刘样平
深圳地铁运营集团有限公司 广东深圳 518040
摘要：列车定位在轨道交通领域不可或缺，占据主要地位，对列车定位技术的研究也成为各专家学者不断探索和向前推进的课题之一。目前普遍采用的列车位置检测（定位）方式主要有轨道电路、计轴器、GPS卫星定位法、BDS北斗卫星导航系统、高频射频识别（RFID）技术以及多普勒雷达等。本文结合目前轨道列车定位技术方面的研究成果和应用实践，分析国内列车主要采用的定位系统并对其利弊进行全面分析，提出一套利用UWB技术在轨道交通地铁列车中实现精确定位的系统，具有一定实践意义。
关键词：UWB、精确定位、地铁列车
Abstract: Train positioning is indispensable in the field of rail transit and occupies a major position. The research on train positioning technology has also become one of the topics that experts and scholars constantly explore and move forward. The main methods of train position detection (positioning) commonly used at present are track circuit, axle meter, GPS satellite positioning method, BDS Beidou satellite navigation system, high frequency radio frequency identification (RFID) technology and Doppler radar. Combined with the research results and application practice of the current rail train positioning technology, this paper analyzes the main domestic train positioning system and makes a comprehensive analysis of its advantages and disadvantages, and puts forward a set of UWB technology to achieve accurate positioning subway train to achieve accurate positioning system, which has certain practical significance.
Key word: UWB、accurate positioning、Subway train
列车定位是列控系统中关键一环，精确的列车定位不仅可以提高列车运行的安全性，缩短列车追踪间隔，同时也能优化车辆调度、提高行车作业效率，是生产、运输等领域不断追求改进和提高的重点环节。根据实地环境和适用要求不同，列车的定位系统目前主要有轨道电路、计轴器、全球定位系统（GPS）、北斗卫星导航系统（BDS）、高频射频识别（RFID）以及多普勒雷达等。每套定位系统由于自身局限，都无法单独地在复杂的股道、站场等区域进行精确定位，本文试图对以往定位模式的利弊进行合理分析，并提出利用超宽带（UWB）技术对不同区域内的列车进行精确定位。该技术主要采用无线脉冲射频信号机制进行点对点双向飞行时间测距和通信，获得在可测范围内列车与铁路线路固定节点的距离，自动判定列车在轨道线路上的精确位置，具有一定的实践意义。
一、常见列车定位方式及优缺点分析
为提高运营效率、操作性与安全性，降低运营成本，不断对列车定位系统优化升级势在必行。因而基于UWB定位技术的列车定位系统的提出，在一定程度上满足当前列车运行模式的要求，也顺应了新型轨道交通的发展趋势。因为该定位系统减少了列车定位对地面设备的依赖，实现低成本与高自主性优势，同时也符合现代铁路的发展需求。在具体介绍UWB技术定位系统之前，本文将对目前国内轨道交通车辆使用的定位系统进行梳理，并对各定位系统的利弊之处进行合理比较分析，从而突显该定位系统的合理性。目前国内轨道交通车辆主要采用的定位方式主要有：
1）.轨道电路
设备运行方式：将整个轨道系统路网依适当距离区分成许多闭塞区间，各闭塞区间以轨道绝缘接头区隔，形成独立轨道电路，各区间的起始点皆设有信号机（色灯式信号机），当列车进入闭塞区间后，轨道电路立即反应，并传达本区间已有列车通行，禁止其他列车进入的信息至信号机，此时位于区间入口的信号机，立即显示险阻禁行的信息。
缺点：仅能检测列车处于某一轨道区段，定位误差大，不能满足基于无线通信的列车自动控制（CBTC）系统对于列车定位精度的需求。
2）.计轴器
设备运行方式：利用安装在钢轨的闭环传感器监督列车车轮对经过数，经过设在室内的微机系统与门检测后将本站的轮对数利用半自动设备发送至对方站，列车到达对方站后，对方站收到轮对数与发车站的相同时自动开通区间，换言之，是一种能检测通过车轮的铁路信号设备，它能够取代许多的普通轨道电路。
优点：适用于道床状态差、道床泄漏电阻过低的轨道区段；可检测钢轨生锈及轻车情况下的轨道区段占用/空闲；可避免轨道电路由传输距离的限制而设置的多个轨道电路；不需要绝缘节。
缺点：如果作为站内多区段轨道电路的替代，投资较轨道电路大；电源部分必须可靠确保不因电源瞬间中断造成轴信息的丢失；无法检测钢轨断轨；由于其它铁器如铁等在磁头上的动作可能造成错误计轴。
3）.应答器/信标
设备运行方式：列车通过时，应答器接收到车载天线发射的电磁能量后，将其转换成电能，使地面应答器中的电子电路工作，把存储在地面应答器中的线路基本参数、线路速度、特殊定位、临时限速、车站进路等固定和实时可变的信息传送至列车控制系统；列车经过信标所在位置，车载天线发射电磁波激发信标工作，并将绝对位置信息（以及存储位置、限速、坡度、道岔位置等信息）传送给列车。
优点：信标提供的位置精度极高，可达厘米量级
缺点：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，若期间地面情况发生变化，无法立即将变化的信息实时传递给列车。只有当应答器、信标分布间距小时，列车的连续定位才较为精确，存在投资成本和设置间距的矛盾。
4）.速度传感器
设备运行方式：速度传感器通常安装于列车轮轴上，通过检测车轮转数来测量列车的实时速度，辅助应答器/信标点式定位来完成对列车的连续性定位。
优点：对列车实时速度能够准确测量，辅助应答器/信标点式定位来完成列车的连续型定位。
缺点：若车轮打滑，会导致测速误差较大
5）.脉冲多普勒雷达
设备运行方式：通常安装在列车底部并持续向轨道发送脉冲，利用多普勒频率的大小测出目标对雷达的径向相对速度，探测列车位置。
优点：抗干扰能力强、增大雷达信号处理容量、速度快、灵活性高等
缺点：当列车速度较低时发射波对于回波频率相差较小，测速误差较大。
6）.GPS卫星定位系统与BDS北斗卫星导航系统
GPS由24颗卫星组成，覆盖全球的全天候导航系统，综合定位精度可达厘米级和毫米级,民用领域开放的精度约为10米。BDS由北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，
GPS : 优点：属全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息。
缺点：运用在轨道交通地铁中则定位信号不理想，且无法实现通信功能。无明显优势。
BDS： 优点：快速定位，为服务区域内的用户提供全天候、实时定位服务，定位精度与GPS相当；短报文通信，一次可传送多达120个汉字的信息；精密授时，精度达20纳秒。
缺点：主要应用于军用，民用推广还没做到全面普及，而且芯片造价较高，在中高纬度地区，由于北斗可见卫星数较少、卫星分布较差，定位精度较差或无法定位。
以上分析说明其一,目前大部分列车定位系统过度依赖于地面设备，获得精确定位的同时，却付出高昂的代价，运营成本过高；其二，没有一套定位系统能在不同的环境中单独运作而获得精确的定位信息，运用于地铁列车的定位系统更需要安装多个地面端和辅助的定位设备来获取列车运行中的精确位置。
基于以上两点本文提出一套运用于地铁列车的基于超宽带（UWB）技术的精确定位系统。该系统不需要在轨道上加装过多的地标或额外增加轨旁设备，而是通过无线脉冲射频信号机制进行点对点双向飞行时间测距和通信，获得在可测范围内列车与铁路线路固定节点的距离，自动判定列车在轨道线路上的精确位置。
二、系统架构
系统由列车车载移动设备、轨道线路固定节点设备和地面网络服务器等组成，如图1所示。
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图1 地铁列车精确定位系统架构
图中：
A、B、C、D分别代表不同的列车；
A1、A2分别为A列车的前后两端（B、C、D类推）；
G为地面固定节点，可安装在车站、道岔或线路尽头等关键位置（G1、G2、G3分别为多个固定节点）；
系统内任意两个节点都可以自动精确测距与通信，如A2—G1、G1—B1、A2—B1、B2—C1等；
所有点对点测距数据可通过本系统设备自组网功能实现与地面网络联接，全部节点的监测数据实时传输至地面监控中心服务器；
服务器解算全线列车精确位置后，自动发送至各移动终端或管理终端，可实现全域列车的实时动态监测和远程管理。
三、系统设备组成
1、列车车载设备：每列车前后驾驶室各一套；
2、地面固定节点设备：在线路特殊点加装辅助线路固定基准点（如进出车站、弯道、坡道、道岔、线路尽头等）这里的基准点不用像传统定位方式一样需要安装多个信标来满足精确的定位，而只需在脉冲能够覆盖的关键节点安装即可，保证精确定位的同时，大大节约了运行成本；轨道线路固定节点通过设备间自身具有的无线通信功能，实现列车监测数据传输并与地面网络联接，地面网络监控中心配置监控服务器；
全新的地面固定点设备，预留了多重数据采集和口，可采集轨道线路设备的监测数据，如道岔位置和开闭状态、进出站位置和屏蔽门武装和状态、上行下行起止点位置、线路尽头位置、厂站关键设施位置或状态等信息，并可通过设备自有的通信功能实时传输到移动中的列车上，为列车主动安全防护提供路轨状态的数据支持。
3、按地铁运营安全管理要求配置列车远程监控终端（PC机）；
4、按地铁运营安全管理要求配置手持移动监控终端（手持机）。
四、工作原理
在封闭的地铁隧道线路上，由于线路遮挡验证以实现卫星信号的传输和获取，因此试图采用北斗或GPS卫星定位技术实现隧道内的列车全线精准点定位几乎是不可能做到的。采用UWB（超宽带）无线通信与测距技术，本系统使地铁列车在隧道内的高精度定位成为可能，是一项实现以用户为主导创新应用的重大实践，其原理如图2所示。
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图2 电子地图上列车精确定位示意图
B1-B5为增加的TSSBRC地面固定点(基准点),列车在任意点都至少收到一个基准点的测距信号。
地面基准点安装原则：保证轨道全线测距定位信号无盲区（弯道间隔约500米，直道间隔约800米，根据现场测试效果确定）。
1、根据地铁线路设计图制作轨道电子地图，电子地图线路上的任意一点都会对应一个精确一维地理坐标（线路标）。
2.、地面基准点固定在地面线路的关键点，对应确定的线路标。
（1） 列车上的测距设备与地面任意两个基准点都能测距，经过一维的映射关系确定列车实时在具体点的定位信息。如图2所示，列车C1与基准点B1的距离为d1，与基准点B2的距离为d2，设备经过测距计算即可得出列车在线路点的具体线路地理坐标。同理，也能得到列车C2、C3在线路上的地理坐标。
（2）当列车C1驶离B2之后，假若失去与B1的测距信号, 由于C1可以与B2、B3同时测距，仍然可以实现列车的精确定位。同时车载设备记录了历史数据，地面网络服务器也会记录列车的历史运行轨迹，根据历史信息校验、核准，根据列车运行动态和方向（需要接列车速度传感器脉冲），仍然可以实时推演列车运行的动态位置，实现地铁列车无盲区高精度定位。
（3）当两个地面固定点设备（基准点）之间有多辆列车时，通过车车测距和通信直接实现列车动态监测，也可校核列车在轨道线路上的高精度位置信息。
五、系统特点
1、系统采用双单元多冗余设计
本系统的硬件设备全部采用双单元多冗余设计，即系统数据的发生、检测、通信、处理和结果传输，包括后备电源供电等，全部按照可靠性多冗余验证原则设计，保证系统在任意单元出现故障时，都不会影响系统的正常工作。
2、各单元模块工作状态的自检测功能
本系统对单一的设备硬件单元全部采用模块化设计，系统设计了设备工作状态的实时自动检测功能，通过设备自组网服务可对所有设备进行实时状态检测和跟踪，一旦发现设备单元出现故障或工作失常，系统将自动提示或报警。
3、独立的安全保障系统设计
本系统设计自成一体，独立工作，与现有地铁列车的其它系统不发生数据检测和交互，对其它系统没有依存关系，也不需要依赖现有的无线通信通道，即使在既有地铁列车安全设备出现故障或失效的情况下，系统仍能发挥安全保障作用。
六、结论
无线超宽带技术运用于地铁列车定位，解决了如下几个问题：1.无需采用传统定位方式在轨道两侧安装多个信标，而只需在脉冲覆盖的关键节点设定必要的基准点即可，节约了运行成本。2.地铁列车的定位不过度依赖地面设备3.自身具有通信功能，实时传输数据至各移动终端和管理终端，实现列车全域检测和远程管理。4.系统自成一体，独立工作，即便在地铁列车安全设备出现故障或失效的情况下，系统仍将实时运行，发挥其安全作用。
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作者信息：刘样平，身份证号：441423197607240715，职称：中级工程师.