基于PIS網(wǎng)絡(luò)的城軌列車輔助定位系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

胡勇健，劉明亮，馬子彥，鄭俊鋒

（1. 合肥市軌道交通集團(tuán)有限公司，合肥 230601；2. 上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620）

地鐵信號系統(tǒng)作為城市軌道交通控制網(wǎng)絡(luò)的中樞神經(jīng)，是實現(xiàn)列車運行控制、安全防護(hù)及監(jiān)視追蹤的重要組成部分，是保障軌道交通運行安全與效率的核心控制系統(tǒng)[1]。盡管其可靠性與可用性很高，但作為一個機(jī)電設(shè)備組成的系統(tǒng)，故障在所難免[2]。在軌道交通列車信號系統(tǒng)失效時，即列車控制系統(tǒng)、信號車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)、信號車載設(shè)備、聯(lián)鎖設(shè)備等功能失效的情況下，現(xiàn)行的軌道交通行車調(diào)度指揮系統(tǒng)將轉(zhuǎn)入后備模式或電話閉塞法指揮行車[3]。電話閉塞法行車是一種完全依賴人工調(diào)度的行車組織方法，對行車調(diào)度的心理、技能、職業(yè)素養(yǎng)及經(jīng)驗等要求都比較高。當(dāng)前，我國城市軌道交通發(fā)展迅猛，人才培養(yǎng)及管理難以跟上，企業(yè)員工素質(zhì)參差不齊，這些更增加了城市軌道交通在辦理電話閉塞法行車時發(fā)生事故的風(fēng)險。

1 需求分析

列車定位信息是列車信號系統(tǒng)中的重要參數(shù)之一[4]。以信號系統(tǒng)失效時，調(diào)度人員無法準(zhǔn)確定位列車位置，調(diào)度人員“看不到”列車的位置及數(shù)量[5]，這給列車運行帶來極大的安全風(fēng)險。在這種情況下，目前是依賴行車調(diào)度的人工指揮能力。但是，行車調(diào)度需第一時間確定列車位置和在線列車數(shù)量，效率低下，且在指揮行車過程中列車位置“不可見”，也同樣給其帶來極大困難和安全隱患。如國內(nèi)某地鐵“9·27”追尾、高鐵“7·23”撞車等特大事故，總體上都與信號系統(tǒng)失效有關(guān)。研發(fā)基于PIS(passenger information system，乘客信息系統(tǒng))網(wǎng)絡(luò)的城市軌道交通列車輔助定位系統(tǒng)，可以有效避免當(dāng)信號系統(tǒng)失效后帶來的定位信息丟失，輔助行車調(diào)度快速確定當(dāng)前線路所有列車的準(zhǔn)確位置[6]。調(diào)度人員通過該系統(tǒng)顯示的列車信息安排行車指揮工作，從而減輕其大量紛繁復(fù)雜的工作，避免因遺漏個別列車而導(dǎo)致事故發(fā)生。

2 系統(tǒng)原理

2.1 工作原理

通過分析信號系統(tǒng)失效時的運營場景，發(fā)現(xiàn)列車“定位丟失”是影響運營安全和效率的最關(guān)鍵因素。如果調(diào)度人員能夠?qū)崟r得知在線列車數(shù)量及列車位置，將極大提高人工調(diào)度效率，保障行車安全。

基于PIS網(wǎng)絡(luò)的城市軌道交通列車輔助定位系統(tǒng)(以下簡稱“XFD系統(tǒng)”)，分別采集車輛的列車定位信息(根據(jù)車輛速度傳感器)和信號系統(tǒng)的列車定位信息(根據(jù)信號速度傳感器、固定信標(biāo))，并監(jiān)測信號系統(tǒng)設(shè)備運行狀態(tài)。在信號系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，XFD系統(tǒng)利用最后一刻信號系統(tǒng)的列車定位信息，再根據(jù)車輛的輪對轉(zhuǎn)動圈數(shù)，計算列車位置并實時顯示；利用PIS車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)通道(WLAN)，將列車定位信息傳輸?shù)娇刂浦行姆?wù)器，再通過既有的閉路監(jiān)控(close circuit television，CCTV)網(wǎng)絡(luò)傳輸通道，將列車定位信息傳輸?shù)礁饔脩艚K端，輔助人工調(diào)度行車。

2.2 系統(tǒng)組成

在充分整合利用信號、車輛、通信等既有系統(tǒng)的設(shè)備資源的基礎(chǔ)上，軌道交通行車安全應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)采用自主研發(fā)的軟、硬件設(shè)備，在信號系統(tǒng)失效或癱瘓的緊急情況下，可實時顯示列車位置、運行軌跡、在線列車數(shù)量，確保行車調(diào)度員和值班員能夠?qū)崟r“看到”列車位置，解決行車指揮中存在的安全隱患和效率低下的問題。該系統(tǒng)由車載單元(新研發(fā)設(shè)備)、車地?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)(既有PIS通信網(wǎng)絡(luò))、控制中心定位服務(wù)器、工作站等組成，如圖1所示。

圖1 XFD系統(tǒng)組成Figure 1 XFD system composition

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)

車載單元安裝在列車兩端，同時并入多功能車輛總線(multifunction vehcle bus，MVB)網(wǎng)絡(luò)。從MVB網(wǎng)絡(luò)實時取得列車定位信息(如方向、速度等信息)，同時對相關(guān)信息進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換、加密。車載單元通過連接車載PIS三層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，將從MVB網(wǎng)絡(luò)獲得的方向、速度等位置信息，通過既有PIS車地?zé)o線通信通道傳輸?shù)絏FD服務(wù)器。XFD服務(wù)器穿過防火墻，接入列車自動監(jiān)控系統(tǒng) (automatic train supervision，ATS)，實時獲取信號系統(tǒng)的列車定位數(shù)據(jù)，并通過CCTV網(wǎng)絡(luò)分發(fā)列車定位數(shù)據(jù)到各個工作站，最終幫助行車調(diào)度員和值班員實時獲取列車的位置(見圖2)。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)Figure 2 System structure

2.4 系統(tǒng)接口

列車輔助定位功能的設(shè)計原則為：最大限度地利用現(xiàn)有接口，盡量減少新增接線[7]。系統(tǒng)車載單元通過并入MVB網(wǎng)絡(luò)獲取列車定位信息，按照車輛廠的要求，在第三方檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行電性能、力學(xué)環(huán)境、氣候環(huán)境、電磁兼容、MVB一致性等相關(guān)檢測，確保技術(shù)指標(biāo)符合設(shè)計要求。車載單元MVB接口為內(nèi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，在不使用或故障情況下不影響既有系統(tǒng)運行。

XZF系統(tǒng)服務(wù)器具有軟件數(shù)據(jù)隔離的安全防護(hù)措施，本身有3塊網(wǎng)卡、3個數(shù)據(jù)接口程序，分別與PIS交換機(jī)、CCTV交換機(jī)、ATS交換機(jī)接口。系統(tǒng)服務(wù)器與PIS交換機(jī)RJ45接口，獲得車載單元經(jīng)PIS車地通道傳送回來的數(shù)據(jù)。與集中告警系統(tǒng)的KVM接口，利用KVM維護(hù)系統(tǒng)服務(wù)器；與ATS的接口服務(wù)器外部交換機(jī)RJ45接口，取得列車定位數(shù)據(jù)；與CCTV交換機(jī)RJ45接口，與CCTV系統(tǒng)共用工作站，傳送數(shù)據(jù)到各個工作站。3個接口之間相互不通，不存在PIS網(wǎng)絡(luò)與CCTV網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的問題，以及產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)打環(huán)問題。具體接口形式如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)服務(wù)器接口Figure 3 System server interface diagram

列車輔助定位系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，由各客戶端實時向服務(wù)器請求列車定位數(shù)據(jù)，并進(jìn)行動態(tài)展示?？蛻舳藘H從定位服務(wù)器取得與列車定位相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量非常小，且不進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理，只負(fù)責(zé)顯示，幾乎不占用硬件資源，對CCTV系統(tǒng)工作站幾乎無影響。

3 系統(tǒng)驗證

3.1 故障時定位功能驗證

在合肥軌道交通1號線進(jìn)行列車輔助定位系統(tǒng)驗證。合肥軌道交通1號線路于2016年12月26日開通運營，全長24.58 km，共設(shè)車站23座，全部為地下車站，是安徽省第一條地鐵線路。

信號系統(tǒng)故障按照故障范圍大小分為兩類：一是影響整條線或部分區(qū)域的信號系統(tǒng)故障[8]，如ATS顯示故障、ATS癱瘓等；二是個別列車的車載服務(wù)器(vehicle on-board controller，VOBC)故障。針對以上兩類信號故障，列車定位依舊使用列車的速度傳感器和多普勒雷達(dá)，設(shè)計兩種方案對不同故障下的系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行模擬測試。

測試1：在行車過程中，斷開XZF服務(wù)器與ATP服務(wù)器、調(diào)度大廳ATS大屏、調(diào)度大廳ATS工作站連接網(wǎng)線，以模擬整條線信號系統(tǒng)故障，此時ATS大屏不顯示列車位置，系統(tǒng)客戶端實時顯示列車位置及運行軌跡，并與現(xiàn)場保持一致。

測試2：隨機(jī)挑選某測試車，通知司機(jī)切除ATP操作，以CUT-OUT模式手工駕駛列車運行，系統(tǒng)客戶端實時顯示列車位置及運行狀態(tài)，并與現(xiàn)場動態(tài)情況一致。

測試表明，該輔助定位系統(tǒng)在全線信號系統(tǒng)故障以及個別車輛、區(qū)域信號系統(tǒng)故障的情況下，均能實時顯示列車位置及運行狀態(tài)，并與現(xiàn)場動態(tài)情況一致，滿足各類信號系統(tǒng)故障情況下的列車定位。

3.2 列車定位精準(zhǔn)度驗證

項目測試方案是通過斷開ATS服務(wù)器的方式，實現(xiàn)對ATS系統(tǒng)的隔離。在測試中，列車以自動駕駛系統(tǒng)模式(automatic train operation，ATO)運行，在每站停車并作開關(guān)門動作。列車在每站停車時，記錄車站間客戶端系統(tǒng)位移與線路固定公里標(biāo)之間的差值作為誤差距離，其計算公式如下：

式中，L為誤差距離，a為客戶端顯示系統(tǒng)位移，b為公里標(biāo)顯示位移。

同時，根據(jù)測試車在測試線路上首末站系統(tǒng)位移值和首末站公里標(biāo)位移值，計算測試車輛的總誤差距離與誤差率，計算公式如下：

式中，L總為全路程總距離誤差，a總為客戶端顯示系統(tǒng)總位移，b總為公里標(biāo)顯示總位移，g為全程誤差率。

測試一共采用4列測試車在上下行線路同時進(jìn)行，分別是上行測試車1和測試車2、下行測試車3與測試車4。測試中上下行測試車定位距離誤差如圖4所示，全線列車定位精確率如表1所示。

圖4 上下行測試車定位距離誤差Figure 4 Positioning distance error of uplink and downlink test vehicles

表1 列車定位精度統(tǒng)計Table 1 Train positioning accuracy statistics table

測試結(jié)果表明，現(xiàn)場實測站間平均誤差為±1 m，站間最大誤差不大于4.15 m，全線定位誤差率不大于1‰，全線單程累計總誤差距離不大于20 m，系統(tǒng)定位精度滿足行車的需要。

3.3 其他功能驗證

1) 緊追蹤報警功能。測試中，保持前方列車不動，后車以ATO模式模擬緩慢靠近前車，在距離前車100 m內(nèi)停車，系統(tǒng)客戶端提示緊追蹤報警。

2) 列車丟失報警及列車上下線功能。隨車人員斷開車載單元與PIS交換機(jī)的連接線，客戶端提示列車丟失報警。點擊丟失列車下線操作后，線路上看不到丟失列車?；謴?fù)車載單元的連接線后，丟失列車的連接狀態(tài)恢復(fù)正常。

3.4 系統(tǒng)創(chuàng)新

列車輔助定位系統(tǒng)充分整合既有資源，利用信號系統(tǒng)外的PIS通信網(wǎng)絡(luò)、地面CCTV通信網(wǎng)絡(luò)和終端工作站，不需新建車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)、傳輸網(wǎng)絡(luò)和用戶工作站。同時，系統(tǒng)開發(fā)具有較全面的輔助功能，如丟失報警、列車上下線、人工校準(zhǔn)列車位置、道岔方向設(shè)置、數(shù)據(jù)回放及數(shù)據(jù)導(dǎo)出等，滿足了城市軌道交通列車輔助定位系統(tǒng)的基本功能[9]。該系統(tǒng)操作方便、簡單，不需要專業(yè)人員進(jìn)行操作，便于普通行車調(diào)度人員對系統(tǒng)的使用。

4 發(fā)展前景

城市軌道交通承擔(dān)龐大的城市公共交通客流的運送任務(wù)，而列車定位是保障行車安全、提高行車效率的關(guān)鍵[10]。列車輔助定位系統(tǒng)用簡單實用的方法，解決了信號系統(tǒng)失效情況下列車位置“丟失”的行業(yè)內(nèi)難題，具有很好的行業(yè)推廣應(yīng)用價值。同時，具有極大的擴(kuò)展性，可以結(jié)合具體業(yè)務(wù)需要，做出針對性改進(jìn)，如在司機(jī)室設(shè)置顯示終端、實現(xiàn)路票電子化、發(fā)車信號電子化。同時，系統(tǒng)車載單元可采集更多的車輛、信號設(shè)備狀態(tài)及故障信息，進(jìn)行綜合分析與預(yù)測，提供智能化檢測與故障預(yù)警，幫助行車組織人員更好地指導(dǎo)司機(jī)進(jìn)行應(yīng)急處理，向列車綜合監(jiān)控方向不斷發(fā)展。

5 結(jié)語

近年來，我國交通技術(shù)快速發(fā)展，軌道交通事業(yè)也在飛速進(jìn)步，各種新技術(shù)應(yīng)用不斷推陳出新，因此應(yīng)不斷地研究和創(chuàng)新針對各種應(yīng)用場景的設(shè)備，同時提高設(shè)備運行的可靠度，這樣才能滿足應(yīng)急情況下人工指揮行車的需要，進(jìn)一步保障軌道交通運營行車安全，提升非正常情況下的行車效率。