一种有轨电车跟踪方法的设计与实现

景顺利

（南京恩瑞特实业有限公司，南京 211106）

1 概述

近年来，随着城市轨道交通的迅速崛起，有轨电车越来越成为二、三线城市轨道交通发展的趋势[1-2]。其中，有轨电车运营调度系统是实现有轨电车运营调度和行车管理自动化的重要手段。运营调度系统的列车跟踪是一项十分重要与关键的技术，如何准确、可靠地实现列车跟踪是有轨电车运营调度系统必须解决的问题[3]。

运营调度系统列车跟踪负责跟踪线路中运行列车的位置，并将列车识别信息与对应的轨道进行管理，在人机界面对应的位置进行实时显示，并为调度员提供人工操作功能，方便调度员根据运行需求，在故障情况下实现针对跟踪列车的列车车次号的相关操作。

2 地铁与有轨电车跟踪的区别

在城市轨道交通中，地铁与有轨电车项目由于系统设计、轨旁设备设置、网络部署等形式不同，导致地铁的ATS 系统与有轨电车的运营调度系统在列车跟踪方式上有所差别[4]，主要差异如下。

2.1 轨道占用信息获取方式不同

在地铁项目中，ATS 系统能通过正线联锁获取线路轨旁的所有物理轨道、逻辑轨道的占用、出清信息，通过车辆段联锁获取车辆段/停车场内物理计轴或轨道电路的占用、出清信息，分别实现正线的基于联锁占用信息的车次号跟踪，车辆段的基于联锁占用信息的车组号跟踪[5]。

在有轨电车项目中，运营调度系统通过正线道岔控制器只能获取有岔区段的占用、出清信息，轨旁无岔区段的占用、出清信息无法获取，导致无法完全按照来自道岔控制器上报的占用、出清信息实现车次号跟踪。

2.2 跟踪方式不同

地铁项目中，ATS 系统在正线根据列车上报的列车位置、状态信息及联锁上报的占用、出清信息，在车辆段根据联锁上报的占用、出清信息分别实现车次号与轨道的关联、车组号与轨道的关联。并将车组号或车次号与对应的轨道在人机界面进行实时移动显示。当前列车对应的轨道占用信息来自于正线或车辆段联锁系统[6]。

在有轨电车项目中，运营调度系统根据道岔控制器上报的轨道占用信息实现有岔区段车次号跟踪，在无岔区段，根据列车上报的列车位置、状态信息实现车次号跟踪。在有岔、无岔边界处实现占用跟踪，并进行位置信息修正。

2.3 列车包络获取方式不同

在地铁项目中，列车车载信号系统周期性上报列车位置、状态信息给轨旁区域控制器（ZC）进行处理，ZC 根据列车位置、状态信息计算出当前列车所在的包络，并生成逻辑区段的占用、出清信息发送给联锁。ATS 系统根据联锁上报的逻辑区段占用信息更新界面显示，调度员可以通过界面逻辑区段的占用显示，获知列车的位置信息及对应车次号的显示[7]。

在有轨电车项目中，系统设计中无岔区段不布置计轴设备，联锁系统得不到来自计轴系统的物理占用，同时系统中不配置ZC。列车将位置、状态信息直接发送给运营调度系统，运营调度系统没有直接的逻辑区段占用、出清信息，需根据列车车头、车尾的列车位置信息计算列车包络，即列车车头所在轨道、车尾所在轨道以及车头、车尾之间轨道，并将列车包络中的逻辑区段占用、出清信息在人机界面实时显示[8]。

3 系统功能描述

3.1 电车定位

3.1.1 定位方式

有轨电车在正线区间通过电车上安装的GPS/BD 设备、地面定位信标和车辆提供的速度信息确定电车在轨道线路网络中的位置。车载控制器中配置有与运行线路相关的地理坐标数据库，定位时融合处理接收到的GPS/BD 粗定位数据和信标检测信息后，在人机操作界面上显示电车位置，同时通过车-地无线通信通道将电车位置上报控制中心运营调度系统。

考虑到GPS/BD 的定位有一定的误差，在车站、道岔和路口区域安装定位信标， 可更精确地校正电车位置。在地下或一些无GPS 信号的地方由于无法采用GPS/BD 定位方式，需在出/入段线处安装定位信标，采用信标加里程计方式定位电车位置。

3.1.2 位置信息标识

在线路网络描述模型中，采用基于相连接的线路区段进行位置描述，定位信息标识如图1 所示。对于一个线路区段，由以下一些参数来确定：

图1 定位信息标识Fig.1 Positioning information identifier

1）线路区段的起始点；

2）线路区段的正常方向；

3）线路区段的长度。

车载控制器根据GPS/BD、定位信标等信息确定电车位置后，向运营调度系统发送每列电车的位置信息如下：电车车头区段ID、电车车头偏移量、电车车尾区段ID、电车车尾偏移量等。

3.1.3 电车位置确定

电车位置信息包括车头和车尾的位置和方向。对于每个投入运营的车载控制器设备来说，电车定位包括两个过程：一是电车定位初始化；二是电车运行过程中电车位置信息的更新。

在车载控制器设备完成初始化后，车载控制器子系统启动电车的初始定位。电车的初始位置获得有两种途径：一是电车在人工驾驶时经过两个连续的地面信标；二是通过人工设置上/下行和方向使电车定位。

当采用信标加里程方式定位时，电车每经过一个地面信标就能接收到一个用于信标识别的编号报文。根据信标的识别号，车载控制器设备可以利用车载数据库里的静态线路信息对信标进行定位。

3.2 电车跟踪方式

3.2.1 通信电车跟踪

有轨电车系统中，通信电车在道岔区段、无岔区段采用不同的信息进行跟踪，在无岔区段采用定位信标+里程计方式进行定位显示；在有岔区段除采用定位+里程计方式外，还采用计轴精确检测道岔区段的占用/出清状态信息进行跟踪。即：位置报告+占用/出清相结合的方式进行电车的跟踪。

因此，车载控制器需要向运营调度系统周期性提供电车位置报告，具体信息包括：车头所在区段编号、车头所在位置对应区段的偏移量、车尾所在区段编号、车尾所在位置对应区段的偏移量、列车运行方向、车头运行方向、车尾运行方向、车头定位确定性、车尾位置确定性等信息，位置报告发送周期为1 s。系统根据电车位置信息的移动实时计算电车所在包络，将当前电车包络内的轨道设置为占用状态，将电车已运行经过的轨道设置为出清状态，同时将车次信息关联到车头所在的轨道。具体显示如图2 所示。

图2 有轨车次号显示Fig.2 Display of tram number

3.2.2 无通信电车跟踪

有轨电车系统中，道岔控制器不提供无岔区段的占用、出清等信息。当电车丢失通信时，则该电车的位置显示为系统在最后一次收到列车位置信息时所处的轨道位置；当电车恢复通信后，系统根据位置报告重新计算电车所在的包络，并更新包络内轨道为占用状态，将电车已运行经过的轨道设置为出清状态，并发送HMI 更新界面上元素状态显示。

针对丢失通信电车所处位置信息不同，系统进行不同情况处理，具体处理如下。

1）当电车丢失通信后前方计轴上报占用、出清信息后，采用基于计轴区段占用、出清的状态进行步进；

2）列车丢失通信时，在车次框上显示列车丢失通信状态；

3）丢失通信电车完全占用道岔，道岔出清后，本道岔关联的前后轨道为空闲状态时，保留本道岔关联的车次框。

电车丢失通信后，界面显示电车跟踪状态如图3 所示。

图3 丢通信时车次号显示Fig.3 Display of tram number when communication is interrupted

3.3 区段状态显示

3.3.1 无岔区段状态显示

无岔区段元素状态（列车在无岔区段显示位置，即占用轨道）无法从现场采集，运营调度系统根据周期性接收到的电车位置报告，需要运营调度系统根据列车车头、车尾的列车位置信息计算列车包络，即列车车头所在轨道、车尾所在轨道以及车头、车尾之间轨道。

若电车存在通信，根据车载控制器上报的车头、车尾位置信息，判断某列车显示在某一轨道（可能是一个轨道，也可能是多个轨道），同时当列车驶出该轨道时应出清该轨道上列车占用显示。将无岔区段元素状态变化的信息发送给人机界面进行元素状态显示，如图4 所示。

图4 通信正常时轨道状态显示Fig.4 Display of track status when communication is normal

若电车丢失通信，将该电车设置为无通信电车，电车停在原位置，占用轨道显示为无通信电车占用（即紫色），如图5 所示。针对丢失通信的电车处理如下。

图5 丢通信时轨道状态显示Fig.5 Display of track status when communication is interrupted

1）当有后续电车前进时，推动无通信电车前行；

2）用人工步进方式将无通信电车步进到指定位置；

3）丢失通信电车恢复通信后，根据最新的位置信息更新列车显示。

3.3.2 道岔区段状态显示

运营调度系统根据道岔控制器上报的道岔及计轴的占用、出清、进路征用、锁闭、道岔定/反位等信息进行状态显示。

同时根据接收到的道岔占用信息，采用标准跟踪方式将列车车次信息步进到道岔。

4 系统设计

4.1 电列车包络计算

电车包络计算主要功能是获取当前电车所在轨道区段，占用区段可能是一个轨道或者多个轨道。当系统接收到电车位置信息时，触发电车包络计算功能，与系统中保存的上一次的位置信息进行对比，通过两次位置信息的变化更新电车包络中所包含的轨道。具体处理过程如下。

1)根据接收到的位置信息，计算当前电车车头、车尾所在的轨道frongtTrack 和rearTrack。

2) 根据电车索引获取系统保存的当前电车车头、车尾所在的轨道oldFrongtTrack 和oldRearTrack。

3)对实时接收的电车车头、车尾所在位置信息与系统中保存的电车的车头、车尾所在位置信息进行对比，获取电车当前包络轨道。

方法:在其背部相邻部位分别划出5个5 cm×5 cm方块,试验前,采集犬毛进行活菌计数,随后试验组和消毒剂对照组分别喷复合溶葡萄球菌酶溶液及苯扎溴铵溶液(1∶600稀释),使之均匀分布于表面,10 min 后将犬毛剪下,放入含10 mL中和剂试管中,中和10 min后,振打均匀分析,培养48 h后活菌计数,观察其对犬毛中携带的自然菌杀灭效果。

4）若前后两次车头、车尾对应的轨道信息相同，说明电车包络信息未发生变化。

5）若当前电车车头、车尾对应轨道与系统中电车车尾、车头对应轨道一致，说明电车在当前位置发生换端，更新原包络信息前后顺序。

6）若当前电车车头与车尾信息与系统保存的不一致时，根据线路拓扑结构，从系统中保存的车头轨道，按照电车运行方向进行搜索，直至查询到当前电车车头所在的轨道，再按照运行方向搜索时，将搜索到的轨道设置为占用状态；从系统中保存的车尾轨道，按照电车运行方向进行搜索，直至查询到当前电车车尾所在的轨道，将搜索到的轨道设置为出清状态。

7）根据步骤6）计算获取电车实际的包络信息及电车移动过程中导致的轨道占用、出清状态的更新。

具体处理流程如图6 所示。

图6 电车包络计算Fig.6 Calculation of tram profile

4.2 基于计轴区段的标准电车跟踪步进

电车跟踪对象是计轴区段，计轴区段占用/出清状态变化会触发电车跟踪作业，列车跟踪作业过程包含列车识别和列车步进，计轴区段变化过程如下。

一个计轴区段由“空闲”状态变为“占用”状态。通常这时一列电车的第一个轮对刚刚进入该计轴区段，即触发列车跟踪作用，将电车车次号关联到当前占用的计轴区段。

一个计轴区段由“占用”状态变为“空闲”状态。通常这时一列电车的最后一个轮对刚刚出清该计轴区段，此时判断“空闲”的计轴区段是否关联电车车次号，若关联车次号则将车次号关联到当前电车占用的计轴区段。 显示示例如图7 所示。

图7 站场Fig.7 Layout of stations and yards

1）计轴区段“占用”引起的车次号跟踪，主要为确定电车来自于的源计轴区段。

2）计轴区段“空闲”引起的车次号跟踪，主要为确定电车运行到的目标计轴区段。

针对图3 中的列车移动，处理以下两个事件。

1）计轴区段GD1102 占用事件

系统接收到计轴区段GD1102 占用后，查看其默认前置轨道VG1002A 的状态和默认后置轨道VG1102 的状态，根据计轴区段GD1102 和前后置的不同状态识别电车来源。处理流程如图8 所示。

图8 计轴区段占用列车识别Fig.8 Identification of a train in an occupied axle-counting section

2）计轴区段GD1102 出清事件

系统接收到计轴区段GD1102 出清后，获取计轴区段GD1102 关联的车次号。若不关联车次号，则不进行处理；若关联车次号，查看其默认前置轨道VG1002A 的状态和默认后置轨道VG1102 的状态，根据前置、后置轨道的不同状态识别电车运行到的目标轨道。处理流程如图9 所示。

图9 计轴区段出清步进Fig.9 Step-by-step check of the clearing of the axle-counting section

5 结束语

本文从信号系统差异、系统原理及系统设计等方面详细介绍了一种有轨电车的电车跟踪方法，实现有轨电车信号系统中基于位置信息及计轴区段状态信息融合的电车车次号跟踪，以及电车在无岔区段占用状态的显示。方便调度员第一时间掌握线路上运行电车、上线列车及下线列车的运行情况。作为一种有效的现有有轨电车跟踪方法，已经在广州、南京、嘉兴等地有轨电车项目中成功应用，因此，适合于在有轨电车项目中进一步推广。