影响铁路定位的因素有哪些？又该如何改善？

文|唐文采飞扬

编辑|唐文采飞扬

铁路作为一种高效、环保的交通方式，其安全和准时运行对社会经济至关重要，列车定位技术的应用为铁路运输带来了革命性的变化，提高了列车的定位精度和实时性。

探讨列车定位技术对铁路的影响，并分析其在安全、运行调度、维护管理和乘客服务等方面的作用。

铁路

目前，铁路行业将开发准确的铁路定位系统作为未来的主要目标之一，铁路在货物和客运服务方面面临着很高的需求，铁路基础设施管理者和运营商面临着更充分利用现有资源的压力。

这促使铁路行业开始实施自动化和智能子系统，例如驾驶员建议系统（DAS）、自动门操作（ADO）和交通管理系统（TMS），以更有效地利用可用容量。

但实时列车位置信息通常是至关重要的因素，所报告的列车位置的准确性影响着提出的铁路应用程序的性能。

利用能耗、列车到达准点率和运力利用率来评估铁路的性能，才能改善有关铁路能耗、准点率和运力利用率。

2012年，由英国铁路行业的关键成员组成的技术战略领导小组（TSLG）提出了铁路技术战略。

该战略指出，在交通控制中心（TCC）实时提供准确的列车位置和性能数据是使用新技术进行交通和控制系统的关键。

2017年，提出了“能力交付计划”，其中列出了满足目标战略所需的十二个关键能力，其中之一是“按秒计时的服务”。

它旨在实时了解所有列车的精确位置和速度，以增加运营灵活性，提高情境感知能力，并实现更快的恢复能力。

为了安全和防止列车碰撞，首要需要了解列车的位置，为了在连续列车之间保持安全距离，铁路线通常被划分为称为区段的区域，每个区段只能有一列列车。

当一列列车进入新的区段时，该区段的传感器会检测到列车，并且信号系统会发出危险信号（红色信号），向后续列车表示前方的区段不可用，列车不应该进入，信号系统是铁路安全系统，为列车提供行驶授权。

区段的长度决定了线路上同时行驶的列车数目，这种传统的信号和控制系统存在一些缺点，例如维护成本高和资源浪费。

因此，为了克服一些传统系统的缺点，已经开发了先进的控制系统，例如欧洲的欧洲铁路交通管理系统/欧洲列车控制系统（ERTMS/ETCS）和美国的Positive Train Control（PTC）系统。

随着时间的推移，为了实现能源高效利用、更好地利用线路容量、提高安全性、改善乘客舒适度和降低维护成本，铁路行业开发了越来越多的自动化铁路系统和应用。

但并非所有提出的新自动化和智能应用都需要相同的定位系统或准确度水平，例如，自动车门操作（ADO）是一种自动打开列车停靠在站台正确位置时的车门的应用，它需要非常准确的定位数据才能正常工作。

然而，其他一些自动化应用，如乘客信息系统（CIS），用于通知乘客列车的行程进展和下一站的情况，可能需要较低精度的定位数据。

因此，根据应用的类型，实时定位数据的准确度要求不同，以实现其有效运行，此外，某些应用在不同铁路上使用时需要不同的定位精度。

由于系统需求的巨大差异，一些应用所需的性能因使用地点不同而有所不同，因此它们对于定位准确度的要求也不同，然而，这种所需准确度的差异仍然需要量化。

为了实现目标战略，英国能力交付计划中提到的一个“低成本铁路解决方案”，旨在降低低交通密度线路的成本。

此外，他们关注点还放在ERTMS Regional标准上，这是一种针对低交通密度线路的较新概念，旨在降低ERTMS的安装和维护费用。

类似于ERTMS Regional系统，在美国出现了基于PTC的“PTC配备的黑暗地区”系统，综上所述，全球铁路行业在未来寻求降低铁路开支。

铁路行业计划通过升级一些铁路线路的高级定位系统，为使用自动化和智能化铁路应用程序创造适当的环境，这是因为对于某些应用程序来说，准确的定位是一个关键要求。

然而，并不是所有的应用程序都需要高精度的定位系统，也并非所有的铁路都需要基于高精度定位数据的应用程序，迄今为止，还没有一班的铁路标准来规定定位精度的应用要求。

铁路的改善

das系统：铁路系统的能源效率已成为全球关注的焦点，并且在降低能源消耗方面受到关注，这是因为能源价格上涨以及环境问题的原因。

在铁路系统中减少能源消耗的一种方法是以最佳速度行驶，这可以通过使用驾驶员咨询应用程序（DAS）来实现。

DAS是一种车载应用程序，使列车司机能够通过遵循优化速度曲线来高效驾驶，DAS有望显著改善能源消耗，因此被选为验证所提出框架的应用之一。

准点性：铁路准点性是指列车服务的实际出发或到达时间与预定时间之间的偏差，在铁路运营过程中，由于轨道堵塞、严重事故或恶劣天气等原因，交通中的干扰是不可避免的。

传统处理交通干扰的方法是重新安排列车的运行计划，以尽量减少对准点性的影响，然而，这种方法可能会导致列车之间的冲突，延误其他列车的运行，因此，提高准点性成为优化铁路系统的重要目标之一。

高铁路容量利用率：如何提高铁路容量利用率是世界上许多铁路公司最关注的问题之一，铁路容量通常可以描述为连续列车之间的时间间隔。

列车时距包括考虑传统信号与控制系统要求的余量时间，改善铁路容量的一种方法是减少时距时间，然而，这种解决方案可能增加铁路交通的敏感性和冲突的潜在可能性。

除此之外，预计交通管理系统（TMS）可以帮助应对容量消耗增加的后果，重点研究如何理解各个应用程序对定位系统的要求，特别是考虑到驾驶员辅助系统（DAS）和交通管理系统（TMS）。

铁路定位系统和应用

铁路行业依赖于各种火车检测和定位系统来准确确定火车的位置，火车检测系统负责检测铁路轨道上火车的存在。

这些系统利用各种技术，如轨道电路、轮轴计数器和火车检测传感器，来检测火车的通过，它们提供有关火车在不同轨道段落中的占用和存在的信息。

另一方面，定位系统用于确定火车沿轨道的精确位置，在铁路中最常用的定位系统是全球导航卫星系统（GNSS），包括GPS、GLONASS和其他基于卫星的系统。

此外，车载传感器收集到的数据需要传输到交通控制中心（TCC）进行处理，传输技术的选择，如有线或无线通信，可能会影响定位数据的质量和及时性。

铁路的定位系统有两种模式：点定位和相对定位。

点定位是确定陆地、海洋或空间上一点的坐标，相对于一个隐含的坐标系统，相对定位则是确定一个点相对于另一个点的位置，可以通过直接测量两点之间的距离或者通过测量两点到外部物体的间接距离来实现。

而如果要定位的对象是静止不动的，则相关的技术可以称为“静态定位”，当对象在运动时，可以称之为“动态定位”。

为了描述物体的运动，定位需要描述物体的位置以及随着物体移动而发生的位置变化。

列车的动态定位，即实时跟踪列车的运动，通常称为列车位置，它关注的是行进的距离而不是位移。

比如英国早期的铁路，桥梁和车站等要素的位置是通过累积的纵向“里程”来表示的，从铁路的原点或总部，或者新支线的起始交汇点开始计算。

铁路线路是列车沿轨道行驶的路径，通常用于定期客运服务，包括列车所经停的车站、站台以及列车行驶的具体线路。

在1999年的时候，欧盟启动了先进位置定位器(APOLO)项目，旨在研究在铁路系统中使用GNSS可以实现的可能定位精度。

该项目将铁路应用需求分为两个原型类别：高精度需求（5-10米）和中等精度需求（~50-100米），要求定位具有较高的完整性、覆盖率和可用性。

项目目标不考虑与铁路安全相关的应用的验证，中等精度需求的应用使用标准GPS接收器，高精度需求的应用使用带有EGNOS接收器的GPS，该项目成为进一步研究的起点。

在2000年，欧洲GNSS秘书处在欧洲GNSS铁路咨询论坛发布了《铁路应用需求》报告，该报告评估了在铁路应用中使用卫星技术的益处，尤其是涉及到伽利略服务时。

铁路应用被分为三个类别的十种类型：与安全相关的应用、运营应用和基础设施应用，报告列出了这些应用的需求要求。

在这篇报告中，他们认为卫星服务的准确性、完整性、可用性、中断阈值、连续性、覆盖范围和定位成功率等指标等都要被列为要考虑的因素。

同时，该报告还考虑到铁路网络和安全相关应用的多样性，将列车控制系统的定位准确性需求分为高密度线路、中密度线路和低密度线路三个级别。

然而，在运营和基础设施应用方面，却忽略了铁路网络和服务的多样性。

在2006年，欧洲的GRAIL（铁路部门引入GNSS）项目考虑将GNSS引入ETCS系统和应用，GRAIL项目探讨了44个可以通过利用GNSS服务获益的铁路应用。

然后，根据其对定位准确性和完整性（准确性保证）的需求，将铁路应用划分为九个类别,项目将准确性要求分为三个范围：非常高（0.01-1米）、高（1-10米）。

在2012年，英国铁路安全与标准委员会（RSSB）发布了T892报告，重点提供了一个定位系统（定位器）的架构，以满足英国铁路应用的要求。

列车定位器旨在由一个GNSS系统支持，该报告通过定义七个属性，探讨了每个具体铁路应用的要求。

但值得一提的是，英国现目前并无尚无明确规定铁路标准中关于定位精度的应用要求，所有呈现的数值都是推荐值。

结论：

铁路应用研究领域在数学分析铁路性能要求方面存在空白，另一方面，铁路定位研究领域存在缺陷。

铁路系统的复杂性，包括铁路基础设施、车辆和控制系统、构成该系统的组成部分因铁路网络和服务类型而异。

所有这些研究和项目都有一个共同的目标，即通过设计集成定位系统来实现越来越准确的定位，而较少或不关注实际所需的准确性的理解。

开发基于仿真的评估框架，可以在铁路服务要求、铁路应用要求和铁路定位要求之间找到平衡，框架的输出应该朝着实现4C战略的目标发展。

参考文献：

1.基于北斗的铁路作业人员安全监控系统研究. 杨美皓;潘佩芬.中国安全科学学报,2019

<2> 基于全球导航卫星系统的桥梁健康监测方法研究进展. 余加勇;邵旭东;晏班夫;朱平.中国公路学报,2016

<3> 基于卫星导航系统的列车定位技术现状与发展. 刘江;蔡伯根;王剑.中南大学学报(自然科学版),2014

<4> 基于GPS的列控轨道地图数据生成方法研究. 刘江;蔡伯根;唐涛;王剑.测绘学报,2011

<5> 高动态GPS信号模拟器的软件实现. 张颖慧,常青,张其善,吴今培.无线电工程,2003