城市轨道交通列车辅助定位系统

近年来，由于信号系统故障及人为失误所造成的城市轨道交通行车安全问题时有发 生，国内外学者们对辅助列车安全驾驶的方法做了大量的研究。德国在 2007 年就已经着手研发基于车与车通信的铁路避撞系统RCAS（Railway Collision Avoidance System）使列车能周期地获取邻近区域的运行状况信息，若有潜在的碰撞危险则向司机发出警告并给出建议，从而避免碰撞事故的发生。RCAS的定位算法主要基于全球卫星导航系统、地图匹配等方式。印度铁道部下属机构与克奈科斯微系统有限公司进行技术合作，开发了列车防撞装置网（Anti Collision Device Network，ACDN）。系统釆用GPS（GlobalPositioning System）技术来获取定位信息，通过特髙频（Ultra High Frequency，UHF）无线电数据调制解调器来实现列车间的通信。系统通过寻找其他列车信号，保持相对速度以及相互间的距离[4]。2013 年刘祎[5]和苏昱[6]在各自的研究中提到了基于卫星定位辅 助安全系统的设计以及 2014 年中国中铁二院工程集团提出的基于北斗导航卫星的列车定位辅助预警系统[7]。其原理均是通过卫星定位检测列车的实时位置，并通过处理单元将位置信息进行整理，并向司机发出预警。由于城轨列车大多数情况运行在地下，无法全程获得GPS卫星的定位信号，导致这类系统的使用受到限制。

周巧莲[8]、王洪检[9]、邓奇[10]分别提出了基于射频探测技术、RSSI（Received Signal Strength Indicator）算法、啁啾扩频（Chirp Spread Spectrum，CSS）技术的列车辅助防撞系统，系统的工作原理是在列车头、尾各设一套相同的设备，通过建立同一轨道上前车尾端和后车前端的应答机制，实现列车间距的检测，为列车驾驶员提供相关报警信息。这些方法是通过直接建立列车与列车之间的通信来保证列车的安全驾驶，但调度人员无法获取列车在轨道上的绝对位置信息。江晓寅[11]针对地铁CBTC（Communication BasedTrain Control）信号系统中区域控制器失效的状况，提出一种基于无线信号覆盖范围的列车定位和速度控制算法。田华军[12]提出在非正常情况下利用现有的信号机电设备准确提供列车辅助定位的方案。这些方案都要依靠列车固有的信号系统，无法保证其独立性。在“9.27”事故发生后，上海申通地铁集团也对列车辅助定位系统进行了研究。余磊[13]提出了一种利用RFID（Radio Frequency Identification）技术对列车进行记点的系统， 该系统在列车头尾安装具有车辆信息的电子标签，在车站站台的两端安装阅读器，通过列车停站过程中阅读器读取标签信息，将该列车的识别号传输至系统中并告知行车调度和车站值班员列车的停站时间和位置。潘嵊[14]利用RFID技术与红外技术组合的方法提 高了列车在站台的停车定位精度。杨頔等[15]提出了利用惯性导航与RFID技术组合的列车辅助定位系统方案，该方案提高了列车运行在区间的定位精度，但对列车在车站的停车定位精度还有待提高；除此之外，系统通过直接建立列车与列车之间的通信来保证列车的安全驾驶，但调度人员无法获取列车在轨道上的绝对位置信息。

综上可知，目前城市轨道交通列车辅助定位方案的研究较多，主要是利用射频识别技术与其他定位设备的组合对系统进行设计，研究还存在不足之处：其一，已有系统对定位设备的使用和组合方法各不相同，使系统功能存在偏差，定位方法并不完善，一类系统只实现了列车在车站的精确停车定位功能，另一类系统实现了列车运行在区间的定位功能，但对车站停车精度还有待提高；其二，已有系统的工作原理主要是通过直接建立列车与列车之间的通信来保证列车的安全驾驶，但调度人员无法获取列车在轨道上的绝对位置信息，无法为调度中心提供决策依据；其三，已有系统主要针对框架设计、软硬件设计、定位算法和数据处理分析等方面进行研究，没有辅助定位设备布设位置优化的研究。

基于通信的列车控制系统（CBTC）是最前沿的保障城市轨道交通安全、高效运行的系统。为了确保运营安全，各个城市的轨道交通信号系统广泛采用CBTC系统叠加后备模式的系统制式[16]。IEEE 对 CBTC 系统的定义是：利用高精度的列车定位（不依赖 于轨道电路），双向连续、大容量的车地数据通信，车载、地面的安全功能处理器实现的一种连续自动列车控制系统[17]。因此，轨旁定位设备是实现列车辅助定位系统的关键要素之一。信号设备布置是信号系统设计中不可缺少的工作环节之一，国外的城市轨道交通发展相对我国比较早，在七十年代，前苏联、日本以及欧美等国家就提出了相应的铁路站场CAD（Computer Aided Design）设计模型，并先后开发了部分应用软件[18]。目前国外几个大的系统供货商基本都有自己独立的信号系统，而他们的技术封锁非常严密，关于设备布置的算法没有任何公开的资料。国内城市轨道交通信号系统主要根据设计人员的工作经验利用计算机辅助工具布设轨旁设备[19]。计算机辅助工具能够实现牵引计算和仿 真行车验证功能，但尚未实现对整条线路上所有的轨旁设备进行自动地、科学地、系统地布设功能。黄瑶[19]通过建立城市轨道交通准移动闭塞的条件模型，研究了城市轨道交通 CAD 辅助软件的设备布置规则。万霞[20]设计了基于拓扑结构搜索的城市轨道交通信号设备布置模型。然而这两个研究的重点是自动实现轨旁设备的布置，减轻信号设计人员的劳动强度；布设过程中，较多地加入了设计人员的工程经验，无法保证设备在系统中的有效性和工作效率。对于信号设备布设方法的研究，邢红霞[21]提出了城市轨道交通CBTC系统的后备模式下的设备配置方案，并指出后备模式下轨旁设备的布置应满足线路设计的行车间隔、区间最高运行速度不低于设计规定的运营能力的要求。陈晨、蒋大明[22]提出了釆用计轴器作为轨道检查设备的方案，详细阐述了计轴器的布置原则，并在北京地铁昌平线得以顺利应用。曹峰[23]从 CBTC 系统的控制模式出发，分析了 CBTC 模式、点式ATP模式和联锁级控制模式下对三种主要轨旁设备的布置要求，提出了轨旁设备的布置原则。从安全和效率两个角度考虑，对车站和区间的轨旁设备分别建立了CBTC 模式、点式 ATP 模式和联锁级控制模式下的布设模型。Wei 等[24]从工程安全和效率两方面入手，对信号系统后备模式下的轨道设备布设规则和设备布设的验证规则进行了探讨；并以合肥轨道交通1号线为例，对设备布设结果进行了验证。目前对信号设备布设方法的研究多以列车运行安全和效率为布设原则，虽然研究已经获得较好效果，但是仅从两方面考虑而忽略经济因素，并不能满足实际的工程设计需求。综上可知，现有的列车辅助定位系统存在定位功能不完善、定位精度有待提高等问 题；同时，目前缺乏辅助定位设备布设方法的研究。对于列车辅助定位系统，定位设备布设的合理性直接影响到列车运行的安全和效率以及工程的造价，是评价整个系统的关键指标之一。一方面，定位设备的布设是否科学合理，在一定程度上影响着列车定位的精度和列车运行的效率。另一方面，定位设备的布设和维修成本高，可能造成资源浪费。 因此，本文在综合考虑现有系统的各类故障情况之后，从技术特性、成本费用、环境适用性三个方面对比分析常用的定位技术，选择符合轨道交通实际运用需求的定位技术对列车辅助定位系统进行设计，辅助定位系统将根据对车站和区间的定位需求改变定位设备的组合方式。然后，从安全、效率、经济三方面分析辅助定位设备的布设原则，分别以线路通过能力最大和成本最小为目标构建布设模型，以期能更好地应用于实际工程问题中。