌電車絕對(duì)定位應(yīng)用中具有更大的優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)代有軌電車；車輛絕對(duì)定位；車載閱讀器；軌旁信標(biāo)

現(xiàn)代有軌電車定位技術(shù)是整個(gè)智能信號(hào)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前主流的定位技術(shù)主要包括衛(wèi)星定位、查詢-應(yīng)答器定位、通信環(huán)線定位，軌道電路和計(jì)軸定位等。根據(jù)現(xiàn)代有軌電車智能信號(hào)控制系統(tǒng)中道岔控制子系統(tǒng)、綜合調(diào)度指揮子系統(tǒng)及路口優(yōu)先子系統(tǒng)對(duì)車輛定位的要求，信標(biāo)定位作為主要的列車絕對(duì)定位方式被廣泛應(yīng)用［1］。

信標(biāo)定位系統(tǒng)通?；谏漕l識(shí)別（RFID）技術(shù)，主要由閱讀器或查詢機(jī)、應(yīng)答器或信標(biāo)組成。軌道交通中常用的列車信標(biāo)定位系統(tǒng)主要包括歐式應(yīng)答器系統(tǒng)和Transcore美式信標(biāo)系統(tǒng)。目前，應(yīng)用歐式應(yīng)答器系統(tǒng)的信號(hào)廠商主要有阿爾斯通及西門子等；國(guó)內(nèi)研制的Y·FB型、TDY型、LKY1-TH型等歐式應(yīng)答器系統(tǒng)在中國(guó)鐵路CTCS-2、CTCS-3列車控制系統(tǒng)中也得到了廣泛應(yīng)用［2］；應(yīng)用Transcore美式信標(biāo)系統(tǒng)的廠商則有泰雷茲及安薩爾多；此外，瑞典TagMaster公司的閱讀器及信標(biāo)系統(tǒng)作為龐巴迪的CITYFLO650列車自動(dòng)控制系統(tǒng)中的絕對(duì)定位單元，已在中國(guó)臺(tái)北捷運(yùn)內(nèi)湖線及天津地鐵2、3號(hào)線路中應(yīng)用；法國(guó)Balogh公司的閱讀器及信標(biāo)系統(tǒng)在作為有軌電車控制系統(tǒng)中的絕對(duì)定位單元，已在世界范圍內(nèi)，尤其是法國(guó)、比利時(shí)、西班牙等國(guó)家的有軌電車系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用；深圳遠(yuǎn)望谷研制的車輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AEI）信標(biāo)產(chǎn)品在中國(guó)鐵路車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)及現(xiàn)代有軌電車信號(hào)系統(tǒng)中已有應(yīng)用。

現(xiàn)代有軌電車通常采用70%或100%低地板車輛，其地板面高度通常為300～350 mm［3］。這限制了閱讀器在車輛底部的安裝空間。此外，有軌電車對(duì)定位的安全性及定位精度的要求也與其他軌道交通方式不同。因此，有必要根據(jù)有軌電車車輛定位需求特點(diǎn)，對(duì)適用于有軌電車絕對(duì)定位的閱讀器及信標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 有軌電車定位特點(diǎn)分析

有軌電車運(yùn)行速度較低，運(yùn)行間隔較大，其軌旁和車載設(shè)備簡(jiǎn)單。由于通常與社會(huì)車輛混行，故其司機(jī)采用目視行車的駕駛模式。有軌電車定位具有如下特點(diǎn)：

（1） 列車定位的精度要求不高：與地鐵和輕軌相比，有軌電車通常由司機(jī)人工駕駛，不具備ATO（列車自動(dòng)運(yùn)行）駕駛功能，對(duì)列車速度和定位的實(shí)時(shí)性及精度要求相對(duì)不高。

（2） 列車定位的安全完整性要求不高：有軌電車采用司機(jī)目視行車，通常只要求超速和闖紅燈報(bào)警，不配備完整的ATP（列車自動(dòng)防護(hù)）功能，其軌旁和車載設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單。

（3） 軌旁及車載定位設(shè)備安裝受限制：在與社會(huì)車輛共線路段，軌旁定位設(shè)備應(yīng)與地面平齊或埋在路面下，且不影響社會(huì)車輛正常通行及行人的走行；車載定位設(shè)備受車輛地板面高度影響，在車底的安裝空間受限。

（4） 有軌電車建設(shè)成本較低：通常有軌電車的建設(shè)成本只有地鐵的1/5～1/3，因此有軌電車需要選用相對(duì)簡(jiǎn)單實(shí)用、成本較低的定位設(shè)備。

（5） 維護(hù)性要求高：軌旁定位設(shè)備需具有較高的可靠性，其運(yùn)營(yíng)后的維護(hù)應(yīng)能盡量減少對(duì)道路和綠化的破壞。

從上述特點(diǎn)來看，有軌電車車輛的定位精度和安全要求總體上低于地鐵，但在定位設(shè)備的安裝限制、維護(hù)性要求及低成本等方面的要求高于地鐵。在現(xiàn)代有軌電車絕對(duì)定位閱讀器及信標(biāo)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中，這幾個(gè)因素具有決定性的影響，需重點(diǎn)考慮。

2 列車信標(biāo)定位系統(tǒng)

列車信標(biāo)定位系統(tǒng)一般主要由地面信標(biāo)、閱讀器及信標(biāo)天線3部分組成。某些信標(biāo)定位系統(tǒng)的信標(biāo)天線和閱讀器采用集成設(shè)計(jì)。

列車信標(biāo)定位系統(tǒng)通常采用RFID技術(shù)來實(shí)現(xiàn)車載設(shè)備和軌旁設(shè)備的通信。RFID技術(shù)在低頻段、高頻段、超高頻段及微波段均有不同的應(yīng)用和技術(shù)特點(diǎn)［4］。不同頻率波段的典型應(yīng)用頻率及相應(yīng)特性如表1所示。

2.1 地面信標(biāo)

地面信標(biāo)由合元件及芯片組成，每個(gè)信標(biāo)具有唯一的ID。不同頻率的信標(biāo)有不同的特點(diǎn)。通常低頻信標(biāo)比超高頻信標(biāo)便宜，節(jié)省能量，穿透廢金屬物體力強(qiáng)，工作頻率不受無線電頻率管制約束，但感應(yīng)距離較短。超高頻信標(biāo)作用范圍廣，傳送數(shù)據(jù)速度快，但是比較耗能，穿透力較弱，作業(yè)區(qū)域不能有太多干擾，適用于監(jiān)測(cè)港口、倉(cāng)儲(chǔ)等物流領(lǐng)域的物品。高頻信標(biāo)屬中短距識(shí)別，讀寫速度也居中，產(chǎn)品價(jià)格也相對(duì)便宜，適用于電子票證。

表1 RFID技術(shù)在不同頻率波段的特點(diǎn)

地面信標(biāo)根據(jù)是否由外部供電可分為無源信標(biāo)和有源信標(biāo)。無源信標(biāo)沒有外接電源供電，平時(shí)處于休眠狀態(tài)；當(dāng)列車經(jīng)過無源信標(biāo)上方時(shí)，接收到車載天線發(fā)出的功率載波，激活無源信標(biāo)中的電子單元，使其向車載設(shè)備發(fā)送調(diào)制好的編碼信息［5］。無源信標(biāo)通常用于列車定位初始化，重定位及輪徑校準(zhǔn)，對(duì)外發(fā)送信息固定不變。有源信標(biāo)需要外接電源供電，除了能用于列車定位外，在后備模式下還可向車載設(shè)備傳送信號(hào)機(jī)及道岔等軌道設(shè)備的變量信息［6］。表2為軌道交通中常用的地面無源信標(biāo)性能參數(shù)。

由表2可見：①歐式信標(biāo)尺寸較大，對(duì)地面安裝要求較高，地面信標(biāo)的安裝需考慮在混行路段承受社會(huì)車輛的重量問題，通常需要安裝井及保護(hù)蓋，而Balogh信標(biāo)有堅(jiān)固的保護(hù)盒，可直接預(yù)埋路面。② 歐式信標(biāo)和Transcore信標(biāo)服務(wù)年限較長(zhǎng)；而Balogh信標(biāo)和TagMaster信標(biāo)服務(wù)年限短需考慮10 a后維護(hù)的問題。③信標(biāo)都滿足鐵路應(yīng)用的溫度和防護(hù)等級(jí)的要求，Balogh信標(biāo)低溫范圍不夠，但目前正在升級(jí)能適應(yīng)-40℃的新產(chǎn)品。④歐式信標(biāo)的價(jià)格相對(duì)較貴，其他信標(biāo)的價(jià)格差距不太大。

對(duì)于有源信標(biāo)，Transcore信標(biāo)、Balogh信標(biāo)、TagMaster信標(biāo)都只有激活和未激活兩種狀態(tài)，即一個(gè)有源信標(biāo)只能關(guān)聯(lián)信號(hào)機(jī)的一種狀態(tài)表示。通過軌旁有源信標(biāo)組的布置，信標(biāo)可向車載設(shè)備提供信號(hào)機(jī)及道岔信息。由于有軌電車系統(tǒng)功能相對(duì)簡(jiǎn)單，需要有源信標(biāo)傳輸?shù)能壟宰兞肯鄬?duì)較少，故兩種狀態(tài)的有源信標(biāo)均能滿足有軌電車信號(hào)系統(tǒng)的應(yīng)用。歐式有源信標(biāo)雖體積、質(zhì)量及頻率等特性與無源信標(biāo)相同，卻可提供較多的軌旁信息，更適用于我國(guó)鐵路及地鐵。

表2 軌道交通中常用地面無源信標(biāo)的主要性能參數(shù)

2.2 閱讀器與信標(biāo)天線

閱讀器和信標(biāo)天線為列車信標(biāo)定位系統(tǒng)車載設(shè)備。其中：閱讀器負(fù)責(zé)讀取信標(biāo)的信息，信標(biāo)天線負(fù)責(zé)在信標(biāo)和閱讀器間傳遞射頻信息。

歐式車載閱讀器（BTM）體積較小，通常安裝在主機(jī)柜中。Transcore閱讀器（TIU）體積較大，需要占用主機(jī)柜較大空間。Balogh和TagMaster閱讀系統(tǒng)的閱讀器中集成了信標(biāo)天線模塊。

信標(biāo)天線單元通常安裝在列車底下，用來接收軌旁信標(biāo)的信號(hào)。表3為軌道交通中常用的閱讀器信標(biāo)天線主要參數(shù)。

通過表3的對(duì)比，可以得到如下結(jié)論：

（1）歐式信標(biāo)天線和Transcore信標(biāo)天線的典型安裝高度均為300 cm左右，已達(dá)低地板有軌電車的地板高度。這兩種天線（尤其是歐式信標(biāo)天線）的尺寸都比較大，對(duì)列車底部安裝空間的要求比較高，很難在低地板有軌電車底部找到足夠的安裝空間。歐式閱讀系統(tǒng)和Transcore閱讀系統(tǒng)的閱讀器和信標(biāo)天線是獨(dú)立的，其閱讀器安裝在機(jī)柜內(nèi)，會(huì)占用車載信號(hào)系統(tǒng)主機(jī)柜的空間，難以適應(yīng)現(xiàn)代有軌電車有限的空間。

（2）各種閱讀器及天線的工作溫度、振動(dòng)、濕度及IP防護(hù)等級(jí)都達(dá)到了鐵路行業(yè)的要求。其中，Balogh閱讀器的低溫適應(yīng)性略差，目前正在升級(jí)適用于-40℃的新一代產(chǎn)品。

（3）列車最高運(yùn)行速度都在300 km/h以上，符合有軌電車的最高運(yùn)行速度的要求。其中，Balogh信標(biāo)天線的定位誤差大于其他信標(biāo)系統(tǒng)，但較高的定位精度會(huì)增加技術(shù)難度及開發(fā)成本。而且有軌電車應(yīng)用中沒有ATO功能，定位精度要求不高。

表3 軌道交通中常用閱讀器與信標(biāo)天線的主要參數(shù)

（4）歐式閱讀系統(tǒng)和Transcore閱讀系統(tǒng)價(jià)格相對(duì)比較貴。Balogh和TagMaster的閱讀器和天線為集成設(shè)計(jì)，價(jià)格相對(duì)較便宜，具有一定競(jìng)爭(zhēng)力。

（5）安全完整性方面，歐式信標(biāo)、Transcore美式信標(biāo)、TagMaster信標(biāo)都在地鐵中具有SIL4級(jí)的應(yīng)用，Balogh信標(biāo)安全完整性相對(duì)較低。由于有軌電車是司機(jī)目視行車為主，通常要求超速及闖紅燈報(bào)警或SIL2級(jí)防護(hù)，故Balogh信標(biāo)系統(tǒng)在歐洲有軌電車中已有大量應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

由于有軌電車車輛安裝空間受限、維護(hù)性要求高、低成本控制要求嚴(yán)格，因此，歐式信標(biāo)定位系統(tǒng)和Transcore信標(biāo)系統(tǒng)難以滿足要求；應(yīng)用較少的TagMaster信標(biāo)系統(tǒng)可作為一個(gè)潛在的應(yīng)用方案；Balogh信標(biāo)系統(tǒng)在現(xiàn)代有軌電車絕對(duì)定位應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)，目前在國(guó)內(nèi)外有軌電車信號(hào)系統(tǒng)中已被廣泛應(yīng)用。

在我國(guó)，自主研制的Y·FB型、TDY型、LKY1-TH型等歐式應(yīng)答器系統(tǒng)在客運(yùn)專線、高速鐵路，以及城市軌道交通中已被大量應(yīng)用。這類信標(biāo)定位系統(tǒng)由于尺寸較大、安裝空間要求高，在現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)中應(yīng)用會(huì)受到安裝空間不夠的限制，因此需根據(jù)現(xiàn)代有軌電車的特點(diǎn)，從減小尺寸、降低成本等方面進(jìn)行改進(jìn)，以適應(yīng)有軌電車系統(tǒng)的應(yīng)用。車輛自動(dòng)識(shí)別（AEI）系統(tǒng)將車號(hào)信標(biāo)替換應(yīng)答器安裝在地面軌間，將車號(hào)閱讀器替換應(yīng)答器接收模塊安裝在列車上來實(shí)現(xiàn)輕軌及有軌電車的定位需求。AEI系統(tǒng)的信標(biāo)及閱讀器系統(tǒng)尺寸比較小，價(jià)格相對(duì)較便宜，隨著技術(shù)進(jìn)步及可靠性提高，在有軌電車系統(tǒng)中的應(yīng)用將值得期待。此外，國(guó)內(nèi)自主研制的信標(biāo)系統(tǒng)在技術(shù)支持及維護(hù)、采購(gòu)周期等方面的優(yōu)勢(shì)也是不可忽視的。

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Comparative Study on Trackside Beacon Positioning System of Modern Tram

XU Haigui

Thecharacteristicsofabsolutepositioning in modern tram controlsystem，the characteristicsofradio frequency identification in differentfrequency bandsare analyzed，different kinds of onboard tag readers and the trackside beacons which are applicable for railway industry are separately compared.Due to the limited installation space of modern tram，high maintenance reliability and low cost for the onboard equipment are strictly required,and the Balogh beacon and reader system have the advantage over other devices in modern tram absolute positioning system.

modern tram；vehicle absolute positioning；onboard reader；trackside beacon

Author′saddressCASCOSignalLtd.，200071，Shanghai，China

U482.109

10.16037/j.1007-869x.2017.12.035

2017-07-26）