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1、现代有轨电车信标定位系统比较 徐海贵 卡斯柯信号有限公司 摘 要： 分析了现代有轨电车信号控制系统中的绝对定位特点, 分析了射频识别技术在不同应用频率波段的特点。对几种常用信标定位系统的车载阅读器和轨旁信标进行了详细比较。由于现代有轨电车存在安装空间小、维护性要求高、成本要求严格等方面的限制, Balogh 信标系统在现代有轨电车绝对定位应用中具有更大的优势。关键词： 现代有轨电车; 车辆绝对定位; 车载阅读器; 轨旁信标; 收稿日期：2017-07-26Comparative Study on Trackside Beacon Positioning System of Modern Tra
2、mXU Haigui CASCO Signal Ltd.; Abstract： The characteristics of absolute positioning in modern tram control system, the characteristics of radio frequency identification in different frequency bands are analyzed, different kinds of onboard tag readers and the trackside beacons which are applicable fo
3、r railway industry are separately compared. Due to the limited installation space of modern tram, high maintenance reliability and low cost for the onboard equipment are strictly required, and the Balogh beacon and reader system have the advantage over other devices in modern tram absolute positioni
4、ng system.Keyword： modern tram; vehicle absolute positioning; onboard reader; trackside beacon; Received： 2017-07-26现代有轨电车定位技术是整个智能信号控制系统的关键环节。目前主流的定位技术主要包括卫星定位、查询-应答器定位、通信环线定位, 轨道电路和计轴定位等。根据现代有轨电车智能信号控制系统中道岔控制子系统、综合调度指挥子系统及路口优先子系统对车辆定位的要求, 信标定位作为主要的列车绝对定位方式被广泛应用1。信标定位系统通常基于射频识别 (RFID) 技术, 主要由阅读器或查询
5、机、应答器或信标组成。轨道交通中常用的列车信标定位系统主要包括欧式应答器系统和 Transcore 美式信标系统。目前, 应用欧式应答器系统的信号厂商主要有阿尔斯通及西门子等;国内研制的 YFB 型、TDY 型、LKY1-TH 型等欧式应答器系统在中国铁路 CTCS-2、CTCS-3 列车控制系统中也得到了广泛应用2;应用Transcore 美式信标系统的厂商则有泰雷兹及安萨尔多;此外, 瑞典 Tag Master公司的阅读器及信标系统作为庞巴迪的 CITYFLO650 列车自动控制系统中的绝对定位单元, 已在中国台北捷运内湖线及天津地铁 2、3 号线路中应用;法国Balogh 公司的阅读器及
6、信标系统在作为有轨电车控制系统中的绝对定位单元, 已在世界范围内, 尤其是法国、比利时、西班牙等国家的有轨电车系统得到广泛应用;深圳远望谷研制的车辆自动识别系统 (AEI) 信标产品在中国铁路车号自动识别系统及现代有轨电车信号系统中已有应用。现代有轨电车通常采用 70%或 100%低地板车辆, 其地板面高度通常为 300350 mm3。这限制了阅读器在车辆底部的安装空间。此外, 有轨电车对定位的安全性及定位精度的要求也与其他轨道交通方式不同。因此, 有必要根据有轨电车车辆定位需求特点, 对适用于有轨电车绝对定位的阅读器及信标系统进行研究。1 有轨电车定位特点分析有轨电车运行速度较低, 运行间隔
7、较大, 其轨旁和车载设备简单。由于通常与社会车辆混行, 故其司机采用目视行车的驾驶模式。有轨电车定位具有如下特点:(1) 列车定位的精度要求不高:与地铁和轻轨相比, 有轨电车通常由司机人工驾驶, 不具备 ATO (列车自动运行) 驾驶功能, 对列车速度和定位的实时性及精度要求相对不高。(2) 列车定位的安全完整性要求不高:有轨电车采用司机目视行车, 通常只要求超速和闯红灯报警, 不配备完整的 ATP (列车自动防护) 功能, 其轨旁和车载设备相对简单。(3) 轨旁及车载定位设备安装受限制:在与社会车辆共线路段, 轨旁定位设备应与地面平齐或埋在路面下, 且不影响社会车辆正常通行及行人的走行;车载
8、定位设备受车辆地板面高度影响, 在车底的安装空间受限。(4) 有轨电车建设成本较低:通常有轨电车的建设成本只有地铁的 1/51/3, 因此有轨电车需要选用相对简单实用、成本较低的定位设备。(5) 维护性要求高:轨旁定位设备需具有较高的可靠性, 其运营后的维护应能尽量减少对道路和绿化的破坏。从上述特点来看, 有轨电车车辆的定位精度和安全要求总体上低于地铁, 但在定位设备的安装限制、维护性要求及低成本等方面的要求高于地铁。在现代有轨电车绝对定位阅读器及信标系统方案设计中, 这几个因素具有决定性的影响, 需重点考虑。2 列车信标定位系统列车信标定位系统一般主要由地面信标、阅读器及信标天线 3 部分组
9、成。某些信标定位系统的信标天线和阅读器采用集成设计。列车信标定位系统通常采用 RFID 技术来实现车载设备和轨旁设备的通信。RFID技术在低频段、高频段、超高频段及微波段均有不同的应用和技术特点4。不同频率波段的典型应用频率及相应特性如表 1 所示。2.1 地面信标地面信标由合元件及芯片组成, 每个信标具有唯一的 ID。不同频率的信标有不同的特点。通常低频信标比超高频信标便宜, 节省能量, 穿透废金属物体力强, 工作频率不受无线电频率管制约束, 但感应距离较短。超高频信标作用范围广, 传送数据速度快, 但是比较耗能, 穿透力较弱, 作业区域不能有太多干扰, 适用于监测港口、仓储等物流领域的物品
10、。高频信标属中短距识别, 读写速度也居中, 产品价格也相对便宜, 适用于电子票证。表 1 RFID 技术在不同频率波段的特点 下载原表 地面信标根据是否由外部供电可分为无源信标和有源信标。无源信标没有外接电源供电, 平时处于休眠状态;当列车经过无源信标上方时, 接收到车载天线发出的功率载波, 激活无源信标中的电子单元, 使其向车载设备发送调制好的编码信息5。无源信标通常用于列车定位初始化, 重定位及轮径校准, 对外发送信息固定不变。有源信标需要外接电源供电, 除了能用于列车定位外, 在后备模式下还可向车载设备传送信号机及道岔等轨道设备的变量信息6。表 2 为轨道交通中常用的地面无源信标性能参数
11、。由表 2 可见: (1) 欧式信标尺寸较大, 对地面安装要求较高, 地面信标的安装需考虑在混行路段承受社会车辆的重量问题, 通常需要安装井及保护盖, 而Balogh 信标有坚固的保护盒, 可直接预埋路面。 (2) 欧式信标和 Transcore信标服务年限较长;而 Balogh 信标和 Tag Master 信标服务年限短需考虑 10 a后维护的问题。 (3) 信标都满足铁路应用的温度和防护等级的要求, Balogh信标低温范围不够, 但目前正在升级能适应-40的新产品。 (4) 欧式信标的价格相对较贵, 其他信标的价格差距不太大。对于有源信标, Transcore 信标、Balogh 信标
12、、Tag Master 信标都只有激活和未激活两种状态, 即一个有源信标只能关联信号机的一种状态表示。通过轨旁有源信标组的布置, 信标可向车载设备提供信号机及道岔信息。由于有轨电车系统功能相对简单, 需要有源信标传输的轨旁变量相对较少, 故两种状态的有源信标均能满足有轨电车信号系统的应用。欧式有源信标虽体积、质量及频率等特性与无源信标相同, 却可提供较多的轨旁信息, 更适用于我国铁路及地铁。表 2 轨道交通中常用地面无源信标的主要性能参数 下载原表 2.2 阅读器与信标天线阅读器和信标天线为列车信标定位系统车载设备。其中:阅读器负责读取信标的信息, 信标天线负责在信标和阅读器间传递射频信息。欧
13、式车载阅读器 (BTM) 体积较小, 通常安装在主机柜中。Transcore 阅读器 (TIU) 体积较大, 需要占用主机柜较大空间。Balogh 和 Tag Master 阅读系统的阅读器中集成了信标天线模块。信标天线单元通常安装在列车底下, 用来接收轨旁信标的信号。表 3 为轨道交通中常用的阅读器信标天线主要参数。通过表 3 的对比, 可以得到如下结论:(1) 欧式信标天线和 Transcore 信标天线的典型安装高度均为 300 cm 左右, 已达低地板有轨电车的地板高度。这两种天线 (尤其是欧式信标天线) 的尺寸都比较大, 对列车底部安装空间的要求比较高, 很难在低地板有轨电车底部找到
14、足够的安装空间。欧式阅读系统和 Transcore 阅读系统的阅读器和信标天线是独立的, 其阅读器安装在机柜内, 会占用车载信号系统主机柜的空间, 难以适应现代有轨电车有限的空间。(2) 各种阅读器及天线的工作温度、振动、湿度及 IP 防护等级都达到了铁路行业的要求。其中, Balogh 阅读器的低温适应性略差, 目前正在升级适用于-40的新一代产品。(3) 列车最高运行速度都在 300 km/h 以上, 符合有轨电车的最高运行速度的要求。其中, Balogh 信标天线的定位误差大于其他信标系统, 但较高的定位精度会增加技术难度及开发成本。而且有轨电车应用中没有 ATO 功能, 定位精度要求不
15、高。表 3 轨道交通中常用阅读器与信标天线的主要参数 下载原表 (4) 欧式阅读系统和 Transcore 阅读系统价格相对比较贵。Balogh 和 Tag Master 的阅读器和天线为集成设计, 价格相对较便宜, 具有一定竞争力。(5) 安全完整性方面, 欧式信标、Transcore 美式信标、Tag Master 信标都在地铁中具有 SIL4 级的应用, Balogh 信标安全完整性相对较低。由于有轨电车是司机目视行车为主, 通常要求超速及闯红灯报警或 SIL2 级防护, 故 Balogh信标系统在欧洲有轨电车中已有大量应用。3 结语由于有轨电车车辆安装空间受限、维护性要求高、低成本控制
16、要求严格, 因此, 欧式信标定位系统和 Transcore 信标系统难以满足要求;应用较少的 Tag Master 信标系统可作为一个潜在的应用方案;Balogh 信标系统在现代有轨电车绝对定位应用中具有优势, 目前在国内外有轨电车信号系统中已被广泛应用。在我国, 自主研制的 YFB 型、TDY 型、LKY1-TH 型等欧式应答器系统在客运专线、高速铁路, 以及城市轨道交通中已被大量应用。这类信标定位系统由于尺寸较大、安装空间要求高, 在现代有轨电车系统中应用会受到安装空间不够的限制, 因此需根据现代有轨电车的特点, 从减小尺寸、降低成本等方面进行改进, 以适应有轨电车系统的应用。车辆自动识别 (AEI) 系统将车号信标替换应答器安装在地面轨间, 将车号阅读器替换应答器接收模块安装在列车上来实现轻轨及有轨电车的定位需求。AEI 系统的信标及阅读器系统尺寸比较小, 价格相对较便宜, 随着技术进步及可靠性提高, 在有轨电车系统中的应用将值得期待。此外, 国内自主研制的信标系统在技术支持及维护
