車車通信后備模式下智能軌旁對(duì)象控制器系統(tǒng)*

崔惠珊 王 艷

(1.北京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院軌道交通系，102200，北京；2.北京運(yùn)捷科技有限公司綜合管理部，102400，北京∥第一作者，講師)

在基于車車通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中，正常運(yùn)行模式下，列車通過車車通信獲取前后車的實(shí)時(shí)狀態(tài)，通信數(shù)據(jù)包括位置、速度和加速度等。后車基于自身車載控制器的運(yùn)算能力預(yù)測(cè)前車的行駛軌跡，同時(shí)計(jì)算兩車不發(fā)生位移重合的安全防護(hù)速度，以實(shí)現(xiàn)基于相對(duì)速度制動(dòng)追蹤模型的安全防護(hù)。車車通信系統(tǒng)由傳統(tǒng)的以地面為中心控制轉(zhuǎn)為以列車為中心控制，由于車的自主性提高，列車可根據(jù)自身的精確位置及時(shí)申請(qǐng)并釋放道岔資源，提升了運(yùn)行效率。

但在后備模式時(shí)，當(dāng)通信中斷、列車降級(jí)運(yùn)行，若取消聯(lián)鎖、應(yīng)答器、區(qū)域控制器和計(jì)軸器等系統(tǒng)，如何實(shí)現(xiàn)檢測(cè)區(qū)段占用、獲得列車位置、將信息傳給列控中心及其他列車已成為研究的重點(diǎn)。本文基于車路協(xié)同的思路，利用UWB(超寬帶)和 RFID(射頻識(shí)別)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種智能軌旁對(duì)象控制器系統(tǒng)，與車載系統(tǒng)等協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了雙向列車定位、列車車號(hào)識(shí)別、列車完整性判斷、列車行駛方向判斷和軌道占用檢測(cè)等一系列基礎(chǔ)功能，提供了地面設(shè)備辦理進(jìn)路的后備模式，保障了降級(jí)模式下列車高效的運(yùn)行。本研究為車車通信列車運(yùn)行控制系統(tǒng)降級(jí)模式的運(yùn)行提供了研究思路與試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 車車通信后備模式研究現(xiàn)狀

車車通信系統(tǒng)的核心組成設(shè)備包括中心設(shè)備ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)、車載系統(tǒng)、車站OC(對(duì)象控制器)、道岔及通信系統(tǒng)等?；谲囓囃ㄐ诺娜詣?dòng)運(yùn)行系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

針對(duì)車車通信的后備模式，文獻(xiàn)[1]提出一種基于雷達(dá)和攝像頭兩種傳感器的遠(yuǎn)程瞭望系統(tǒng)，通過列車裝備激光雷達(dá)、相機(jī)等傳感器，實(shí)現(xiàn)前方障礙物感知。根據(jù)實(shí)際測(cè)試，在直道上的遠(yuǎn)程瞭望系統(tǒng)探測(cè)距離可達(dá)300 m。然而在彎道情況下，受到激光雷達(dá)和相機(jī)自身工作原理的影響，檢測(cè)效果會(huì)變差。文獻(xiàn)[2]提出一種可以提供聯(lián)鎖級(jí)、點(diǎn)式級(jí)的車車通信后備模式，便于在未裝備車載設(shè)備或車載設(shè)備故障的列車線路內(nèi)混合運(yùn)營(yíng)。在線路建設(shè)初期或?yàn)榱颂岣呓导?jí)運(yùn)行效率,文獻(xiàn)[3]提出在地面布置獨(dú)立設(shè)備以實(shí)現(xiàn)降級(jí)列車的運(yùn)行，如區(qū)段自動(dòng)閉塞、部署計(jì)軸及信號(hào)機(jī)設(shè)備、增加聯(lián)鎖系統(tǒng)等。但目前若僅在岔區(qū)部署計(jì)軸系統(tǒng)，無法獲取列車的行駛方向和列車車號(hào)，OC和ATS系統(tǒng)仍無法為列車辦理進(jìn)路。

對(duì)于后備模式下的非通信列車的線路資源管理，文獻(xiàn)[4]提出經(jīng)司機(jī)向行車調(diào)度員確認(rèn)非通信列車的位置后，由行車調(diào)度員根據(jù)列車的運(yùn)行計(jì)劃在人機(jī)界面輸入非通信列車位置、目的地等信息，再由列車管理設(shè)備為非通信列車申請(qǐng)當(dāng)前位置到目的地之間所需的線路資源。然而，此種方案并不適用于FAO(全自動(dòng)運(yùn)行)模式。

2 UWB和RFID技術(shù)應(yīng)用可行性分析

已有較多學(xué)者對(duì)如何將UWB技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通系統(tǒng)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]對(duì)信號(hào)系統(tǒng)故障下的列車應(yīng)急運(yùn)行控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，將一個(gè)車載UWB信標(biāo)與兩個(gè)地面錨點(diǎn)組成測(cè)試系統(tǒng)，在北京地鐵10號(hào)線蓮花橋站、六里橋站、西局站三站兩區(qū)間進(jìn)行了測(cè)試，列車定位誤差在5 m以內(nèi)。

文獻(xiàn)[6]對(duì)用于城市軌道交通定位算法的UWB技術(shù)進(jìn)行了研究，根據(jù)城市軌道交通特點(diǎn)和UWB模塊特性，采用最小二乘法、Taylor遞歸法、Kalman濾波等算法，使定位誤差獲得了顯著改善，距離誤差降低至10 cm以內(nèi)，且絕大部分定位點(diǎn)距離誤差小于5 cm，能夠滿足精準(zhǔn)停車需求。

RFID技術(shù)在城市軌道交通中有較多的可行性研究。文獻(xiàn)[7]研究了基于RFID技術(shù)的低地板有軌電車位置檢測(cè)系統(tǒng)，并在北京亦莊新城有軌電車T1線上裝車應(yīng)用，位置檢測(cè)系統(tǒng)顯示列車在不同速度下(0～70 km/h)，信標(biāo)的讀取率可達(dá)到100%。

3 智能軌旁對(duì)象控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究方案

3.1 總體架構(gòu)

智能軌旁對(duì)象控制器系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)如圖2所示。智能軌旁對(duì)象控制器設(shè)備包括安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)、UWB錨點(diǎn)和RFID閱讀器。軌旁UWB設(shè)備稱之為錨點(diǎn)，為列車定位提供定位參考原點(diǎn)。安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)通過安全通信協(xié)議與ATS、OC等通信。車載設(shè)備傳感器包括在車頭和車尾分別部署兩個(gè)異構(gòu)的UWB模組(稱為標(biāo)簽)，以及在每一節(jié)車廂都安裝RFID標(biāo)簽。

圖2 智能軌旁系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)圖Fig.2 Application architecture diagram of smart trackside system

當(dāng)列車運(yùn)行到智能軌旁對(duì)象控制器附近時(shí)，列車上的UWB標(biāo)簽與軌旁錨點(diǎn)通信測(cè)距，使列車獲得車載標(biāo)簽相對(duì)于錨點(diǎn)的距離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)列車自身的精確定位。由于UWB技術(shù)下，錨點(diǎn)和標(biāo)簽的角色可以互換，軌旁UWB也能夠獲得列車的位置并發(fā)送至OC和ATS。以軌旁智能對(duì)象控制器為區(qū)段分界點(diǎn)，基于列車位置的OC能夠通過計(jì)算獲得區(qū)段的占用信息。

基于RFID和UWB技術(shù)，智能軌旁對(duì)象控制器可以獲得車次和車號(hào)信息，并發(fā)送給ATS。在確保列車完整性的基礎(chǔ)上，ATS依據(jù)車次與運(yùn)行圖排列進(jìn)路，并在列車進(jìn)入岔區(qū)前的一個(gè)區(qū)段由OC驅(qū)動(dòng)道岔，道岔的鎖閉信息通過UWB發(fā)送給非通信列車，列車在保證安全的情況下通過道岔。

3.2 雙向列車定位分析

雙向定位是指列車獲得自身相對(duì)于錨點(diǎn)的位置，以及智能軌旁控制器獲得列車在軌道上的位置。列車定位算法如圖3所示。設(shè)點(diǎn)A是地面的UWB錨點(diǎn)1，點(diǎn)B是地面的UWB錨點(diǎn)2，兩個(gè)錨點(diǎn)數(shù)據(jù)由安全計(jì)算機(jī)處理。點(diǎn)C是列車的車頭UWB設(shè)備，點(diǎn)D是車尾的UWB設(shè)備。在安裝部署錨點(diǎn)設(shè)備時(shí)可以確定距離AB，UWB直接測(cè)量距離AC、AD、BC和BD。由于列車完整性未知，距離CD是未知的。線段AC、AB和BC組成三角形。首先，基于三角形的邊長(zhǎng)關(guān)系，即兩邊之和大于第三邊，兩邊之差小于第三邊，判斷三段距離是否合理。然后計(jì)算點(diǎn)C在直線AB上的投影點(diǎn)E的位置，可以獲得AE長(zhǎng)度和BE長(zhǎng)度。若計(jì)算線段AE與線段AB的長(zhǎng)度和約等于線段BE的長(zhǎng)度，則認(rèn)為計(jì)算點(diǎn)E的位置是合理的，即獲得了車頭距離UWB錨點(diǎn)的位置。同理可得車尾距離錨點(diǎn)的位置。定位算法流程圖如圖4所示。由于定位是通過兩個(gè)異構(gòu)的UWB和安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的，架構(gòu)上可以保證定位結(jié)果安全可靠，達(dá)到SIL4(SIL為安全完整性等級(jí))級(jí)別。

圖3 列車定位算法示意圖Fig.3 Diagram of train locating algorithm

圖4 定位算法流程圖Fig.4 Flow chart of locating algorithm

3.3 列車車號(hào)識(shí)別分析

參考ATIS(鐵路車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng))中基于RFID獲得車號(hào)的技術(shù)，當(dāng)列車經(jīng)過時(shí)，由軌道上部署的閱讀器獲得列車上RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)內(nèi)容，即列車車號(hào)數(shù)據(jù)。一般UHF(特高頻)頻段的RFID的輻射范圍為10 m，兩側(cè)距離則為20 m，列車以80 km/h的運(yùn)行速度經(jīng)過時(shí)，行駛時(shí)間約為1 s，按照地面安全計(jì)算機(jī)300 ms的運(yùn)行周期計(jì)算，至少可以閱讀3次RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)功能安全，UWB技術(shù)也承載車號(hào)識(shí)別的功能。當(dāng)列車經(jīng)過時(shí)，列車車次和車號(hào)數(shù)據(jù)通過UWB技術(shù)以約定的通信協(xié)議對(duì)外廣播出去，地面錨點(diǎn)接收后可獲得列車車號(hào)和編組數(shù)據(jù)。

3.4 列車完整性判斷分析

列車完整性判斷基于車頭和車尾之間UWB標(biāo)簽的距離。3.2節(jié)中，通過計(jì)算獲得了線段AE和線段BF的長(zhǎng)度，將線段AE、AB和BF的長(zhǎng)度和與列車長(zhǎng)度進(jìn)行比較，若兩者誤差在合理范圍內(nèi)，則說明列車是完整的。除此之外，列車完整性判斷也可以通過當(dāng)前編組的所有車號(hào)進(jìn)行判斷。UWB和RFID依次獲得經(jīng)過的車廂車號(hào)，這些車號(hào)組成一個(gè)有順序的數(shù)列，如果所有車號(hào)的順序與ATS中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)一致，則說明列車是完整的。

圖5 UWB錨點(diǎn)與標(biāo)簽位置關(guān)系圖Fig.5 Diagram of relationship between UWB anchor point and label position

3.5 列車行駛方向判斷

軌道UWB錨點(diǎn)1車頭標(biāo)簽C、車尾標(biāo)簽D的位置關(guān)系如圖5所示。在確定列車完整性的基礎(chǔ)上，L為定值，若列車定位準(zhǔn)確，則L1和L2的測(cè)距正確。當(dāng)L1L2時(shí)，則說明車頭遠(yuǎn)離錨點(diǎn)1(見圖5 c))。因此基于L1與L2的長(zhǎng)度變化過程，即可獲得列車相對(duì)于錨點(diǎn)1的行駛方向。同理可獲得列車相對(duì)于錨點(diǎn)2的行駛方向。由于錨點(diǎn)1、錨點(diǎn)2的排列方向與軌道上、下行的關(guān)系是對(duì)應(yīng)的，通過標(biāo)簽信息可以知道C為車頭、D為車尾，故可以通過計(jì)算獲得列車的行進(jìn)方向。

3.6 軌道占用檢測(cè)分析

在列車定位、行駛方向判斷及車號(hào)等信息皆可獲取的基礎(chǔ)上，可以識(shí)別軌道占用檢測(cè)。當(dāng)圖3中的線段AE長(zhǎng)度約等于0，且RFID閱讀器只能獲得車頭的RFID標(biāo)簽時(shí)，說明列車開始進(jìn)入下一個(gè)區(qū)段。當(dāng)圖3中的線段AF長(zhǎng)度約等于0，且RFID閱讀器僅能獲得車尾的標(biāo)簽時(shí)，說明列車駛出了上一個(gè)區(qū)段，全部進(jìn)入下一個(gè)區(qū)段。通過判斷車頭和車尾分別進(jìn)入?yún)^(qū)段的情況，可以獲得軌道占用信息。

3.7 智能軌旁對(duì)象控制器樣機(jī)

通過上述方案設(shè)計(jì)分析，基于UWB和RFID技術(shù)的智能軌旁對(duì)象控制器能夠滿足車車通信后備模式下的應(yīng)用，其控制樣機(jī)已研制完成。智能軌旁對(duì)象控制器樣機(jī)的整體尺寸為42 cm×35 cm×10 cm，功耗約為35 W，具有IP65(IP為侵入保護(hù))防護(hù)等級(jí)。相對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)軸和軌道電路，智能軌旁對(duì)象控制器功耗和尺寸更小，可以更方便地部署在軌旁。目前，智能軌旁對(duì)象控制器樣機(jī)在城市軌道交通通信與運(yùn)行控制國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了其可以實(shí)現(xiàn)雙向列車定位、列車車號(hào)識(shí)別、列車完整性判斷、列車行駛方向判斷和軌道占用檢測(cè)等功能。

4 結(jié)語

基于各研究機(jī)構(gòu)對(duì)智能感知技術(shù)、UWB和RFID技術(shù)的相關(guān)研究，本文從功能安全的角度為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套智能軌旁對(duì)象控制器系統(tǒng)，為車車通信后備模式提供了列車自動(dòng)運(yùn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了由OC和ATS控制列車的后備運(yùn)行。車車通信的后備運(yùn)行模式，是復(fù)雜的系統(tǒng)工程問題。本研究著重于地面?zhèn)鞲胁糠值姆桨冈O(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了雙向列車定位、車號(hào)識(shí)別、完整性判斷、列車行駛方向判斷以及軌道占用檢測(cè)等功能。