城市軌道交通的列車定位技術(shù)

【摘　要】　實時、精確地確定列車在線路中的位置是保證安全、發(fā)揮效率、提供最佳服務的前提。本文介紹了在城市軌道交通系統(tǒng)中已獲得成功應用的各種列車定位方法，包括軌旁和車載定位技術(shù)。
??? 關(guān)鍵詞：城市軌道交通，列車定位，軌道電路，編碼里程儀，裂縫波導，擴頻通信

1　引　言
　　隨著城市人口的不斷增加，城市交通問題日益突出。地鐵、輕軌具備客運量大、污染少等特點，是解決大中城市交通問題的首選方案。由于軌道交通列車運行密度高、車站間距近、安全性要求高，列車自動控制系統(tǒng)及列車本身需要實時了解列車在線路中的精確位置，分布于軌旁及列車上的列車自動控制系統(tǒng)根據(jù)線路中列車的相對位置實時、動態(tài)地對每一列車進行監(jiān)督、控制、調(diào)度及安全防護，在保證列車運行安全的前提下，最大限度地提高系統(tǒng)的效率，為乘客提供最佳的服務。
　　實時、精確地確定列車在線路中的位置是保證安全、發(fā)揮效率、提供最佳服務的前提。列車自動控制系統(tǒng)利用軌旁及車載設備對列車進行實時的跟蹤。軌旁定位主要采用軌道電路、信標、電纜環(huán)線、裂縫波導、擴頻電臺等技術(shù)手段，列車自身的定位可依賴于安裝在輪軸上的編碼里程儀實現(xiàn)，通過車地之間的信息傳輸通道，實現(xiàn)軌旁與列車之間實時的信息交換，實時控制列車在線路中的運行。
2　軌旁定位技術(shù)
2．1　利用軌道電路的定位技術(shù)
2．1．1　軌道電路的定位原理
　　軌道電路是以鐵路線路的兩根鋼軌作為導體，并用引接線連接信號發(fā)送、接收設備所構(gòu)成的電氣回路。軌道電路有機械絕緣和電氣絕緣兩種類型。采用機械絕緣的軌道電路，需切斷鋼軌，安裝軌道絕緣節(jié)，這對使用長鋼軌線路妨礙很大，不僅需經(jīng)常維修，還降低了安全性。采用電氣絕緣，則無需切斷鋼軌，目前城市軌道交通系統(tǒng)中，普遍采用“S棒”進行電氣隔離的數(shù)字音頻軌道電路。數(shù)字音頻軌道電路的原理圖如圖1所示。

　　數(shù)字軌道電路中，全部有源器件都集中在控制室內(nèi)，室外設備僅包括由電容、線圈等組成的調(diào)諧盒及軌間的S型聯(lián)接導線。調(diào)諧盒中有發(fā)射與接收線圈。數(shù)字軌道電路的發(fā)射單元以差分模式向另一端通過鐵軌傳輸一個調(diào)制信號，在軌道電路的另一端提取這個信號。接收的信息和傳送的信息經(jīng)逐位比較確認相同時，完成對接收信息的驗證，判斷鋼軌和軌道電路的工作狀態(tài)。當軌道電路內(nèi)有車占用時，由于列車車軸的分路作用，接收端檢測出信號電平的變化，從而判斷出有車到達該軌道電路。
2．1．2　利用軌道電路確定列車在線路中的位置
　　圖2為利用軌道電路確定列車在線路中位置的原理圖。在線路設計時，根據(jù)用戶對列車運行密度的要求，將整個線路用S棒分割成若干個軌道區(qū)段，并對所有軌道區(qū)段進行統(tǒng)一編號。對線路地形及線路設備進行數(shù)字化描述后形成線路地圖，貯存在軌旁和／或車載計算機中。為了防止相鄰軌道電路音頻信號的串擾，同時也為了準確判斷列車越過軌道電路連界，相鄰數(shù)字軌道電路采用不同的載頻。列車在線路中運行時，其所在的軌道電路會給出占用指示，對軌道電路占用狀態(tài)的連續(xù)跟蹤，也就實現(xiàn)了對列車在線路中所處位置的連續(xù)跟蹤。

　　為了保證安全，軌道電路任何形式的故障都表示為“有車占用”，為了避免錯誤的跟蹤，系統(tǒng)對軌道電路的“連續(xù)占用”與“順序出清”進行邏輯判斷，保證列車跟蹤的可靠性和安全性。
　　利用數(shù)字軌道電路對列車進行定位是目前城市軌道交通系統(tǒng)中應用最為普遍的技術(shù)手段。
2．2　信標定位
　　信標是安裝在線路沿線反映線路絕對位置的物理標志。信標分有源信標和無源信標兩種，有源信標可以實現(xiàn)車地的雙向通信，無源信標類似于非接觸式IC卡，在列車經(jīng)過信標所在位置時，車載天線發(fā)射的電磁波激勵信標工作，并傳遞絕對位置信息給列車。
　　城市軌道交通系統(tǒng)中所使用的信標大部分為無源信標，安裝在軌道沿線。信標的作用是為列車提供精確的絕對位置參考點（也可以提供線路的坡度、彎度等其它信息）。由于信標提供的位置精度很高，達厘米量級，常用信標作為修正列車實際運行距離的手段。
　　采用信標定位技術(shù)的信息傳遞是間斷的，即當列車從一個信息點獲得地面信息后，要到下一個信息點才能更新信息，若其間地面情況發(fā)生變化，就無法立即將變化的信息實時傳遞給列車，因此，信標定位技術(shù)往往作為其它定位技術(shù)的補充手段。
2．3　裂縫波導定位技術(shù)
　　采用裂縫波導作為列車信息傳輸?shù)脑砜驁D見圖3，列車定位原理圖如圖4所示。裂縫波導是52．5mm×105mm×2mm中空的鋁質(zhì)矩形方管，在其頂部每隔60mm開有窄縫，采用2．715GHz的連續(xù)波頻率通過裂縫耦合出不均勻的場強，對連續(xù)波的場強進行采集和處理，并通過計數(shù)器確定列車經(jīng)過的裂縫數(shù)，從而計算出列車走行的距離，確定列車在線路中的位置。
　　裂縫波導除了傳輸用于裂縫計數(shù)的2．715GHz的連續(xù)波頻率外，主要用于車地信息交換的傳輸通道，車地通信的載頻范圍為2．4～2．4853GHz，該頻段內(nèi)的微波信號沿波導均勻輻射。 2．4　電纜環(huán)線定位技術(shù)
　　在整個軌道線路沿線鋪設電纜環(huán)線，電纜環(huán)線位于軌道中間，每隔一定的距離交叉一次。列車經(jīng)過每個電纜交叉點時通過車載設備檢測環(huán)線內(nèi)信號的相位變化（相位變化原理見圖6）。并對相位變化的次數(shù)進行計數(shù)，從而確定列車運行的距離，達到對列車定位的目的。 2．5　無線擴頻通信定位技術(shù)
　　利用無線擴展頻譜通信技術(shù)確定列車在線路中的位置借鑒了軍用定位技術(shù)。利用車站、軌旁和列車上的擴頻電臺；一方面通過這些電臺在列車與軌旁控制室之間傳遞安全信息，另一方面也利用它們對列車進行定位。軌旁電臺的位置是固定不變的，并經(jīng)過精確測量。所有的電臺都由同步時鐘精確同步。軌旁計算機或車載計算機利用不同電臺傳輸信息的時間延時可以精確計算出列車的位置。

　　圖7為基于無線擴頻通信的列車定位系統(tǒng)原理圖。由分布的電臺構(gòu)成無線通信網(wǎng)，多數(shù)情況下，站間可以被無線電可靠地覆蓋，而且有冗余。這種冗余是一種自愈式的結(jié)構(gòu)，當其中一個電臺故障時，系統(tǒng)可以重新組織，并自動報告故障電臺位置或編號，不會影響通信和對列車的控制。通常一個電臺的信息會有兩個甚至三個電臺接收，擴展頻譜技術(shù)最初是為軍事應用設計的，具備在惡劣電磁環(huán)境下可靠傳輸?shù)哪芰Α?br>　　每隔0．5s可對每輛列車的位置進行檢測，對列車定位的精度可達±5m。
3　車載列車定位技術(shù)
　　車載定位設備主要采用安全型編碼里程計。編碼里程計通過編碼盤與輪軸耦合，驅(qū)動一個或多個裝在編碼盤四周的光電傳感器。這些傳感器產(chǎn)生一個和速度成比例的脈沖序列，車載設備通過采樣電路得到列車運行的速度和距離。圖8是編碼里程儀測距原理圖。

　　列車車輪運動一周，編碼里程計輸出64個或128個脈沖。列車車輪運動一周，編碼里程計輸出的脈沖數(shù)越多，測速和／或測距精度越高。
　　列車運動速度＝單位時間內(nèi)編碼里程計輸出的脈沖數(shù)×（πΦ／編碼里程計每周輸出的脈沖數(shù)）列車運動距離＝編碼里程計輸出的脈沖數(shù)×（πΦ／編碼里程計每周輸出的脈沖數(shù)）式中Φ為列車車輪的直徑。由于列車周而復始地運動，車輪輪徑不斷磨損，目前城市軌道交通系統(tǒng)中允許列車車輪的輪徑范圍為840mm～770mm，因此（是個變量，要定期或不定期地進行修正。
　　利用車載編碼里程計確定列車運行的距離還需要考慮列車運動過程中車輪的空轉(zhuǎn)和打滑。實際工程應用中，可以采用信標、軌道電路分界點、電纜環(huán)線等手段傳送給列車絕對位置標識，這些標識在線路中的位置是固定不變的，并經(jīng)過精確測量。車載設備接收到這些標識后，對車載里程計的測距誤差進行修正。通常車載里程計只給出列車對應地面某個標識的相對距離，保證列車在線路中運行時，車載定位設備的距離測量不會有大的積累誤差。
4　結(jié)束語
　　利用各種技術(shù)手段確定列車在線路中的位置、對列車進行精確定位的目的是對線路中所有的列車進行統(tǒng)一管理，確保各列車之間安全運行的最小間隔，保證列車運行的安全；同時，通過統(tǒng)一的調(diào)度和管理，保證線路中運營列車的均勻分布。本文介紹的各種定位技術(shù)在城市軌道系統(tǒng)中均有成功應用的實例，具體系統(tǒng)中采用何種定位技術(shù)，取決于對線路運輸能力的要求。通常，城市軌道交通系統(tǒng)中需要綜合運用多種定位技術(shù)。如廣州地鐵一號線，正線上采用數(shù)字軌道電路，車站加裝精確同步環(huán)線，利用車載編碼里程儀經(jīng)過軌道電路【摘　要】　實時、精確地確定列車在線路中的位置是保證安全、發(fā)揮效率、提供最佳服務的前提。本文介紹了在城市軌道交通系統(tǒng)中已獲得成功應用的各種列車定位方法，包括軌旁和車載定位技術(shù)。
??? 關(guān)鍵詞：城市軌道交通，列車定位，軌道電路，編碼里程儀，裂縫波導，擴頻通信

1　引　言
　　隨著城市人口的不斷增加，城市交通問題日益突出。地鐵、輕軌具備客運量大、污染少等特點，是解決大中城市交通問題的首選方案。由于軌道交通列車運行密度高、車站間距近、安全性要求高，列車自動控制系統(tǒng)及列車本身需要實時了解列車在線路中的精確位置，分布于軌旁及列車上的列車自動控制系統(tǒng)根據(jù)線路中列車的相對位置實時、動態(tài)地對每一列車進行監(jiān)督、控制、調(diào)度及安全防護，在保證列車運行安全的前提下，最大限度地提高系統(tǒng)的效率，為乘客提供最佳的服務。
　　實時、精確地確定列車在線路中的位置是保證安全、發(fā)揮效率、提供最佳服務的前提。列車自動控制系統(tǒng)利用軌旁及車載設備對列車進行實時的跟蹤。軌旁定位主要采用軌道電路、信標、電纜環(huán)線、裂縫波導、擴頻電臺等技術(shù)手段，列車自身的定位可依賴于安裝在輪軸上的編碼里程儀實現(xiàn)，通過車地之間的信息傳輸通道，實現(xiàn)軌旁與列車之間實時的信息交換，實時控制列車在線路中的運行。
2　軌旁定位技術(shù)
2．1　利用軌道電路的定位技術(shù)
2．1．1　軌道電路的定位原理
　　軌道電路是以鐵路線路的兩根鋼軌作為導體，并用引接線連接信號發(fā)送、接收設備所構(gòu)成的電氣回路。軌道電路有機械絕緣和電氣絕緣兩種類型。采用機械絕緣的軌道電路，需切斷鋼軌，安裝軌道絕緣節(jié)，這對使用長鋼軌線路妨礙很大，不僅需經(jīng)常維修，還降低了安全性。采用電氣絕緣，則無需切斷鋼軌，目前城市軌道交通系統(tǒng)中，普遍采用“S棒”進行電氣隔離的數(shù)字音頻軌道電路。數(shù)字音頻軌道電路的原理圖如圖1所示。

　　數(shù)字軌道電路中，全部有源器件都集中在控制室內(nèi)，室外設備僅包括由電容、線圈等組成的調(diào)諧盒及軌間的S型聯(lián)接導線。調(diào)諧盒中有發(fā)射與接收線圈。數(shù)字軌道電路的發(fā)射單元以差分模式向另一端通過鐵軌傳輸一個調(diào)制信號，在軌道電路的另一端提取這個信號。接收的信息和傳送的信息經(jīng)逐位比較確認相同時，完成對接收信息的驗證，判斷鋼軌和軌道電路的工作狀態(tài)。當軌道電路內(nèi)有車占用時，由于列車車軸的分路作用，接收端檢測出信號電平的變化，從而判斷出有車到達該軌道電路。
2．1．2　利用軌道電路確定列車在線路中的位置
　　圖2為利用軌道電路確定列車在線路中位置的原理圖。在線路設計時，根據(jù)用戶對列車運行密度的要求，將整個線路用S棒分割成若干個軌道區(qū)段，并對所有軌道區(qū)段進行統(tǒng)一編號。對線路地形及線路設備進行數(shù)字化描述后形成線路地圖，貯存在軌旁和／或車載計算機中。為了防止相鄰軌道電路音頻信號的串擾，同時也為了準確判斷列車越過軌道電路連界，相鄰數(shù)字軌道電路采用不同的載頻。列車在線路中運行時，其所在的軌道電路會給出占用指示，對軌道電路占用狀態(tài)的連續(xù)跟蹤，也就實現(xiàn)了對列車在線路中所處位置的連續(xù)跟蹤。

　　為了保證安全，軌道電路任何形式的故障都表示為“有車占用”，為了避免錯誤的跟蹤，系統(tǒng)對軌道電路的“連續(xù)占用”與“順序出清”進行邏輯判斷，保證列車跟蹤的可靠性和安全性。
　　利用數(shù)字軌道電路對列車進行定位是目前城市軌道交通系統(tǒng)中應用最為普遍的技術(shù)手段。
2．2　信標定位
　　信標是安裝在線路沿線反映線路絕對位置的物理標志。信標分有源信標和無源信標兩種，有源信標可以實現(xiàn)車地的雙向通信，無源信標類似于非接觸式IC卡，在列車經(jīng)過信標所在位置時，車載天線發(fā)射的電磁波激勵信標工作，并傳遞絕對位置信息給列車。
　　城市軌道交通系統(tǒng)中所使用的信標大部分為無源信標，安裝在軌道沿線。信標的作用是為列車提供精確的絕對位置參考點（也可以提供線路的坡度、彎度等其它信息）。由于信標提供的位置精度很高，達厘米量級，常用信標作為修正列車實際運行距離的手段。
　　采用信標定位技術(shù)的信息傳遞是間斷的，即當列車從一個信息點獲得地面信息后，要到下一個信息點才能更新信息，若其間地面情況發(fā)生變化，就無法立即將變化的信息實時傳遞給列車，因此，信標定位技術(shù)往往作為其它定位技術(shù)的補充手段。
2．3　裂縫波導定位技術(shù)
　　采用裂縫波導作為列車信息傳輸?shù)脑砜驁D見圖3，列車定位原理圖如圖4所示。裂縫波導是52．5mm×105mm×2mm中空的鋁質(zhì)矩形方管，在其頂部每隔60mm開有窄縫，采用2．715GHz的連續(xù)波頻率通過裂縫耦合出不均勻的場強，對連續(xù)波的場強進行采集和處理，并通過計數(shù)器確定列車經(jīng)過的裂縫數(shù)，從而計算出列車走行的距離，確定列車在線路中的位置。
　　裂縫波導除了傳輸用于裂縫計數(shù)的2．715GHz的連續(xù)波頻率外，主要用于車地信息交換的傳輸通道，車地通信的載頻范圍為2．4～2．4853GHz，該頻段內(nèi)的微波信號沿波導均勻輻射。

2．4　電纜環(huán)線定位技術(shù)
　　在整個軌道線路沿線鋪設電纜環(huán)線，電纜環(huán)線位于軌道中間，每隔一定的距離交叉一次。列車經(jīng)過每個電纜交叉點時通過車載設備檢測環(huán)線內(nèi)信號的相位變化（相位變化原理見圖6）。并對相位變化的次數(shù)進行計數(shù)，從而確定列車運行的距離，達到對列車定位的目的。

2．5　無線擴頻通信定位技術(shù)
　　利用無線擴展頻譜通信技術(shù)確定列車在線路中的位置借鑒了軍用定位技術(shù)。利用車站、軌旁和列車上的擴頻電臺；一方面通過這些電臺在列車與軌旁控制室之間傳遞安全信息，另一方面也利用它們對列車進行定位。軌旁電臺的位置是固定不變的，并經(jīng)過精確測量。所有的電臺都由同步時鐘精確同步。軌旁計算機或車載計算機利用不同電臺傳輸信息的時間延時可以精確計算出列車的位置。

　　圖7為基于無線擴頻通信的列車定位系統(tǒng)原理圖。由分布的電臺構(gòu)成無線通信網(wǎng)，多數(shù)情況下，站間可以被無線電可靠地覆蓋，而且有冗余。這種冗余是一種自愈式的結(jié)構(gòu)，當其中一個電臺故障時，系統(tǒng)可以重新組織，并自動報告故障電臺位置或編號，不會影響通信和對列車的控制。通常一個電臺的信息會有兩個甚至三個電臺接收，擴展頻譜技術(shù)最初是為軍事應用設計的，具備在惡劣電磁環(huán)境下可靠傳輸?shù)哪芰Α?br>　　每隔0．5s可對每輛列車的位置進行檢測，對列車定位的精度可達±5m。
3　車載列車定位技術(shù)
　　車載定位設備主要采用安全型編碼里程計。編碼里程計通過編碼盤與輪軸耦合，驅(qū)動一個或多個裝在編碼盤四周的光電傳感器。這些傳感器產(chǎn)生一個和速度成比例的脈沖序列，車載設備通過采樣電路得到列車運行的速度和距離。圖8是編碼里程儀測距原理圖。

　　列車車輪運動一周，編碼里程計輸出64個或128個脈沖。列車車輪運動一周，編碼里程計輸出的脈沖數(shù)越多，測速和／或測距精度越高。
　　列車運動速度＝單位時間內(nèi)編碼里程計輸出的脈沖數(shù)×（πΦ／編碼里程計每周輸出的脈沖數(shù)）列車運動距離＝編碼里程計輸出的脈沖數(shù)×（πΦ／編碼里程計每周輸出的脈沖數(shù)）式中Φ為列車車輪的直徑。由于列車周而復始地運動，車輪輪徑不斷磨損，目前城市軌道交通系統(tǒng)中允許列車車輪的輪徑范圍為840mm～770mm，因此（是個變量，要定期或不定期地進行修正。
　　利用車載編碼里程計確定列車運行的距離還需要考慮列車運動過程中車輪的空轉(zhuǎn)和打滑。實際工程應用中，可以采用信標、軌道電路分界點、電纜環(huán)線等手段傳送給列車絕對位置標識，這些標識在線路中的位置是固定不變的，并經(jīng)過精確測量。車載設備接收到這些標識后，對車載里程計的測距誤差進行修正。通常車載里程計只給出列車對應地面某個標識的相對距離，保證列車在線路中運行時，車載定位設備的距離測量不會有大的積累誤差。
4　結(jié)束語
　　利用各種技術(shù)手段確定列車在線路中的位置、對列車進行精確定位的目的是對線路中所有的列車進行統(tǒng)一管理，確保各列車之間安全運行的最小間隔，保證列車運行的安全；同時，通過統(tǒng)一的調(diào)度和管理，保證線路中運營列車的均勻分布。本文介紹的各種定位技術(shù)在城市軌道系統(tǒng)中均有成功應用的實例，具體系統(tǒng)中采用何種定位技術(shù)，取決于對線路運輸能力的要求。通常，城市軌道交通系統(tǒng)中需要綜合運用多種定位技術(shù)。如廣州地鐵一號線，正線上采用數(shù)字軌道電路，車站加裝精確同步環(huán)線，利用車載編碼里程儀經(jīng)過軌道電路和環(huán)線的同步后的距離數(shù)據(jù)，實現(xiàn)列車的自動駕駛。
　　除了本文介紹的各種列車定位方法，還有其它各種列車定位技術(shù)，如采用雷達測速、測距的定位方法，采用計軸設備確定列車位置的技術(shù)，大鐵路上還可以采用GPS、GMS－R等技術(shù)對列車進行定位，GSM－R是國際鐵路聯(lián)盟（UIC）和歐洲電信標準協(xié)會（ETSI）為歐洲新一代鐵路開發(fā)的無線移動通信技術(shù)標準。隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，相信將有越來越多技術(shù)含量更高的先進列車定位技術(shù)問世。

1　吳汶麒主編．城市軌道交通信號與通信系統(tǒng)．中國鐵道出版社，1999
2　蔡愛華，季錦章．地鐵信號系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢．電子工程師，2000，5 和環(huán)線的同步后的距離數(shù)據(jù)，實現(xiàn)列車的自動駕駛。
　　除了本文介紹的各種列車定位方法，還有其它各種列車定位技術(shù)，如采用雷達測速、測距的定位方法，采用計軸設備確定列車位置的技術(shù)，大鐵路上還可以采用GPS、GMS－R等技術(shù)對列車進行定位，GSM－R是國際鐵路聯(lián)盟（UIC）和歐洲電信標準協(xié)會（ETSI）為歐洲新一代鐵路開發(fā)的無線移動通信技術(shù)標準。隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，相信將有越來越多技術(shù)含量更高的先進列車定位技術(shù)問世。

1　吳汶麒主編．城市軌道交通信號與通信系統(tǒng)．中國鐵道出版社，1999
2　蔡愛華，季錦章．地鐵信號系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢．電子工程師，2000，5