城市軌道交通列車定位方法分析

曹啟濱

（北京地鐵運營公司通信信號公司，北京 100088）

城市軌道交通系統(tǒng)承擔著龐大的城市公共交通客流的運送任務，因此城市軌道交通無論地鐵或輕軌，都非常注重運營效率。軌道交通運營效率的一個重要影響因素就是列車追蹤間隔，需要高密度、小間隔的列車持續(xù)運行，列車定位技術(shù)是實現(xiàn)這一要求的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

1 列車定位的概念

列車定位就是通過已有的技術(shù)設備，實時準確地掌握運營線路上列車實際地理方位、運行狀態(tài)、行駛速度等關(guān)鍵信息，并能夠?qū)⒘熊噷崟r位置信息通過傳輸線纜傳送到軌道交通指揮控制終端界面上，供軌道交通行車指揮與調(diào)度工作人員掌握線路運行信息。

通過列車的定位，使調(diào)度系統(tǒng)能夠掌控在線列車數(shù)量、具體位置。

通過列車的定位，便于調(diào)度員及時對線路運營情況判別和處置，必要時及時發(fā)布增減車次、調(diào)整運營計劃的決策。

通過列車的定位，實現(xiàn)列車與地面（軌旁）的信息與數(shù)據(jù)通信，使列車能夠獲取有關(guān)安全認證和授權(quán)信息。

2 目前軌道交通常用的列車定位技術(shù)介紹

2.1 軌道電路

通過軌道電路實現(xiàn)列車定位是最傳統(tǒng)的列車監(jiān)測方式，目前在軌道交通及國鐵各類線路均廣泛使用。軌道電路依靠軌道繼電器狀態(tài)來檢測軌道占用情況。軌道電路將走行軌分成若干個軌道區(qū)段，每個軌道區(qū)段有軌道安全型繼電器監(jiān)督占用狀態(tài)。當無列車占用，繼電器通過軌道變壓器送出的安全電壓，能夠保持勵磁吸起狀態(tài)，繼電器前節(jié)點接通，代表區(qū)段空閑的綠色信號機開放；當列車軋入該軌道區(qū)段，列車輪對的分路電阻很小，致使軌道繼電器電流大部分被分路，勵磁電流降低，繼電器無法繼續(xù)保持吸起狀態(tài)，安全型繼電器接通后節(jié)點，紅燈點亮，表明該區(qū)段有列車占用。

軌道電路原理簡單，設備構(gòu)成也比較簡單，使用的軌道繼電器發(fā)生故障、軌道區(qū)段自身故障時，都能夠使繼電器接通代表紅色燈光的后節(jié)點導通，避免因故障原因使被占用的區(qū)段信號升級，符合信號要求“故障導向安全”的基本理念。

2.2 地面信標

地面信標屬于列車控制系統(tǒng)的地面（軌旁）設備，地面信標通常安裝在正線走行軌兩軌道中心，水平放置，用于與車載信標天線實現(xiàn)通信。車載信標天線懸掛在列車司機室下方第一輪對后方，水平安裝。車載信標天線具備無線發(fā)射和接收功能，通過無線電磁波信號激活地面信標，并將被激活的地面信標信息捕捉到車載信息處理系統(tǒng)中，通過解譯信標發(fā)送數(shù)據(jù)報文內(nèi)容，來獲取列車定位。

列車在軌道線路上行駛時，通過列車不斷采集地面信標的信息，其列車定位不斷更新。通過采集信標，列車獲取自身在線路的定位，傳遞行車參數(shù)，實現(xiàn)了車-地信息交互。

2.3 計軸

計軸是安裝在走行軌邊側(cè)，通過檢測列車輪對數(shù)量判斷軌道區(qū)段占用的信號設備。其工作原理類似軌道電路。需要將走行軌分為若干個區(qū)段，在每個區(qū)段的入口和出口分別設置計軸點，計軸點通過檢測輪對通過瞬間產(chǎn)生的電磁感應信號判斷輪對輪軸數(shù)量，并能夠辨別方向。只要進入?yún)^(qū)段和離去區(qū)段的輪軸數(shù)量一致，認為列車出清。如果進與出的輪軸數(shù)量不同，設備會認為軌道占用而不能開放信號。

2.4 裂縫波導管

城市軌道交通需要高密度行車，基于無線通信的移動閉塞控制系統(tǒng)CBTC是當今為提高運輸效率、保證安全運營的最先進的列車運營控制技術(shù)，國內(nèi)外眾多的城軌線路相繼使用CBTC信號系統(tǒng)。CBTC需要列車與地面軌旁設備有高速實時的數(shù)據(jù)通信，移動閉塞需要高精度的列車定位——通過無線通信系統(tǒng)完成。

列車控制系統(tǒng)（ATC）的無線通信方式主要包括無線自由波、漏泄電纜和裂縫波導管。其中在軌道交通系統(tǒng)中，信號系統(tǒng)出于對安全性的極端敏感性，必須防止其他電磁波無線信號的混入干擾，因此裂縫波導技術(shù)廣泛采用。裂縫波導管與鋼軌平行，根據(jù)線路條件和列車車下吊裝件安裝條件，有安裝在軌道外側(cè)和內(nèi)側(cè)兩種。車載無線天線設備在列車車體下方與波導管垂直接近的位置安裝，用于與波導實時交換數(shù)據(jù)。通常車載無線天線每個駕駛室配置2臺，便于與分布在軌面左右兩側(cè)的波導通信。在CBTC系統(tǒng)中，每組列車兩個駕駛室無線通信單元互為冗余備份，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

無線波導天線的使用，讓ATC軌旁設備與ATC車載設備之間的通信連續(xù)，可以通過報文形式持續(xù)的向地面?zhèn)鬟f列車運營的速度、模式、車輛指標等具體數(shù)據(jù)信息，又能夠?qū)崟r刷新列車定位，將ATC軌旁設備中區(qū)域控制區(qū)ZC、邏輯控制區(qū)LC的計算數(shù)據(jù)實時發(fā)送給列車，為形成列車自動追蹤的速度曲線提供計算依據(jù)。

3 幾種常用列車定位技術(shù)應用分析

城市軌道交通列車定位直接關(guān)系著行車安全與行車效率。以下對上述討論的幾種定位技術(shù)簡要分析。

傳統(tǒng)的軌道電路監(jiān)控列車在區(qū)段的占用，這種設備技術(shù)原理簡單，設備安裝容易，設備技術(shù)含量相對不高，單套設備投資成本低，因此得到廣泛應用。但是軌道區(qū)段的長短決定了其行車效率，如果區(qū)段設置過長，會嚴重影響行車通過效率；如果區(qū)段過短，增加了設備安裝數(shù)量，也增加了維護、維修作業(yè)工作量。傳統(tǒng)的軌道電路極易受到外界自然環(huán)境的影響，其電氣指標可能發(fā)生偏移，特別是地下鐵道系統(tǒng)面臨隧洞內(nèi)陰暗潮濕、灰塵多的惡劣自然條件，容易使軌道電路發(fā)生“紅光帶”等故障。軌道交通運營車次密度很高，一旦區(qū)間戶外設備故障，為了組織行車很難給予維修人員足夠的搶修時間，因此易發(fā)生故障的設備對運營影響較大。

定位信標技術(shù)在軌道交通系統(tǒng)中已有多年成功應用，特別是軌道交通系統(tǒng)停站頻繁，且眾多新建線路增加了站臺屏蔽門設備，列車無論ATO自動駕駛停車還是依靠人工駕駛，都必須準確對標停車以保證車門和站臺屏蔽門的有效聯(lián)動，方便乘降，因此定位信標發(fā)揮了作用。同時地面信標存儲的信息量較軌道電路傳送給列車的有效信息要龐大，更能夠適用于高密度、精準停車的需要。

計軸在軌道交通新建線路普遍采用，計軸設備本身避免了軌道電路容易受到惡劣環(huán)境影響的不足，依靠車輪與計軸點踏面之間的電磁作用監(jiān)控列車占用與出清，通過計算機處理計軸點發(fā)送的信息，在整體上安全性和可靠性很高。但是計軸同樣依靠軌道區(qū)段的劃分來實現(xiàn)列車定位，存在區(qū)段長效率低、區(qū)段短維護量大的問題，所以計軸點的列車定位和閉塞方式已經(jīng)廣泛成為擁有CBTC的控制系統(tǒng)的后備方案，在CBTC車地通信異常或有非CBTC列車（如非限列車、無模式調(diào)試車）時使用。

裂縫波導管系統(tǒng)能夠提供實時高速車-地通信，在CBTC控制系統(tǒng)中，ATC軌旁設備區(qū)域控制器ZC和邏輯控制器LC能夠?qū)⒕€路電子地圖、區(qū)間限速、ATS運行授權(quán)、列車沖突點等信息集中與列車進行交互，車載計算機通過捕獲這些信息計算控制列車的牽引與制動的目標-距離曲線，實現(xiàn)高質(zhì)量高精度的列車定位。

綜上所述，城市軌道交通使用了軌道電路、信標、計軸和裂縫波導管等列車定位技術(shù)，軌道電路和計軸均需要設置閉塞區(qū)段，區(qū)段的選擇制約了通過效率。而基于移動通信的CBTC系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)的閉塞區(qū)段定位的概念，移動閉塞的列車閉塞區(qū)段完全是移動虛擬的，根據(jù)列車運營軌跡實時刷新，它對列車的精確定位要求極高，裂縫波導管技術(shù)的發(fā)展?jié)M足了這一技術(shù)需要，正在逐步被更多的軌道交通新線路應用。

[1] 孫林祥，房堅．城市軌道交通的列車定位技術(shù)[J]．電子工程師，2002（7）：28-30.

[2] 陳艷華．軌道交通列車定位技術(shù)的選擇與比較[J]．電子設計工程，2010（11）：186-188.

[3] 劉進，吳汶麒．軌道交通列車定位技術(shù)[J]．城市軌道交通研究，2001（1）：30-34.

[4] 陳新，周俊，林必毅．地鐵列車定位技術(shù)的研究[J]．微計算機信息， 2009（24）：117-118.

[5] 董俊．深圳地鐵3號線列車定位策略分析[J]．鐵道通信信號， 2011（8）：43-44.