基于移動(dòng)閉塞方式下的列車(chē)定位技術(shù)

1、基于移動(dòng)閉塞方式下的列車(chē)定位技術(shù) 小組成員： 黃釗 王帆 謝桀 楊立彪 第十五組 基于移動(dòng)閉塞方式下的列車(chē)定位技術(shù) 隨著科技和時(shí)代的發(fā)展，城市軌道交通的閉塞方式也逐步由固定閉塞方式發(fā)展到移動(dòng)閉塞方式，這也對(duì)列車(chē)的定位，測(cè)速，通信等提出了更高的要求。城市軌道交通系統(tǒng)中列車(chē)實(shí)時(shí)、精確的定位不僅能夠保證車(chē)輛的行車(chē)安全性，還可以使列車(chē)追蹤間隔小，適應(yīng)大客流重型軌道交通，并且維護(hù)費(fèi)用低等等，最終實(shí)現(xiàn)地鐵系統(tǒng)在保障乘客安全性的前提下運(yùn)送更多乘客的目的。一列車(chē)定位技術(shù)的分類(lèi)及其發(fā)展現(xiàn)狀 列車(chē)定位技術(shù)從設(shè)備安裝的位置上可分為：軌旁型，車(chē)站型和車(chē)載型。從閉塞區(qū)間的移動(dòng)性上可分為：固定閉塞型，準(zhǔn)移動(dòng)閉塞型和移動(dòng)閉

2、塞型。從采取的定位方法上可分為：編碼里程儀、軌道電路、信標(biāo)（應(yīng)答器）、裂縫波導(dǎo)、交叉電纜環(huán)線和無(wú)線擴(kuò)頻等。 發(fā)展現(xiàn)狀：目前，閉塞方式已經(jīng)發(fā)展到移動(dòng)閉塞，傳統(tǒng)的軌道電路，信標(biāo)，編碼里程儀等方式逐步不再適應(yīng)，而且隨著信息和通信技術(shù)的發(fā)展，各種以信息技術(shù)和通信技術(shù)為基礎(chǔ)的新一代列車(chē)定位技術(shù)開(kāi)始發(fā)展起來(lái)并在初步應(yīng)用上取得一定成功。國(guó)外通信行業(yè)的一些大公司在開(kāi)發(fā)自己的ATC系統(tǒng)時(shí)都推出并采用了自己獨(dú)特的定位技術(shù)，比如加拿大阿爾卡特公司的基于交叉感應(yīng)環(huán)線定位技術(shù)，美國(guó)GE公司的基于無(wú)線電臺(tái)通信定位技術(shù)，法國(guó)阿爾斯通公司的基于裂縫波導(dǎo)管無(wú)線傳輸技術(shù)，德國(guó)HHARMON公司的基于無(wú)線擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)。 1.基

3、于交叉感應(yīng)環(huán)線技術(shù)以敷設(shè)在鋼軌間的交叉感應(yīng)環(huán)線作為傳輸媒介的CBTC系統(tǒng)，在城市軌道交通中已應(yīng)用了較長(zhǎng)時(shí)間。交叉感應(yīng)環(huán)線的缺點(diǎn)在于，安裝在鋼軌中間，安裝困難且不方便工務(wù)部門(mén)對(duì)鋼軌的日常維修，車(chē)地通信的速率較低。但由于環(huán)線具有成熟的使用經(jīng)驗(yàn)，壽命長(zhǎng)以及投資少等優(yōu)點(diǎn)，目前仍繼續(xù)得到應(yīng)用。下圖為廣州地鐵線路圖，其中橙色部分為3號(hào)線線路圖，主線為番禹廣場(chǎng)站至天河客運(yùn)站，體育西路至機(jī)場(chǎng)為3號(hào)線支線。廣州地鐵3號(hào)線采用了基于交叉感應(yīng)環(huán)線技術(shù)的移動(dòng)閉塞方式，沿軌道方向鋪設(shè)感應(yīng)環(huán)線，通過(guò)感應(yīng)環(huán)線來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)地通信，完成對(duì)列車(chē)的定位和測(cè)速。以此調(diào)整列車(chē)運(yùn)行。 2.基于無(wú)線電臺(tái)通信技術(shù) 隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，基于自

4、由空間傳輸?shù)臒o(wú)線通信技術(shù)在CBTC系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。無(wú)線的頻點(diǎn)一般采用共用的2.4GHz或5.8GHz頻段，采用接入點(diǎn)（AP）天線作為和列車(chē)進(jìn)行通信的手段，AP的設(shè)置要求保證區(qū)間的無(wú)線重疊覆蓋，自由空間傳輸?shù)臒o(wú)線具有自由空間轉(zhuǎn)播，對(duì)車(chē)載設(shè)備的安裝位置限制少。傳輸速率高，實(shí)現(xiàn)空間的無(wú)線重疊覆蓋，單個(gè)接入設(shè)備故障不影響系統(tǒng)的正常工作。軌旁設(shè)備少，安裝與鋼軌無(wú)關(guān)，方便安裝以及維護(hù)的特點(diǎn)。基于無(wú)線電臺(tái)通信傳輸方式的CBTC系統(tǒng)，目前已在北京地鐵10號(hào)線得到成功應(yīng)用。下圖所示為北京地鐵10號(hào)線一期工程路線示意圖，已在2008年7月實(shí)現(xiàn)通車(chē)。一起線路起點(diǎn)為海淀區(qū)巴溝路巴溝站，向東至三元橋站轉(zhuǎn)向南部至終點(diǎn)站

5、勁松站。全線首次采用基于無(wú)線電臺(tái)通信的移動(dòng)閉塞方式，具有較高的列車(chē)定位精度，依據(jù)列車(chē)速度曲線實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定點(diǎn)停車(chē)。有效縮短了發(fā)車(chē)時(shí)間間隔，提高運(yùn)行效率。10號(hào)線二期工程將聯(lián)通巴溝站和勁松站，構(gòu)成環(huán)形線路，預(yù)計(jì)今年年底將投入運(yùn)營(yíng)。3.基于裂縫波導(dǎo)管無(wú)線傳輸技術(shù) 采用波導(dǎo)系統(tǒng)作為車(chē)地雙向傳輸媒介，采用沿線鋪設(shè)的裂縫波導(dǎo)及與波導(dǎo)連接的無(wú)線接入點(diǎn)作為軌旁與列車(chē)的雙向傳輸通道。該系統(tǒng)的波導(dǎo)系統(tǒng)具有通信容量大，可在隧道及彎曲通道中傳輸，干擾及衰耗小，無(wú)其他車(chē)輛引起的傳輸反射，可在密集城區(qū)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。波導(dǎo)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是傳輸速率大，可滿足列車(chē)控制系統(tǒng)的需要。波導(dǎo)的缺點(diǎn)在于安裝困難，需要全線安裝波導(dǎo)管，安裝維護(hù)復(fù)雜

6、且造價(jià)較高。 北京地鐵2號(hào)線，機(jī)場(chǎng)線均采用裂縫波導(dǎo)管傳輸技術(shù)。 下圖所示為北京地鐵機(jī)場(chǎng)線線線路圖。機(jī)場(chǎng)線起點(diǎn)為東直門(mén)，經(jīng)三元橋終點(diǎn)站分別為國(guó)際機(jī)場(chǎng)和3號(hào)航站樓，東直門(mén)至三元橋段為地下線路，出四環(huán)后進(jìn)入地面線路。線路采用基于裂縫波導(dǎo)管無(wú)線傳輸?shù)囊苿?dòng)閉塞方式，以裂縫波導(dǎo)為信息傳輸媒介，實(shí)現(xiàn)列車(chē)與地面的實(shí)時(shí)雙向通信，并對(duì)列車(chē)進(jìn)行高精度定位。在滿足高速，安全快捷的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高頻率發(fā)車(chē)，提高運(yùn)輸效率。 4.基于無(wú)線擴(kuò)展頻譜通信技術(shù) 基于無(wú)線擴(kuò)展頻譜的通信技術(shù)的ATC系統(tǒng)時(shí)利用車(chē)站，軌旁，和列車(chē)上的擴(kuò)頻電臺(tái)，一方面通過(guò)這些電臺(tái)在列車(chē)和控制中心之間傳遞安全信息，另一方面也利用他們對(duì)列車(chē)進(jìn)行定位。列車(chē)的位置是

7、通過(guò)接收軌旁電臺(tái)的信號(hào)計(jì)算出來(lái)的。2 交叉感應(yīng)環(huán)線定位技術(shù)原理剖析1.定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 基于交叉感應(yīng)環(huán)線的ATC定位系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可分為車(chē)載定位設(shè)備和地面定位設(shè)備兩部分，車(chē)載定位設(shè)備主要包括車(chē)軸上的測(cè)速電機(jī)，信號(hào)接收感應(yīng)器，車(chē)載ATP計(jì)算機(jī)，車(chē)地通信設(shè)備等。地面設(shè)備即鋪設(shè)在軌道下方的感應(yīng)電纜，中繼器。由車(chē)載設(shè)備和地面設(shè)備組合起來(lái)共同建立一個(gè)列車(chē)位置信息數(shù)據(jù)庫(kù)，車(chē)載ATP計(jì)算機(jī)接受數(shù)據(jù)庫(kù)的信息并計(jì)算列車(chē)實(shí)時(shí)位置和速度等參數(shù)，在經(jīng)過(guò)道岔，曲線時(shí)，結(jié)合車(chē)軸上的測(cè)速電機(jī)所傳來(lái)的信息對(duì)列車(chē)速度和距離等信息進(jìn)行修正，并將信息通過(guò)車(chē)地通信設(shè)備傳輸給地面ATP設(shè)備。列車(chē)的定位精度由環(huán)線交叉點(diǎn)數(shù)量，測(cè)速電機(jī)精度等確定

8、，列車(chē)向地面ATP報(bào)告的位置由列車(chē)實(shí)測(cè)位置，列車(chē)前端位置，列車(chē)后端位置組成。（如上圖所示）。控制中心設(shè)備、軌間設(shè)備聯(lián)系用控制中心和沿線設(shè)置的若干個(gè)中繼器兩級(jí)控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。中繼器是控制中心與軌間電纜的中間環(huán)節(jié)，它的功能是把控制中心的命令通過(guò)軌間電纜傳遞給機(jī)車(chē)，將機(jī)車(chē)信息傳輸給控制中心，控制中心與軌間電纜之間的信息交換，包括頻率變換、電平變換、功率放大等都是通過(guò)中繼器來(lái)完成的。一個(gè)中繼器最多可控制128個(gè)電纜環(huán)路。2.定位原理 在軌道中央沿軌道方向鋪設(shè)兩根感應(yīng)環(huán)線電纜，電纜由銅絞線和外部的絕緣與非屏蔽保護(hù)層組成，這些電纜在軌旁環(huán)線通信設(shè)備中作為信號(hào)的接收和發(fā)射天線，與列車(chē)上的接收和發(fā)射天線實(shí)時(shí)

9、通信，電纜每隔25米進(jìn)行一次交叉，在軌間電纜激勵(lì)端輸入某一頻率的信號(hào)，列車(chē)上的車(chē)載信號(hào)裝置就會(huì)接收到同頻率的信號(hào)（如上圖所示），而且列車(chē)所接收到的的信號(hào)幅值和相位將會(huì)隨列車(chē)位置的改變而改變，當(dāng)列車(chē)行經(jīng)電纜的交叉點(diǎn)時(shí)，列車(chē)上車(chē)載信號(hào)裝置所接收到的信號(hào)相位就會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)車(chē)載信號(hào)接收裝置所接收到的信號(hào)相位變化次數(shù)，就可以計(jì)算出列車(chē)位置。 下圖所示的是車(chē)站控制設(shè)備與列車(chē)間通過(guò)感應(yīng)環(huán)線的信息交換。列車(chē)在軌道上行駛，車(chē)載信號(hào)裝置接收來(lái)自感應(yīng)環(huán)線的信號(hào)，并以此計(jì)算自身位置，速度等參數(shù)，同時(shí)感應(yīng)環(huán)線作為信號(hào)接收裝置也接收列車(chē)信號(hào)并將列車(chē)速度，位置等信息通過(guò)軌旁接口傳輸回車(chē)站控制中心的有關(guān)設(shè)備，其中中繼

10、器作為軌旁接口的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，每個(gè)中繼器都負(fù)責(zé)軌道上的一段區(qū)間，區(qū)間長(zhǎng)度為128 * 25 = 3200 m。軌道上的前車(chē)與后車(chē)通過(guò)車(chē)站控制中心設(shè)備交換信息，以此來(lái)調(diào)整列車(chē)運(yùn)行曲線。列車(chē)運(yùn)行具體未知的確定是通過(guò)地址碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通常用14位電碼結(jié)構(gòu)來(lái)表示列車(chē)的位置信息。其中最高位為列車(chē)運(yùn)行方向碼，第1113位為對(duì)應(yīng)中繼器的代碼，第410位為表示列車(chē)處于具體環(huán)路的粗地址碼，當(dāng)列車(chē)每駛過(guò)一個(gè)交叉點(diǎn)時(shí)，利用信號(hào)相位的變化，粗地址碼就會(huì)加1，第13位為細(xì)地址碼，當(dāng)列車(chē)每駛過(guò)25m×1/8，細(xì)地址碼就會(huì)加1。當(dāng)控制中心接收到地址碼后，通過(guò)解碼就會(huì)確定列車(chē)的具體位置。 例如：控制中心收到的地址碼為

11、 0 100 0001011 010解碼：列車(chē)下行方向： 0中繼器代碼： 100 （10進(jìn)制為4）粗地址碼： 0001011 （10進(jìn)制為11），列車(chē)處于第11環(huán)路細(xì)地址碼： 010 （10進(jìn)制為2）， 列車(chē)處于25 * 1/8 * 2 =6.25m處最終定位為： 25 * 128 *4 + 25 * 11 + 25 * 1/8 * 2 = 13081.25m 三裂縫波導(dǎo)定位技術(shù)原理淺析 1.定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于裂縫波導(dǎo)定位系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)由微波裂縫波導(dǎo)，波導(dǎo)信息網(wǎng)絡(luò)，波導(dǎo)信息網(wǎng)基站，波導(dǎo)信息網(wǎng)移動(dòng)站，通信單元等部分組成。 下圖為裂縫波導(dǎo)管示意以及其傳輸方式示意圖，裂縫波導(dǎo)是個(gè)中空的鋁制矩形管，在其頂

12、部等間隔開(kāi)有窄縫，使得在品范圍內(nèi)的微波均勻輻射，在波導(dǎo)上方的適當(dāng)位置可以接收波導(dǎo)裂縫輻射的信號(hào)，接收器通過(guò)采集處理信號(hào)得到數(shù)據(jù)。裂縫波導(dǎo)集信號(hào)發(fā)射，接收，傳輸功能于一體，信號(hào)在裂縫波導(dǎo)內(nèi)部傳輸，同時(shí)由波導(dǎo)裂縫發(fā)射出去，列車(chē)信號(hào)接收裝置接收到由裂縫輻射出去的信號(hào)時(shí)，裂縫波導(dǎo)也接受到列車(chē)的信號(hào)并傳回軌旁ATP/ATO。波導(dǎo)信息網(wǎng)基站一般位于離波導(dǎo)不遠(yuǎn)的地方，主要由下列設(shè)備構(gòu)成：無(wú)源濾波器，無(wú)限調(diào)制解調(diào)器，裂縫波導(dǎo)檢測(cè)載波發(fā)生器，耦合器電源等組成，它是組成波導(dǎo)信息網(wǎng)絡(luò)單元最基本的部分，是車(chē)載移動(dòng)站進(jìn)行車(chē)地通信的工作站。 下圖所示的是波導(dǎo)信息網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，它包括波導(dǎo)信息網(wǎng)基站，列車(chē)上的波導(dǎo)信息網(wǎng)移動(dòng)站，軌

13、旁ATP/ATO。軌旁ATP/ATO之間通過(guò)區(qū)間鏈路聯(lián)系起來(lái)，當(dāng)列車(chē)行經(jīng)軌道時(shí)，列車(chē)上的信號(hào)接收裝置接收到來(lái)自波導(dǎo)裂縫的信號(hào)，記錄裂縫數(shù)目由波導(dǎo)信息網(wǎng)移動(dòng)站計(jì)算出列車(chē)速度，位置等信息并傳回波導(dǎo)信息網(wǎng)基站，由波導(dǎo)信息網(wǎng)基站在傳輸?shù)杰壟訟TP。軌道上前車(chē)與后車(chē)通過(guò)與軌旁ATP的信息交互，并以此調(diào)整列車(chē)運(yùn)行。列車(chē)兩端的駕駛室各有一臺(tái)波導(dǎo)信息網(wǎng)移動(dòng)站，包括車(chē)載無(wú)線電臺(tái)，車(chē)載ATP設(shè)備，信標(biāo)接收天線，車(chē)載計(jì)算機(jī)等，作為移動(dòng)工作站，主要負(fù)責(zé)：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接，獲得位置信息，列車(chē)速度計(jì)算，控制區(qū)交界通信，與車(chē)站計(jì)算機(jī)交換信息，數(shù)據(jù)記錄及處理等。通信單元主要由裂縫波導(dǎo)，波導(dǎo)同軸變換器，同軸電纜，波導(dǎo)信息網(wǎng)基站，軌

14、旁ATP，區(qū)間鏈路與沿線設(shè)備共同組成的一個(gè)無(wú)線和有線相結(jié)合的通信網(wǎng)絡(luò)。下圖為通信單元的結(jié)構(gòu)示意圖，包括軌旁ATP/ATO所負(fù)責(zé)區(qū)段內(nèi)的裂縫波導(dǎo)，本區(qū)段內(nèi)的波導(dǎo)信息網(wǎng)基站，上一波導(dǎo)信息網(wǎng)基站和下一波導(dǎo)信息網(wǎng)基站，以及聯(lián)結(jié)軌旁ATP/ATO之間的區(qū)間鏈路。相鄰兩波導(dǎo)信息網(wǎng)基站之間的間隔為800米，以滿足信息網(wǎng)基站服務(wù)范圍重疊和行車(chē)間距適配。2.定位原理基于裂縫波導(dǎo)定位系統(tǒng)，采用沿軌道鋪設(shè)裂縫波導(dǎo)的方式，以波導(dǎo)信息網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線擴(kuò)頻電臺(tái)為基礎(chǔ)，采用TDMA（Time Division Multiple Access）多址通信方式，有線與無(wú)線相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)列車(chē)與軌旁設(shè)備連續(xù)的雙向通信及列車(chē)定位功能。裂縫波

15、導(dǎo)是基礎(chǔ)核心元件之一，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行時(shí)，位于列車(chē)上的車(chē)載信號(hào)接收天線將會(huì)接收到來(lái)自波導(dǎo)裂縫所輻射的信號(hào)并記錄所檢測(cè)的裂縫數(shù)目，通過(guò)裂縫數(shù)目來(lái)計(jì)算列車(chē)位置，具體的計(jì)算原理如下： 列車(chē)行駛距離 = 波導(dǎo)裂縫間距 * 相對(duì)起始點(diǎn)開(kāi)始所檢測(cè)的裂縫數(shù)目4 未來(lái)定位技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及前景展望基于移動(dòng)閉塞方式下的ATC系統(tǒng)及其定位方式，由其發(fā)展歷程可看出逐步顯現(xiàn)出以下趨勢(shì)：1. 列車(chē)定位對(duì)精度要求越來(lái)越高。2. 隨著通信技術(shù)的發(fā)展，列車(chē)定位要求大容量，高頻率車(chē)地信息傳輸。3. 設(shè)備集成越來(lái)越高，逐步減少對(duì)軌旁設(shè)備的依賴4. 網(wǎng)絡(luò)化。地面局域網(wǎng)，廣域網(wǎng)，車(chē)地之間的無(wú)線通信網(wǎng)將軌道交通的控制中心，車(chē)站，列車(chē)連接成一個(gè)有

16、機(jī)整體，使指揮中心能靈活的處理各種情況，合理的統(tǒng)一調(diào)度和配置資源，保證系統(tǒng)的安全，高效運(yùn)行。5. 智能化。使指揮調(diào)度根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況，借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及時(shí)自動(dòng)調(diào)整列車(chē)運(yùn)行，使整個(gè)軌道交通系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)達(dá)到最優(yōu)化并降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度。6. 信息化。能迅速，準(zhǔn)確獲得軌道交通運(yùn)營(yíng)管理的實(shí)時(shí)信息，在保證系統(tǒng)安全，高效運(yùn)行的同時(shí)，大大提高旅客服務(wù)水平。7. 通信信號(hào)一體化，整個(gè)軌道交通系統(tǒng)中通信與信號(hào)的界線逐步發(fā)展為一體化。在前面所提到的各種列車(chē)定位技術(shù)各地的城市軌道交通中都得到了一定程度上的應(yīng)用，但是考慮造價(jià)，維修等諸多方面的因素，也各有優(yōu)缺點(diǎn)，下面我們通過(guò)一個(gè)表格來(lái)做一個(gè)各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比并就發(fā)展?jié)摿ψ龀鲈u(píng)估：優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)發(fā)展?jié)摿徊娓袘?yīng)環(huán)線技術(shù)使用壽命長(zhǎng)，投資較少，技術(shù)成熟維修不便，車(chē)地通信速率較低目前已成熟應(yīng)用，逐步不適應(yīng)定位技術(shù)發(fā)展方向無(wú)線電臺(tái)通信技術(shù)設(shè)備集成度高，軌旁設(shè)備少，維修方便，傳輸速率高，對(duì)車(chē)載設(shè)備安裝位置限制少信號(hào)頻段接近公用信號(hào)頻段，易受干擾（例如深圳Wifi信號(hào)逼停地鐵）設(shè)備集成度高，智能化程度有更好提升空間，發(fā)展?jié)摿?裂縫波導(dǎo)無(wú)線傳輸技術(shù)滿足高速率，大容量車(chē)地通信，抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)衰耗小需全線鋪設(shè)裂縫波導(dǎo)管，工程量大，安裝困難，造價(jià)較高不適應(yīng)發(fā)展趨勢(shì)，不看好發(fā)展前景無(wú)線擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)專用TDMA網(wǎng)信號(hào)頻段，抗干擾能力強(qiáng)，控制車(chē)站擴(kuò)頻信號(hào)重疊，單個(gè)設(shè)備故障