STP系統(tǒng)列車定位方法研究

李晗，韓波

（1.中交機(jī)電工程局有限公司 武漢技術(shù)中心，湖北 武漢 430060；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號(hào)研究所，北京 100081）

1 STP系統(tǒng)及其特點(diǎn)

無(wú)線調(diào)車機(jī)車信號(hào)和監(jiān)控系統(tǒng)（STP）是保障車站調(diào)車作業(yè)安全的重要行車輔助設(shè)備，目前已廣泛應(yīng)用在車站的調(diào)車作業(yè)安全監(jiān)督中[1-3]。STP系統(tǒng)利用無(wú)線通信，能夠?qū)崟r(shí)地實(shí)現(xiàn)機(jī)車和地面間狀態(tài)信息交換的閉環(huán)監(jiān)控，包括站場(chǎng)進(jìn)路信息、信號(hào)機(jī)狀態(tài)信息、調(diào)車機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)等與調(diào)車作業(yè)安全密切相關(guān)的信息。同時(shí)，STP車載主機(jī)配合列車運(yùn)行監(jiān)控裝置（LKJ）構(gòu)成的車載系統(tǒng)能夠有效防止調(diào)車作業(yè)中冒進(jìn)防護(hù)信號(hào)、沖撞土擋、行車作業(yè)超速等危險(xiǎn)事件，既保證站內(nèi)調(diào)車作業(yè)的安全，又滿足鐵路發(fā)展安全高效的要求。STP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）作為保障作業(yè)安全的行車輔助設(shè)備，系統(tǒng)車載設(shè)備和地面設(shè)備所采用的計(jì)算機(jī)平臺(tái)均為非安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)，因此系統(tǒng)適用相對(duì)較低的安全標(biāo)準(zhǔn)。STP系統(tǒng)與通用機(jī)車信號(hào)設(shè)備具有相同安全級(jí)別，屬于中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)CTCS-0級(jí)[4]。

（2）采用數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)行車地間無(wú)線通信，數(shù)傳電臺(tái)覆蓋范圍受地形地貌及信號(hào)干擾的限制，存在較多盲點(diǎn)，因此STP系統(tǒng)運(yùn)行到盲點(diǎn)區(qū)域時(shí)會(huì)造成車地?zé)o線連接失敗，從而丟失機(jī)車位置信息。

（3）采用無(wú)源應(yīng)答器進(jìn)行注冊(cè)入網(wǎng)和初始坐標(biāo)定位。STP系統(tǒng)和LKJ結(jié)合而成的車載系統(tǒng)在調(diào)車模式下，具備站內(nèi)調(diào)車信號(hào)機(jī)的列車速度防護(hù)、機(jī)車走行距離位置跟蹤、機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄、應(yīng)答器信息讀取等功能。

（4）系統(tǒng)應(yīng)用范圍主要集中在車站集中區(qū)，車站站內(nèi)軌道區(qū)段長(zhǎng)度普遍較短，為避免對(duì)正線列車運(yùn)行的影響，STP系統(tǒng)無(wú)源應(yīng)答器安裝地點(diǎn)要避開正線列車走行區(qū)域，同時(shí)為降低工程成本，無(wú)源應(yīng)答器的布點(diǎn)數(shù)量不應(yīng)過(guò)多。

綜合上述應(yīng)用特點(diǎn)可知，STP系統(tǒng)安全等級(jí)并不高，可以采用軌道電路區(qū)段占用邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)。為解決溜放作業(yè)時(shí)列車坐標(biāo)丟失的問題，將STP系統(tǒng)的位置跟蹤實(shí)現(xiàn)分為2部分，其中機(jī)車部分的定位方法采用基于應(yīng)答器定位點(diǎn)+測(cè)速傳感器的位置跟蹤，而車列部分的定位方法采用基于軌道電路+測(cè)速傳感器的位置跟蹤。

圖1 STP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 調(diào)車作業(yè)場(chǎng)景分析

調(diào)車作業(yè)有特定的作業(yè)場(chǎng)景，通過(guò)對(duì)調(diào)車作業(yè)過(guò)程進(jìn)行分析，將其劃分為9個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，并描述STP系統(tǒng)在各場(chǎng)景下應(yīng)具備的功能。正常狀況下6個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景：入網(wǎng)注冊(cè)、退網(wǎng)注銷、存車線連掛作業(yè)、牽引作業(yè)、推進(jìn)作業(yè)、溜放作業(yè)；特殊情況下2個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景：機(jī)車停車后人工解鎖、機(jī)車行進(jìn)中人工解鎖；異常情況下1個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景：STP設(shè)備丟失防護(hù)距離后，通過(guò)LKJ發(fā)出報(bào)警，司乘人員確認(rèn)后退出STP系統(tǒng)。常見調(diào)車作業(yè)場(chǎng)景的特點(diǎn)如下：

（1）牽引模式。該作業(yè)模式下，機(jī)車位于前進(jìn)車列的最前方，調(diào)車機(jī)車頭與前方信號(hào)機(jī)的距離和整體車列與前方信號(hào)機(jī)的距離一致。

（2）推進(jìn)模式。該作業(yè)模式下，機(jī)車位于前進(jìn)車列的最后方，調(diào)車機(jī)車頭與前方信號(hào)機(jī)的距離和整體車列與前方信號(hào)機(jī)的距離相差整個(gè)車列的車長(zhǎng)。

（3）存車線編組作業(yè)和解編作業(yè)，以及咽喉區(qū)往存車線進(jìn)行溜放作業(yè)是調(diào)車機(jī)在推進(jìn)模式下的幾種特殊作業(yè)場(chǎng)景，車列長(zhǎng)度在作業(yè)前后均會(huì)變化，進(jìn)而丟失車列距前方信號(hào)機(jī)的距離。

3 STP系統(tǒng)定位方法

定位功能是STP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)，在此重點(diǎn)對(duì)機(jī)車的單機(jī)定位和連掛后整體車列的定位進(jìn)行討論。

3.1 機(jī)車定位功能

機(jī)車單機(jī)在站場(chǎng)圖坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)需要從向STP系統(tǒng)申請(qǐng)入網(wǎng)注冊(cè)開始持續(xù)到注銷退網(wǎng)，并保持坐標(biāo)的連續(xù)性，以避免突變?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)車作業(yè)多為折返路徑（見圖2），在應(yīng)答器1處入網(wǎng)，按照路徑1走行至股道并沿著路徑2折返時(shí)，繼續(xù)以應(yīng)答器1作為路徑2的坐標(biāo)原點(diǎn)已不合適，因此機(jī)車走行過(guò)程中，伴隨著每次機(jī)車手柄換向都需要對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)進(jìn)行更替。

圖2 調(diào)車作業(yè)路徑示意圖

股道出站信號(hào)機(jī)與實(shí)際應(yīng)答器點(diǎn)一起構(gòu)成坐標(biāo)原點(diǎn)集合，供坐標(biāo)原點(diǎn)切換時(shí)使用。現(xiàn)場(chǎng)距離測(cè)量時(shí)應(yīng)盡量保證股道信號(hào)機(jī)與應(yīng)答器之間測(cè)量距離的準(zhǔn)確。給定有限的2個(gè)狀態(tài)1、2以及3個(gè)觸發(fā)事件a、b、c，構(gòu)建機(jī)車坐標(biāo)原點(diǎn)定位狀態(tài)變換模型（見圖3）。圖3中，狀態(tài)1為坐標(biāo)原點(diǎn)未知狀態(tài)，狀態(tài)2為坐標(biāo)原點(diǎn)已知狀態(tài)；事件a為過(guò)應(yīng)答器入網(wǎng)，事件b為過(guò)應(yīng)答器退網(wǎng)，事件c為過(guò)應(yīng)答器刷新坐標(biāo)原點(diǎn)或機(jī)車手柄換向刷新原點(diǎn)。

圖3 機(jī)車坐標(biāo)原點(diǎn)定位狀態(tài)變換模型

3.2 車列定位功能

STP系統(tǒng)車列定位在推進(jìn)作業(yè)時(shí)需要考慮連掛車輛的長(zhǎng)度。連掛車輛的車列位置坐標(biāo)在車列長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)會(huì)暫時(shí)處于未知狀態(tài)，連掛結(jié)束后車列總長(zhǎng)度可以通過(guò)乘務(wù)員手動(dòng)輸入或利用軌道電路的占用或出清時(shí)刻的坐標(biāo)差進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算。在此只討論按后一種方式進(jìn)行車長(zhǎng)的自動(dòng)計(jì)算。

給定有限的5個(gè)狀態(tài)1、2、3、4、5以及4個(gè)觸發(fā)事件a、b、c、d，構(gòu)建基于軌道電路的車列坐標(biāo)定位及車長(zhǎng)計(jì)算的狀態(tài)變換模型（見圖4）。圖4中，狀態(tài)1表示機(jī)車坐標(biāo)已知但車列坐標(biāo)未知，狀態(tài)2表示車列頭部坐標(biāo)已知但車列尾部坐標(biāo)未知，狀態(tài)3表示車列尾部坐標(biāo)已知且車列頭部坐標(biāo)已知，狀態(tài)4表示車列尾部坐標(biāo)已知但車列頭部坐標(biāo)未知，狀態(tài)5表示車列距前方信號(hào)機(jī)距離已知；事件a表示當(dāng)前進(jìn)路前方區(qū)段占紅，事件b表示當(dāng)前進(jìn)路已占紅區(qū)段后方出清，事件c表示車列丟失尾部定位坐標(biāo)，事件d表示車列丟失頭部定位坐標(biāo)。

圖4 車列坐標(biāo)定位及車長(zhǎng)計(jì)算的狀態(tài)變換模型

3.3 定位誤差分析

基于軌道電路狀態(tài)變化實(shí)現(xiàn)的定位算法容易存在定位誤差，誤差隨著時(shí)間的累積可能會(huì)超過(guò)站場(chǎng)內(nèi)部分段區(qū)段的長(zhǎng)度，甚至可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)車實(shí)際位置與軌道電路實(shí)際占用區(qū)段不一致的情況，因此需要對(duì)定位誤差進(jìn)行更新?？紤]工程經(jīng)濟(jì)性，在有限的應(yīng)答器布點(diǎn)情況下，盡量將應(yīng)答器布點(diǎn)在咽喉區(qū)或用于機(jī)車折返頻繁的無(wú)岔區(qū)段，例如圖2中所示應(yīng)答器2的布點(diǎn)位置。

3.4 車列前方信號(hào)機(jī)切換

STP系統(tǒng)在牽引作業(yè)和無(wú)解編推進(jìn)作業(yè)時(shí)，更新車列前方信號(hào)機(jī)信號(hào)以車列前方進(jìn)路區(qū)段占紅為觸發(fā)條件。給定2個(gè)有限狀態(tài)1、2及1個(gè)觸發(fā)事件a構(gòu)建車列前方信號(hào)機(jī)切換模型（見圖5）。圖5中，狀態(tài)1為車列當(dāng)前前方信號(hào)機(jī)1，狀態(tài)2為車列前方信號(hào)機(jī)2；事件a為車列過(guò)信號(hào)機(jī)1的絕緣節(jié)。

車列距前方信號(hào)機(jī)的距離計(jì)算如下：當(dāng)車列越過(guò)開放進(jìn)路上的絕緣節(jié)觸發(fā)下一區(qū)段占紅時(shí)，車列距前方信號(hào)機(jī)距離即剩余進(jìn)路中下一基本進(jìn)路包含區(qū)段的長(zhǎng)度。當(dāng)機(jī)車換向時(shí)，換向后前方信號(hào)機(jī)距坐標(biāo)原點(diǎn)的距離值與機(jī)車距坐標(biāo)原點(diǎn)距離值的差值（換向后如為推進(jìn)模式則需減去車列長(zhǎng)度）即為車列距前方信號(hào)機(jī)距離。

圖5 車列前方信號(hào)機(jī)切換模型

3.5 特殊情況下機(jī)車標(biāo)簽化處理

在溜放作業(yè)時(shí)，由于車列在軌道電路中的占紅紅光帶會(huì)從中間斷開且前方紅光帶會(huì)繼續(xù)向前延伸，無(wú)法判斷溜放車列的長(zhǎng)度，此時(shí)車列會(huì)丟失前方信號(hào)機(jī)信號(hào)和距離。與此相同的現(xiàn)象會(huì)發(fā)生在機(jī)車牽引列車或推進(jìn)列車經(jīng)過(guò)前方進(jìn)路中包含分路不良區(qū)段時(shí)，已占紅區(qū)段由于所含分路不良區(qū)段的紅光帶閃爍而從中間斷開，形成前后2個(gè)紅光帶。上述情況會(huì)干擾基于軌道電路占用邏輯的車列定位功能，從而造成STP系統(tǒng)對(duì)車列前方信號(hào)機(jī)錯(cuò)誤切換。因此考慮采用標(biāo)簽化方式對(duì)機(jī)車與車列的相對(duì)位置進(jìn)行標(biāo)簽化建模。標(biāo)簽化功能的實(shí)現(xiàn)由STP地面系統(tǒng)完成。以機(jī)車的上行方向（從右往左）為例，約定規(guī)則如下：

（1）地面系統(tǒng)開機(jī)時(shí)標(biāo)簽為0。

（2）移動(dòng)的紅光帶標(biāo)簽包含1。

（3）紅光帶合并分為左合和右合2種形式。例如，標(biāo)簽0左合1記為標(biāo)簽10，標(biāo)簽0右合1記為標(biāo)簽01，標(biāo)簽0左合0或右合0均記為標(biāo)簽00，將標(biāo)簽00簡(jiǎn)記為0。紅光帶合并又可細(xì)分為2種情況：2個(gè)標(biāo)簽不同時(shí)含1的紅光帶合并，2個(gè)標(biāo)簽同時(shí)含1的紅光帶合并；共有1010、0101、0110、010四種異常標(biāo)簽，其中異常標(biāo)簽0110合并為異常標(biāo)簽010需司乘人員手動(dòng)確認(rèn)，否則維持異常標(biāo)簽0110不變。紅光帶合并時(shí)標(biāo)簽變化的自動(dòng)機(jī)模型見表1。

（4）考慮地面系統(tǒng)開機(jī)時(shí)標(biāo)簽的初始狀態(tài)和地面系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)存車線經(jīng)停列車后的標(biāo)簽狀態(tài)，紅光帶中間分?jǐn)鄷r(shí)標(biāo)簽變化自動(dòng)機(jī)模型見表2。例如，標(biāo)簽01的左斷開和右斷開結(jié)果一樣，均為標(biāo)簽0和標(biāo)簽1，標(biāo)簽011的左斷開結(jié)果為標(biāo)簽0和標(biāo)簽11，右斷開結(jié)果為標(biāo)簽01和標(biāo)簽1。

表1 紅光帶合并時(shí)標(biāo)簽變化自動(dòng)機(jī)模型

表2 紅光帶中間分?jǐn)鄷r(shí)標(biāo)簽變化自動(dòng)機(jī)模型

表1為2個(gè)紅光帶合并時(shí)標(biāo)簽狀態(tài)變化的自動(dòng)機(jī)模型。第1列是標(biāo)簽序號(hào)，表示標(biāo)簽所有可能的8種狀態(tài)；第2列是標(biāo)簽內(nèi)容，用字符串表示；第3列/第5列和第4列/第6列的列值是標(biāo)簽序號(hào)的集合，表示標(biāo)簽從某一狀態(tài)經(jīng)過(guò)左合或右合事件觸發(fā)后可能跳轉(zhuǎn)到的目標(biāo)標(biāo)簽，列值為空時(shí)表示空集。

表2為2個(gè)紅光帶分?jǐn)鄷r(shí)標(biāo)簽狀態(tài)變化的自動(dòng)機(jī)模型。第1列是標(biāo)簽序號(hào)，表示標(biāo)簽所有可能的8種狀態(tài)；第2列是標(biāo)簽內(nèi)容，用字符串表示；第3列和第4列的列值是標(biāo)簽序號(hào)的集合，表示標(biāo)簽從某一狀態(tài)經(jīng)過(guò)左斷開或右斷開事件觸發(fā)后可能跳轉(zhuǎn)到的目標(biāo)標(biāo)簽。表2中的第1行和第2行表示STP系統(tǒng)在存車線內(nèi)已存有機(jī)車情況下開機(jī)時(shí)的初始情況。

當(dāng)然，STP系統(tǒng)地面設(shè)備計(jì)算標(biāo)簽狀態(tài)變換還需要STP系統(tǒng)入網(wǎng)機(jī)車車載設(shè)備返回的車列定位配合計(jì)算，才能最終準(zhǔn)確無(wú)誤地完成特殊情況下標(biāo)簽狀態(tài)的判斷。

3.6 機(jī)車坐標(biāo)丟失情況處理

由于STP設(shè)備的穩(wěn)定性存在局限性，一些特定的故障，例如無(wú)線通信異常中斷、STP車載設(shè)備與LKJ通信中斷等均會(huì)造成機(jī)車定位坐標(biāo)丟失，從而使STP系統(tǒng)對(duì)車列前方關(guān)閉信號(hào)機(jī)的防護(hù)功能無(wú)法正常工作。因此需要對(duì)坐標(biāo)丟失情況進(jìn)行特殊處理，可以設(shè)計(jì)STP系統(tǒng)在機(jī)車定位坐標(biāo)丟失時(shí)觸發(fā)LKJ報(bào)警，提示司乘人員STP系統(tǒng)故障，在司乘人員確認(rèn)STP故障后，該機(jī)車自動(dòng)退網(wǎng)注銷。另外，也可讓STP系統(tǒng)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)搭載在GSM-R通信網(wǎng)上，提高STP系統(tǒng)無(wú)線通信的穩(wěn)定性[5]，保證STP系統(tǒng)定位坐標(biāo)的連續(xù)可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

將STP系統(tǒng)的定位功能劃分為機(jī)車定位和車列定位2部分，并對(duì)機(jī)車定位采用基于應(yīng)答器定位+測(cè)速傳感器的定位坐標(biāo)計(jì)算模型，以及無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)連續(xù)跟蹤，使機(jī)車定位擺脫軌道電路分路不良問題的影響，保證機(jī)車位置坐標(biāo)的相對(duì)獨(dú)立和穩(wěn)定。采用標(biāo)簽方式跟蹤機(jī)車和車列的相對(duì)位置，能夠穩(wěn)定且準(zhǔn)確地獲得機(jī)車在車列頭部或尾部的信息，便于STP系統(tǒng)對(duì)車列作業(yè)模式進(jìn)行判斷。