城市轨道交通列车定位方法分析

曹启滨

（北京地铁运营公司通信信号公司，北京 100088）

城市轨道交通系统承担着庞大的城市公共交通客流的运送任务，因此城市轨道交通无论地铁或轻轨，都非常注重运营效率。轨道交通运营效率的一个重要影响因素就是列车追踪间隔，需要高密度、小间隔的列车持续运行，列车定位技术是实现这一要求的基础和关键。

1 列车定位的概念

列车定位就是通过已有的技术设备，实时准确地掌握运营线路上列车实际地理方位、运行状态、行驶速度等关键信息，并能够将列车实时位置信息通过传输线缆传送到轨道交通指挥控制终端界面上，供轨道交通行车指挥与调度工作人员掌握线路运行信息。

通过列车的定位，使调度系统能够掌控在线列车数量、具体位置。

通过列车的定位，便于调度员及时对线路运营情况判别和处置，必要时及时发布增减车次、调整运营计划的决策。

通过列车的定位，实现列车与地面（轨旁）的信息与数据通信，使列车能够获取有关安全认证和授权信息。

2 目前轨道交通常用的列车定位技术介绍

2.1 轨道电路

通过轨道电路实现列车定位是最传统的列车监测方式，目前在轨道交通及国铁各类线路均广泛使用。轨道电路依靠轨道继电器状态来检测轨道占用情况。轨道电路将走行轨分成若干个轨道区段，每个轨道区段有轨道安全型继电器监督占用状态。当无列车占用，继电器通过轨道变压器送出的安全电压，能够保持励磁吸起状态，继电器前节点接通，代表区段空闲的绿色信号机开放；当列车轧入该轨道区段，列车轮对的分路电阻很小，致使轨道继电器电流大部分被分路，励磁电流降低，继电器无法继续保持吸起状态，安全型继电器接通后节点，红灯点亮，表明该区段有列车占用。

轨道电路原理简单，设备构成也比较简单，使用的轨道继电器发生故障、轨道区段自身故障时，都能够使继电器接通代表红色灯光的后节点导通，避免因故障原因使被占用的区段信号升级，符合信号要求“故障导向安全”的基本理念。

2.2 地面信标

地面信标属于列车控制系统的地面（轨旁）设备，地面信标通常安装在正线走行轨两轨道中心，水平放置，用于与车载信标天线实现通信。车载信标天线悬挂在列车司机室下方第一轮对后方，水平安装。车载信标天线具备无线发射和接收功能，通过无线电磁波信号激活地面信标，并将被激活的地面信标信息捕捉到车载信息处理系统中，通过解译信标发送数据报文内容，来获取列车定位。

列车在轨道线路上行驶时，通过列车不断采集地面信标的信息，其列车定位不断更新。通过采集信标，列车获取自身在线路的定位，传递行车参数，实现了车-地信息交互。

2.3 计轴

计轴是安装在走行轨边侧，通过检测列车轮对数量判断轨道区段占用的信号设备。其工作原理类似轨道电路。需要将走行轨分为若干个区段，在每个区段的入口和出口分别设置计轴点，计轴点通过检测轮对通过瞬间产生的电磁感应信号判断轮对轮轴数量，并能够辨别方向。只要进入区段和离去区段的轮轴数量一致，认为列车出清。如果进与出的轮轴数量不同，设备会认为轨道占用而不能开放信号。

2.4 裂缝波导管

城市轨道交通需要高密度行车，基于无线通信的移动闭塞控制系统CBTC是当今为提高运输效率、保证安全运营的最先进的列车运营控制技术，国内外众多的城轨线路相继使用CBTC信号系统。CBTC需要列车与地面轨旁设备有高速实时的数据通信，移动闭塞需要高精度的列车定位——通过无线通信系统完成。

列车控制系统（ATC）的无线通信方式主要包括无线自由波、漏泄电缆和裂缝波导管。其中在轨道交通系统中，信号系统出于对安全性的极端敏感性，必须防止其他电磁波无线信号的混入干扰，因此裂缝波导技术广泛采用。裂缝波导管与钢轨平行，根据线路条件和列车车下吊装件安装条件，有安装在轨道外侧和内侧两种。车载无线天线设备在列车车体下方与波导管垂直接近的位置安装，用于与波导实时交换数据。通常车载无线天线每个驾驶室配置2台，便于与分布在轨面左右两侧的波导通信。在CBTC系统中，每组列车两个驾驶室无线通信单元互为冗余备份，以提高系统的稳定性和可靠性。

无线波导天线的使用，让ATC轨旁设备与ATC车载设备之间的通信连续，可以通过报文形式持续的向地面传递列车运营的速度、模式、车辆指标等具体数据信息，又能够实时刷新列车定位，将ATC轨旁设备中区域控制区ZC、逻辑控制区LC的计算数据实时发送给列车，为形成列车自动追踪的速度曲线提供计算依据。

3 几种常用列车定位技术应用分析

城市轨道交通列车定位直接关系着行车安全与行车效率。以下对上述讨论的几种定位技术简要分析。

传统的轨道电路监控列车在区段的占用，这种设备技术原理简单，设备安装容易，设备技术含量相对不高，单套设备投资成本低，因此得到广泛应用。但是轨道区段的长短决定了其行车效率，如果区段设置过长，会严重影响行车通过效率；如果区段过短，增加了设备安装数量，也增加了维护、维修作业工作量。传统的轨道电路极易受到外界自然环境的影响，其电气指标可能发生偏移，特别是地下铁道系统面临隧洞内阴暗潮湿、灰尘多的恶劣自然条件，容易使轨道电路发生“红光带”等故障。轨道交通运营车次密度很高，一旦区间户外设备故障，为了组织行车很难给予维修人员足够的抢修时间，因此易发生故障的设备对运营影响较大。

定位信标技术在轨道交通系统中已有多年成功应用，特别是轨道交通系统停站频繁，且众多新建线路增加了站台屏蔽门设备，列车无论ATO自动驾驶停车还是依靠人工驾驶，都必须准确对标停车以保证车门和站台屏蔽门的有效联动，方便乘降，因此定位信标发挥了作用。同时地面信标存储的信息量较轨道电路传送给列车的有效信息要庞大，更能够适用于高密度、精准停车的需要。

计轴在轨道交通新建线路普遍采用，计轴设备本身避免了轨道电路容易受到恶劣环境影响的不足，依靠车轮与计轴点踏面之间的电磁作用监控列车占用与出清，通过计算机处理计轴点发送的信息，在整体上安全性和可靠性很高。但是计轴同样依靠轨道区段的划分来实现列车定位，存在区段长效率低、区段短维护量大的问题，所以计轴点的列车定位和闭塞方式已经广泛成为拥有CBTC的控制系统的后备方案，在CBTC车地通信异常或有非CBTC列车（如非限列车、无模式调试车）时使用。

裂缝波导管系统能够提供实时高速车-地通信，在CBTC控制系统中，ATC轨旁设备区域控制器ZC和逻辑控制器LC能够将线路电子地图、区间限速、ATS运行授权、列车冲突点等信息集中与列车进行交互，车载计算机通过捕获这些信息计算控制列车的牵引与制动的目标-距离曲线，实现高质量高精度的列车定位。

综上所述，城市轨道交通使用了轨道电路、信标、计轴和裂缝波导管等列车定位技术，轨道电路和计轴均需要设置闭塞区段，区段的选择制约了通过效率。而基于移动通信的CBTC系统打破了传统的闭塞区段定位的概念，移动闭塞的列车闭塞区段完全是移动虚拟的，根据列车运营轨迹实时刷新，它对列车的精确定位要求极高，裂缝波导管技术的发展满足了这一技术需要，正在逐步被更多的轨道交通新线路应用。

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