郑州市轨道交通1号线一期工程列车辅助定位技术研究

田华军 马子彦 陈 琦

(郑州市轨道交通有限公司,450000∥第一作者，高级工程师)



郑州市轨道交通1号线一期工程列车辅助定位技术研究

田华军 马子彦 陈 琦

(郑州市轨道交通有限公司,450000∥第一作者，高级工程师)

在分析上海轨道交通10号线“9·27”事故发生原因的基础上,提出在非正常情况下利用现有机电设备为行车调度指挥人员准确提供列车实际位置(列车辅助定位)的方案,以及实现该方案的关键技术，包括接口方式、传输方式、图形显示方式等。列车辅助定位技术已在郑州市轨道交通1号线上实施,以确保在信号系统发生故障后采用电话闭塞模式时的行车安全。

城市轨道交通； 行车指挥系统； 列车辅助定位

Author′s address Zhengzhou Rail Transit Co.,Ltd.,450000,Zhengzhou,China

2011年9月27日，上海轨道交通10号线发生两车追尾事故。其原因为：10号线信号故障后全线

改为电话闭塞模式，由调度员人工指挥行车,在指挥行车过程中，行车调度员在未准确定位故障区间内全部列车位置的情况下,违规发布电话闭塞命令,致使10号线1005号列车与1016号列车发生追尾碰撞。

对上海轨道交通10号线事故发生原因的分析可知,目前的地铁行车指挥系统中,在信号系统故障后,没有其他手段来准确地为行车调度指挥人员提供当前线路所有列车的准确位置，当信号系统发生故障后采用电话闭塞行车时,调度人员需要与在线所有列车的司机确认列车位置并指挥其行车,这势必给调度人员增加大量纷繁复杂的工作，且容易造成遗漏或疏忽。如何在信号系统故障下，准确清晰地为调度指挥人员反映当前所有列车准确位置(即列车辅助定位功能),保证地铁行车安全，已经成为研究的重要方向之一,尤其是在不增加新设备新接口的情况下,仅利用现有信号、通信等机电设备实现列车辅助定位功能，意义更为重大。

地铁机电设备系统纷繁复杂,包含种类很多，涉及到行车指挥的系统包括通信、信号、供电及车辆等。其中,信号系统可自动指挥所有列车有秩序、有计划的行驶和停止,能完成自动驾驶、自动开关车门和屏蔽门、自动安全防护等功能,其车载子系统与轨旁子系统均清晰掌握所有在线列车的位置信息；通信系统主要承担调度指挥人员与列车司机的无线通话业务。本研究的主要目的，就是当行车指挥系统尤其是信号系统出现故障，需改为电话闭塞模式指挥行车时,借助现有的机电设备将列车位置信息实时显示在控制中心的某个设备上,使得行车调度指挥人员能清晰掌握各列车实际位置,从而实现列车辅助定位功能,确保行车指挥工作安全可控。

1 设计方案

结合即将开通的郑州市轨道交通1号线一期工程,郑州市轨道交通有限公司组织相关系统集成商进行了多次技术准备及研讨,在此基础上形成了最终设计方案,并在实际工程中得到了应用。

1.1 设计思路

在郑州市轨道交通1号线一期工程车辆及机电设备系统接口中,信号系统车载子系统与车辆牵引控制系统有接口,车辆牵引控制系统与通信系统车载子系统也有接口(见图1)。其中,信号系统发送至牵引控制系统的与车辆位置信息有关的报文包括:上下行信息、车次号、下一站的ID、到下一站距离、车组号、车次号、司机号、上下行信息、当前车站等。

因此,可利用信号系统与牵引系统、牵引系统与通信系统的接口,将上述相关信息从信号系统车载子系统逐层转发至控制中心通信系统CAD(计算机辅助设计)调度系统服务器,由CAD调度服务器解析数据包的列车位置信息并分发至各无线调度台,最终呈现给行车调度。数据信息详细转发流程如图2所示。

图1 郑州市轨道交通1号线一期工程车辆及机电设备系统接口示意

图2 辅助列车定位信息传递流程图

1.2 接口设计

列车辅助定位功能的设计原则为：最大程度利用现有接口,尽量减少新增接线。本着这个设计原则,在原系统设计方案基础上,对接口设计做了如下变动(见表1)，以实现列车辅助定位功能。其中，信号车载子系统与牵引系统的接口由信号车载控制器(CC)及牵引列车管理系统(TMS)通过RS485接口连接实现(见图3)。其采用半双工通信机制,以CC为主进行主从式数据交换,只有CC设备能够发起一个请求,同时TMS应答以确认收到请求。牵引系统与车载PIS设备间的接口保持原有MVB(车辆通信网络)接口不变。车载PIS设备与通信系统地面PIS车载设备的接口在原有设计基础上,单独为列车辅助定位功能增加一根网线,以网络通信的方式完成数据交换。通信系统地面PIS车载设备与通信系统无线车载台原本没有接口,但均留有备用串口,因此在每列车上增加串口数据线连接地面PIS车载设备与无线车载台。由于每列车有车头和车尾2个无线车载台,为了辅助定位功能的可靠性,将2个车载台都与地面PIS车载设备连接,地面PIS车载设备可同时向2个无线车载台转发车载信号设备信息,无线系统选择其中1个车载台接收上述信息。

表1 接口设计变动

图3 信号与车辆接口示意图

2 主要设备

(1) CAD调度服务器。利用系统提供的数据传输服务与通信无线车载台实现数据传输,并根据需要把所接收到的车载信号车辆位置信息转发至各调度台，是车辆位置信息传输的关键设备。CAD调度服务器采用机架式服务器硬件,其上运行定制研发的CAD调度服务器软件。CAD调度服务器软件具有友好的用户操作界面,允许用户查看系统内车辆位置信息数据传输活动。

(2) 通信无线车载台：由主机、控制盒、天线、馈线等组成(见图4),在主机和控制盒上设计有各种外部接口，以连接到外部系统设备。其中,控制盒上的RS232接口专门用来连接地面PIS车载设备。无线车载台控制盒能够提供操作、显示界面,运行期间,用户可通过操控该设备调用各种用户功能。

图4 车载台连接图

3 关键技术

3.1 信息传输与控制策略

车载信号车辆位置信息的信源是车载信号设备,信宿是控制中心专用无线系统CAD调度服务器和调度台,通信车载台在接收、解析该类信息后将其转发给CAD调度服务器,由后者在系统内部实现信息共享,分发给相应的调度台等设备。

地面PIS车载设备提供给通信无线车载台设备的车载信号车辆位置信息是一种高精度、周期性实时更新的信息流。为了丰富调度指挥者指挥行车的手段,可将车辆位置信息区分为高精度列车位置信息和低精度列车位置信息。

高精度列车位置信息完全复制车载信号设备信息,包括上下行信息、下一车站ID、至下一车站距离。在特定紧急情况下(控制中心信号ATS(列车自动监控)人机界面故障),该信息可用来反映准确的定位列车位置,实现列车辅助定位功能。

对于高精度列车位置信息,将采用以下传输与控制策略:必须由控制中心调度用户或列车司机手动操作触发信息上报,每次触发操作仅上报一次信息,上报完成之后将自动关闭信息上报,直至接收到下一个上报控制指令；控制中心调度用户可同时触发多个列车车载台进行位置信息上报；高精度列车位置信息传输与控制中心侧无线系统和信号系统接口状态无关。高精度列车位置信息将以图文方式在调度台软件界面上呈现给用户。

低精度列车位置信息是由车载信号车辆位置信息转换而来的信息,包括上下行信息、当前车站信息。当控制中心专用无线系统与信号系统之间接口故障时,该信息可用来辅助调度席位分配、释放列车资源,完成界面列车位置信息更新。

与高精度列车位置信息传输和控制策略相比,低精度列车位置信息传输和控制策略的最大不同是每次触发操作将打开信息上报状态,直至车载台接收到手动关闭控制指令,在此期间如果检查到信息变化时持续上报信息包。低精度列车位置信息传输与控制中心侧无线系统和信号系统接口状态相关,仅当无线系统与信号系统接口故障时,才能启动低精度列车位置信息传输。这样能够有效防止无线系统从两个接口接收到不一致的位置信息造成调度混乱。低精度列车位置信息将以列表方式在调度台软件界面上呈现给用户。

3.2 传输特殊处理

通信车载台在进行车载信号车辆位置信息传输时,需要采用以下特殊处理措施:

(1) 通信车载台一直接收地面PIS车载设备提供的数据信息,但仅在接收到控制指令时才会开始、停止列车位置信息上传,控制中心调度用户和列车司机可通过手动操作对该车载台发出控制指令。

(2) 控制中心CAD调度服务器仅在中心信号链路故障的情况下才会启动低精度列车位置信息传输,无线系统CAD调度系统将以这些车载信号设备信息辅助列车运营调度。

(3) 为节省无线通道资源,车载台并不是直接复制信号设备数据包,而是对这些信息进行一定的整合、变换后再转发给CAD调度服务器。

(4) 即使通信车载台从地面PIS车载设备接收到的信息发生了改变,但只要列车位置信息没有发生改变,则通信车载台不会上传该变换结果——列车在正线上运行时,如果不跨站不折返,其低精度列车位置信息将不会改变。

3.3 图形化显示界面

由车载信号系统传递的车辆位置信息最终通过放置在控制中心的无线调度台以图形/列表界面显示出来。高精度列车位置信息以图形界面方式显示,主要内容为线路站型、列车位置及车体号等,其中列车位置信息可根据列车实际位置动态更新并区分出当前列车是在区间还是在站台。同时为便于查看,增加了仅显示上行列车、仅显示下行列车及显示全部列车等按钮。高精度列车位置信息显示界面如图5所示。

低精度列车位置信息以文字方式显示,内容为当前列车位置、司机号、车体号、车组号及上下行等(见图6)。此界面不能显示精确位置,仅能显示列车靠近的站台名称。

4 优点

列车辅助定位技术的作用是在行车指挥系统故障后辅助调度人员指挥行车,其增加了调度人员对线路列车分布情况的了解程度,丰富了调度人员指挥行车的手段,提高了行车指挥的安全性。

图6 行车调度台低精度列车位置界面示意图

列车辅助定位技术没有增加任何新的机电设备,仅借助现有的信号、牵引控制和通信车载，以及地面、控制中心设备,通过现有的有线及无线通信网络实现。其传输信息简单,车地通信量小,且没有借用信号系统的车地通信网络,因此不会引起信号系统的车地通信故障,没有增加危害行车的因素。

列车辅助定位技术仅在无线车载台上显示列车位置信息,显示信息量小,不会影响正常行车指挥时调度人员的工作。

5 结语

郑州市轨道交通1号线一期工程自2013年底开通以来,车辆、信号、通信系统工作状态稳定,运营平稳有序,其中列车辅助定位功能的实现,为我国城市轨道交通的首例。该技术的应用，体现了城市轨道交通行车指挥技术的创新与优化,为行车指挥提供了更全面的安全保障措施,具有很好的现实意义及推广价值。

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[5] 李凯.青藏线列车卫星定位系统技术方案研究[J].铁道通信信号,2003,39(4):18.

Application of Auxiliary Positioning Technology on the First-stage Project of Zhengzhou Rail Transit Line 1

TIAN Huajun, MA Ziyan, CHEN Qi

With an analysis of the 9.27 accident of Shanghai rail transit Line 10, a train auxiliary positioning plan is proposed, which could provide accurate location of tain by taking advantages of the existing electro-mechanical equipment for traffic dispatching and commanding officers in abnormal conditions. Meanwhile, the corresponding key technologies for the implementation of the scheme are also described, including interface mode, transmission mode and graphics display mode. The train auxiliary positioning technology has been implemented on Zhengzhou rail transit Line 1, aiming to ensure the safety and controllability of train dispatching by using telephone blocking mode in signal failures.

urban rail transit; dispatching and commanding; train auxiliary positioning

U29-39

10.16037/j.1007-869x.2016.04.005

2014-05-06)