基于PIS网络的城轨列车辅助定位系统设计与实现

2023-01-04胡勇健刘明亮马子彦郑俊锋

都市快轨交通 2022年5期

胡勇健，刘明亮，马子彦，郑俊锋

（1. 合肥市轨道交通集团有限公司，合肥 230601；2. 上海工程技术大学，上海 201620）

地铁信号系统作为城市轨道交通控制网络的中枢神经，是实现列车运行控制、安全防护及监视追踪的重要组成部分，是保障轨道交通运行安全与效率的核心控制系统[1]。尽管其可靠性与可用性很高，但作为一个机电设备组成的系统，故障在所难免[2]。在轨道交通列车信号系统失效时，即列车控制系统、信号车地无线通信网络、信号车载设备、联锁设备等功能失效的情况下，现行的轨道交通行车调度指挥系统将转入后备模式或电话闭塞法指挥行车[3]。电话闭塞法行车是一种完全依赖人工调度的行车组织方法，对行车调度的心理、技能、职业素养及经验等要求都比较高。当前，我国城市轨道交通发展迅猛，人才培养及管理难以跟上，企业员工素质参差不齐，这些更增加了城市轨道交通在办理电话闭塞法行车时发生事故的风险。

1 需求分析

列车定位信息是列车信号系统中的重要参数之一[4]。以信号系统失效时，调度人员无法准确定位列车位置，调度人员“看不到”列车的位置及数量[5]，这给列车运行带来极大的安全风险。在这种情况下，目前是依赖行车调度的人工指挥能力。但是，行车调度需第一时间确定列车位置和在线列车数量，效率低下，且在指挥行车过程中列车位置“不可见”，也同样给其带来极大困难和安全隐患。如国内某地铁“9·27”追尾、高铁“7·23”撞车等特大事故，总体上都与信号系统失效有关。研发基于PIS(passenger information system，乘客信息系统)网络的城市轨道交通列车辅助定位系统，可以有效避免当信号系统失效后带来的定位信息丢失，辅助行车调度快速确定当前线路所有列车的准确位置[6]。调度人员通过该系统显示的列车信息安排行车指挥工作，从而减轻其大量纷繁复杂的工作，避免因遗漏个别列车而导致事故发生。

2 系统原理

2.1 工作原理

通过分析信号系统失效时的运营场景，发现列车“定位丢失”是影响运营安全和效率的最关键因素。如果调度人员能够实时得知在线列车数量及列车位置，将极大提高人工调度效率，保障行车安全。

基于PIS网络的城市轨道交通列车辅助定位系统(以下简称“XFD系统”)，分别采集车辆的列车定位信息(根据车辆速度传感器)和信号系统的列车定位信息(根据信号速度传感器、固定信标)，并监测信号系统设备运行状态。在信号系统出现故障的情况下，XFD系统利用最后一刻信号系统的列车定位信息，再根据车辆的轮对转动圈数，计算列车位置并实时显示；利用PIS车地无线网络通道(WLAN)，将列车定位信息传输到控制中心服务器，再通过既有的闭路监控(close circuit television，CCTV)网络传输通道，将列车定位信息传输到各用户终端，辅助人工调度行车。

2.2 系统组成

在充分整合利用信号、车辆、通信等既有系统的设备资源的基础上，轨道交通行车安全应急监测系统采用自主研发的软、硬件设备，在信号系统失效或瘫痪的紧急情况下，可实时显示列车位置、运行轨迹、在线列车数量，确保行车调度员和值班员能够实时“看到”列车位置，解决行车指挥中存在的安全隐患和效率低下的问题。该系统由车载单元(新研发设备)、车地无线传输网络(既有PIS通信网络)、控制中心定位服务器、工作站等组成，如图1所示。

图1 XFD系统组成Figure 1 XFD system composition

2.3 系统架构

车载单元安装在列车两端，同时并入多功能车辆总线(multifunction vehcle bus，MVB)网络。从MVB网络实时取得列车定位信息(如方向、速度等信息)，同时对相关信息进行协议转换、加密。车载单元通过连接车载PIS三层网络交换机，将从MVB网络获得的方向、速度等位置信息，通过既有PIS车地无线通信通道传输到XFD服务器。XFD服务器穿过防火墙，接入列车自动监控系统 (automatic train supervision，ATS)，实时获取信号系统的列车定位数据，并通过CCTV网络分发列车定位数据到各个工作站，最终帮助行车调度员和值班员实时获取列车的位置(见图2)。

图2 系统架构Figure 2 System structure

2.4 系统接口

列车辅助定位功能的设计原则为：最大限度地利用现有接口，尽量减少新增接线[7]。系统车载单元通过并入MVB网络获取列车定位信息，按照车辆厂的要求，在第三方检测机构进行电性能、力学环境、气候环境、电磁兼容、MVB一致性等相关检测，确保技术指标符合设计要求。车载单元MVB接口为内环网络设计，在不使用或故障情况下不影响既有系统运行。

XZF系统服务器具有软件数据隔离的安全防护措施，本身有3块网卡、3个数据接口程序，分别与PIS交换机、CCTV交换机、ATS交换机接口。系统服务器与PIS交换机RJ45接口，获得车载单元经PIS车地通道传送回来的数据。与集中告警系统的KVM接口，利用KVM维护系统服务器；与ATS的接口服务器外部交换机RJ45接口，取得列车定位数据；与CCTV交换机RJ45接口，与CCTV系统共用工作站，传送数据到各个工作站。3个接口之间相互不通，不存在PIS网络与CCTV网络互联互通的问题，以及产生的网络打环问题。具体接口形式如图3所示。

图3 系统服务器接口Figure 3 System server interface diagram

列车辅助定位系统采用C/S架构，由各客户端实时向服务器请求列车定位数据，并进行动态展示。客户端仅从定位服务器取得与列车定位相关数据，数据量非常小，且不进行数据的分析和处理，只负责显示，几乎不占用硬件资源，对CCTV系统工作站几乎无影响。

3 系统验证

3.1 故障时定位功能验证

在合肥轨道交通1号线进行列车辅助定位系统验证。合肥轨道交通1号线路于2016年12月26日开通运营，全长24.58 km，共设车站23座，全部为地下车站，是安徽省第一条地铁线路。

信号系统故障按照故障范围大小分为两类：一是影响整条线或部分区域的信号系统故障[8]，如ATS显示故障、ATS瘫痪等；二是个别列车的车载服务器(vehicle on-board controller，VOBC)故障。针对以上两类信号故障，列车定位依旧使用列车的速度传感器和多普勒雷达，设计两种方案对不同故障下的系统状态进行模拟测试。

测试1：在行车过程中，断开XZF服务器与ATP服务器、调度大厅ATS大屏、调度大厅ATS工作站连接网线，以模拟整条线信号系统故障，此时ATS大屏不显示列车位置，系统客户端实时显示列车位置及运行轨迹，并与现场保持一致。

测试2：随机挑选某测试车，通知司机切除ATP操作，以CUT-OUT模式手工驾驶列车运行，系统客户端实时显示列车位置及运行状态，并与现场动态情况一致。

测试表明，该辅助定位系统在全线信号系统故障以及个别车辆、区域信号系统故障的情况下，均能实时显示列车位置及运行状态，并与现场动态情况一致，满足各类信号系统故障情况下的列车定位。

3.2 列车定位精准度验证

项目测试方案是通过断开ATS服务器的方式，实现对ATS系统的隔离。在测试中，列车以自动驾驶系统模式(automatic train operation，ATO)运行，在每站停车并作开关门动作。列车在每站停车时，记录车站间客户端系统位移与线路固定公里标之间的差值作为误差距离，其计算公式如下：

式中，L为误差距离，a为客户端显示系统位移，b为公里标显示位移。

同时，根据测试车在测试线路上首末站系统位移值和首末站公里标位移值，计算测试车辆的总误差距离与误差率，计算公式如下：

式中，L总为全路程总距离误差，a总为客户端显示系统总位移，b总为公里标显示总位移，g为全程误差率。

测试一共采用4列测试车在上下行线路同时进行，分别是上行测试车1和测试车2、下行测试车3与测试车4。测试中上下行测试车定位距离误差如图4所示，全线列车定位精确率如表1所示。

图4 上下行测试车定位距离误差Figure 4 Positioning distance error of uplink and downlink test vehicles

表1 列车定位精度统计Table 1 Train positioning accuracy statistics table

测试结果表明，现场实测站间平均误差为±1 m，站间最大误差不大于4.15 m，全线定位误差率不大于1‰，全线单程累计总误差距离不大于20 m，系统定位精度满足行车的需要。

3.3 其他功能验证

1) 紧追踪报警功能。测试中，保持前方列车不动，后车以ATO模式模拟缓慢靠近前车，在距离前车100 m内停车，系统客户端提示紧追踪报警。

2) 列车丢失报警及列车上下线功能。随车人员断开车载单元与PIS交换机的连接线，客户端提示列车丢失报警。点击丢失列车下线操作后，线路上看不到丢失列车。恢复车载单元的连接线后，丢失列车的连接状态恢复正常。

3.4 系统创新

列车辅助定位系统充分整合既有资源，利用信号系统外的PIS通信网络、地面CCTV通信网络和终端工作站，不需新建车地无线通信网络、传输网络和用户工作站。同时，系统开发具有较全面的辅助功能，如丢失报警、列车上下线、人工校准列车位置、道岔方向设置、数据回放及数据导出等，满足了城市轨道交通列车辅助定位系统的基本功能[9]。该系统操作方便、简单，不需要专业人员进行操作，便于普通行车调度人员对系统的使用。

4 发展前景

城市轨道交通承担庞大的城市公共交通客流的运送任务，而列车定位是保障行车安全、提高行车效率的关键[10]。列车辅助定位系统用简单实用的方法，解决了信号系统失效情况下列车位置“丢失”的行业内难题，具有很好的行业推广应用价值。同时，具有极大的扩展性，可以结合具体业务需要，做出针对性改进，如在司机室设置显示终端、实现路票电子化、发车信号电子化。同时，系统车载单元可采集更多的车辆、信号设备状态及故障信息，进行综合分析与预测，提供智能化检测与故障预警，帮助行车组织人员更好地指导司机进行应急处理，向列车综合监控方向不断发展。