城市轨道交通封闭曲线线路列车定位技术摘 要:针对城市轨道交通中列车在线路上循环运行的特点,在分析现有列车定位方法的基础上,提出具有封闭曲线特征轨道线路基于绝对位置编码的列车定位技术。在轨道线路沿线每个待定位置上设置一个0或1的二值标记,对待定的绝对位置进行编码,通过检测唯一的绝对位置编码值来实现列车的定位。结合封闭曲线线路的特点,线路上的二值标记按照m序列布置,绝对位置编码序列由n次本原多项式生成。根据封闭线路待定位置的总数,对m序列采用截短或补零的方法,确定绝对位置编码序列的长度。当列车在线路上运行时,通过车载阅读器顺序检测二值标记,在移位存储器中构成绝对位置编码值,利用生成绝对位置编码序列的反馈逻辑函数进行容错处理,输出定位信息。二值标记采用附加的扣件螺母或射频电子标签等方式实现。该技术可以实现高精度、低成本和高可靠性的列车定位。关键词:城市轨道交通;列车定位;绝对位置编码;m序列 实时、精确的列车定位技术是实现城市轨道交通移动闭塞的前提,可以减少连发列车间隔时分,缩短追踪列车间隔时间,增加行车密度,提高线路输送能力[1];同时也有利于在车站实现定点停车,以便在站台设立屏蔽门,确保乘客安全。 目前在国内外城市轨道交通中有多种列车定位方法[2-4]。基于轨道电路的列车定位精度取决于轨道电路的长度,不能实现精确定位,无法构成移动闭塞。基于查询/应答器的列车定位,在地面应答器安装点的定位精度较高,但是只能给出点式定位信息,存在设置间距和投资规模的矛盾;目前一般采用混合定位法,即用轮轴编码器累加测距,以查询/应答器纠正累计误差,这种方法在轮径变化、打滑或空转时,累计误差可能很大,临近前方应答器时,累计误差达到最大。交叉感应回线定位方式既可以实现列车定位,又能实现列车与地面之间的双向通信,但定位精度受交叉区长度的限制,如果交叉区比较窄,位置脉冲漏计的可能性增大,在感应回线交叉点之间可以采用转速计测距,以达到更高的定位精度。通过多普勒雷达或加速度传感器(陀螺仪)测量列车的行驶速度,计算已行驶的里程,确定列车在线路上的具体位置,这是一种典型的增量式相对定位,存在累计误差,在定位精度要求较高的地点,可以通过加标志位的方法不断校正其位置信息。无线扩频定位法可以实现列车比较精确的定位,但需要在沿线设置专用扩频基站,投资成本较高。裂缝波导定位技术通过计数器确定列车经过的裂缝数来实现列车定位,也是一种相对定位技术。在磁悬浮列车中还可以采用基于长定子直线电动机定子齿槽计数和绝对定位标志板检测相结合的定位技术,每个定位标志板包含4位地址信息。 本文提出一种基于绝对位置编码的封闭曲线线路列车定位技术,用以精确确定列车在具有封闭曲线特征的城市轨道交通线路上运行时的绝对位置。1 具有封闭曲线特征的轨道线路绝对位置编码方法1.1 绝对位置编码原理 通过对轨道线路上的待定位置进行绝对编码,当列车在线路上运行时,检测每个待定位置的绝对位置编码值,实现对列车的定位。对轨道线路进行绝对位置编码,采用在每个待定位置上设置一个0或1的二值标记,由车载阅读器沿线路顺序阅读二值标记,在移位存储器中构成唯一的绝对位置编码值。 在城市轨道交通中,列车在具有封闭曲线特征(如环线)的线路上循环运行,要求每个待定位置的绝对位置编码值在整个周长内具有唯一性,并且以线路周长为周期循环出现,二值标记按照m序列布置。n级m序列的周期为2n-1,对2n-1个绝对位置进行编码,绝对位置编码值在n位移位存储器中构成,移位存储器按照先进先出的排队方法移位,先进入的位构成二进制数的高位,后进入的位构成二进制数的低位,移位存储器各位所对应的二进制数权值组成的权值矩阵为W=[2n-1 2n-2 … 21 20] (1) 例如,对于5级m序列,n=5,N=25-1=31,实现列车在31个绝对位置上的定位。由式(1)得 W=[24 23 22 21 20]T 轨道线路上第1个待定位置至第31个待定位置上的二值标记按照如下5级m序列布置1101010000100101100111110001101 由此得到二值标记布置行向量A。列车在封闭曲线线路上循环运行时,车载阅读器顺序阅读二值标记并送入5位移位存储器。由A生成一个阅读矩阵R,每行表示在相应待定位置移位存储器中二值信息的存储情况。定义一个顺序读取算子Seq,则 R=SeqA,rij=amod(i+j+N-n,N) (2) (i=1,2,…,N;j=1,2,…,n) 式中:下标mod(i+j+N-n,N)表示i+j+Nn对N取余。在各个待定位置移位存储器中的二进制数所构成的编码矩阵为B=R×W (3) 表1列出了在不同待定位置上,移位存储器中绝对位置编码值的二进制形式、十进制形式及所对应的里程值。查表译码输出相应的里程值,实现对列车的绝对定位。1.2 绝对位置编码序列的产生 封闭曲线线路待定位置上二值标记组成的绝对位置编码序列由m序列来实现。m序列又称最大周期线性反馈移位寄存器序列,由线性反馈移位寄存器(LinearFeedbackShiftReGISter,LFSR)生成。典型LFSR的基本结构如图1所示,图中每级移存器的状态用aj表示,aj∈{0,1};反馈线的连接状态用cj表示,cj=1表示此线接通(参加反馈),cj=0表示此线断开。反馈逻辑函数为
LFSR在定时脉冲的控制下,一步步向外移位输出,输出序列是一个周期序列。对于n级LF-SR,如果所产生的非零序列a=a1a2a3…周期为2n-1,则称序列a为m序列。引进GF(2)上的n次多项式f(x)=1+c1x+…+cnxn,也称它为LF-SR的联接多项式。G(f)中的非零序列均为m序列的充分必要条件是:f(x)为GF(2)上的n次本原多项式[5]。可见,知道本原多项式,就可以根据式(4)求出反馈逻辑函数,进而求出此LFSR所产生的m序列。n次多项式f(x)为本原多项式必须满足以下3个条件: (1)f(x)为既约多项式; (2)f(x)可整除(xp-1),p=2n-1; (3)f(x)除不尽xq-1,q>p。 例如,对于5次本原多项式f(x)=1+x2+x5,c2=c5=1,c1=c3=c4=0,代入式(4)得反馈逻辑函数ak=ak-2⊕ ak-5。设a1a2a3a4a5为11110,由此反馈逻辑函数所生成的5级m序列为11110011010010000101011101100012 具有任意待定位置数封闭曲线线路的绝对位置编码 n级m序列只能对2n-1个绝对位置进行编码,在实际应用中,需要根据封闭曲线线路待定位置的总数确定绝对位置编码序列的长度,所以有必要寻找周期p=2n和p<2n-1的绝对位置编码序列。在n级m序列中,长度为n的0—游程不存在,存在唯一一个长度为n-1的0-游程,取如下形式
在连续的n-1个0之间插入一个0,使得移位寄存器全0状态的前一个状态为100…00,下一个状态为00…001,其余状态转移按正常线性反馈进行,即生成了周期p=2n的绝对位置编码序列。设生成原始m序列LFSR的反馈逻辑函数为f(ak-1,ak-2,…,ak-n),则插入0后周期为p=2n绝对位置编码序列的反馈逻辑函数为
由反馈逻辑函数可知,此序列属于非线性序列。 利用m序列产生任意周期p(p<2n-1)的绝对位置编码序列,需要修改m序列的线性反馈方程,通过截短m序列的长度实现[6]。对m序列截短并保证符合移存规律的关键是寻找起跳状态,然后消去Δp(Δp=2n-1-p)个码元。设n级m序列为序列Ⅰ,将序列Ⅰ循环左移Δp位后得到序列Ⅱ,将这2个序列各位对应进行模2加法运算得到序列Ⅲ。序列Ⅰ起跳状态对应序列Ⅱ的位置,为起跳到达状态的前一个状态,将起跳状态与起跳到达状态的前一个状态进行模2加法运算将得到100…00(n-1个0),所以序列Ⅲ中100…00所对应序列Ⅰ的位置就是产生周期p<2n-1序列的起跳状态。由于2个彼此移位等价的m序列之模2和仍为m序列,所以序列Ⅲ中存在唯一的100…00(n-1个0),对应序列Ⅰ有唯一的起跳状态。 寻找周期p<2n-1的绝对位置编码序列,其步骤如下: (1)确定m序列的级数,log2p<n<log2p+1; (2)寻找起跳状态; (3)从起跳状态之后消去Δp个码元。 例如,对于周期p=25的绝对位置编码序列,log225<n<log225+1,取n=5。设序列Ⅰ为5级m序列1000010101110110001111100110100 将序列Ⅰ循环左移Δp=25-1-25=6位,得到序列Ⅱ0101110110001111100110100100001 将上述2个序列进行模2加法运算,得到序列Ⅲ1101100011111001101001000010101 如图2所示,从序列Ⅲ中找出10000(n-1=4,有4个0),对应序列Ⅰ的位置11001就是起跳状态,如Δ所标示的码元,从其后开始连续消去Δp=6位码元,如×所标示的码元,即可得到周期p=25的绝对位置编码序列0000101011101100011111001 列出其状态转移真值表,做出卡诺图,得到此序列的反馈逻辑函数为
图3表示了在5级m序列中,从状态11001开始起跳,跳过6个状态,到达状态10010,得到长度为25的绝对位置编码序列的状态转移过程。
3 列车定位实施方案 在封闭曲线线路的每个待定位置(每一根轨枕或间隔几根轨枕)上设置二值标记,对其进行绝对位置编码,所需m序列的级数和移位存储器的位数n根据待定绝对位置的总数N决定,即 log2N≤n≤log2N+1 (7) 当N=2n-1时,直接按照m序列实现编码;当N=2n时,在m序列连续的n-1个0之间插入一个0得到绝对位置编码序列;当N<2n-1时,截短m序列以满足绝对位置编码的需要。通过车载阅读器顺序读取二值标记,经过信号处理单元后得到0或1送入移位存储器,再经过译码单元以位置编码值为地址查找数据库,输出列车定位信息。定位信息既可以是里程值,也可以是三维坐标值、高程、曲率及限速等与行车安全相关的数据信息。根据列车的行驶方向确定移位存储器各位所对应二进制数的权值。为了防止读取误码而输出错误定位数据,校验单元利用生成绝对位置编码序列的反馈逻辑函数,对新读入的二值标记进行校验。列车定位实施过程如图4所示。
在封闭曲线线路各个待定位置上设置的二值标记既可以等间隔也可以不等间隔。在需要定位精度较高的区段,比如站台及附近区段,采用比较密集布置,得到较高定位精度,实现列车的定点停车;在需要定位精度较低的区段,布置得稀疏一些。在两个二值标记之间也可以采用轮轴编码器等其他增量式列车定位方法细化定位精度。 二值标记采用附加的扣件螺母或射频电子标签等方式实现。当采用射频电子标签作为二值标记时,利用射频式车载阅读器读出二值标记,射频电子标签中只需要存储一位信息码0或1即可。当采用附加的扣件螺母作为二值标记时,利用电涡流式车载阅读器读出二值标记,装有1个螺母的在役扣件螺栓可作为标记0,装有2个螺母的扣件螺栓可作为标记1。德国EngelbergT等已成功应用电涡流传感器检测到铁路线路上钢轨扣件和道岔的特征信号[7-10]。笔者对采用附加扣件螺母作二值标记的可行性进行了实验研究,在激励频率10kHz、检测距离75mm的情况下,采用差分式电涡流传感器可以正确区分扣件螺栓上的单双螺母。4 结 语 通过m序列及对m序列做适当的处理,可以满足城市轨道交通封闭曲线线路对绝对位置编码的需要,实现列车的绝对定位。该定位方法可以提高列车定位的精度和可靠性,抗干扰能力较强,成本较低。参考文献[1]罗丽云,吴汶麒.城市轨道交通移动闭塞列车安全间隔时间分析[J].中国铁道科学,2005,26(1):119-123.(LUOLiyun,WUWenqi.AnalysisontheSafetyTimeIntervalofTrainwithMovableBlockSysteminUrbanRailTransit[J].ChinaRailwayScience,2005,26(1):119-123.inChinese)[2]刘 进,吴汶麒.轨道交通列车定位技术[J].城市轨道交通研究,2001,4(1):30-34.(LIUJin,WUWenqi.TrainPositionTechnologyofRailwayandMassTransit[J].UrbanMassTransit,2001,4(1):30-34.inChinese)[3]孙林祥,房 坚.城市轨道交通的列车定位技术[J].电子工程师,2002,28(7):27-29.(SUNLinxiang,FANGJian.TheTechniqueofTrainPositionDeterminationinMassTransit[J].ElectronicEngi-neer,2002,28(7):27-29.inChinese)[4]钱存元,韩正之,邵德荣,等.磁悬浮列车测速定位技术[J].上海交通大学学报,2004,38(11):1902-1906.(QIANCunyuan,HANZhengzhi,SHAODerong,etal.SurveyontheTechniquesofSpeedandPositionMeasure-mentofMaglevTrain[J].JournalofShanghaiJiaotongUniversity,2004,38(11):1902-1906.inChinese)[5]肖国镇,梁传甲,王育民.伪随机序列及其应用[M].北京:国防工业出版社,1985:59-79.(XIAOGuozhen,LIANGChuanjia,WANGYumin.Pseudo-RandomSequencesandTheirApplications[M].Bei-jing:NationalDefenceIndustryPress,1985:59-79.inChinese)[6]刘必虎,沈建国.数字逻辑电路[M].北京:科学出版社,1999:202-205.(LIUBihu,SHENJianguo.DigitalLogicCircuit[M].Beijing:SciencePress,1999:202-205.inChinese)[7]MeschF,LeonFP,EngelbergT.Train-BasedLocationbyDetectingRailSwitches[C]//ComputersinRailwaysⅦ.Southampton:WITPress,2000:1251-1260.[8]EngelbergT,MeschF.EddyCurrentSensorSystemforNon-ContactSpeedandDistanceMeasurementofRailVehi-cles[C]//ComputersinRailwaysⅦ.Southampton:WITPress,2000:1261-1270.[9]EngelbergT.DesignofaCorrelationSystemforSpeedMeasurementofRailVehicles[J].Measurement,2001,29(2):157-164.[10]EngelbergT,LeonFP.DetectionofTrack-SpecificCharacteristicsforLocationinRailboundTraffic[J].Technis-chesMessenTm,2002,69(11):453-460.
