田学薇-全自动无人驾驶轨道交通列车定位技术
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无线扩频定位法采用先进的无线扩频通信 、伪 码测距和计算机信息处理技术 , 实现了对复杂环境 中列车的实时准确定位及跟踪 。 其基本原理为 :地 面设置测距基站和中心控制站 , 在列车两端安装无 线扩频通信发射机 ;发射机向地面测距基站发射定 位信息 ;测距基站(采用全数字解扩方式)收到定位 信息后 , 使用数字信号处理技术计算出伪距 , 并通过
Train Position Technique in FAO of Rail Transit Tian Xuew ei , Liu Xiaojuan Abstract In FAO(F ull Automatic Operation) of rail transit , the preciseness of the train position in real time is the basic assurance for the safety , efficiency and high quality services.T his paper co mpares many positioning techniques in domestic and abroad mass transit , suggests the selection of the differential G PS positio ning technique in GPS as FAO positioning technique , and further discusses G PS positioning technique in details . Key words urban rail transit , full automatic opera tio n, train positio ning technique , global positio n system (GPS) First-author' s address School o f A utomation and Electrical Engineering , Lanzhou Jiaotong University , 730070 , lanzhou , C hi na
在两根钢轨之间敷设交叉感应回线 :一条线固 定在轨道中央的道床上 , 另一条线固定在钢轨的轨 腭下方 。它们每隔一定距离作交叉 , 交叉回线就像 一个天线 。 当列车驶过一个交叉点时 , 利用信号极 性的变化引发地址码加 1 , 由列车控制中心根据地 址码计算出列车的地理位置 , 并对从车轮转速转化 的里程记录进行误差修正 。由于感应回线是列车与 地面之间的信息通道 , 利用极性交叉这种方法一方 面可以实现列车的定位 , 另一方面也起到了抗牵引 电流干扰的作用 ;但其定位精度受交叉区长度的限 制 , 如果交叉区比较窄 , 位置脉 冲漏计的可能 性增 大。 2 .1 .5 信标定位
全自动无人驾驶系统的列车完全在基于通信的 列车控制(Communication Based T rain Control , 简为 CBTC)系统下运行 , 包括车辆段(含停车场)列车唤 醒 、车站准备 、进人正线服务 、正线列车运行 、折返站 折返 、退出正线服务 、进段 、洗车和休眠等作业 。 列 车的起动 、牵引 、巡航 、惰行和制动 , 以及车门和屏蔽 门的开关 、车站和车载广播等控制都是在无人的状 态下自动运行 。
式中 :s0 为初始位置 ;Δt 为列车速度采样时间间隔 。 引入测速信息后大大减小了定位的误差 。 目前
使用较多的列车测速法一般是通过测量车轮转速 , 然后将车轮转速换算为列车直线速度 。用这种方式 计算列车位置信息的缺点是 :①因车轮的磨损导致 通过车轮直径获得路程数据的误差大 。一般轨道交 通的 车轮直径为 770 ～ 840 mm 。 按车轮直径 770 mm 计算 , 车轮表面 磨损 0 .5 mm 时 , 列车每 行驶 305 m 就会产生 1 m 的误差 。 ②这种误差是线性累 计的 , 即随着行驶里程的增加其绝对误差会越来越 大。 2 .1 .3 基于查询 -应答器的列车定位技术
第 12 期
技术资料
全自动无人驾驶轨道交通列车定位技术
田学薇 刘晓娟
(兰州交通大学自动化与电气工 程学院 , 730070 , 兰州 ∥第一作者 , 硕士研究生)
摘 要 在 全自动无人 驾驶轨道 交通中 , 实 时 、精 确地 确定 列车在线路 中的位置是 保证安全 、发 挥效率 、提供 最佳 服务 的前提 。 经对国内外 轨道交 通中的 多种定 位技术 进行 比较 后 , 建议选用 G PS 列车定位 技术中 常用的 差分 G PS 定 位技 术 , 作为全自动无人驾驶轨道交通列车定位技 术 。 关键词 城 市轨道交通 , 全 自动无 人驾驶 , 列车 定位技 术 , 全球定位系统 中图分类号 U 239 .5 .6 ;P 228 .4
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终端是无法判断的 , 因而对列车定位时的最大误差 就是一个区段的长度 。 为了得到较为准确的位置信 息 , 在计算具体位置信息时通常要引人列车的即时 速度信息 。如在某一个速度采样时间点 tn 上测得 列车的即时速度为 v(t n), 则列车的即时位置为 :
∑ s =s0 = v (t n)·Δt n
3)技术实现要具有可行性 , 采用无线通信方式 的定位方法和信息传输方法 , 实现车 -地通信 ;
4)定位准确性和精度进一步提高 ; 5)在尽量采用已经成熟的轨道交通定位 、检测 手段的同时 , 大胆吸收和引进航天等领域中实践效 果比较好的定位 、检测手段 。 目前在国内外城市轨道交通中有多种列车定位 方法 。依据轨道电路定位的方法主要有基于轨道电 路的列车定位技术 、测速列车定位方法 、基于查询 应答器的列车定位法技术 、感应回线车载传感器定 位技术及信标定位 ;基于 CBT C 的列车定位方法有 无线扩频通信定位技术和全球卫星定位系统(Global Positioning Sy stem , 简为 GPS)等 。 2 .1 依据轨道电路的列车定位方法 2 .1 .1 轨道电路列车定位技术 目前城市轨道交通系统中 , 普遍采用“S 棒” 进 行电气隔离的数字音频轨道电路 。 数字轨道电路的 发射单元以差分模式向另一端通过钢轨传输一个调 制信号 , 在轨道电路的另一端提取这个信号 , 构成一 个信息传输回路 。接收的信息和传送的信息经逐位 比较确认相同时 , 完成对接收信息的验证 , 判断钢轨 和轨道电路的工作状态 。 区段空闲时 , 信息由发送 端通过回路传输到接收端 , 接收端继电器励磁吸起 ; 当列车进入区段时 , 轮对将两根钢轨短路 , 信息不能 到达接收端 , 接收端继 电器失磁落下 , 达到列 车检 测 、定位的目的 。 轨道电路法既可以实现列车检测 、定位 , 又可以 检测轨道的完好情况 , 满足故障 -安全原则 , 是一种 高安全 、高可靠的列车检测 、定位方法 , 所以目前依 然得到广泛使用 。 但是使用这种方法的缺点是 :由 它所实现的定位是以轨道电路长度作为最小定位单 元 , 无法构成真正意义上的移动闭塞 ;为了实现精确 定位 , 还需同列车测速装置结合使用[ 2] 。 2 .1 .2 测速列车定位方法 在轨道电路定位法中 , 列车在区间的始端还是
信标是安装在线路沿线反映线路绝对位置的物 理标志 。信标分有源信标和无源信标两种 :有源信 标可以实现车地的双向通信 ;无源信标类似于非接 触式 IC 卡 , 在列车经过信标所在位置时 , 车载天线 发射的电磁波激励信标工作 , 并传递绝对位置信息 给列车 。
城市轨道交通系统中所使用的信标大部分为无 源信标 , 安装在轨道沿线 。 信标的作用是为列车提 供精确的绝对位置参考点(也可以提供线路的坡度 、 曲线半径等其它信息)。由于信标提供的位置精度 很高 , 达 cm 量级 , 因此常用信标作为修正列车实际 运行距离的手段 。采用信标定位技术的信息传递是 间断的 。即当列车从一个信息点获得地面信息后 , 要到下一个信息点才能更新信息 , 其间若地面情况 发生变化 , 就无法立即将变化的信息实时传递给列 车 。因此 , 信标定位技术往往作为其它定位技术的 补充手段 。 2 .2 基于 CBTC 的列车定位方法 2 .2 .1 无线扩频通信定位技术
查询 -应答器一般由车载查询器 、地面应答器 和轨旁电子单元(LEU)组成 。 地面应 答器一般装 在两根钢轨中间或一根钢轨的外侧 。 车载查询器装 在列车上与应答器相对应的位置 。应答器一般都是 无源的 , 其内部寄存器按协议以数据形式存放实现 列车速度监控和其它行车功能所必须的数据(见图 1)。当列车驶过地面应答器且车载查询器与应答器 对准时 , 查询器首先以一定的频率通过电磁感应方 法将能量传递给应答器 ;应答器内部电路在接收到 能量后即开始工作 , 将所储存的数据以某种调制方 式通过电磁感应传送到车上 。
图 1 查询 -应答器的基本工作原理
查询 -应答器可以用作连续式列车速度自动控 制系统的列车精确定位设备(这时应答器内部储存 的数据是固定的);也可以用作点式列车速度自动控 制系统的列车检测 、定位辅助设备 , 作为电子计轴器 等系统向列车传输数据的通道 。 置于信号机旁的应
第 12 期
答器用 于向列 车传递 信号 显示 信息 , 因此 要通 过 LEU 提供接口与信号机相连 ;但是只能给出点式定 位信息 , 存在设置间距和投资规模的矛盾 。 2 .1 .4 感应回线车载传感器定位技术
1 列车定位的作用
在全自动无人驾驶轨道交通行车安全和指挥系 统中 , 列车定位技术的作用主要体现在以下方面 :
1)为保证安全列车间隔提供依据 ; 2)为列车自动防护(AT P)子系统提供准确位 置信息 , 作为列车在车站停车后打开车门以及站内 屏蔽门的依据 ; 3)为列车自动运行(AT O)子系统提供列车精 确位置信息 , 作为列车计算速度曲线 , 实施速度自动 控制的主要参数 ; 4)为列车自动监控(AT S)子系统提供列车位 置信息 , 作为显示列车运行状态的基础信息 ; 5)在 CBTC 系统中 , 作为 无线基 站接续 的依 据[ 1] 。 全自动无人驾驶轨道交通列车定位技术的重要 作用决定了它首先必须能保证提供正确的列车位置 信息 ;其次 , 对列车定位 技术的精度提 出了更高要 求 ;然而 , 由于经过采集 、传输 、计算等环节 , 造成列 车位置信息的时延是不可避免的(一般都采用近似 数值), 因此提高信息及时性以及减少信息误差等就 非常重要 。
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城
市轨
道交通
研 究
源自文库
2007 年
2 列车定位方案选择
根据全自动无人驾驶轨道交通的技术特点 , 在 制定其定位技术方案时 , 大致应遵循以下几条原则 :
1)系统符合故障 -安全原则 , 在发生丢失信息 等故障时 , 能够有可靠替代方式或降速直至停车 ;
2)系统要求具有高可靠性 , 采用多种检测方式 相结合的冗余定位 、检测方式 ;
全自动无人驾驶系统是一种将列车驾驶员执行 的工作 , 完全由自动化的 、高度集中的控制系统所替 代的列车运行模式 。 实时 、精确地确定列车在线路 中的位置 , 是保证该系统的安全 、发挥效率 、提供最
佳服务的前提 。 在全自动无人驾驶系统中 , 由于列车运行密度
高 、车站间距近 、安全性要求高 , 因此列车自动控制 系统及列车本身需要实时了解列车在线路中的精确 位置 。列车在线路上的位置是由列车本身确定的 。 准确 、及时地获取列车位置信息 , 是列车安全 、有效 运行的保障 。 因此 , 列车定位是全自动无人驾驶轨 道交通的一项关键性技术 。 分布于轨旁及列车上的 列车自动控制系统 , 根据线路中列车的相对位置 , 实 时 、动态地对每一列车进行监督 、控制 、调度及安全 防护 , 在保证列车运行安全的前提下 , 最大限度地提 高系统的效率 , 为乘客提供最佳的服务 。
Train Position Technique in FAO of Rail Transit Tian Xuew ei , Liu Xiaojuan Abstract In FAO(F ull Automatic Operation) of rail transit , the preciseness of the train position in real time is the basic assurance for the safety , efficiency and high quality services.T his paper co mpares many positioning techniques in domestic and abroad mass transit , suggests the selection of the differential G PS positio ning technique in GPS as FAO positioning technique , and further discusses G PS positioning technique in details . Key words urban rail transit , full automatic opera tio n, train positio ning technique , global positio n system (GPS) First-author' s address School o f A utomation and Electrical Engineering , Lanzhou Jiaotong University , 730070 , lanzhou , C hi na
在两根钢轨之间敷设交叉感应回线 :一条线固 定在轨道中央的道床上 , 另一条线固定在钢轨的轨 腭下方 。它们每隔一定距离作交叉 , 交叉回线就像 一个天线 。 当列车驶过一个交叉点时 , 利用信号极 性的变化引发地址码加 1 , 由列车控制中心根据地 址码计算出列车的地理位置 , 并对从车轮转速转化 的里程记录进行误差修正 。由于感应回线是列车与 地面之间的信息通道 , 利用极性交叉这种方法一方 面可以实现列车的定位 , 另一方面也起到了抗牵引 电流干扰的作用 ;但其定位精度受交叉区长度的限 制 , 如果交叉区比较窄 , 位置脉 冲漏计的可能 性增 大。 2 .1 .5 信标定位
全自动无人驾驶系统的列车完全在基于通信的 列车控制(Communication Based T rain Control , 简为 CBTC)系统下运行 , 包括车辆段(含停车场)列车唤 醒 、车站准备 、进人正线服务 、正线列车运行 、折返站 折返 、退出正线服务 、进段 、洗车和休眠等作业 。 列 车的起动 、牵引 、巡航 、惰行和制动 , 以及车门和屏蔽 门的开关 、车站和车载广播等控制都是在无人的状 态下自动运行 。
式中 :s0 为初始位置 ;Δt 为列车速度采样时间间隔 。 引入测速信息后大大减小了定位的误差 。 目前
使用较多的列车测速法一般是通过测量车轮转速 , 然后将车轮转速换算为列车直线速度 。用这种方式 计算列车位置信息的缺点是 :①因车轮的磨损导致 通过车轮直径获得路程数据的误差大 。一般轨道交 通的 车轮直径为 770 ～ 840 mm 。 按车轮直径 770 mm 计算 , 车轮表面 磨损 0 .5 mm 时 , 列车每 行驶 305 m 就会产生 1 m 的误差 。 ②这种误差是线性累 计的 , 即随着行驶里程的增加其绝对误差会越来越 大。 2 .1 .3 基于查询 -应答器的列车定位技术
第 12 期
技术资料
全自动无人驾驶轨道交通列车定位技术
田学薇 刘晓娟
(兰州交通大学自动化与电气工 程学院 , 730070 , 兰州 ∥第一作者 , 硕士研究生)
摘 要 在 全自动无人 驾驶轨道 交通中 , 实 时 、精 确地 确定 列车在线路 中的位置是 保证安全 、发 挥效率 、提供 最佳 服务 的前提 。 经对国内外 轨道交 通中的 多种定 位技术 进行 比较 后 , 建议选用 G PS 列车定位 技术中 常用的 差分 G PS 定 位技 术 , 作为全自动无人驾驶轨道交通列车定位技 术 。 关键词 城 市轨道交通 , 全 自动无 人驾驶 , 列车 定位技 术 , 全球定位系统 中图分类号 U 239 .5 .6 ;P 228 .4
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终端是无法判断的 , 因而对列车定位时的最大误差 就是一个区段的长度 。 为了得到较为准确的位置信 息 , 在计算具体位置信息时通常要引人列车的即时 速度信息 。如在某一个速度采样时间点 tn 上测得 列车的即时速度为 v(t n), 则列车的即时位置为 :
∑ s =s0 = v (t n)·Δt n
3)技术实现要具有可行性 , 采用无线通信方式 的定位方法和信息传输方法 , 实现车 -地通信 ;
4)定位准确性和精度进一步提高 ; 5)在尽量采用已经成熟的轨道交通定位 、检测 手段的同时 , 大胆吸收和引进航天等领域中实践效 果比较好的定位 、检测手段 。 目前在国内外城市轨道交通中有多种列车定位 方法 。依据轨道电路定位的方法主要有基于轨道电 路的列车定位技术 、测速列车定位方法 、基于查询 应答器的列车定位法技术 、感应回线车载传感器定 位技术及信标定位 ;基于 CBT C 的列车定位方法有 无线扩频通信定位技术和全球卫星定位系统(Global Positioning Sy stem , 简为 GPS)等 。 2 .1 依据轨道电路的列车定位方法 2 .1 .1 轨道电路列车定位技术 目前城市轨道交通系统中 , 普遍采用“S 棒” 进 行电气隔离的数字音频轨道电路 。 数字轨道电路的 发射单元以差分模式向另一端通过钢轨传输一个调 制信号 , 在轨道电路的另一端提取这个信号 , 构成一 个信息传输回路 。接收的信息和传送的信息经逐位 比较确认相同时 , 完成对接收信息的验证 , 判断钢轨 和轨道电路的工作状态 。 区段空闲时 , 信息由发送 端通过回路传输到接收端 , 接收端继电器励磁吸起 ; 当列车进入区段时 , 轮对将两根钢轨短路 , 信息不能 到达接收端 , 接收端继 电器失磁落下 , 达到列 车检 测 、定位的目的 。 轨道电路法既可以实现列车检测 、定位 , 又可以 检测轨道的完好情况 , 满足故障 -安全原则 , 是一种 高安全 、高可靠的列车检测 、定位方法 , 所以目前依 然得到广泛使用 。 但是使用这种方法的缺点是 :由 它所实现的定位是以轨道电路长度作为最小定位单 元 , 无法构成真正意义上的移动闭塞 ;为了实现精确 定位 , 还需同列车测速装置结合使用[ 2] 。 2 .1 .2 测速列车定位方法 在轨道电路定位法中 , 列车在区间的始端还是
信标是安装在线路沿线反映线路绝对位置的物 理标志 。信标分有源信标和无源信标两种 :有源信 标可以实现车地的双向通信 ;无源信标类似于非接 触式 IC 卡 , 在列车经过信标所在位置时 , 车载天线 发射的电磁波激励信标工作 , 并传递绝对位置信息 给列车 。
城市轨道交通系统中所使用的信标大部分为无 源信标 , 安装在轨道沿线 。 信标的作用是为列车提 供精确的绝对位置参考点(也可以提供线路的坡度 、 曲线半径等其它信息)。由于信标提供的位置精度 很高 , 达 cm 量级 , 因此常用信标作为修正列车实际 运行距离的手段 。采用信标定位技术的信息传递是 间断的 。即当列车从一个信息点获得地面信息后 , 要到下一个信息点才能更新信息 , 其间若地面情况 发生变化 , 就无法立即将变化的信息实时传递给列 车 。因此 , 信标定位技术往往作为其它定位技术的 补充手段 。 2 .2 基于 CBTC 的列车定位方法 2 .2 .1 无线扩频通信定位技术
查询 -应答器一般由车载查询器 、地面应答器 和轨旁电子单元(LEU)组成 。 地面应 答器一般装 在两根钢轨中间或一根钢轨的外侧 。 车载查询器装 在列车上与应答器相对应的位置 。应答器一般都是 无源的 , 其内部寄存器按协议以数据形式存放实现 列车速度监控和其它行车功能所必须的数据(见图 1)。当列车驶过地面应答器且车载查询器与应答器 对准时 , 查询器首先以一定的频率通过电磁感应方 法将能量传递给应答器 ;应答器内部电路在接收到 能量后即开始工作 , 将所储存的数据以某种调制方 式通过电磁感应传送到车上 。
图 1 查询 -应答器的基本工作原理
查询 -应答器可以用作连续式列车速度自动控 制系统的列车精确定位设备(这时应答器内部储存 的数据是固定的);也可以用作点式列车速度自动控 制系统的列车检测 、定位辅助设备 , 作为电子计轴器 等系统向列车传输数据的通道 。 置于信号机旁的应
第 12 期
答器用 于向列 车传递 信号 显示 信息 , 因此 要通 过 LEU 提供接口与信号机相连 ;但是只能给出点式定 位信息 , 存在设置间距和投资规模的矛盾 。 2 .1 .4 感应回线车载传感器定位技术
1 列车定位的作用
在全自动无人驾驶轨道交通行车安全和指挥系 统中 , 列车定位技术的作用主要体现在以下方面 :
1)为保证安全列车间隔提供依据 ; 2)为列车自动防护(AT P)子系统提供准确位 置信息 , 作为列车在车站停车后打开车门以及站内 屏蔽门的依据 ; 3)为列车自动运行(AT O)子系统提供列车精 确位置信息 , 作为列车计算速度曲线 , 实施速度自动 控制的主要参数 ; 4)为列车自动监控(AT S)子系统提供列车位 置信息 , 作为显示列车运行状态的基础信息 ; 5)在 CBTC 系统中 , 作为 无线基 站接续 的依 据[ 1] 。 全自动无人驾驶轨道交通列车定位技术的重要 作用决定了它首先必须能保证提供正确的列车位置 信息 ;其次 , 对列车定位 技术的精度提 出了更高要 求 ;然而 , 由于经过采集 、传输 、计算等环节 , 造成列 车位置信息的时延是不可避免的(一般都采用近似 数值), 因此提高信息及时性以及减少信息误差等就 非常重要 。
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城
市轨
道交通
研 究
源自文库
2007 年
2 列车定位方案选择
根据全自动无人驾驶轨道交通的技术特点 , 在 制定其定位技术方案时 , 大致应遵循以下几条原则 :
1)系统符合故障 -安全原则 , 在发生丢失信息 等故障时 , 能够有可靠替代方式或降速直至停车 ;
2)系统要求具有高可靠性 , 采用多种检测方式 相结合的冗余定位 、检测方式 ;
全自动无人驾驶系统是一种将列车驾驶员执行 的工作 , 完全由自动化的 、高度集中的控制系统所替 代的列车运行模式 。 实时 、精确地确定列车在线路 中的位置 , 是保证该系统的安全 、发挥效率 、提供最
佳服务的前提 。 在全自动无人驾驶系统中 , 由于列车运行密度
高 、车站间距近 、安全性要求高 , 因此列车自动控制 系统及列车本身需要实时了解列车在线路中的精确 位置 。列车在线路上的位置是由列车本身确定的 。 准确 、及时地获取列车位置信息 , 是列车安全 、有效 运行的保障 。 因此 , 列车定位是全自动无人驾驶轨 道交通的一项关键性技术 。 分布于轨旁及列车上的 列车自动控制系统 , 根据线路中列车的相对位置 , 实 时 、动态地对每一列车进行监督 、控制 、调度及安全 防护 , 在保证列车运行安全的前提下 , 最大限度地提 高系统的效率 , 为乘客提供最佳的服务 。