列车定位分析与技改

邢飞

(厦门轨道交通集团有限公司运营分公司,福建厦门,361000)

1 现状分析

1.1 存在问题

厦门地铁1号线运营以来，因列车定位失败导致一系列运营事故事件，其中典型的两起事件为“4.25接触网挂异物事件”和“11.15电话闭塞法终止事件”。

（1）2018年4月25日，下行列车司机发现高崎-集美学村上行区间接触网挂异物，因下行司机无法准确的对异物点进行定位，导致司机汇报行调时，只能通过观看区间百米标、估计出站多少米处、进站前多少米等方式大概判断故障点位置，司机对异物点的汇到也只是个大概的范围，给行调的应急处置带来很大困难。最终导致一起15分钟以上晚点事件。

（2）2018年11月15日，在总部组织的电话闭塞法演练中，跳停列车司机区间突然停车，司机无法通过车辆显示屏判定列车所在区间，本来列车停在莲花路口-吕厝区间，误报成莲坂-莲花路口区间，因司机信息汇报错误，导致行调在启动电话闭塞法行车前列车定位错误[1]，险些造成一起人车冲突事故。

1.2 厦门地铁列车定位方法

1.2.1 确认车辆屏

通过确认车辆屏上显示的当前站和下一站，判定列车所在车站或区间。如当前站和下一站显示站名相同，表示列车停在站台（图1）；如当前站和下一站显示不一致时，表示列车在区间。

图1 车辆屏HMI

优点：正常运行时，能直观的显示列车所在车站或区间。

缺点：列车区间运行时，无法判定列车所在区间的具体位置。当列车跳停时，车辆屏上的当前站、下一站无法同步显示，无法判定列车所在区间。

1.2.2 确认区间百米标

通过确认区间百米标，判定列车所在区间的具体百米位置。如列车停在上行188百米标位置，表示列车停在上行18.8KM 处（图 2）。

图2 百米标

优点：列车区间运行时，能判定列车所在百米标位置。

缺点：

a、当列车区间紧制停车，隧道壁无百米标时，司机需下车寻找百米标来判定列车所在区间位置，效率低。

b、高架区段电列车高速运行时，司机肉眼无法看清区间百米标显示，不利于列车定位。

c、定位精度不高，只能精确到百米。

1.2.3 结论

通过确认车辆屏显示和区间百米标，均无法准确显示列车适时定位信息，且精度不高，司机无法快速准确汇报列车所在位置，不利于信息汇报及行调的应急处置，存在较大安全隐患。

2 行业调研

目前轨道交通行业列车定位应用较为普遍的是轨道电路定位、测速定位、信标定位、GPS定位、无线扩频定位，各种定位优缺点如下。

2.1 轨道电路定位

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。

2.2 测速定位

测速定位法是一种辅助定位方法。通过测量车轮转动圈数，从而计算列车走行距离，实现对列车的定位。

2.3 信标定位

信标是属于一种物理标志，所安装的位置是在线路沿线能够反映线路绝对位置的地方。信标包含两种一种是有源信标、一种是无源信标，两着之间的区别在于有源信标可以实现车地双向通信，而无源信标是一种非接触式的信号传递，当列车经过信标位置时，车载天线发射电磁波，将绝对信息的位置传递给列车，无源信标在城市轨道交通中被大规模使用，信标安放在轨道沿线。在列车的通行中信标起到重要的作用，其作用主要是为列车提供精准的绝对位置参考点[2]。信标的精度非常高，能够为列车提供精度达到厘米级别的位置，因此也被作为修正列车实际运行距离的手段，信标定位技术的采用，其信息的传递是间断型的，当地面信息点信息发出后，列车在经过此信息点获取到信息，需到下个信息点后才能完成信息的更新，如果中间这段时间地面情况有变，列车无法接收到实时的信息，所以信息定位技术是其他定位技术的一种补充手段。

2.4 GPS定位

GPS定位技术已经被广泛的应用在各行各业，GPS主要是由卫星和地面站组成，在地球的上空有24可卫星，并由5个地面基站进行监视。卫星用的原子钟被作为标准时间使用，会24小时不断的向地球传递精准的时间和位置信息，配备有GPS接收的用户就会接收到，不会受距离和位置的限制，不管是在地球的任何地方。通过测量卫星信号发射和接收的时间间隔，计算出用户至卫星的距离，然后根据5颗卫星的数据，即可实时地确定用户所在地理位置。

2.5 无线扩频定位

对测距基站和中心控制站进行科学、合理的设置，并将无线扩频通信发射在列车的两端进行安装，由此一来，地面测距基站可以接收到来自于列车两端发射机的定位信息，然后由测距基站依据所接收到的定位信息进行伪距的有效计算，在将计算结果向中心控制站进行传递，实施进一步信息处理，并将处理结果呈现在电子地图上，机车可以通过无线传播方式接受信息。该定位方式精准性高，但是成本也高。

2.6 几种典型定位法的优缺点比较

轨道电路定位：该定位方法存在诸多的优势，即可以实现对列车的有效定位，又可以对轨道的完好性进行有效检测，同时，可靠性高、实施方便、成本低等优势。缺点就是无法实现移动闭塞的构成，这是由于定位精度取决于轨道电路的长度，存在不精准性。

测速定位：属于增量式相对定位，具有对定位精度要求高、存在累计误差、对位置信息需要借助其他的方法进行不断校准的缺点。

信标定位：具有恶劣环境下运行稳定性高、维修费用低、地面应答器安装点的定位精度较高、使用寿命长、可以正确的区分复线铁路上的列车的行驶股道等优势，但是，该方法可以给出点式定位信息[3]。

GPS定位：该定位方法所具备的主要优势为：设备体积小、简单、维护费用低、成本低；但是，其也存在一定的缺点，主要是定位精准度略低，在隧道等区段还存在定位盲区，在并行线路上易发生认错股道的现象等，实际应用效果不是非常理想。

无线扩频列车定位：其主要优势在于，具有较好的保密性、抗干扰性和较高的定位精准性，但是，期投资成本高、需要在沿线设置专用扩频基站，增加了成本的投入。

3 对比分析

厦门地铁列车定位实则采用的是信标定位，只能给出点式位置信息，无法连续给出位置信息。司机通过车辆屏HMI和区间百米标确认列车定位的方法仅能判定列车所在区间且效率低下（甚至有时连区间都无法判定），精确度为100米，在轨道交通快速发展的今天，已无法满足小间隔行车的需求。

目前大铁行业应用较为普遍的轨道电路定位配合测速定位，可实时显示列车位置信息，通过LKJ监控屏实时显示列车公里数值，且精度大幅提高，可精确到1米，如LKJ-2000监控显示（图3），目前铁路机车及动车组上均安装有LKJ-2000列车监控系统。

图3 LKJ-2000监控显示屏

通过对比以上几种列车定位优缺点分析，测速定位法较为符合厦门地铁列车技改方案，且该方法应用较为普遍。

4 技改措施

厦门地铁1号线列车可在目前信标定位的基础上引入测速定位，在列车轮对上加装编码器，通过测量车轮转动圈数，从而计算列车走行距离，实现对列车的精准定位。

4.1 测距原理

列车车轮运动一周，编码里程计输出N个脉冲。随着车轮运动周数的增加，编码里程计输出的脉冲数也就随之增多，进而提升了测速和／或测距精度。

列车运动距离＝编码里程计输出的脉冲数×（πΦ／编码里程计每周输出的脉冲数）

其中，Φ设置为列车车轮的直径。

在列车不断运作中，车轮会产生一定的磨损损耗的，因此，针对于列车车轮的轮径范围，在城市轨道交通系统中是允许控制在840mm～770mm，由此一来，Φ就成为了一个变量因素，就必须要对这个变量因素进行定期和不定期的修正。

图4 编码里程仪测距原理

图5 旋转编码器

4.2 技改说明

在每列电客车第一、五、九轮对上加装旋转编码器一个，用于计算列车轮对转动圈数，两端司机室各加装液晶显示器一个，用于显示列车实际走行公里数。

4.3 功能需求

（1）因车轮直径Φ是个变量，可通过液晶显示器人工输入Φ的数值，更换输入Φ值，需输入密码方可设定。

（2）显示器具备将编码器传递过来的三个变量N（圈数）进行对比分析，绝对误差较大的变量不纳入计算，另外两个变量取平均数值，并换算成公里数显示。

（3）车轮正向转动时，公里数显示递增；车轮反向转动时，公里数显示递减。

（4）显示器具备独立电源电池，无需接入外部电源。

（5）本项技术改造仅适用于列车正线正常运行时列车定位，不与信号系统相关联，作为列车定位的辅助手段。

4.4 使用说明

（1）列车停岩内下行站台时，司机通过按压液晶显示器上的数字键，输入公里数00公里+000米，即，列车运行时开始计算列车走行公里并实时显示。

（2）列车停镇海路上行站台时，司机通过按压液晶显示器上的数字键，输入公里数30公里+230米，即，列车运行时逐步递减列车走行公里数并实时显示。

（3）车辆检修人员需定期检测轮对直径Φ，并进行更改设置，其他人员无权设置。

4.5 优点分析

（1）提高列车定位准确度，精度可达1米，列车运行中发现异常或停车时，司机在汇报关于列车定位信息时，可直接汇报显示公里数，无需找参考物或百米标。（2）提高行车指挥效率，行调根据司机汇报的公里数能准确判定列车位置或异物点位置，减少行调与司机间的无效沟通，提高行车调整效率。（3）可有效避免上述列举的4.25事件和11.15事件，可作为确保列车安全运行辅助手段。

5 结论

对比分析，建议车辆部门对目前1号线所有电客车进行技术改造，提高列车定位精度，保障列车安全运行。