摘要：如何动态、精确地检测城市轨道交通列车的位置和速度，是列车控制系统的核心和关键，本文首先对城市轨道交通常见的列车定位技术和其原理进行介绍，并对各项定位技术的优劣进行分析比较。同时，结合实际，以宁波轨道交通采用的信号系统的列车定位技术为例，深入研究和探讨列车定位对信号系统以及城市轨道交通运营的影响，推动列车定位和精确停车技术的研究。
关键词：信号定位精确停车
Abstract：How to dynamically and accurately detect the location of the train and speed，is the core and key of ATC.This paper first introduces the urban rail transitlocation technology and principle，then analyze and compare the advantages and disadvantages of each location technology.At the same time，combining with the actual to the SIGlocation technology adopted by NBRT as an example，in-depth research and discussion SIG location technology and the influence tourban rail transit，to promote the location technology and precise parking technology research.
KeyWords：SIG、location technology、precise parking
引言
信号系统作为城市轨道交通的重要组成系统之一，主要用于指挥和控制列车运行，其所包含的各项技术，对行车安全和高效率运营起着极为重要的作用。为实现城市轨道交通列车高密度、短间隔、安全稳定等运行要求，信号系统需要动态、精确地掌控每一列车在线路上的位置、运行方向和运行速度等信息。因此，列车定位和精确停车技术的优劣，能直接决定城市轨道交通能否安全、正点地运营。
1常见列车定位技术
1.1 轨道电路
轨道电路是以钢轨为导体，两端加上机械绝缘或电气绝缘，接上送电设备和受电设备构成的电路。
轨道电路的导体由两条钢轨以及钢轨连接线等组成。
钢轨绝缘安装在相邻两个轨道电路衔接处，以保证轨道电路电气可靠，钢轨绝缘通常分为机械绝缘和电气绝缘。机械绝缘，是指在两根相邻钢轨的连接处，在它们的端面、紧固夹板及紧固螺栓处加绝缘垫板和绝缘套管，以实现绝缘隔离；电气绝缘，是利用钢轨、轨道连接线等自身的分布参数，配置专用的器件，如调谐单元、空芯线圈等构成电气网络，利用电气谐振的原理，使相邻两段轨道电路的电信号互不影响，以实现电气绝缘节，它不需要对钢轨进行机械切割，可以在长钢轨上划分轨道电路区段。城市轨道交通多采用电气绝缘，以ZPW-2000无绝缘轨道电路为例，其电气绝缘节的长度为29 m。
送电设备可以是电源，也可以是能够发送一定频率的信息的电子设备。
受电设备主要是指轨道继电器，或能够接收并鉴别电流特性的电子设备，能够根据接收到的不同特性的电流的设备。限流电阻是一个可调电阻，连接在轨道电路电源端，用来调整轨道电路的电压，档轨道电路被列车轮对分路时，防止输出电流过大而损坏电源。
当轨道电路设备正常，且没有列车占用时，轨道电流从电源正极经钢轨、轨道继电器线圈回到负极，从而构成回路，此时，继电器吸起，表示轨道电路区段内无车。此状态称为轨道电路的调整状态。
当轨道电路区段内有车占用时，因为列车轮对电阻比轨道继电器线圈电阻小很多，此时流经继电器线圈的电流很小，继电器落下，表示轨道区段有车占用。此状态称为轨道电路的分路状态。
当轨道电路区段内发生断轨或断线等故障时，流经继电器线圈的电流中断，使继电器失磁落下。此状态称为轨道电路的断轨状态。
轨道电路不但可以实现列车定位，还可以检测轨道完好；但缺点也很明显，其定位误差较大，为一个轨道电路区段长度。
1.2 计轴系统
计轴系统是以计算机为核心，辅以外部设备，利用统计车辆轴数来检测相应轨道区段的占用或空闲状态。计轴系统一般由计轴主机、计轴检测器、轨旁线缆等组成。
1.2.1 计轴主机
以AzLM型计轴系统为例，计轴主机由安全计算机模块、电源模块、串行I/O、并行I/O、以太网接口等部分构成。
安全计算机模块一般采用3取2或2取2的安全计算机系统，按配置要求设置3个或2个CPU通道，每个通道独立工作。
计轴电源主要包含主机电源（直流60V）、机柜风扇电源（交流220V）、继电器电源（直流24V）、板卡电源（直流5V或12V）等。
串行I/O模块主要用于接收计轴检测器所发出的数据，并将该数据转换成安全模块的I/O总线数据，处理后传送给计轴主机。每个串行I/O板被分配给一个计轴检测点，占用计轴主机的一个I/O槽，计轴检测点信息丢失会导致该检测点相关的区段进入受扰状态。
并行I/O模块主要用于输出轨道占用信息，并接收联锁发来的的计轴复位命令。它使用与串行I/O相同的双通道CAN总线。
为确保轨道占用的安全输出，每个并行I/O模块为每个区段输出两个继电器接点（双断），由安全模块对这些接点进行判断处理。当两个接点闭合时，计轴区段出清。所使用的继电器具有加强接点。为了增加接点的数量，可以最多使用4个并行I/O模块来控制一个计轴区段空闲状态显示，以减少轨道区段数量。
为确保轨道区段复零的安全输入，每个并行I/O模块有1个或者2个安全光耦输入以及1个通过前面板上的钥匙和按钮组成的安全输入，用于输入复零命令。当出现一个0.5秒到6.0秒之间的输入时，启动复零。
对其他非安全输出而言，在每个并行I/O模块上，有4个可用的非安全输出。前两个输出为光耦和LED，后两个输出为前面板上的LED。输出信息在现场专用数据中定义为：是否具备复条件、区段占用和干扰的信息、区段复零命令状态信息等。
以太网接口主要用于计轴与联锁、相邻计轴主机和计轴诊断系统的接口，其配置在在安全模块的计算机板前端，采用冗余结构，确保高可用性。联锁模块接口用于处理与联锁相关数据或命令，从联锁模块接收到的数据主要包含状态请求、诊断请求、版本请求和区段复零命令等；发送到联锁模块的数据主要包含区段状态、诊断信息、版本信息和复零命令的确认等。从相邻计轴主机接收到的数据主要包含：外部检测点的状态和外部检测点的计轴数。发送到相邻ACE的数据主要包含：内部检测点的状态和内部检测点的计轴数。
1.2.2计轴检测器
计轴检测器核心组件为计轴磁头，主要包括两套物理上分离的线圈组Sk1和Sk2，安装在同一根钢轨上。钢轨外侧为两个发送线圈，在线圈附近产生由两种不同额定频率28kHz和30kHz形成的电磁场。钢轨内侧有两个接收线圈，产生两个存在时间差的感应电压，电子单元通过这些感应电压可以判断车轮的存在和行进方向。
该系统采取闭合电磁线圈检测模式，拥有高效的检测效能。感应线圈检测模式可对轮型进行判断，当轮径≥300mm的轮介质通过磁头时，计轴系统才确认为有效轮介质通过。同时，可通过相位敏感整流，移频键控以及接收/发送磁头使用无铁素体线圈等方法，对电磁干扰进行防护或防护，以保证牵引电流和制动的谐波干扰不会影响车辆检测进程。
计轴系统通过在区段两端分别设置计轴检测器点，检测器与室内主机连接，计轴主机处理来自检测器的信息。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆若进入区段的轴数和离开区间的轴数相同，则计轴系统给出区段空闲出清提示；反之，提示占用提示。
计轴系统设备安装相对简单，且轨道区段长度没有限制，无需绝缘节，也不会受道床、牵引回流等问题影响，维护工作量相对较小，但与轨道电路一样，也存在定位误差较大的问题。
1.3信标定位
信标定位是通过设置在轨旁的信标和设置在列车上的信标天线共同实现。信标一般采用间隔方式，精确地排布在线路上。在列车经过信标时，车载信标天线便会读取存储在信标上的位置标识信息，在与线路地图进行对比，便可查询到列车位置。列车首次定位通过两个连续的信标进行初始化，每经过一个信标，完成一次重定位。
1.3.1信标
信标是指内部存储了线路位置标识的设备，并集成了发送模块和接收模块，以实现激活信号的接收以及位置标识的发送。按其实现的功能划分，信标一般分为：重定位信标、列车初始化信标、精确停车预告信标和有源信标四类。
重定位信标主要是为了减小因列车空转或打滑等不利因素所导致的列车位置测定误差。重定位信标是线路上最多、最常见的信标，其内部主要存储信标标识，该标识代表线路的唯一的特定位置。
列车初始化信标主要是用于系统初始化定位并校准编码里程计，也可以用于列车的重定位，列车初始化信标由两个距离一定的重定位信标组成，根据系统功能需要，在正线和辅助线设置。
精确停车预告信标主要是用于确保列车在站内精确停车，通常在站台线路上设置多个精确停车预告信标，以确保列车能满足列车站前折返和站后折返两种折返模式的精确停车精度要求。一般以列车停靠在运营停车点时为参考点，在距离车载信标天线约70-100米处设置1个用于精确停车预告；在距离信标天线约25-30米处设置1个用于精确定位；在距离信标天线约1米处设置1个用于精确停车，通过合理增加数量，可实现站台区域的精确停车。
有源信标主要用于点式运营模式，负责将信号系统的轨旁变量信息（信号机，道岔等）传给车载信标天线。有源信标通常在线路运营方向的出站信号机、折返区域的相关信号机或道岔防护信号机前方设置。
1.3.2信标天线
信标天线集成了内置电源模块、传输模块、发送模块和接收模块，当列车越过轨旁信标时，向信标发送特定频率的射频信号，激活信标，并接收来自信标的标识信息。通常在列车车头、车尾各设置一个信标天线，以确保列车两端均能实现列车定位功能。
就信标定位方式而言，信标在线路上采用的是点式分布式设置，当列车从前一个信标获取定位信息或轨旁信息（信号机、道岔状态等）后，需要到下一个信标才能再次获取信息并更新，若此期间轨旁信息发生变化，列车将无法及时获得该变化信息，存在信息滞后的问题。
1.4测速定位
通过测定列车速度或位移，并结合线路位置信息，实现列车在线路上的实时定位，通常采用编码里程计来测量列车车轮的旋转和方向，计算列车的位移。
编码里程计通常由4个传感器组成，其中3个传感器（C1，C2，C3）主要用于完成速度测量和确定走行方向，另一个传感器（C4）用于完成编码任务。在通常情况下，编码里程计安装在列车的非自由轴上，由于打滑/空转现象的存在，测量会存在一定误差，需要通过一定的辅助检测手段和纠偏功能的软件来减少影响。
辅助检测和纠偏可通过设置轨旁校准信标和设置补偿参数等进行实现，如上文提及的列车初始化信标等，当列车通过列车初始化信标后，信号系统便能精确的计算列车的移动并对编码里程计进行校准，同时，车载信号系统根据测算经过上一个信标之后的位移计算列车的最大和最小可能位置，列车的实际位置总是在这两个位置之间，这两个最大和最小可能位置之间的距离称为定位误差。随着列车的移动，该误差将由于车轮的空转/打滑效应而增加。当误差达到设定的误差补偿参数时（一般设置为15%），车载信号系统便会及时修正。
测速定位通过使用传感器等手段，不断测量列车运行速度和方向，关键在于测量的准确性和位移计算的合理性，其测量方法简单，但受列车车轮磨损、空转、滑行等影响，容易产生误差。
1.5无线通信定位
无线通信定位指在线路上设置无线基站或设备，并由无线基站不断发射带有其位置信息的扩频信号，在列车上设置天线等收发装置，实现列车的实时定位和跟踪。
无线通信定位系统通常由轨旁无线设备和车载无线设备组成。以基于裂缝波导管的定位系统为例，其沿轨道线路铺设裂缝波导管，射频信号通过波导管管体上方均匀分布的缝隙，泄漏至空中，并在轨道沿线形成无线信号网，辅以车载无线设备，实现列车与轨旁设备连续的双向通信及列车定位功能。
轨旁无线设备包含轨旁无线基站（含调制解调等）、耦合单元、波导管（或轨旁天线）等。无线基站主要负责无线信号的调制和解调、光信号与电信号的转换等，其主要设备包括调制解调器、电源转换设备、光电转换设备等；耦合单元主要进行射频信号的过滤及收发；波导管（或轨旁天线）则主要负责将射频信号与无线网络的转换。
车载无线设备包含车载天线、射频滤波器、车载调制解调器等。车载无线天线主要与轨旁波导管（或轨旁天线）进行通信；射频滤波器和车载调制解调器主要负责对射频信号进行过滤、调制与解调。
无线通信定位相对精确，可实现运行控制中心与列车之间的无线、双向通信，确保列车的安全间隔，其对轨旁设备的依赖较高，当无线频段被占用或受干扰时，会导致定位系统的失效。
2多系统融合的列车定位
多系统融合的列车定位是指以某种定位技术为主，辅以其他定位手段，以实现优势互补，提高列车定位的各项指标。无论是轨道电路、计轴，还是信标定位、无线通信定位等，每一种定位的方法都有其固有的缺点，其定位的精准度、可靠度、建设成本等往往无法得到很好的平衡，而多系统融合的列车定位技术，可以更好地实现定位互补，提升列车控制系统的安全性、精确性和可靠性。
以宁波轨道交通1、2号线为例，信号系统采用基于无线通信的列车自动控制系统，同时采用计轴、信标、编码里程计等手段为辅，更好地实现列车定位的实时性、安全性。
无线通信方面以轨旁基站、波导管、波导管天线等设备为主，搭建双网冗余网络、安全可靠网络的连续通信系统网络。其冗余的双网为红网和蓝网，采用2.4GHz无线通信频段，由分布在轨道沿线的红网和蓝网接入点组成，这些接入点与发射网络连接，并分别与冗余骨干网上的红、蓝以太网专用网相连接；通过编码里程计测量车轮的旋转和安装在轨旁精确位置的信标，连续、自动地对列车位置进行检测；通过列车初始化信标来校准编码里程计并估算列车的移动和位移。通过重定位信标，计算列车的最大和最小位置，加以补偿，消除列车的移动过程中累积的定位偏差；同时，车载信号系统周期性地把检测到的最大和最小位置发送至区域计算机，用于计算自动防护，以便于信号系统实现全线列车的定位和控制。
在无线通信系统故障的情况下，以信标（含有源信标）为点式定位设备，以计轴系统设备为辅助，检查列车的位置，实现列车运行控制，确保故障区列车运行进路的安全和追踪列车运行的安全。
在站台区域通过布置精确停车预告信标，距离车载信标天线约70-100米处设置1个用于精确停车预告；在距离信标天线约25-30米处设置1个用于精确定位；在距离信标天线约1米处设置1个用于精确停车，满足精确停车的性能要求。
3结语
城市轨道交通发展迅速，从传统的固定闭塞系统到准移动闭塞系统，到现在的移动闭塞系统，其关键在于列车精确定位和安全防护。因此，如何提升列车定位的精确性和安全性就显得尤为重要，这也是我们后续需要研究和摸索的地方。
参考文献：
[1]张凡，钱传贤.城市轨道交通概论[M].成都：西南交通大学出版社，2007.
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[3]刘进，吴汶麒.轨道交通列车定位技术[J].城市轨道交通研究，2001，4（1）：30-34.
论文作者:胡俊
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/6/14
标签：信标论文; 列车论文; 轨道论文; 区段论文; 精确论文; 系统论文; 电路论文; 《基层建设》2019年第9期论文;