浅谈杭州地铁一号线列车定位系统

城　市　ＭｏｄｅｒｎＣｉｔｙ　现代城市　浅谈杭州地铁一号线列车定位系统　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　Ｔｒａｉｎ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｈａｎｇｚｈｏｕ　Ｍｅｔｒｏ　Ｌｉｎｅ　１　李传建　（杭州杭港地铁有限公司，浙江杭州３１００００）　摘要：列车定位技术是地铁列车运行的关键技术，在信号控制系统中有着举足轻重的地位。结合杭州地铁一　号线信号控制系统中列车定位设备的设置和使用情况，介绍杭州地铁一号线采用的几种列车定位方式，及其系　统构成与工作原理，并对各自的优缺点进行比较分析。　关键词：列车定位；信标；测速；计轴；轨道电路　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｒａｉｎ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｂｗａｙ，ａｎｄ　ｐｌａｙｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｏｌｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｔｒａｉｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｕｓｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｉｎ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｈａｎｇｚｈｏｕ　ｍｅｔｒｏ　ｌｉｎｅ　ｌ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅｉｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅｓ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅｉｒ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｒａｉｎ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｂｅａｃｏｎ；ｓｐｅｅｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ａｘｌｅ　ｃｏｕｎｔｅｒ；ｐｈａｓｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｔｒａｃｋ　ｃｉｒｃｕｉｔ　列车位置作为信号系统的重要参数，直接影响　着列车密度、行车安全以及线路运载力，随着对列　调相防雷器、轨道继电器等组成；室外主要由节能　器、变压器、电阻连同　【务钢轨组成。　１．２工作原理　车位置信息要求的不断提高，列车定位技术也在不　断更新。　５０ＨＺ相敏轨道电路主要工作原理为：　：Ｉ：室内送出ＡＣ２２０Ｖ交流电至室外送电端；　送电端设备对该电进行变压、分压后将其送　到钢轨轨面；　该电流经区段钢轨到达受电端；　受电端分压、升压后送回室内调相防雷器；　调相防雷器对接收到的电进行调相、隔离、变　杭州地铁一号线正线采用的是安萨尔多的　ＣＢＴＣ　ｆ　Ａｎｓａｈｔｏ　ＳＴＳ—。——Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ——Ｂａｓｅｄ　Ｔｒａｉｎ　Ｃｏｎｔｒｏ１）信号系统、车辆段停车场采用的是交大微联　的ＪＤ一１Ａ型信号系统。其列车定位方式共有三种：　５０ＨＺ相敏轨道电路定位，计轴定位，基于信标、测　速的定位系统。此ｊ种定位模式分别用于段场、正　线降级模式以及正线ＣＢＴＣ模式下　的列车定位。　１　５０ＨＺ相敏轨道电路定位　５０ＨＺ相敏轨道电路是以单根钢　节能器　Ｂ６呻　轨为载体，通过对轨道区段设置的接　收端进行电压检测，根据检测到的电　压来判断区段占用空闲情况，以此来　进行列车定位。　１．１系统组成　如图１所示５０ＨＺ相敏轨道电　瞰垃　室外　室内　６Ｉ　ＪＷ，ａ［＿１瑚　路分为室内、室外两部分。室内主要　由电源、ｗＸＪ５０微电子相敏接收器、　图１　５　０ＨＺ相敏轨道电路基本结构示意图　３２　城　市　压后输出到相敏接收器；　们安装在同一根钢轨上。发送磁头分别产生约为　相敏接收器将接收回来的电压与室内给出的　局部电压进行对比分析，并驱动相应轨道继电器ＧＪ。　区段空闲时，当且仅当室外电源和局部电源两　者数值、频率及相位角偏差都在标准范围内时，相　敏接收器输出ＤＣ２４Ｖ电源驱动轨道继电器吸起，两　３０ｋＨｚ／２７ｋＨｚ的不同频率的电磁信号，在轨道上形　成电磁场。当列车通过时，金属车轮切割磁感线，磁　头接收到磁感线变化后进行计数。　因为每个计轴点由两组发送和接收磁头组成，　所以其磁感线切割的先后顺序同样能够反映列车　运行方向。　个电源参数要求缺一不可；当区段被占用时，车轮　将送电端送出的电短路，使得受电端接收不到电压　（２）室外ＥＡＫ电子盒。室外模拟板和评估板　信号，室内无相应反馈，轨道继电器ＧＪ落下。　等组成ＥＡＫ电子盒。模拟板负责生成发送信号给发　送磁头、放大从接收磁头接收的信号、生成轴脉冲　信息、并将接收到的用来计算轴数的信息发送给评　估板。评估板负责计算车轮脉冲数量、判断计数方　向、监督磁头工作、编码并使用ＩＳＤＮ协议向室内　ＡＣＥ主机发送报文信息。　（３）室内ＡＣＥ主机。主要由ＣＰＵ板、串口板、　并口板、电源板组成。串口板　由两个独立的ＩＳＤＮ通道组　２计轴系统定位　计轴系统是以计算机为核心，借助外部检测设　备，通过检测区段始末端车轮进出数量来判断区段　的占用出清状态。杭州地铁一号线采用了泰雷兹的　ＡＺＬＭ计轴系统。　成，负责从ＰＤＣＵ处接收来　自室外评估板发回的报文，　室外　篙　肉　处理后将数据发送给ＣＰＵ　板。ＣＰＵ板接收串口板发来　的数据，计算区段的占用、ｌ叶Ｊ　清情况，驱动并口板。并口板　接受ＣＰＵ板的驱动，显示区　段占用出清状态并驱动相应　轨道继电器ＧＪ，同时并口板　Ｉ　还显示区段受扰状态、提示　井口板　Ｉ　Ｇｌ　有无直接复位或预复位功　能、提示外部操作命令输入　状态、显示通信状态等。　（４）电源数据耦合单元　ＰＤＣＵ。主要起连接计轴室内　图２计轴系统基本结构示意图　２．１系统组成　外设备的功能，将室外设备　所需的ＤＣ１２０Ｖ电源送出，接收室外反馈回来的数　计轴系统主要有室内、室外两部分组成。室内　ＡＣＥ主机主要包含电源板、ＣＰＵ板、串口板、并口　板、电源数据耦合单元ＰＤＣＵ（Ｐｏｗｅｒ　ｄａｔａ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｕｎｉｔ）等。室外部分主要为轨道磁头、模拟板、评估板　等，后两者位于ＥＡＫ电子盒中。　２．２硬件及功能　据信号，故名电源、数据耦合单元。　２．３计轴系统工作原理　计轴　作原理可以以ＤＣ１２０Ｖ电源走向为基　准线来逐步说明：　：Ｉｃ　ＤＣ１２０Ｖ电源送到ＰＤＣＵ；　（１）计轴磁头。由发送磁头和接收磁头组成，它　ＰＤＣＵ将ＤＣ１２０Ｖ电送到室外ＥＡＫ电子盒；　。　Ｊ、－Ｊ　城　市　ＭｏｄｅｒｎＣｉｔｙ　现代城市　ｉ　ｉ　１　２　一一一．一一一一．一　ｉ　阻一一　ｉ　ｎ　ｒｌ　静态信标一　图３列车位置示意图　静态信标＇ｒ　ＥＡＫ电子盒内模拟板将ＤＣ１２０Ｖ电生成发送　元件工作，将本身存储的数据发送出去，直至列车　远离，电磁信号消失为止。　（２）查询器主机及天线。查询天线以电磁波的　信号后发给发送磁头；　发送磁头将数据以电磁波的形式传到接收磁头；　接收磁头将数据送回到模拟板；　模拟板将接收到的数据进行放大处理后发送　方式感应静态信标，并将接收到的静态信标的数据　经查询器主机传给车载ＣＣ，用于列车定位。　给评估板；　评估板将数据编码后以ＩＳＤＮ协议传回室内　ＰＤＣＵ；　（３）速度传感器。杭州地铁一号线采用的速度　传感器为光电速度传感器。列车运行时，速度传感　器随着车轮轮齿转动，当传感器经过轮齿时会输出　数字脉冲，这些脉冲由硬件计数器来计数，从而可　以在给定周期内测试速度。在车轮未发生打滑时，　速度传感器测出的速度即为列车当前的运行速度。　同时，在车轮未发生打滑时，根据其脉冲数以及已　知轮径，即可得出列车位移。　位移：Ｓ＝（Ｍ／Ｎ）　订　Ｄ　速度：Ｖ＝（（Ｍ／Ｎ）　竹　Ｄ）／Ｔ　ＰＤＣＵ将室外传回的数据发送给串口板；　串口板将数据传给ＣＰＵ板；　ＣＰＵ对来自串口板的数据进行计算处理后将　区段状态发送给并口板；　并口板通过ＴＢ—Ｂ端子驱动轨道继电器ＣＪ。　计轴系统判断区段占用空闲状态的依据为区　段始端进入的轮对数与区段末端出清的轮对数之　差，当差值为０时，则区段空闲；当差值不为０时，则　区段被占用。　式中：Ｖ：列车速度；ｓ：列车位移；Ｎ：车轮一周固　定脉冲数；Ｍ：测得脉冲数；Ｄ：车轮直径；Ｔ：时间。　（４）加速度计。杭州地铁一号线车载加速度计分　为数字加速度计和模拟加速度计，每套ＣＣ配置两个　数字加速度计和两个模拟加速度计。在列车定位方　面，加速度计主要针对车轮打滑时进行速度补偿。　３．２信标＋测速定位方式工作原理　３基于信标、测速的列车定位　基于信标、测速的列车定位主要由轨旁静态信　标、车载信标查询器主机及天线、速度传感器、加速　度计等设备共同完成。　３．１硬件设备　列车在读取到静态信标后，根据其识别号在轨　道数据库中获得列车当前位置，同时根据列车先后　读取到的静态信标位置得到列车运行方向。之后列　车的实时位置是以该静态信标为基准点加上列车　相对于静态信标的位移而得出。　当列车未发生打滑时，其位移即为速度传感器　（１）静态信标。是布置在两轨中间的密封单　元，内部写有此信标的识别号码，此识别号码对照　轨道数据库内特定内容，该内容包含此静态信标在　轨道中的绝对位置、前方区段的坡度、曲度、前方信　标的具体位置等等。　当列车经过时，静态信标接收到车载查询天线　发送的电磁信号后将电磁能转换为电能，使其内部　测得的位移；当发生打滑时，其位移则是以速度传　感器测出的数据和加速度计的速度补偿得出。在高　３４　频率不问断的检测和计算下，能保　证精确的位移计算，并得出精确的　列车位置信息。　从图３可以看出，列车精确位　置可分解为静态信标绝对位置加　列车相对于该信标的位移两部分。　其位移ｓ又是由ｋ个固定检钡０周　期内的位移的累积值加上不足一　周期的位移量相加得出，其关系可　写为以下表达式：　Ｐ＝Ｐｘ＋Ｓ　＝表１杭州地铁一号线列车定位方式对比　Ｐｘ＋ＳＫ＋ＶＫ　ｔ＋（ａ　ｔ　）／２　式中：Ｐ：列车精确位置；Ｐ　：静　态信标Ｘ的绝对位置；Ｓ：列车相对　于静态信标的位移；Ｓ　：列车离开静　态信标Ｘ后前ｋ个检测周期累计　位移；Ｖ　：列车离开静态信标Ｘ后　第（ｋ＋１）个检测周期开始时的初始　速度；ｔ：每个车轮检测周期内已过　去的时间；ａ：实时加速度。　除此之外，在此定位过程中，　列车往往会因轮径校准不足、传感　器计算误差等导致定位偏移。此　时，静态信标又会起到对这些误差　校准清零的作用，列车每读到一个静态信标，则位　移误差清零一次，以此保障列车的精确定位。　上述ｊ种定位方式的优缺点对比见表１。　推广，同时也因其建设及维护成本较低、稳定性　及可维护性高而使其成为地铁列车定位的主流。　而轨道电路、计轴因定位精度差、造价较高且维　护＿丁作量大而逐渐被边缘化，慢慢沦为故障时的　４结语　迫于日益高涨的运营需求，列车运行间隔被　备用模式。鉴于轨道信号的高安全性要求，杭州　地铁一号线这种以信标＋测速定位为主、计轴或　不断缩短，信标＋测速的定位方式因能提供高精　度定位、缩短运营间隔、提高运载力而被大范围　轨道电路为辅的组合将会在未来很长一段时间内　成为多数地铁的选择。　参考文献：　［１］刘小磊，黄璞．ＲＦＩＤ技术在列车高精度定位中的应用［Ｊ］．都市快轨交通，２Ｏｌ７，３０（３）：１　０７—１１１　［２］赵磊，张小林．列车测速定位误差的仿真研究［Ｊ］．城市轨道交通研究，２　０１　４，（０３）：３５—４１．　［３】陈兴杰，户国．浅析上海地铁计轴系统［Ｊ］．沿海企业与科技，２Ｏ１１，（１　０）：４Ｏ－４２．　［４］林瑜筠．城市轨道交通信号［Ｍ】．第２版．北京：中国铁道出版社，２００８．　［５］闫剑平，步兵．高速铁路列车定位技术的研究［Ｊ］．北方交通大学学报，１　９９９，２３（５）：７　３—７６．　导３５