地铁列车CBTC信号技术探析
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摘要：本文作者阐述了地铁列车定位技术，采用车载测速发电机进行精确定位，同时还采用接近传感器进行站台辅助定位，并详细分析列车定位系统的组成和原理，叙述了列车定位功能的实现。
中图分类号：U231+.3 文献标识码：A
地铁CBTC系统要求不依靠轨道电路向列控车载设备传递信息，利用通信技术实现“车地通信”并实时地传递“列车定位”信息。通过车载设备、轨旁通信设备实现列车与车站或控制中心之间的信息交换，完成速度控制。系统通过建立车地之间连续、双向、高速的通信，使列车命令和状态可以在车辆和地面之间进行实时可靠的交换，并确定列车的准确位置及列车间的相对距离，保证列车的安全间隔。因此，CBTC对无线传输的系统容量、稳定性、抗干扰能力以及高速移动下的切换等都有较高的要求，目前从宽带技术的角度出发，GSM-R、WLAN、漏泄同轴电缆、裂缝波导管、WiMax等技术都可以提供CBTC系统中相应的无线数据传输服务，但这些技术本身的技术标准、技术成熟度、系统应用经验和整个产业链的发展以及部署成本等决定了它们能否最终广范应用到地铁CBTC系统中。
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。
1 移动闭塞列车控制系统（CBTC）简介
1.1 移动闭塞列车控制系统的定义
IEEE在1999年将CBTC（移动闭塞列车控制系统）定义为：“是一种连续自动列车控制系统，利用高精度的不依赖于轨道电路列车定位，大容量、双向连续的车地数据通信，实现车载、地面的安全功能处理器”。与传统基于轨道电路的列车控制系统相比，移动闭塞列车控制系统由于采用无线通信、安全处理器和列车定位技术，具有易于互联互通、调度指挥自动化、工程建设周期短、系统安全性高、通过能力大、轨旁设备少、可以实现移动闭塞以及系统兼容性和灵活性强等特点。
1.2 移动闭塞列车控制系统的结构和功能
ATS子系统、地面子系统、车载子系统以及数据通信子系统共同组成了CBTC系统。CBTC的ATS子系统用于实现列车运行调整，ATS的自动/人工设置进路，列车的显示、跟踪和识别等；地面子系统是由一个设置在控制中心或轨旁的基于处理器的系统；车载子系统包括测速和定位传感器以及智能控制器；设置在中心、轨旁及车上的数据通信子系统能够实现地面与列车、地面与地面以及车载设备内部的数据通信。CBTC系统的功能与系统配置有关，其基本功能如下：定位功能、计算功能、车地双向通信功能、构成闭塞功能、远程诊断和监测功能、提供线路参数和运行状态功能等。
2 测速电机和雷达
测速电机和雷达单元一起用于列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。两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。
3列车定位过程与位置计算
3.1列车位置计算
列车定位系统主要由安装在车底的多普勒雷达和信标读取器、安装在车轴上的速度传感器以及安装在轨道中间的信标等设备组成。列车定位系统根据速度传感器和多普勒雷达采集的数据进行列车位置计算，并判别列车运行方向。列车定位系统中的4个速度传感器分别安装在TC1车的4个轮轴上，其中2个连接到VATC A系统，2个连接到VATC B系统。每个速度传感器会不断发送以2个脉冲为一组的信号到VATC。每个脉冲代表列车已运行的一个固定位移， 因此，VATC可连续地确定列车在系统地图中的位置以及列车的速度和加速度。列车的运行方向则是通过比较每个速度传感器的2个顺序脉冲的相位关系来判定。安装在TC1车车底，根据多普勒原理通过测量发送频率和接收频率来确定列车运行速度。多普勒雷达主要用于精确测量5km/h以上的速度，并检测车轮空转/打滑。多普勒雷达与速度传感器测量到的数据，最终都将用于列车速度和位置的确定。
3.2列车定位过程
为确定列车精确位置，系统采用列车长度来确定列车两端位置。通过处理速度传感器和多普勒雷达的输出信息，得到行驶距离（位移）、速度和方向。由于考虑到误差的普遍存在，系统针对特定距离设有一个误差范围，如列车每运行100m最大允许误差为仪a%（a为定值），累计误差不得超过N（N为定值）。只要不超过误差范围，系统即认为列车位置正确。为了防止位置误差累计过大，系统沿轨道设置若干信标。当遇到信标时，系统先检查信标的位置坐标是否在当前计算的列车位置误差范围之内。如果信标坐标不在当前计算得到的位置（超过位置误差范围）、信标的坐标错误或其坐标位置不在轨道数据库中，系统即认为列车位置错误，并采取紧急制动。只有在检查通过后，系统才会根据信标位置信息更新列车位置，并重置位置误差。此外，当列车连续通过2个有效信标后，VATP会自动校准轮径，以消除人为输入车轮直径所产生的误差。系统根据上一个信标的位置，不断计算从上一个信标开始的位移和位置误差，并以此来计算列车当前位置（包括列车前端和后端的位置误差）。这样就可以确保列车始终在系统计算得到的虚拟占用区域内。在确定列车位置之后，车载信号系统会将信息实时发给轨旁。轨旁信号系统拥有与车载信号系统相同的轨道物理地图，这样轨旁就可以实时校验并更新列车位置，从而实现轨旁信号系统对列车位置的实时追踪。通过以上方法，信号系统就可以实时得到列车精确位置，进而维持区间列车追踪运行间隔，并实现列车站台精确停车功能。
4 位置误差校正
4.1利用信标校正列车位置
信标安装在轨旁，存储着线路绝对物理位置数据信息。当列车驶近信标，读取器传输一个无线电载波频率给信标，并接收当读取器越过信标时由信标反射回来的调制信号。来自信标的反射信号为读取器提供一个线路精确位置，与列车物理地图的一点相对应。每个信标的数据都会通过读取器来验证，以确保其准确性。然后，该数据会通过一个RS-485串口连接传输到每个车载ATP通道上。ATP处理器根据这些数据对通过速度传感器和多普勒雷达得到的列车位置进行校正，从而得到列车在系统中的准确位置。全线设有若干个信标，这样系统就可以不断校正列车位置，从而保证列车位置的准确性。
4.2采用轮径校准技术保证精确性
由于速度传感器需根据列车轮径值大小，及车轮转速计算列车走行距离，从而确定列车位置，因此，当列车更换新轮或车轮磨损时，系统还需及时校正车轮轮径值大小以保证列车位置的精确性。列车定位系统采用2个信标之间的已知距离进行轮径值校准，即当列车在平直轨道上连续通过2个有效信标，并及时读取其中有效位置信息后，系统将根据2信标间的有效距离计算出当前列车车轮的轮径值。采用多普勒雷达防止因空转/打滑而导致的列车位置误差。多普勒雷达能精确测量5km/h以上的速度，以防止因雨、雪天气等外界因素，导致车轮空转/打滑而使系统得不到准确的列车运行速度。
5 结束语
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。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。
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