一種有軌電車跟蹤方法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

景順利

（南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司，南京 211106）

1 概述

近年來(lái)，隨著城市軌道交通的迅速崛起，有軌電車越來(lái)越成為二、三線城市軌道交通發(fā)展的趨勢(shì)[1-2]。其中，有軌電車運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)有軌電車運(yùn)營(yíng)調(diào)度和行車管理自動(dòng)化的重要手段。運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)的列車跟蹤是一項(xiàng)十分重要與關(guān)鍵的技術(shù)，如何準(zhǔn)確、可靠地實(shí)現(xiàn)列車跟蹤是有軌電車運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)必須解決的問(wèn)題[3]。

運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)列車跟蹤負(fù)責(zé)跟蹤線路中運(yùn)行列車的位置，并將列車識(shí)別信息與對(duì)應(yīng)的軌道進(jìn)行管理，在人機(jī)界面對(duì)應(yīng)的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并為調(diào)度員提供人工操作功能，方便調(diào)度員根據(jù)運(yùn)行需求，在故障情況下實(shí)現(xiàn)針對(duì)跟蹤列車的列車車次號(hào)的相關(guān)操作。

2 地鐵與有軌電車跟蹤的區(qū)別

在城市軌道交通中，地鐵與有軌電車項(xiàng)目由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軌旁設(shè)備設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)部署等形式不同，導(dǎo)致地鐵的ATS 系統(tǒng)與有軌電車的運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)在列車跟蹤方式上有所差別[4]，主要差異如下。

2.1 軌道占用信息獲取方式不同

在地鐵項(xiàng)目中，ATS 系統(tǒng)能通過(guò)正線聯(lián)鎖獲取線路軌旁的所有物理軌道、邏輯軌道的占用、出清信息，通過(guò)車輛段聯(lián)鎖獲取車輛段/停車場(chǎng)內(nèi)物理計(jì)軸或軌道電路的占用、出清信息，分別實(shí)現(xiàn)正線的基于聯(lián)鎖占用信息的車次號(hào)跟蹤，車輛段的基于聯(lián)鎖占用信息的車組號(hào)跟蹤[5]。

在有軌電車項(xiàng)目中，運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)通過(guò)正線道岔控制器只能獲取有岔區(qū)段的占用、出清信息，軌旁無(wú)岔區(qū)段的占用、出清信息無(wú)法獲取，導(dǎo)致無(wú)法完全按照來(lái)自道岔控制器上報(bào)的占用、出清信息實(shí)現(xiàn)車次號(hào)跟蹤。

2.2 跟蹤方式不同

地鐵項(xiàng)目中，ATS 系統(tǒng)在正線根據(jù)列車上報(bào)的列車位置、狀態(tài)信息及聯(lián)鎖上報(bào)的占用、出清信息，在車輛段根據(jù)聯(lián)鎖上報(bào)的占用、出清信息分別實(shí)現(xiàn)車次號(hào)與軌道的關(guān)聯(lián)、車組號(hào)與軌道的關(guān)聯(lián)。并將車組號(hào)或車次號(hào)與對(duì)應(yīng)的軌道在人機(jī)界面進(jìn)行實(shí)時(shí)移動(dòng)顯示。當(dāng)前列車對(duì)應(yīng)的軌道占用信息來(lái)自于正線或車輛段聯(lián)鎖系統(tǒng)[6]。

在有軌電車項(xiàng)目中，運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)道岔控制器上報(bào)的軌道占用信息實(shí)現(xiàn)有岔區(qū)段車次號(hào)跟蹤，在無(wú)岔區(qū)段，根據(jù)列車上報(bào)的列車位置、狀態(tài)信息實(shí)現(xiàn)車次號(hào)跟蹤。在有岔、無(wú)岔邊界處實(shí)現(xiàn)占用跟蹤，并進(jìn)行位置信息修正。

2.3 列車包絡(luò)獲取方式不同

在地鐵項(xiàng)目中，列車車載信號(hào)系統(tǒng)周期性上報(bào)列車位置、狀態(tài)信息給軌旁區(qū)域控制器（ZC）進(jìn)行處理，ZC 根據(jù)列車位置、狀態(tài)信息計(jì)算出當(dāng)前列車所在的包絡(luò)，并生成邏輯區(qū)段的占用、出清信息發(fā)送給聯(lián)鎖。ATS 系統(tǒng)根據(jù)聯(lián)鎖上報(bào)的邏輯區(qū)段占用信息更新界面顯示，調(diào)度員可以通過(guò)界面邏輯區(qū)段的占用顯示，獲知列車的位置信息及對(duì)應(yīng)車次號(hào)的顯示[7]。

在有軌電車項(xiàng)目中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中無(wú)岔區(qū)段不布置計(jì)軸設(shè)備，聯(lián)鎖系統(tǒng)得不到來(lái)自計(jì)軸系統(tǒng)的物理占用，同時(shí)系統(tǒng)中不配置ZC。列車將位置、狀態(tài)信息直接發(fā)送給運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)，運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)沒(méi)有直接的邏輯區(qū)段占用、出清信息，需根據(jù)列車車頭、車尾的列車位置信息計(jì)算列車包絡(luò)，即列車車頭所在軌道、車尾所在軌道以及車頭、車尾之間軌道，并將列車包絡(luò)中的邏輯區(qū)段占用、出清信息在人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示[8]。

3 系統(tǒng)功能描述

3.1 電車定位

3.1.1 定位方式

有軌電車在正線區(qū)間通過(guò)電車上安裝的GPS/BD 設(shè)備、地面定位信標(biāo)和車輛提供的速度信息確定電車在軌道線路網(wǎng)絡(luò)中的位置。車載控制器中配置有與運(yùn)行線路相關(guān)的地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，定位時(shí)融合處理接收到的GPS/BD 粗定位數(shù)據(jù)和信標(biāo)檢測(cè)信息后，在人機(jī)操作界面上顯示電車位置，同時(shí)通過(guò)車-地?zé)o線通信通道將電車位置上報(bào)控制中心運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)。

考慮到GPS/BD 的定位有一定的誤差，在車站、道岔和路口區(qū)域安裝定位信標(biāo)， 可更精確地校正電車位置。在地下或一些無(wú)GPS 信號(hào)的地方由于無(wú)法采用GPS/BD 定位方式，需在出/入段線處安裝定位信標(biāo)，采用信標(biāo)加里程計(jì)方式定位電車位置。

3.1.2 位置信息標(biāo)識(shí)

在線路網(wǎng)絡(luò)描述模型中，采用基于相連接的線路區(qū)段進(jìn)行位置描述，定位信息標(biāo)識(shí)如圖1 所示。對(duì)于一個(gè)線路區(qū)段，由以下一些參數(shù)來(lái)確定：

圖1 定位信息標(biāo)識(shí)Fig.1 Positioning information identifier

1）線路區(qū)段的起始點(diǎn)；

2）線路區(qū)段的正常方向；

3）線路區(qū)段的長(zhǎng)度。

車載控制器根據(jù)GPS/BD、定位信標(biāo)等信息確定電車位置后，向運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送每列電車的位置信息如下：電車車頭區(qū)段ID、電車車頭偏移量、電車車尾區(qū)段ID、電車車尾偏移量等。

3.1.3 電車位置確定

電車位置信息包括車頭和車尾的位置和方向。對(duì)于每個(gè)投入運(yùn)營(yíng)的車載控制器設(shè)備來(lái)說(shuō)，電車定位包括兩個(gè)過(guò)程：一是電車定位初始化；二是電車運(yùn)行過(guò)程中電車位置信息的更新。

在車載控制器設(shè)備完成初始化后，車載控制器子系統(tǒng)啟動(dòng)電車的初始定位。電車的初始位置獲得有兩種途徑：一是電車在人工駕駛時(shí)經(jīng)過(guò)兩個(gè)連續(xù)的地面信標(biāo)；二是通過(guò)人工設(shè)置上/下行和方向使電車定位。

當(dāng)采用信標(biāo)加里程方式定位時(shí)，電車每經(jīng)過(guò)一個(gè)地面信標(biāo)就能接收到一個(gè)用于信標(biāo)識(shí)別的編號(hào)報(bào)文。根據(jù)信標(biāo)的識(shí)別號(hào)，車載控制器設(shè)備可以利用車載數(shù)據(jù)庫(kù)里的靜態(tài)線路信息對(duì)信標(biāo)進(jìn)行定位。

3.2 電車跟蹤方式

3.2.1 通信電車跟蹤

有軌電車系統(tǒng)中，通信電車在道岔區(qū)段、無(wú)岔區(qū)段采用不同的信息進(jìn)行跟蹤，在無(wú)岔區(qū)段采用定位信標(biāo)+里程計(jì)方式進(jìn)行定位顯示；在有岔區(qū)段除采用定位+里程計(jì)方式外，還采用計(jì)軸精確檢測(cè)道岔區(qū)段的占用/出清狀態(tài)信息進(jìn)行跟蹤。即：位置報(bào)告+占用/出清相結(jié)合的方式進(jìn)行電車的跟蹤。

因此，車載控制器需要向運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)周期性提供電車位置報(bào)告，具體信息包括：車頭所在區(qū)段編號(hào)、車頭所在位置對(duì)應(yīng)區(qū)段的偏移量、車尾所在區(qū)段編號(hào)、車尾所在位置對(duì)應(yīng)區(qū)段的偏移量、列車運(yùn)行方向、車頭運(yùn)行方向、車尾運(yùn)行方向、車頭定位確定性、車尾位置確定性等信息，位置報(bào)告發(fā)送周期為1 s。系統(tǒng)根據(jù)電車位置信息的移動(dòng)實(shí)時(shí)計(jì)算電車所在包絡(luò)，將當(dāng)前電車包絡(luò)內(nèi)的軌道設(shè)置為占用狀態(tài)，將電車已運(yùn)行經(jīng)過(guò)的軌道設(shè)置為出清狀態(tài)，同時(shí)將車次信息關(guān)聯(lián)到車頭所在的軌道。具體顯示如圖2 所示。

圖2 有軌車次號(hào)顯示Fig.2 Display of tram number

3.2.2 無(wú)通信電車跟蹤

有軌電車系統(tǒng)中，道岔控制器不提供無(wú)岔區(qū)段的占用、出清等信息。當(dāng)電車丟失通信時(shí)，則該電車的位置顯示為系統(tǒng)在最后一次收到列車位置信息時(shí)所處的軌道位置；當(dāng)電車恢復(fù)通信后，系統(tǒng)根據(jù)位置報(bào)告重新計(jì)算電車所在的包絡(luò)，并更新包絡(luò)內(nèi)軌道為占用狀態(tài)，將電車已運(yùn)行經(jīng)過(guò)的軌道設(shè)置為出清狀態(tài)，并發(fā)送HMI 更新界面上元素狀態(tài)顯示。

針對(duì)丟失通信電車所處位置信息不同，系統(tǒng)進(jìn)行不同情況處理，具體處理如下。

1）當(dāng)電車丟失通信后前方計(jì)軸上報(bào)占用、出清信息后，采用基于計(jì)軸區(qū)段占用、出清的狀態(tài)進(jìn)行步進(jìn)；

2）列車丟失通信時(shí)，在車次框上顯示列車丟失通信狀態(tài)；

3）丟失通信電車完全占用道岔，道岔出清后，本道岔關(guān)聯(lián)的前后軌道為空閑狀態(tài)時(shí)，保留本道岔關(guān)聯(lián)的車次框。

電車丟失通信后，界面顯示電車跟蹤狀態(tài)如圖3 所示。

圖3 丟通信時(shí)車次號(hào)顯示Fig.3 Display of tram number when communication is interrupted

3.3 區(qū)段狀態(tài)顯示

3.3.1 無(wú)岔區(qū)段狀態(tài)顯示

無(wú)岔區(qū)段元素狀態(tài)（列車在無(wú)岔區(qū)段顯示位置，即占用軌道）無(wú)法從現(xiàn)場(chǎng)采集，運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)周期性接收到的電車位置報(bào)告，需要運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)列車車頭、車尾的列車位置信息計(jì)算列車包絡(luò)，即列車車頭所在軌道、車尾所在軌道以及車頭、車尾之間軌道。

若電車存在通信，根據(jù)車載控制器上報(bào)的車頭、車尾位置信息，判斷某列車顯示在某一軌道（可能是一個(gè)軌道，也可能是多個(gè)軌道），同時(shí)當(dāng)列車駛出該軌道時(shí)應(yīng)出清該軌道上列車占用顯示。將無(wú)岔區(qū)段元素狀態(tài)變化的信息發(fā)送給人機(jī)界面進(jìn)行元素狀態(tài)顯示，如圖4 所示。

圖4 通信正常時(shí)軌道狀態(tài)顯示Fig.4 Display of track status when communication is normal

若電車丟失通信，將該電車設(shè)置為無(wú)通信電車，電車停在原位置，占用軌道顯示為無(wú)通信電車占用（即紫色），如圖5 所示。針對(duì)丟失通信的電車處理如下。

圖5 丟通信時(shí)軌道狀態(tài)顯示Fig.5 Display of track status when communication is interrupted

1）當(dāng)有后續(xù)電車前進(jìn)時(shí)，推動(dòng)無(wú)通信電車前行；

2）用人工步進(jìn)方式將無(wú)通信電車步進(jìn)到指定位置；

3）丟失通信電車恢復(fù)通信后，根據(jù)最新的位置信息更新列車顯示。

3.3.2 道岔區(qū)段狀態(tài)顯示

運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)道岔控制器上報(bào)的道岔及計(jì)軸的占用、出清、進(jìn)路征用、鎖閉、道岔定/反位等信息進(jìn)行狀態(tài)顯示。

同時(shí)根據(jù)接收到的道岔占用信息，采用標(biāo)準(zhǔn)跟蹤方式將列車車次信息步進(jìn)到道岔。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 電列車包絡(luò)計(jì)算

電車包絡(luò)計(jì)算主要功能是獲取當(dāng)前電車所在軌道區(qū)段，占用區(qū)段可能是一個(gè)軌道或者多個(gè)軌道。當(dāng)系統(tǒng)接收到電車位置信息時(shí)，觸發(fā)電車包絡(luò)計(jì)算功能，與系統(tǒng)中保存的上一次的位置信息進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)兩次位置信息的變化更新電車包絡(luò)中所包含的軌道。具體處理過(guò)程如下。

1)根據(jù)接收到的位置信息，計(jì)算當(dāng)前電車車頭、車尾所在的軌道frongtTrack 和rearTrack。

2) 根據(jù)電車索引獲取系統(tǒng)保存的當(dāng)前電車車頭、車尾所在的軌道oldFrongtTrack 和oldRearTrack。

3)對(duì)實(shí)時(shí)接收的電車車頭、車尾所在位置信息與系統(tǒng)中保存的電車的車頭、車尾所在位置信息進(jìn)行對(duì)比，獲取電車當(dāng)前包絡(luò)軌道。

方法:在其背部相鄰部位分別劃出5個(gè)5 cm×5 cm方塊,試驗(yàn)前,采集犬毛進(jìn)行活菌計(jì)數(shù),隨后試驗(yàn)組和消毒劑對(duì)照組分別噴復(fù)合溶葡萄球菌酶溶液及苯扎溴銨溶液(1∶600稀釋),使之均勻分布于表面,10 min 后將犬毛剪下,放入含10 mL中和劑試管中,中和10 min后,振打均勻分析,培養(yǎng)48 h后活菌計(jì)數(shù),觀察其對(duì)犬毛中攜帶的自然菌殺滅效果。

4）若前后兩次車頭、車尾對(duì)應(yīng)的軌道信息相同，說(shuō)明電車包絡(luò)信息未發(fā)生變化。

5）若當(dāng)前電車車頭、車尾對(duì)應(yīng)軌道與系統(tǒng)中電車車尾、車頭對(duì)應(yīng)軌道一致，說(shuō)明電車在當(dāng)前位置發(fā)生換端，更新原包絡(luò)信息前后順序。

6）若當(dāng)前電車車頭與車尾信息與系統(tǒng)保存的不一致時(shí)，根據(jù)線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從系統(tǒng)中保存的車頭軌道，按照電車運(yùn)行方向進(jìn)行搜索，直至查詢到當(dāng)前電車車頭所在的軌道，再按照運(yùn)行方向搜索時(shí)，將搜索到的軌道設(shè)置為占用狀態(tài)；從系統(tǒng)中保存的車尾軌道，按照電車運(yùn)行方向進(jìn)行搜索，直至查詢到當(dāng)前電車車尾所在的軌道，將搜索到的軌道設(shè)置為出清狀態(tài)。

7）根據(jù)步驟6）計(jì)算獲取電車實(shí)際的包絡(luò)信息及電車移動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)致的軌道占用、出清狀態(tài)的更新。

具體處理流程如圖6 所示。

圖6 電車包絡(luò)計(jì)算Fig.6 Calculation of tram profile

4.2 基于計(jì)軸區(qū)段的標(biāo)準(zhǔn)電車跟蹤步進(jìn)

電車跟蹤對(duì)象是計(jì)軸區(qū)段，計(jì)軸區(qū)段占用/出清狀態(tài)變化會(huì)觸發(fā)電車跟蹤作業(yè)，列車跟蹤作業(yè)過(guò)程包含列車識(shí)別和列車步進(jìn)，計(jì)軸區(qū)段變化過(guò)程如下。

一個(gè)計(jì)軸區(qū)段由“空閑”狀態(tài)變?yōu)椤罢加谩睜顟B(tài)。通常這時(shí)一列電車的第一個(gè)輪對(duì)剛剛進(jìn)入該計(jì)軸區(qū)段，即觸發(fā)列車跟蹤作用，將電車車次號(hào)關(guān)聯(lián)到當(dāng)前占用的計(jì)軸區(qū)段。

一個(gè)計(jì)軸區(qū)段由“占用”狀態(tài)變?yōu)椤翱臻e”狀態(tài)。通常這時(shí)一列電車的最后一個(gè)輪對(duì)剛剛出清該計(jì)軸區(qū)段，此時(shí)判斷“空閑”的計(jì)軸區(qū)段是否關(guān)聯(lián)電車車次號(hào)，若關(guān)聯(lián)車次號(hào)則將車次號(hào)關(guān)聯(lián)到當(dāng)前電車占用的計(jì)軸區(qū)段。 顯示示例如圖7 所示。

圖7 站場(chǎng)Fig.7 Layout of stations and yards

1）計(jì)軸區(qū)段“占用”引起的車次號(hào)跟蹤，主要為確定電車來(lái)自于的源計(jì)軸區(qū)段。

2）計(jì)軸區(qū)段“空閑”引起的車次號(hào)跟蹤，主要為確定電車運(yùn)行到的目標(biāo)計(jì)軸區(qū)段。

針對(duì)圖3 中的列車移動(dòng)，處理以下兩個(gè)事件。

1）計(jì)軸區(qū)段GD1102 占用事件

系統(tǒng)接收到計(jì)軸區(qū)段GD1102 占用后，查看其默認(rèn)前置軌道VG1002A 的狀態(tài)和默認(rèn)后置軌道VG1102 的狀態(tài)，根據(jù)計(jì)軸區(qū)段GD1102 和前后置的不同狀態(tài)識(shí)別電車來(lái)源。處理流程如圖8 所示。

圖8 計(jì)軸區(qū)段占用列車識(shí)別Fig.8 Identification of a train in an occupied axle-counting section

2）計(jì)軸區(qū)段GD1102 出清事件

系統(tǒng)接收到計(jì)軸區(qū)段GD1102 出清后，獲取計(jì)軸區(qū)段GD1102 關(guān)聯(lián)的車次號(hào)。若不關(guān)聯(lián)車次號(hào)，則不進(jìn)行處理；若關(guān)聯(lián)車次號(hào)，查看其默認(rèn)前置軌道VG1002A 的狀態(tài)和默認(rèn)后置軌道VG1102 的狀態(tài)，根據(jù)前置、后置軌道的不同狀態(tài)識(shí)別電車運(yùn)行到的目標(biāo)軌道。處理流程如圖9 所示。

圖9 計(jì)軸區(qū)段出清步進(jìn)Fig.9 Step-by-step check of the clearing of the axle-counting section

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從信號(hào)系統(tǒng)差異、系統(tǒng)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面詳細(xì)介紹了一種有軌電車的電車跟蹤方法，實(shí)現(xiàn)有軌電車信號(hào)系統(tǒng)中基于位置信息及計(jì)軸區(qū)段狀態(tài)信息融合的電車車次號(hào)跟蹤，以及電車在無(wú)岔區(qū)段占用狀態(tài)的顯示。方便調(diào)度員第一時(shí)間掌握線路上運(yùn)行電車、上線列車及下線列車的運(yùn)行情況。作為一種有效的現(xiàn)有有軌電車跟蹤方法，已經(jīng)在廣州、南京、嘉興等地有軌電車項(xiàng)目中成功應(yīng)用，因此，適合于在有軌電車項(xiàng)目中進(jìn)一步推廣。