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关键词：城市轨道交通，列车定位，轨道电路，编码里程仪，裂缝波导，扩频通信
1 引 言
随着城市人口的不断增加，城市交通问题日益突出。地铁、轻轨具备客运量大、污染少等特点，是解决大中城市交通问题的首选方案。由于轨道交通列车运行密度高、车站间距近、安全性要求高，列车自动控制系统及列车本身需要实时了解列车在线路中的精确位置，分布于轨旁及列车上的列车自动控制系统根据线路中列车的相对位置实时、动态地对每一列车进行监督、控制、调度及安全防护，在保证列车运行安全的前提下，最大限度地提高系统的效率，为乘客提供最佳的服务。
实时、精确地确定列车在线路中的位置是保证安全、发挥效率、提供最佳服务的前提。列车自动控制系统利用轨旁及车载设备对列车进行实时的跟踪。轨旁定位主要采用轨道电路、信标、电缆环线、裂缝波导、扩频电台等技术手段，列车自身的定位可依赖于安装在轮轴上的编码里程仪实现，通过车地之间的信息传输通道，实现轨旁与列车之间实时的信息交换，实时控制列车在线路中的运行。
2 轨旁定位技术
2．1 利用轨道电路的定位技术
2．1．1 轨道电路的定位原理
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。轨道电路有机械绝缘和电气绝缘两种类型。采用机械绝缘的轨道电路，需切断钢轨，安装轨道绝缘节，这对使用长钢轨线路妨碍很大，不仅需经常维修，还降低了安全性。采用电气绝缘，则无需切断钢轨，目前城市轨道交通系统中，普遍采用“S棒”进行电气隔离的数字音频轨道电路。数字音频轨道电路的原理图如图1所示。
数字轨道电路中，全部有源器件都集中在控制室内，室外设备仅包括由电容、线圈等组成的调谐盒及轨间的S型联接导线。调谐盒中有发射与接收线圈。数字轨道电路的发射单元以差分模式向另一端通过铁轨传输一个调制信号，在轨道电路的另一端提取这个信号。接收的信息和传送的信息经逐位比较确认相同时，完成对接收信息的验证，判断钢轨和轨道电路的工作状态。当轨道电路内有车占用时，由于列车车轴的分路作用，接收端检测出信号电平的变化，从而判断出有车到达该轨道电路。
2．1．2 利用轨道电路确定列车在线路中的位置
图2为利用轨道电路确定列车在线路中位置的原理图。在线路设计时，根据用户对列车运行密度的要求，将整个线路用S棒分割成若干个轨道区段，并对所有轨道区段进行统一编号。对线路地形及线路设备进行数字化描述后形成线路地图，贮存在轨旁和／或车载计算机中。为了防止相邻轨道电路音频信号的串扰，同时也为了准确判断列车越过轨道电路连界，相邻数字轨道电路采用不同的载频。列车在线路中运行时，其所在的轨道电路会给出占用指示，对轨道电路占用状态的连续跟踪，也就实现了对列车在线路中所处位置的连续跟踪。
为了保证安全，轨道电路任何形式的故障都表示为“有车占用”，为了避免错误的跟踪，系统对轨道电路的“连续占用”与“顺序出清”进行逻辑判断，保证列车跟踪的可靠性和安全性。
利用数字轨道电路对列车进行定位是目前城市轨道交通系统中应用最为普遍的技术手段。
2．2 信标定位
信标是安装在线路沿线反映线路绝对位置的物理标志。信标分有源信标和无源信标两种，有源信标可以实现车地的双向通信，无源信标类似于非接触式IC卡，在列车经过信标所在位置时，车载天线发射的电磁波激励信标工作，并传递绝对位置信息给列车。
城市轨道交通系统中所使用的信标大部分为无源信标，安装在轨道沿线。信标的作用是为列车提供精确的绝对位置参考点（也可以提供线路的坡度、弯度等其它信息）。由于信标提供的位置精度很高，达厘米量级，常用信标作为修正列车实际运行距离的手段。
采用信标定位技术的信息传递是间断的，即当列车从一个信息点获得地面信息后，要到下一个信息点才能更新信息，若其间地面情况发生变化，就无法立即将变化的信息实时传递给列车，因此，信标定位技术往往作为其它定位技术的补充手段。
2．3 裂缝波导定位技术
采用裂缝波导作为列车信息传输的原理框图见图3，列车定位原理图如图4所示。裂缝波导是52．5mm×105mm×2mm中空的铝质矩形方管，在其顶部每隔60mm开有窄缝，采用2．715GHz的连续波频率通过裂缝耦合出不均匀的场强，对连续波的场强进行采集和处理，并通过计数器确定列车经过的裂缝数，从而计算出列车走行的距离，确定列车在线路中的位置。
裂缝波导除了传输用于裂缝计数的2．715GHz的连续波频率外，主要用于车地信息交换的传输通道，车地通信的载频范围为2．4～2．4853GHz，该频段内的微波信号沿波导均匀辐射。
在整个轨道线路沿线铺设电缆环线，电缆环线位于轨道中间，每隔一定的距离交叉一次。列车经过每个电缆交叉点时通过车载设备检测环线内信号的相位变化（相位变化原理见图6）。并对相位变化的次数进行计数，从而确定列车运行的距离，达到对列车定位的目的。
利用无线扩展频谱通信技术确定列车在线路中的位置借鉴了军用定位技术。利用车站、轨旁和列车上的扩频电台；一方面通过这些电台在列车与轨旁控制室之间传递安全信息，另一方面也利用它们对列车进行定位。轨旁电台的位置是固定不变的，并经过精确测量。所有的电台都由同步时钟精确同步。轨旁计算机或车载计算机利用不同电台传输信息的时间延时可以精确计算出列车的位置。
图7为基于无线扩频通信的列车定位系统原理图。由分布的电台构成无线通信网，多数情况下，站间可以被无线电可靠地覆盖，而且有冗余。这种冗余是一种自愈式的结构，当其中一个电台故障时，系统可以重新组织，并自动报告故障电台位置或编号，不会影响通信和对列车的控制。通常一个电台的信息会有两个甚至三个电台接收，扩展频谱技术最初是为军事应用设计的，具备在恶劣电磁环境下可靠传输的能力。
每隔0．5s可对每辆列车的位置进行检测，对列车定位的精度可达±5m。
3 车载列车定位技术
车载定位设备主要采用安全型编码里程计。编码里程计通过编码盘与轮轴耦合，驱动一个或多个装在编码盘四周的光电传感器。这些传感器产生一个和速度成比例的脉冲序列，车载设备通过采样电路得到列车运行的速度和距离。图8是编码里程仪测距原理图。
列车车轮运动一周，编码里程计输出64个或128个脉冲。列车车轮运动一周，编码里程计输出的脉冲数越多，测速和／或测距精度越高。
列车运动速度＝单位时间内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）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）式中Φ为列车车轮的直径。由于列车周而复始地运动，车轮轮径不断磨损，目前城市轨道交通系统中允许列车车轮的轮径范围为840mm～770mm，因此（是个变量，要定期或不定期地进行修正。
利用车载编码里程计确定列车运行的距离还需要考虑列车运动过程中车轮的空转和打滑。实际工程应用中，可以采用信标、轨道电路分界点、电缆环线等手段传送给列车绝对位置标识，这些标识在线路中的位置是固定不变的，并经过精确测量。车载设备接收到这些标识后，对车载里程计的测距误差进行修正。通常车载里程计只给出列车对应地面某个标识的相对距离，保证列车在线路中运行时，车载定位设备的距离测量不会有大的积累误差。
4 结束语
利用各种技术手段确定列车在线路中的位置、对列车进行精确定位的目的是对线路中所有的列车进行统一管理，确保各列车之间安全运行的最小间隔，保证列车运行的安全；同时，通过统一的调度和管理，保证线路中运营列车的均匀分布。本文介绍的各种定位技术在城市轨道系统中均有成功应用的实例，具体系统中采用何种定位技术，取决于对线路运输能力的要求。通常，城市轨道交通系统中需要综合运用多种定位技术。如广州地铁一号线，正线上采用数字轨道电路，车站加装精确同步环线，利用车载编码里程仪经过轨道电路【摘 要】 实时、精确地确定列车在线路中的位置是保证安全、发挥效率、提供最佳服务的前提。本文介绍了在城市轨道交通系统中已获得成功应用的各种列车定位方法，包括轨旁和车载定位技术。
关键词：城市轨道交通，列车定位，轨道电路，编码里程仪，裂缝波导，扩频通信
1 引 言
随着城市人口的不断增加，城市交通问题日益突出。地铁、轻轨具备客运量大、污染少等特点，是解决大中城市交通问题的首选方案。由于轨道交通列车运行密度高、车站间距近、安全性要求高，列车自动控制系统及列车本身需要实时了解列车在线路中的精确位置，分布于轨旁及列车上的列车自动控制系统根据线路中列车的相对位置实时、动态地对每一列车进行监督、控制、调度及安全防护，在保证列车运行安全的前提下，最大限度地提高系统的效率，为乘客提供最佳的服务。
实时、精确地确定列车在线路中的位置是保证安全、发挥效率、提供最佳服务的前提。列车自动控制系统利用轨旁及车载设备对列车进行实时的跟踪。轨旁定位主要采用轨道电路、信标、电缆环线、裂缝波导、扩频电台等技术手段，列车自身的定位可依赖于安装在轮轴上的编码里程仪实现，通过车地之间的信息传输通道，实现轨旁与列车之间实时的信息交换，实时控制列车在线路中的运行。
2 轨旁定位技术
2．1 利用轨道电路的定位技术
2．1．1 轨道电路的定位原理
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。轨道电路有机械绝缘和电气绝缘两种类型。采用机械绝缘的轨道电路，需切断钢轨，安装轨道绝缘节，这对使用长钢轨线路妨碍很大，不仅需经常维修，还降低了安全性。采用电气绝缘，则无需切断钢轨，目前城市轨道交通系统中，普遍采用“S棒”进行电气隔离的数字音频轨道电路。数字音频轨道电路的原理图如图1所示。
数字轨道电路中，全部有源器件都集中在控制室内，室外设备仅包括由电容、线圈等组成的调谐盒及轨间的S型联接导线。调谐盒中有发射与接收线圈。数字轨道电路的发射单元以差分模式向另一端通过铁轨传输一个调制信号，在轨道电路的另一端提取这个信号。接收的信息和传送的信息经逐位比较确认相同时，完成对接收信息的验证，判断钢轨和轨道电路的工作状态。当轨道电路内有车占用时，由于列车车轴的分路作用，接收端检测出信号电平的变化，从而判断出有车到达该轨道电路。
2．1．2 利用轨道电路确定列车在线路中的位置
图2为利用轨道电路确定列车在线路中位置的原理图。在线路设计时，根据用户对列车运行密度的要求，将整个线路用S棒分割成若干个轨道区段，并对所有轨道区段进行统一编号。对线路地形及线路设备进行数字化描述后形成线路地图，贮存在轨旁和／或车载计算机中。为了防止相邻轨道电路音频信号的串扰，同时也为了准确判断列车越过轨道电路连界，相邻数字轨道电路采用不同的载频。列车在线路中运行时，其所在的轨道电路会给出占用指示，对轨道电路占用状态的连续跟踪，也就实现了对列车在线路中所处位置的连续跟踪。
为了保证安全，轨道电路任何形式的故障都表示为“有车占用”，为了避免错误的跟踪，系统对轨道电路的“连续占用”与“顺序出清”进行逻辑判断，保证列车跟踪的可靠性和安全性。
利用数字轨道电路对列车进行定位是目前城市轨道交通系统中应用最为普遍的技术手段。
2．2 信标定位
信标是安装在线路沿线反映线路绝对位置的物理标志。信标分有源信标和无源信标两种，有源信标可以实现车地的双向通信，无源信标类似于非接触式IC卡，在列车经过信标所在位置时，车载天线发射的电磁波激励信标工作，并传递绝对位置信息给列车。
城市轨道交通系统中所使用的信标大部分为无源信标，安装在轨道沿线。信标的作用是为列车提供精确的绝对位置参考点（也可以提供线路的坡度、弯度等其它信息）。由于信标提供的位置精度很高，达厘米量级，常用信标作为修正列车实际运行距离的手段。
采用信标定位技术的信息传递是间断的，即当列车从一个信息点获得地面信息后，要到下一个信息点才能更新信息，若其间地面情况发生变化，就无法立即将变化的信息实时传递给列车，因此，信标定位技术往往作为其它定位技术的补充手段。
2．3 裂缝波导定位技术
采用裂缝波导作为列车信息传输的原理框图见图3，列车定位原理图如图4所示。裂缝波导是52．5mm×105mm×2mm中空的铝质矩形方管，在其顶部每隔60mm开有窄缝，采用2．715GHz的连续波频率通过裂缝耦合出不均匀的场强，对连续波的场强进行采集和处理，并通过计数器确定列车经过的裂缝数，从而计算出列车走行的距离，确定列车在线路中的位置。
裂缝波导除了传输用于裂缝计数的2．715GHz的连续波频率外，主要用于车地信息交换的传输通道，车地通信的载频范围为2．4～2．4853GHz，该频段内的微波信号沿波导均匀辐射。
2．4 电缆环线定位技术
在整个轨道线路沿线铺设电缆环线，电缆环线位于轨道中间，每隔一定的距离交叉一次。列车经过每个电缆交叉点时通过车载设备检测环线内信号的相位变化（相位变化原理见图6）。并对相位变化的次数进行计数，从而确定列车运行的距离，达到对列车定位的目的。
2．5 无线扩频通信定位技术
利用无线扩展频谱通信技术确定列车在线路中的位置借鉴了军用定位技术。利用车站、轨旁和列车上的扩频电台；一方面通过这些电台在列车与轨旁控制室之间传递安全信息，另一方面也利用它们对列车进行定位。轨旁电台的位置是固定不变的，并经过精确测量。所有的电台都由同步时钟精确同步。轨旁计算机或车载计算机利用不同电台传输信息的时间延时可以精确计算出列车的位置。
图7为基于无线扩频通信的列车定位系统原理图。由分布的电台构成无线通信网，多数情况下，站间可以被无线电可靠地覆盖，而且有冗余。这种冗余是一种自愈式的结构，当其中一个电台故障时，系统可以重新组织，并自动报告故障电台位置或编号，不会影响通信和对列车的控制。通常一个电台的信息会有两个甚至三个电台接收，扩展频谱技术最初是为军事应用设计的，具备在恶劣电磁环境下可靠传输的能力。
每隔0．5s可对每辆列车的位置进行检测，对列车定位的精度可达±5m。
3 车载列车定位技术
车载定位设备主要采用安全型编码里程计。编码里程计通过编码盘与轮轴耦合，驱动一个或多个装在编码盘四周的光电传感器。这些传感器产生一个和速度成比例的脉冲序列，车载设备通过采样电路得到列车运行的速度和距离。图8是编码里程仪测距原理图。
列车车轮运动一周，编码里程计输出64个或128个脉冲。列车车轮运动一周，编码里程计输出的脉冲数越多，测速和／或测距精度越高。
列车运动速度＝单位时间内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）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）式中Φ为列车车轮的直径。由于列车周而复始地运动，车轮轮径不断磨损，目前城市轨道交通系统中允许列车车轮的轮径范围为840mm～770mm，因此（是个变量，要定期或不定期地进行修正。
利用车载编码里程计确定列车运行的距离还需要考虑列车运动过程中车轮的空转和打滑。实际工程应用中，可以采用信标、轨道电路分界点、电缆环线等手段传送给列车绝对位置标识，这些标识在线路中的位置是固定不变的，并经过精确测量。车载设备接收到这些标识后，对车载里程计的测距误差进行修正。通常车载里程计只给出列车对应地面某个标识的相对距离，保证列车在线路中运行时，车载定位设备的距离测量不会有大的积累误差。
4 结束语
利用各种技术手段确定列车在线路中的位置、对列车进行精确定位的目的是对线路中所有的列车进行统一管理，确保各列车之间安全运行的最小间隔，保证列车运行的安全；同时，通过统一的调度和管理，保证线路中运营列车的均匀分布。本文介绍的各种定位技术在城市轨道系统中均有成功应用的实例，具体系统中采用何种定位技术，取决于对线路运输能力的要求。通常，城市轨道交通系统中需要综合运用多种定位技术。如广州地铁一号线，正线上采用数字轨道电路，车站加装精确同步环线，利用车载编码里程仪经过轨道电路和环线的同步后的距离数据，实现列车的自动驾驶。
除了本文介绍的各种列车定位方法，还有其它各种列车定位技术，如采用雷达测速、测距的定位方法，采用计轴设备确定列车位置的技术，大铁路上还可以采用GPS、GMS－R等技术对列车进行定位，GSM－R是国际铁路联盟（UIC）和欧洲电信标准协会（ETSI）为欧洲新一代铁路开发的无线移动通信技术标准。随着计算机技术和通信技术的发展，相信将有越来越多技术含量更高的先进列车定位技术问世。
参考文献
1 吴汶麒主编．城市轨道交通信号与通信系统．中国铁道出版社，1999
2 蔡爱华，季锦章．地铁信号系统的现状和发展趋势．电子工程师，2000，5 和环线的同步后的距离数据，实现列车的自动驾驶。
除了本文介绍的各种列车定位方法，还有其它各种列车定位技术，如采用雷达测速、测距的定位方法，采用计轴设备确定列车位置的技术，大铁路上还可以采用GPS、GMS－R等技术对列车进行定位，GSM－R是国际铁路联盟（UIC）和欧洲电信标准协会（ETSI）为欧洲新一代铁路开发的无线移动通信技术标准。随着计算机技术和通信技术的发展，相信将有越来越多技术含量更高的先进列车定位技术问世。
参考文献
2 蔡爱华，季锦章．地铁信号系统的现状和发展趋势．电子工程师，2000，5
工商网监
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