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RFID技术在列车高精度定位中的应用
发布日期:2019-03-19 14:21:50

刘小磊1 , 黄    瑛2
(1.杭州市地铁集团有限责任公司, 杭州 310017; 2.杭州杭港地铁有限公司, 杭州 310017)

 
摘    要: 在 CBTC( 基于通信的列车控制) 系统中,列车定位的精确性是保证列车安全高效运行的前提,而基于 RFID( radiofrequencyidentification,无线射频识别) 的列车定位技术,是提供高精度列车定位的技术条件。 从 电子标签、读写器、系统高层 3 方面对 RFID技术工作原理进行阐述,并介绍基于不同设计标准的 RFID铁路应 答器的技术指标及工作原理;分析影响列车定位精度的列车位置不确定性产生的 3 种因素( 测速误差、轮径误 差和应答器校正误差),提出通过 RFID铁路应答器消除列车位置不确定性,提高列车精确定位的方法,并通 过实测数据,验证 RFID技术高精度定位的可行性,即在不同行车速度下,RFID技术均能准确完成列车定位, RFID应答器响应时间均在 0.2  s以内,实际定位误差均未超过测量值的 2%,可以满足轨道交通中低速 CBTC 列车辅助定位的需求。
关键词: 城市轨道交通; 基于通信的列车控制系统( CBTC) ; 无线射频识别( RFID) 技术; 列车定位; 列车不
确定性; 应答器
中图分类号: U231.6   文献标志码: A    文章编号: 1672  - 6073(2017)03  - 0107 -  05
 

ApplicationofRFIDTechnology inCBTCTrainLocationSystem
LIUXiaolei1 , HUANG Pu2

(1.Hangzhou metrogroup Co., Ltd., Hangzhou 310017; 2.Hangzhou MTRCorporation Co., Ltd., Hangzhou 310017)

Abstract: In thecommunication-based train control( CBTC) system, thetrain locating accuracy isthepremiseforsafeand ef- ficientoperation, and thetrain locating technology in viewofRFIDprovidesthetechnicalconditionsforhigh accuracy oftrain locating.In termsoftheworking principleofRFID technology, thepaperintroducesthetechnicalindicatorsand  theworking principleofRFIDrailway  transponderwith  differentdesign  standards, mainly  analyzesthreefactorsinfluencing  theuncertain train location: speed measurementerror, wheeldiametererrorand reactorcorrecting error, and putsforward themethod ofelim- inating thetrain location uncertainty by RFIDtransponderto improvethetrain locating accuracy.Atlast, thefeasibility ofhigh precision location ofRFIDtechnology isverified by thesitedata.RFIDtechnology can guaranteethetrain locating accuracy un- derdifferenttrain running speeds.TheresponsetimeofRFIDtransponderislessthan 0.2 second, and theerroroftrain locating isno morethan 2% ofthemeasured values, which can  meettheauxiliary  train  locating  requirementswith  CBTCformedium and lowoperation speedsofrailtransit.
Keywords: urban railtransit; CBTC; RFID; train locating; train location uncertainty; transponder


1    研究背景
      目前,新建城市轨道交通列车基本采用 CBTC( 基 于通信的列车控制) 系统运营,随着列车运营间隔的不 断缩短以及 ATO( 列车自动驾驶系统) 高精 度 停 站 的需求,对列车定位精度提出更高的要求。 当前,主流信 号设备厂商均采用 RFID( radiofrequencyidentification, 无线射频识别) 技术作为列车定位的辅助设备,以提高 CBTC列车的定位精度。 随着 ETCS ( 欧洲列车控制系 统) 及 CTCS( 中国列车控制系统) 技术在客运专线等国 内外高铁线路的应用,RFID辅助列车定位技术也得到 了广泛的应用。


2     RFID技术概述
      RFID技术是自动识别技术的一种,它通过无线射 频信号获取物体的相关数据,并对物体加以识别。  RFID 技术无需与被识别物体直接接触,即可完成信息的输入 和处理,能快速、实时、准确地采集和处理信息[1] 。
      RFID因应用不同,其组成也会有所不同,但 基本 都是由电子标签、读写器和系统高层这三大部分组成。 RFID系统的结构框图如图 1 所示[2] 。

2.1  电子标签
      电子标签由芯片及天线组成,附着在物体上用以 标识目标对象,每个电子标签具有唯一的电子编码,存 储着被识别物体的相关信息。

2.2  读写器
       读写器是利用射频技术读写电子标签的设备。  当 RFID系统工作时,首先由读写器发射一个特定的询问 信号;电子标签收到这个信号后,就会给出应答信号, 应答信号中含有电子标签携带的数据信息;读写器接 收这个应答信号,并对其进行处理,然后将处理后的应 答信号传输给外部主机,进行相应操作。
 

2.3  系统高层
       系统高层针对不同的设定做出相应处理,发出指 令信号,并控制执行机构动作。
       目前,RFID在 票务系统[3] ( 城市公交车、 轨道交通 AFC、高速公路收费、门票等) 、收费卡、食品安全追 踪、第二代身份证、门禁系统、防盗、集装箱识别、物流 系统等众多领域获得广泛应用。

3    RFID铁路应答器简介
       CBTC系统是利用不依赖于轨道电路的高精度的 列车定位、双向连续、大容量的车一地数据通信以及车 载、地面的安全功能处理器,实现连续自动列车控制的 一种系统[4] 。  如今采用 RFID技术的铁路应答器己广 泛应用在 CBTC运营线路,用于列车定位、提供线路数 据和列车移动授权等。
       铁路应答器 RFID系统由应答器标签、应答器天线 和应答器主机组成[5] ,标签根据设计标准可分为美式 标签( 简称美标) 和欧洲应答器( 简称欧标) 两种,它们 均广泛用于国内轨道交通,根据不同信号系统平台设 计分别采用,特性比较可参见对应标准,本文总结主要 差异见表 1。  另根据供电方式可分为有源应答器和无 源应答器两种。  CBTC系统中所使用的均为无源应答 器,无源应答器详细数据见表 1 [6] 。



4       列车位置不确定性对定位的影响
4.1  列车位置不确定性概念

       CBTC轨旁 ATP( 列车自动防护) 需要在适当的精 度和充分完整性的条件下实时获取列车位置信息,并 根据列车位置实时计算出列车移动授权。 CBTC列车 在定位过程中,由于各种因素会导致系统误差,该误差 值称为列车位置不确定性。 在 CBTC移 动闭 塞 模 式 下,移动授权终点应位于前行列车的后面,轨旁 ATP为 列车计算移动授权时,需包含列车位置不确定性,以保 证两车的安全运行间隔[7]

4.2  不确定性产生因素
       产生定位误差的因素主要有测速设备测量的不确定性、轮径校准误差和应答器校正误差等。

 

4.2.1  测速误差
       当前普遍采用的测速设备为光电速度传感器,将 其安装在车轮上,通过计算车轮旋转在测速传感器里 产生的脉冲数来测量列车的速度和距离。
       速度传感器向车载 ATP设备发送脉冲,车轮每转 1 圈都发送固定数量的脉冲。 车载 ATP设备对脉冲进 行计数以确定列车速度。 速度传感器可以非常精确地 检测“ 零速度”,最小可以检测到 0.1  kmIh,能 够检测 到的最小位移大约是 3  cm,在移动闭塞区间内测量运 行列车位置精度误差不大于 10  m。
       如果 T是车载 ATP设备获得 N个脉冲的时间,Nw 是车轮每转 1 圈的脉冲数,D是车轮直径,可以得到列 车速度 u为:
 

       传感器脉冲数直接影响列车速度测量的精度,从 而影响列车定位的准确性。

 

4.2.2  轮径误差
       如果 D是车轮直径, Nw 是车轮每转 1  圈的脉冲数,可以得到车载 ATP设备获得速度传感器 N个脉冲后列车的走行距离 S:

       如果列车轮径出现误差,如车轮磨损或轮径值设 定不准确等,随着运行距离的不断增加,将导致列车位 移误差呈线性增长,影响列车定位的准确性。
 

4.2.3  应答器校正误差
       应答器的校正误差由应答器及车载天线的位置安 装误差和应答器接收偏差组成。 由于应答器与车载天 线间使用 RFID射频方式进行通信,其通信信号有一定 的辐射范围,辐射面呈扇形区,故应答器及车载天线的 安装有着严格的安装精度要求。 人工安装误差始终存 在且无法避免,所以计算列车不确定性时需考虑最坏 安装情况下的误差值[8] 。
       另外,由于受应答器辐射范围及列车获得应答器 信息时延的影响,从列车收到并正确处理信息到应答 器接收信息中的应答器坐标点与实际存在一定偏差, 影响列车测距误差,故计算列车不确定性时需考虑最 坏情况下的应答器接收偏差值。 应答器辐射范围如 图 3所示。

5       RFID应答器对列车定位的作用
5.1  列车自动轮径校准

       为降低列车轮径误差引起的列车不确定性,提高 其定位精度,CBTC系统提供自动轮径校准功能,当列 车车轮磨损或其他原因变化后可获得列车最新的实际 轮径值。 自动轮径校准( 见图 4 ) 功能通过精确布置在 转换轨( 有些厂家安装在区间) 附近的两个连续 RFID 应答器实现,列车在进入正线之前或者退出运营回库 时,可完成对列车轮径的自动校准。

       自动轮径校准过程:利用速度传感器测出列车经过两个应答器的转动圈数,根据列车运行距离等于车 轮转动圈数乘以列车车轮周长( 列车车轮周长等于当 前轮径值乘以圆周率 τ) ,计算得到列车的运行距离, 将该运行距离与所述实际距离进行比较,若该运行距 离等于所述实际距离,则表示当前车轮磨损不明显,此 时不需要校准轮径值,若该运行距离大于所述实际距 离,则表示车轮有磨损,需要校准轮径值。  轮径更新值 Dn  等于两应答器间安装距离( 该距离已写入系统电子 地图) 与列车的行走距离之比再乘以校正前的 轮 径 值,即:

       其中,D是车轮直径,Nw 是车轮每转 1 圈的脉冲 数,S 为两应答器间安装距离,N为列车在两应答器间 走行所获得的脉冲数。

 

5.2  列车位置定位
       列车位置定位(见图 5)是列车依靠 CBTC系统有效 运行的前提条件[9] ,列车初始位置定位是凭借两个连续 RFID应答器实现的,当车载信号系统接收到第 1 个应答 器 ID信息后,依此从线路数据库中查询到列车所在的位 置坐标,当接收到第 2 个应答器 ID信息时,根据读到的 两个应答器所在的线路位置坐标,判断出列车运行的方 向,从而对列车运行做出精确定位。

5.3  列车位置校准
       列车位置不确定性随着列车运行里程的增加呈规 律性变化。  根据不确定性值的变化规律,可分为固定 误差和累积误差,固定误差主要由应答器校正误差构 成,累积误差主要由测速误差( 含传感器计算误差、车 轮磨损计算误差等) 构成,累积误差随着行驶里程的增 加而呈线性增长。
       为了减少列车不确定性持续增长对列车运行安全 的影响,引入了应答器对列车的位置进行校准。  在线 路上每隔一段固定距离铺设一个应答器,列车在经过应答器时获得该应答器的 ID信息,并依据 ID信息从 线路数据库中查询到列车所在的精确线路位置坐标, 将不确定性累积误差值清零。  考虑到应答器自身的校 正误差,不确定性固定误差值始终存在,无法消除。  当 列车从 x0  点应答器运行到 x点应答器时,其不确定性 计算表达式如下:

       其中,s表 示列车不确定性误差, sg 表示固定误差,s1表示累积误差。
       CBTC列车在运行过程中,通过布置在线路上的应答器不断校准,列车不确定性变化趋势见图 6。

       列车每通过一个应答器,如图 6 中实线部分,累积 误差就清零一次, 列车位置被校准, 列车不确定性缩 小;当其中一个应答器 B信息丢失未被正确校准,如图 6 中虚线部分,且列车到达 C应答器时,不确定性将远 大于被应答器 B校准后的值。  当多个应答器信息连续 丢失时,不确定性值将呈线性增长,影响列车的运行安 全。  所以,目前通用设计是当连续丢失 2 个应答器时, 列车即触发紧急制动。

5.4  RFID应答器定位精度验证
       当列车与 RFID应答器相互作用时,列车需及时获 得应答器的数据,以保证列车精确定位;而 RFID应答 器固有的校准误差,直接影响列车的定位精度。  根据
《 城市轨道交通 CBTC信号系统:ATP子系统规 范》 要 求[10] ,车载信号设备自接收到地面信息至完成处理的 时间应小于或等于 0.75  s,列车位置最大测量误差小 于或等于 2%。  为验证 RFID应答器是否满足相关轨道 交通参数要求,特选用 Transcore厂家的一款铁路 RFID 应答器,测试列车在不同速度下 RFID应答器的响应时 间及所对应的测距误差。
        应答器响应时间测试结果如表 2 所示。

       不同行车速度下的定位误差,由固定误差和 RFID 应答器校准实际误差组成,而固定误差为旁瓣和应答 器安装等无法消除的误差。  应答器的定位误差测试结 果如表 3 所示。
 

 

       测试结果表明,不同行车速度下,RFID技术 均能 准确完成列车定位,RFID应 答器响应时间均在 0.2  s 以内,实际定位误差均未超过测量值的 2%,满足轨道 交通中低速 CBTC列车辅助定位的需求。
 

6     结语
       列车定位是 CBTC列 车正常运行的基础条件, 其 精度和可靠性是确定列车安全防护距离的重要因素。 基于 RFID技术的铁路应答器可 满足 CBTC列 车定位 需求,配合列车电子地图消除列车定位误差,精准地确 定列车在线路上的位置,保证 CBTC列车的安全运行, 在 CBTC列车定位系统中起着非常重要的作用。


收稿日期: 2017 03 30 修回日期: 2017 04 25
第一作者: 刘小磊,男,硕士,工程师,从事轨道交通信号系统的应用 研究, liuxiaolei@hzmetro .com.

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