城市轨道交通列车辅助定位系统方案

在信号系统发生联锁瘫痪、系统失电等严重故障时，工作人员会依据各类行车规章制度及应急预案，采用人工方式控制列车运行，在这种状况下，行车指挥人员必须确认此时区间、线路的列车占用情况，否则容易引发因处置不当而造成列车追尾等事故。因此，本章将对辅助定位系统方案进行研究，作为信号系统失效场景下的附和性设计，以技术防护的方式辅助工作人员，为调度、车站值班员等行车人员提供及时、明确的列车定位运行信息，从而辅助后续运营指挥，最终达到提高行车安全性与线路运输效率的目的。

城市轨道交通列车辅助定位系统应具有以下基本功能：

（1）系统适用于城市轨道交通列车辅助定位。辅助定位系统应适用于我国各个城

市目前正在运营的各型城市地铁列车，并根据不同车型和线路特点制定相应的系统设备

布设方案。

（2）独立于现有信号系统。系统不使用现有列车信号系统的数据，完全依靠设备

自身的自主定位数据和无线通信模块来实现车-地之间数据的交换。

（3）系统具备较高的稳定性与可靠性，在数据通信时具有较低的通信延迟，保证

数据信息的时效性。

（4）系统可以提供精确的列车速度信息和位置信息，实现实时测速与定位功能。

（5）系统可以实现列车在站台的精确停车定位功能。

（6）系统采用的设备应符合轨道交通车载电子设备相关标准，不对车辆其他设备

产生干扰。

（7）同方向、同轨道相邻的地铁列车车距小于安全车距时，系统能给出告警提示

信息。系统通过自主定位获取线路号和列车运行方向，能够对于同方向同轨道运行列车

的安全状态和预警逻辑进行实时高效的计算评估。告警提示信息只提供司机参考，不对

列车的运行采取措施，而是由列车司机决定收到警告提示后的动作。

定位技术概述目前 CBTC 系统广泛采用的列车定位方法主要有轨道电路定位、编码器里程累加定位、应答器定位和计轴定位。除此之外，针对列车定位还有很多可供选择的定位技术。主要包括：雷达定位技术、卫星导航技术、惯性导航技术等。

（1）雷达定位技术

基于雷达系统的测速定位技术主要是利用多普勒效应进行列车定位。其主要原理是在列车车头部位安装定位雷达，在列车运行时，雷达能够不停地向地面发出特定频率的电磁波信号，且能够接收其反射回来的信号。由于列车运行将产生多普勒效应，因此接收到的信号的频率与发射出去的信号频率不一样，列车处于前进状态时，雷达接收到的反射信号频率就会比发射出去的信号频率高，反之则会比发射出去的信号频率低，而且，两个信号的频率差会随着列车运行速度的加快而变大，通过计算这两个信号的频率差就可得到列车的运行方向和行驶速度，然后对速度进行积分就能够得到列车的位置。由于雷达测速定位技术所采用的雷达波是向地面发射，信号受复杂地形的影响较小，因此，雷达测速的可靠性较高[36]。然而，列车运行时必然会产生振动，进而导致雷达天线与地面的夹角产生变动，给定位结果带来误差[37]。并且由于轨道不平会使电波散射增大，也会带来定位误差。同时，列车的位置是通过积分得到的，这也会带来定位误差。而且，雷达测速定位技术确定列车位置时需要知道列车的初始位置，不能进行独立定位。雷达定位技术的另一种方法是通过不断的发射以及接收雷达信号（激光、超声波以及毫米波等），从而测得时间差，然后确定列车之间的相对距离。然而，这种雷达定位方法容易受到铁路附近复杂地理因素（如障碍物等）的影响，得出错误的结果，不适合用于列车相对位置的确定。由此可见，雷达定位技术在用于列车的位置确定时并不具备太大的优势。

（2）卫星导航技术

近年来，随着 GPS 全球定位技术的快速发展，车载卫星定位技术正得到越来越多的应用。GPS 在用于列车定位时可以不依靠任何轨旁设备的辅助，能够大幅度减少铁路基础设施建设及其维修的费用，因此在铁路上得到了广泛的应用。GPS 是利用定位卫星可以在全球范围内进行定位、导航的系统。GPS 定位系统主要由 3 个部分构成 ：由24 颗定位卫星组成的空间部分；由监测站、主控站以及注入站组成的地面控制部分；由 GPS 卫星接收机和 GPS 数据处理软件组成的用户部分。其基原理是延时测距[。卫星不断地向地面发送位置时间信息，接收机根据接收到的信息得出与卫星的伪距，如果接收机与卫星的时间相同，根据数学理论，当得到三个不同的伪距时，接收机的位置就在以 3 颗卫星为球心，相应伪距为半径的球面交点上。实际中由于接收机与卫星的时间不同步，需要至少 4 颗卫星提供的信息进行定位。目前，GPS 全球定位系统主要能够提供列车的经祎度、速度、运行方向等信息，然后利用地图匹配算法和已有的地图数据库就能将这些定位信息转换为所需要的列车的具体位置信息。通过大量的实际应用证明 GPS 定位的精度一般在 10m 以内，定位精度高；由于 GPS 卫星覆盖全球，因此 GPS 能够实现全球全天候定位；随着 GPS 定位系统的不断改进，定位所需时间大幅度缩短；GPS 具有独立的定位系统，能够对列车进行独立定位。然而，地铁列车的运行环境主要是在地下隧道，定位信号容易受遮挡而不能定位[40]因此，GPS 对列车进行定位有较大的缺陷。

（3）惯性导航技术

惯性导航系统（Inertial Navigation System，INS）是在 20 世纪初期发展起来的导航

定位系统，它能够不依靠外部设备提供的信息，完全独立自主地提供定位信息，如速度、

位置等[41]

。

[42] INS

。

惯性导航系统是以陀螺仪和加速度计等惯性元件为基础的定位系统

能够根

据陀螺仪测量的数据建立导航坐标系，然后以牛顿力学定律为基础，通过加速度计测得

INS 载体的加速度，并将其对时间进行积分，且把得到的结果转换到建立的导航坐标系

中，就能够得到所需的载体的速度、位置等信息。INS 是一种推算导航，需要根据载体

的初始位置，通过实时测量到的载体的运行方向和速度计算出其下一点的位置，因此，

通过惯性导航系统可以不断的得到载体的当前位置，对其进行定位。

由于惯性导航系统的位置信息是通过积分得到的，定位误差随着时间的增加会不断

增大，因而在列车长时间运行时，定位效果较差。而且，由于 INS 属于推算导航，故而

需要一个初始位置，并需要一个较长的初始对准时间。由此可见，INS 对列车独立进行

定位时，需要其他定位技术的配合。

（4）RFID 技术

RFID 技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。RFID 是一种简单的无线系统，该系统用于控制、检测和跟踪物体。整个系统由阅读器、应答器和应用软件系统组合而成。应答器指的就是标签：主要是由芯片及相关器件组成，当标签绑定在目标物体上时标签具有唯一的识别编码，其主要是作为一种应答设备出现。阅读器又叫读写器，主要分为手持读写器和固定式读写器两种类型[44]。其是由芯片和耦合元件组成，具有读取标签信息的功能。天线是整个系统中的关键装置，具备对数据接收和发射的功能。在整个系统中必须要对天线的参数进行专业的设置，邀请专业人员进行安装，从而保证阅读器和标签之间的数据能够正常的传输。应用软件系统主要是对传输到系统的数据根据需要进行处理，作为一种应用性软件，面向的是广大的用户群。RFID 技术的基本原理[45]是：电子标签阅读器发射特定频率的无线电波能量，当电子标签进入感应磁场后，电子标签内部线圈会被激发出感应电流，产生能量，将内置的标签信息主动发送给读写器，读写器读取信息并解码后上传至中央信息系统进行下一步的数据处理，系统工作原理如图 3-1 所示。

  

RFID 的特征是利用无线电波来传送识别信息，不受空间限制。它最大的优点在于可以对高速移动的远距离目标进行非接触式自动识别，这一点是条形码等任何其它的自动识别技术所不具备的。利用 RFID 技术的这一特性，可以解决很多数据采集的瓶颈问题。RFID 技术目前来讲具有很广阔的应用前景和研发价值，那是由于其具有数据获取自动化、设备多样化微型化、对外界环境影响较小、具有可靠的安全性和大容量存储能力等特征。

（5）无线扩频定位技术基于无线扩频的列车定位是利用轨旁设备、车载设备和车站电台设备相互之间利用扩频通信等技术，实现对列车在运行过程中的精确跟踪与定位功能。其中轨旁设施和车站电台设备固定不动，且内部使用的电台时钟全部都为同步时钟，使用同步特性的时钟信号完成各个电台间信息的发射和接收操作 。其具体工作原理如下所述：安装在列车上的扩频通信发射装置分别向安装在地面的各测距分站发射列车位置信息，由于各个电台上进行数据处理的时钟都具有精确同步的时钟信号，因此各测距分站在收到列车位置信息后算出列车伪距，将结果发送到安装在地面的中心控制站中进行信息处理，最后得到列车的定位信息，并将定位结果传送至列车车载设备上。无线扩频定位法的优点是隐蔽性强，抗干扰性好，易于实现码分多址和抗多径干扰。缺点主要是基站建设成本高，维护不方便。

（6）其他无线定位技术除了上述无线定位技术外，还有超声波定位测距技术、基于移动网络的定位技术、基于 WLAN 网络定位测距技术、基于红外线的定位测距技术、基于接收信号强（RSSI）的 ZigBee 定位测距技术等。这些技术的特点如下：超声波定位技术精度很高，但是其结构也比较复杂，测距距离相对较短，一般只有几十米的距离基于移动网络的定位技术发展迅速，但对基础设施的依赖性较大，精度往往只有几十米到几百米。基于 WLAN 的定位测距技术同样需要覆盖 WLAN 信号，同时其信号较易受到环境的干扰。基于接收信号强度（RSSI）的 ZigBee 定位测距技术，釆用的是根据接收信号强度功率变化来进行定位，其对环境的适应性较低，适合短距离的无线定位基于红外线的定位测距技术不会受电磁干扰影响。目前市场上的红外传感器结构比较简单，体积较小，安装较为灵活，且响应速度快，定位精度高。技术的选择由于上述列车定位技术都存在一定的缺点，单独定位的效果不太理想，为了得到更加精确可靠的列车位置信息，将两种或多种不同的定位方法结合起来进行组合定位，有效的集中各定位技术的优点，扬长补短，可以获得比单独使用一种定位方法时更高的定位性能，极大地提高定位的可靠性和定位精度。组合定位方法的主要优势在于：提高了整个系统的容错能力、信息可信度、空间和时间的覆盖范围，增大了目标特征矢量的维数；缩短了获取信息的时间。因此组合定位可以提高整个定位系统的性能。实际应用中，将与其他多传感器定位技术（如惯性传感器、地图匹配技术等）结合起来，可以充分发挥各自的优势，获得更准确的列车定位效果。根据上述内容对几种定位技术工作原理及优缺点的分析，结合拟设计的辅助定位系统功能需求和城市轨道交通列车运行线路的特点，本文选择使用惯性导航技术、RFID技术和红外定位技术进行组合定位来满足列车辅助定位系统的定位需求。利用 INS 对列车进行测速，作为列车相对位置参考，结合 RFID 电子标签的定位信息进行绝对位置的校验核对，并通过红外传感器进行辅助定位保证列车在站台的定位精度，以实现辅助定位系统的精确停车定位功能。