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摘 要： 摘 要 在分析城市軌道交通列車傳統定位方法的基礎上，提出了一種基于無線感應編碼電纜的高精度定位系統的設計方案，能實現對城市軌道交通列車的高精度定位和測速。闡述了該定位系統實現的原理，介紹了其系統結構構成，分析了各子系統的功能和工作內容，并以試驗線為例
摘 要 在分析城市軌道交通列車傳統定位方法的基礎上，提出了一種基于無線感應編碼電纜的高精度定位系統的設計方案，能實現對城市軌道交通列車的高精度定位和測速。闡述了該定位系統實現的原理，介紹了其系統結構構成，分析了各子系統的功能和工作內容，并以試驗線為例設計了一套高精度列車定位系統。試驗線應用結果顯示，該高精度定位系統具有可行性和可靠性。
關鍵詞 城市軌道交通; 列車定位; 無線感應; 編碼電纜
城市軌道交通列車測速定位系統為列車牽引、列車制動、運行控制和安全防護提供速度與位置信號。測速定位系統所提供信號的準確性與可靠性是列車安全、穩定、可靠運行的保障和必要條件。此外，列車的便捷性與舒適性需求越來越高，對列車測速定位技術的精度和實時性也提出了更高的要求。
為滿足測速定位系統的功能和性能要求，需要深入研究與分析現有的傳統列車測速定位技術，并在此基礎上提出符合實際需求的高精度列車測速定位系統方案。
1 傳統的輪軌定位技術
列車的輪軌存在接觸。在車輪與鋼軌接觸運轉的過程中，測速電機將機械轉速值轉換為電壓信號，并根據其輸出的電壓脈沖計算出列車的實時運行速度。這樣，以較短的時間周期不間斷刷新來獲取列車實時運行速度數據，并對其作積分處理，從而獲取列車運行距離，進而推斷出列車與鋼軌的相對位移。這就是傳統的輪軌定位系統工作原理。
在傳統的輪軌定位系統中，根據測速電機測速轉換出的列車位移信息，僅能判斷列車行進過的相對位移( 即相對位置) 。
事實上，傳統輪軌系統借助于測速電機實現列車定位的方式也存在一定的缺陷: 一方面，車輪直徑在最小磨損偏離為 770 mm、最大磨損偏離為 840 mm 的標準前提下，通過積分計算的相對位移必然存在誤差; 另一方面，在車輪發生空轉或打滑的情形下，列車的定位也會產生偏差。
除此之外，還有 GPS( 全球定位系統) 定位、無線擴頻定位、漏泄波導管定位等常用的定位技術。相對這些技術，編碼電纜無線感應定位技術更加精確可靠。
2 編碼電纜無線感應定位技術
2.1 工作原理
如圖 1 所示，本文以 4 個地址的地址編碼定位檢測系統為例，來描述車載位置檢測方式。
如圖 2 所示，軌旁地面載波發射器采用同頻率分時的方式，將信號發送給編碼電纜標準線 R、交叉線 G0、交叉線 G1、交叉線 G2 及交叉線 G3。由于交叉線中存在電磁場，故當列車在交叉線纜上方行駛通過時，列車上的車載天線就會感應出耦合電磁場。通過這種電磁耦合感應的方式，地址信號被傳送到列車車載天線。列車上負責接收信號的地址編碼接收器，將接收到的信號與標準線信號進行比較。如果兩者相位相同，則定義地址為“0”; 如果兩者相位相反，則定義地址為“1”。
圖 2 反映了地址選擇原理。根據圖 2 b) ，以地址 A2 為例，A2 中 G3、G2 及 G1 交叉線的信號相位同標準線 R 相同，交叉線 G0 的信號相位與標準線R 的信號相位相反，因此地址 A2 為“0001”，同理，地 址 A1 - A8 的 地 址 分 別 為“0000”、“0001 ”、 “0011”、“0010”、“1010”、“1011”、“1001”、“1000” ( 如表 1 所示) 。
在實現對特定長度區間內移動體定位的編碼感應電纜中，其地址環線的典型設計是: G0 存在 21 -1 = 1個交叉點，其在該定位長度區間內共有 21 = 2 個環; G1 存在 22 -1 = 3 個交叉點，其在該定位長度區間內共有 22 = 4 個環; G2 存在 23 -1 = 7 個交叉點，其在該定位長度區間內共有 23 = 8 個環，……如此類推。故而，如果 1 組編碼感應電纜共有 n 位地址環線，則其地址環線 Gn 的設計則應該存在 2n-1-1 個交叉點，其在能實現移動體定位的長度區間內共有 2n-1 個環。
2.2 定位系統布置方案
編碼電纜的定位精度取決于其最小步長 W，且 W 的大小與定位精度成反比。受限于工程實際情況，W 無法做到特別小，其影響因素有天線箱制造尺寸存在誤差、城市軌道交通列車運行過程中存在擺動現象、磁場分布不均勻性及環境干擾等。如果 W 取值過于小，則會減小電磁感應面積，進而會降低地址檢測的信噪比，使地址的信號不穩定，讀取地址出現偏差。根據工程經驗，W 取 200.0 mm 時的效果較好。
W 取值與定位精度要求有關，電纜長度同編碼電纜芯線的數量和 W 有關。具體關系為: 絕對定位精度 μ = W/2，編碼電纜長度 L = 2nμ( n 為編碼電纜芯線的數量) 。由此可知，當 W = 200.0 mm 時，μ = 100.0 mm。如果編碼電纜地址線為 10 對( G0-G9) ，則當 W= 200.0 mm 時，L = 102.4 m。
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地址交叉線 G0 步長 200 mm，在 100 mm 開始交叉; G1 步長為 400.0 mm，在 200.0 mm 開始交叉; G2 步長為 800.0 mm，在 400.0 mm 開始交叉，…; G9 步長為 102.4 m，在 51.2 m 交叉一次。
3 定位系統設計
根據電磁感應原理而設計的基于編碼電纜無線感應技術城市軌道交通高精度列車定位系統( 以下簡為“高精度定位系統”) 總體結構圖如圖 3 所示。整個定位系統分為列車定位車載子系統、列車定位軌旁子系統及列車無線通信子系統三部分。
3.1 列車定位車載子系統
列車定位車載子系統具體包括車載天線、地址編碼接收器、絕對位置解析器及列車定位車載控制器。
車載天線負責檢測編碼電纜中的電磁感應信號，將電磁感應信號發送給地址編碼接收器。地址編碼接收器負責根據收到的電磁耦合信號、已感應到的標準線基準信號，依次確定每個地址交叉線中感應信號的值，從而形成本次讀信號周期獲得的絕對地址編碼。絕對地址解析器負責根據接收到的地址編碼，通過計算方法或者數據庫查詢方法，唯一地解析出地址編碼對應的線路位置信息。列車位置信息和檢測時間，作為列車速度和位置控制器的處理參數，被用來確定列車當前位置、列車運行速度和列車運行方向。
3.2 列車定位軌旁子系統
列車定位軌旁子系統包括列車定位地面控制器、地面載波發射器、編碼電纜等。
假設編碼電纜中的地址交叉線為 10 根，則每段編碼電纜覆蓋范圍最大為 102.4 m。在工程應用中，需要將線路軌道劃分為多個區段。每個區段長度不超過 102.4 m，且每個區段配置 1 個地面載波發射器。合理布設的地面載波發射器是整個線路的列車定位軌旁子系統的主要組成部分。列車定位地面控制器負責實現地面載波發射器的工作分配和調度。
3.3 列車定位無線通信子系統
列車定位無線通信子系統包括車載通信控制器、車載天線基站、地面固定基站、地面通信控制器等。
在實際應用中，只有存在列車的線路區段，才需要地面載波發射器發送載波信號。因此，需要哪個地面載波發射器進入工作，是由列車定位地面控制器實現控制的。這就要求列車在運行過程中，需將檢測到的自身定位信息通過車地定位無線通信子系統發送給地面控制器。
在實際工程應用中，列車定位無線通信子系統可借助于傳統的無線通信技術來實現。
4 高精度定位系統的應用
本節以某試驗線為例，設計 1 套基于編碼電纜無線感應技術的高精度列車定位系統。該試驗線全長 1.226 km。
由圖 4 可見，對于試驗線的地面站而言，每個地面站負責管理 4 組編碼感應電纜，故每個地面站的轄區長度為 409.6 m。據此，整個試驗線能被分為 3 個地面站，且地面站與地面站之間的編碼感應電纜沒有物理連接。因此，車載地址信息探測系統既要讀取編碼電纜的地址碼，還要獲取地面站的站碼及其轄區內編碼感應電纜組的編碼，從而實現對列車絕對位置信息的準確獲取。
該高精度定位系統雖提高了列車的定位精度，卻增加了設備的數量，也增加了維護工作量，增加了費用支出。為解決這些問題，可在定位精度要求高的區段，按高精度定位系統要求布置軌旁設備; 在區間運行速度較高且定位精度要求低的區段，降低編碼電纜的密度，降低定位精度，以減少軌旁設備，從而實現整體的優化。
5 結語
針對傳統城市軌道交通列車定位系統的不足，本文基于編碼電纜的地址交叉線無線感應技術，設計了適用于城市軌道交通列車的高精度定位系統。該定位系統可實現對全線路列車的精確定位，完全能夠替代既有的軌道電路+應答器等定位方式。
由于定位信號采用無線感應的非接觸工作方式，故沒有機械接觸磨損。其所采用的編碼電纜以格雷碼方式交叉鉸鏈排列，可保證編碼電纜芯線全稱無重疊的交叉點，能夠準確地檢測到列車在全線路范圍內的絕對地址，其檢測精度可達 10 cm，甚至更高，能滿足城市軌道交通列車精確定位的需求。
由于編碼電纜采用特有的交叉扭絞結構及相位檢測技術，能夠消除供電電源開關過程中的電磁干擾，受環境噪音和接收信號電平波動影響小，能在室外的惡劣環境下可靠工作。——論文作者：田 斌
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