劉鹍鵬 付 琴

地鐵CBTC系統(tǒng)中，高精度的列車定位是系統(tǒng)安全高效運(yùn)行的保障。列車定位設(shè)備目前主要有軌道電路、信標(biāo)、雷達(dá)、GPS、里程計(jì)等。廣州地鐵6號(hào)線采用編碼里程計(jì)實(shí)時(shí)定位和信標(biāo)絕對(duì)物理位置坐標(biāo)校正相結(jié)合的列車定位方式，編碼里程計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)算列車位置信息，列車讀取到新的與線路數(shù)據(jù)庫匹配的信標(biāo)時(shí)，對(duì)其位置信息進(jìn)行修正。在站臺(tái)區(qū)域，為了提高列車停車精度，信標(biāo)布置較密，尤其在站臺(tái)兩端，信標(biāo)組間隔僅為1．8m，極易造成列車在連續(xù)讀取和處理相隔較近的信標(biāo)組時(shí)，出現(xiàn)丟點(diǎn)甚至干擾出錯(cuò)。本文在介紹6號(hào)線列車定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，主要論述站臺(tái)區(qū)域信標(biāo)組間隔設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致列車永久失位及車門自動(dòng)關(guān)閉故障，并提出解決問題的有效方案。

1 廣州地鐵6號(hào)線列車定位概述

1．1 編碼里程計(jì)工作原理

如圖1所示，脈沖發(fā)生器編碼盤與車軸的軸頸相連接，它可以激活一個(gè)或者若干個(gè)設(shè)置在編碼盤圓周上的光學(xué)傳感器。這些傳感器提供一個(gè)與速度成比例的頻率信號(hào) （所計(jì)算的齒數(shù)）。其中，3個(gè)傳感器 （C1、C2、C3）進(jìn)行速度測(cè)量和確定列車走行方向，1個(gè)傳感器 （C4）完成編碼任務(wù)。C1、C2和C3得到的齒數(shù)用以計(jì)算車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)；C4進(jìn)行編碼檢測(cè) （該編碼與車輪位置一一對(duì)應(yīng)）。通過比較所有測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性，ATP可以安全地計(jì)算列車的速度。如果一個(gè)齒損壞或未被任何傳感器檢測(cè)到，所數(shù)到的齒數(shù)將無法與車輪的位置編碼相對(duì)應(yīng)，則所測(cè)得的速度值無效。

列車的車頭和車尾各有1套相互冗余的車載控制器CC，每套CC對(duì)應(yīng)一個(gè)編碼里程計(jì)，為其提供列車速度信息。如果一個(gè)編碼里程計(jì)失效，列車將啟用另一端冗余的CC，并對(duì)應(yīng)另一端有效的編碼里程計(jì)。編碼里程計(jì)可以為ATP提供零速信息。當(dāng)工作端的編碼里程計(jì)檢測(cè)到列車停車，ATP同時(shí)將此零速信息與另一個(gè)編碼里程計(jì)及車輛提供的零速信息進(jìn)行比較，采用三取二的方式判斷列車是否停穩(wěn)。

圖1 編碼里程計(jì)工作原理圖

1．2 信標(biāo)工作原理

列車信標(biāo)天線與信標(biāo)的信息傳輸是基于磁耦合原理，在信標(biāo)內(nèi)部集成了發(fā)送環(huán)和接收環(huán)。當(dāng)列車信標(biāo)天線越過信標(biāo)時(shí)，將生成并捕獲磁場(chǎng)。歐式信標(biāo)只有被信標(biāo)天線激活時(shí)才工作，然后再按規(guī)定的數(shù)據(jù)率將信標(biāo)信息發(fā)給列車，該信號(hào)是一個(gè)FSK調(diào)制的射頻信號(hào)。歐式信標(biāo)是無源設(shè)備，無需額外供電，安裝于軌旁，列車讀取到信標(biāo)ID編號(hào)后，將與靜態(tài)線路數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，從而獲得該信標(biāo)的絕對(duì)物理坐標(biāo)信息，用以列車位置信息的修正。根據(jù)連接方式可被配置成有源信標(biāo)和無源信標(biāo)，2種配置的信標(biāo)在CBTC和后備模式都使用。在2種配置情況下，列車通過時(shí)信標(biāo)都會(huì)發(fā)送信標(biāo)標(biāo)識(shí)，CC使用該信息初始化、重新修正列車位置，以及校準(zhǔn)里程計(jì)；在后備模式下，與LEU連接的有源信標(biāo)，不僅傳輸用于列車定位的信標(biāo)ID標(biāo)識(shí)，還向CC傳送道岔、信號(hào)機(jī)以及安全防護(hù)區(qū)段狀態(tài)（通過編碼的方式實(shí)現(xiàn)，該編碼信息是LEU通過與聯(lián)鎖接口獲得）。

1．3 列車定位

廣州地鐵6號(hào)線列車讀取到新的與線路靜態(tài)數(shù)據(jù)庫匹配的信標(biāo)時(shí)，對(duì)其位置信息進(jìn)行修正。靜態(tài)數(shù)據(jù)庫是實(shí)現(xiàn)列車精確定位的關(guān)鍵，整個(gè)線路中的區(qū)段及奇點(diǎn)等信息，以鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系的方式存儲(chǔ)于靜態(tài)數(shù)據(jù)庫中，通過查找線路區(qū)段編號(hào)及本區(qū)段內(nèi)相對(duì)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)精確定位。

列車連續(xù)經(jīng)過2個(gè)信標(biāo)才能完成列車的初始化定位。第1個(gè)信標(biāo)用于確定列車位置信息，第2個(gè)信標(biāo)用于確定列車的運(yùn)行方向。初始化定位完成后，列車在經(jīng)過下一個(gè)信標(biāo)前，通過編碼里程計(jì)實(shí)現(xiàn)區(qū)段及坐標(biāo)信息的實(shí)時(shí)更新，直到經(jīng)過下一個(gè)信標(biāo)時(shí)，才進(jìn)行位置信息的校正。列車輪徑值是影響編碼里程計(jì)定位精度的關(guān)鍵參數(shù)，列車經(jīng)過一對(duì)列車運(yùn)行初始化信標(biāo)MTIB時(shí)，實(shí)現(xiàn)編碼里程計(jì)輪徑值精確校準(zhǔn) （MTIB由2個(gè)安裝在軌道的直線區(qū)域固定距離為21m的信標(biāo)組成）。

2 列車永久失位故障

2．1 故障概述

6號(hào)線列車在站臺(tái)兩端讀取和處理相隔1．8m的信標(biāo)組時(shí)，容易導(dǎo)致列車讀取端CC永久失位。車載顯示器DMI顯示列車永久失位，此時(shí)ATC仍可正常工作，但是該設(shè)備已丟失冗余性，即車載CC首尾冗余功能丟失，只有單端CC正常工作。發(fā)生列車永久失位故障時(shí)，故障端列車的虛擬區(qū)段計(jì)算及定位信息丟失，除非兩端同時(shí)重啟CC，否則無法恢復(fù)。

2．2 故障特點(diǎn)

6號(hào)線站臺(tái)信標(biāo)布置如圖2所示，通過對(duì)6號(hào)線列車永久失位故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析，發(fā)現(xiàn)如下特點(diǎn)。

1．列車永久失位都發(fā)生在列車進(jìn)站和出站過程中 （除部分編碼里程計(jì)硬件故障外）。

2．進(jìn)站過程中，全部為列車頭端定位信息出錯(cuò)，導(dǎo)致列車永久失位 （進(jìn)站時(shí)頭端CC需連續(xù)處理進(jìn)站端2個(gè)相距1．8m的信標(biāo)組）；出站過程中，全部為列車尾端定位信息出錯(cuò)，導(dǎo)致列車永久失位（出站時(shí)尾端CC需連續(xù)處理出站端2個(gè)相距1．8m的信標(biāo)組）。

3．列車永久失位故障都與列車讀取和處理站臺(tái)2個(gè)相距1．8m信標(biāo)組 （如圖2所示的信標(biāo)組A／B／C／D）的信標(biāo)ID號(hào)，及列車讀取該信標(biāo)時(shí)的位置信息 （反映列車讀取信標(biāo)時(shí)的位置，列車讀取到信標(biāo)時(shí)，會(huì)檢測(cè)該信標(biāo)ID是否為當(dāng)前位置應(yīng)該出現(xiàn)的信標(biāo)，且具有一定的偏差容許范圍，超出范圍時(shí)會(huì)永久失位，可防止車輪打滑和抱死狀態(tài)帶來的安全隱患）有關(guān)。

圖2 6號(hào)線站臺(tái)信標(biāo)布置示意圖

3 故障分析

列車永久失位故障是由于列車首尾冗余的CC其中一端定位信息出錯(cuò)導(dǎo)致的。與正常運(yùn)行列車數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，故障時(shí)列車編碼里程計(jì)計(jì)數(shù)及運(yùn)算正常，但ATP讀取的信標(biāo)ID號(hào)與列車讀取該信標(biāo)時(shí)的位置信息不匹配，ATP不再利用后續(xù)讀到的信標(biāo)進(jìn)行區(qū)段及位置坐標(biāo)信息的校正，且故障都發(fā)生在站臺(tái)兩端信標(biāo)組的位置校正時(shí)。結(jié)合6號(hào)線列車在站臺(tái)對(duì)標(biāo)停穩(wěn)后，由于受到前面信標(biāo)的干擾而導(dǎo)致車門自動(dòng)關(guān)閉的故障，所以將列車永久失位故障及車門自動(dòng)關(guān)閉故障，鎖定在信標(biāo)組間隔設(shè)計(jì)缺陷上。

故障案例1

表1為河沙站發(fā)生列車永久失位故障和該車正常運(yùn)行至河沙站的OMAP運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。從表1可以看出：在河沙上行進(jìn)站時(shí) （河沙站上行進(jìn)站端的BB1154和RB86間隔為1．8m），列車頭端讀取到如圖2所示信標(biāo)組A中的第1個(gè)有源信標(biāo)BB1154時(shí) （Previous DB id值為1154，表示 ATP讀到的定位信標(biāo)ID號(hào)），列車天線坐標(biāo)信息 （Antenna abscissa 值 為 14．485m，而 正 常 值 應(yīng) 為12．530m，此參數(shù)反映列車讀取信標(biāo)時(shí)，由編碼里程計(jì)實(shí)時(shí)計(jì)算的區(qū)段坐標(biāo)位置信息）卻與正常時(shí)信標(biāo)組中無源信標(biāo)RB86的位置坐標(biāo) （Antenna abscissa值為14．271m）相匹配，即出現(xiàn)讀取的定位信標(biāo)ID號(hào)與列車讀取該信標(biāo)時(shí)的位置信息不匹配。ATP在利用該信標(biāo)進(jìn)行定位校正時(shí) （Locupdt from DB變?yōu)門rue，True表示ATP用該信標(biāo)絕對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行位置信息校正；False表示ATP不進(jìn)行位置信息校正），檢測(cè)到列車是一種非正常的定位 （Incoherent loc means從False變?yōu)?True，TrainLocOnKwnPath從True變?yōu)镕alse），定位參考不可用 （LocConsideredAvai從True變?yōu)镕alse，定位參考信息正常時(shí)此值一直為True），虛擬區(qū)段信息丟失 （End1ext block變?yōu)?，河沙站正常時(shí)此值為182，表示列車所在虛擬區(qū)段號(hào)為182），丟失定位 （Loc available變?yōu)镕alse，定位正常時(shí)此值一直為True，丟定位時(shí)變?yōu)镕alse），且永久失位 （Loc permanent failure從 False變?yōu)?True，只有列車永久失位時(shí)此值才從False變?yōu)門rue），故障前后編碼里程計(jì)計(jì)數(shù)及測(cè)速等信息正常。

讀取故障時(shí)間ATO數(shù)據(jù)，列車永久失位故障發(fā)生時(shí)，列車故障端的安全定位信息丟失，而另一端安全定位信息正常，輸出給車載顯示屏DMI的ATC狀態(tài)為部分可用。故障后兩端信標(biāo)讀取正常，ATO會(huì)根據(jù)這些信標(biāo)ID信息進(jìn)行定位計(jì)算，但ATP卻不再采用故障后的信標(biāo)進(jìn)行定位校正及更新。故障案例2

表1 河沙站故障及正常時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)

表2所示為文化公園站發(fā)生列車永久失位故障前后，及該車正常運(yùn)行至文化公園站讀取到BB1109時(shí)的OMAP運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。從表2可以看出：在文化公園下行出站過程中 （文化公園站下行出站端的RB468和BB1109間隔為1．8m），列車尾端讀取到如圖2所示信標(biāo)組D中的第1個(gè)無源信標(biāo) RB468時(shí) （Previous DB id值為468），反映讀取該信標(biāo)時(shí)列車位置的天線坐標(biāo)信息Antenna abscissa值為14．407m，此時(shí)列車定位及坐標(biāo)信息正常進(jìn)行讀取和校正。但在下一數(shù)據(jù)幀，列車檢測(cè)到信標(biāo)并進(jìn)行定位校正時(shí)的位置為12．352m（為正常時(shí)BB1109匹配的位置信息），但讀取到的信標(biāo)ID號(hào)仍為468 （Previous DB id值仍為468），即出現(xiàn)ID號(hào)與列車讀取信標(biāo)時(shí)的位置信息不匹配情況，故ATP在利用信標(biāo)進(jìn)行定位校正時(shí) （Locupdt from DB變?yōu)門rue），檢測(cè)到是一種非正常的定位，定位參考不可用，虛擬區(qū)段信息丟失（End1ext block變?yōu)?），丟失定位 （Loc available變?yōu)镕alse），且永久失位 （Loc permanent failure從False變?yōu)門rue），故障前后編碼里程計(jì)計(jì)數(shù)及測(cè)速等信息正常。

表2 文化公園站故障前后及正常時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

以上2個(gè)案例是6號(hào)線列車永久失位故障共有的特性，故障的實(shí)質(zhì)是由于列車讀取信標(biāo)時(shí)，出現(xiàn)ID號(hào)與列車讀取信標(biāo)時(shí)的位置信息不匹配導(dǎo)致的，核查6號(hào)線其他非組合信標(biāo)，未發(fā)現(xiàn)這種不匹配現(xiàn)象，只有在站臺(tái)兩端信標(biāo)組才會(huì)出現(xiàn)此種情況。

故障案例3

6號(hào)線已發(fā)生幾次列車在站臺(tái)對(duì)標(biāo)停穩(wěn)車門打開后又自動(dòng)關(guān)閉的故障，存在較大的安全行車隱患。讀取故障數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，列車車門自動(dòng)關(guān)閉是由于列車停穩(wěn)開門后，在上下乘客過程中，有一端CC讀取到如圖2所示的間隔為1．8m信標(biāo)組中的前面一個(gè)信標(biāo)導(dǎo)致的。

列車停穩(wěn)開門后，在上下乘客過程中，列車突然讀取到前面一個(gè)信標(biāo)。ATP在讀取到前方信標(biāo)ID時(shí)，檢測(cè)到編碼里程計(jì)計(jì)數(shù)Cog count未發(fā)生變化，所以ATP未用該信標(biāo)進(jìn)行定位 （Locupdt from DB為False），列車位置信息不變。但ATO利用該信標(biāo)進(jìn)行列車坐標(biāo)信息的更新，CC觸發(fā)保護(hù)性緊急制動(dòng)，導(dǎo)致車門使能丟失，車門自動(dòng)關(guān)閉。查看ATO運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，列車對(duì)標(biāo)停穩(wěn)后沖標(biāo)0．14m，由此可見，列車距前面信標(biāo)0．76m的位置就已經(jīng)能夠激活信標(biāo)，并讀取其ID號(hào) （零標(biāo)時(shí)信標(biāo)天線正好在信標(biāo)組中間位置處，即距前面信標(biāo)僅為0．90m），即信標(biāo)與車載天線的水平有效作用距離范圍，至少可以達(dá)到0．76m左右。

此故障與列車永久失位故障的不同之處在于ATP未用檢測(cè)到的信標(biāo)進(jìn)行定位，定位信標(biāo)的ID號(hào)與其絕對(duì)位置坐標(biāo)信息匹配，故未出現(xiàn)列車永久失位；相同之處在于兩者均受站臺(tái)兩端相距1．8m的信標(biāo)組合影響，在讀取和處理信標(biāo)上出現(xiàn)異常。

由于受制作工藝的制約，信標(biāo)及車載天線除了理想的主瓣區(qū)以外，不可避免地存在旁瓣區(qū)及串?dāng)_區(qū)。當(dāng)2個(gè)相鄰的信標(biāo)安裝間隔小于車載天線與信標(biāo)天線的旁瓣區(qū)，及串?dāng)_區(qū)有效作用范圍之和時(shí)，由于天線作為一個(gè)感性元件，場(chǎng)的建立與消失不可能瞬時(shí)發(fā)生，而是隨著時(shí)間的推移逐漸建立和消失的，所以列車以高速運(yùn)行于2個(gè)信標(biāo)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)出現(xiàn)車載天線雖然脫離前一個(gè)信標(biāo)場(chǎng)的作用范圍，但其產(chǎn)生的電磁場(chǎng)并未完全消失，下一個(gè)信標(biāo)已接收到其發(fā)生的功率微波而被激活的情況。故若安裝間隔過近，很容易造成2個(gè)信標(biāo)旁瓣區(qū)及串?dāng)_區(qū)之間的干擾，導(dǎo)致ATP解碼錯(cuò)誤或延時(shí)。

如圖3所示，如果信標(biāo)組的場(chǎng)強(qiáng)輻射范圍存在一定的交叉 （間距D越小，交叉區(qū)域越大），列車可能會(huì)在交叉區(qū)域同時(shí)激活2個(gè)信標(biāo)，會(huì)同時(shí)向列車發(fā)送報(bào)文信息，列車讀取和處理信標(biāo)信息時(shí)，會(huì)出現(xiàn)干擾甚至出錯(cuò)。

圖3 信標(biāo)場(chǎng)強(qiáng)輻射范圍示意圖

4 測(cè)試論證

1．將站臺(tái)的BB5204拆除，將RB736拆除后安裝于原BB5204的位置處 （BB5204和RB736為試車線站臺(tái)一端的間隔為1．8m的的信標(biāo)組）。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，列車檢測(cè)到讀取信標(biāo)時(shí)，列車的位置與信標(biāo)ID號(hào)不匹配會(huì)永久失位 （列車一讀取到RB736就永久失位），與6號(hào)線列車永久失位故障現(xiàn)象一致。

2．將站臺(tái)相距1．8m的有源信標(biāo)BB5204和無源信標(biāo)RB736間隔挪動(dòng)至154cm （即2個(gè)信標(biāo)在容許誤差范圍內(nèi)同時(shí)向中間偏移13cm），列車經(jīng)過信標(biāo)組時(shí)發(fā)生列車永久失位故障，且與正線故障現(xiàn)象一致。但若拆除其中任何一個(gè)后，不會(huì)發(fā)生列車永久失位故障 （充分說明信標(biāo)組間隔安裝過小，會(huì)造成信標(biāo)讀取時(shí)發(fā)生干擾）。

5 整改措施方案

信標(biāo)絕對(duì)位置信息在開通前，已通過激光定測(cè)及軌道數(shù)據(jù)校核，定義在靜態(tài)數(shù)據(jù)庫中。信標(biāo)有一定的容許誤差，如果讀取信標(biāo)時(shí)，列車位置超過了容許誤差，列車將永久失位，故信標(biāo)的位置不能隨便移動(dòng) （移動(dòng)后必須同時(shí)更改線路靜態(tài)數(shù)據(jù)庫及車載控制軟件。在已開通運(yùn)營的情況下，同時(shí)調(diào)整軌旁設(shè)備及升級(jí)車載運(yùn)營軟件工程量及潛在的風(fēng)險(xiǎn)較大）。根據(jù)列車永久失位及車門自動(dòng)關(guān)閉故障特點(diǎn)，采用屏蔽處理的方法，將圖3所示的信標(biāo)組間場(chǎng)強(qiáng)輻射交叉范圍減小到如圖4所示的情況，即減小信標(biāo)讀取及處理的有效作用窗口 （盡可能消除信標(biāo)的旁瓣區(qū)和串?dāng)_區(qū)，但不影響信標(biāo)主瓣區(qū)信息的正常傳輸），防止連續(xù)處理信標(biāo)信息時(shí)，因間隔設(shè)置問題導(dǎo)致的干擾。

圖4 屏蔽處理措施示意圖

6 屏蔽方案論證

采用上述屏蔽策略后，將試車線站臺(tái)相距1．8m的有源信標(biāo)BB5204和無源信標(biāo)RB736間隔挪動(dòng)至154cm，不會(huì)發(fā)生列車永久失位 （且屏蔽后信標(biāo)組的ID信息讀取正常，即屏蔽不影響信標(biāo)的讀取及定位功能，只是將信標(biāo)的旁瓣區(qū)及串?dāng)_區(qū)作業(yè)窗口有效減小，從而避免2個(gè)信標(biāo)間隔較近時(shí)發(fā)生信息串?dāng)_）。

6號(hào)線河沙站采用上述屏蔽處理策略后，徹底解決了該站列車永久失位故障和車門自動(dòng)關(guān)閉故障。經(jīng)讀取40輛列車運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行核查，發(fā)現(xiàn)所有列車能夠正常讀取BB1154和RB86，且列車位置坐標(biāo)信息更新正常，即屏蔽處理對(duì)信標(biāo)信息的正常讀取不會(huì)產(chǎn)生任何影響。

綜上所述，采用屏蔽策略能有效減小信標(biāo)旁瓣區(qū)及串?dāng)_區(qū)的作用范圍，且對(duì)主瓣區(qū)信標(biāo)信息的讀取無任何影響。故在不影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的情況下，采取屏蔽措施能有效解決6號(hào)線因站臺(tái)兩端信標(biāo)組間隔設(shè)置缺陷，造成的車門自動(dòng)關(guān)閉和列車永久失控故障。

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