城市轨道交通中的列车定位技术分析

城市轨道交通中的列车定位技术分析
【摘要】阐述了列车定位技术的重要性，针对城市轨道交通中几种常用的列车定位方法进行了介绍和比较分析。

【关键词】城市轨道交通；列车定位；组合定位
1.引言
城市轨道交通具有速度快、安全可靠、节能环保、准时舒适等优点，己成为世界各国解决城市交通问题的首选方案。

列车的定位技术在列车运行控制系统中占据着很重要的地位，它直接关系到列车的安全运行，影响着轨道交通的运输效率。

几乎每个子系统的实现都需要列车的位置信息作为参数之一，列车定位的引入使得调度指挥和行车控制一体化新的综合自动化系统的实现成为可能。

由此可见，实时、准确地获取列车速度和位置信息是列车安全、高效运行的重要保障。

2.列车定位技术
列车定位的任务是获取列车在铁路网络中的位置，目前在国内外轨道交通列车自动控制系统中得到应用的列车定位方式主要有以下几种[1-4]：
2.1 基于轨道电路的列车定位
轨道电路定位法是最普遍的列车定位技术。

轨道电路是以铁路线路的两根钢轨作为导体，并用引接线连接信号发送、接收设备所构成的电气回路。

当轨道区段无车占用时，接收端可以接收到发送端所发送的信息，接收端的轨道继电器励磁吸起；当列车进入轨道区段时，车轮将两根钢轨短路，接收端接收不到发送端所发送的信息，接收端继电器失磁落下，达到检测列车定位的目的。

列车在线路中运行时，其所在的轨道电路会给出占用指示，对轨道电路占用状态进行连续跟踪，就能获取列车在线路中所处的位置。

2.2 基于电子计轴的列车定位
电子计轴定位是通过在轨道区段的分界点安装计轴点来检测轮对通过瞬间所产生的电磁感应信号，从而判断列车的轮轴数量和运行方向。

当车轮驶过计轴点时，在会计轴点中形成脉冲信号，通过电缆传输到控制中心，然后由控制中心的计数装置根据脉冲对车轮进行计数，最后由中央处理单元根据计数情况判断列车占用/出清，实现列车检测和定位功能。

2.3 基于信标的列车定位
地面信标通常安装在两根钢轨中间，分为有源信标和无源信标两种，每个信标有一个唯一的编号并带有特定的位置信息。

在车载上安装具有无线发射和接收
功能的信标读取天线，当列车从信标上面越过时，车载信标天线会以电磁感应的形式将能量传给地面信标，地面信标接收到能量后被激活，其内部电路开始进行工作，将存储的位置等参数信息以某种调制方式通过电磁感应传送给车载信息处理系统中，然后通过解析数据来获取列车的位置信息。

2.4 基于测速的列车定位
测速定位就是通过不断测量列车的即时运行速度，然后对即时速度进行积分（或求和）获得列车的运行距离。

测速定位主要包括轮速（里程表）法和多普勒雷达法等测量方法。

轮速法的原理是在列车外侧安装旋转式光栅，当列车运行时由轮轴的旋转带动光栅旋转；在光栅的两侧安装发光装置和光电传感器，随着光栅的旋转光电传感器可以接收到发光装置的“光脉冲”信号，并将其转化为电脉冲信号送至车载计数器，由车载计数器对该脉冲信号进行计数；通过检测该信号次数可以判断车轮即时转角，由车轮的转角又可以求得列车的位移。

多普勒效应测速原理是在车头位置安装多普勒雷达，雷达向地面发送一定频率的信号，并检测反射回来的信号。

根据多普勒效应原理可知，如果列车在前进状态，反射的信号频率高于发射信号频率；反之，则低于发射信号频率。

而且，列车运行速度越快，两个信号之间的频率差越大。

通过测量两个信号之间的频率差就可以获取列车的运行方向和即时运行速度，然后对列车的速度进行积分就可得到列车的运行距离从而获取列车的位置。

2.5 基于无线扩频的列车定位
无线扩频定位法采用先进的无线扩频通信、伪码测距和计算机信息处理技术，实现了对复杂环境中列车的实时准确定位、跟踪。

无线扩频的基本原理是：在地面沿线路设置无线基站，无线基站不断发射带有其位置信息的扩频信号。

列车接收到由无线基站发送的扩频信息后，求解列车与信息之间的时钟差，并根据该时钟差求出与无线基站的距离，同对接收三个以上无线基站的信息就可以求出列车的即时位置。

2.6 基于交叉环线的列车定位
在两根钢轨之间敷设交叉感应回线：一条线固定在轨道中央的道床上，另一条线固定在钢轨的颈部下方，它们每隔一定距离作交叉，中央回线就像一个天线，列车经过每个电缆交叉点时，通过车载设备检测环线内信号的相位变化。

并对相位变化的次数进行计数，从而确定列车运行的距离，达到对列车定位的目的。

3.几种列车定位方案的比较分析
轨道电路定位方案的优点是经济、方便、可靠性高且技术比较成熟，既可以实现列车定位，又可以检测轨道的完好情况，满足故障-安全原则；其缺点是定
位精度取决于轨道电路的长度，定位精度不是很高、误差较大，且信息传输距离有限，设备的维护量大，无法构成真正意义上的移动闭塞。

电子计轴定位继承了轨道电路定位的很多特点，这种方法定位安全性较高，精度较差，通常也需要与测速装置结合起来使用。

由于不依赖于轨道电路，对环境的适应性更强，维护量相对较小；但不具备向列车传输信息的通道，容易受外界其他金属物品的干扰，也无法检测断轨故障。

信标定位方案在地面信标安装点的定位精度较高，维修费用低、使用寿命长且能在恶劣条件下稳定工作；但只能给出点式定位信息，维护量大，且存在设置间距和投资规模的矛盾。

基于测速的列车定位是一种典型的增量式相对定位，虽然能在一定程度上缓解了轨道电路和计轴定位方案的始端、终端不能测量的缺点，但存在累计误差，且不能直接进行车-地通信。

在定位精度要求较高的地点，需要利用其它的方法不断校正其位置信息。

无线扩频列车定位的优点是定位比较精确、抗干扰性强，但对地面设备的要求较高，需要在沿线设置专用扩频基站，投资成本较高，维护起来相对麻烦。

交叉感应回线定位方式成本较低，实现也比较简单，但只能实现列车的相对定位，每隔一段距离就要对列车的位置进行修正，而且定位精度受交叉区长度的限制，如果交叉区比较窄，位置脉冲漏计的可能性会增大。

4.结束语
对轨道交通中几种常用的列车定位方法进行了介绍和分析，除上述常用的列车定位技术外，还有GPS定位、IPS定位、接触网定位器定位等方法。

由于单一的定位方法总会存在一定的局限性和缺点，很难在定位的精度、可靠性和代价之间作到很好的平衡。

而组合定位技术能通过冗余、互补和多种的信息为系统提供更为精确的信息，使整个轨道交通和指挥系统中的安全性、测量精度、可靠性、造价等方面做到一定的平衡。

因此，在已有的轨道交通中大多采用组合定位的方法，或以某种方法为主，其它方法为辅。

例如成都地铁1、2号线和天津地铁2、3号线采用的是测速、电子计轴和地面信标组合定位的方式。

就目前而言，合理地使用多重定位方案是解决城市轨道交通定位的最好途径。

参考文献
[1]曾小清，王长林，张树京.基于通信的轨道交通运行控制[M].上海：同济大学出版社，2007.
[2]张玮.城市轨道交通列车运行控制系统维护[M].成都：西南交通大学出版社，2012.
[3]林瑜筠，魏艳，赵炜.城市轨道交通信号基础设备[M].北京：中国铁道出版社，2012.
[4]孙林祥，房坚.城市轨道交通的列车定位技术[J].电子技术应用，2002，28（7）：28-30.。