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(yīng)大客流重型軌道交通， 并且維護(hù)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(yùn)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(shè)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(zhǔn)移

2、動閉塞型和移動閉塞型。 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)的新一代列車定位技術(shù)開始發(fā)展起來并在初步應(yīng)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(yīng)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(dǎo)管無線傳輸技術(shù)，德國HHARM公司

3、的基于無線擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)。1. 基于交叉感應(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)用了較長時間。 交叉感應(yīng)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(wù)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(yīng)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(yùn)站， 體育西路至機(jī)場為 3號線支線。 廣州地鐵 3號線采用了基于交叉感 應(yīng)環(huán)線技術(shù)的移動閉塞方式， 沿軌道方向鋪設(shè)感應(yīng)環(huán)線， 通過感應(yīng)環(huán)線來實現(xiàn)車 地通信，完成對列車的定位和測速。以

4、此調(diào)整列車運(yùn)行。啊嘲洙江斷磁言自就送駆乘瞬APM杜和凸snS, aJk 日赧附覘扌1 云船同 丫臨：園士 3I.EV3乜雨肖Q白元xn把Q*忘睡右方住廃閒為兇o- 丫 h代C悴脅方心聯(lián)c無侶金禹塩丈童婦腫心)超駄J8尿換緑PTjBmKA*4t0磐*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，基于自由空間傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)在 CBTC系統(tǒng) 中得到了應(yīng)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(jìn)行通信的手段，AP的設(shè)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(shè)備的安裝位置限制少。傳 輸速率高，實現(xiàn)空間的無線重疊

5、覆蓋，單個接入設(shè)備故障不影響系統(tǒng)的正常工作。 軌旁設(shè)備少，安裝與鋼軌無關(guān)，方便安裝以及維護(hù)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(yīng)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(zhǔn)定點停車。有效縮短 了發(fā)車時間間隔，提高運(yùn)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(yù)計今年年底將投入運(yùn)營。fiHIr 站 門北京地鐵十號線線路示意圖I

6、rfrfttJLn口竝I取舛姑藥松詁3. 基于裂縫波導(dǎo)管無線傳輸技術(shù)采用波導(dǎo)系統(tǒng)作為車地雙向傳輸媒介，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(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(dǎo)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(dǎo)的缺點在于安裝困難，需要全線安裝波導(dǎo)管，安裝維護(hù)復(fù) 雜且造價較高。北京地鐵2號線，機(jī)場線均采用裂縫波導(dǎo)管傳輸技術(shù)。下圖所示為北京地鐵機(jī)場線線線路圖。 機(jī)場線起點為東直門，經(jīng)三元橋終點 站分別為國際機(jī)場和3號航站樓，東直門至三元橋段為

7、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)管無線傳輸?shù)囊苿娱]塞方式，以裂縫波導(dǎo)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(jìn)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(yùn)輸效率。4. 基于無線擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)基于無線擴(kuò)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(kuò)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(jìn)行定位。列車的位置是通過接收軌旁電臺的信號計算出來 的。.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AT（定位系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可分為車載定位設(shè)備和地面定位設(shè)備兩部分，車載

8、定位設(shè)備主要包括車軸上的測速電機(jī)， 信號接收感應(yīng)器，車載ATF計算機(jī)，車地通信設(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。列車運(yùn)行方向一 A由車載設(shè)備和地面設(shè)備組合起來列乍位置共同建立一個列車位置信息數(shù)據(jù)庫，車載ATF計算機(jī)接受數(shù)據(jù)庫的a定怔誤益，-是佰標(biāo)裁壞線左更點定悝誅祚（固泄値. 二是測速電機(jī)測量誤幕按里程的冃分?jǐn)?shù)確定）b戰(zhàn)大允汴倒車距離（如5mc右熬保護(hù)距離余屋（周宦偵取決T車刪性能） y：空.是信標(biāo)轉(zhuǎn)I；線理義加犁暇崔（固定趾，”是測速電機(jī)測量誤差（按里程的百分?jǐn)?shù)確定） 一午地通信周期引起的定位謀莽一前部探護(hù)師離余呈t固底值取決丁干輛ft能）信息并計算列車實時位置和速度等參

9、數(shù)，在經(jīng)過道岔，曲線時,結(jié)合車軸上的測并將信息通過車地通信速電機(jī)所傳來的信息對列車速度和距離等信息進(jìn)行修正, 設(shè)備傳輸給地面AT段備。列車的定位精度由環(huán)線交叉點數(shù)量，測速電機(jī)精度等 確定，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(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(jī)車，將機(jī)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

10、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)備中作為信號的接收和發(fā)射 天線，與列車上的接收和發(fā)射天線實時通信，電纜每隔25米進(jìn)行一次交叉，在軌fd 號 源圖3交叉感應(yīng)壞線示意圖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(dāng)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(shè)備

11、與列車間通過感應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)備， 其中中繼器作為軌旁接口的一 個關(guān)鍵設(shè)備，每個中繼器都負(fù)責(zé)軌道上的一段區(qū)間，區(qū)間長度為128 * 25 = 3200m。軌道上的前車與后車通過車站控制中心設(shè)備交換信息，以此來調(diào)整列車運(yùn)行 曲線。軌旁接口 1)F1卜 *11F1 r1車站控制設(shè)備列車運(yùn)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(yùn)行方向碼，第1113位為對

12、應(yīng)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(dāng)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(xì)地址碼，當(dāng)列車每駛過25mXl/8，細(xì)地址碼就會加1。當(dāng)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 0 100 0001011 010解碼：列車下行方向：0中繼器代碼：100 （10進(jìn)制為4）粗地址碼：0001011（10進(jìn)制為11），列車處于第11環(huán)路細(xì)地址碼：010（10進(jìn)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

13、 = 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)是個中空的鋁制矩形管，在其頂部等間隔開有窄縫，使得在品范圍內(nèi)的微波均勻輻射， 在波導(dǎo)上方的適當(dāng)位置可以接收波導(dǎo)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(dǎo)集信號發(fā)射，接收，傳輸功能于一體，信號在裂縫波導(dǎo)內(nèi)部傳輸，同時 由波導(dǎo)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(dǎo)也接受到列車的信號并傳回軌旁ATP/ATO炒QATP/ATd

14、沽幵、視罰、數(shù)抵圖占製縫玻導(dǎo)傳輸方式波導(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：無源濾 波器，無限調(diào)制解調(diào)器，裂縫波導(dǎo)檢測載波發(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，是車載移動站進(jìn)行車地通信的工作站。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，列車上的波導(dǎo)信 息網(wǎng)移動站，軌旁ATP/ATO軌旁ATP/ATO間通過區(qū)間鏈路聯(lián)系起來，當(dāng)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(dǎo)裂縫的信號， 記錄裂縫數(shù)目由 波導(dǎo)信息網(wǎng)移動站計算出列車速度，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軌道上前車與后車通過與軌旁ATP的

15、信息交互，并 以此調(diào)整列車運(yùn)行。列車兩端的駕駛室各有一臺波導(dǎo)信息網(wǎng)移動站，包括車載無線電臺，車載ATP設(shè)備，信標(biāo)接收天線，車載計算機(jī)等，作為移動工作站，主要負(fù)責(zé)：無線網(wǎng)絡(luò)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(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， 軌旁ATP區(qū)間鏈路與沿線設(shè)備共同組成的一個無線和有線相結(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/AT（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/ATOL間的區(qū)間鏈路。相鄰兩波

16、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)范圍重疊和行車間距適配。每個液導(dǎo)信息網(wǎng)絡(luò)族站是一個通信甲元圖4通信單元的基本組成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)，無線擴(kuò)頻電臺為基礎(chǔ)，采用 TDMA( Time Divisio n 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(shè)備連續(xù)的雙向通信及列車 定位功能。裂縫波導(dǎo)是基礎(chǔ)核心元件之一，當(dāng)列車運(yùn)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(dǎo)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

17、導(dǎo)裂縫間距* 相對起始點開始所檢測的裂縫數(shù)目四未來定位技術(shù)發(fā)展趨勢及前景展望基于移動閉塞方式下的AT係統(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(shè)備集成越來越高，逐步減少對軌旁設(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)實際情況，借助先進(jìn)的計算機(jī)控制技術(shù)及時 自動調(diào)整列車運(yùn)行，使整個軌道

18、交通系統(tǒng)運(yùn)營達(dá)到最優(yōu)化并降低人工勞動強(qiáng)度。6. 信息化。能迅速，準(zhǔn)確獲得軌道交通運(yùn)營管理的實時信息， 在保證系統(tǒng)安 全，高效運(yùn)行的同時，大大提高旅客服務(wù)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(yīng)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(biāo)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?yīng)環(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(yīng)用， 逐步不適應(yīng)定位 技術(shù)發(fā)展方向無線電臺通信設(shè)備集成度高，軌旁設(shè)備少，維修方便，信號頻段接近公用信號頻段，易受干設(shè)備集成度咼，智能化程度有更好技術(shù)傳輸速率咼，對車載 設(shè)備安裝位置限制 少擾（例如深圳Wifi信號逼停地鐵）提升空間，發(fā)展?jié)摿昧芽p波導(dǎo)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(qiáng)，信號衰耗小需全線鋪設(shè)裂縫波導(dǎo)管，工程量大，安裝困難，造價較 高不適應(yīng)發(fā)展趨勢， 不看好發(fā)展前景無線擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)專用TDM網(wǎng)信號頻 段，抗干擾能力強(qiáng)， 控制車站