目前，基于通信的列车控制（CBTC）系统已成为城市轨道交通信号系统的主流。CBTC系统是利用无线通信与高精度定位，实现列车之间的安全通信和自动控制的先进列车控制技术。安全、准确、高可靠的列车定位技术是CBTC系统的基础与核心，列车测速定位技术在CBTC系统中的重要作用主要体现在：（1）安全间隔维护：区域控制器（ZC）根据列车位置信息进行间隔控制，为追踪运行列车计算合适的追踪目标点（即移动授权），确保追踪运行的列车之间安全间隔；列车自动防护系统（ATP）根据所收到的移动授权和列车安全制动模型计算出紧急制动速度触发曲线，与列车实时运行速度进行比较，对安全间隔进行维护。（2）自动驾驶控制：列车自动驾驶系统（ATO）系统根据列车位置与速度信息，计算选取最优驾驶曲线，对列车加速、制动和停站控制进行优化，提升乘车舒适度，降低对能源消耗与减少对环境的影响。当前，为满足城市轨道交通日益增长的运量需求，一般对CBTC系统运行间隔有正线列车最小行车间隔满足2分钟；在满足旅行速度要求和设计给定停站时间前提下，正线列车设计追踪间隔小于等于90秒的要求。因此CBTC系统列车测速定位技术必须更加精确可靠，以保证小间隔的列车安全运行要求。目前的城市轨道交通信号系统中，通常配备包括列车自主测速定位与次级列车定位在内两套列车定位系统。其中次级列车定位功能是在列车自主定位系统故障或车地通信发生故障的情况下，保障列车安全运营和基本运行效率而采用的后备列车定位系统。下面主要对城市轨道交通信号系统中的典型列车自主测速定位系统进行介绍，探讨下一代列车测速与定位技术的特征与研究方向。
列车自主测速定位通常由车载测速定位与轨旁位置校正设备配合得以实现。当前城市轨道交通信号系统列车自主测速设备组合方案，主要包括两类：
（1）轮轴速度传感器+非轮轴速度传感器（多普勒雷达）+应答器
（2）轮轴速度传感器+非轮轴速度传感器（加速度计）+应答器
图1 典型列车自主测速定位系统示意图
2.1 列车测速设备
2.1.1 轮轴速度传感器
轮轴速度传感器作为当前列车自主测速定位系统中的主用传感器，按照测量原理的不同，可分为光电式、磁电式、与霍尔式轮轴速度传感器。一般在列车每端将2个轮轴速度传感器分别安装在不同轮轴处，随着列车车轮的转动输出一定数目的脉冲方波，脉冲方波的频率与车轮角速度成正比，经隔离、整形与换算后得出列车车轮角速度，再结合车轮周长确定列车运行速度，再对速度积分，即可得到列车行驶距离。
图2 典型轮轴速度传感器示意图
2.1.2 非轮轴速度传感器
非轮轴速度传感器一般主要用来处理空转或打滑时列车测速定位的问题。多普勒雷达主要利用多普勒效应来精确测量5km/h以上的列车运行速度，在列车低速运行时由于多普勒效应不明显，测速精度较低。
图3 多普勒雷达示意图
一般在列车每端安装2个加速度传感器，加速度传感器通常安装在车载设备机柜内的地板上，加速度传感器提供一个与列车加速度成比例的输出电压。
图4 加速度传感器示意图
2.2 列车定位设备
2.2.1 接近传感器/接近盘
车载接近传感器与轨旁接近盘配合工作，提供正确的停车信息并支持精确停车。轨旁接近盘是安装在轨道上停车点位置的金属板，接近盘长度为1m，一般每侧站台安装2个接近盘。
图5 典型接近传感器与接近盘布置示意图
2.2.2 信标/应答器
应答器安装于道床中间，为列车绝对定位依据。应答器传输系统主要采用RFID技术，系统由车载和地面两部分组成，根据设计采用的标准的不同，可分为美式信标（简称美标）与欧洲应答器（简称欧标）两种。美标依据的是AARS-918-94《北美铁道学会设备自动识别标准》与ISOSTANDARD10374《国际标准化组织货运集装箱自动识别标准》标准，使用高频后向散射耦合RFID技术。1996年欧洲铁路联盟制定了ETCS列控系统技术规范，将欧洲众多不同类型应答器统一为欧标应答器。欧标采用的是低频感应耦合RFID技术。
图 6 典型应答器天线车载安装示意图
图 7 不同信标应答器系统构成对比
CBTC系统现有的列车自主测速定位系统，在长时间的实际工程应用过程中逐渐暴露出一些难以解决的技术问题：
（1）受轮轨关系影响
基于轮轴测速原理的列车定位，容易受到列车车轮与钢轨间复杂关系影响。
空转：在正常情况下，列车车轮与钢轨接触面上的点的切线速度和加速度都应该与列车速度和加速度是相等的。而在列车启动或者运行过程中当发动机或电动机供给车轮的角加速度很大而车轮与钢轨之间又没有足够摩擦力时车轮就会空转，此时列车车轮与钢轨接触面上点的切线速度与加速度均比列车实际情况大得多。
滑行：当列车制动时，如果闸瓦将车轮抱得太紧或抱死，由于列车运行时动量很大，车轮与钢轨之间的摩擦力不足，使得车轮在钢轨上滑行，导致轮轴速度传感器产生较大的脉冲测频误差。
蠕滑：由于轮轨接触是弹性接触，特别是在曲线上，列车在运行时可能会出现轮对蠕滑现象，轮对蠕滑的现象会导致车轮与钢轨间摩擦力发生变化，影响列车轮轴的转速。当轮对蠕滑现象严重时，可能会加剧列车车轮的滑行与空转
（2）定位完成/恢复慢
当前CBTC系统车载定位设备上电完成初始化后，只有在接收到两个地面应答器，检查两个应答器在线路地图中连续且测量得到的两者之间的距离与线路地图中记录的两个应答器之间的距离在允许的误差范围内，才可认为列车定位完成或恢复。
（3）设备改造安装受限
当前国内CBTC系统面临着旧线改造与系统升级问题。旧线改造需要保证在不中断或尽量减少影响线路运营原则下进行工程实施。旧线改造时，受限于列车轮轴结构、尺寸及既有安装设备，使得轮轴速度传感器安装出现困难，这对于面临时间与预算限制的改造项目提出了额外要求，加大了项目按期交付的压力。
4.1 下一代列车测速与定位技术研究
针对当前列车自主测速定位存在的问题，
（1）基于UWB技术的列车自主定位
UWB(Ultr Wide Band，超宽带)技术是一种利用纳秒至微秒的非正弦波窄脉冲传输数据的无线通信技术。其具有传输速率高、抗干扰能力强、安全性高、系统复杂度低等优点，可实现高精度（厘米级）的定位。在基于UWB技术的列车自主定位系统中，需要在轨道沿线安装多个UWB轨旁定位节点，构成一个定位网络。列车安装UWB车载定位节点，当列车经过轨旁定位节点时，车载定位节点会接收到轨旁定位节点的UWB信号，并通过信号传输时间和接收信号的强度等信息，计算出列车与轨旁UWB节点之间的距离。通过多个轨旁定位节点的测量结果，可以确定出列车精确位置。
图8 基于UWB技术列车自主定位示意图
UWB信号具有较高的传输速率和抗干扰能力，可以实现精确定位和高速数据传输。此外，UWB技术还可以与传统的无线通信技术相结合，实现多网融合和智能化管理。基于UWB技术的列车自主定位系统需要解决一些技术挑战，如信号传播损耗、多径效应、定位算法优化等。对于不同的应用场景和需求，需要根据具体情况选择合适的UWB节点配置与算法参数。全球卫星定位系统（GPS）和北斗卫星导航系统（BDS）是目前已广泛使用两种的卫星导航定位技术，特别是在开放环境中，可以提供非常精确的位置数据。然而在地下环境，尤其是在隧道中卫星信号往往无法穿透地表以下的深层结构，导致传统卫星定位系统无法正常工作。
图9 地下GNSS//BDS列车自主定位示意图
在基于地下GNSS/BDS列车自主定位系统中需要通过结合伪卫星的技术，通过在隧道顶部或者侧壁进行网格化部署伪卫星基站群，伪卫星基站群由基准单元、中继单元、接收/发射天线等组成。基准单元用于同步地上真实卫星时间，获取当前星历数据。中继单元根据基准单元的时间、星历数据，结合每个中继单元的安装部署位置，仿真生成地下伪卫星信号。每个中继单元可仿真生成几组地下伪卫星信号，通过发射天线将信号实现信号的连续覆盖，提供列车连续定位数据。基于SLAM（Simultaneous Localization and Mapping，同时定位与地图构建）技术的列车自主定位是一种利用多传感器融合技术，实现列车在未知环境中自我定位与构建地图的方法。目前，主动障碍物探测传感器正在逐渐应用于CBTC系统之中，首先需要通过主动障碍物探测传感器获取列车周围环境的感知数据，具体包括线路的几何状态、障碍物有无、位置及大小等。然后用SLAM算法对感知数据进行分析和处理，估算列车的运动状态和位置，并在构建的3D地图上进行自主定位。
图10 基于SLAM列车自主定位示意图
基于SLAM技术的列车自主定位可以在未知环境中实现列车的自我定位，不需要依赖于外部的定位设备或信号。同时，基于SLAM技术的列车自主定位系统还可以通过不断学习和优化，提高自身的定位精度和地图构建质量。但是，SLAM技术对于列车定位实际应用过程中，仍然面临着一些挑战性问题，如数据关联、特征匹配、鲁棒性等。
4.2 下一代列车测速与定位技术特征
（1）改造部署方便。系统实现与列车的轮轴结构解耦，可以方便、快速地进行定位系统部署和应用，提高对于旧线信号系统的改造与升级效率。（2）位置初始化快。系统设备上电后，即可获取当前列车的精确位置，可以在更短周期内完成列车初始化与切换全自动驾驶模式。（3）高精度与高可靠。实现更准确、更快速的列车定位，进一步缩短列车追踪间隔，面对复杂的城市轨道环境交通与多变的实际运营需求，具备高可靠性和稳定性，保证小间隔的列车安全运行要求。（4）生命周期成本可控。成本可控对于任何一项技术创新与产品化都是一个极其重要的考虑因素，下一代定位列车测速与定位系统应合理选择定位系统架构，精简轨旁校正设备布置数量，降低维护成本，实现全生命周期的系统成本优化。
伴随新型传感器技术的迅猛发展和成本的降低，基于这些新技术提高列车控制系统的智能化水平是未来的发展趋势。为了实现城市轨道交通安全、高效、大容量快捷、准点的运行，在对于安全攸关的列车测速与定位技术方面的创新，需要完善的风险分析过程与长期的现场应用验证，技术路线应经充分论证，确保CBTC系统安全性与可靠性，满足当前与未来的客户需求，平衡全生命周期成本，以避免不必要的浪费，降低工程实施风险。
参考文献
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刘昊旻
上海电气泰雷兹交通自动化系统有限公司 技术中心 创新工程师
