广州地铁6号线列车定位信息故障研究

刘鹍鹏 付 琴

地铁CBTC系统中，高精度的列车定位是系统安全高效运行的保障。列车定位设备目前主要有轨道电路、信标、雷达、GPS、里程计等。广州地铁6号线采用编码里程计实时定位和信标绝对物理位置坐标校正相结合的列车定位方式，编码里程计实时测算列车位置信息，列车读取到新的与线路数据库匹配的信标时，对其位置信息进行修正。在站台区域，为了提高列车停车精度，信标布置较密，尤其在站台两端，信标组间隔仅为1．8m，极易造成列车在连续读取和处理相隔较近的信标组时，出现丢点甚至干扰出错。本文在介绍6号线列车定位技术的基础上，主要论述站台区域信标组间隔设计缺陷导致列车永久失位及车门自动关闭故障，并提出解决问题的有效方案。

1 广州地铁6号线列车定位概述

1．1 编码里程计工作原理

如图1所示，脉冲发生器编码盘与车轴的轴颈相连接，它可以激活一个或者若干个设置在编码盘圆周上的光学传感器。这些传感器提供一个与速度成比例的频率信号 （所计算的齿数）。其中，3个传感器 （C1、C2、C3）进行速度测量和确定列车走行方向，1个传感器 （C4）完成编码任务。C1、C2和C3得到的齿数用以计算车轮的转动；C4进行编码检测 （该编码与车轮位置一一对应）。通过比较所有测量数据的一致性，ATP可以安全地计算列车的速度。如果一个齿损坏或未被任何传感器检测到，所数到的齿数将无法与车轮的位置编码相对应，则所测得的速度值无效。

列车的车头和车尾各有1套相互冗余的车载控制器CC，每套CC对应一个编码里程计，为其提供列车速度信息。如果一个编码里程计失效，列车将启用另一端冗余的CC，并对应另一端有效的编码里程计。编码里程计可以为ATP提供零速信息。当工作端的编码里程计检测到列车停车，ATP同时将此零速信息与另一个编码里程计及车辆提供的零速信息进行比较，采用三取二的方式判断列车是否停稳。

图1 编码里程计工作原理图

1．2 信标工作原理

列车信标天线与信标的信息传输是基于磁耦合原理，在信标内部集成了发送环和接收环。当列车信标天线越过信标时，将生成并捕获磁场。欧式信标只有被信标天线激活时才工作，然后再按规定的数据率将信标信息发给列车，该信号是一个FSK调制的射频信号。欧式信标是无源设备，无需额外供电，安装于轨旁，列车读取到信标ID编号后，将与静态线路数据库进行匹配，从而获得该信标的绝对物理坐标信息，用以列车位置信息的修正。根据连接方式可被配置成有源信标和无源信标，2种配置的信标在CBTC和后备模式都使用。在2种配置情况下，列车通过时信标都会发送信标标识，CC使用该信息初始化、重新修正列车位置，以及校准里程计；在后备模式下，与LEU连接的有源信标，不仅传输用于列车定位的信标ID标识，还向CC传送道岔、信号机以及安全防护区段状态（通过编码的方式实现，该编码信息是LEU通过与联锁接口获得）。

1．3 列车定位

广州地铁6号线列车读取到新的与线路静态数据库匹配的信标时，对其位置信息进行修正。静态数据库是实现列车精确定位的关键，整个线路中的区段及奇点等信息，以链表数据结构关系的方式存储于静态数据库中，通过查找线路区段编号及本区段内相对坐标，实现精确定位。

列车连续经过2个信标才能完成列车的初始化定位。第1个信标用于确定列车位置信息，第2个信标用于确定列车的运行方向。初始化定位完成后，列车在经过下一个信标前，通过编码里程计实现区段及坐标信息的实时更新，直到经过下一个信标时，才进行位置信息的校正。列车轮径值是影响编码里程计定位精度的关键参数，列车经过一对列车运行初始化信标MTIB时，实现编码里程计轮径值精确校准 （MTIB由2个安装在轨道的直线区域固定距离为21m的信标组成）。

2 列车永久失位故障

2．1 故障概述

6号线列车在站台两端读取和处理相隔1．8m的信标组时，容易导致列车读取端CC永久失位。车载显示器DMI显示列车永久失位，此时ATC仍可正常工作，但是该设备已丢失冗余性，即车载CC首尾冗余功能丢失，只有单端CC正常工作。发生列车永久失位故障时，故障端列车的虚拟区段计算及定位信息丢失，除非两端同时重启CC，否则无法恢复。

2．2 故障特点

6号线站台信标布置如图2所示，通过对6号线列车永久失位故障数据统计及分析，发现如下特点。

1．列车永久失位都发生在列车进站和出站过程中 （除部分编码里程计硬件故障外）。

2．进站过程中，全部为列车头端定位信息出错，导致列车永久失位 （进站时头端CC需连续处理进站端2个相距1．8m的信标组）；出站过程中，全部为列车尾端定位信息出错，导致列车永久失位（出站时尾端CC需连续处理出站端2个相距1．8m的信标组）。

3．列车永久失位故障都与列车读取和处理站台2个相距1．8m信标组 （如图2所示的信标组A／B／C／D）的信标ID号，及列车读取该信标时的位置信息 （反映列车读取信标时的位置，列车读取到信标时，会检测该信标ID是否为当前位置应该出现的信标，且具有一定的偏差容许范围，超出范围时会永久失位，可防止车轮打滑和抱死状态带来的安全隐患）有关。

图2 6号线站台信标布置示意图

3 故障分析

列车永久失位故障是由于列车首尾冗余的CC其中一端定位信息出错导致的。与正常运行列车数据对比发现，故障时列车编码里程计计数及运算正常，但ATP读取的信标ID号与列车读取该信标时的位置信息不匹配，ATP不再利用后续读到的信标进行区段及位置坐标信息的校正，且故障都发生在站台两端信标组的位置校正时。结合6号线列车在站台对标停稳后，由于受到前面信标的干扰而导致车门自动关闭的故障，所以将列车永久失位故障及车门自动关闭故障，锁定在信标组间隔设计缺陷上。

故障案例1

表1为河沙站发生列车永久失位故障和该车正常运行至河沙站的OMAP运行数据对比。从表1可以看出：在河沙上行进站时 （河沙站上行进站端的BB1154和RB86间隔为1．8m），列车头端读取到如图2所示信标组A中的第1个有源信标BB1154时 （Previous DB id值为1154，表示 ATP读到的定位信标ID号），列车天线坐标信息 （Antenna abscissa 值 为 14．485m，而 正 常 值 应 为12．530m，此参数反映列车读取信标时，由编码里程计实时计算的区段坐标位置信息）却与正常时信标组中无源信标RB86的位置坐标 （Antenna abscissa值为14．271m）相匹配，即出现读取的定位信标ID号与列车读取该信标时的位置信息不匹配。ATP在利用该信标进行定位校正时 （Locupdt from DB变为True，True表示ATP用该信标绝对坐标进行位置信息校正；False表示ATP不进行位置信息校正），检测到列车是一种非正常的定位 （Incoherent loc means从False变为 True，TrainLocOnKwnPath从True变为False），定位参考不可用 （LocConsideredAvai从True变为False，定位参考信息正常时此值一直为True），虚拟区段信息丢失 （End1ext block变为0，河沙站正常时此值为182，表示列车所在虚拟区段号为182），丢失定位 （Loc available变为False，定位正常时此值一直为True，丢定位时变为False），且永久失位 （Loc permanent failure从 False变为 True，只有列车永久失位时此值才从False变为True），故障前后编码里程计计数及测速等信息正常。

读取故障时间ATO数据，列车永久失位故障发生时，列车故障端的安全定位信息丢失，而另一端安全定位信息正常，输出给车载显示屏DMI的ATC状态为部分可用。故障后两端信标读取正常，ATO会根据这些信标ID信息进行定位计算，但ATP却不再采用故障后的信标进行定位校正及更新。故障案例2

表1 河沙站故障及正常时运行数据

表2所示为文化公园站发生列车永久失位故障前后，及该车正常运行至文化公园站读取到BB1109时的OMAP运行数据对比。从表2可以看出：在文化公园下行出站过程中 （文化公园站下行出站端的RB468和BB1109间隔为1．8m），列车尾端读取到如图2所示信标组D中的第1个无源信标 RB468时 （Previous DB id值为468），反映读取该信标时列车位置的天线坐标信息Antenna abscissa值为14．407m，此时列车定位及坐标信息正常进行读取和校正。但在下一数据帧，列车检测到信标并进行定位校正时的位置为12．352m（为正常时BB1109匹配的位置信息），但读取到的信标ID号仍为468 （Previous DB id值仍为468），即出现ID号与列车读取信标时的位置信息不匹配情况，故ATP在利用信标进行定位校正时 （Locupdt from DB变为True），检测到是一种非正常的定位，定位参考不可用，虚拟区段信息丢失（End1ext block变为0），丢失定位 （Loc available变为False），且永久失位 （Loc permanent failure从False变为True），故障前后编码里程计计数及测速等信息正常。

表2 文化公园站故障前后及正常时运行数据对比

以上2个案例是6号线列车永久失位故障共有的特性，故障的实质是由于列车读取信标时，出现ID号与列车读取信标时的位置信息不匹配导致的，核查6号线其他非组合信标，未发现这种不匹配现象，只有在站台两端信标组才会出现此种情况。

故障案例3

6号线已发生几次列车在站台对标停稳车门打开后又自动关闭的故障，存在较大的安全行车隐患。读取故障数据分析发现，列车车门自动关闭是由于列车停稳开门后，在上下乘客过程中，有一端CC读取到如图2所示的间隔为1．8m信标组中的前面一个信标导致的。

列车停稳开门后，在上下乘客过程中，列车突然读取到前面一个信标。ATP在读取到前方信标ID时，检测到编码里程计计数Cog count未发生变化，所以ATP未用该信标进行定位 （Locupdt from DB为False），列车位置信息不变。但ATO利用该信标进行列车坐标信息的更新，CC触发保护性紧急制动，导致车门使能丢失，车门自动关闭。查看ATO运行数据发现，列车对标停稳后冲标0．14m，由此可见，列车距前面信标0．76m的位置就已经能够激活信标，并读取其ID号 （零标时信标天线正好在信标组中间位置处，即距前面信标仅为0．90m），即信标与车载天线的水平有效作用距离范围，至少可以达到0．76m左右。

此故障与列车永久失位故障的不同之处在于ATP未用检测到的信标进行定位，定位信标的ID号与其绝对位置坐标信息匹配，故未出现列车永久失位；相同之处在于两者均受站台两端相距1．8m的信标组合影响，在读取和处理信标上出现异常。

由于受制作工艺的制约，信标及车载天线除了理想的主瓣区以外，不可避免地存在旁瓣区及串扰区。当2个相邻的信标安装间隔小于车载天线与信标天线的旁瓣区，及串扰区有效作用范围之和时，由于天线作为一个感性元件，场的建立与消失不可能瞬时发生，而是随着时间的推移逐渐建立和消失的，所以列车以高速运行于2个信标之间存在相对运动，就会出现车载天线虽然脱离前一个信标场的作用范围，但其产生的电磁场并未完全消失，下一个信标已接收到其发生的功率微波而被激活的情况。故若安装间隔过近，很容易造成2个信标旁瓣区及串扰区之间的干扰，导致ATP解码错误或延时。

如图3所示，如果信标组的场强辐射范围存在一定的交叉 （间距D越小，交叉区域越大），列车可能会在交叉区域同时激活2个信标，会同时向列车发送报文信息，列车读取和处理信标信息时，会出现干扰甚至出错。

图3 信标场强辐射范围示意图

4 测试论证

1．将站台的BB5204拆除，将RB736拆除后安装于原BB5204的位置处 （BB5204和RB736为试车线站台一端的间隔为1．8m的的信标组）。通过测试发现，列车检测到读取信标时，列车的位置与信标ID号不匹配会永久失位 （列车一读取到RB736就永久失位），与6号线列车永久失位故障现象一致。

2．将站台相距1．8m的有源信标BB5204和无源信标RB736间隔挪动至154cm （即2个信标在容许误差范围内同时向中间偏移13cm），列车经过信标组时发生列车永久失位故障，且与正线故障现象一致。但若拆除其中任何一个后，不会发生列车永久失位故障 （充分说明信标组间隔安装过小，会造成信标读取时发生干扰）。

5 整改措施方案

信标绝对位置信息在开通前，已通过激光定测及轨道数据校核，定义在静态数据库中。信标有一定的容许误差，如果读取信标时，列车位置超过了容许误差，列车将永久失位，故信标的位置不能随便移动 （移动后必须同时更改线路静态数据库及车载控制软件。在已开通运营的情况下，同时调整轨旁设备及升级车载运营软件工程量及潜在的风险较大）。根据列车永久失位及车门自动关闭故障特点，采用屏蔽处理的方法，将图3所示的信标组间场强辐射交叉范围减小到如图4所示的情况，即减小信标读取及处理的有效作用窗口 （尽可能消除信标的旁瓣区和串扰区，但不影响信标主瓣区信息的正常传输），防止连续处理信标信息时，因间隔设置问题导致的干扰。

图4 屏蔽处理措施示意图

6 屏蔽方案论证

采用上述屏蔽策略后，将试车线站台相距1．8m的有源信标BB5204和无源信标RB736间隔挪动至154cm，不会发生列车永久失位 （且屏蔽后信标组的ID信息读取正常，即屏蔽不影响信标的读取及定位功能，只是将信标的旁瓣区及串扰区作业窗口有效减小，从而避免2个信标间隔较近时发生信息串扰）。

6号线河沙站采用上述屏蔽处理策略后，彻底解决了该站列车永久失位故障和车门自动关闭故障。经读取40辆列车运行数据进行核查，发现所有列车能够正常读取BB1154和RB86，且列车位置坐标信息更新正常，即屏蔽处理对信标信息的正常读取不会产生任何影响。

综上所述，采用屏蔽策略能有效减小信标旁瓣区及串扰区的作用范围，且对主瓣区信标信息的读取无任何影响。故在不影响系统设计功能的情况下，采取屏蔽措施能有效解决6号线因站台两端信标组间隔设置缺陷，造成的车门自动关闭和列车永久失控故障。

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