城市軌道交通列車全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的列車喚醒休眠方法研究*

陳寧寧 張 琦 郜洪民 邢科家

(1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，100081，北京；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究所，100081，北京；3.國家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 100081，北京∥第一作者，高級(jí)工程師、博士研究生)

依據(jù)IEC 62290-1—2014《鐵路應(yīng)用—城市軌道交通管理與指揮/控制系統(tǒng)》規(guī)范定義，城市軌道交通的GoA(自動(dòng)化等級(jí))可以劃分為5個(gè)等級(jí)：GoA0，GoA1，GoA2，GoA3，GoA4[1-2]。從降低列車使用能耗和提高運(yùn)營管理自動(dòng)化水平的角度，GoA4的UTO(無人值守的列車全自動(dòng)運(yùn)行)系統(tǒng)要求能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程喚醒功能[3-5]。城市軌道交通列車全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。其與遠(yuǎn)程喚醒相關(guān)的設(shè)備有車載的WIU(喚醒休眠單元)、軌旁的喚醒休眠設(shè)備、控制中心的ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)系統(tǒng)。每天運(yùn)營結(jié)束后列車自動(dòng)進(jìn)入車輛段庫線停準(zhǔn)并實(shí)施自動(dòng)休眠操作。休眠后的列車主要的用電設(shè)備都自動(dòng)關(guān)閉，只保留喚醒休眠相關(guān)的車輛頭尾冗余配置WIU蓄電池供電。喚醒設(shè)備的主要功能是對(duì)車輛的位置實(shí)施獲取及監(jiān)督，并將位置發(fā)送給控制中心ATS系統(tǒng)；實(shí)時(shí)接收來自于控制中心ATS系統(tǒng)的喚醒命令。

圖1 列車全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)構(gòu)成圖

控制中心ATS系統(tǒng)根據(jù)列車位置、狀態(tài)和運(yùn)行計(jì)劃編制列車的喚醒計(jì)劃。地面ATS按照喚醒計(jì)劃給目標(biāo)列車發(fā)送喚醒命令。車輛接收到喚醒命令后，控制車輛其他非喚醒設(shè)備(空調(diào)、牽引、制動(dòng)、空壓機(jī)等)上電，并進(jìn)行全車上電后的靜、動(dòng)態(tài)自檢。

車輛段內(nèi)，車輛由于檢修任務(wù)被牽引離開休眠列位，或由于溜車、測(cè)試任務(wù)動(dòng)車而造成車輛離開休眠位置，則該車輛將無法被正常喚醒，進(jìn)而造成早班車庫內(nèi)發(fā)車延誤。對(duì)此，為降低此類事件發(fā)生的概率，控制中心ATS系統(tǒng)需實(shí)時(shí)監(jiān)督列車的位置并根據(jù)休眠列車位置的變化來變更喚醒計(jì)劃。

1 列車休眠后的列車位置維持及監(jiān)督

1.1 軌旁傳感器休眠定位技術(shù)

軌旁傳感器休眠定位技術(shù)是基于軌道電路或計(jì)軸技術(shù),利用安裝在軌旁傳感器對(duì)休眠車輛進(jìn)行定位的技術(shù)(如圖2所示)，可利用“3點(diǎn)檢查”原則確定列車的位置。

圖2 休眠庫線計(jì)軸區(qū)段劃分

此技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于車載設(shè)備不需要額外的定位設(shè)備帶電，而完全依賴于軌旁設(shè)備實(shí)現(xiàn)休眠列車的定位。但此定位技術(shù)的精度較低，只能確定車輛未離開休眠前的計(jì)軸區(qū)段，無法確定車輛是否已經(jīng)離開喚醒休眠區(qū)域。且此技術(shù)的使用受限于庫線的計(jì)軸區(qū)段的劃分，2個(gè)休眠計(jì)軸區(qū)段AG和BG之間必須有一個(gè)小的計(jì)軸區(qū)段CG。通過判斷CG段占用與否，來判定休眠于BG段和CG段的車輛是否發(fā)生過移動(dòng)。

1.2 車載傳感器休眠定位技術(shù)

1.2.1 利用喚醒休眠應(yīng)答器定位

喚醒休眠應(yīng)答器為無源應(yīng)答器，比普通固定應(yīng)答器的尺寸要長、通信范圍要大，如圖3所示。應(yīng)答器和車載設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸通過空氣中磁場(chǎng)耦合完成。車載應(yīng)答器傳輸單元的天線向地面發(fā)送27.095 MHz的連續(xù)電磁波功率信號(hào)，為地面應(yīng)答器提供產(chǎn)生電源的電磁場(chǎng)。當(dāng)車載天線接近地面應(yīng)答器時(shí)，地面應(yīng)答器天線環(huán)感應(yīng)到能量，通過電磁耦合轉(zhuǎn)換成電能，地面應(yīng)答器被激活，向車載設(shè)備循環(huán)發(fā)送報(bào)文，直至能量消失。

圖3 喚醒休眠應(yīng)答器

相對(duì)于軌旁傳感器休眠定位技術(shù)，此技術(shù)的定位精度更高。位置精確度應(yīng)該在0.998置信區(qū)間內(nèi)。列車速度為v時(shí),用|Lerr|(單位為m)來表示測(cè)量應(yīng)答器位置與應(yīng)答器物理中心相比較的最大誤差：

(1)

喚醒休眠應(yīng)答器的通信范圍為應(yīng)答器的物理長度與|Lerr|之和。

此技術(shù)的缺點(diǎn)是:讀取喚醒休眠應(yīng)答器的車載BTM(應(yīng)答器傳輸單元)功耗很大。列車休眠后，為了節(jié)約車輛蓄電池電量，需要車載應(yīng)答器傳輸單元處于斷電狀態(tài)。因此，休眠時(shí)車載休眠設(shè)備無法通過BTM實(shí)時(shí)讀取喚醒休眠應(yīng)答器的報(bào)文，更無法通過喚醒休眠應(yīng)答器來實(shí)時(shí)獲取列車位置。只有列車被喚醒，且車載BTM得電后，才能繼續(xù)獲取列車位置。

1.2.2 利用車載測(cè)速單元的多傳感器融合定位

車載測(cè)速單元包括速度傳感器、多普勒雷達(dá)和主控單元，采用多傳感器信息融合技術(shù)。雖多傳感器信息融合技術(shù)已經(jīng)過多年的發(fā)展，但絕大多數(shù)信息融合研究皆是針對(duì)特定問題開展的，未形成完整的理論框架和融合模型。而基本的車載測(cè)速單元定位通過相對(duì)位置的累加來不斷修正列車的絕對(duì)位置。車載主控單元要記錄休眠前的絕對(duì)位置作為累計(jì)基礎(chǔ)。

速度傳感器安裝在車輛的軸頭上，跟隨車軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng),通過霍爾或光電方式獲取車軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度并轉(zhuǎn)化為傳感器的脈沖輸出。車載傳感器的信息融合重點(diǎn)在于相對(duì)位置的累加。速度傳感器定位的一個(gè)誤差源頭為輪徑誤差。隨著車輛運(yùn)營時(shí)間的推移，車輪會(huì)磨損。如果輪徑按照出廠參數(shù)來設(shè)定，勢(shì)必會(huì)帶來誤差。

多普勒雷達(dá)測(cè)速是一種直接測(cè)量速度和距離的方法。在列車頭部安裝的多普勒雷達(dá)，始終面向軌面發(fā)射電磁波。根據(jù)多普勒效應(yīng)原理，由于車輛與地面之間有相對(duì)移動(dòng)，故在發(fā)射波與反射波之間產(chǎn)生頻移，雷達(dá)通過測(cè)量頻移就可以計(jì)算出列車的速度。通過速度累加可計(jì)算出列車移動(dòng)的距離。雷達(dá)測(cè)速可克服車輪磨損、空轉(zhuǎn)和滑行等造成的誤差。

此技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，速度傳感器的脈沖測(cè)距精度很高。此技術(shù)的缺點(diǎn)是，由于低速時(shí)的雷達(dá)精度很低，速度傳感器的方向判斷誤差較大，從而造成定位誤差需要雙向累計(jì)[6-11]。休眠前的列車絕對(duì)位置不確定性本身就很大，造成休眠時(shí)定位可靠性較低。此外，列車休眠時(shí)的帶電設(shè)備也相應(yīng)增加，功耗增加。因此利用車載測(cè)速單元作為休眠時(shí)的定位方法可用性較低。

由于存在列車被工程車拖離休眠位置或由于溜車等其他原因造成車載應(yīng)答器天線無法與地面加長固定應(yīng)答器對(duì)正的情況,在列車休眠期間，地面ATS系統(tǒng)無法判斷發(fā)生上述異常的車輛已經(jīng)無法成功喚醒，還會(huì)繼續(xù)給上述異常列車發(fā)送喚醒命令;異常列車喚醒后無法讀取地面喚醒休眠應(yīng)答器報(bào)文而導(dǎo)致喚醒失敗，系統(tǒng)可用性降低。

如果通過休眠時(shí)保持車載應(yīng)答器傳輸單元或車載測(cè)速單元長期帶電的方式實(shí)現(xiàn)位置的持續(xù)獲取，車載系統(tǒng)功耗會(huì)增加很多,全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)支持的休眠時(shí)間會(huì)降低很多。

1.3 休眠時(shí)車地通信通道

地面ATS系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)督停在休眠區(qū)域的車輛的狀態(tài)。利用軌旁傳感器休眠定位技術(shù)時(shí)，地面ATS系統(tǒng)無需通過車地通信通道獲取車輛位置。但是車載傳感器休眠定位技術(shù)卻需要車地通信通道的支持。休眠后，列車喚醒指令的獲取需要此通道的支持。

車載BTM天線為單向通信設(shè)備，地面ATS無法通過此設(shè)備獲取列車的狀態(tài)。因此，休眠時(shí)需要保證車載無線通信設(shè)備(WLAN(無線局域網(wǎng))、LTE(長期演進(jìn)))保持帶電。這2種通信方式都為高頻通信，其車載設(shè)備在休眠時(shí)的功耗會(huì)較高。

2 喚醒休眠系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了解決上述問題，設(shè)計(jì)了如下具備車地通信及實(shí)時(shí)定位監(jiān)督功能的喚醒休眠系統(tǒng)。

車地雙向通信及定位裝置的基本構(gòu)成單位為車載定位傳感器、車載傳感器處理單元和地面定位天線，如圖4、圖5所示。

圖4 車地雙向通信及實(shí)時(shí)定位的喚醒系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖5 喚醒系統(tǒng)構(gòu)成實(shí)景圖

車地雙向通信及定位裝置的定位原理是車載定位傳感器通過判斷地面天線的發(fā)射功率強(qiáng)度判斷是否在天線的覆蓋范圍內(nèi)。車載既有的BTM、WLAN或LTE無線通信設(shè)備不需要帶電，僅低功耗車載定位傳感器及處理單元帶電。地面發(fā)射天線為有源設(shè)備，需要軌旁設(shè)備供電，不同于歐標(biāo)固定應(yīng)答器這種無源設(shè)備的讀取方式。

2.1 喚醒流程設(shè)計(jì)

喚醒流程如圖6所示。

圖6 喚醒流程圖

1)已休眠的列車通過車載定位傳感器實(shí)時(shí)接收地面定位天線發(fā)送的無線信號(hào)。

2)當(dāng)接收到定位天線無線信號(hào)后先進(jìn)行接收功率的判斷。如果超過設(shè)定的閥值則判斷列車處于允許休眠區(qū)域內(nèi)，根據(jù)地面天線的ID(標(biāo)識(shí))判斷列車所處的位置并將位置發(fā)送給控制中心ATS系統(tǒng)。

3)控制中心ATS系統(tǒng)接收到地面天線ID及列車ID，通過兩個(gè)唯一的ID判斷列車所處的位置。

4)控制中心ATS系統(tǒng)按照時(shí)刻表及列車位置信息通過地面定位天線(WLAN或LTE等其他車地通信設(shè)備已斷電)給已休眠列車發(fā)送喚醒命令，車載處理單元判斷命令正確后給車輛發(fā)送喚醒命令。

5)車輛上電后，系統(tǒng)喚醒成功。

車載定位傳感器與地面定位天線之間可以進(jìn)行雙向通信，且通信范圍與地面定位傳感器的設(shè)備大小相關(guān)。喚醒休眠系統(tǒng)可以根據(jù)需要的定位范圍確定地面天線的長度，喚醒休眠系統(tǒng)的設(shè)計(jì)靈活。車載定位傳感器離開地面定位傳感器的物理邊界后就無法實(shí)現(xiàn)與地面的雙向通信。

2.2 喚醒休眠系統(tǒng)主要工作特性

1)定位精度:定位精度受限于地面無線輻射邊界的功率衰減，因此，可通過分析天線的衰減特性來選擇合適判斷功率，以提高定位精度。

2)定位有效范圍:受限于地面?zhèn)鞲衅鞯拈L度(見表1)。

表1 傳感器通信范圍實(shí)測(cè)結(jié)果

3)定位魯棒性：每個(gè)地面?zhèn)鞲衅饔形ㄒ坏脑O(shè)備ID，車載處理單元通過地面設(shè)備ID判斷所處位置；車地雙向通信基于安全通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)，保證通信的安全性；車載傳感器也有唯一的設(shè)備ID,地面ATS系統(tǒng)可以通過此車載ID及安全通信協(xié)議來確定列車的位置。此方案能滿足SIL2(安全完整性等級(jí)2)的要求。

2.3 喚醒休眠系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

喚醒休眠系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要解決以下問題：

1)休眠時(shí)的位置持續(xù)獲取:利用新型的車地雙向通信及定位設(shè)備可以不通過既有的車載應(yīng)答器傳輸單元和車載測(cè)速單元來準(zhǔn)確地判定休眠時(shí)車輛是否靜止于某一固定區(qū)域內(nèi)。利用新型的車地雙向通信設(shè)備，地面ATS系統(tǒng)不通過LTE或WLAN設(shè)備就能實(shí)時(shí)監(jiān)督列車是否在休眠區(qū)域內(nèi)。當(dāng)?shù)孛鍭TS系統(tǒng)判斷列車移除休眠區(qū)域時(shí)，可以將該列車從允許喚醒列表中刪除，避免了列車移動(dòng)但列表未及時(shí)更新而造成的喚醒操作失敗，導(dǎo)致車輛段發(fā)車晚點(diǎn)。

2)簡化車載休眠設(shè)備設(shè)計(jì)、延長車輛休眠后的待機(jī)時(shí)間:新型的車載低功耗雙向通信及定位設(shè)備為低頻率設(shè)備(10～100 kHz)，且地面設(shè)備為有源工作模式，車地通信主要依賴地面設(shè)備的信號(hào)發(fā)射，從而降低了車載設(shè)備的功耗。

車載天線通過判斷地面的無線覆蓋強(qiáng)度來判斷列車是否在地面天線的范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)定位。地面天線的發(fā)散角度相對(duì)于喚醒休眠應(yīng)答器的擴(kuò)散角度小，邊界定位精度相對(duì)于喚醒休眠應(yīng)答器能提高10倍左右，因此定位精度較高。

表2列出了既有設(shè)備和新型設(shè)備在實(shí)現(xiàn)休眠后實(shí)時(shí)定位及雙向通信功能時(shí)的功耗對(duì)比。利用新型的低功耗雙向通信及定位設(shè)備，既不用開啟車載的無線通信設(shè)備(WLAN、LTE)，也不用開啟車載應(yīng)答器設(shè)備和車載測(cè)速單元。這簡化了車載休眠設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì),可有效降低休眠時(shí)設(shè)備對(duì)車輛蓄電池的損耗，進(jìn)而延長整個(gè)系統(tǒng)休眠時(shí)的待機(jī)時(shí)間。

表2 車載設(shè)備功耗比較

3 結(jié)語

利用雙向通信及列車定位喚醒休眠系統(tǒng)，在簡化系統(tǒng)構(gòu)成(不用開啟車載應(yīng)答器傳輸單元、車載定位單元、WLAN及LTE無線通信設(shè)備)的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)休眠過程中控制中心ATS系統(tǒng)持續(xù)地獲取列車的位置。

該喚醒休眠系統(tǒng)可以通過調(diào)整地面天線的物理長度實(shí)現(xiàn)通信范圍的靈活調(diào)整，相對(duì)于車載應(yīng)答器傳輸單元和測(cè)速單元等既有方式,其具有使用靈活、功耗低和精度高等特點(diǎn)。目前該系統(tǒng)已在現(xiàn)場(chǎng)作實(shí)車驗(yàn)證,有較好的應(yīng)用前景。