第30卷第2期2008年4月铁道学报JOURNAL

oFTHECHlNARAILWAYSOCIETYV01.
30No.
2April2008文章编号:1001—8360(2008)02一0071一07虚拟应答器研究进展与发展展望王剑,张辉,蔡伯根,陈德旺(北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室,北京100044)摘要:欧洲应答器(Eurobalise)是欧洲列车控制系统(ETCS/ERTMS)中广泛使用的列车定位设备.
在使用时需要铺设大量的地面设备,需要昂贵的费用和较大的维护量.
随着卫星定位导航(GNSS)技术的发展,定位精度越来越高;同时越来越多的卫星定位系统(GPS,GLoNASS,GALILE0)可用,使得降低列车定位的成本成为可能.
国际铁路联盟(UIC)提出采用卫星定位导航技术,辅以地图匹配技术实现虚拟应答器(virtualbalise).
虚拟应答器可以部分甚至全部取代实物应答器,无需地面轨旁设备.
本文就虚拟应答器的发展背景、功能要求、实现方式、应用方式以及目前发展的现状进行描述,并且建议在中国的列车控制中采用虚拟应答器,从而适应中国铁路快速发展的需要.
关键词:卫星导航定位系统;虚拟应答器;ETCS/ERTMS中图分类号:U284.
76文献标志码:ATheResearchProgressandProspectofVirturalBaliseWANGJian,ZHANGHui,CAIBo—gen,CHENDe—wang(StateKeyLaboratoryofRailTrafficControlandSafety.
BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)Abstract:EurobaliseshavebeenwidelyusedasthetrainpositioningdeviceinETCS/ERTMS.
Buttheirconsid—erableexpenseandmaintenanceduetolargeamountofgroundequipmentaretheirdisadvantages.
Higheraccu—racyandmoreavailableGNSSsystems(GPS,GLONASSandGALILEO)havemadecostreductionpossible.
SothevirtualbalisesbasedonGNSSandMap-matchingtechnologyhavebeenpromotedbyUIC.
Virtualbalis—escanreplacerealbalisespartlyoreventotally.
Inthispaper,thevirtualBalise'sbasicstructure,implementa—tionandfunctionsareintroduced;thegeneralsituationofdevelopmentandprospectisanalyzed.
Finally,itissuggestedthattheChinaTrainControlSystemshouldadoptvirtualbalisetechnology.
Keywords:GNSS;virtualbalise;ETcs/ERTMS为了解决欧洲各国铁路互联互通问题,进一步提高列车运行的安全性和高效性,降低运营成本,增强竞争优势,欧盟委员会资助制订了欧洲列车控制系统/欧洲铁路运输管理系统ETCS/ERTMS(EuropeanTrainControlSystem/EuropeanRailwayTrafficManagementSystem)需求规范,在此基础上成功构建了分级的、具有欧洲特色的列车运行控制系统.
在ETCS/ERTMS中,欧洲应答器(Eurobalise)被广泛用于进行列车定位.
为了提高定位精度,欧洲应答器必须高密度地布收稿日期:2007-09-19;修回日期:2007-11-12基金项目:国家863计划项目(2007AAllZ214);国家自然科学基金资助项目(60776833);北京交通大学校基金资助项目(2007XM001)作者简介:王剑(1978一),男,山西隰县人,博士.
E-mail:wangj@bitu.
edu.
cll设在轨道上,由此带来了高昂的建设成本和高维护工作量.
随着卫星定位技术不断发展,卫星定位服务已经开始逐渐进入到铁路领域,这对列车定位的方式产生了重要的影响.
全球导航卫星系统GNSS(GlobeNavigationSatellitesSystem)是一种以卫星为基础的无线电导航系统.
系统发送高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时信息,是一种可供海陆空领域的军民用户共享的信息资源口引.
目前GNSS主要包含美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲Galileo以及相关增强系统.
基于GNSS的定位技术可以有效地节约列车定位成本,并具有较高的定位精度.
国际铁路联盟(UIC)提出了基于GNSS技术的虚拟应答器(VirtualBalise)的概念,采用GNSS组合定位来代替欧洲应答http://www.
paper.
edu.
cn中国科技论文在线72铁道学报第30卷器'10].
本文就虚拟应答器的研究进展进行阐述.
1虚拟应答器研究背景虚拟应答器是根据ETCS/ERTMS中的欧洲应答器发展而来的.
1.
1欧洲应答器的使用情况欧洲应答器由车载查询器BTM(BaliseTransmitModule)、地面应答器(Balise)和轨旁电子单元LEU(LinesideElectronicUnit)组成[1],如图1所示.
图1欧洲应答器的组成当列车驶入应答器的捕获区域时,车载查询器首先以一定的频率通过电磁感应的方法将能量传递给应答器,应答器被激活,应答器内部电路在接收到能量后开始工作,将所储存的数据以某种调制方式通过电磁感应发送到车上.
这些信息被车载查询器解码处理后,可以用来得到列车的精确位置.
在ETCS/ERTMS中,应答器用作连续式列车速度自动控制系统的列车精确定位设备,亦可以用作点式列车速度控制系统的列车检测、定位辅助设备￡8'9].
采用应答器定位时,定位精度与应答器的布设密度有关.
为了准确的定位就必须大量的设置地面应答器.
这样就带来了高额的成本,比如在一条2500km长的铁路上布设欧洲应答器,就会花费lOOO万欧元【1¨.
因此,应答器的高昂成本,给ETCS的推广带来了阻力.
1.
2虚拟应答器概念的提出对于一些运量较低的铁路,铁路运营部门往往不愿意投入太多的人力、物力和财力进行列车控制系统的改造.
为降低成本,人们寻求更好的定位方式.
例如采用里程计等车载定位设备,应答器用来校准里程计产生的累积误差,这样就减少了应答器的设置数量.
为了降低列车控制系统的成本,UIC在2000年11月和2003年10月分别提出了低成本欧洲列车控制系统(ETCS-LC)的使用需求说明和功能需求说明.
在该说明中,提出了ETCS-LC的概念以及功能,指出ETC孓LC要实现的目标以及能提供的功能,要以较低的价格满足目前的需求,提供较好的性能和可用性,并且符合已有的技术标准,不浪费以往的投资.
在文档中,描述了低密度运量线路上列车运行控制系统的功能需求,着重阐述了轨旁设备的技术规范[2州].
将GNSS技术引入ETC孓LC系统,可以降低列车定位的成本.
采用GNSS支持的定位技术可以减少对应答器的需求,甚至取代应答器,从而降低建设和维修费用.
在十几年前制定ETCS标准时,GNSS或GPS还鲜为人知,其性能和技术也远未达到实用程度,所以ETCS没有考虑GNSS.
直到近年来,GPS去除SA政策,EGNOS开始运行,特别是伽利略(GALI—LEO)系统开始建设,欧洲铁路才开始考虑将GNSS引入列车控制系统.
GNSS目前以GPS为主,定位精度可达米级.
虽然卫星定位信号会被隧道、建筑物、山等等遮挡,造成GPS局部无法定位,但通过GNSS与其他传感器和数字地图组合可以提高定位的可用性和完善性.
不远的将来,新的伽利略系统将投入运行,不仅会削弱对GPS的依赖,而且能提供民用服务保证.
因此ERTMS的制定者开始支持将GNSS技术引进欧洲列车控制系统中去.
认为GNSS的引进将改进和取代某些欧洲列车控制系统的现有设备.
在采用GNSS定位的基础上,辅以组合定位技术,国际铁路联盟提出了虚拟应答器的概念为:虚拟应答器是一个车载系统,它通过软件处理GNSS组合定位单元的导航信息,实现应答器的功能.
虚拟应答器可以实现列车定位而无需轨旁设备,它与ETCS标准定义的车载设备规范兼容.
虚拟应答器在列车定位上的功能可以完全替代欧洲应答器H].
2虚拟应答器的原理虚拟应答器模拟一个真正的放置在轨道上的欧洲应答器.
当列车运行到一个轨道上的参考点,而且车载定位设备检测当前定位输出的结果与参考点的位置符合时,虚拟应答器就向车载查询器发送一个位置信息口].
这个信息与真正轨道上的欧洲应答器发送的信息完全相同.
该参考点就是虚拟应答器的布置点,该参考点的信息(地理坐标、编号等等)保存在车载虚拟应答器数据库和无线闭塞中心的数据库里.
图2为虚拟应答器的组成图.
虚拟查询应答器的功能原理图如图3所示.
虚拟应答器与欧洲应答器完全兼容:虚拟应答器可以接收从欧洲应答器发送过来的位置信息,也可以接收欧洲第2期虚拟应答器研究进展与发展展望73虚图2虚拟应答器组成图应答器的注入信息.
虚拟应答器在必要的情况下可以被隔离,被隔离后不影响欧洲应答器或者是ETCS车载设备的正常工作.
虚拟应答器识别程序将列车当前坐标与下一个虚拟应答器的坐标(保存在车载虚拟应答器数据库中)进行比较.
如果坐标匹配,评估当前的精度是否满足要求(捕获时间).
匹配成功则发出信息,下一个虚拟应答器被识别.
把被识别的虚拟应答器的ID以及其他信息(虚拟应答器组ID,列车运行方向等等)打包发送.
信息包的格式符合欧洲应答器信息的格式.
图3虚拟查询应答器的功能原理图3虚拟应答器的发展与应用目前,欧盟已经启动了几个项目涉及虚拟应答器的研究.
比如GADEROS(GalileoDemonstratorforRailwayOperationSystem)、RUNE(RailwayUserNavigationEquipment).
有的项目虽然当时没有提出虚拟应答器的概念,但是项目的细节与虚拟应答器是基本相同的,如ECORAIL(EGNOSControlledRailwayEquipment).
在这些项目中,首先评估了以GNSS为主、多传感器进行数据融合的列车定位的可用性;对GNSS定位的可用性、可靠性和安全性进行了分析;利用辅助传感器,对GNSS失效后的定位问题进行了分析,提出了解决办法,并且经过现场试验,证明了采用虚拟应答器进行列车定位的实用性.
3.
1RUNE2000年12月6日,欧洲空间局(ESA)启动了RUNE项目.
该项目旨在将GNSS技术引入到铁路应用中,展示利用GNSS与其他惯性传感器,实现列车自主定位和测速.
RUNE系统利用现有的EGNOS完好性和广域差分校正服务,通过基于导航Kalman滤波器的混合导航系统扩展其可用性.
列车运行所需要的数据主要来自卫星定位接收机以及惯性测量单元.
采用这些传感起增强里程表精确性、坚固性和完好性估计功能,使其功能完整;RUNE包含虚拟应答器,当检测到虚拟应答器时,RUNE给车载列车控制设备一个应答器的报文.
用虚拟查询应答器代替实际应答器以减少轨道设备的数量;提供实时的精确轨道信息给列车控制设备,并提供给列车司机进行速度监控.
RUNE系统组成如图4所示[1引.
图4RUNE系统组成AntonellaAlbanese等人在LABENRUNE实验室里对系统进行了测试,在基于实际铁路环境的仿真实验室内验证系统功能和性能.
实验使用多通道SPIRENTGPS/EGNOSRF仿真器,Novatel公司的Eur04/EGNOS接收机,AnsaldoSegnalamentoFer-roviario(ASF)公司提供BTM和车轮传感器,以及CrossBow公司的惯性测量单元IMU700CA和IMUsimulation软件.
实验对于使用数据融合算法以提高虚拟应答器定位性能进行了分析,通过输入不同的参数到仿真器,得到不同条件下系统的性能.
测试时使用GPS、GPS+IMU、GPS+oDO、GPS+IMU+OD0这4种定位方式,得到了在这4种定位方式下虚拟应答器的精度.
测试结果如表1所示.
可以看出,单纯使用GPS进行定位,误差最大时会超过lm,使用GPS+IMU的效果稍好,而如果使用3种定位方式即GPS+IMU+ODO,绝对定位误差在lm以内.
由此可见,在实现虚拟应答器的功能时,可以考虑采用组合定位的方式,以优化定位精度,提高虚拟应答器的性能[12.
.
74铁道学报第30卷表1位置误差分布定位方式最大误差/mGPSGPS+IMUGPS+oDOGPS+IMU+OD01.
61.
41-40.
9RUNE表明虚拟应答器增强了列车的绝对定位能力.
通过利用EGNOS和传感器测量融合和冗余,提高了准确性和完好性.
通过使用导航滤波、多传感器融合解决了车轮传感器误差漂移和速度精确估计能力的问题.
虚拟应答器在大部分时间内可以取代实际应答器,提高了列车控制系统的灵活性,是很好的成本效益方案.
3.
2GARDEROSGADEROS是欧洲Galileo计划的重要部分,由欧盟委员会的能源和交通部门管理.
GADEROS论证了GNSS在铁路领域的安全性和完善性以及与现有铁路规范的兼容性,并将它集成到ERTMS/ETCS结构中.
这个结果对Galileo工程的完善起到非常重要的作用,它充分说明铁路部门能够从Galileo工程中获得巨大的经济收益[2].
GADEROS项目从2001年12月开始,历时30个月,于2004年6月结束.
虚拟应答器是GARDEROS的一个重要组成部分,项目深入研究了其应用方法及特性[7].
SergiodeMiguel等人在2003年主要研究了卫星定位接收机的输出频率、列车速度与虚拟应答器的报文延时以及捕获率之间的关系Ll引.
他们根据虚拟应答器的特点,设定了两个捕获区域,如图5所示,图中阴影区域被称为大捕获区域(Armzone),阴影中的白色部分被称为小捕获区域(Capturezone),白色小圆圈为卫星定位接收机输出的定位点,黑色小圆圈为虚拟应答器所在位置.
当列车运行至虚拟应答器附近时,如果定位点在小捕获区域的范围内,则系统认为已经捕获到应答器,并将应答器的报文传送给列控系统.
如果卫星定位接收机输出的定位点未进入小捕获区域而在大捕获区域内,应答器也会被捕获,但报文中输出的捕获时间并不是当前定位接收机输出的时间,而是要根据当前时间、列车运行的速度以及距应答器点的距离而进行重新计算.
测试时,研究人员将卫星定位接收机的输出频率设定为1Hz,布设.
30个虚拟应答器点,每个虚拟应答器之间间隔120m,列车以不超过45km/h的速度运行.
列车行驶速度如图6所示[15].
测试的虚拟应答器的捕获率如图7所示.
其中,=_、Im邑瑙幽姗赢获区域图5虚拟应答器两种捕获范围示意图标准时间/(x10.
s1图6测试时的列车速度旧黑柱代表使用卫星定位接收机输出的位置进行捕获的成功率,白柱代表将卫星定位接收机输出的位置匹配到相应的轨道后再进行捕获的成功率.
可以看出,在捕获半径一定时,将定位点匹配到相应的轨道上可以提高捕获率.
当卫星定位接收机的输出频率固定为1Hz时,随着设定的捕获半径增大,捕获成功率也会相应提高u".
10080逞60糌榉蜒4020024'681012捕获半径,m图7虚拟应答器的捕获成功率嗍列车在捕获虚拟应答器后产生应答器报文.
产生报文的时刻与列控系统接收到该报文的时刻间会有一定延时,在此延时内,列车会走行一定的距离,由此会产生捕获误差.
图8表示虚拟应答器的捕获半径为12m时的延时情况.
从图中可以看出,大部分应答器的延时都小于0.
05sLl".
SergiodeMiguel等人还对捕获半径与延时的关系进行分析,结果如图9所示.
结果表明,随着捕获半第2期虚拟应答器研究进展与发展展望75删籁黯稚目应答器延时/s图8虚拟应答器延时情况旧径的增加,延时也相应增强,但当捕获半径增加到一定程度,即5.
5m时,延时就稳定在0.
5s而不再增加'15].
迥厘1蓉吲域捕获半霍k_/m图9捕获半径与捕获延时的关系嗍由于捕获的成功率随着捕获半径的增加而提高,同时报文延时也随着捕获半径的增加而增加,因此在捕获率与延时之间要找到一种平衡关系,以保证两方面指标都能够得到满足.
研究人员在实验后提出了两种改进方法,一种是将虚拟应答器Armzone的半径定义为一个速度统计特性的函数,根据列车运行速度的不同,动态定义Armzone的大小.
另一种是随着车速的增加,适当提高接收机的输出频率,但对于其具体的关系,还需要进一步研究.
在2005年1月,G.
Barbu等人完成了GARD—EROS项目的最终报告[7].
研究报告进一步对虚拟应答器产生报文的延时问题进行了阐述,对于当列车速度提高时,需要通过提高卫星定位接收机的输出频率减少延时的方法进行了量化分析.
图10为捕获示意图.
当GNSS输出频率为1Hz时,由于捕获时间和发送报文的时间有一定间隔,因此列车是在到达下一个定位点的时候才将在上一个位置点时捕获的虚拟应答器报文传送给列控系统.
当列车速度为117km/h,在1s时间内列车要运行约32m,此时所产生的误差将较大,因此将卫星定位接收机的输出频率提高到10Hz以上,此时可以保证应答器的捕获误差小于2m.
叫\Ⅻ.
40g交30蜮2010—40O4080120160距离,m图10VB捕获示意图GADEROS展示了Galileo工程将对铁路运行产生的重大影响,虚拟应答器作为这个项目中的一个重要组成部分,节省了实现列控系统时大量布置应答器所需的资金问题,以较低的投入实现了较高的功能,并且兼容现有的ERTMS/ETCS规范,是一种低成本列控系统的解决方案,对于实现ETCS-LC有着重要意义.
3.
3ECORAILECORAIL项目主要对卫星定位系统在铁路平交道口的应用进行研究[11].
2003年8月,项目组与奥地利的一家铁路公司合作,在两列列车上安装了车载系统,并选取了一个铁路平交道口进行了实验.
该项目持续了6个月的时间.
实验选取奥地利北部城市林茨的一条名为LinzerLokalbahn的铁路进行,该铁路全长59km,其中25km作为该项目的实验段.
客车运行实验段约需45min,装备ECORAIL的列车在一天可以多次通过实验段进行实验.
其示意图如图11所示.
图11ECORAIL不慈图该实验中列车定位主要由EGNOS提供,列车轨道相关的数据存储在列车地理信息系统(GIS)中,列车静态、动态数据由ETCS子系统提供,惯性数据由特定的传感器(例如加速计,陀螺仪)提供.
EGNOS信号监控列车位置及速度,并与存储的轨道数据(GIS)比较.
当列车行驶到距离道口一定距离的系统激活点时(如图11中的5a点),发出信号,通知道口设备关闭道口,行人及机动车要在道口外等候列车通过;当列车通过道口后,经过系统关闭点时(如图11中的5b点),通知道口设备开放道口,允许行人及机动车通过.
列车所在的关闭道口和开放道口的两个位置就相76铁道学报第30卷当于布置了两个虚拟应答器,当列车驶过虚拟应答器时,通知道口关闭或开放[1¨.
以该实验道口为例,以往是根据通过道口最高速度的列车计算出道口的接近区段长度,按照通过此道口的最高车速为100km/h,道口等候时间为72s计算,接近区段要2000m.
当通过道口的车速为50km/h时,经过2000m接近区段的时间将会提高1倍,行人和机动车需要等待144s才可通过道口,极大地限制了道口通行能力,加剧了道口的拥堵,如表2所示'1引.
表2普通道口与ECORAIL遒口的性能对比由此可见,使用ECORAIL系统控制平交道口,采用卫星定位技术,将原本固定的应答器位置虚拟化,形成了虚拟应答器,节省了大量布置地面线路所需要的花费;通过优化道口的关闭时间,增加了机动车和行人的通过时间,减少了公路上的拥堵;由于采用了ECO-RAIL系统减少了接近区段的长度,使得机动车最大等待时间减少了250A;同时,由于减少了等待时间,进而减轻机动车尾气的排放[1川.
3.
4国内研究进展国内的相关研究机构已经认识到GNSS技术对中国铁路的作用,并开始进行相关研究.
北京交通大学GPS实验室对于GNSS及虚拟应答器进行了较深入的研究.
北京交通大学在其研制的接近连续式无线机车信号中采用了虚拟应答器技术.
接近连续式无线机车信号在接近预告信号机时,通过车载查询器和设置在钢轨中间的应答器通信来激活车载设备,激活后机车信号系统与车站的地面设备进行无线通信,进行注册,接收进站信号的显示信息,并反映到车载设备上.
在经过出站信号机时,通过设在出站信号机附近的应答器,告之车载设备列车出站,停止复示出站信号.
考虑到列车在经过这些关键点的应答器时可能由于某些原因而未检测到应答器,从而导致在关键点未与车站通信,而使机车信号无法完成规定的功能,因此在系统中加入了卫星定位接收机,将线路上的实际应答器点也作为虚拟应答器,当列车接近关键点时,虚拟应答器也为无线机车信号系统发出信息,提示列车已经接近关键点,从而构成了冗余系统,保证了无线机车信号系统的正常工作'133.
其无线机车信号虚拟应答器组成如图12所示.
}匮匿卜皿鎏'恼图12无线机车信号虚拟应答器组成研究人员于2007年7月在青藏铁路南山口车站进行了测试,在该站共布置了10个虚拟应答器(如图13),分别对应地面的预告、进站和出站信号机的位置.
测试时,机车在车站附近往返运行,模拟列车进出站的情况.
·261A图13南山口站应答器布置图在该段线路上,实验列车的最高运行速度为80km/h,卫星定位接收机的频率设定为1Hz,因此设定其捕获半径为25m.
测试在南山口站进行了30次,除两次因为定位系统未正常工作而导致虚拟应答器未捕获外,其余均完成了虚拟应答器的功能,捕获率为93%.
虚拟应答器在无线机车信号系统中给主机提供位置信息,实现信息冗余,保证了系统的正常工作.
4结论与展望为适应我国铁路更高的安全、快速和服务需求,增强市场竞争力,铁路部门提出了发展CTCS(ChinaTrainControlSystem)系统的策略.
截至2007年,我国铁路营业里程7.
8万km,双线及双线以上线路营业里程2.
71万km,复线率34.
7%.
单线铁路为5.
09万km,占65.
3%[1引.
单线铁路仍然占较大比例.
今后几年,将是中国列车控制系统发展的关键时期.
如果借鉴欧洲的发展模式,采用应答器会带来高昂的成本,而且应答器在无人看管下易被损坏甚至拆除.
因此,采用以GNSS为基础的虚拟应答器技术是一种适合中国国情的解决方案,并具有现实的安全和经济价值.
在欧洲,基于GNSS的虚拟应答器已经过多个可行性项目的验证,意大利铁路已在考虑采用GNSS虚拟应答器.
国内的北京交通大学GPS实验室也将虚拟应答器应用到无线机车信号系统中,并进行了成功第2期虚拟应答器研究进展与发展展望77测试.
我国只需开发基于GNSS的虚拟应答器,就有可能在较短的时间内实现比国外更经济的列车运行控制.
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