鐵路列車追蹤預警系統(tǒng)技術研究

馬騰云（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

馬騰云，男，碩士畢業(yè)于新南威爾士大學，工程師。曾參與徐州北站編組站綜合自動化改造工程、寶成線無線列調(diào)改造工程、哈大客專系統(tǒng)集成、京滬/滬昆無線列調(diào)設備改造、《GSM-R采購和實施指南》翻譯、向莆線系統(tǒng)集成等項目。

1 列車追蹤預警系統(tǒng)的關鍵技術研究

列車追蹤預警系統(tǒng)是結(jié)合衛(wèi)星定位等系統(tǒng)建立的一套列車間距告警系統(tǒng)，此系統(tǒng)的建立是為了提高火車的運輸安全及運輸效率，這是一套獨立的安全告警系統(tǒng)。追蹤預警系統(tǒng)將由定位系統(tǒng)、地面系統(tǒng)以及車載系統(tǒng)3大部分構成。

定位系統(tǒng)：采用多模通信和多種定位方法相結(jié)合的方式“GSM-R（GPRS）/450 MHz無線通信+GPS/慣導”為系統(tǒng)提供精確的列車位置信息；

地面系統(tǒng)：預警分析服務器、位置服務器、數(shù)據(jù)庫、GPS差分基站管理中心；

車載系統(tǒng)：車載預警系統(tǒng)、CIR、列車定位系統(tǒng)、差分GPS接收機。列車追蹤預警系統(tǒng)所提供的功能如下。

1）系統(tǒng)應具備對同一線路上列車追蹤告警功能；

2）系統(tǒng)故障后不影響列車正常運行和其他設備正常工作；

3）系統(tǒng)根據(jù)緊急制動限值、司機反應時間及GSM-R網(wǎng)絡傳輸延時等因素，設置提示、預警、告警三級，采用語音和圖像提示；

4）系統(tǒng)定位、計算顯示32 km以內(nèi)前方追蹤運行列車的運行狀態(tài)和位置；

5）系統(tǒng)具備自檢、記錄和故障提示等功能。

1.1 衛(wèi)星定位系統(tǒng)的介紹和選取

要進行追蹤預警服務，關鍵問題之一就是需要知道列車的精確位置。只有通過對比兩輛列車的位置參數(shù)，才能在小于規(guī)定安全間距時給出報警提示。因此需要一個可靠的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，現(xiàn)有的衛(wèi)星定位系統(tǒng)有GPS、北斗衛(wèi)星、伽利略和GLONASS。完整的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)與其他衛(wèi)星系統(tǒng)相比毫不遜色，而且作為中國自主開發(fā)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)不受國際環(huán)境的影響。由于目前北斗衛(wèi)星的星體顆數(shù)還不完整，定位精度不高，近期還只能依靠GPS作為主用系統(tǒng)，但是遠期成熟的北斗二代將會取代GPS作為主用定位系統(tǒng)。下面對兩套系統(tǒng)進行介紹比較。

1）共同點[1]

都可以提供：

經(jīng)緯度、海拔高度、航行速度和方向、時間信息。

都是由3部分組成：

空間部分、控制部分、用戶部分。

衛(wèi)星都使用兩個無線電頻率發(fā)射信號：

L1和L2。L1和L2位于微波（L波段）頻率段，分別為1 575.42 MHz和1 227.60 MHz。

2）不同點[1]如表1所示

表1 定位系統(tǒng)對比

通過對比分析，可以看出北斗和GPS之間主要的工作原理、定位和導航功能是相似的，而且這兩個衛(wèi)星系統(tǒng)都存在定位和導航盲區(qū)這樣的缺點，如隧道。隨著北斗二代中的衛(wèi)星顆數(shù)的逐步到位，各項技術指標也會逐步完善。北斗精確的定位功能和雙向通信的優(yōu)勢將逐步取代單向的GPS系統(tǒng)作為主要導航系統(tǒng)和研究對象。

1.2 系統(tǒng)工作方式研究

在高鐵線路中，高鐵沿線安裝GPS基準站，在路局內(nèi)成立GPS管理中心，利用既有傳輸通道（GSM-R）將各個GPS基準站和GPS基準站管理中心相互連接，通過GR IS接口將所有外部設備與GSM-R系統(tǒng)中的GPRS子系統(tǒng)相連接，外部設備主要指的是告警系統(tǒng)的地面系統(tǒng)。

下面介紹一下各地面系統(tǒng)工作步驟：

第一步：確立精確的位置信息，可以有兩個方式。一是由于機車C IR自身帶有GPS模塊和GPRS模塊，所以機車可以將自己的GPS位置信息通過GPRS上傳至中心控制站，GPS管理中心利用鐵路沿線GPS基準站信息，對機車上傳的位置信息進行校正、計算處理，通過GPRS無線傳輸通道將位置信息傳給機車。二是利用廣播的方式，基準站通過GPRS無線信道不停地向列車發(fā)送偽距修正值，升級后的CIR收到偽距修正值，利用差分GPS模塊可以計算出精確的位置信息。

第二步：再通過GPRS通道將校正后的位置信息和車次號傳給地面的數(shù)據(jù)庫存儲。數(shù)據(jù)庫中不光存儲列車的位置和車次號信息，同時還存儲線路上道岔的位置信息，車站位置信息以及車次所跑的線路。道岔的位置信息能夠為列車提供準確的正線和側(cè)線信息。

第三步：將列車信息（車次、位置、線路）傳送給位置服務器，由位置服務器對不同線路上的列車進行分類，計算同一線路上的行駛列車間距。

第四步：從數(shù)據(jù)庫中把道岔位置信息和由位置服務器歸整好的同一線路上的列車信息（如間距信息等）一同送給預警分析服務器。

第五步：由預警分析服務器判斷列車間距，小于安全位置將觸發(fā)報警信息，再由GPRS通道發(fā)到車載報警器，通過語言提示三級預警命令，即提示、預警、告警。在普通線路中，使用450 MHz無線傳輸通道，傳送GPS的定位信息以及預警信息。系統(tǒng)工作過程如圖1所示。

GSM-R網(wǎng)中通信方式：1）GR IS與預警服務器交換數(shù)據(jù)時，傳輸層采用U DP，網(wǎng)絡層采用IP協(xié)議。2）GR IS與車載預警設備交換數(shù)據(jù)時，傳輸層采用UDP，網(wǎng)絡層采用IP協(xié)議。

1.3 遠期系統(tǒng)功能擴充研究

遠期隨著北斗衛(wèi)星的使用，利用其雙向通信的功能，即由地面經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)210 b it的短信到另一端，在確保列車追蹤預警系統(tǒng)基本功能的前提下，可擴大追蹤預警系統(tǒng)的預警功能。

1）將鐵路沿線主要設備與衛(wèi)星相連。通過室內(nèi)監(jiān)控設備將與行車有關的設備、儀器和儀表的運行狀況，以短信報文的形式發(fā)送給衛(wèi)星，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控中心和列車司機。

2）未來利用衛(wèi)星直接參與到一些簡單的列車控制的過程中，通過衛(wèi)星的測速功能，可以將一些路段的臨時限速輸錄在RBC中，當RBC收到由衛(wèi)星傳來的火車位置、速度信息時可以和限速路段的速度對比，如超速就告警。

3）在線路監(jiān)控方面，采用因地制宜，積極與已有防護設備相連的方法進行監(jiān)控。例如，在山區(qū)容易塌方的地段，已經(jīng)建立了大量的防護網(wǎng)，將防護網(wǎng)上的傳感器的位置做精確定位，并將其與最近的衛(wèi)星天線設備相連，一旦傳感器被觸發(fā)，可將信息以報文形式傳至衛(wèi)星，再由衛(wèi)星傳送到最近的RBC設備和控制中心。在多強風地帶，如新疆與甘肅交接處常年有10級以上大風，將地面測風速設備與衛(wèi)星相連，當風速達到危險等級，通過衛(wèi)星短信功能將消息告訴控制中心和司機，提前做好安防措施。

4）對于多股道進行分辨的問題：將線路按次序進行排列，如4條線，按1、2、3、4的順序給線路排次，形成1號線，2號線，依次類推。并將這些信息植入芯片形成無源信息安置在相應軌道的道心上，當火車從軌道上駛過時，獲得股道的位置信息，并將此股道信息通過衛(wèi)星報文轉(zhuǎn)發(fā)至控制中心。同時衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以提供運行方向上的信息，結(jié)合這些信息監(jiān)控中心就可以知道火車所在的準確股道及行駛方向。這樣可以預防火車正面碰撞事故的發(fā)生。

2 關鍵問題研究和分析

定位系統(tǒng)主要是為列車追蹤預警系統(tǒng)提供可靠的位置信息，就定位技術和定位信息而言需要保持很高的可靠性、精確性和穩(wěn)定性。所以不僅要提高定位系統(tǒng)的性能，而且要與其他系統(tǒng)配合使用，這樣列車追蹤預警系統(tǒng)才能更好地發(fā)揮作用。

2.1 關于GPS信號衰落的問題

當火車穿越崇山峻嶺或高樓林立的大都市時，GPS信號會因為峽谷穿越效應而產(chǎn)生衰落甚至消失。這對GPS信號的可靠性提出了挑戰(zhàn)。利用GPRS通信技術解決峽谷效應：在移動通信基站處測出其精確的坐標，并存放在地理信息系統(tǒng)G IS數(shù)據(jù)庫中。移動通信基站利用GPRS通信技術向列車發(fā)送包含本基站編號以及坐標的信號，當在GPS信號衰落的情況下，車載GPS接收機收到周圍基站發(fā)送的信號，將收到的4個最強基站信號以及車速等信息實時傳送給控制中心?？刂浦行膶⑹盏降男盘柵cG IS數(shù)據(jù)庫中存放的基站信息對比，根據(jù)車速、車輛行駛方向、4個基站之間的距離、信號頻率以及車載GPS接收到的信號時間差計算出當前列車的準確坐標，返回給車載GPS來消除衰落現(xiàn)象。

2.2 關于GPS信號覆蓋的問題

當列車行駛在隧道中，GPS接收機與衛(wèi)星失去聯(lián)系，信號中斷。定位信息失效影響了列車追蹤預警系統(tǒng)的正常工作。這時候需要一個補償手段來彌補隧道中GPS信號的缺失。慣性導航系統(tǒng)可以提供這方面的技術支持。慣導系統(tǒng)屬于一種推算導航方式．即從一已知點的位置根據(jù)連續(xù)測得的運動體航向角和速度推算出其下一點的位置，因而可連續(xù)測出運動體的當前位置[2]。

2.3 提高定位精度的問題

為了提高移動GPS終端的精確度，引入差分GPS基站（DGPS），即在一個精確的已知位置（基準站）上安裝GPS監(jiān)測接收機，計算得到基準站與GPS衛(wèi)星的距離改正數(shù)。該差值通常稱為偽距離修正值（PRC），由基準站將此改正數(shù)據(jù)傳送給用戶接收機，用戶站接收誤差修正值并對其測量結(jié)果進行改正，以獲得精確的定位結(jié)果[3]。

2.4 機車綜合無線通信設備（CIR）

CIR是車載無線通信設備，廣泛使用在機車上。此設備包含GPS接收模塊、GPRS模塊以及450MHz機車電臺。要對既有的GPS模塊進行升級，升級后的各個模塊之間的兼容性，還需要考證。

2.5 電子地圖的問題

要達到精確的定位只有GPS定位系統(tǒng)是不夠的，還要配合精準的電子地圖。利用GPS/G IS等其他測繪技術建立鐵路系統(tǒng)自己的GIS地圖信息[4]。

3 結(jié)論

綜上所述，為了提高列車的安全性，結(jié)合多項技術組建的列車追蹤預警系統(tǒng)是有必要的。這套獨立的安全系統(tǒng)，強調(diào)的是對同一線路上相鄰兩輛列車當小于規(guī)定安全間距時的預警，通過未來結(jié)合北斗系統(tǒng)可以對列車追蹤預警系統(tǒng)功能進行擴充。新系統(tǒng)利用已有的穩(wěn)定傳輸手段進行通信，和其他設備一起安置，集中化管理減少維護成本。但是還有一些需要進一步研究的問題，例如如何對C IR中的GPS模塊升級；是否有足夠的信道傳輸預警信息，以及可能對其他信息的干擾；不同差分GPS技術的選擇等。雖然列車追蹤預警系統(tǒng)的建立充滿挑戰(zhàn)，但是建立這套預警系統(tǒng)還是值得期望的。

[1] Adam Theiss，David C.Yen，Cheng-Yuan Ku.Global Positioning Systems: an analysis of applications，current development and future implementations[J]. Computer Standards & Interfaces 2005，27.89-100.

[2] J.E.Naranjo，F(xiàn).Jimenez，F(xiàn).Aparicio，et al. GPS and Inertial Systems for High Precision Positioning on Motorways[J]. The journal of navigation 2009，62：351-363.

[3] Gunther RETSCHER. Accuracy Performance of Virtual Reference Station（VRS）Networks[J]. Journal of Global Positioning Systems，2002，1（1）：40-47.

[4] G.Mintsis，S.Basbas，P.Papaioannou，et al，I.N.Tziavos. Applications of GPS technology in the land transportation system[J]. European Journal of Operational Research，2004，152：399-404.