1、?*广州地铁运营事业总部?助理工程师,511430?广州?收稿日期:2008?06?26浅谈基于 CBTC的地铁列车定位功能辛?骥*?陈?微*摘要:以广州地铁 4号线为例介绍了 TRAI NGUARD MT 系统列车定位所需的元素,并详细介绍了列车定位的功能、原理及其在实际使用中的一些优缺点。关键词:系统;应答器;列车定位Abstract:The desired elements for TRAI NGUARD MT train location were introduced by taking the in?stance of No.4 line of GuangzhouMetro.The
2、 function and principle of train location aswell as its ad?vantages and disadvantages in application were explained.Key words:System;Balise;T rain location?广州地铁 4号线采用西门子公司的 TGMT 系统,可提供列车自动防护(ATP)和列车自动运行(ATO)功能。该系统是基于通信的列车控制系统(CBTC),移植于西门子 LZB700、SACEM、METE?OR以及 ETCS系统。TGMT 系统支持从基于轨道电路和应答器的 ATC 系统,到独
3、立于轨道电路、应用双向连续车?地数据通信、具有高精度列车定位能力的 CBTC系统的不同配置。即将开通的广州地铁 5号线、南京地铁 2号线及北京地铁 10号线也将使用该系统。在 CBTC模式下,依靠测速仪及多普勒雷达精确测速,轨旁应答器的绝对位置信息,列车可以实时定位,并借助无线通信系统实时将列车的具体位置通知地面。在无线系统故障的情况下以应答器实现点式通信,计轴系统为后备的位置检测系统,确保了信号系统的高可用性,也使轨旁系统在降级模式下实时检测到列车所位于的区段,从而实现了列车的定位。1?线路数据库列车定位的先决条件是线路数据库 Track DataBase(TDB)存储于车载设备中,该数据库
4、中包含了描述线路的各种数据,如轨道分区、应答器、停车点、道岔、防淹门、坡道曲线、控制等级区域等。TGMT列车的定位是车载设备通过读取分布于线路中的应答器信息,并结合自身测速系统来实现的。TDB中有应答器的安装位置、安装误差,应答器版本、应答器类型及应答器 I D号等详细信息,车载设备定位的任务就是检测列车在 TDB中由坐标系统(分区 ID,偏移量)描述的具体位置。每个应答器 发送的报 文都包含 了一个识别 编号(ID),车载计算机单元中的 TDB里存有这些应答器的位置,这样列车就可以知道它在路网中的确切位置了。TDB是根据轨道分区、线路区段及线路这 3个等级概念来描述轨道网络的,若要了解 TD
5、B中的应答器是如何确定位置、在 TDB中是如何寻址的,必须先要了解下面几个概念。1?1?轨道分区对轨道网络的描述是基于相互连接的轨道分区。它由以下要素定义:起点、默认方向、长度、1段或 2段相邻的前分区或后分区。1个道岔区段可以与 3个轨道区段相连。对轨道区段的描述可被用于列车的双方向运行。2个相邻的轨道分区具有独立的方向,因此它们的默认方向可以是相反的。列车的位置及任何轨道分区中的点都可以用轨道分区号和一个偏移量(距轨道分区起点的距离)来描述,如图 1所示。图 1?轨道分区的定义在图 1中,应答器?M 的位置由 S1(分区编号);d(偏移量)确定。1?2?线路区段线路由一系列线路区段组成,其
6、所描述的是铁!4!?2008年 9月铁 道 通 信 信 号September?2008?第 44卷?第 9期RAILWAY SI GNALLI NG&COMMUN ICAT I ONVol?44?No?9?图 2?线路区段的概念路网络的组成部分。TGMT 系统支持在路网内不同线路上的运行。1个线路区段包含了一系列的轨道分区,它描述的是 1个将线路数据传输给 OBCU(On?boardControlUnit车载控制单元)的基本区域。描述轨道线路(及相关单元)的静态数据以?组 为单位,每一组即为 1个线路区段。典型情况为,1个线路区段用于描述 2个车站站间的区段(一般为从一个站台到另一个站台)。如
7、图 2所示。1?3?在 TDB中寻址所有的 TDB目标将根据基本结构单元分配地址,对每一个轨道分区,对每个 TDB目标类型都有一个表格。每个表格中都包含了所有位于同一个轨道分区中相同类型的 TDB目标特性。例如,如果有多个应答器位于同一个轨道分区,则对应该分区将有一个包含所有该分区中应答器特性的表格。一个给定分区的一些表格被包含于线路数据库下载程序中。这样 OBCU可以检查是否在其存储器中已经包含了所有?有用线路区段 的轨道特性。如果没有,则 OBCU可以确定必须向轨旁请求表格,以此来使?有用线路区段 的轨道特性完整。TDB就像是一张电子地图,在这张地图中有应答器等相关信息的描述,列车经过一个
8、应答器,OB?CU中的 TDB就会调出这个应答器的表格,这样就可以找出这个应答器在电子地图中的具体位置了。2?应答器2?1?应答器的安全定位应答器由列车供电(是一种被动设备)。当应答器被激活时,它向列车发送一条应答器报文。当列车经过应答器时,车载设备接收到一条安全的数字应答器报文,该报文给出了应答器的标识并给出TDB的数据,尤其是该应答器中心点的地理位置。应答器支持安全定位,所使用的应答器安全检测精度是一个系统参数。为了实现应答器的安全定位,当车载天线距应答器的距离超出给定的距离时,列车是接收不到应答器报文的。2?2?应答器的类型1.固定数据应答器,包括一般位置应答器、重定位应答器、反向应答器
9、。2.可变数据应答器,包括主信号应答器和填充应答器。在 TDB中对应答器的类型进行了标注。任何类型的应答器(固定数据应答器及可变数据应答器)都安装于线路沿线,并都可作为位置参考点。图 3描述了线路上各种应答器的布置。2?3?应答器版本对每个应答器都在 TDB中标注了一个版本号,并且对?未定义 的应答器版本定义了一个数值。在欧式应答器中,应答器版本被包含于所传输的应答器信息中。仅当列车接收到的应答器信息中的版本号与 TDB中图 3?线路上各种应答器的布置情况标注的版本号一致时,OBCU 才被允许使用该应答器报文,其他情况下该应答器将被 OBCU忽略。3?测速电机和雷达测速电机和雷达单元一起用于列
10、车速度和距离的精确检测。测速电机是一个经过广泛验证的单元,通过计算经车轮旋转在测速电机里产生的脉冲来测量列车的速度和距离。雷达则通过评估反射雷达波的多普勒效应来计算列车速度和距离值。雷达的测算结果完全不受列车的空转和滑行的影响。2种传感方式的有机结合得到了更加安全、可靠、精确的速度距离值。列车速度和距离的精确测量是所有与速度有关的安全功能以及列车定位的先决条件。4?列车定位过程TGMT 列车定位由 OBCU独立完成,只要 OB?CU_ ATP(ATP component of OBCU 车载控制单元的 ATP单元)及应答器通道和速度传感器正常工!5!RA IL WAY SI GNALLI NG
11、&COMMUN I CAT I ON?Vol?44?No?9?2008?作,就可实现列车定位功能。结合下列信息就可以确定列车的位置:检测位于路网中某一位置且在TDB中标注的应答器;#由测速电机和雷达执行的列车位移测量;当通过一个道岔的时候,为了更新列车位置,应考虑道岔的位置。车载 OBCU定位包括初始化阶段和更新阶段。定位有 2种状态:已定位和未定位,并且该功能与列车运行模式无关。列车位置由安全前端位置(分区 ID,偏移量)、安全后端位置(分区 I D,偏移量)和不确定值来描述。如图 4所示。其中,安全前端位置也可称作最大安全前端位置;安全后端位置也可称作最小安全后端位置;不确定性来自应答器检
12、测精度,应答器安装精度和位移测量精度。图 4?安全前端、安全后端位置,定位误差及运行方向?当列车从分区的始端朝分区的终端运行时,列车的运行方向就被称为?正向 。如果列车按另一个方向运行,则列车的运行方向被称为?反向。一个普通的列车定位流程可以描述为:在车载ATP启动时,列车未定位。但是车载计算机单元的线路数据库记录有应答器的位置。一旦列车连续经过 2个应答器,初始化它的位置参数,这样列车?已定位 。详细的步骤如下:1.检测到第 1个应答器后就可以确定描述应答器位置的数据库单元。根据该描述 OBCU即确定了应答器天线的位置,但是列车不知道自己在轨道上的运行方向。2.检测到第 2个应答器后就可以确
13、定列车的运行方向及相对于分区方向的列车方向。这是因为通过车载 TDB及列车从一个应答器运行到另一个应答器时由里程计测得的列车运行方向可以判断出相邻应答器的方向。3.通过第 2个应答器后,列车位置可由测速电机和雷达测量确定。在应答器之间,由于连续的位移测量,被定位列车的定位参数可以被实时更新。测速电机和雷达测量被结合使用来测量列车的位移及速度。4.当列车运行时,位移测量的误差可能导致列车的位移增加一个不确定的值。5.当经过另外一个应答器时,一列已定位的列车将调整它的位置参数,以便通过计算一个更小的位置不确定值得到更加精确的位置。定位的误差被再次调整到应答器安全检测误差加上应答器安装误差的值。5?
14、小结如上所述,OBCU可以在任何时刻估算其对列车定位检测的误差。连续监测列车定位误差,以使误差限定在给定的最大误差值内。若列车定位误差超出最大允许误差时,列车将不再被定位。此时车载设备的反应动作取决于列车的运行模式。每一套OBCU都使用其自身的里程计传感器和其自身的应答器天线来管理列车的定位。OBCU可以容忍丢失一个数据库中描述的应答器(或不可读)。对运行的影响取决于丢失应答器的类型。在实际应用中,这套系统对测速电机、雷达的安装工艺要求较高,在运营过程中曾多次出现因两者的安装精度不够而使列车失去定位而降级运行,极大降低了运营效率。另外,因广州地铁 4号线采用的是直线电机车组,这样就使得车载应答
15、器通道有时会由于 EMC问题而无法正常工作,也会使列车无法定位。通过对电机及车载应答器天线加装屏蔽来改善 EMC 问题,取得了显著效果,但仍有部分车存在 EMC问题,需继续查找原因整改。另外,在 CBTC下的列车定位在该系统中只能达到虚拟区段,即定位到 30m(站台区段)250m(区间区段)的范围,并将列车的移动在人机界面上仍然按照准移动闭塞的方式映射为逐段跳变,这种延续准移动闭塞下的列车定位的设计思路并未完全利用连续通信的特点,实时传输列车的精确位置并在系统中定位,它与完全意义上的移动闭塞仍有区别。因为在这种模式下 ATS已经得到了每列车的具体位置信息,此时的系统内部列车定位应以实际列车发送的位置信息为准,精确地对应到轨道拓扑图上具体的某一点,而不应仍然定位到某个区段。同时,在实际应用中,大范围或长时间的系统故障后往往不能准确地重新定位列车也是该系统的局限,还有待于进一步改进。参考文献1?GZL4?5信号系统西门子投标文件?2?吴汶麒?城市轨道交通信号与通信系统 M?北京:中国铁道出版社,1998?3?孟凡江,黎晓东?CBTC的列车监控与追踪功能 J.铁道通信信号,2007(03).(责任编辑:张?利)!6!?铁道通信信号?2008年第 44卷第 9期
