CBTC下的列车定位不确定性影响因素分析

徐纪康

(上海工程技术大学城市轨道交通学院)

在CBTC系统中，列车位置的确定，是列车自动控制的基础。对列车定位的精确性，会直接影响列车运行的性能。因此，本文首先分析了列车定位的原理，然后采用故障树分析法分析影响列车定位的因素，并建立相关的列车定位故障树模型，最后说明该模型的作用以及为进一步的研究做好准备。

1 列车定位的原理分析

1.1 概述

在城市轨道交通的CBTC信号系统中，列车的定位，即确定列车的位置，主要依赖于速度传感器获取列车的即时速度值，然后采用积分的方法来获取列车的运行距离。同时，由于采用速度传感器的方法获取的是列车相对的运行距离，也存在累计的误差，所以，还需要采用定位信标来计算列车的绝对位置以及校准其累计误差。

1.2 速度传感器的定位原理分析

速度传感器一般安装在车辆的非驱动轴上。通过采集脉冲信号来获取车轮的转动角度，然后根据以下公式来确定列车的运行距离

其中，S为列车的运行距离;φ为车轮的直径;N为一定时间内采集到的脉冲数;M为车轮转一周采集到的标准脉冲数。

通过速度传感器获取的列车运行距离，只是相对的列车位移大小，并没有确定列车在线路轨道上的具体位置。因此，单独依靠速度传感器来定位是不够的。所以，很多的信号供应商采用信标来辅助完成列车的定位功能。

1.3 定位信标的定位原理分析

信标是一种基于电磁耦合原理而构成的高速点式数据传输设备，在特定地点实现地面给车载发送一些数据信息。

图1 信标定位工作原理

如图1所示，车载计算机通过应答查询器获取列车所经过的信标ID值。然后，车载计算机根据ID值去线路数据库中查询相对应的信标安装位置，从而来确定列车在线路上的绝对位置。

2 影响列车定位的因素分析

2.1 故障树分析法介绍

故障树分析法(Fault tree analysis，FTA)由美国贝尔电话室的H.A.Walson首先提出，它是一种系统可靠性的分析方法。利用故障树，可以寻找潜在故障或者进行故障诊断，还可以进一步分析预测系统故障发生的概率。

故障树以图形化的方式表示了一个系统内故障或者其他事件之间的交互关系。在故障树中，底事件通过一些逻辑符号(如与门和或门)连接到一个或多个顶事件。顶事件一般指危机系统的事件或者是不希望发生的系统故障。底事件通常指部件故障或者是人员的错误操作。

故障分析法的基本步骤如下。

(1)定义系统和系统故障;

(2)建立故障树;

(3)进行定性或者定量分析。

本文采用故障树分析法主要是分析影响列车定位不确定性的影响因素，所以暂且不考虑关于列车定位不确定性的定量分析。

2.2 故障树分析法分析列车位置不确定性因素

通过以上对列车定位原理的分析，可以说明，列车定位不确定性的影响因素主要由信标和速度传感器的误差导致的问题，如图2所示。

图2 列车位置不确定性的影响因素

根据故障树分析法的原理，需要分别对信标读取和检测延时误差，以及速度传感器的测量误差分别进行细化到每项具体的内容，从而分析清楚各种底层的影响因素。

(1)信标的窗口误差。

由于在一定的空间范围内，列车都能通过电磁耦合过程来读取信标的信息，如图3所示。所以，列车的应答查询器只要在一定的信标窗口范围内，都能读到该信标。

所以，该信标的读取窗口范围影响了列车的位置不确定性值。具体的信标窗口范围的值大小，主要由信标的硬件特性以及信标的安装来决定的。

图3 获取信标的窗口范围

(2)信标的检测延时误差。

在1.3的描述中，通过对于列车获取信标信息的原理，可以得到，当车载安全计算机获取信标信息的时候，存在一定的延时，具体的延时由以下两部分组成。

①应答查询器获取信标信息的延时，t应答器延时。

②车载安全计算机获取应答查询器发送过来的信标信息延时，t安全计算机延时。

因此，信标检测误差产生的位置不确定性值计算公式如下

其中，Pdistance为由于延时产生的位置不确定性值;Vtrain为列车在检测到信标时的实际速度。

因此，通过分析可以得到信标读取和检测误差对列车位置不确定性的故障树模型。

(3)速度传感器测量误差。

根据上述对于速度传感器定位的原理分析，影响速度传感器计算列车运行距离的因素主要有列车的轮径值误差以及速度传感器采集脉冲信号的误差。

2.3 影响列车定位不确定性的故障树模型建立

综上所述，建立CBTC系统下的列车定位不确定性的故障树模型，如图4所示。通过该模型，可以清晰得认识到，影响列车定位不确定性的主要因素，以及这些因素之间的关系。

图4 列车定位不确定性的影响因素故障树模型

3 结论

(1)通过对列车定位的原理分析，提出了影响列车定位确定的各种因素。

(2)采用故障树分析的方法，确定影响列车定位不确定性的因素相互之间的关系，为进一步进行定量的分析提供参考。

(3)通过分析列车定位不确定的影响因素，为下一步建立CBTC系统下的列车定位不确定性的数学模型作好准备工作。

:

［1］徐金祥.城市轨道交通列车运行自动控制技术［M］.2012.

［2］韩小涛，尹项根，张哲.故障分析法在变电站通信系统可靠性分析中应用［J］.电网技术，2004，28(1):56-59.