1 列车定位系统现状

目前，由于地铁无法使用GPS 或北斗等卫星定位系统，地铁列车定位和超速防护依靠轨旁设备和车载ATP 设备，只有获取线路上全部列车的位置、速度信息，才能进行列车行车许可和移动授权的计算，列车的定位和移动授权计算完全依赖轨旁设备，信息传递复杂、成本较高。且列车对轨道上的障碍没有直接的安全检测和防护方法，在轨道上出现障碍或人工驾驶出错等意外状况时无有效技术手段防止列车事故发生，行车安全无法得到保证，现有地铁列车定位系统如图1 所示。

车载设备主要包括应答器接收设备、编码里程计、多普勒雷达、数据处理设备（ATP）。

图1 现有地铁列车定位系统Fig.1 Existing metro train positioning system

轨旁设备主要是应答器。应答器安装于轨道旁边，位置固定，为列车绝对定位依据，当列车通过时应答器会自动发送定位报文，根据报文内容不同和实际列车定位要求，分为出库应答器、区间运行应答器、进站应答器、停车到位应答器等。

编码里程计安装于列车轮轴上，车载ATP 通过对即时速度进行积分（或求和）获得列车的运行距离，因速度传感器存在较大误差，列车需通过轨旁应答器后对速度上报的定位信息进行重新标定。

这种严重依赖于轨旁设备的定位模式，导致目前地铁列车建设难度大、施工过程繁琐。在列车交付运营后，故障率高且维修难度大，同时由于应答器原理、报文等不同，使相同城市的不同线路之间地铁列车很难互联互通。

2 列车防撞系统现状

目前地铁列车的防撞方式主要分为主动防撞和被动防撞。主动防撞基于定位和车地通讯，每辆列车通过自身定位系统感知行驶位置并上报控制中心，中心通过对列车行驶的控制调度，将后车与前车之间保持在安全距离。主动防撞仅能系统正常工作时避免发生列车追尾事故，而无法探测其他障碍物。

被动防撞基于列车头结构设计，目的是在发生碰撞之后使产生的危害最低，无法避免碰撞事件的发生。

3 新型地铁列车自主定位和主动防护系统

以新一代地铁列车控制系统应用为背景，遵循多源定位信息融合、差异化设计的原则，系统架构采用三裕度设计方案，实现高可靠、高精度的地铁列车自主定位和主动防护系统。

新型地铁列车自主定位和主动防护系统由车地通讯设备、时钟同步数据处理设备、惯导设备、视觉设备、雷达设备和电源变换装置组合而成。地铁列车自主定位和主动防护系统组成如图2 所示。各组成部分的功能如表1 所示。

主要研究内容：基于弱耦合关系下的多源定位信息三裕度系统架构；高精度系统时钟同步及多源数据处理技术；基于自修正技术的惯性导航高精度自主定位技术；地铁环境低光照条件下二维码信标准确识别及高精度测距技术；地铁环境下雷达避障信号高精度采集技术。

3.1 基于弱耦合关系下的多源定位信息三裕度系统架构研究

地铁运行涉及公共安全和人身安全，其运行安全性和可靠性尤为重要。作为地铁列车运行位置的感知、检测、汇总、上报的列车自主定位系统，上报的位置精度、准确度以及通讯链路的实时性和可靠性是影响列车自动驾驶成败的关键因素之一。

系统在研制之初，即制定了三裕度的系统架构，确保全系统在一度故障下列车不存在涉及功能安全的故障隐患。同时为防止三裕度系统中共因失效导致整个系统工作异常的问题，提出了差异化设计的思路，采用惯性导航、视觉定位、雷达避障的3 种不同原理、不同特性的定位方式，避免相同原理和特性的定位设备造成的共因失效。此外，为了避免定位精度在系统内传递过程中出现逐次放大的问题，采用一种基于列车运行全过程定位任务划分的多源定位信息弱耦合技术，减少各源定位数据的相互交联，逐层解耦、顶端融合，防止定位精度传递过程中的放大问题以及下级设备失效对上级设备定位精度的影响。

3.2 高精度系统时钟同步及多源数据处理技术研究

图2 地铁列车自主定位和主动防护系统组成框图Fig.2 Block diagram of metro train self-positioning and active protection system composition

表1 地铁列车自主定位和主动防护系统功能Tab.1 Metro train self-positioning and active protection system functions序号 名称 功能自主感知列车的行驶里程、速度、站台信息，探测前方障碍物。含惯导、视觉、雷达、数据处理设备，并有余度设计2 车载双制式融合网关 用于车地、车车通信3 车载显示设备 列车位置信息和障碍数据显示1 自主定位系统车载设备4 轨旁双制式融合网关 用于车地通信5 轨旁显示设备设置于中心或车站，全线列车位置信息和障碍信息显示

文章来源：《新型工业化》 网址: http://www.xxgyhzz.cn/qikandaodu/2021/0624/1027.html