基于移動閉塞方式下的列車定位技術(shù)

1、基于移動閉塞方式下的列車定位技術(shù) 小組成員： 黃釗 王帆 謝桀 楊立彪 第十五組 基于移動閉塞方式下的列車定位技術(shù) 隨著科技和時代的發(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)展到移動閉塞方式，這也對列車的定位，測速，通信等提出了更高的要求。城市軌道交通系統(tǒng)中列車實時、精確的定位不僅能夠保證車輛的行車安全性，還可以使列車追蹤間隔小，適應大客流重型軌道交通，并且維護費用低等等，最終實現(xiàn)地鐵系統(tǒng)在保障乘客安全性的前提下運送更多乘客的目的。一列車定位技術(shù)的分類及其發(fā)展現(xiàn)狀 列車定位技術(shù)從設備安裝的位置上可分為：軌旁型，車站型和車載型。從閉塞區(qū)間的移動性上可分為：固定閉塞型，準移動閉塞型和移動閉

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（應答器）、裂縫波導、交叉電纜環(huán)線和無線擴頻等。 發(fā)展現(xiàn)狀：目前，閉塞方式已經(jīng)發(fā)展到移動閉塞，傳統(tǒng)的軌道電路，信標，編碼里程儀等方式逐步不再適應，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)為基礎的新一代列車定位技術(shù)開始發(fā)展起來并在初步應用上取得一定成功。國外通信行業(yè)的一些大公司在開發(fā)自己的ATC系統(tǒng)時都推出并采用了自己獨特的定位技術(shù)，比如加拿大阿爾卡特公司的基于交叉感應環(huán)線定位技術(shù)，美國GE公司的基于無線電臺通信定位技術(shù)，法國阿爾斯通公司的基于裂縫波導管無線傳輸技術(shù)，德國HHARMON公司的基于無線擴展頻譜通信技術(shù)。 1.基

3、于交叉感應環(huán)線技術(shù)以敷設在鋼軌間的交叉感應環(huán)線作為傳輸媒介的CBTC系統(tǒng)，在城市軌道交通中已應用了較長時間。交叉感應環(huán)線的缺點在于，安裝在鋼軌中間，安裝困難且不方便工務部門對鋼軌的日常維修，車地通信的速率較低。但由于環(huán)線具有成熟的使用經(jīng)驗，壽命長以及投資少等優(yōu)點，目前仍繼續(xù)得到應用。下圖為廣州地鐵線路圖，其中橙色部分為3號線線路圖，主線為番禹廣場站至天河客運站，體育西路至機場為3號線支線。廣州地鐵3號線采用了基于交叉感應環(huán)線技術(shù)的移動閉塞方式，沿軌道方向鋪設感應環(huán)線，通過感應環(huán)線來實現(xiàn)車地通信，完成對列車的定位和測速。以此調(diào)整列車運行。 2.基于無線電臺通信技術(shù) 隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，基于自

4、由空間傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)在CBTC系統(tǒng)中得到了應用。無線的頻點一般采用共用的2.4GHz或5.8GHz頻段，采用接入點（AP）天線作為和列車進行通信的手段，AP的設置要求保證區(qū)間的無線重疊覆蓋，自由空間傳輸?shù)臒o線具有自由空間轉(zhuǎn)播，對車載設備的安裝位置限制少。傳輸速率高，實現(xiàn)空間的無線重疊覆蓋，單個接入設備故障不影響系統(tǒng)的正常工作。軌旁設備少，安裝與鋼軌無關(guān)，方便安裝以及維護的特點?；跓o線電臺通信傳輸方式的CBTC系統(tǒng)，目前已在北京地鐵10號線得到成功應用。下圖所示為北京地鐵10號線一期工程路線示意圖，已在2008年7月實現(xiàn)通車。一起線路起點為海淀區(qū)巴溝路巴溝站，向東至三元橋站轉(zhuǎn)向南部至終點站

5、勁松站。全線首次采用基于無線電臺通信的移動閉塞方式，具有較高的列車定位精度，依據(jù)列車速度曲線實現(xiàn)精準定點停車。有效縮短了發(fā)車時間間隔，提高運行效率。10號線二期工程將聯(lián)通巴溝站和勁松站，構(gòu)成環(huán)形線路，預計今年年底將投入運營。3.基于裂縫波導管無線傳輸技術(shù) 采用波導系統(tǒng)作為車地雙向傳輸媒介，采用沿線鋪設的裂縫波導及與波導連接的無線接入點作為軌旁與列車的雙向傳輸通道。該系統(tǒng)的波導系統(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，無其他車輛引起的傳輸反射，可在密集城區(qū)傳輸?shù)忍攸c。波導的另一個優(yōu)點是傳輸速率大，可滿足列車控制系統(tǒng)的需要。波導的缺點在于安裝困難，需要全線安裝波導管，安裝維護復雜

6、且造價較高。 北京地鐵2號線，機場線均采用裂縫波導管傳輸技術(shù)。 下圖所示為北京地鐵機場線線線路圖。機場線起點為東直門，經(jīng)三元橋終點站分別為國際機場和3號航站樓，東直門至三元橋段為地下線路，出四環(huán)后進入地面線路。線路采用基于裂縫波導管無線傳輸?shù)囊苿娱]塞方式，以裂縫波導為信息傳輸媒介，實現(xiàn)列車與地面的實時雙向通信，并對列車進行高精度定位。在滿足高速，安全快捷的同時，實現(xiàn)高頻率發(fā)車，提高運輸效率。 4.基于無線擴展頻譜通信技術(shù) 基于無線擴展頻譜的通信技術(shù)的ATC系統(tǒng)時利用車站，軌旁，和列車上的擴頻電臺，一方面通過這些電臺在列車和控制中心之間傳遞安全信息，另一方面也利用他們對列車進行定位。列車的位置是

7、通過接收軌旁電臺的信號計算出來的。2 交叉感應環(huán)線定位技術(shù)原理剖析1.定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 基于交叉感應環(huán)線的ATC定位系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可分為車載定位設備和地面定位設備兩部分，車載定位設備主要包括車軸上的測速電機，信號接收感應器，車載ATP計算機，車地通信設備等。地面設備即鋪設在軌道下方的感應電纜，中繼器。由車載設備和地面設備組合起來共同建立一個列車位置信息數(shù)據(jù)庫，車載ATP計算機接受數(shù)據(jù)庫的信息并計算列車實時位置和速度等參數(shù)，在經(jīng)過道岔，曲線時，結(jié)合車軸上的測速電機所傳來的信息對列車速度和距離等信息進行修正，并將信息通過車地通信設備傳輸給地面ATP設備。列車的定位精度由環(huán)線交叉點數(shù)量，測速電機精度等確定

8、，列車向地面ATP報告的位置由列車實測位置，列車前端位置，列車后端位置組成。（如上圖所示）?？刂浦行脑O備、軌間設備聯(lián)系用控制中心和沿線設置的若干個中繼器兩級控制方式來實現(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軌間電纜傳遞給機車，將機車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中繼器來完成的。一個中繼器最多可控制128個電纜環(huán)路。2.定位原理 在軌道中央沿軌道方向鋪設兩根感應環(huán)線電纜，電纜由銅絞線和外部的絕緣與非屏蔽保護層組成，這些電纜在軌旁環(huán)線通信設備中作為信號的接收和發(fā)射天線，與列車上的接收和發(fā)射天線實時

9、通信，電纜每隔25米進行一次交叉，在軌間電纜激勵端輸入某一頻率的信號，列車上的車載信號裝置就會接收到同頻率的信號（如上圖所示），而且列車所接收到的的信號幅值和相位將會隨列車位置的改變而改變，當列車行經(jīng)電纜的交叉點時，列車上車載信號裝置所接收到的信號相位就會發(fā)生變化，通過檢測車載信號接收裝置所接收到的信號相位變化次數(shù)，就可以計算出列車位置。 下圖所示的是車站控制設備與列車間通過感應環(huán)線的信息交換。列車在軌道上行駛，車載信號裝置接收來自感應環(huán)線的信號，并以此計算自身位置，速度等參數(shù)，同時感應環(huán)線作為信號接收裝置也接收列車信號并將列車速度，位置等信息通過軌旁接口傳輸回車站控制中心的有關(guān)設備，其中中繼

10、器作為軌旁接口的一個關(guān)鍵設備，每個中繼器都負責軌道上的一段區(qū)間，區(qū)間長度為128 * 25 = 3200 m。軌道上的前車與后車通過車站控制中心設備交換信息，以此來調(diào)整列車運行曲線。列車運行具體未知的確定是通過地址碼來實現(xiàn)的，通常用14位電碼結(jié)構(gòu)來表示列車的位置信息。其中最高位為列車運行方向碼，第1113位為對應中繼器的代碼，第410位為表示列車處于具體環(huán)路的粗地址碼，當列車每駛過一個交叉點時，利用信號相位的變化，粗地址碼就會加1，第13位為細地址碼，當列車每駛過25m×1/8，細地址碼就會加1。當控制中心接收到地址碼后，通過解碼就會確定列車的具體位置。 例如：控制中心收到的地址碼為

11、 0 100 0001011 010解碼：列車下行方向： 0中繼器代碼： 100 （10進制為4）粗地址碼： 0001011 （10進制為11），列車處于第11環(huán)路細地址碼： 010 （10進制為2）， 列車處于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)基于裂縫波導定位系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)由微波裂縫波導，波導信息網(wǎng)絡，波導信息網(wǎng)基站，波導信息網(wǎng)移動站，通信單元等部分組成。 下圖為裂縫波導管示意以及其傳輸方式示意圖，裂縫波導是個中空的鋁制矩形管，在其頂

12、部等間隔開有窄縫，使得在品范圍內(nèi)的微波均勻輻射，在波導上方的適當位置可以接收波導裂縫輻射的信號，接收器通過采集處理信號得到數(shù)據(jù)。裂縫波導集信號發(fā)射，接收，傳輸功能于一體，信號在裂縫波導內(nèi)部傳輸，同時由波導裂縫發(fā)射出去，列車信號接收裝置接收到由裂縫輻射出去的信號時，裂縫波導也接受到列車的信號并傳回軌旁ATP/ATO。波導信息網(wǎng)基站一般位于離波導不遠的地方，主要由下列設備構(gòu)成：無源濾波器，無限調(diào)制解調(diào)器，裂縫波導檢測載波發(fā)生器，耦合器電源等組成，它是組成波導信息網(wǎng)絡單元最基本的部分，是車載移動站進行車地通信的工作站。 下圖所示的是波導信息網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，它包括波導信息網(wǎng)基站，列車上的波導信息網(wǎng)移動站，軌

13、旁ATP/ATO。軌旁ATP/ATO之間通過區(qū)間鏈路聯(lián)系起來，當列車行經(jīng)軌道時，列車上的信號接收裝置接收到來自波導裂縫的信號，記錄裂縫數(shù)目由波導信息網(wǎng)移動站計算出列車速度，位置等信息并傳回波導信息網(wǎng)基站，由波導信息網(wǎng)基站在傳輸?shù)杰壟訟TP。軌道上前車與后車通過與軌旁ATP的信息交互，并以此調(diào)整列車運行。列車兩端的駕駛室各有一臺波導信息網(wǎng)移動站，包括車載無線電臺，車載ATP設備，信標接收天線，車載計算機等，作為移動工作站，主要負責：無線網(wǎng)絡連接，獲得位置信息，列車速度計算，控制區(qū)交界通信，與車站計算機交換信息，數(shù)據(jù)記錄及處理等。通信單元主要由裂縫波導，波導同軸變換器，同軸電纜，波導信息網(wǎng)基站，軌

14、旁ATP，區(qū)間鏈路與沿線設備共同組成的一個無線和有線相結(jié)合的通信網(wǎng)絡。下圖為通信單元的結(jié)構(gòu)示意圖，包括軌旁ATP/ATO所負責區(qū)段內(nèi)的裂縫波導，本區(qū)段內(nèi)的波導信息網(wǎng)基站，上一波導信息網(wǎng)基站和下一波導信息網(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)基站服務范圍重疊和行車間距適配。2.定位原理基于裂縫波導定位系統(tǒng)，采用沿軌道鋪設裂縫波導的方式，以波導信息網(wǎng)絡，無線擴頻電臺為基礎，采用TDMA（Time Division Multiple Access）多址通信方式，有線與無線相結(jié)合，以實現(xiàn)列車與軌旁設備連續(xù)的雙向通信及列車定位功能。裂縫波

15、導是基礎核心元件之一，當列車運行時，位于列車上的車載信號接收天線將會接收到來自波導裂縫所輻射的信號并記錄所檢測的裂縫數(shù)目，通過裂縫數(shù)目來計算列車位置，具體的計算原理如下： 列車行駛距離 = 波導裂縫間距 * 相對起始點開始所檢測的裂縫數(shù)目4 未來定位技術(shù)發(fā)展趨勢及前景展望基于移動閉塞方式下的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：1. 列車定位對精度要求越來越高。2. 隨著通信技術(shù)的發(fā)展，列車定位要求大容量，高頻率車地信息傳輸。3. 設備集成越來越高，逐步減少對軌旁設備的依賴4. 網(wǎng)絡化。地面局域網(wǎng)，廣域網(wǎng)，車地之間的無線通信網(wǎng)將軌道交通的控制中心，車站，列車連接成一個有

16、機整體，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，高效運行。5. 智能化。使指揮調(diào)度根據(jù)系統(tǒng)實際情況，借助先進的計算機控制技術(shù)及時自動調(diào)整列車運行，使整個軌道交通系統(tǒng)運營達到最優(yōu)化并降低人工勞動強度。6. 信息化。能迅速，準確獲得軌道交通運營管理的實時信息，在保證系統(tǒng)安全，高效運行的同時，大大提高旅客服務水平。7. 通信信號一體化，整個軌道交通系統(tǒng)中通信與信號的界線逐步發(fā)展為一體化。在前面所提到的各種列車定位技術(shù)各地的城市軌道交通中都得到了一定程度上的應用，但是考慮造價，維修等諸多方面的因素，也各有優(yōu)缺點，下面我們通過一個表格來做一個各項指標對比并就發(fā)展?jié)摿ψ龀鲈u估：優(yōu)點缺點發(fā)展?jié)摿徊娓袘h(huán)線技術(shù)使用壽命長，投資較少，技術(shù)成熟維修不便，車地通信速率較低目前已成熟應用，逐步不適應定位技術(shù)發(fā)展方向無線電臺通信技術(shù)設備集成度高，軌旁設備少，維修方便，傳輸速率高，對車載設備安裝位置限制少信號頻段接近公用信號頻段，易受干擾（例如深圳Wifi信號逼停地鐵）設備集成度高，智能化程度有更好提升空間，發(fā)展?jié)摿?裂縫波導無線傳輸技術(shù)滿足高速率，大容量車地通信，抗干擾能力強，信號衰耗小需全線鋪設裂縫波導管，工程量大，安裝困難，造價較高不適應發(fā)展趨勢，不看好發(fā)展前景無線擴展頻譜通信技術(shù)專用TDMA網(wǎng)信號頻段，抗干擾能力強，控制車站擴頻信號重疊，單個設備故障