城市轨道交通的列车定位技术.doc

城市轨道交通的列车定位技术【摘要】实时、精确地确定列车在线路中的位置是保证安全、发挥效率、提供最佳服务的前提。本文介绍了在城市轨道交通系统中已获得成功应用的各种列车定位方法,并对他们的优缺点进行了比较。由于每种定位技术有其本身固有的缺点，没有一种单一的定位技术可以完全满足城市轨道交通列车定位的发展需求。因此提出城市轨道交通系统中需要综合运用多种定位技术。通过综合运用多种定位技术，取长补短，从而满足城市轨道交通系统对列车定位的需求。关键词:城市轨道交通, 列车定位, 轨道电路, 测速定位，查询应答器，无线扩频，电缆环线，卫星定位在轨道交通行车安全和指挥系统中，列车定位是一项关键性的技术。准确、及时地获取列车位置信息，是列车安全、有效运行的保障。1 城市轨道交通定位技术的基本功能和作用1）列车定位系统的基本功能：能够在任何时刻、任何地方按要求确定列车的位置，包括列车行车安全的相关间隔、速度；对轨旁设备和车载设备等资源进行分配和故障诊断；在局部出现故障时，能够在满足一定精度要求的前提下，降级运行。列车定位方式按照空间可用性分为离散方式、连续方式和接近连续方式。按照产生定位信息的不同部分分为完全基于轨旁设备的方式、完全基于车载设备的方式和基于轨旁设备和车载设备的方式。2）列车定位技术在现代轨道交通行车安全和指挥系统中的作用主要体现在以下几个方面：为保证安全列车间隔提供依据；在某些ATC系统中，提供区段占用出清信息，作为转换轨道检测信息和速度控制信息发送的依据；为列车自动防护(ATP)子系统提供准确位置信息。作为列车在车站停车后打开车门以及站内屏蔽门的依据；为列车自动运行(ATO)子系统提供列车精确位置信息，作为列车计算速度曲线，实施速度自动控制的主要参数；为列车自动监控(ATS)子系统提供列车位置信息，作为显示列车运行状态的基础信息；在某些CBTC系统中，作为无线基站接续的依据；在高速磁悬浮交通中。提供位置信息，作为道岔控制、定子绕组供电接续的依据等。2 国内外轨道交通主要的列车定位技术1）无绝缘音频轨道电路法音频无绝缘轨道电路采用自然衰耗、短路线法等电气方法实现轨道区段的分割。目前广为采用的是S型连接音频轨道电路。S型音频轨道电路确保相邻轨道区段的信号互不干扰，同时平衡两条钢轨的牵引回流。在同一区段的音频信号发送端和接收端，由电容器c与两段钢轨组成调谐于某以轨道信号载频的Lc并联谐振电路，从而使得该载信号能够被加在区段上，并被选择接收。2）测速定位法在轨道电路定位法和计轴器定位法中，车在区间的始端还是终端是无法判断的，对列车定位时的最大误差就是一个区段的长度。为了得到较为准确的位置信息，在计算具体位置信息时通常要引入列车的即时速度信息。引人测速信息后大大减小了定位的误差。目前使用较多的列车测速一般是：通过测量车轮转速，然后将车轮转速换算为列车直线速度。3）查询应答器法查询应答器是铺设在轨道中央，能够给列车提供位置、路况等信息的装置，分为有源和无源2种。它可以用作连续式列车速度自动控制系统的列车精确定位设备，也可以用作点式列车速度自动控制系统的列车检测、定位辅助设备。显然采用这种方法，想要准确定位就必须在轨道上设置大量的应答器。4）无线扩频定位在地面设置测距基站和中心控制站，在列车二端安装无线扩频通信发射机，发射机向地面测距基站发射定位信息，测距基站收到定位信息后计算出伪距，送至中心控制站进行信息处理，其结果显示在电子地图上，并以无线方式传递到机车上。采用这种方式定位比较精确，但价格较高。5）电缆环线定位技术 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，中央回线就象一个天线。当列车驶过一个交叉点时，利用信号极性的变化引发地址码加l，由机车控制中央根据地址码计算出列车的地理位置，并对从列车转速转化的里程记录进行误差修正。由于感应回线是列车与地面之间的信息通道，利用极性交叉这种方法一方面可实现列车的定位，另一方面也起到了抗牵引电流干扰的作用。感应回线车载传感器法在德国、西班牙的高速铁路，以及美国旧金山MunlsATCS系统等很多地方广泛应用。6）全球卫星定位法(Global Positioning System简记为GPS)GPS由位于地球上空24颗卫星和监视管理这群卫星的5个地面站组成。这些卫星用原子钟作为标准时间，24h连续向地球播发精确的时间及位置信息。配有GPS接收机的用户，可在地球上任何地方、任何时刻收到卫星播发的信息，通过测量卫星信号发射和接收的时间间隔，计算出用户至卫星的距离，然后根据4颗卫星的数据，即可实时地确定用户所在地理位置。3 几种典型定位法的优缺点比较轨道电路定位方式的优点是经济、方便、可靠性高,既可以实现列车定位,又可以检测轨道的完好情况;缺点是定位精度取决于轨道电路的长度,不精确,无法构成移动闭塞。查询应答器定位方式的优点是在地面应答器安装点的定位精度较高,在复线铁路上可以正确区分列车的行驶股道,维修费用低、使用寿命长且能在恶劣条件下稳定工作;缺点是只能给出点式定位信息,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,缺点是存在累计误差,在定位精度要求较高的地点,需要用其他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,但需要在沿线设置专用扩频基站,投资成本较高。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增大。利用GPS 实现列车定位,优点是设备简单、成本低、体积小、维护方便;缺点是目前运动定位精度远低于静止定位精度, 当可捕获卫星的数目少于4颗，将导致定位精度显著下降，甚至无法应用。在并行线路上易发生认错股道的现象,在周围阻挡物多的地方(例如城市、树林、山区等)列车的定位精度受到影响,在隧道等区段存在定位盲区,并且易受到美国卫星政策的影响。我国自主研制的“北斗一号”卫星导航系统已正式投入运行,系统定位精度为20 m ,定位数据响应时间小于2 s ,捕获时间小于2 s。利用“北斗一号”进行列车定位的优点是具有自主产权,不受制于国外卫星系统;缺点是定位精度较低,定位响应时间较慢,且采用交互式定位,保密性不理想。4 有关结论由于单一的定位系统偶然的故障会导致整个系统无法正常工作，甚至会给重要的系统造成灾难性的后果；而且每一种定位的方法总有其固有的缺点，单一的定位方法无法在定位的精度、可靠性和代价之间作到很好的平衡，而多种定位技术集成的优势在于能通过冗余、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、造价等方面作到一定的平衡。例如，基于测速的列车定位法在轮径变化、打滑或空转时,存在累计误差,此时可以通过加查询应答器纠