轨道交通列车定位技术的选择与比较

陈艳华

（西安铁路职业技术学院交通运输系，陕西西安710014）

轨道交通系统列车具有运行速度快，间隔较近，运行密度高等特点，因此，为了保证列车运行的高安全、高可靠性，需要设定许多技术参数，其中列车的物理位置信息是列车控制系统中重要参数之一。在轨道交通行车系统中列车定位是非常重要的技术。因此，这里详细讨论了轨道交通技术。

1 列车定位技术

获得列车物理位置信息，即确定车辆在地球表面上的坐标，简称为列车定位。及时准确地获取列车物理位置，才能确保列车安全有效运行。因此，通过列车定位，可以更加有效地提高行车的安全和效率，使行车调度与控制实现全新智能化模式成为可能[1]。因此列车定位应提供准确、实时的列车位置信息，并具有以下功能[2-3]。

1）能够为列车控制系统随时随地提供准确的位置和实时速度信息，保证前后列车的安全间隔；

2）缩短前后追踪列车的间隔时间，提高区间列车运行速度；

3）通过列车定位可获得列车运行状态的基础信息，从而便于实现列控系统的车载及轨旁设备的故障分析；

4）依据列车超速防护子系统的速度—模式曲线，实现列车的定点停车及超速防护；

5）为列车安全运行提供关键的数据，从而使ATC系统功能实现成为可能。

2 列车定位的主要方法

2.1 轨道电路定位法[4]

传统的轨道电路定位法是利用铁路线路的2根钢轨作为导体，两端加以机械绝缘（或电气绝缘），并接上送电和受电设备所构成的电路。轨道电路就是检测轨道区段是否有列车占用，来实现列车的定位。目前广泛采用S型连接棒音频无绝缘轨道电路，即采用电气绝缘实现区段的划分实现列车定位。

2.2 地面应答器法[5]

地面应答器也称为信标，地面应答器与车载应答器，轨旁电子单元配合使用来实现列车定位。地面应答器主要分为有源和无源2种。应答器安装在站内或每个轨道分区等轨道沿线，应答器无需与任何设备相连，其内部寄存器的数据已固定。当列车通过时，地面应答器与车载的相应设备对准，车载设备以电磁感应的原理以一定的频率传递给地面应答器相应信号，应答器接收到车载设备传送的信号后开始工作，通常利用移频键控方式将列车当前的绝对点物理位置信息回传至列车。车载设备会使列车定位信息再次刷新，得到新的列车位置起点。

2.3 交叉电缆回线定位法[6]

交叉电缆回线定位是使用电缆按一定间隔绕制成一个环路设于轨道上。其设备的布置方式：在2根基本轨之间铺设交叉电缆回线，一条线安装在基本轨间的到床上，另一条线安装在钢轨的颈部底端，两条线每隔相应距离作一次交叉。当列车通过每一个电缆交叉点时，车载设备感应接收到交叉电缆回线提供的相应信号变化信息，并由车载计算机进行处理，从而确定列车的物理坐标信息，使车载设备对列车位置信息刷新。

2.4 测速定位法[7-8]

测速定位法是先测得列车运行的即时速度，对其进行积分即得列车运行距离，从而实现列车的定位。目前测速的方法很多,一类是利用轮轴旋转信息的测速方法,具体主要为测速电机和脉冲转速传感器方式；另一类是利用无线通信方法,直接测出列车运行的速度,具体包括多普勒雷达测速、GPS测速定位和无线扩频定位。

除以上述定位方法外，轨道交通中还应用其他一些定位技术，例如：计轴器定位、惯性列车定位系统定位、航位推算系统定位、地图匹配定位、裂缝波导定位、无线移动通信技术定位等。

3 列车定位技术的选择与比较

3.1 闭塞制式的分析[9]

轨道交通列车运行控制系统采用3种闭塞制式：固定闭塞，准移动闭塞和移动闭塞。在轨道交通中，不同的闭塞制式对于列车定位技术的采用是有取舍的。

1）轨道电路定位法无法确定列车在闭塞分区内的具体位置，因此列车实施制动的起点和终点总在分区的边界，在确保安全的前提下，需设防护区段，加大了列车间的间隔，使区间通过能力的提高受到限制。该定位法定位的精度较低，无法构成移动闭塞。

2）地面应答器法也是较典型的准移动闭塞定位技术。

3）交叉电缆回线定位法可以实现移动闭塞，是目前行业内比较先进的控制技术。

4）利用测速原理的无线扩频定位技术也可实现移动闭塞。该方式的定位原理与轮轴测速不同，是利用电台间相互传输信号实现定位。

3.2 设备投资成本分析[10-11]

1）轨道电路定位法由于可以利用现有设备不需要再投资，因而费用较低，而且该方法即可实现列车定位，也可以检测线路是否完好，能实现故障—安全原则。

2）GPS定位法的设备投资也较小。只要在列车两端安装GPS接收机和差分误差信息接收器，接收器导航定位卫星发送来的信息，通过测量卫星信号发射与接收的时间差，得到卫星至地面的距离，就可确定列车的坐标位置。

3）交叉电缆回线定位法实现时只需在线间铺设电缆环线，因此成本较低。

4）无线扩频定位技术由于设备相对复杂，需要在区段沿线设置用于测距的专用扩频基站和中心控制站，投资成本较高。

5）利用设置地面信标，可以消除测速设备带来的累计误差，通过地面信标与测速设备配合实现定位，投资相对较小。

3.3 维护费用分析

1）轨道电路法在实现列车定位功能时，由于存在送电和受电设备，因而轨旁设备数量较大，维护工作量也相应较大。

2）GPS定位法实现列车定位时，不设地面设备，只需在车列上安装接收机即可，因此大量的安装及维护费用得到节约。

3）地面应答器定位法由于设备简单，维护及运行费用也较低。

3.4 抗干扰性能分析

1）轨道电路定位法因为轨道电路的工作条件和设备的特殊性，使其抗干扰性较差。轨道电路易受振动、天气、环境和车辆轮对洁净程度的影响,比如雨天、下雪天会导致轨道电路分路不良。牵引电流和道砟阻抗变化等因素也会对其造成干扰。

2）GPS卫星定位也易受到障碍物干扰，在轨道线路周围阻挡物较多的地方易形成盲区，恶劣的天气对其性能影响也较大，使定位精度下降，另外该方式又受制于卫星和空间站的设备性能情况。

3）交叉电缆回线定位法利用极性交叉的原理实现，因此可以抗牵引电流的干扰。

4）地面应答器法抗干扰性也较强，能适应恶劣气候条件，可以在任何环境、地点，甚至GPS无法实现定位的位置，都可以可靠工作。

5）无线扩频定位法由于为独立系统，不易受其他因素干扰，因此定位比较精确。

3.5 定位精度分析[12]

1）轨道电路法只能实现分区内的边界定位，因此定位精度不高，为了实现较精确的定位，可以与测速设备配合使用。计轴器定位法与轨道电路法相近，定位精度也不高，通常也需与测速装置相结合实现列车定位。

2）地面应答器法是点式定位，相对附近区域定位精度较高。但如果实现各连续点的定位，则必须缩小应答器设置的间距，加大应答器的设置数量提高定位的精度。

3）GPS卫星定位属于相对运动状态下工作，定位的精度则受到限制，但只要GPS信号可用，就可以提供列车的绝对位置信息，即使是在较远的距离利用其载波相位进行定位，精度也会较高，时间的积累不影响误差值。使用差分定位方法，定位精度可以达到3 m左右。

4）交叉电缆回线定位累计误差较大，定位精度与交叉区长度设置形成一对矛盾，因此提高定位精度难度较大。

5）在通过测速定位的方法中，无线扩频定位技术定位比较精确，对列车定位的精度可达5 m范围内的误差，信息传输的时间间隔也较小，具有在较差的电磁条件下可靠传输数据的能力。而测量车轮转速定位法因车轮磨损导致的累计误差较大，因而在定位精度要求不高的情况，可以用增加地面信标的方法补偿校正。

除从以上方面进行比较外，还可以从以下方面进行比较：

1）采集定位信息是否连续，定位信息的特点分为：点式信息和连续式信息，其中地面应答器采集的就是点式信息，GPS列车定位的信息则是连续的。

2）定位设备的安装位置可分为轨旁定位和车载定位2种。轨旁定位方式目前主要有轨道电路法、计轴器法、查询应答器法、交叉感应回线法、无线扩频法等；车载定位方式主要有是在轮轴上安装里程仪或者脉冲转速传感器实现列车的定位。

3）与轨道是否接触[13-14]，由于轨道交通运营模式存在车体运行中与轨道是否接触的区别，在定位技术上也有差别。与轮轨交通方式对比分析，磁悬浮交通对列车定位提出了特殊的要求。其中车轮转速方法定位无法实现，只能用无线方式。由于磁悬浮列车速度较高，则对定位的相关参数要求更高。目前磁悬浮列车定位的方法主要有：交叉电缆回线定位、传感器定位、微波定位。

4）定位技术实现的难易程度，定位方法中交叉电缆回线定位法实现比较简单。

5）线路是否封闭[15]，如果轨道交通线路是封闭的，那么列控系统要求定位信息必须是绝对位置信息，才能满足控制要求。

4 结束语

为了使信号系统中的列控中心和车载本身确定列车的当前位置，以及向旅客提供向导信息，获得列车当前的物理位置是非常必要的。定位信息的准确度直接影响列车运行的安全。随着通信和计算机技术的发展，出现了很多新型定位技术并已运用，例如：基于绝对位置编码的绝对定位方法，其定位精度、可靠性、抗干扰性均较高，并且成本较低。还有利用无线传感器实现定位、低频射频识别无源标签定位等。

在列车定位技术的选择与比较中不难发现，只利用一种定位方法很难在定位精度、成本、可靠性等方面得到均衡，而且从故障—安全方面考虑，也不能保证系统的安全可靠性。因此，目前在列车运行控制系统中定位往往是综合运用，将多种方法融合，互补，使之能满足列车运行控制系统安全运行要求。

[1]刘晓娟，张雁鹏，汤自安.城市轨道交通智能控制系统[M].北京：中国铁道出版社，2008：46-48.

[2]刘进，吴汶麟.轨道交通列车定位技术[J].城市轨道交通研究，2001，4（1）：30-34.

LIU Jin，WU Wen-lin.Train positioning technology of railway and mass transit[J].Urban Mass Transit，2001，4（1）：30-34.

[3]田学薇，刘晓娟.全自动无人驾驶轨道交通列车定位技术[J].城市轨道交通研究,2007（12）：52-53.

TIAN Xue-wei，LIU Xiao-juan.Train position technique in FAO of rail transit[J].Urban Mass Transit,2007（12）：52-53.

[4]林瑜筠.城市轨道交通信号设备[M].北京：中国铁道出版社，2006：9.

[5]吴汶麟.国外铁路信号新技术[M].北京：中国铁道出版社，2000：96-98.

[6]蔡爱华，季锦章.地铁信号系统的现状及发展趋势[J].电子工程师，2000（5）：1-3.

CAI Ai-hua，JI Jin-zhang.Nowadays situation and development tendenly of mass transit signaling system[J].Electronic Engineering，2000（5）：1-3.

[7]刘进,吴汶麟.基于扩频技术的列车定位[J].交通运输工程学报，2001，1（4）：26-28.

LIU Jin,WU Wen-lin.The spread spectrum technology based on train location[J].Journal of Traffic and Transportation Engineering，2001，1（4）：26-28.

[8]刘蓓，张雯，文武臣.基于无线扩频的列车定位方法[J].重庆工学院学报：自然科学，2008，22（12）：6-8.

LIU Bei，ZHANG Wen，WEN Wu-chen.Research of train positioning technologies based on radio spread spectrum Wireless spread spectrum-based train positioning method[J].Journal of Chongqing Institute of Technology：Natural Science Edition，2008，22（12）：6-8.

[9]陈新，周俊，林必毅.地铁列车定位技术的研究[J].微计算机信息,2009，25（24）：117-118.

CHEN Xin，ZHOU Jun，LIN Bi-yi.MTR train positioning technology research[J].Control&Automation，2009，25（24）：117-118.

[10]孙有望，李云清.城市轨道交通概论[M].北京：中国铁道出版社，2003：130.

[11]陈晓乾，王剑，蔡伯根，等.GPS在列车完整性检查中的应用研究[J].北京交通大学学报，2006，30（4）：69-70.

CHEN Xiao-qian，WANG Jian，CAI Bo-gen，et al.Reasearch of GPS application in train integrity monitoring[J].Journal of Beijing Jiaotong University，2006，30（4）：69-70.

[12]孙林祥，房坚.城市轨道交通的列车定位技术[J].电子工程师，2002，5（7）：27-29.

SUN Lin-xiang，FANG Jian.The technique of train position determination in mass transit[J].Electronic Engineering，2002，5（7）：27-29.

[13]周文武，龙志强，常文森.磁悬浮列车测速定位系统的设计与实现[J].电子技术应用，2002,28（6）：39-40.

ZHOU Wen-wu，LONG Zhi-qiang.Design and implementation of Maglev train speed and position system[J].Application of Electronic Technique，2002，28（6）：39-40.

[14]吴汶麟.高速磁悬浮交通的运行安全与指挥系统[R].上海：铁路通信信号工程科技信息中心，2000.

[15]邱成，朱衡君.城市轨道交通封闭曲线线路列车定位技术[J].中国铁道科学，2007，28（2）：86-88.

QIU Cheng，ZHU Heng-jun.Train positioning technology for the closed-loop track railway in urban mass transit technology[J].China Railway Science，2007，28（2）：86-88.