基于移动闭塞方式下的列车定位技术

基于移动闭塞方式下的列车定位技术 小组成员： 黄钊 王帆 谢桀 杨立彪 ————第十五组 基于移动闭塞方式下的列车定位技术 随着科技和时代的发展，城市轨道交通的闭塞方式也逐步由固定闭塞方式发展到移动闭塞方式，这也对列车的定位，测速，通信等提出了更高的要求。城市轨道交通系统中列车实时、精确的定位不仅能够保证车辆的行车安全性，还可以使列车追踪间隔小，适应大客流重型轨道交通，并且维护费用低等等，最终实现地铁系统在保障乘客安全性的前提下运送更多乘客的目的。 一．列车定位技术的分类及其发展现状 列车定位技术从设备安装的位置上可分为：轨旁型，车站型和车载型。从闭塞区间的移动性上可分为：固定闭塞型，准移动闭塞型和移动闭塞型。从采取的定位方法上可分为：编码里程仪、轨道电路、信标（应答器）、裂缝波导、交叉电缆环线和无线扩频等。 发展现状：目前，闭塞方式已经发展到移动闭塞，传统的轨道电路，信标，编码里程仪等方式逐步不再适应，而且随着信息和通信技术的发展，各种以信息技术和通信技术为基础的新一代列车定位技术开始发展起来并在初步应用上取得一定成功。国外通信行业的一些大公司在开发自己的ATC系统时都推出并采用了自己独特的定位技术，比如加拿大阿尔卡特公司的基于交叉感应环线定位技术，美国GE公司的基于无线电台通信定位技术，法国阿尔斯通公司的基于裂缝波导管无线传输技术，德国HHARMON公司的基于无线扩展频谱通信技术。 1.基于交叉感应环线技术 以敷设在钢轨间的交叉感应环线作为传输媒介的CBTC系统，在城市轨道交通中已应用了较长时间。交叉感应环线的缺点在于，安装在钢轨中间，安装困难且不方便工务部门对钢轨的日常维修，车地通信的速率较低。但由于环线具有成熟的使用经验，寿命长以及投资少等优点，目前仍继续得到应用。 下图为广州地铁线路图，其中橙色部分为3号线线路图，主线为番禹广场站至天河客运站，体育西路至机场为3号线支线。广州地铁3号线采用了基于交叉感应环线技术的移动闭塞方式，沿轨道方向铺设感应环线，通过感应环线来实现车地通信，完成对列车的定位和测速。以此调整列车运行。 2.基于无线电台通信技术 随着无线通信技术的发展，基于自由空间传输的无线通信技术在CBTC系统中得到了应用。无线的频点一般采用共用的2.4GHz或5.8GHz频段，采用接入点（AP）天线作为和列车进行通信的手段，AP的设置要求保证区间的无线重叠覆盖，自由空间传输的无线具有自由空间转播，对车载设备的安装位置限制少。传输速率高，实现空间的无线重叠覆盖，单个接入设备故障不影响系统的正常工作。轨旁设备少，安装与钢轨无关，方便安装以及维护的特点。 基于无线电台通信传输方式的CBTC系统，目前已在北京地铁10号线得到成功应用。下图所示为北京地铁10号线一期工程路线示意图，已在2008年7月实现通车。一起线路起点为海淀区巴沟路巴沟站，向东至三元桥站转向南部至终点站劲松站。全线首次采用基于无线电台通信的移动闭塞方式，具有较高的列车定位精度，依据列车速度曲线实现精准定点停车。有效缩短了发车时间间隔，提高运行效率。10号线二期工程将联通巴沟站和劲松站，构成环形线路，预计今年年底将投入运营。 3.基于裂缝波导管无线传输技术 采用波导系统作为车地双向传输媒介，采用沿线铺设的裂缝波导及与波导连接的无线接入点作为轨旁与列车的双向传输通道。该系统的波导系统具有通信容量大，可在隧道及弯曲通道中传输，干扰及衰耗小，无其他车辆引起的传输反射，可在密集城区传输等特点。波导的另一个优点是传输速率大，可满足列车控制系统的需要。波导的缺点在于安装困难，需要全线安装波导管，安装维护复杂且造价较高。 北京地铁2号线，机场线均采用裂缝波导管传输技术。

下图所示为北京地铁机场线线线路图。机场线起点为东直门，经三元桥终点站分别为国际机场和3号航站楼，东直门至三元桥段为地下线路，出四环后进入地面线路。线路采用基于裂缝波导管无线传输的移动闭塞方式，以裂缝波导为信息传输媒介，实现列车与地面的实时双向通信，并对列车进行高精度定位。在满足高速，安全快捷的同时，实现高频率发车，提高运输效率。 4.基于无线扩展频谱通信技术 基于无线扩展频谱的通信技术的ATC系统时利用车站，轨旁，和列车上的扩频电台，一方面通过这些电台在列车和控制中心之间传递安全信息，另一方面也利用他们对列车进行定位。列车的位置是通过接收轨旁电台的信号计算出来的。

二．交叉感应环线定位技术原理剖析 1.定位系统结构 基于交叉感应环线的ATC定位系统从结构上可分为车载定位设备和地面定位设备两部分，车载定位设备主要包括车轴上的测速电机，信号接收感应器，车载ATP计算机，车地通信设备等。地面设备即铺设在轨道下方的感应电缆，中继器。由车载设备和地面设备组合起来共同建立一个列车位置信息数据库，车载ATP计算机接受数据库的信息并计算列车实时位置和速度等参数，在经过道岔，曲线时，结合车轴上的测速电机所传来的信息对列车速度和距离等信息进行修正，并将信息通过车地通信设备传输给地面ATP设备。列车的定位精度由环线交叉点数量，测速电机精度等确定，列车向地面ATP报告的位置由列车实测位置，列车前端位置，列车后端位置组成。（如上图所示）。控制中心设备、轨间设备联系用控制中心和沿线设置的若干个中继器两级控制方式来实现的。中继器是控制中心与轨间电缆的中间环节，它的功能是把控制中心的命令通过轨间电缆传递给机车，将机车信息传输给控制中心，控制中心与轨间电缆之间的信息交换，包括频率变换、电平变换、功率放大等都是通过中继器来完成的。一个中继器最多可控制128个电缆环路。

2.定位原理 在轨道中央沿轨道方向铺设两根感应环线电缆，电缆由铜绞线和外部的绝缘与非屏蔽保护层组成，这些电缆在轨旁环线通信设备中作为信号的接收和发射天线，与列车上的接收和发射天线实时通信，电缆每隔25米进行一次交叉，在轨间电缆激励端输入某一频率的信号，列车上的车载信号装置就会接收到同频率的信号（如上图所示），而且列车所接收到的的信号幅值和相位将会随列车位置的改变而改变，当列车行经电缆的交叉点时，列车上车载信号装置所接收到的信号相位就会发生变化，通过检测车载信号接收装置所接收到的信号相位变化次数，就可以计算出列车位置。 下图所示的是车站控制设备与列车间通过感应环线的信息交换。列车在轨道上行驶，车载信号装置接收来自感应环线的信号，并以此计算自身位置，速度等参数，同时感应环线作为信号接收装置也接收列车信号并将列车速度，位置等信息通过轨旁接口传输回车站控制中心的有关设备，其中中继器作为轨旁接口的一个关键设备，每个中继器都负责轨道上的一段区间，区间长度为128 * 25 = 3200 m。轨道上的前车与后车通过车站控制中心设备交换信息，以此来调整列车运行曲线。 列车运行具体未知的确定是通过地址码来实现的，通常用14位电码结构来表示列车的位置信息。其中最高位为列车运行方向码，第11~13位为对应中继器的代码，第4~10位为表示列车处于具体环路的粗地址码，当列车每驶过一个交叉点时，利用信号相位的变化，粗地址码就会加1，第1~3位为细地址码，当列车每驶过25m×1/8，细地址码就会加1。当控制中心接收到地址码后，通过解码就会确定列车的具体位置。

例如： 控制中心收到的地址码为 0 100 0001011 010 解码： 列车下行方向： 0 中继器代码： 100 （10进制为4） 粗地址码： 0001011 （10进制为11），列车处于第11环路 细地址码： 010 （10进制为2）， 列车处于25 * 1/8 * 2 =6.25m处 最终定位为： 25 * 128 *4 + 25 * 11 + 25 * 1/8 * 2 = 13081.25m

三．裂缝波导定位技术原理浅析

1.定位系统结构 基于裂缝波导定位系统，其结构由微波裂缝波导，波导信息网络，波导信息网基站，波导信息网移动站，通信单元等部分组成。

下图为裂缝波导管示意以及其传输方式示意图，裂缝波导是个中空的铝制矩形管，在其顶部等间隔开有窄缝，使得在品范围内的微波均匀辐射，在波导上方的适当位置可以接收波导裂缝辐射的信号，接收器通过采集处理信号得到数据。裂缝波导集信号发射，接收，传输功能于一体，信号在裂缝波导内部传输，同时由波导裂缝发射出去，列车信号接收装置接收到由裂缝辐射出去的信号时，裂缝波导也接受到列车的信号并传回轨旁ATP/ATO。

波导信息网基站一般位于离波导不远的地方，主要由下列设备构成：无源滤波器，无限调制解调器，裂缝波导检测载波发生器，耦合器电源等组成，它是组成波导信息网络单元最基本的部分，是车载移动站进行车地通信的工作站。 下图所示的是波导信息网结构图，它包括波导信息网基站，列车上的波导信息网移动站，轨旁ATP/ATO。轨旁ATP/ATO之间通过区间链路联系起来，当列车行经轨道时，列车上的信号接收装置接收到来自波导裂缝的信号，记录裂缝数目由波导信息网移动站计算出列车速度，位置等信息并传回波导信息网基站，由波导信息网基站在传输到轨旁ATP。轨道上前车与后车通过与轨旁ATP的信息交互，并以此调整列车运行。 列车两端的驾驶室各有一台波导信息网移动站，包括车载无线电台，车载ATP设备，信标接收天线，车载计算机等，作为移动工作站，主要负责：无线网络连接，获得位置信息，列车速度计算，控制区交界通信，与车站计算机交换信息，数据记录及处理等。

通信单元主要由裂缝波导，波导同轴变换器，同轴电缆，波导信息网基站，轨旁ATP，区间链路与沿线设备共同组成的一个无线和有线相结合的通信网络。 下图为通信单元的结构示意图，包括轨旁ATP/ATO所负责区段内的裂缝波导，本区段内的波导信息网基站，上一波导信息网基站和下一波导信息网基站，以及联结轨旁ATP/ATO之间的区间链路。相邻两波导信息网基站之间的间隔为800米，以满足信息网基站服务范围重叠和行车间距适配。