上海城市軌道交通列車主動(dòng)定位系統(tǒng)軌旁信標(biāo)布置規(guī)則研究

陳 鳴

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號(hào)分公司， 200235， 上?！喂こ處?

列車定位子系統(tǒng)是CBTC(基于通信的列車控制)信號(hào)系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)之一，可實(shí)現(xiàn)可靠、高效的列車定位。列車定位子系統(tǒng)中,軌旁信標(biāo)的布設(shè)起著至關(guān)重要的作用。

目前,上海城市軌道交通已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的18條線路中,有13條線路分別采用了2家不同集成商提供的CBTC信號(hào)系統(tǒng)。中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》(以下簡(jiǎn)稱“綱要”)中明確要求：2025年，中國(guó)式智慧城軌特色基本形成，躋身世界先進(jìn)智慧城軌國(guó)家行列。此外，綱要還要求“自主化列車全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)成熟完善并大面積推廣應(yīng)用，互聯(lián)互通取得重大突破，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)”。

列車定位子系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)制式間互聯(lián)互通的基礎(chǔ)條件，軌旁信標(biāo)布置規(guī)則的統(tǒng)一是最底層的技術(shù)需求。本文旨在對(duì)定位信標(biāo)布設(shè)的規(guī)則進(jìn)行研究，為更好地實(shí)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)互聯(lián)互通建立基礎(chǔ)，為后續(xù)定位設(shè)備的硬件統(tǒng)型及編碼規(guī)則的統(tǒng)一等工作的開(kāi)展提供參考。

1 上海城市軌道交通軌旁信標(biāo)布置規(guī)則的現(xiàn)狀分析

目前,上海城市軌道交通線網(wǎng)的CBTC系統(tǒng)均采用對(duì)列車當(dāng)前位置的絕對(duì)定位與相對(duì)定位結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)列車定位。即：通過(guò)車載查詢?cè)O(shè)備、讀取地面定位信標(biāo)設(shè)備獲取列車當(dāng)前位置的絕對(duì)定位信息；通過(guò)速度計(jì)的測(cè)速和測(cè)距結(jié)果來(lái)計(jì)算獲得列車當(dāng)前位置的相對(duì)定位信息。線網(wǎng)內(nèi)采用CBTC系統(tǒng)的13條線路在軌旁信標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)選型上有2種，分別為采用UNISIG/TB標(biāo)準(zhǔn)的歐式信標(biāo)及采用AAR/GB標(biāo)準(zhǔn)的美式信標(biāo)。

1.1 歐式信標(biāo)的布設(shè)原則

采用歐式信標(biāo)的CBTC信號(hào)系統(tǒng)在軌旁布設(shè)2種信標(biāo)，分別為RB(重定位信標(biāo))與MTIB(動(dòng)態(tài)列車初始化信標(biāo))。

在后備模式中，RB與LEU(軌旁電子單元)連接，為車載控制器提供信號(hào)機(jī)、道岔、軌道區(qū)段等的狀態(tài)信息。停車信號(hào)機(jī)由1個(gè)RB防護(hù)，接近信號(hào)機(jī)由2個(gè)RB防護(hù)。

1.2 美式信標(biāo)的布設(shè)原則

采用美式信標(biāo)的CBTC信號(hào)系統(tǒng)同樣在軌旁布設(shè)2種信標(biāo)：無(wú)源的A型信標(biāo)和有源的B型信標(biāo)。其中，2個(gè)連續(xù)的A型信標(biāo)用來(lái)初始化列車位置，單個(gè)A型信標(biāo)可以對(duì)已有位置信息的列車進(jìn)行定位校準(zhǔn)。

在后備模式中，每1個(gè)B型信標(biāo)為車載控制器提供其所關(guān)聯(lián)信號(hào)機(jī)的1種表示狀態(tài)，即關(guān)聯(lián)信號(hào)機(jī)為紅白綠三顯示信號(hào)機(jī)時(shí)，需要在相同位置布置2個(gè)B型信標(biāo)，以分別標(biāo)識(shí)白燈與綠燈的狀態(tài)。

1.3 歐式信標(biāo)與美式信標(biāo)布設(shè)原則的對(duì)比

歐式信標(biāo)與美式信標(biāo)在常用定位信標(biāo)布設(shè)距離上的限制差異較小。歐式無(wú)源信標(biāo)采用了電感耦合方式，信標(biāo)的可識(shí)別距離小于1.0 m，而美式無(wú)源信標(biāo)采用了電磁反向散射耦合方式，信標(biāo)的識(shí)別距離為1.0～1.5 m。由此，美式無(wú)源信標(biāo)在布設(shè)時(shí)對(duì)相鄰信標(biāo)的最小間距有額外的要求，以避免在列車行駛時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤讀取相鄰信標(biāo)的情況。

此外，單個(gè)歐式有源信標(biāo)相較美式有源信標(biāo)可編輯的碼位更多，在后備模式中可以為車載控制器提供更多前方信號(hào)軌旁設(shè)備的狀態(tài)信息，提供更完善的系統(tǒng)級(jí)防護(hù)功能。如果美式信標(biāo)要實(shí)現(xiàn)與歐式信標(biāo)相同的功能，則需在相同位置布設(shè)更多信標(biāo)，工程成本相較歐式信標(biāo)更高，且可能存在的故障點(diǎn)也更多。由此可見(jiàn)，歐式信標(biāo)更適用于上海城市軌道交通列車主動(dòng)定位系統(tǒng)軌旁信標(biāo)的布設(shè)。

2 互聯(lián)互通需求下自主定位軌旁信標(biāo)總體布置原則

根據(jù)綱要的要求，在參考GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》、建標(biāo)104—2008《城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》及DG/TJ 08-2232—2017《城市軌道交通工程技術(shù)規(guī)范》等各類規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，本文對(duì)上海城市軌道交通超大網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通需求下列車主動(dòng)定位系統(tǒng)進(jìn)行研究。在ATC(列車自動(dòng)控制)區(qū)域內(nèi)，列車主動(dòng)定位系統(tǒng)軌旁定位信標(biāo)布置應(yīng)與信號(hào)主系統(tǒng)保持一致；在非ATC區(qū)域內(nèi)也應(yīng)布設(shè)定位信標(biāo)，以確保所有行車區(qū)域具備有效追蹤列車位置的功能。

列車主動(dòng)定位系統(tǒng)用于取代現(xiàn)有各信號(hào)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立的列車定位子系統(tǒng)，統(tǒng)一軌旁信標(biāo)布置規(guī)則，使之成為最底層的技術(shù)需求，為最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)的互聯(lián)互通奠定基礎(chǔ)。

2.1 定位精度要求

截至2020年底，上海城市軌道交通線網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)線路及在建線路，其列車的最高運(yùn)行速度均在120 km/h以下。在采用絕對(duì)定位與相對(duì)定位結(jié)合對(duì)列車進(jìn)行定位的CBTC線路中，定位信標(biāo)的布設(shè)密度與列車的運(yùn)行速度直接相關(guān)。

對(duì)軌旁信標(biāo)進(jìn)行布置時(shí)，應(yīng)滿足列車最高運(yùn)行速度120 km/h情況下定位精度不低于最小追蹤間隔，且在站臺(tái)區(qū)域定位精度不低于最大停站精度要求。

2.2 無(wú)源信標(biāo)及有源信標(biāo)的布置要求

無(wú)源信標(biāo)也可稱為固定信標(biāo)，按功能可分為輪徑校準(zhǔn)信標(biāo)、精準(zhǔn)停車定位信標(biāo)和其他定位信標(biāo)。有源信標(biāo)分為主信標(biāo)和填充信標(biāo)2種。主信標(biāo)布置在信號(hào)機(jī)處。填充信標(biāo)的布置點(diǎn)與主信標(biāo)外方有一定距離，該距離要滿足不能因列車未收到填充信標(biāo)的報(bào)文而降速的要求，以及信號(hào)系統(tǒng)后備模式下列車追蹤間隔的要求。由此，該距離應(yīng)滿足如下要求：

1) 在最大線路限速條件下，距離的最小值應(yīng)大于列車按照最高速度以GEBR(保證緊急制動(dòng)率)計(jì)算得到的緊急制動(dòng)距離和常用制動(dòng)距離二者的最大值。

2) 距離的最大值應(yīng)小于后備模式下列車追蹤間隔要求的追蹤距離，即小于主信標(biāo)關(guān)聯(lián)的信號(hào)機(jī)的進(jìn)路長(zhǎng)度與安全防護(hù)區(qū)段距離之和。

3 各類軌旁信標(biāo)的布置原則

3.1 精確停車信標(biāo)的布置原則

精確停車信標(biāo)的具體布置原則為:ATC模式下，在站臺(tái)、側(cè)線、折返線、聯(lián)絡(luò)線、區(qū)間信號(hào)機(jī)、停車場(chǎng)列檢庫(kù)等需要以ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)精確停車的區(qū)域，以及停車庫(kù)內(nèi)定修線、鏇輪線等非ATC區(qū)域，均應(yīng)布置用于精確停車的無(wú)源信標(biāo)，并采用車載應(yīng)答器天線頭尾冗余的方式予以布置。

以站臺(tái)區(qū)域?yàn)槔?，精確停車信標(biāo)的布置原則如下：①在車載應(yīng)答器天線前后2個(gè)方向距離約0.5～1.0 m處各設(shè)置1個(gè)信標(biāo)；②在車載應(yīng)答器天線前后2個(gè)方向距離約25.0～30.0 m處各設(shè)置1個(gè)信標(biāo)；③在車載應(yīng)答器天線前后2個(gè)方向距離約70.0～100.0 m處各設(shè)置1個(gè)信標(biāo)。圖1為以列車運(yùn)行的反方向?yàn)槔L制的停車信標(biāo)布置示意圖。

圖1 站臺(tái)區(qū)域精準(zhǔn)停車信標(biāo)的布置原則

3.2 輪徑校準(zhǔn)信標(biāo)布置原則

輪徑校準(zhǔn)信標(biāo)的布置原則為:在銜接車輛段或停車場(chǎng)的出入段線、聯(lián)絡(luò)線及正線存車線的出口處應(yīng)設(shè)置2個(gè)用于輪徑校準(zhǔn)的無(wú)源信標(biāo)。

為提高CBTC系統(tǒng)可用性，在正線區(qū)間也可設(shè)置輪徑校準(zhǔn)信標(biāo)，每3個(gè)站的正線區(qū)間設(shè)置2個(gè)。這2個(gè)無(wú)源信標(biāo)間的距離一般為20～60 m。輪徑校準(zhǔn)信標(biāo)宜布置在平直軌道區(qū)域，若由于客觀原因無(wú)法完全保證線路平直性，則優(yōu)先考慮在無(wú)彎道的區(qū)域布置。

3.3 有源信標(biāo)的布置原則

有源信標(biāo)的布置原則為:

1) 為確保列車運(yùn)行安全，應(yīng)保證列車以RM(限制人工模式)向前運(yùn)行時(shí)所通過(guò)有源信標(biāo)可以獲得有效的點(diǎn)式移動(dòng)授權(quán)，使列車升級(jí)到點(diǎn)式ATP(列車自動(dòng)防護(hù))模式運(yùn)行級(jí)別。

2) 在每個(gè)信號(hào)機(jī)處設(shè)置有源信標(biāo)，為正線站臺(tái)正向進(jìn)路提供點(diǎn)式ATP防護(hù)功能。

3) 在每個(gè)信號(hào)機(jī)處設(shè)置有源信標(biāo)，為停車線、折返線、出入段線等雙向防護(hù)進(jìn)路提供點(diǎn)式ATP防護(hù)功能。

4) 在正方向區(qū)間信號(hào)機(jī)處設(shè)置有源信標(biāo)。

5) 如圖2所示，列車停在停車點(diǎn)時(shí)，有源信標(biāo)離車載應(yīng)答器天線的距離應(yīng)為1.0 m，即當(dāng)列車起動(dòng)運(yùn)行1.0 m后可以讀取該有源信標(biāo)。

圖2 站臺(tái)區(qū)域有源信標(biāo)離車載應(yīng)答器天線的距離

4 列車自主定位系統(tǒng)軌旁信標(biāo)編碼規(guī)范

為滿足與其他信號(hào)制式軌道交通區(qū)域互聯(lián)互通的要求，所有用于定位功能的信標(biāo)(包含有源信標(biāo)及無(wú)源信標(biāo))，其定位相關(guān)報(bào)文編碼均應(yīng)滿足全線網(wǎng)唯一性的標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)制式下列車跨線運(yùn)行時(shí)定位系統(tǒng)的有效兼容。

為確保上海城市軌道交通全線網(wǎng)列車自主定位系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)統(tǒng)一，軌旁信標(biāo)編碼規(guī)則也應(yīng)統(tǒng)一。根據(jù)歐式信標(biāo)的硬件特性，信標(biāo)報(bào)文宜采用830位長(zhǎng)報(bào)文結(jié)構(gòu)，用戶信息包中不足的比特位以“1”補(bǔ)齊。

信息幀的報(bào)文結(jié)構(gòu)定義如表1所示。其中：

表1 軌旁信標(biāo)信息幀的報(bào)文結(jié)構(gòu)定義Tab.1 Message structure definition of the wayside beacon message frame

1) M_MCOUNT為報(bào)文計(jì)數(shù)器。單個(gè)應(yīng)答器會(huì)對(duì)應(yīng)多條報(bào)文，該變量表示本報(bào)文在這些報(bào)文中的序號(hào)；固定應(yīng)答器只包含1條報(bào)文，M_MCOUNT設(shè)為255；有源應(yīng)答器默認(rèn)報(bào)文，M_MCOUNT設(shè)為252；LEU默認(rèn)報(bào)文，M_MCOUNT設(shè)為0；M_MCOUNT值禁用253和254。其他報(bào)文的M_MCOUNT值由廠商自定。

2) NID_C為復(fù)合區(qū)段。在多條線路共線的正線區(qū)間或停車場(chǎng)內(nèi)，復(fù)合區(qū)段碼位以“1”表示。

3) NID_L為線路編號(hào)。采用區(qū)域內(nèi)統(tǒng)一編號(hào)的方式，可在區(qū)域線路規(guī)劃時(shí)統(tǒng)一分配。聯(lián)絡(luò)線以各線路信號(hào)系統(tǒng)控制邊界為界，賦予不同的線路編號(hào)。

4) NID_BG為應(yīng)答器(組)編號(hào)。用于在1條線路內(nèi)唯一識(shí)別的ID，由5位十進(jìn)制數(shù)表示，最大值為16 383。

用戶信息包中至少應(yīng)包含如表2所示的信息。

表2 軌旁信標(biāo)用戶信息包的定義內(nèi)容

5 結(jié)語(yǔ)

依托綱要的要求，在目前信號(hào)技術(shù)的飛速發(fā)展時(shí)期，城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)向著確保安全、提升運(yùn)營(yíng)能力，同時(shí)兼?zhèn)涓呖煽啃浴⒏呔S護(hù)性的方向有序發(fā)展。本文構(gòu)建的上海城市軌道交通列車主動(dòng)定位系統(tǒng)軌旁信標(biāo)布置規(guī)則，能有效實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)制式互聯(lián)互通下軌旁定位系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。