基于GNSS的站内列车自主定位方法.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月铁 道 学 报 文章编号:()基于 的站内列车自主定位方法刘兆年,齐志华,柴 铭,王海峰,(北京交通大学 电子信息工程学院,北京;中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所,北京;北京交通大学 轨道交通运行控制系统国家工程研究中心,北京)摘 要:列车精确自主定位是列车运行防护过程的一项核心关键技术。提出一种基于全球导航卫星系统同时考虑轨道占用状态转移的贝叶斯估计算法,将列车可能占用的区段放入备选集合,并对备选集合不断更新、评估、选择。在静态初始定位过程中,使用极大似然估计算法计算列车在区段上最可能的位置;在跟踪定位过程中,使用卡尔曼滤波算法将全球导航卫星系统和速度传感
2、器融合实现精确定位。对列车实际行车数据分析的结果表明:在静态初始定位过程中,占用轨道识别正确率为 ;在跟踪定位过程中,占用轨道识别正确率为,平均误差为 。本方法满足列车运行防护的运用要求,对卫星导航定位在铁路中的应用具有借鉴意义。关键词:列控系统;列车自主定位;全球导航卫星系统;列车初始定位;列车跟踪定位中图分类号:文献标志码:,(,;,;,):(),:;收稿日期:;修回日期:基金项目:北京市自然科学基金();国家自然科学基金();国家级科技计划()第一作者:刘兆年(),男,山东济南人,硕士。:通信作者:王海峰(),男,河北滦县人,教授,博士。:铁路站场作业复杂、繁忙,因冒进信号或超速而导致的
3、冲撞、挤岔、脱轨等事故难免发生,所以对站内列车实施防护至关重要,而列车精确定位是列车运行防护中的关键技术。列车在站内运行时,准确的轨道占用识别和高精度的在轨道上相对位置计算,可以为列车防护提供必要的信息支撑。目前站内列车定位主要依靠应答器、轨道电路、计轴器等地面设备,然而这些设备一方面建设成本高、易出故障、维护困难,另一方面无法实时准确获取列车在轨道区段上铁 道 学 报第 卷的精确位置。全球导航卫星系统(,)具有实时性、全天候、高精度等特点,已在国内外多个项目中的列车定位系统中应用。至于 存在误差导致定位不精确问题,国内外学者也从提高定位精度或使用地图匹配算法等方面提出一些解决方案。在提高定位
4、精度方面,文献提出一种非参数贝叶斯模型定位方法,深入到伪距解算过程,提高定位精度;文献将北斗、惯导、里程计融合,结合地图匹配算法,解决低密度区域北斗信号中断时列车定位问题;文献将 与速度传感器融合,重点研究不确定性估计,使用虚拟应答器概念,确定列车在路网中的安全位置。另外,隐马尔可夫模型、概率路径预测模型算法、基于 距离轨道占用识别算法等,使用模型预测完成轨道占用识别,但这些方法需要大量先验信息进行模型的训练。文献提出使用地面伪卫星技术在全遮挡的地方提高定位精度,但仍需处理误差带来的不确定性。地图匹配算法是将 位置信息与数字电子地图进行匹配,从而确定列车所在位置。垂直映射算法,是地图匹配中最简
5、单、最常用的算法,但只适用于低密度区段。文献利用先验信息和距离航向概率模型实现轨道占用识别;文献使用地图匹配和传感器融合实现列车定位;文献基于多假设验证的思路识别列车轨道占用,基于贝叶斯估计算法计算列车可能占用的轨道区段。然而,这些研究面向的场景单一,多适用于平行轨道或者仅通过一组道岔的情景,从而能够在列车在再一次改变占用区段之前完成占用识别。由于车站平行轨道数量多,间隔距离小,并且咽喉区道岔复杂、密集,以上研究在这种场景下存在未完成位置识别之前,列车已经改变占用的轨道区段,从而出现无法定位或者定位错误的情况。另外,以上研究大多建立在已知列车将要过道岔,然而实际上列车是否要通过道岔以及何时通过
6、道岔需要去判断。针对以上问题,面向非全遮蔽和非城市峡谷地形的常规站场,本文提出一种适用性更强、定位收敛速度更快的站内列车自主定位算法 考虑占用状态转移的贝叶斯估计算法:首先设计带有拓扑信息的车站电子地图,为预测列车占用轨道提供基础;然后分析站内 概率分布模型,研究 测量点的分布对列车定位的影响;最后在以上基础上对列车进行静止状态下的初始定位和运行过程中的跟踪定位。基于 站内列车定位难点基于 的站内列车自主定位是指,列车在车站内运行时,不使用任何地面设备,仅依靠 传感器、速度传感器等车载设备,能够实时、准确地完成列车位置识别。然而,由于 存在误差,其测量点并非真实点,列车实际位置可能位于 测量点
7、附近,当列车附近仅有一条轨道区段时,列车必然占用此区段,但当列车附近有多条线路时,难以准确辨别列车实际位置。基于 的站内列车定位示意见图。图 基于 的站内列车定位示意由于车站线路环境复杂,使用 对列车进行定位存在以下 个显著难点。()站内平行轨道较多,且这些轨道间距较小,测量点可能位于两条轨道之间,难以判断列车占用哪条轨道,如果选择距离最近的轨道区段,使用垂直映射算法,极容易出现判断错误或者占用轨道跳变的情况。()咽喉区道岔类型复杂,当列车在咽喉区行使时,一方面需要判断列车是否将要经过道岔,另一方面需要判断列车经过道岔之后实际占用的轨道区段。()站内道岔密集,轨道区段长度较短,列车在运行过程中
8、,可能在短时间内连续通过多个道岔,而采集到的 测量点却较少,从而出现定位混乱或无法快速识别列车占用轨道的情况。()车站周围建筑会对卫星信号产生影响,例如多径效应,使得 精度降低,误差增大,从而增大定位难度。基于 定位方法研究为解决使用 定位存在的困难点,本文从拓扑关系角度和概率估计角度,提出考虑占用状态转移的贝叶斯估计算法:首先根据 信息,计算列车当前可能占用的轨道区段,并将这些区段放入备选集合中;其次根据站场的拓扑信息和状态转移算法,快速、准确预测列车可能行使的路径,使用贝叶斯估计算法,充分考虑测量点与轨道区段之间的潜在关系,对备选第 期刘兆年等:基于 的站内列车自主定位方法集合进行评估、选
9、择;最后使用极大似然估计算法和卡尔曼滤波算法,确定列车在轨道区段上的精确位置。基于 的站内列车定位方法整体流程见图。图 基于 的站内列车定位方法整体流程 车站数字轨道地图设计数字轨道地图是以数字形式描述信号设备的属性、定位、关系的数据集合。准确、合理的格式不仅可以提高定位的准确性,还可以提高定位算法的效率。本文提出一种以轨道区段为存储单元的带拓扑逻辑信息的数字轨道地图。以某车站为例构建数字轨道地图,其部分轨道区段及其拓扑关系见图。图 某站场部分轨道区段及其拓扑关系图 中,轨道区段划分原则有 个:每条区段内部不包含道岔,并将道岔的直轨、弯轨、基本轨分为 条区段;每条区段内不包含绝缘节;保证每条区
10、段都是直线,如果一个轨道带有弧度,则将其划分为多个区段,使得每个区段近似为直线。数字轨道地图的拓扑关系主要包含各个道岔、轨道区段的连接关系,其主要目的是在列车运行时,可以根据列车运行方向预测列车将要占用的轨道区段,以提高定位的效率和准确性。拓扑关系网中以道岔和轨道区段为节点,以其连接关系为边。测量误差分布模型将 观测数据记为 ,则 (,)()式中:为经度值;为纬度值;坐标系使用 坐标系。测量点 与列车真实点 的误差可以转换为垂直于轨道方向的误差和沿轨道方向的误差,见图。图 中,已知列车所在轨道区段为,的两端坐标分别为(,)、(,),由测量点向轨道区段做垂直映射,将垂足点记为 ,则 到 的距离即
11、为垂直于轨道方向的误差,记为 ;到 的距离即为沿轨道方向的误差,记为 。图 测量点误差垂直于轨道方向的误差影响列车轨道占用识别,假设其符合正态分布,标准差为;沿轨道方向的误差影响列车在轨道上相对位置的计算,同样假设其符合正态分布,标准差为。考虑占用状态转移的贝叶斯估计算法为处理 误差导致列车位置识别的不确定性,将列车所有可能占用的轨道区段放入备选集合中,并使用随机模型描述列车位置状态。假设随机变量 为列车当前所占用的轨道区段、为列车在轨道区段上的一维相对距离、为列车运行方向(表示向前,表示向后)、为列车当前运行速度,则列车的位置状态可描述为(,)(,)(,)()式中:为事件发生的概率。铁 道
12、学 报第 卷根据 测量点判别列车占用轨道区段问题可描述为:已知站内共有 条轨道区段,列车在站内运行时观测点为 ,且观测点距各个轨道区段垂直距离符合方差为 的正态分布,在此观测点条件下,列车占用轨道区段(,)的概率为(,)()通过贝叶斯公式,可将式()转换成可以直接计算的式(),即(,)(,)(,)(,)(,)()式中:等号右边(,)为先验概率,可用上一次计算之后的后验概率(,)代替;(,)为当列车在占用轨道区段 时能够测得观测点 的概率。由 节可知,当 测量点在轨道区段的投影点位于区段内部时,其到轨道区段的距离符合正态分布,所以有(,)()当测量点到轨道区段 的投影点不在区段内部时,将测量点到
13、区段的距离定义为测量点到区段端点距离的较小值,此时同样可以将其看作正态分布,满足式()。在列车运行过程中,每采集一个 数据点,更新一次备选集合中各轨道区段的占用概率。由于站场路网复杂,有大量轨道区段,为提高算法效率,需要一方面设置低门限阈值,及时从备选集合中删除占用概率低于阈值的区段,减少计算数量;另一方面设置高门限阈值,及时从备选集合中选出列车占用的轨道区段。由于站场道岔密集,各个轨道区段长度较短,如图 中 号道岔和 号道岔距离仅 ,假设列车从 区段往 行使,速度为 ,在经过 号道岔之后,仅使用贝叶斯估计算法进行轨道占用识别,由于只能采得 个 点,可能出现还未分辨出列车占用 还是 时列车就已
14、经进入 区段,而 区段可能已经在前面的计算过程中从备选集合中剔除,从而导致列车无法定位或者定位错误。基于此,提出考虑占用状态转移的贝叶斯估计算法。占用状态转移是指列车从占用一个轨道区段改为占用另一个轨道区段。当然转移不是随意的,而是根据站场拓扑结构以及列车运行方向决定的。假设列车在轨道区段 上沿 方向行驶,下一个轨道区段为(列车正向通过道岔时下一个轨道区段为 和),对于 测量点,当条件概率满足(,)(,)()或(,)(,),(,)()时,将列车占用 的概率传递给(或者 和),则(,)(,)()(,)(,)(,)()当列车占用轨道区段发生改变时,将列车占用前序轨道的概率传递给新的轨道区段,并将新
15、的轨道区段放入备选集合中,从而避免因新占用轨道在之前的计算中被剔除或者概率极小导致收敛速度慢或定位出现错误等问题,从而提高定位的收敛速度以及定位的准确率。此算法可以解决咽喉区列车连续通过多个道岔时以及平行轨道较多时,确定列车占用轨道区段问题。不同场景下列车定位过程在确定列车占用轨道区段之后,还需确定列车在区段上的相对位置,即计算(,)。根据列车运动状态,将定位过程分为静止状态下的初始定位和行车过程中的跟踪定位。静止状态初始定位列车静止状态下的初始定位是指,列车在静止状态且没有任何与位置相关的先验信息的情况下,当收到 数据信息时,对列车进行位置识别。当列车刚开机运行或者列车位置丢失时,需要对列车
16、进行初始定位。由于没有列车速度等其他信息,只能依靠 测量点完成轨道占用识别,但此时列车一般位于股道或机待线上。此问题可以转换为带约束的参数估计问题:已知随机独立 测量点样本满足二维高斯分布,其中沿轨道方向误差分布的方差和垂直轨道方向误差分布的方差已知,但是其被约束在某条轨道上的真实点未知,即占用轨道区段未知,在轨道上的相对位置未知,根据 测量点,确定列车位置。使用贝叶斯估计方法确定列车占用的轨道。假设站内共有 条平行轨道区段,初始条件下列车占用每条轨道区段的概率是相等的,均为 ,此时可以忽略列车运行方向,即先验概率为(,)(),()第 期刘兆年等:基于 的站内列车自主定位方法 在获取 测量点之
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