未來城軌列車定位技術(shù)的要求

展開全部2　軌旁定位技術(shù)2．1　利用軌道電路的定位技術(shù)2．1．1　軌道電路的定位原理軌道電路是以鐵路線路的兩根鋼軌作為導(dǎo)體，并用引接線連接信號(hào)發(fā)送、接收設(shè)備所構(gòu)成的電氣回路。軌道電路有機(jī)械絕緣和電氣絕緣兩種類型。采用機(jī)械絕緣的軌道電路，需切斷鋼軌，安裝軌道絕緣節(jié)，這對使用長鋼軌線路妨礙很大，不僅需經(jīng)常維修，還降低了安全性。采用電氣絕緣，則無需切斷鋼軌，目前城市軌道交通系統(tǒng)中，普遍采用“S棒”進(jìn)行電氣隔離的數(shù)字音頻軌道電路。數(shù)字音頻軌道電路的原理圖如圖1所示。數(shù)字軌道電路中，全部有源器件都集中在控制室內(nèi)，室外設(shè)備僅包括由電容、線圈等組成的調(diào)諧盒及軌間的S型聯(lián)接導(dǎo)線。調(diào)諧盒中有發(fā)射與接收線圈。數(shù)字軌道電路的發(fā)射單元以差分模式向另一端通過鐵軌傳輸一個(gè)調(diào)制信號(hào)，在軌道電路的另一端提取這個(gè)信號(hào)。接收的信息和傳送的信息經(jīng)逐位比較確認(rèn)相同時(shí)，完成對接收信息的驗(yàn)證，判斷鋼軌和軌道電路的工作狀態(tài)。當(dāng)軌道電路內(nèi)有車占用時(shí)，由于列車車軸的分路作用，接收端檢測出信號(hào)電平的變化，從而判斷出有車到達(dá)該軌道電路。2．1．2　利用軌道電路確定列車在線路中的位置圖2為利用軌道電路確定列車在線路中位置的原理圖。在線路設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)用戶對列車運(yùn)行密度的要求，將整個(gè)線路用S棒分割成若干個(gè)軌道區(qū)段，并對所有軌道區(qū)段進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)。對線路地形及線路設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化描述后形成線路地圖，貯存在軌旁和／或車載計(jì)算機(jī)中。為了防止相鄰軌道電路音頻信號(hào)的串?dāng)_，同時(shí)也為了準(zhǔn)確判斷列車越過軌道電路連界，相鄰數(shù)字軌道電路采用不同的載頻。列車在線路中運(yùn)行時(shí)，其所在的軌道電路會(huì)給出占用指示，對軌道電路占用狀態(tài)的連續(xù)跟蹤，也就實(shí)現(xiàn)了對列車在線路中所處位置的連續(xù)跟蹤。為了保證安全，軌道電路任何形式的故障都表示為“有車占用”，為了避免錯(cuò)誤的跟蹤，系統(tǒng)對軌道電路的“連續(xù)占用”與“順序出清”進(jìn)行邏輯判斷，保證列車跟蹤的可靠性和安全性。利用數(shù)字軌道電路對列車進(jìn)行定位是目前城市軌道交通系統(tǒng)中應(yīng)用最為普遍的技術(shù)手段。2．2　信標(biāo)定位信標(biāo)是安裝在線路沿線反映線路絕對位置的物理標(biāo)志。信標(biāo)分有源信標(biāo)和無源信標(biāo)兩種，有源信標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)車地的雙向通信，無源信標(biāo)類似于非接觸式IC卡，在列車經(jīng)過信標(biāo)所在位置時(shí)，車載天線發(fā)射的電磁波激勵(lì)信標(biāo)工作，并傳遞絕對位置信息給列車。城市軌道交通系統(tǒng)中所使用的信標(biāo)大部分為無源信標(biāo)，安裝在軌道沿線。信標(biāo)的作用是為列車提供精確的絕對位置參考點(diǎn)（也可以提供線路的坡度、彎度等其它信息）。由于信標(biāo)提供的位置精度很高，達(dá)厘米量級，常用信標(biāo)作為修正列車實(shí)際運(yùn)行距離的手段。采用信標(biāo)定位技術(shù)的信息傳遞是間斷的，即當(dāng)列車從一個(gè)信息點(diǎn)獲得地面信息后，要到下一個(gè)信息點(diǎn)才能更新信息，若其間地面情況發(fā)生變化，就無法立即將變化的信息實(shí)時(shí)傳遞給列車，因此，信標(biāo)定位技術(shù)往往作為其它定位技術(shù)的補(bǔ)充手段。2．3　裂縫波導(dǎo)定位技術(shù)采用裂縫波導(dǎo)作為列車信息傳輸?shù)脑砜驁D見圖3，列車定位原理圖如圖4所示。裂縫波導(dǎo)是52．5mm×105mm×2mm中空的鋁質(zhì)矩形方管，在其頂部每隔60mm開有窄縫，采用2．715GHz的連續(xù)波頻率通過裂縫耦合出不均勻的場強(qiáng)，對連續(xù)波的場強(qiáng)進(jìn)行采集和處理，并通過計(jì)數(shù)器確定列車經(jīng)過的裂縫數(shù)，從而計(jì)算出列車走行的距離，確定列車在線路中的位置。裂縫波導(dǎo)除了傳輸用于裂縫計(jì)數(shù)的2．715GHz的連續(xù)波頻率外，主要用于車地信息交換的傳輸通道，車地通信的載頻范圍為2．4～2．4853GHz，該頻段內(nèi)的微波信號(hào)沿波導(dǎo)均勻輻射。2．4　電纜環(huán)線定位技術(shù)在整個(gè)軌道線路沿線鋪設(shè)電纜環(huán)線，電纜環(huán)線位于軌道中間，每隔一定的距離交叉一次。列車經(jīng)過每個(gè)電纜交叉點(diǎn)時(shí)通過車載設(shè)備檢測環(huán)線內(nèi)信號(hào)的相位變化（相位變化原理見圖6）。并對相位變化的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而確定列車運(yùn)行的距離，達(dá)到對列車定位的目的。2．5　無線擴(kuò)頻通信定位技術(shù)利用無線擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)確定列車在線路中的位置借鑒了軍用定位技術(shù)。利用車站、軌旁和列車上的擴(kuò)頻電臺(tái)；一方面通過這些電臺(tái)在列車與軌旁控制室之間傳遞安全信息，另一方面也利用它們對列車進(jìn)行定位。軌旁電臺(tái)的位置是固定不變的，并經(jīng)過精確測量。所有的電臺(tái)都由同步時(shí)鐘精確同步。軌旁計(jì)算機(jī)或車載計(jì)算機(jī)利用不同電臺(tái)傳輸信息的時(shí)間延時(shí)可以精確計(jì)算出列車的位置。圖7為基于無線擴(kuò)頻通信的列車定位系統(tǒng)原理圖。由分布的電臺(tái)構(gòu)成無線通信網(wǎng)，多數(shù)情況下，站間可以被無線電可靠地覆蓋，而且有冗余。這種冗余是一種自愈式的結(jié)構(gòu)，當(dāng)其中一個(gè)電臺(tái)故障時(shí)，系統(tǒng)可以重新組織，并自動(dòng)報(bào)告故障電臺(tái)位置或編號(hào)，不會(huì)影響通信和對列車的控制。通常一個(gè)電臺(tái)的信息會(huì)有兩個(gè)甚至三個(gè)電臺(tái)接收，擴(kuò)展頻譜技術(shù)最初是為軍事應(yīng)用設(shè)計(jì)的，具備在惡劣電磁環(huán)境下可靠傳輸?shù)哪芰?。每?．5s可對每輛列車的位置進(jìn)行檢測，對列車定位的精度可達(dá)±5m。3　車載列車定位技術(shù)車載定位設(shè)備主要采用安全型編碼里程計(jì)。編碼里程計(jì)通過編碼盤與輪軸耦合，驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)裝在編碼盤四周的光電傳感器。這些傳感器產(chǎn)生一個(gè)和速度成比例的脈沖序列，車載設(shè)備通過采樣電路得到列車運(yùn)行的速度和距離。圖8是編碼里程儀測距原理圖。列車車輪運(yùn)動(dòng)一周，編碼里程計(jì)輸出64個(gè)或128個(gè)脈沖。列車車輪運(yùn)動(dòng)一周，編碼里程計(jì)輸出的脈沖數(shù)越多，測速和／或測距精度越高。列車運(yùn)動(dòng)速度＝單位時(shí)間內(nèi)編碼里程計(jì)輸出的脈沖數(shù)×（πΦ／編碼里程計(jì)每周輸出的脈沖數(shù)）列車運(yùn)動(dòng)距離＝編碼里程計(jì)輸出的脈沖數(shù)×（πΦ／編碼里程計(jì)每周輸出的脈沖數(shù)）式中Φ為列車車輪的直徑。由于列車周而復(fù)始地運(yùn)動(dòng)，車輪輪徑不斷磨損，目前城市軌道交通系統(tǒng)中允許列車車輪的輪徑范圍為840mm～770mm，因此（是個(gè)變量，要定期或不定期地進(jìn)行修正。利用車載編碼里程計(jì)確定列車運(yùn)行的距離還需要考慮列車運(yùn)動(dòng)過程中車輪的空轉(zhuǎn)和打滑。實(shí)際工程應(yīng)用中，可以采用信標(biāo)、軌道電路分界點(diǎn)、電纜環(huán)線等手段傳送給列車絕對位置標(biāo)識(shí)，這些標(biāo)識(shí)在線路中的位置是固定不變的，并經(jīng)過精確測量。車載設(shè)備接收到這些標(biāo)識(shí)后，對車載里程計(jì)的測距誤差進(jìn)行修正。通常車載里程計(jì)只給出列車對應(yīng)地面某個(gè)標(biāo)識(shí)的相對距離，保證列車在線路中運(yùn)行時(shí)，車載定位設(shè)備的距離測量不會(huì)有大的積累誤差。4　結(jié)束語利用各種技術(shù)手段確定列車在線路中的位置、對列車進(jìn)行精確定位的目的是對線路中所有的列車進(jìn)行統(tǒng)一管理，確保各列車之間安全運(yùn)行的最小間隔，保證列車運(yùn)行的安全；同時(shí)，通過統(tǒng)一的調(diào)度和管理，保證線路中運(yùn)營列車的均勻分布。本文介紹的各種定位技術(shù)在城市軌道系統(tǒng)中均有成功應(yīng)用的實(shí)例，具體系統(tǒng)中采用何種定位技術(shù)，取決于對線路運(yùn)輸能力的要求。通常，城市軌道交通系統(tǒng)中需要綜合運(yùn)用多種定位技術(shù)。如廣州地鐵一號(hào)線，正線上采用數(shù)字軌道電路，車站加裝精確同步環(huán)線，利用車載編碼里程儀經(jīng)過軌道電路【摘　要】　實(shí)時(shí)、精確地確定列車在線路中的位置是保證安全、發(fā)揮效率、提供最佳服務(wù)的前提。本文介紹了在城市軌道交通系統(tǒng)中已獲得成功應(yīng)用的各種列車定位方法，包括軌旁和車載定位技術(shù)。隨著城市人口的不斷增加，城市交通問題日益突出。地鐵、輕軌具備客運(yùn)量大、污染少等特點(diǎn)，是解決大中城市交通問題的首選方案。由于軌道交通列車運(yùn)行密度高、車站間距近、安全性要求高，列車自動(dòng)控制系統(tǒng)及列車本身需要實(shí)時(shí)了解列車在線路中的精確位置，分布于軌旁及列車上的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)線路中列車的相對位置實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地對每一列車進(jìn)行監(jiān)督、控制、調(diào)度及安全防護(hù)，在保證列車運(yùn)行安全的前提下，最大限度地提高系統(tǒng)的效率，為乘客提供最佳的服務(wù)。實(shí)時(shí)、精確地確定列車在線路中的位置是保證安全、發(fā)揮效率、提供最佳服務(wù)的前提。列車自動(dòng)控制系統(tǒng)利用軌旁及車載設(shè)備對列車進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤。軌旁定位主要采用軌道電路、信標(biāo)、電纜環(huán)線、裂縫波導(dǎo)、擴(kuò)頻電臺(tái)等技術(shù)手段，列車自身的定位可依賴于安裝在輪軸上的編碼里程儀實(shí)現(xiàn)，通過車地之間的信息傳輸通道，實(shí)現(xiàn)軌旁與列車之間實(shí)時(shí)的信息交換，實(shí)時(shí)控制列車在線路中的運(yùn)行。2　軌旁定位技術(shù)2．1　利用軌道電路的定位技術(shù)2．1．1　軌道電路的定位原理軌道電路是以鐵路線路的兩根鋼軌作為導(dǎo)體，并用引接線連接信號(hào)發(fā)送、接收設(shè)備所構(gòu)成的電氣回路。軌道電路有機(jī)械絕緣和電氣絕緣兩種類型。采用機(jī)械絕緣的軌道電路，需切斷鋼軌，安裝軌道絕緣節(jié)，這對使用長鋼軌線路妨礙很大，不僅需經(jīng)常維修，還降低了安全性。采用電氣絕緣，則無需切斷鋼軌，目前城市軌道交通系統(tǒng)中，普遍采用“S棒”進(jìn)行電氣隔離的數(shù)字音頻軌道電路。數(shù)字音頻軌道電路的原理圖如圖1所示。數(shù)字軌道電路中，全部有源器件都集中在控制室內(nèi)，室外設(shè)備僅包括由電容、線圈等組成的調(diào)諧盒及軌間的S型聯(lián)接導(dǎo)線。調(diào)諧盒中有發(fā)射與接收線圈。數(shù)字軌道電路的發(fā)射單元以差分模式向另一端通過鐵軌傳輸一個(gè)調(diào)制信號(hào)，在軌道電路的另一端提取這個(gè)信號(hào)。接收的信息和傳送的信息經(jīng)逐位比較確認(rèn)相同時(shí)，完成對接收信息的驗(yàn)證，判斷鋼軌和軌道電路的工作狀態(tài)。當(dāng)軌道電路內(nèi)有車占用時(shí)，由于列車車軸的分路作用，接收端檢測出信號(hào)電平的變化，從而判斷出有車到達(dá)該軌道電路。2．1．2　利用軌道電路確定列車在線路中的位置圖2為利用軌道電路確定列車在線路中位置的原理圖。在線路設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)用戶對列車運(yùn)行密度的要求，將整個(gè)線路用S棒分割成若干個(gè)軌道區(qū)段，并對所有軌道區(qū)段進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)。對線路地形及線路設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化描述后形成線路地圖，貯存在軌旁和／或車載計(jì)算機(jī)中。為了防止相鄰軌道電路音頻信號(hào)的串?dāng)_，同時(shí)也為了準(zhǔn)確判斷列車越過軌道電路連界，相鄰數(shù)字軌道電路采用不同的載頻。列車在線路中運(yùn)行時(shí)，其所在的軌道電路會(huì)給出占用指示，對軌道電路占用狀態(tài)的連續(xù)跟蹤，也就實(shí)現(xiàn)了對列車在線路中所處位置的連續(xù)跟蹤。為了保證安全，軌道電路任何形式的故障都表示為“有車占用”，為了避免錯(cuò)誤的跟蹤，系統(tǒng)對軌道電路的“連續(xù)占用”與“順序出清”進(jìn)行邏輯判斷，保證列車跟蹤的可靠性和安全性。利用數(shù)字軌道電路對列車進(jìn)行定位是目前城市軌道交通系統(tǒng)中應(yīng)用最為普遍的技術(shù)手段。2．2　信標(biāo)定位信標(biāo)是安裝在線路沿線反映線路絕對位置的物理標(biāo)志。信標(biāo)分有源信標(biāo)和無源信標(biāo)兩種，有源信標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)車地的雙向通信，無源信標(biāo)類似于非接觸式IC卡，在列車經(jīng)過信標(biāo)所在位置時(shí)，車載天線發(fā)射的電磁波激勵(lì)信標(biāo)工作，并傳遞絕對位置信息給列車。城市軌道交通系統(tǒng)中所使用的信標(biāo)大部分為無源信標(biāo)，安裝在軌道沿線。信標(biāo)的作用是為列車提供精確的絕對位置參考點(diǎn)（也可以提供線路的坡度、彎度等其它信息）。由于信標(biāo)提供的位置精度很高，達(dá)厘米量級，常用信標(biāo)作為修正列車實(shí)際運(yùn)行距離的手段。采用信標(biāo)定位技術(shù)的信息傳遞是間斷的，即當(dāng)列車從一個(gè)信息點(diǎn)獲得地面信息后，要到下一個(gè)信息點(diǎn)才能更新信息，若其間地面情況發(fā)生變化，就無法立即將變化的信息實(shí)時(shí)傳遞給列車，因此，信標(biāo)定位技術(shù)往往作為其它定位技術(shù)的補(bǔ)充手段。2．3　裂縫波導(dǎo)定位技術(shù)采用裂縫波導(dǎo)作為列車信息傳輸?shù)脑砜驁D見圖3，列車定位原理圖如圖4所示。裂縫波導(dǎo)是52．5mm×105mm×2mm中空的鋁質(zhì)矩形方管，在其頂部每隔60mm開有窄縫，采用2．715GHz的連續(xù)波頻率通過裂縫耦合出不均勻的場強(qiáng)，對連續(xù)波的場強(qiáng)進(jìn)行采集和處理，并通過計(jì)數(shù)器確定列車經(jīng)過的裂縫數(shù)，從而計(jì)算出列車走行的距離，確定列車在線路中的位置。裂縫波導(dǎo)除了傳輸用于裂縫計(jì)數(shù)的2．715GHz的連續(xù)波頻率外，主要用于車地信息交換的傳輸通道，車地通信的載頻范圍為2．4～2．4853GHz，該頻段內(nèi)的微波信號(hào)沿波導(dǎo)均勻輻射。2．4　電纜環(huán)線定位技術(shù)在整個(gè)軌道線路沿線鋪設(shè)電纜環(huán)線，電纜環(huán)線位于軌道中間，每隔一定的距離交叉一次。列車經(jīng)過每個(gè)電纜交叉點(diǎn)時(shí)通過車載設(shè)備檢測環(huán)線內(nèi)信號(hào)的相位變化（相位變化原理見圖6）。并對相位變化的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而確定列車運(yùn)行的距離，達(dá)到對列車定位的目的。2．5　無線擴(kuò)頻通信定位技術(shù)利用無線擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)確定列車在線路中的位置借鑒了軍用定位技術(shù)。利用車站、軌旁和列車上的擴(kuò)頻電臺(tái)；一方面通過這些電臺(tái)在列車與軌旁控制室之間傳遞安全信息，另一方面也利用它們對列車進(jìn)行定位。軌旁電臺(tái)的位置是固定不變的，并經(jīng)過精確測量。所有的電臺(tái)都由同步時(shí)鐘精確同步。軌旁計(jì)算機(jī)或車載計(jì)算機(jī)利用不同電臺(tái)傳輸信息的時(shí)間延時(shí)可以精確計(jì)算出列車的位置。圖7為基于無線擴(kuò)頻通信的列車定位系統(tǒng)原理圖。由分布的電臺(tái)構(gòu)成無線通信網(wǎng)，多數(shù)情況下，站間可以被無線電可靠地覆蓋，而且有冗余。這種冗余是一種自愈式的結(jié)構(gòu)，當(dāng)其中一個(gè)電臺(tái)故障時(shí)，系統(tǒng)可以重新組織，并自動(dòng)報(bào)告故障電臺(tái)位置或編號(hào)，不會(huì)影響通信和對列車的控制。通常一個(gè)電臺(tái)的信息會(huì)有兩個(gè)甚至三個(gè)電臺(tái)接收，擴(kuò)展頻譜技術(shù)最初是為軍事應(yīng)用設(shè)計(jì)的，具備在惡劣電磁環(huán)境下可靠傳輸?shù)哪芰ΑＣ扛?．5s可對每輛列車的位置進(jìn)行檢測，對列車定位的精度可達(dá)±5m。3　車載列車定位技術(shù)車載定位設(shè)備主要采用安全型編碼里程計(jì)。編碼里程計(jì)通過編碼盤與輪軸耦合，驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)裝在編碼盤四周的光電傳感器。這些傳感器產(chǎn)生一個(gè)和速度成比例的脈沖序列，車載設(shè)備通過采樣電路得到列車運(yùn)行的速度和距離。圖8是編碼里程儀測距原理圖。列車車輪運(yùn)動(dòng)一周，編碼里程計(jì)輸出64個(gè)或128個(gè)脈沖。列車車輪運(yùn)動(dòng)一周，編碼里程計(jì)輸出的脈沖數(shù)越多，測速和／或測距精度越高。列車運(yùn)動(dòng)速度＝單位時(shí)間內(nèi)編碼里程計(jì)輸出的脈沖數(shù)×（πΦ／編碼里程計(jì)每周輸出的脈沖數(shù)）列車運(yùn)動(dòng)距離＝編碼里程計(jì)輸出的脈沖數(shù)×（πΦ／編碼里程計(jì)每周輸出的脈沖數(shù)）式中Φ為列車車輪的直徑。由于列車周而復(fù)始地運(yùn)動(dòng)，車輪輪徑不斷磨損，目前城市軌道交通系統(tǒng)中允許列車車輪的輪徑范圍為840mm～770mm，因此（是個(gè)變量，要定期或不定期地進(jìn)行修正。利用車載編碼里程計(jì)確定列車運(yùn)行的距離還需要考慮列車運(yùn)動(dòng)過程中車輪的空轉(zhuǎn)和打滑。實(shí)際工程應(yīng)用中，可以采用信標(biāo)、軌道電路分界點(diǎn)、電纜環(huán)線等手段傳送給列車絕對位置標(biāo)識(shí)，這些標(biāo)識(shí)在線路中的位置是固定不變的，并經(jīng)過精確測量。車載設(shè)備接收到這些標(biāo)識(shí)后，對車載里程計(jì)的測距誤差進(jìn)行修正。通常車載里程計(jì)只給出列車對應(yīng)地面某個(gè)標(biāo)識(shí)的相對距離，保證列車在線路中運(yùn)行時(shí)，車載定位設(shè)備的距離測量不會(huì)有大的積累誤差。4　結(jié)束語利用各種技術(shù)手段確定列車在線路中的位置、對列車進(jìn)行精確定位的目的是對線路中所有的列車進(jìn)行統(tǒng)一管理，確保各列車之間安全運(yùn)行的最小間隔，保證列車運(yùn)行的安全；同時(shí)，通過統(tǒng)一的調(diào)度和管理，保證線路中運(yùn)營列車的均勻分布。本文介紹的各種定位技術(shù)在城市軌道系統(tǒng)中均有成功應(yīng)用的實(shí)例，具體系統(tǒng)中采用何種定位技術(shù)，取決于對線路運(yùn)輸能力的要求。通常，城市軌道交通系統(tǒng)中需要綜合運(yùn)用多種定位技術(shù)。如廣州地鐵一號(hào)線，正線上采用數(shù)字軌道電路，車站加裝精確同步環(huán)線，利用車載編碼里程儀經(jīng)過軌道電路和環(huán)線的同步后的距離數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)列車的自動(dòng)駕駛。除了本文介紹的各種列車定位方法，還有其它各種列車定位技術(shù)，如采用雷達(dá)測速、測距的定位方法，采用計(jì)軸設(shè)備確定列車位置的技術(shù)，大鐵路上還可以采用GPS、GMS－R等技術(shù)對列車進(jìn)行定位，GSM－R是國際鐵路聯(lián)盟（UIC）和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）為歐洲新一代鐵路開發(fā)的無線移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，相信將有越來越多技術(shù)含量更高的先進(jìn)列車定位技術(shù)問世。
備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。