地铁列车定位技术的安全性分析

在城市轨道交通CBTC列车控制系统中，有三条最主要的技术特征为：

一、独立于轨道电路技术的，高精度的列车定位；

二、连续的车地双向数据通信；

三、由车载和地面控制器联合组成，提供安全功能。

其中第一条列车定位技术是列车实现安全的间隔控制和速度控制的基础前提，不同于汽车采用卫星定位技术确定位置，地铁列车通过安装于轨道上的应答器或信标用于初始定位，安装于列车车轴上的速度传感器实现连续的定位。

以上面的图为例，列车在经过安装在轨道100米位置的应答器（或信标）的T1时刻时，列车的位置被确定为100米，应答器的位置是被预先测量标定好的，当列车持续向前移动，在100米的基准值基础上，通过速度传感器计算的列车位置被持续更新，在T2时刻，列车的位置为固定位置（100米）+累积定位（60米）=160米，当列车经过200米的应答器时，列车位置被更新为200米。可见，列车位置=静态定位（应答器）+动态定位（速度传感器）。

列车计算出的位置，与列车真实位置存在多大的偏差。比如，列车在T2时刻的位置计算出为160米，实际列车的位置可能在157米或163米，这前后多出来的3米都需要作为列车可能存在的位置所考虑，这就是从安全性所考虑的定位不确定性的问题，轨道上157米和163米之间的任何一点都视为列车可能的位置。

分析列车位置的安全性即通过分析引起列车定位的偏差而得出列车位置不确定性的范围。从列车位置的计算方法来说，就是要分析静态定位的偏差和动态定位的偏差之和。

静态定位的偏差引入因素：

• 应答器的安装偏差：应答器的实际安装位置与轨道电子地图中标记的位置是必然存在的，即标记的位置100米，而实际应答器的安装位置由于安装误差，可能是100.3米，这就引入了0.3米的固定偏差。

• 应答器读取天线的安装偏差：由于列车通过底部的天线读取应答器，列车车头的位置即读取位置再加上应答器天线到车头前端的距离偏差，需要考虑安装偏差；

• 应答器辐射范围偏差：当列车经过应答器时，列车下部的应答器读取天线会在应答器的辐射范围内读取到应答器，辐射范围是以应答器中央为中心点向两侧分散形成一个波瓣形状，如下图（来自网络）

• 应答器读取时间偏差：从应答器天线读取应答器的时刻，到列车控制器将读取的应答器ID用于列车的位置计算时刻，两者之间存在传输的时间延迟，当列车处于高速的移动过程中，该时间延迟引起的列车位置偏差也需要考虑在范围内。

动态定位的偏差引入因素：

• 速度传感器测速误差：速度传感器安装在车轴上，常见的有光电式和霍尔式，通过读取车轴转动的脉冲数确定列车行驶的速度和累积距离，传感器有自身的测量误差，该误差随着脉冲数的累积增加而增加；

• 车轮空转：当列车突然以大的牵引力加速时，列车可能会空转，此时速度传感器检测的脉冲数增加，而列车并没有移动或移动距离小；

• 车轮滑行：当列车处于雨水、结冰、下雪的轨道，列车制动时车轮被锁定，速度传感器检测不到脉冲或检测较少的脉冲，而列车依然向前滑行；空转或滑行都会导致速度传感器通过脉冲数计算出的列车距离与实际距离不一致，实际应用中使用雷达传感器或加速度传感器可以降低空转或滑行产生的定位偏差；

• 车辆轮径：车轴检测的脉冲数需要通过列车的车辆轮径换算为距离，轮径由于运行中的磨耗，实时变化，通过轮径校正或人工测量的方式进行列车的轮径进行校正，在校正过程中由于测量精度的误差引入偏差。

  静态定位的偏差是固定存在的，在系统中为固定常数，动态定位的偏差随着累积距离的增加而增加，引入列车位置可能存在的包络逐步增加，为了控制动态偏差，轨道每经过一段距离会安装应答器来消除累积距离的偏差。如下图，经过100米时，列车安全位置为100米±静态偏差，当速度传感器累积距离为60米时，列车安全位置为[160米-静态偏差-动态偏差，160米+静态偏差+动态偏差]，动态偏差是随累积距离增加而累积增加的变量。

  以上是位置不确定性的安全性分析，静态偏差和动态偏差是列车定位技术需要考虑的因素，安全的定位精度取决于对以上因素的分析并确定在实际应用中的合理取值。
  定位错误情况的处理：
  当列车经过一个定位应答器时，存在未读取到应答器或读取应答器的编码与预存不一致的情况，该应答器的位置将不能被信任，因此此时不能消除动态误差，需要继续行驶直到读到下一个位置的应答器，地铁行业的通用做法是，当连续读不到两个应答器时，列车的位置计算失效，失去定位。
  当列车读取到应答器确定的定位与速度传感器累积计算的定位不一致时，此时无法进行位置校正，可能是应答器安装在了错误的位置或者速度传感器发生故障。
  速度传感器读取的脉冲数与列车实际运行距离不一致，存在外部干扰或传感器故障或空转/滑行导致出现此种情况，因此至少需要两个独立安装在不同轴上的传感器进行相互比较，安装在非动力轴降低空转/滑行的发生概率，采用与其它不同原理的测速传感器结合的方法降低发生空转/滑行后对测速的影响。
  在传感器保证数据源的正确性后，仍存在测速测距计算的控制器由于硬件或软件的失效计算出了错误的位置，因此控制器自身需要保证测速测距功能的安全性。
  综上，实现高精度的安全定位是CBTC系统的核心，需要理解和控制影响定位精度的因素。对于CBTC系统的研发厂商，能够安全地实现更高精度的列车定位，是其核心技术的体现标志之一。
  参考资料：

  1.邱成、朱衡君，基于绝对位置编码的列车定位技技术，铁路学报；

  2.刘进、吴汶麒，轨道交通列车定位技术，城市轨道交通研究；

  3.陈艳华，轨道交通列车定位技术的选择与比较，电子设计工程。

原文始发于微信公众号（薄说安全）：地铁列车定位技术的安全性分析