【《列车定位技术概述》6500字】

列车定位技术概述目录TOC\o"1-3"\h\u16849列车定位技术概述 1308391.1技术要求确定 1284721.2具有代表性列车的定位方式及特点 160921.2.1以轨道电路为基础的列车定位方式 183741.2.2以计轴器为基础的列车定位方式 3170151.2.3以测速定位为基础的列车定位 467651.2.4以应答器为基础的列车定位方式 6171031.2.5以感应环线为基础的列车定位方式 7166501.2.6基于无线扩频的列车定位 819531.2.7以惯性列车为基础的列车定位 91.1技术要求确定精准性：精准性技术要求分为两个方面，其一是针对相同轨道中列车纵向定位，其二是针对不同轨道中列车横向定位。持续性：定位一定要确保持续性提供，即具有良好的时间可用性。覆盖性：列车在任意区域行驶，ATC都能够获取其持续性定位信号，即具备优良的空间可用性。可靠性和安全性：定位系统与子系统之间互相独立，运行能够保证持续性进行，可以对自身故障进行检测并报告。可维护性：对于预防和校正维护等必须要考虑周全，保证其生命周期成本得到最有效的控制。故障-安全性：如果系统故障发生，对于“无车”通报无法检测，不过必然要确保有应急方案以确保其运行安全。1.2具有代表性列车的定位方式及特点1.2.1以轨道电路为基础的列车定位方式轨道电路导体为线路中2个钢轨，加上信号发送与接收设备通过引接线相连形成电气回路[5]。接收端设备通常为继电器，即轨道继电器，用于轨道电路信号电流的接收。轨道电路分成两种，即绝缘和非绝缘。对于第一类来说钢轨要断开，完成绝缘节安装，显然长钢轨线路应用效果并不好，同时维修量很大，系统整体安全水平下降。目前，在城市轨道交通正线信号系统中，广泛采用“S棒”无绝缘轨道电路。在线路设计时，根据用户对列车运行密度的要求，采用“S棒”无绝缘轨道电路将线路总体划分成多个区段，并对全部区段完成编号。数字化描述线路设备与地形以后，得到线路图并存储在车载计算机中。如图1.1所示。图1.1轨道电路设计图轨道电路处于无列车且钢轨完整的装填下，继电器会吸起，轨道电路为调整状态，代表区段并无列车行驶。列车行驶到区段内后，轨道电路电流被列车轮对分路，因为继电器线圈电阻与轮对电阻相比，前者非常大，因此继电器电流大幅度降低，继电器就会下落，此时轨道区段有列车行驶，为分路状态。如果钢轨断开则轨道电路状态为短路，这种状态下继电器也是下落的，不过这种情况为故障的一种。轨道区段划分长度决定列车定位精准性，通常划分长度会比列车总长度要长。所以，列车定位通过轨道电路实现，则移动闭塞不能实现。不过轨道电路定位的优势在于可靠安全、便捷且更加经济，在定位的同时还能对线路完整性进行检查。所以轨道交通线路最初都是通过这种定位方式以实现固定闭塞的。1.轨道电路定位方式优势主要有以下几个方面：（1）定位方式原理非常简单，并且具有很高的安全性，在定位的同时还能对线路完整性进行检查。（2）这种定位方式传输信息是通过钢轨来实现的，这一通道同时还能够作为传输ATC信息的通道，设备方面更加节约，而且具有很强的性价比。（3）技术更为成熟。这种方式是当前应用最久也是最广泛的一种，多年发展和改进过程中，其维护与建设方面的经验非常丰富。（4）适用于复杂恶劣的环境，如地下和隧道中适用性都很好。（5）速度对这种定位方式不产生影响，无论是慢速还是快速都能够应用。1.轨道电路定位方式的不足：（1）偏大的定位误差。轨道电路长度决定其定位精准性，因此误差较大，移动闭塞不能实现[6]。（2）传输距离约束性大。信息传输频率和电气特征之间存在联系，传输耗损随着频率的提升而增大，传输距离就更小。（3）维护设备工作量巨大。通常来说继电器可使用次数大概平均只有一万次，所以维护量大其费用高。对其电气特征要确保，因此也要多次调节和测试。1.2.2以计轴器为基础的列车定位方式道床条件对于轨道电路有很大影响，例如隧道环境湿度很高就会使道床电阻大幅度降低，红光带就会形成，红光带实际上与轨道电路短路等效。然而钢轨生锈使其短路不能发生。与此同时，电力机车变流控制技术水平不断提升，轨道电路受到牵引电流高次谐波的更大影响，所以轨道电路的定位方法显然已经不再适用。以计轴器为基础的列车定位方式，要对区段出入口进行检测，将计轴器分别设定，其原理和功能如下图所示：图1.2原理和系统功能示意图每套计轴器中磁头都是2个，同时配置发送头与接收头各一个；列车行驶到该区段后，车轮达到计轴器A后，通过电子连接箱将车轴脉冲传递给计算机主机，主机会对车轴数进行计算；同理，车轮达到计轴器B后，计轴器B通过电子连接箱将车轴脉冲传递给计算机主机，计轴累计或递减均是计算机主机系统来确定的。区段状态（占用或者空闲）是通过区段出入口轴数对比结果来确定的，输入轴数比输出轴数大为占用状态，二者相等则为空间状态。列车行驶到该区段后，计轴器A记录列车轴数N，此时计轴器B计数是0，所以区段占用状态信息发送给主机系统，轨道继电器下落；当列车离开该轨道区段后，计轴器B记录列车轴数也是N，和计轴器A计数相等，因此为空间状态，将此信息传输给主机系统，继电器就会吸起。依据占用状态实现固定闭塞。将2个关联紧密的冗余车轮辨识设备安装在每个计轴点，依据车轮经过计轴点顺序就能够对列车行驶方向进行判定。2个计轴器轮对数如果不相等，说明计轴器发生故障，以故障-安全准则为基础，轨道区段为占用状态。计轴设备与轨道电路两种方式的共同点在于安全性很高，不过计轴设备定位不够精准，对比来看计轴系统在恶劣环境中适用性更好，但要注意一点,计轴系统受干扰问题需要解决，而且多点计轴系统的“复原”处置也要处理。计轴器同样要对轨道分为多个区段，区段长度会影响列车定位方法的精准性，移动闭塞无法实现。轨道交通将计轴器定位作为CBTC系统备用定位方法。计轴定位方式优势主要有以下几个方面：1.这种定位方法最重要的就是计轴点的可靠性，计轴点对于快速行驶列车的磁轨制动的磁干扰、牵引电流和机械应力等要更好的适应。1.安全性高，但定位精度较差，通常与测速装置结合使用。3.适应各种环境，维护量很小；不过不能对断轨故障进行检测，也无法充当车-地通信通道。1.2.3以测速定位为基础的列车定位城市轨道交通线路上广泛地应用了此定位方法进行辅助。这种方式简单来说就是对于行使列车实时速度持续性的测量，对即时速度积分运算以获取行驶距离。这种定位方法的测量方式主要有下面两种：1.轮速里程表测量方法原理：将旋转式光栅安装在车轮外面，行驶过程中，光栅在轮轴转动作用下也会转动；将光电传感器与发光装置分别在光栅两面安装，光栅转动下发光装置光脉冲信号会被光电传感器接收并向电脉冲信号转变，向车载计数器传送，这样脉冲信号计数就实现了；根据脉冲信号次数对车轮即时转角进行判定，进而对位移进行计算。这种方式的优势在于：简单方便、实现难度非常小。这种方式的不足在于：如果车轮发生滑行、空转或者磨损等问题，这种方法的误差就会较大；与此同时，定位是针对相对位置而说，所以这种方式要和绝对定位方法配合应用。1.多普勒雷达测量方法奥地利物理学家多普勒指出，观察者与光源相对运动对物体辐射频率与波长会产生影响并发生改变。于1942年提出了多普勒效应。这种测量方法是通过列车发射超声波到地面形成多普勒效应原理实现的。以多普勒效应原理为基础，移动物体运动使其发出超声波频率改变，这就是多普勒频移，计算方法如下：(1.1)式中信号发射源频率用表示，单位为Hz；接收频率用表示，单位为Hz；空气介质下声波传播速度用表示；移动体运动速度用表示，单位为m/s。将多普勒计程仪安装在列车中，会将超声波发送给地面，地面再次反射回来，这样往返过程都存在多普勒效应，由此往返2次频移就能够计算出来，公式如下面所示：(1.2)公式中反射信号频率用表示，2次多普勒频移用表示。声波发射到前下方是以俯角进行，所以以上公司需改成：(1.3)公式中列车水平速度用表示；在超声波传播方向列车行驶速度的分量用表示。假设c、和都是已知的，那么多普勒频移经过以上方法就能够计算出来，这样列车速度就能够获取到，然后利用求得的列车速度对时间进行积分运算，这样列车行驶里程就能够计算出来。这种方法的优势在于：对于车轮滑行、空转或者磨损等问题导致的误差能够有效避免，速度测量能够保证持续性；这种方法的不足在于：与脉冲速度传感器的应用对比来看，这种方法复杂度更高，在地面平整度不好的情况下点播散射就会更加严重，此时测量会更难。3.测速发电机测速发电机安装在车轮外侧，发电机形成列车速度和交流电压频率，也就是主轮转速为正比例。通过频率转变为电压，实现雷车实际行驶速度向电压的转变。对于测速发发电机形成频率的计算方法可利用下面公式实现：(1.4)式中—测速发电机产生的频率；—移动体运行速度(km/h)=(m/s)；—发电机的齿数；—车轮直径。采用频率一电压变换装置，测速发电机的输出电动势和列车速度成线性关系，即，是常数。列车运行方向改变时，输出电动势的极性相应改变。对于频率改变的电路中发电机线圈断线进行检查，保证行驶速度是0也能够具有相应频率，以此来对机车故障与机车速度为0进行区分。如果频率等于0的状态下线圈断开，机车可自行停止行驶或者报警，以确保列车运行安全。这种定位方式通常为辅助性作用。在区段内列车位置是在开始还是结束位置通过轨道电路定位方法是不能判定的，区段长度会导致轨道电路定位方法较大误差。一般将实时行驶速度引入进来以获取到更为准确的定位信息。测速信息引入以后，定位误差也能得到有效控制。当前测量列车行驶速度的方法中，借助车轮转动速度测量进而将其转变为列车直线速度的方法应用最为广泛。车轮没运动一圈则编码里程计输出脉冲为64个或者128个。这个数量越多，则距离和速度的测量精确度也就更高。列车运动速度单位时间内编码里程计输出的脉冲数（/编码里程计每周输出的脉冲数）。列车运动距离编码里程计输出的脉冲数（/编码里程计每周输出的脉冲数）。公式中车轮直径用表示，的范围是770mm--840mm。由于列车周而复始地运动，车轮轮径不断磨损，所以为变量，需要对其顶级或者不定期的调整，以实现对轮径补偿值的确定。这种定位方式在增量式相对定位方法中具有代表性，不过具有累计误差，如果对于定位精准度要求很高，那么要和其他定位方法配合应用进行定位的校准，比如用应答器。1.2.4以应答器为基础的列车定位方式车载查询器、LEU和地面应答器等共同构成应答器。通常在一根钢轨外面或者两个钢轨之间安装地面应答器。车头与车尾的底部安装车载查询器。应答器有无源和有源两种类型。连续列车自动控制系统精准定位可通过应答器来实现，此时其内部保存信息为固定的，还能够作为辅助定位或者列车检测设备等，将各种信息向列车进行传输，所以信号机和接口连接要利用LEU实现。地面应答器将地理信息进行存储，承载查询器在上面经过后会对其内部存储的信息进行读取，这样线路中列车准确定位就能够获取到，当然随着地面应答器数量的增多其定位信息就更加精准，欧洲地面应答器大概三到五米就安装一个，从经济角度来看，可以通过地面应答器进行校正，将累计误差进行去除，这样地面应答器安装数量得以减少，投入资金也能得到更好控制。应答器定位法是一种精确定位方法，轨旁要设置一定数量的应答器，会增加系统的硬件投入。应答器定位方法的特征：1.对于最初位置能够精准获取。1.可调精度，结合精度要求的差异性对应答器进行安装，不过精度越高对应的成本必然就更多。3.维护量较大，由于应答器安装数量较多，因此所需人力也就更多，线路与设备维修养护难度就会增大。4.可通过查询应答器实现定位，还能够充当传输点式信息的通道，并且实现车-地通讯。1.2.5以感应环线为基础的列车定位方式沿钢轨铺设交叉感应环线即为轨道感应环线，将感应线圈在列车中安装。在地面的感应环线内会有特定频率电信号，列车运行状态下，列车和地面的线圈会发生电磁耦合效应，这样数据与信号的交换就得以实现。轨道感应环线2个电缆在指定间距就会进行交叉，如图1.3，图1.4所示，城市轨道交通通常每次交叉之间间距为25米。结合交叉点能够将列车位置信息进行计算出来。对于感应环线，我们可以将其视为天线，每次列车经过交叉点利用信号极性的改变都能够完成列车实际位置的计算，误差能够利用列车转速变换的里程记录完成校正。图1.3交叉感应环线定位原理图1图1.4交叉感应环线定位原理图21.2.6基于无线扩频的列车定位工作原理：将中心控制站和测距基站在地面进行设定，无线扩频通信发射机安装在列车两侧，发射机将定位信息发送给测距基站，接收成功以后通过DSP信息处理技术对伪距进行计算。同时利用无线链路将其传输给地面中心控制站实现处理信息的目的。在电子地图中展示对应的定位信息，通过无线方式向列车传输。定位系统由发送和接收两个部分构成，发射电路和接收电路分别为车载部分模块和地面部分模块[7]。列车头部与尾部安装无线扩频设备，实现冗余通信，同时前后扩频设备的定位都是能够独立实现的。所有列车车站的无线接收装置都是两个，在车站两侧进行设置。或者沿着轨道侧面将无线接收装置进行安装，这样列车在任意沿线位置，列车的头部与尾部无线接收装置都是在无线装置射频信号范畴之内。以轨旁定位能够保证所有轨道旁无线接收装置最少可以和上下行列车两个无线电台完成通讯，使列车追踪与控制多重机会更多。轨道旁无线电台将车站控制信息传输给列车中安装的无线接收装置，这样控制信息就能够被列车中的无线接收装置获取到。解调后发射与接收设备间距获取到。车载无线通信装置将测量距离和列车状态等信息进行发送，这些信息由轨旁无线接收装置接收，并且将其和车载无线发射设备之间的间距进行测量。以上过程中列车会通过安全速度完成编码。利用这种定位方法时，测距工作是由轨旁与车载的无线通信装置配合共同实现的。车载无线装置、无线总站与分站共同构成无线扩频系统。无线总站与分站都是在地面安装，其中无线分站即为测距基站。在CBTC控制中心安装无线总站，其主要作用是作为控制中心与分区的通讯接口，无线分站在控制分区进行安装，其作用是定位信息发送，完成控制中心与控制分区以及列车与地面之间的通信。无线扩频通信发射装置安装在列车头尾的位置，负责将定位数据传输给地面无线分站，无线分站将定位数据获取到以后将距离计算出来，再想控制中心传输并完成处理，并在电子地图中展示出来，同时利用无线方法向列车传输。这种定位方法精准度更高，不过投入资金也较高。无线扩频定位的特点：1.无线扩频定位系统主要由车载设备和地面装置共同组成，地面基站将测距定位获取到以后向列车控制中心传输，因此定位精准性会受到轨旁接入点的几何位置的很大影响。1.轨道交通在干扰作用下会受到很大负面影响。对于无线扩频定位信息会产生负面影响，轨道交通并非只有一种无线通信，是多种同时存在，若其他用户或人