在信號系統(tǒng)發(fā)生聯(lián)鎖癱瘓、系統(tǒng)失電等嚴重故障時，工作人員會依據(jù)各類行車規(guī)章制度及應急預案，采用人工方式控制列車運行，在這種狀況下，行車指揮人員必須確認此時區(qū)間、線路的列車占用情況，否則容易引發(fā)因處置不當而造成列車追尾等事故。因此，本章將對輔助定位系統(tǒng)方案進行研究，作為信號系統(tǒng)失效場景下的附和性設計，以技術防護的方式輔助工作人員，為調度、車站值班員等行車人員提供及時、明確的列車定位運行信息，從而輔助后續(xù)運營指揮，最終達到提高行車安全性與線路運輸效率的目的。

城市軌道交通列車輔助定位系統(tǒng)應具有以下基本功能：

（1）系統(tǒng)適用于城市軌道交通列車輔助定位。輔助定位系統(tǒng)應適用于我國各個城

市目前正在運營的各型城市地鐵列車，并根據(jù)不同車型和線路特點制定相應的系統(tǒng)設備

布設方案。

（2）獨立于現(xiàn)有信號系統(tǒng)。系統(tǒng)不使用現(xiàn)有列車信號系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，完全依靠設備

自身的自主定位數(shù)據(jù)和無線通信模塊來實現(xiàn)車-地之間數(shù)據(jù)的交換。

（3）系統(tǒng)具備較高的穩(wěn)定性與可靠性，在數(shù)據(jù)通信時具有較低的通信延遲，保證

數(shù)據(jù)信息的時效性。

（4）系統(tǒng)可以提供精確的列車速度信息和位置信息，實現(xiàn)實時測速與定位功能。

（5）系統(tǒng)可以實現(xiàn)列車在站臺的精確停車定位功能。

（6）系統(tǒng)采用的設備應符合軌道交通車載電子設備相關標準，不對車輛其他設備

產(chǎn)生干擾。

（7）同方向、同軌道相鄰的地鐵列車車距小于安全車距時，系統(tǒng)能給出告警提示

信息。系統(tǒng)通過自主定位獲取線路號和列車運行方向，能夠對于同方向同軌道運行列車

的安全狀態(tài)和預警邏輯進行實時高效的計算評估。告警提示信息只提供司機參考，不對

列車的運行采取措施，而是由列車司機決定收到警告提示后的動作。

定位技術概述目前?CBTC?系統(tǒng)廣泛采用的列車定位方法主要有軌道電路定位、編碼器里程累加定位、應答器定位和計軸定位。除此之外，針對列車定位還有很多可供選擇的定位技術。主要包括：雷達定位技術、衛(wèi)星導航技術、慣性導航技術等。

（1）雷達定位技術

基于雷達系統(tǒng)的測速定位技術主要是利用多普勒效應進行列車定位。其主要原理是在列車車頭部位安裝定位雷達，在列車運行時，雷達能夠不停地向地面發(fā)出特定頻率的電磁波信號，且能夠接收其反射回來的信號。由于列車運行將產(chǎn)生多普勒效應，因此接收到的信號的頻率與發(fā)射出去的信號頻率不一樣，列車處于前進狀態(tài)時，雷達接收到的反射信號頻率就會比發(fā)射出去的信號頻率高，反之則會比發(fā)射出去的信號頻率低，而且，兩個信號的頻率差會隨著列車運行速度的加快而變大，通過計算這兩個信號的頻率差就可得到列車的運行方向和行駛速度，然后對速度進行積分就能夠得到列車的位置。由于雷達測速定位技術所采用的雷達波是向地面發(fā)射，信號受復雜地形的影響較小，因此，雷達測速的可靠性較高[36]。然而，列車運行時必然會產(chǎn)生振動，進而導致雷達天線與地面的夾角產(chǎn)生變動，給定位結果帶來誤差[37]。并且由于軌道不平會使電波散射增大，也會帶來定位誤差。同時，列車的位置是通過積分得到的，這也會帶來定位誤差。而且，雷達測速定位技術確定列車位置時需要知道列車的初始位置，不能進行獨立定位。雷達定位技術的另一種方法是通過不斷的發(fā)射以及接收雷達信號（激光、超聲波以及毫米波等），從而測得時間差，然后確定列車之間的相對距離。然而，這種雷達定位方法容易受到鐵路附近復雜地理因素（如障礙物等）的影響，得出錯誤的結果，不適合用于列車相對位置的確定。由此可見，雷達定位技術在用于列車的位置確定時并不具備太大的優(yōu)勢。

（2）衛(wèi)星導航技術

近年來，隨著?GPS?全球定位技術的快速發(fā)展，車載衛(wèi)星定位技術正得到越來越多的應用。GPS?在用于列車定位時可以不依靠任何軌旁設備的輔助，能夠大幅度減少鐵路基礎設施建設及其維修的費用，因此在鐵路上得到了廣泛的應用。GPS?是利用定位衛(wèi)星可以在全球范圍內進行定位、導航的系統(tǒng)。GPS?定位系統(tǒng)主要由?3?個部分構成?：由24?顆定位衛(wèi)星組成的空間部分；由監(jiān)測站、主控站以及注入站組成的地面控制部分；由?GPS?衛(wèi)星接收機和?GPS?數(shù)據(jù)處理軟件組成的用戶部分。其基原理是延時測距[。衛(wèi)星不斷地向地面發(fā)送位置時間信息，接收機根據(jù)接收到的信息得出與衛(wèi)星的偽距，如果接收機與衛(wèi)星的時間相同，根據(jù)數(shù)學理論，當?shù)玫饺齻€不同的偽距時，接收機的位置就在以?3 顆衛(wèi)星為球心，相應偽距為半徑的球面交點上。實際中由于接收機與衛(wèi)星的時間不同步，需要至少?4 顆衛(wèi)星提供的信息進行定位。目前，GPS?全球定位系統(tǒng)主要能夠提供列車的經(jīng)祎度、速度、運行方向等信息，然后利用地圖匹配算法和已有的地圖數(shù)據(jù)庫就能將這些定位信息轉換為所需要的列車的具體位置信息。通過大量的實際應用證明?GPS?定位的精度一般在?10m?以內，定位精度高；由于?GPS?衛(wèi)星覆蓋全球，因此?GPS?能夠實現(xiàn)全球全天候定位；隨著?GPS?定位系統(tǒng)的不斷改進，定位所需時間大幅度縮短；GPS?具有獨立的定位系統(tǒng)，能夠對列車進行獨立定位。然而，地鐵列車的運行環(huán)境主要是在地下隧道，定位信號容易受遮擋而不能定位[40]因此，GPS?對列車進行定位有較大的缺陷。

（3）慣性導航技術

慣性導航系統(tǒng)（Inertial?Navigation?System，INS）是在?20 世紀初期發(fā)展起來的導航

定位系統(tǒng)，它能夠不依靠外部設備提供的信息，完全獨立自主地提供定位信息，如速度、

位置等[41]

。

[42]?INS

。

慣性導航系統(tǒng)是以陀螺儀和加速度計等慣性元件為基礎的定位系統(tǒng)

能夠根

據(jù)陀螺儀測量的數(shù)據(jù)建立導航坐標系，然后以牛頓力學定律為基礎，通過加速度計測得

INS?載體的加速度，并將其對時間進行積分，且把得到的結果轉換到建立的導航坐標系

中，就能夠得到所需的載體的速度、位置等信息。INS?是一種推算導航，需要根據(jù)載體

的初始位置，通過實時測量到的載體的運行方向和速度計算出其下一點的位置，因此，

通過慣性導航系統(tǒng)可以不斷的得到載體的當前位置，對其進行定位。

由于慣性導航系統(tǒng)的位置信息是通過積分得到的，定位誤差隨著時間的增加會不斷

增大，因而在列車長時間運行時，定位效果較差。而且，由于?INS?屬于推算導航，故而

需要一個初始位置，并需要一個較長的初始對準時間。由此可見，INS?對列車獨立進行

定位時，需要其他定位技術的配合。

（4）RFID?技術

RFID?技術，又稱無線射頻識別，是一種通信技術，可通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或光學接觸。RFID?是一種簡單的無線系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于控制、檢測和跟蹤物體。整個系統(tǒng)由閱讀器、應答器和應用軟件系統(tǒng)組合而成。應答器指的就是標簽：主要是由芯片及相關器件組成，當標簽綁定在目標物體上時標簽具有唯一的識別編碼，其主要是作為一種應答設備出現(xiàn)。閱讀器又叫讀寫器，主要分為手持讀寫器和固定式讀寫器兩種類型[44]。其是由芯片和耦合元件組成，具有讀取標簽信息的功能。天線是整個系統(tǒng)中的關鍵裝置，具備對數(shù)據(jù)接收和發(fā)射的功能。在整個系統(tǒng)中必須要對天線的參數(shù)進行專業(yè)的設置，邀請專業(yè)人員進行安裝，從而保證閱讀器和標簽之間的數(shù)據(jù)能夠正常的傳輸。應用軟件系統(tǒng)主要是對傳輸?shù)较到y(tǒng)的數(shù)據(jù)根據(jù)需要進行處理，作為一種應用性軟件，面向的是廣大的用戶群。RFID?技術的基本原理[45]是：電子標簽閱讀器發(fā)射特定頻率的無線電波能量，當電子標簽進入感應磁場后，電子標簽內部線圈會被激發(fā)出感應電流，產(chǎn)生能量，將內置的標簽信息主動發(fā)送給讀寫器，讀寫器讀取信息并解碼后上傳至中央信息系統(tǒng)進行下一步的數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)工作原理如圖?3-1 所示。

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RFID?的特征是利用無線電波來傳送識別信息，不受空間限制。它最大的優(yōu)點在于可以對高速移動的遠距離目標進行非接觸式自動識別，這一點是條形碼等任何其它的自動識別技術所不具備的。利用?RFID?技術的這一特性，可以解決很多數(shù)據(jù)采集的瓶頸問題。RFID?技術目前來講具有很廣闊的應用前景和研發(fā)價值，那是由于其具有數(shù)據(jù)獲取自動化、設備多樣化微型化、對外界環(huán)境影響較小、具有可靠的安全性和大容量存儲能力等特征。

（5）無線擴頻定位技術基于無線擴頻的列車定位是利用軌旁設備、車載設備和車站電臺設備相互之間利用擴頻通信等技術，實現(xiàn)對列車在運行過程中的精確跟蹤與定位功能。其中軌旁設施和車站電臺設備固定不動，且內部使用的電臺時鐘全部都為同步時鐘，使用同步特性的時鐘信號完成各個電臺間信息的發(fā)射和接收操作?。其具體工作原理如下所述：安裝在列車上的擴頻通信發(fā)射裝置分別向安裝在地面的各測距分站發(fā)射列車位置信息，由于各個電臺上進行數(shù)據(jù)處理的時鐘都具有精確同步的時鐘信號，因此各測距分站在收到列車位置信息后算出列車偽距，將結果發(fā)送到安裝在地面的中心控制站中進行信息處理，最后得到列車的定位信息，并將定位結果傳送至列車車載設備上。無線擴頻定位法的優(yōu)點是隱蔽性強，抗干擾性好，易于實現(xiàn)碼分多址和抗多徑干擾。缺點主要是基站建設成本高，維護不方便。

（6）其他無線定位技術除了上述無線定位技術外，還有超聲波定位測距技術、基于移動網(wǎng)絡的定位技術、基于?WLAN 網(wǎng)絡定位測距技術、基于紅外線的定位測距技術、基于接收信號強（RSSI）的?ZigBee?定位測距技術等。這些技術的特點如下：超聲波定位技術精度很高，但是其結構也比較復雜，測距距離相對較短，一般只有幾十米的距離基于移動網(wǎng)絡的定位技術發(fā)展迅速，但對基礎設施的依賴性較大，精度往往只有幾十米到幾百米。基于?WLAN 的定位測距技術同樣需要覆蓋?WLAN?信號，同時其信號較易受到環(huán)境的干擾。基于接收信號強度（RSSI）的?ZigBee?定位測距技術，釆用的是根據(jù)接收信號強度功率變化來進行定位，其對環(huán)境的適應性較低，適合短距離的無線定位基于紅外線的定位測距技術不會受電磁干擾影響。目前市場上的紅外傳感器結構比較簡單，體積較小，安裝較為靈活，且響應速度快，定位精度高。技術的選擇由于上述列車定位技術都存在一定的缺點，單獨定位的效果不太理想，為了得到更加精確可靠的列車位置信息，將兩種或多種不同的定位方法結合起來進行組合定位，有效的集中各定位技術的優(yōu)點，揚長補短，可以獲得比單獨使用一種定位方法時更高的定位性能，極大地提高定位的可靠性和定位精度。組合定位方法的主要優(yōu)勢在于：提高了整個系統(tǒng)的容錯能力、信息可信度、空間和時間的覆蓋范圍，增大了目標特征矢量的維數(shù)；縮短了獲取信息的時間。因此組合定位可以提高整個定位系統(tǒng)的性能。實際應用中，將與其他多傳感器定位技術（如慣性傳感器、地圖匹配技術等）結合起來，可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，獲得更準確的列車定位效果。根據(jù)上述內容對幾種定位技術工作原理及優(yōu)缺點的分析，結合擬設計的輔助定位系統(tǒng)功能需求和城市軌道交通列車運行線路的特點，本文選擇使用慣性導航技術、RFID技術和紅外定位技術進行組合定位來滿足列車輔助定位系統(tǒng)的定位需求。利用?INS?對列車進行測速，作為列車相對位置參考，結合?RFID?電子標簽的定位信息進行絕對位置的校驗核對，并通過紅外傳感器進行輔助定位保證列車在站臺的定位精度，以實現(xiàn)輔助定位系統(tǒng)的精確停車定位功能。

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