【正文】 路曲率信息的匹配定位方法的可信度研究 .........................?? 67 .............................??， .? 67 方 基 于 線 路 曲 率 信 息 的 匹 配 定 位 方法 ...........................................?? 68 線 路 曲 率 信 息嫡 ...................................?? 70 ...............?? 71 小結 ...............................................................................................?? 74 6 結束語 ..................................................................................................?? 75 參 考 文獻 ...........................................................................................................?? 77 附錄 AShannon 信 息 量 的 概 念 及 性質 ..........................................................?? 82 作 者 簡歷 ...........................................................................................................?? 86 獨 創(chuàng) 性 聲明 .......................................................................................................?? 87 學 位 論 文 數 據集 ............................................................................... ? ? 881緒論 列車定位方法在列車運行控制系統(tǒng)中起著非常重要的作用 :列車定位方法的 精度和可靠性是影響列車安全防護距離的 重要因素之一，會關系到列車的運行間 隔，會影響到軌道交通系統(tǒng)的效率 。在城市的交通系統(tǒng)、 區(qū)域的綜合交通系統(tǒng)和國家的綜合交通運輸體系中，軌道交通系統(tǒng)都發(fā)揮著重要 的骨干作用【‘ ]。 目前，我國正處在特殊發(fā)展的時期，人口眾多，幅員遼闊，因此干線鐵路在 國家的綜合運輸系統(tǒng)中的骨干作用是任 何其它交通系統(tǒng)都無法代替的。從而在既有線六次大提速的基礎上，構成一個連接國內主要 城市的高速鐵路客運網絡，實現(xiàn)中國干線鐵路的跨越式發(fā)展。同時，我 國目前經濟最為發(fā)達的三大經濟圈，珠江三角洲，長江三角洲和環(huán)渤海經濟圈， 軌道交通的規(guī)劃也己經完成。從當前 新技術的發(fā)展、我國軌道交通建設面臨的特 殊形勢和我們國家要走新興工業(yè)化道 路的國情來看，必須加強對軌道交通領域相關基礎科學問題和技術的系統(tǒng)研究和 應用開發(fā)研究，才能確保我國軌道交通建設的健康有序發(fā)展，滿足國家對軌道交 通系統(tǒng)建設和運營的要求。列車運行 控制系統(tǒng)是軌道交通系統(tǒng)的大腦和中樞。 從微觀而言，列車運行控制系統(tǒng)指的是區(qū)間列車運行控 制系統(tǒng)，簡稱為列控 系統(tǒng)。 下面對列車運行控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程，系統(tǒng)構成和工作原理進行簡要分析， 并在 此基礎上對列車運行控制系統(tǒng)中的列車定位子系統(tǒng)進行研究，包括系統(tǒng)采用 的傳感器和定位方法的原理。從上個世紀 30年代開始，列車運行控制系統(tǒng)進入第二階段，稱為電氣控制階段，以繼電器聯(lián)鎖系統(tǒng)和色燈信號機為 代表。列車自動駕駛系統(tǒng)一 Automati。它己經成為軌道交通系 統(tǒng)的大腦和中樞系統(tǒng) [41?；谲壍离娐返牧熊囘\行控制系統(tǒng)中，地面控制中心是通過軌道 電路獲得的列車位置，是以軌道 電路的分區(qū)為單位的。目前，基于通信技術的列車控制系統(tǒng) (Co~unicationBased TrainConirol， CBTC)已蓬勃興起，并成為 列車運行控制系統(tǒng)的主流。 列車運行控制系統(tǒng)的性能與列車定位子系統(tǒng)密不可分。在基于輪軌的軌道交 通系統(tǒng)中，輪軌間的空轉和滑行是無法避免的。因此對于基于速度傳感器的列車定位方法中包括兩個問題 :一個是 空轉和滑行的檢測 。 Kalman濾波器處理速度傳感器的測量值，獲得 速度和加速度的觀測值，根據列車在牽引和制動時可能的最大的加速度和減速度 的變化量為依據，設定判斷空轉和滑行是否發(fā)生的加速度標準差的門限值。因此大部分的空轉和滑行都是比較微弱的，正是 這些微弱的、較高頻率發(fā)生的空轉和滑行所帶來的定位誤差構成了基于速度傳感 器的列車定位方法中定位誤差的大部分。算法中設定了 關于兩個測量速度偏差、最大加速度和最小加速度 (如果考慮絕對值，也稱為最大減速度 )的門限。 MonicaMalvezzi又采用遺傳 算法，以速度測量值的歸一化均方根為適應函數對門限值參數進行優(yōu)化，與固定 「 1限算法的結果比較，性能得到了一定的提高，但是優(yōu)化過程需要離線計算，由 于實際線路與粘著試驗中的粘著變化不同，因此難以進行有效的優(yōu)化 [25， 26]。 針對空轉和滑行帶來的誤差的補償，黎巴嫩學者 ， 和 ，首先記錄車輪的空轉或滑行的開始和結 束時刻的速度值，然后根據空轉或滑行持續(xù)的時間和開始與結束時刻的速度值進 行線性 插值，將這些數值作為相對應時刻的補償速度，最后對補償速度進行積分 來計算列車運行的距離 [2’ ]。 目前基于速度傳感器的列車定位方法的研究重點是空轉和滑行檢測問題。 該系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于開發(fā)了一個使用了 GPs、 GLoNAss、 Galilco等衛(wèi)星導 航系統(tǒng)的定位方法，并利用 EGNOS和認認 AS系統(tǒng)等對其進行增強。因此這個算法需要關于線路的一維電子地圖。如果在歐洲完全擁有導 航衛(wèi)星系統(tǒng)控制權的情況下，這種方法的可靠性將會進一步提升，并且可以具有 較低的生命周期費用。 GPS的導航服務分軍用碼和民用碼兩種，軍用碼精度高，為美軍 專用，民用碼經過了頻率抖動和星歷偏差處理，精度降低了許多，民用碼平時可 為全世界共享，但在戰(zhàn)時美國可以隨時關閉該系統(tǒng)。 .23基于地圖匹配的列車定位方法 黎巴嫩學者 137一】。當列車在圓曲線和直 線區(qū)段上運行時，僅根據角速度無法知道列車位于區(qū)段上的位置，因為角速度不 會發(fā)生變化，所以該方法的關鍵是識別緩和曲線。因此算 法以線性變化的角速度為識別對象，通過匹配找出其在地圖中所處的位置。 定位問題是許多領域都要面對的普遍問題。在歐洲的 ETCS系統(tǒng)的第三級 中，為了減少對特定的軌旁設備的依賴，以便使列車運行控制系統(tǒng)能夠兼容，并 且降低生命周期費用，有提議列車定位采用伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng) 、速度傳感器和 查詢應答器 (Euro一 Ballse)組合的方法 [4l】。由于單個傳感器系 統(tǒng)缺乏魯棒性，偶然的故障可能會導致整個系統(tǒng)無法正 常工作，甚至可能給系統(tǒng) 造成災難性的后果。他們采用高精度的導航系統(tǒng)和軌旁一系列已知精確位置的固 定點作為參考，來評價融合的效果，并發(fā)現(xiàn)采用查詢應答器的定位方法的定位精 度不僅與查詢應答器的布置間隔有關，還與查詢應答 器的布置位置有關。目前，絕大多數的多傳感器信息融合研究 皆是針對特定的應用領域的特定問題開展的，即根據 問題的種類，各自建立直觀 的融合準則，形成“最佳”融合方案，并未形成完整的理論框架和融合模型，使 得融合系統(tǒng)的設計具有一定的盲目性 [401。集中式結構從所有傳感器平臺獲得數據，并在融 合中心處理這些數據 。(3)大量的輸入數據有助于信息融合， 同時也會導致融合計算量呈級數級增加，要考慮如何控制計 算量，降低處理負荷 [50】 論文的主要研究工作綜上所述，基于多傳感器信息融合的列車定位方法是列車定位方法的一個新 的發(fā)展方向。但是由于空轉和滑行的存在，使得速度傳感器的應用不得 不嚴重依賴于查詢應答器等其他信息源。該方法等效于在線路的曲線區(qū)段上增加了虛擬的查詢應答器， 有可能減少用于列車位置校正的查詢應答器的數量。定量的研究了加速度計的溫漂誤差和安 裝誤差等因素對空轉滑行檢測方法的影響。匹配定位的一個重要問題就是判斷匹配結果正確與否，是否可用，通常 稱之為可信度分析。介紹本文的研究背景和意義。發(fā) 現(xiàn)空轉和滑行檢測門限要與適當的空轉和滑行補償算法相適應，否則會造成定位 誤差的增大。通過車載試驗驗證了模型和空轉和滑行檢測 方法的有效性。通過車載試驗驗證了所提出的融 合陀螺和速度傳感器的基于相關匹配的定位算法的有效性。最后研究了基于線路曲率信息的匹配定位方法的 可信 度。 2基于多傳感器信息融合列車定位方法的研究 本章研究了基于多傳感器信息融合的列車定位方法的結構，組建了基于多傳 感器信息融合的列車定位方法的實驗平臺。信息融 合的定義也不少，但是都是功能性的，沒有取得一致的定義 189， 90]。多 傳感器系統(tǒng)是信息融合的硬件基礎，而多源信息是信息融合的對象，協(xié)調優(yōu)化和 綜合處理是信息融合的核心 [92]，如圖 。而這 一點在信息融合的研究中一直是一個難點和重點 [4s]。而所有的基礎都可以看成是對于不確定性問題 研究的擴展 [2’ ]。不同的 模型反應不同實際應用領域的需要。 (2)功能模型 ，從融合過程出發(fā)，描述信息融合包括那些主要功能、數據庫 以及進行信息融合時系統(tǒng)各組成部分之間的相互作用過程 。 現(xiàn)有的融合算法基本可以分成以下三類 [46‘， 57， 58， 60， 0l]: (l)基于量測信號的數值算法 特點是這些算法基于多個傳感器的量測信號，通過融合實現(xiàn)狀態(tài)估計包括非 回歸形式的加權平均、最小二乘法、回歸形式的 Kalman濾波、擴展 Kalman濾波 等狀態(tài)估計方法。 感器信息融合的測量模型 在由 n個傳感器提供對象及環(huán)境信息所組成的一次多傳感器信息融合中，假 設對”個信息進行融合。 )(2一 l) 其中 X和 F分別代表融合結果和融合函數。 以往研究中，測量模型的數學表達式如下 : z=f(x)+v() 其中， :定義為觀測變童， x是根據觀測變量所要估計的狀態(tài)變量，人習為傳感 器的理想模型， v是一個隨機變量，用來表示試驗誤差、模型誤差以及噪聲等不確 定因素，也將 v稱為測量噪聲。從上面的假 設條件可以看出，力 )不受環(huán)境的影響， V是對周圍環(huán)境的近似描述，一旦確定也 不會隨環(huán)境的變化而改變。另外，在實際工作環(huán)境中也很難直接得到系統(tǒng)的驗前信息。其中， zi為第 i個傳感器的觀測變量， xi 表示第 i 個傳感器的狀態(tài)變量， Pi為環(huán)境狀態(tài)信息，氏 (zi)是第 i個傳感器的局部決策。 幾 (丫 )是依賴模型，用于描述其他傳感器所提供的信息。 多傳感器信息融合的作用主要體現(xiàn)在 :提高了整個系統(tǒng)的容錯能力、信息的 可信度、空間和時間的覆蓋范圍，增大了目標特 征矢量的維數 。采用多傳感器信息融合，能夠將離散的和連續(xù)的定位信息進行融合提高定位的可靠性 ?；? 于通信的列車運行控制系統(tǒng)的地面控制中心，可以根據所管轄的列車的安全位置 (即考慮了列車定位誤差，經過一定的安全原則處理后的列車位置 )，來完成列車 的間隔控制。本章針對這些問題，構建了基 于多傳感器信息融合的列車定位方法的多傳感器信息融合結構，如圖 。 {i 二 1， 2，?， 11 偽融合節(jié)點。 v:N6{N:， N4} V:N7{Odo， NZ， N4} CL:NS{Odo， Gyro， Balise， DB， GPS， NS} L:Ng{Odo， NZ，從， N:} ?？辙D和滑行 (簡稱空滑 )是由輪軌間的相對運動造成的。 l。一 v一凡， =evo一氣 () ，為測速輪對的滾動的速度的真值。為其他傳感器測量的速度。一 a一凡， =凡。凡，為 空滑引起的加速度誤差。為其他傳感器的加速 度誤差輪徑參數在基于速度傳感器的列車定位方法中非常重要， 屬于比例因子。 d二為測速輪對的名義輪徑的參考值，為定值。 2)基于速度的方法 : d=d二 xv/(fx二 xd二 ) 二 d甲 Xv/場 =d甲一凡， /場 =d， +(△ v一凡， )/場 (2 3)基于加速度的方法 : d二心 xa/(f從二 x心 ) =d甲 xa/a甲 =d甲一氣， /即 =心 +(加一凡， )/a， (2 N3融合節(jié)點用于線路曲率 信息 C檢測。融合節(jié)點用于空轉和滑行補償，本文中簡稱為空滑補償，用 sc 表示。采用的信息組為 {DB， N3}。 N:融合節(jié)點用于速度 v估計。對于基于線路曲率信息的匹配定位，需要分析是否 誤匹配。 Ng融合節(jié)點用于位置 L估計。 L估計。安全位置是在位置估計的基礎上，考慮了 位置誤差估計和一定的原則 (變包絡長度或安全位置不后退 )的情況下得到的， 用于列車的間隔控制，采用的信息組為毛 Ng， N:。因此本章根據列車定位子系統(tǒng)的應用背景，提出了一種以速度 傳感器為核心傳感器的多傳感器信息融合列車定位方法，如圖