城市軌道交通信號(hào)故障下列車應(yīng)急運(yùn)行控制研究

張爽 潘曉軍 張強(qiáng)

摘 要：隨著城市軌道交通客流量快速增長(zhǎng)，信號(hào)系統(tǒng)在保障列車運(yùn)行安全方面越來(lái)越重要。信號(hào)系統(tǒng)故障會(huì)導(dǎo)致中心調(diào)度員無(wú)法快速掌握現(xiàn)場(chǎng)列車運(yùn)行情況，同時(shí)影響司機(jī)人工駕駛的安全和效率。文章結(jié)合超寬帶（UWB）通信定位技術(shù)、列車智能檢測(cè)系統(tǒng)（TIDS）技術(shù)、接入點(diǎn)（APN）公網(wǎng)通信及視頻信號(hào)人工調(diào)用等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)故障應(yīng)急情況下列車運(yùn)行控制。通過(guò)研制相應(yīng)設(shè)備，開(kāi)展單傳感器試驗(yàn)、多傳感器融合試驗(yàn)、系統(tǒng)功能試驗(yàn)，最終驗(yàn)證系統(tǒng)滿足故障應(yīng)急情況下的列車運(yùn)行效率要求，有力支撐城市軌道交通安全、高效運(yùn)營(yíng)。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;信號(hào)系統(tǒng);UWB 通信定位技術(shù);TIDS 技術(shù);APN公網(wǎng)通信

中圖分類號(hào)：U231+.7

1 背景

城市軌道交通大規(guī)模發(fā)展對(duì)信號(hào)系統(tǒng)提出更高要求，在保證列車運(yùn)行安全的同時(shí)，還需不斷縮小列車運(yùn)行間隔、加大列車運(yùn)行密度。信號(hào)系統(tǒng)發(fā)生故障情況（單車或多車信號(hào)系統(tǒng)發(fā)生故障）將帶來(lái)2個(gè)主要問(wèn)題：①中心調(diào)度員無(wú)法在第一時(shí)間準(zhǔn)確獲知故障列車具體位置及故障列車周圍環(huán)境情況，需要經(jīng)過(guò)一系列管理手段進(jìn)行確認(rèn)，效率低且安全性差，對(duì)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生較大影響;②列車采用降級(jí)人工駕駛模式恢復(fù)運(yùn)營(yíng)，人工駕駛存在工作狀態(tài)不穩(wěn)定，易受彎道、坡道、照明不良等線路視距環(huán)境限制，進(jìn)而導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)效率下降、安全性受到影響。

目前信號(hào)系統(tǒng)定位列車一般采用輪軸計(jì)+軌旁射頻識(shí)別（RFID，Radio Frequency Identification）應(yīng)答器等多裝置聯(lián)合判斷的方式，系統(tǒng)較復(fù)雜且無(wú)法獲取列車周邊環(huán)境的有效信息。為提高整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的效率和可靠性，需要一個(gè)成熟、相對(duì)獨(dú)立的列車定位系統(tǒng)作為一般信號(hào)定位方式的冗余備用模式，當(dāng)現(xiàn)有系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可實(shí)現(xiàn)快速切換，確保整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2 解決方案

在信號(hào)系統(tǒng)故障情況下，中心調(diào)度員需在第一時(shí)間準(zhǔn)確獲知故障列車位置以及故障列車周圍環(huán)境情況，以做出正確的運(yùn)營(yíng)組織指揮指令。通過(guò)UWB無(wú)線技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在線列車定位;同時(shí)TIDS子系統(tǒng)采用智能檢測(cè)設(shè)備感知環(huán)境并獲取數(shù)據(jù)，通過(guò)智能算法實(shí)現(xiàn)前車、信號(hào)機(jī)、道岔及其他障礙物的檢測(cè)，并根據(jù)追蹤距離進(jìn)行報(bào)警，輔助防護(hù)列車運(yùn)行安全;通過(guò)APN公網(wǎng)通信技術(shù)，結(jié)合運(yùn)行列車前方的相關(guān)障礙物以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將障礙物信息結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)圖片回傳至中心顯示子系統(tǒng)，中心調(diào)度人員可在第一時(shí)間獲取現(xiàn)場(chǎng)情況信息。應(yīng)急控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含TIDS子系統(tǒng)、中心顯示子系統(tǒng)和UWB通信定位子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)間相互進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.1 TIDS 子系統(tǒng)

TIDS子系統(tǒng)可根據(jù)線路彎度和坡道情況正確調(diào)整系統(tǒng)的識(shí)別距離，以保證識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。TIDS子系統(tǒng)由TIDS主機(jī)、人機(jī)界面（HMI）顯示單元、外圍傳感器組成。外圍傳感器包含激光雷達(dá)、長(zhǎng)焦相機(jī)、廣角相機(jī)，通過(guò)幾種傳感器的配合，識(shí)別列車前方的列車、信號(hào)機(jī)、道岔和其他障礙物等信息。TIDS主機(jī)單元對(duì)多種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，計(jì)算安全運(yùn)行距離和限制速度，通過(guò)HMI顯示器輸出顯示并進(jìn)行聲光報(bào)警。HMI作為列車智能檢測(cè)子系統(tǒng)的人機(jī)界面，顯示最高限速、前方安全運(yùn)行距離和列車實(shí)時(shí)位置等信息。

對(duì)于列車運(yùn)行軌道，TIDS子系統(tǒng)為駕駛員提供300 m級(jí)別距離防護(hù)功能，根據(jù)實(shí)際線路彎道和坡道情況，并通過(guò)HMI顯示器輸出顯示和聲光報(bào)警?；谥鲃?dòng)檢測(cè)技術(shù)可排除對(duì)向運(yùn)行列車干擾，同時(shí)能夠根據(jù)最新?tīng)顟B(tài)檢測(cè)情況將結(jié)果顯示在人機(jī)界面上。TIDS子系統(tǒng)功能示意如圖2所示。

2.2 中心顯示子系統(tǒng)

TIDS子系統(tǒng)將UWB定位信息發(fā)送給中心顯示子系統(tǒng)，中心顯示子系統(tǒng)發(fā)送控制命令，將TIDS系統(tǒng)檢測(cè)障礙物信息結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)圖片回傳至控制中心，中心調(diào)度人員可在第一時(shí)間獲取現(xiàn)場(chǎng)信息。另外，在獲取列車位置信息的基礎(chǔ)上，中心顯示子系統(tǒng)匯總線路上所有列車位置信息，結(jié)合實(shí)際正線線路圖，實(shí)現(xiàn)列車實(shí)際位置信息在線路圖上間隔顯示。中心顯示系統(tǒng)界面如圖3所示。

2.3 UWB 通信定位子系統(tǒng)

UWB通信定位子系統(tǒng)視距定位精度可達(dá)20～30cm，整個(gè)子系統(tǒng)由車載設(shè)備、軌道設(shè)備和服務(wù)器軟件組成。為獲取列車定位信息，在每列車上安裝UWB車卡。通過(guò)UWB車卡向地面基站設(shè)備發(fā)送通信定位控制指令，接收地面基站的反饋信息，進(jìn)行周期車卡位置檢測(cè)，最后將周期計(jì)算出的列車位置和設(shè)備狀態(tài)信息發(fā)送給TIDS子系統(tǒng)。

UWB通信定位子系統(tǒng)車載設(shè)備部署采用在所有列車車頭、車尾駕駛室內(nèi)部同一位置安裝定位分站作為車載定位器，車載定位器天線安裝在列車前擋風(fēng)上部固定位置，實(shí)現(xiàn)與軌道基站測(cè)距。同時(shí)在列車車頭和車尾同時(shí)部署TIDS主機(jī)，主機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)線連接定位器，實(shí)現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的位置計(jì)算。TIDS主機(jī)接入公網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)地圖、算法更新。定位設(shè)備安裝俯視示意如圖4所示。

由于多軌情況下需要區(qū)分列車所在軌道，一般通過(guò)車載設(shè)備同時(shí)與2臺(tái)軌道設(shè)備測(cè)距定位，但地鐵隧道比較狹窄，無(wú)法在所有場(chǎng)景滿足車載設(shè)備同時(shí)與多臺(tái)軌道設(shè)備測(cè)距的需求，故采用飛行時(shí)間法（TOF）來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。

UWB子系統(tǒng)軌道設(shè)備部署與相關(guān)定位如圖 5所示，A、B 為部署在隧道側(cè)壁上的基站天線，2根天線的距離一般大于3 m。C 為部署在列車上的車卡天線。L1、L2為定位器與天線A、B分別測(cè)得的距離，H為天線C到直線AB的距離。車輛行駛方向可用連續(xù)得到的車輛位置信息的變化計(jì)算出。車輛位置可分情況計(jì)算，遠(yuǎn)距離時(shí)直接使用L2;近距離時(shí)使用L2、H根據(jù)勾股定理計(jì)算;同時(shí)根據(jù)L1、L2的大小不同，可判斷車輛在天線的左右側(cè)。

UWB基站安裝示意如圖6所示，A、B 為部署在隧道側(cè)壁上的基站天線，C、D 為部署在列車上的車卡天線。L為2根天線的距離，L1、L2、L3、L4為定位器C、D與天線A、B 分別測(cè)得的距離，H1為天線C到直線AB的距離，H2為天線D到直線AB的距離。

3 應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本系統(tǒng)在故障應(yīng)急情況下列車運(yùn)行控制過(guò)程中的有效性，在北京地鐵10號(hào)線蓮花橋六里橋西局，實(shí)際三站兩區(qū)間進(jìn)行2輛列車動(dòng)車測(cè)試，分別對(duì)TIDS子系統(tǒng)、UWB定位子系統(tǒng)和中心顯示子系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果進(jìn)行分析。

3.1 TIDS 子系統(tǒng)

TIDS系統(tǒng)三站兩區(qū)間2輛列車動(dòng)車測(cè)試效果如下。

（1）彎道識(shí)別效果如圖7所示，識(shí)別距離≥78 m，誤差≤±1 m。

（2）坡道識(shí)別效果如圖8所示，識(shí)別距離≥150 m，誤差≤±1 m。

（3）直道識(shí)別效果如圖9所示，識(shí)別距離≥200m，誤差≤±1 m。

3.2 中心顯示子系統(tǒng)

中心顯示子系統(tǒng)三站兩區(qū)間2輛列車動(dòng)車測(cè)試效果如圖10所示。該子系統(tǒng)刷新頻率符合預(yù)期小于1s，UWB錨點(diǎn)定位和TIDS子系統(tǒng)速度積分定位精度小于5m，可實(shí)現(xiàn)車輛前方顯示并存儲(chǔ)、獲取列車前方圖片功能。

3.3 UWB 定位子系統(tǒng)

基于UWB錨點(diǎn)定位和TIDS子系統(tǒng)速度積分定位，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證了列車初始定位、方向判斷、區(qū)間位置校準(zhǔn)功能。在結(jié)合速度積分進(jìn)行定位時(shí)，在北京地鐵10號(hào)線蓮花橋六里橋西局三站兩區(qū)間實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)定位需求，誤差在±5 m以內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)單車或多車信號(hào)系統(tǒng)發(fā)生故障情況下，利用UWB通信定位技術(shù)、TIDS技術(shù)、APN公網(wǎng)通信和視頻信號(hào)人工調(diào)用等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)故障應(yīng)急情況下列車運(yùn)行控制。當(dāng)線路系統(tǒng)故障時(shí)，可通過(guò)TIDS子系統(tǒng)檢測(cè)列車前方線路障礙物和前方列車距離，對(duì)列車的安全運(yùn)行進(jìn)行防護(hù)。地面調(diào)度室可根據(jù)UWB定位信息在地面中心顯示子系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示每列車的位置及周邊環(huán)境情況。系統(tǒng)于2019年已在北京地鐵10號(hào)線得以成功應(yīng)用，可大大提升信號(hào)系統(tǒng)故障情況下運(yùn)營(yíng)安全性和時(shí)效性。系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單且可獨(dú)立實(shí)施，為降低信號(hào)系統(tǒng)升級(jí)改造風(fēng)險(xiǎn)、提高改造工程效率奠定了重要基礎(chǔ)。

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收稿日期 2020-02-03

責(zé)任編輯 胡姬