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1、城市轨道交通的列车定位技术【摘 要】 实时、精确地确定列车在线路中的位置是保证安全、发挥效率、提供最佳服务的前提。本文介绍了在城市轨道交通系统中已获得成功应用的各种列车定位方法,包括轨旁和车载定位技术。关键词:城市轨道交通,列车定位,轨道电路,编码里程仪,裂缝波导,扩频通信1 引 言随着城市人口的不断增加,城市交通问题日益突出。地铁、轻轨具备客运量大、污染少等特点,是解决大中城市交通问题的首选方案。由于轨道交通列车运行密度高、车站间距近、安全性要求高,列车自动控制系统及列车本身需要实时了解列车在线
2、路中的精确位置,分布于轨旁及列车上的列车自动控制系统根据线路中列车的相对位置实时、动态地对每一列车进行监督、控制、调度及安全防护,在保证列车运行安全的前提下,最大限度地提高系统的效率,为乘客提供最佳的服务。实时、精确地确定列车在线路中的位置是保证安全、发挥效率、提供最佳服务的前提。列车自动控制系统利用轨旁及车载设备对列车进行实时的跟踪。轨旁定位主要采用轨道电路、信标、电缆环线、裂缝波导、扩频电台等技术手段,列车自身的定位可依赖于安装在轮轴上的编码里程仪实现,通过车地之间的信息传输通道,实现轨旁与列
3、车之间实时的信息交换,实时控制列车在线路中的运行。2 轨旁定位技术2.1 利用轨道电路的定位技术2.1.1 轨道电路的定位原理轨道电路是以铁路线路的两根钢轨作为导体,并用引接线连接信号发送、接收设备所构成的电气回路。轨道电路有机械绝缘和电气绝缘两种类型。采用机械绝缘的轨道电路,需切断钢轨,安装轨道绝缘节,这对使用长钢轨线路妨碍很大,不仅需经常维修,还降低了安全性。采用电气绝缘,则无需切断钢轨,目前城市轨道交通系统中,普遍采用“S棒”进行电气隔离的数字音频轨道电路。数字音频轨道电路的原理图如图1所示
4、。图1 数字音频轨道电路原理图数字轨道电路中,全部有源器件都集中在控制室内,室外设备仅包括由电容、线圈等组成的调谐盒及轨间的S型联接导线。调谐盒中有发射与接收线圈。数字轨道电路的发射单元以差分模式向另一端通过铁轨传输一个调制信号,在轨道电路的另一端提取这个信号。接收的信息和传送的信息经逐位比较确认相同时,完成对接收信息的验证,判断钢轨和轨道电路的工作状态。当轨道电路内有车占用时,由于列车车轴的分路作用,接收端检测出信号电平的变化,从而判断出有车到达该轨道电路。2.1.2 利用轨道电路确定列车在线路
5、中的位置图2为利用轨道电路确定列车在线路中位置的原理图。在线路设计时,根据用户对列车运行密度的要求,将整个线路用S棒分割成若干个轨道区段,并对所有轨道区段进行统一编号。对线路地形及线路设备进行数字化描述后形成线路地图,贮存在轨旁和?或车载计算机中。为了防止相邻轨道电路音频信号的串扰,同时也为了准确判断列车越过轨道电路连界,相邻数字轨道电路采用不同的载频。列车在线路中运行时,其所在的轨道电路会给出占用指示,对轨道电路占用状态的连续跟踪,也就实现了对列车在线路中所处位置的连续跟踪。图2 利用轨道电路确
6、定列车在线路中的位置为了保证安全,轨道电路任何形式的故障都表示为“有车占用”,为了避免错误的跟踪,系统对轨道电路的“连续占用”与“顺序出清”进行逻辑判断,保证列车跟踪的可靠性和安全性。利用数字轨道电路对列车进行定位是目前城市轨道交通系统中应用最为普遍的技术手段。2.2 信标定位信标是安装在线路沿线反映线路绝对位置的物理标志。信标分有源信标和无源信标两种,有源信标可以实现车地的双向通信,无源信标类似于非接触式IC卡,在列车经过信标所在位置时,车载天线发射的电磁波激励信标工作,并传递绝对位置信息给列车
7、。城市轨道交通系统中所使用的信标大部分为无源信标,安装在轨道沿线。信标的作用是为列车提供精确的绝对位置参考点(也可以提供线路的坡度、弯度等其它信息)。由于信标提供的位置精度很高,达厘米量级,常用信标作为修正列车实际运行距离的手段。采用信标定位技术的信息传递是间断的,即当列车从一个信息点获得地面信息后,要到下一个信息点才能更新信息,若其间地面情况发生变化,就无法立即将变化的信息实时传递给列车,因此,信标定位技术往往作为其它定位技术的补充手段。2.3 裂缝波导定位技术采用裂缝波导作为列车信息传输的原理
8、框图见图3,列车定位原理图如图4所示。裂缝波导是52.5mm×105mm×2mm中空的铝质矩形方管,在其顶部每隔60mm开有窄缝,采用2.715GHz的连续波频率通过裂缝耦合出不均匀的场强,对连续波的场强进行采集和处理,并通过计数器确定列车经过的裂缝数,从而计算出列车走行的距离,确定列车在线路中的位置。裂缝波导除了传输用于裂缝计数的2.715GHz的连续波频率外,主要用于车地信息交换的传输通道,车地通信的载频范围为2.4～2.4853GHz,该频段内的微波信号沿波导均匀辐射。图3
