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文章來源：上海電氣泰雷茲TST

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劉昊旻，上海電氣泰雷茲交通自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司技術(shù)中心創(chuàng)新工程師

目前，基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)已成為城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的主流。CBTC系統(tǒng)是利用無線通信與高精度定位，實(shí)現(xiàn)列車之間的安全通信和自動(dòng)控制的先進(jìn)列車控制技術(shù)。安全、準(zhǔn)確、高可靠的列車定位技術(shù)是CBTC系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心，列車測(cè)速定位技術(shù)在CBTC系統(tǒng)中的重要作用主要體現(xiàn)在：
（1）安全間隔維護(hù)：區(qū)域控制器（ZC）根據(jù)列車位置信息進(jìn)行間隔控制，為追蹤運(yùn)行列車計(jì)算合適的追蹤目標(biāo)點(diǎn)（即移動(dòng)授權(quán)），確保追蹤運(yùn)行的列車之間安全間隔；列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（ATP）根據(jù)所收到的移動(dòng)授權(quán)和列車安全制動(dòng)模型計(jì)算出緊急制動(dòng)速度觸發(fā)曲線，與列車實(shí)時(shí)運(yùn)行速度進(jìn)行比較，對(duì)安全間隔進(jìn)行維護(hù)。
（2）自動(dòng)駕駛控制：列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（ATO）系統(tǒng)根據(jù)列車位置與速度信息，計(jì)算選取最優(yōu)駕駛曲線，對(duì)列車加速、制動(dòng)和停站控制進(jìn)行優(yōu)化，提升乘車舒適度，降低對(duì)能源消耗與減少對(duì)環(huán)境的影響。當(dāng)前，為滿足城市軌道交通日益增長(zhǎng)的運(yùn)量需求，一般對(duì)CBTC系統(tǒng)運(yùn)行間隔有正線列車最小行車間隔滿足2分鐘；在滿足旅行速度要求和設(shè)計(jì)給定停站時(shí)間前提下，正線列車設(shè)計(jì)追蹤間隔小于等于90秒的要求。因此CBTC系統(tǒng)列車測(cè)速定位技術(shù)必須更加精確可靠，以保證小間隔的列車安全運(yùn)行要求。
目前的城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中，通常配備包括列車自主測(cè)速定位與次級(jí)列車定位在內(nèi)兩套列車定位系統(tǒng)。其中次級(jí)列車定位功能是在列車自主定位系統(tǒng)故障或車地通信發(fā)生故障的情況下，保障列車安全運(yùn)營和基本運(yùn)行效率而采用的后備列車定位系統(tǒng)。下面主要對(duì)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的典型列車自主測(cè)速定位系統(tǒng)進(jìn)行介紹，探討下一代列車測(cè)速與定位技術(shù)的特征與研究方向。

01 CBTC系統(tǒng)列車自主測(cè)速定位方法

列車自主測(cè)速定位通常由車載測(cè)速定位與軌旁位置校正設(shè)備配合得以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)列車自主測(cè)速設(shè)備組合方案，主要包括兩類：

（1）輪軸速度傳感器+非輪軸速度傳感器（多普勒雷達(dá)）+應(yīng)答器

（2）輪軸速度傳感器+非輪軸速度傳感器（加速度計(jì)）+應(yīng)答器

02 典型的CBTC信號(hào)系統(tǒng)列車測(cè)速定位設(shè)備

2.1?列車測(cè)速設(shè)備

2.1.1?輪軸速度傳感器

輪軸速度傳感器作為當(dāng)前列車自主測(cè)速定位系統(tǒng)中的主用傳感器，按照測(cè)量原理的不同，可分為光電式、磁電式、與霍爾式輪軸速度傳感器。一般在列車每端將2個(gè)輪軸速度傳感器分別安裝在不同輪軸處，隨著列車車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)輸出一定數(shù)目的脈沖方波，脈沖方波的頻率與車輪角速度成正比，經(jīng)隔離、整形與換算后得出列車車輪角速度，再結(jié)合車輪周長(zhǎng)確定列車運(yùn)行速度，再對(duì)速度積分，即可得到列車行駛距離。

2.1.2 非輪軸速度傳感器

非輪軸速度傳感器一般主要用來處理空轉(zhuǎn)或打滑時(shí)列車測(cè)速定位的問題。多普勒雷達(dá)主要利用多普勒效應(yīng)來精確測(cè)量5km/h以上的列車運(yùn)行速度，在列車低速運(yùn)行時(shí)由于多普勒效應(yīng)不明顯，測(cè)速精度較低。

一般在列車每端安裝2個(gè)加速度傳感器，加速度傳感器通常安裝在車載設(shè)備機(jī)柜內(nèi)的地板上，加速度傳感器提供一個(gè)與列車加速度成比例的輸出電壓。

2.2 列車定位設(shè)備

2.2.1 接近傳感器/接近盤

車載接近傳感器與軌旁接近盤配合工作，提供正確的停車信息并支持精確停車。軌旁接近盤是安裝在軌道上停車點(diǎn)位置的金屬板，接近盤長(zhǎng)度為1m，一般每側(cè)站臺(tái)安裝2個(gè)接近盤。

2.2.2 信標(biāo)/應(yīng)答器

應(yīng)答器安裝于道床中間，為列車絕對(duì)定位依據(jù)。應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)主要采用RFID技術(shù)，系統(tǒng)由車載和地面兩部分組成，根據(jù)設(shè)計(jì)采用的標(biāo)準(zhǔn)的不同，可分為美式信標(biāo)（簡(jiǎn)稱美標(biāo)）與歐洲應(yīng)答器（簡(jiǎn)稱歐標(biāo)）兩種。美標(biāo)依據(jù)的是AARS-918-94《北美鐵道學(xué)會(huì)設(shè)備自動(dòng)識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)》與ISOSTANDARD10374《國際標(biāo)準(zhǔn)化組織貨運(yùn)集裝箱自動(dòng)識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)，使用高頻后向散射耦合RFID技術(shù)。1996年歐洲鐵路聯(lián)盟制定了ETCS列控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范，將歐洲眾多不同類型應(yīng)答器統(tǒng)一為歐標(biāo)應(yīng)答器。歐標(biāo)采用的是低頻感應(yīng)耦合RFID技術(shù)。

03 現(xiàn)行列車測(cè)速與定位技術(shù)存在的問題

CBTC系統(tǒng)現(xiàn)有的列車自主測(cè)速定位系統(tǒng)，在長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際工程應(yīng)用過程中逐漸暴露出一些難以解決的技術(shù)問題：

（1）受輪軌關(guān)系影響

基于輪軸測(cè)速原理的列車定位，容易受到列車車輪與鋼軌間復(fù)雜關(guān)系影響。

• 空轉(zhuǎn)：在正常情況下，列車車輪與鋼軌接觸面上的點(diǎn)的切線速度和加速度都應(yīng)該與列車速度和加速度是相等的。而在列車啟動(dòng)或者運(yùn)行過程中當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)供給車輪的角加速度很大而車輪與鋼軌之間又沒有足夠摩擦力時(shí)車輪就會(huì)空轉(zhuǎn)，此時(shí)列車車輪與鋼軌接觸面上點(diǎn)的切線速度與加速度均比列車實(shí)際情況大得多。

• 滑行：當(dāng)列車制動(dòng)時(shí)，如果閘瓦將車輪抱得太緊或抱死，由于列車運(yùn)行時(shí)動(dòng)量很大，車輪與鋼軌之間的摩擦力不足，使得車輪在鋼軌上滑行，導(dǎo)致輪軸速度傳感器產(chǎn)生較大的脈沖測(cè)頻誤差。

• 蠕滑：由于輪軌接觸是彈性接觸，特別是在曲線上，列車在運(yùn)行時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)輪對(duì)蠕滑現(xiàn)象，輪對(duì)蠕滑的現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致車輪與鋼軌間摩擦力發(fā)生變化，影響列車輪軸的轉(zhuǎn)速。當(dāng)輪對(duì)蠕滑現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)，可能會(huì)加劇列車車輪的滑行與空轉(zhuǎn)

（2）定位完成/恢復(fù)慢

當(dāng)前CBTC系統(tǒng)車載定位設(shè)備上電完成初始化后，只有在接收到兩個(gè)地面應(yīng)答器，檢查兩個(gè)應(yīng)答器在線路地圖中連續(xù)且測(cè)量得到的兩者之間的距離與線路地圖中記錄的兩個(gè)應(yīng)答器之間的距離在允許的誤差范圍內(nèi)，才可認(rèn)為列車定位完成或恢復(fù)。

（3）設(shè)備改造安裝受限

當(dāng)前國內(nèi)CBTC系統(tǒng)面臨著舊線改造與系統(tǒng)升級(jí)問題。舊線改造需要保證在不中斷或盡量減少影響線路運(yùn)營原則下進(jìn)行工程實(shí)施。舊線改造時(shí)，受限于列車輪軸結(jié)構(gòu)、尺寸及既有安裝設(shè)備，使得輪軸速度傳感器安裝出現(xiàn)困難，這對(duì)于面臨時(shí)間與預(yù)算限制的改造項(xiàng)目提出了額外要求，加大了項(xiàng)目按期交付的壓力。

04 下一代列車測(cè)速與定位技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 下一代列車測(cè)速與定位技術(shù)研究

針對(duì)當(dāng)前列車自主測(cè)速定位存在的問題，

（1）基于UWB技術(shù)的列車自主定位

UWB(Ultr Wide Band，超寬帶)技術(shù)是一種利用納秒至微秒的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)。其具有傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高精度（厘米級(jí)）的定位。在基于UWB技術(shù)的列車自主定位系統(tǒng)中，需要在軌道沿線安裝多個(gè)UWB軌旁定位節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成一個(gè)定位網(wǎng)絡(luò)。列車安裝UWB車載定位節(jié)點(diǎn)，當(dāng)列車經(jīng)過軌旁定位節(jié)點(diǎn)時(shí)，車載定位節(jié)點(diǎn)會(huì)接收到軌旁定位節(jié)點(diǎn)的UWB信號(hào)，并通過信號(hào)傳輸時(shí)間和接收信號(hào)的強(qiáng)度等信息，計(jì)算出列車與軌旁UWB節(jié)點(diǎn)之間的距離。通過多個(gè)軌旁定位節(jié)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果，可以確定出列車精確位置。

UWB信號(hào)具有較高的傳輸速率和抗干擾能力，可以實(shí)現(xiàn)精確定位和高速數(shù)據(jù)傳輸。此外，UWB技術(shù)還可以與傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)融合和智能化管理?；赨WB技術(shù)的列車自主定位系統(tǒng)需要解決一些技術(shù)挑戰(zhàn)，如信號(hào)傳播損耗、多徑效應(yīng)、定位算法優(yōu)化等。對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，需要根據(jù)具體情況選擇合適的UWB節(jié)點(diǎn)配置與算法參數(shù)。

（2）基于地下GNSS/BDS列車自主定位

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是目前已廣泛使用兩種的衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)，特別是在開放環(huán)境中，可以提供非常精確的位置數(shù)據(jù)。然而在地下環(huán)境，尤其是在隧道中衛(wèi)星信號(hào)往往無法穿透地表以下的深層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致傳統(tǒng)衛(wèi)星定位系統(tǒng)無法正常工作。

在基于地下GNSS/BDS列車自主定位系統(tǒng)中需要通過結(jié)合偽衛(wèi)星的技術(shù)，通過在隧道頂部或者側(cè)壁進(jìn)行網(wǎng)格化部署偽衛(wèi)星基站群，偽衛(wèi)星基站群由基準(zhǔn)單元、中繼單元、接收/發(fā)射天線等組成?；鶞?zhǔn)單元用于同步地上真實(shí)衛(wèi)星時(shí)間，獲取當(dāng)前星歷數(shù)據(jù)。中繼單元根據(jù)基準(zhǔn)單元的時(shí)間、星歷數(shù)據(jù)，結(jié)合每個(gè)中繼單元的安裝部署位置，仿真生成地下偽衛(wèi)星信號(hào)。每個(gè)中繼單元可仿真生成幾組地下偽衛(wèi)星信號(hào)，通過發(fā)射天線將信號(hào)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的連續(xù)覆蓋，提供列車連續(xù)定位數(shù)據(jù)。

（3）基于SLAM技術(shù)的列車自主定位

基于SLAM（Simultaneous Localization and Mapping，同時(shí)定位與地圖構(gòu)建）技術(shù)的列車自主定位是一種利用多傳感器融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)列車在未知環(huán)境中自我定位與構(gòu)建地圖的方法。目前，主動(dòng)障礙物探測(cè)傳感器正在逐漸應(yīng)用于CBTC系統(tǒng)之中，首先需要通過主動(dòng)障礙物探測(cè)傳感器獲取列車周圍環(huán)境的感知數(shù)據(jù)，具體包括線路的幾何狀態(tài)、障礙物有無、位置及大小等。然后用SLAM算法對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，估算列車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和位置，并在構(gòu)建的3D地圖上進(jìn)行自主定位。

基于SLAM技術(shù)的列車自主定位可以在未知環(huán)境中實(shí)現(xiàn)列車的自我定位，不需要依賴于外部的定位設(shè)備或信號(hào)。同時(shí)，基于SLAM技術(shù)的列車自主定位系統(tǒng)還可以通過不斷學(xué)習(xí)和優(yōu)化，提高自身的定位精度和地圖構(gòu)建質(zhì)量。但是，SLAM技術(shù)對(duì)于列車定位實(shí)際應(yīng)用過程中，仍然面臨著一些挑戰(zhàn)性問題，如數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、特征匹配、魯棒性等。

4.2 下一代列車測(cè)速與定位技術(shù)特征

下一代定位列車測(cè)速與定位系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

（1）改造部署方便。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與列車的輪軸結(jié)構(gòu)解耦，可以方便、快速地進(jìn)行定位系統(tǒng)部署和應(yīng)用，提高對(duì)于舊線信號(hào)系統(tǒng)的改造與升級(jí)效率。

（2）位置初始化快。系統(tǒng)設(shè)備上電后，即可獲取當(dāng)前列車的精確位置，可以在更短周期內(nèi)完成列車初始化與切換全自動(dòng)駕駛模式。

（3）高精度與高可靠。實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確、更快速的列車定位，進(jìn)一步縮短列車追蹤間隔，面對(duì)復(fù)雜的城市軌道環(huán)境交通與多變的實(shí)際運(yùn)營需求，具備高可靠性和穩(wěn)定性，保證小間隔的列車安全運(yùn)行要求。

（4）生命周期成本可控。成本可控對(duì)于任何一項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)品化都是一個(gè)極其重要的考慮因素，下一代定位列車測(cè)速與定位系統(tǒng)應(yīng)合理選擇定位系統(tǒng)架構(gòu)，精簡(jiǎn)軌旁校正設(shè)備布置數(shù)量，降低維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)全生命周期的系統(tǒng)成本優(yōu)化。

05 結(jié)束語

伴隨新型傳感器技術(shù)的迅猛發(fā)展和成本的降低，基于這些新技術(shù)提高列車控制系統(tǒng)的智能化水平是未來的發(fā)展趨勢(shì)。為了實(shí)現(xiàn)城市軌道交通安全、高效、大容量快捷、準(zhǔn)點(diǎn)的運(yùn)行，在對(duì)于安全攸關(guān)的列車測(cè)速與定位技術(shù)方面的創(chuàng)新，需要完善的風(fēng)險(xiǎn)分析過程與長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證，技術(shù)路線應(yīng)經(jīng)充分論證，確保CBTC系統(tǒng)安全性與可靠性，滿足當(dāng)前與未來的客戶需求，平衡全生命周期成本，以避免不必要的浪費(fèi)，降低工程實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)。

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