列车辅助定位系统的设计

潘嵊

(上海电气自动化设计研究所有限公司，上海 200023)

列车辅助定位系统的设计

潘嵊

(上海电气自动化设计研究所有限公司，上海 200023)

城市轨道交通的运行主要是依靠信号系统，作为机电系统，不可避免会发生故障，在信号系统出现故障时，对行车会产生安全问题。在信号系统失效，工作人员采用人工方式控制列车运行情况下，利用无线射频(RFID)技术和红外技术，配合闭路电视监控(CCTV)系统，对列车进行定位和记录，使行车指挥人员了解列车位置、运行轨迹，从而为后续的列车运行指挥控制提供依据。从技术上和管理上，保障城市轨道交通的运行安全。

信号系统；RFID；红外技术；CCTV；自动控制；报警联动

Abstract: Urban rail transit relies mainly upon its signaling system, which as an electromechanical system will inevitably encounter failures. Thus, rail transit will be faced with safety problems. When the signaling system is invalid and train operation is controlled in the manual way, radio frequency identification (RFID) technology and infrared technology, in combination with closed-circuit television (CCTV) monitoring system, are used to locate and record the train, so that train control personnel may be informed on train position and its moving trajectory to provide a basis for subsequent train command and control. With respect to technology and management, this system can ensure safe operation of urban rail transit.

Keywords: signaling system; RFID; infrared technology; CCTV, automatic control; alarm linkage

0 引 言

城市轨道交通已经成为人们出行主要的工具，快速的发展也对安全提出了新的要求。近年来，上海轨道交通出现了较多的运行事故。上海轨道交通一号线在2009年12月22日上海火车站折返线上发生列车侧向碰擦事故，没有造成重大人员伤亡；上海轨道交通十号线在9月27日发生列车追尾事故，造成271人受伤。信号系统作为机电系统，其安全性、可靠性并非百分之百。在信号系统出现故障的情况下，调度人员需要辅助系统来帮助其进行控制。

上海地铁2号线是上海客流量最多，运行时间最长的线路之一，正线采用8节编组列车，东延伸采用4节编组和8节编组混跑的模式，混跑模式增加了技术和管理上的难度，也较容易出现混乱和事故。

本文将结合地铁2号线现场实际情况，通过利用RFID技术，红外技术，配合CCTV系统，实现对列车从进入站台到离开站台的记录工作，得到列车实际位置，起到辅助定位的作用。调度人员可以根据这些信息在应急情况下进行指挥，并能有效防止非相关人员进入危险区域。

1 RFID 技术介绍

1.1 RFID 定义和工作原理

RFID(Radio Frequency Identification)，即无线射频识别技术。它是一种非接触式自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据[1]。当标签进入阅读器射频磁场时，标签被激发产生感应电流，将标签中储存的信息发射到阅读器中，阅读器通过解码系统识别标签，并将识别信息进一步传递到计算机信息处理系统进行分析处理和深入应用。

1.2 RFID 组成

图1 RFID 系统

RFID 系统一般由三部分组成，如图1所示。

(1)读写器: 读取标签信息的设备；

(2)标签:由藕合元件及芯片组成，每个标签具有惟一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。每个标签都有一个ID号码UID，在制作芯片时就烧制在ROM中。

(3)计算机数据处理软件。

2 地铁记点系统

2.1 记点系统作用

记点系统主要是作为记录列车进站和出站时间的工具，上海地铁人员比较密集，为了提高运载能力，列车间隔一般较短，工作人员可以根据记点系统查看两辆列车进出站的间隔时间，为列车调度等提供依据，并且不需要专门配置人员进行手动记录，既提高准确率又节省了工作量[2]。

2.2 工作原理

在列车车头/车尾位置安装了RFID有源标签，在列车进站时，车站站台上车头、车尾处安装的定向天线接收到标签发出的信号，反馈给轨旁接收终端，经处理后通过数据线传给车站机房的数据处理器。由记点软件进行数据分析和处理，并将处理过的数据存储在本站的数据处理器的数据库中，同时把数据经过标准网线传输到车控室，通过车控室工作站的人机界面将本站及临站数据显示出来。各车站的数据经公共网络传输到控制中心机房的服务器上供各站点查询历史数据，备用的服务器会同步主用服务器上的数据。控制中心和调度大厅中的工作站则通过服务器上的数据及记点工作软件，通过人机界面将全线数据显示出来。

2.3 组网方式

一般的列车记点系统由控制中心(OCC)记点设备、车载设备、车站设备组成。

(1)OCC设备

OCC安装2台应用服务器(主备冗余)、1台记点工作站、1台网管工作站及搭建相应的记点系统软件平台。软件平台以动态模拟的方式直观地将线路上所有运营列车所在具体位置呈献给用户。

(2)车站设备

车站安装站台阅读器：在每站上/下行站台列车停靠位置车头/车尾附近各安装一台站台阅读器，同时在每个车站通信设备室安装数据处理器一台，搭建相应的记点系统软件平台。车站软件通过表单的形式记录通过该站的列车信息及进站出站时间。

(3)车载设备

在2号线运营列车的头部和尾部分别安装一个电子标签，高度尽量与站台阅读器一致，保证阅读器能有效读取到标签。

2.4 运行模式

(1)中心运行模式

数据处理器将车站区间及隧道区间各轨旁定位终端所探测到的列车识别信息及实时运行信息传输给中心服务器，中心服务器将所有这些信息整合后通过控制中心工作站将全线运行列车的实时运行路径在全线列车运行图上以动画形式显示，同时整合后的信息会在另外的界面以表格方式列出。中心界面如图2所示。

图2 控制中心记点系统界面示意图

(2)车站运行模式

当列车进入站台轨旁定位终端的识别探测区域时，位于站台车尾的轨旁定位辅助终端对列车进行定位识别，以识别列车在上行或是下行，并判断列车为长车或是短车，并由轨旁接收终端读取到RFID车载标签发送的车体识别信息，车站数据处理器将定位辅助终端和接收终端的数据结合进行收集并保存，再由列车自动识别算法软件对相关信息进行处理判断得出正确的车体及运行和编组信息。图3为车站列车自动记点系统界面图。

图3 车站记点系统界面示意图

(3)反向运行模式

当列车根据运行要求，需进行反向运行时，位于站台车头及车尾的轨旁接收终端和辅助定位终端同时能够检测到车载标签发出的RFID信号及列车状态清空。站台车头处的轨旁接收终端和辅助定位终端在定位区域优先探测到列车，而位于站台车尾处的轨旁接收终端和辅助定位终端未检测并识别到列车。此时列车处于逆行的出站启动状态。此时系统的运行模式与上述正常运行模式下的识别/定位探测模式类似。

3 红外辅助定位系统

2号线正线列车为8节编组，共2种车型，东延伸列车为4节编组，全线共3种不同列车。标签安装在3种列车车头及车尾驾驶室内，不同列车钢板厚度不同，信号的穿透性也不同。读卡器受现场安装环境影响，每个车站安装位置均有所不同。并且像广兰路这种三侧站台的车站，读卡器安装距离很近，在环境因素的影响下，实际运行中，读卡器读不到标签数据的情况或串读的情况时有发生，特别是在早晚及回库等列车速度相对较快的情况下。作为辅助定位系统来说，这样的情况是不允许发生的，所以将采用更精准的红外来进行辅助定位。

3.1 采用红外进行辅助定位的优点

(1)准确性高

作为定位系统，准确性是最重要的。轨道交通系统种类繁多，在列车正常运行过程中，不可避免会产生电磁干扰，RFID信号受电磁干扰及金属阻挡等影响很大，红外技术却不受电磁干扰影响。采用漫反射红外传感器，工作范围可调，且响应速度快，状态只有遮挡和不遮挡，不受列车速度影响，准确性比较高。

(2)安装方便

红外传感器基本安装在站台端头门外，距离列车轨道较近，只需采用漫反射式红外传感器，如距离较远，可以采用对射式红外传感器。现在的红外传感器结构比较简单，体积较小，安装较为灵活，可以固定在RFID读卡器支架上，互相不会干扰。

(3)成本较低

红外传感器发展较早，结构简单可靠，早已应用于各个领域，且技术相对成熟，产品之间可替代性强，市场价格较低。

(4)拓展功能

红外传感器安装在读卡器支架上，读卡器支架一般安装在轨行区，即一般人员不能进入的区域，通过红外传感器与RFID可以判断是否为列车经过或人员或异物遮挡[3]。

3.2 红外传感器工作原理

1)安装结构

图4 红外安装示意图

在站台车头和车尾处各安装两个红外传感器，两个红外传感器之间为130°左右夹角，如图4所示。

安装4个红外传感器的好处是：

(1)满足像广兰路等车站4节8节列车混跑的情况。

(2)可以判断出列车不规则行驶或反向行驶，增加准确性。

(3)可以进行降级运行，增加可靠性。

2)工作原理

红外传感器是一个开关信号，常开情况下为1，常闭情况下为0。当没有列车遮挡的情况下，1号、2号、3号、4号传感器的状态为1111，通过传感器状态变化，并通过读卡器读到的标签信息，可以判断特定列车的行驶情况、运行轨迹等，起到辅助定位的作用。

(1)8节列车正常行驶，从1进站，从4出站。

8节列车从1进入，正常进站，4个传感器的状态变化为1111、0111、0011、1011、1001。正常行驶从4位置出站时的变化为1001、1101、1100、1110、1111。

“如果你以后想乘船，带上贝壳船票到这里来，我带你出海。”韩贝把阿巴送到家门口跟他告别时说，“但你不能泄露这个秘密。”

(2)8节列车反向行驶，从4进站，从1出站。

如果反向行驶，从4位置进站，4个传感器的变化为1111、1110、1100、1101、1001。

从1位置出站，4个传感器变化为1001、1011、0011、0111、1111。

(3)4节列车正常行驶，从1进站，从4出站。

4节列车从1进入，正常进站，4个传感器的状态变化为1111、0111、0011、1111、1101。从4位置出站时的变化为1101、1100、1110、1111。

(4)4节列车反向行驶，从4进站，从1出站。

4节列车反向行驶，从4位置进入，传感器变化为1111、1110、1100、1111、1011。从1位置出站时的变化为1011、0011、0111、1111。

(5)非常规行驶情况

除了以上四种正常行驶情况外，其他行驶情况都是非常规行驶，在这种情况下，服务器发送报警信号通知车站和控制中心。并且通过4个红外传感器和2个读卡器判断列车在进站后所有运动轨迹，在控制中心的动态图上可以直观的体现。

(6)降级模式

当红外传感器出现故障时，操作界面会显示故障提醒，同时根据故障位置进行降级处理。利用另外三个传感器的工作状态判断列车进出站轨迹。在列车正常运行下，只需2个红外传感器及1个读卡器就可以进行判断，所以可以进行二级甚至三级降级，这样对整个运营的可靠性提高很多，不会因为设备故障问题影响运营。

4 报警联动自动控制

4.1 误闯判断

因为红外传感器安装在轨行区，空间封闭，一般情况下不允许人员进入，在列车没有经过的情况下，处于常开状态。当有列车经过有遮挡的时候，读卡器会读到列车信息，而且传感器的遮挡时间及顺序相对固定，所以列车经过很好判断。如果没有读到标签且有遮挡，可以认为是有人或异物闯入，在这种情况下，记点服务器可以发送报警信号给视频监控服务器，视频监控系统立刻作出联动，车站工作人员可以通过现场视频判断闯入的是什么。

4.2 报警联动及自动控制

图5 自动控制原理框图

在根据视频监控系统判断遮挡物后，如果产生危险，可以根据预案进行报警联动。如果有人员闯入，可以触发轨行区的声光报警，可以通过广播通知闯入人员立刻离开，情况危急的时候还能通知列车驾驶员进行紧急制动。如果有异物，可以通知最近的工作人员进行处理。随着智能化控制越来越成熟，触发报警后，视频监控系统会自己判断人或物，并通过综合监控系统或智能化自动控制系统对各系统进行控制，如门禁系统，消防系统，信号系统，广播系统，如图5所示。一系列的自动控制不需要人员操作，以达到在最短时间内作出响应的目的[4]。

5 有待改进

红外传感器虽然技术成熟，安全可靠，成本便宜，而且结构简单小巧，安装方便，但是受使用环境影响较大。在轨道交通的应用中，一般都要安装在无人区域或限制区域，应用场合有所限制。

红外光受天气影响比较大，此设计应用在地下车站封闭区间内，没有天气因素的干扰，不会造成影响。而在地面车站，根据实际测试，红外光受雾霾，大雾，雨雪等天气影响很大，在极端天气下，红外传感器的工作状态会很不稳定，失去了作为定位系统的作用。

在地面车站，考虑可以用雷达替换，其实不管是红外还是雷达，都是电磁波，雷达的优点是白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点[5]，但如果应用到实际中，还需要进一步测试。

6 结束语

列车辅助定位系统是在信号系统出现故障的时候作为列车运行的最重要的依据。因此在能满足正常运营的情况下，要有高的可靠性、安全性。本文所提出的设计在符合规范的前提下，根据现场实际情况及实际需求，通过对RFID技术及红外技术的应用，配合其他各个系统，使的设计更安全、可靠、合理、实用，能很好的满足使用要求。并且在上海轨道交通2号线中得到了很好的应用。

[1] 曹丽娜.浅谈印刷行业的新领域—RFID标签[J].印刷质量与标准化,2011,19(6):16-17.

[2] 钱卫中.基于RFID的列车自动记点(防撞)系统技术与开发[D].成都:电子科技大学,2014.

[3] 吴成富,冯喆,马松辉.一种改进的基于红外传感器的无人机姿态测量方法[J].计算机测量与控制,2013,21(4): 883-885.

[4] 孙金萍,厉丹.视频监控系统中运动检测的研究[J].科技广场,2014,27(5):29-33.

[5] 刘专,吴朝辉,胡静,等.LIDAR技术的发展及应用[J].国土资源导刊(湖南),2013，10(10):85-87.

Design of an Auxiliary Train Positioning System

Pan Sheng

(Shanghai Electrical Automation Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200023, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.005

TP272/278

A

1000-3886(2017)03-0012-04

定稿日期: 2016-01-10

本项研究工作得到了上海市科学技术委员会的资助，资助课题(12DZ225900)

潘嵊(1983-)，男，上海人 ，工程师，主要从事机电工程工作。