【文章內(nèi)容簡介】 軌道交通誕生以來，就一 直不斷地 采用新技術。當前的列車運行控制系統(tǒng)，己經(jīng)成為集現(xiàn)代移動通信技術、 計算機技術、控制技術、傳感技術的一個綜合控制系統(tǒng)。它己經(jīng)成為軌道交通系 統(tǒng)的大腦和中樞系統(tǒng) [41。 在列車運行控制系統(tǒng)中，列車定位是一項關鍵性的技術。準確、及時地獲取 列車位置信息，是列車安全、有效運行的保障。 列車定位技術在列車運行控制系統(tǒng)中的作用主要體現(xiàn)在以下兩個方面 : (l)地面控制中心根據(jù)列車的位置信息，進行間隔控制，保證追蹤運行的列 車的安全間隔?；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?；谕ㄐ诺牧熊囘\行控制 系統(tǒng)，可以通過無線通信，獲得列車的準確位置。 (2)車載設備獲得列車的位置和速度信息，可以根據(jù)速度一模式曲線進行控 制，與僅根據(jù)速度進行的階梯控制相比，可避免列車的多次制動。 過去幾十年中，人們在研究新型列車運行控制系統(tǒng)方面取得了富有成效的進 展，列車運行控制系統(tǒng)的功能不再僅僅局限于對列車的檢測、表示等，而由“表 示型”向“控制型”發(fā)展。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。 CBTC通過 地一車間的雙向通信，可以實現(xiàn)對列車的閉環(huán)控制，具有較強的操作能力和靈活 性，可以方便的在司機室進行信號顯示、速度控制，可以精確控制速度、加速和 制動過程，并能準確確定列車的位置。加速和制動的精確控制可以提高列車運行 品質和節(jié)能水平。在這個技術背景下，列車運行控制系統(tǒng)對列車定位子系統(tǒng)提出 了新的要求，要求列車定位子系統(tǒng)具有精確可靠的自主定位能力，減小對外界的 依賴。 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。論文的主要目標就是 研究列車運行控制系統(tǒng)中的列車定位子系統(tǒng) ，提出精確可靠的列車自主定位方法， 從而推動先進的列車運行控制系統(tǒng)的研究，為列車運行控制系統(tǒng)的發(fā)展提供理論 和技術支持。 目前列車定位方法有多種，廣泛采用的是基于速度傳感器的定位方法，還有 基于衛(wèi)星導航的列車定位方法和基于地圖匹配的列車定位方法等，這些方法有各 自的特點和應用背景。 基于速度傳感器的定位方法是最常用的列車定位方法。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。速度傳感器由于受機車輪對可能 發(fā)生空轉和滑行的影響，其測 量精度會隨著空轉和滑行惡化卜 81。在車輪滑行情況 下，一次滑行誤差將達到 IOm，因此，對于滑行誤差需要有防范措施 [9]。如何克服 空轉和滑行等因素造成的精度降低，是基于速度傳感器的列車定位方法要解決的 關鍵問題〔’ 0，川。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 。另一個是空轉和滑行誤差的補償。 對于空轉和滑行檢測，黎巴嫩學者 ， :和 采用了固定門限檢測法 [24]。事實上在許 多廣泛應用的列車定位子系統(tǒng)中采用的都 是類似的方法。 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(jù)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(jù)，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。在實 驗中，當測速輪對未發(fā)生空轉和滑行時，以加速度的標準差大于 52 作為判斷 空轉和打滑開始的門限值 :當測速輪對處于空轉或滑行狀態(tài)中，以加速度的標準 差小于 ?？梢钥闯鲞@個方法可以檢測到顯 著的空轉和滑行 ，但是對于不顯著的輪軌間相對運動無能為力。通常鐵路運營部 「 1為了盡量避免空轉和滑行的發(fā)生，在列車運行過程中采用了粘著控制，所以嚴 重的空轉和滑行是較少發(fā)生的。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。但固定門限檢測法無法檢測到微弱的空 轉和滑行 [24]。 意大利學者 MonieaMalvezzi， PaoloTOni， BenedettoAllotta和 ValentinaColla為 了研制意 大利的 ATP設備 SCMT，也對空轉和滑行檢測的問題進行了研究。他們 提出的算法使用了兩路安裝于不同輪對的速度傳感器的輸入信息。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。根據(jù)判斷兩路速度及計算加速度的信息與門限之間的大小關 系來對輪軌間的粘著狀況進行估計，估計的結果分了 7類，分別為空轉階段、滑 行階段、牽引情況下粘著不確定階段、制動情況下粘著不確定階段、牽引情況下 粘著良好階段、制動情況下粘著良好階段和開始滑行階段。在兩種粘著不確定階 段，根據(jù)在預設 的時間窗內(nèi)，判斷計算加速度的變化量與門限的大小關系來，決 定測速輪對是否穩(wěn)定運行。經(jīng)過大量的粘著試驗，該方法針對嚴重的空轉和滑行 有效，對于比較微弱的空轉和滑行無法有效的檢測。 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(shù)對門限值參數(shù)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]。 MonicaMalvezzi等學者又嘗試對空轉和滑行進行模糊化，分別 對一路和兩路 速度傳感器的輸入進行模糊推理，來推斷空轉和滑行的發(fā)生。并采用前饋神經(jīng)網(wǎng) 絡來估計速度。與固定門限算法比較，認為性能有所提高，但計算量過大，實時 性差，最終 ScMT系統(tǒng)依舊采用了固定門限算法 [2526]。 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(jù)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(shù)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’ ]。 意大利學者 MonieaMalvezzi， PaoloToni， Benedetto^llotta和 ValentinaColla提 出的是固定加速度二重積分法，針對輪軌間粘著的估計結果，當測速輪對發(fā)生空 轉或滑行時，對預設的固定加速度進行積分來計算速度值，再對速度值進行積分 來計算列車運行的里程 [25， 26]。 對于空轉和滑行誤差的補償問題，由于測速輪對在空轉和滑行階段中運動的 復雜和非線性，很難提高補償算法的 性能，但可以通過引入新的傳感器，如利用 多普勒測速雷達的輸出的速度測量值進行積分來補償。采用不同的傳感器的補償 方法的誤差是不同的。 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。提 高空轉和滑行的檢測性能，既可以根據(jù)不同的空轉和滑行補償?shù)恼`差情況，合理 選擇空轉和滑行檢測的門限，使得在一定的空轉和滑行補償條件下，列車定位的 誤差得到降低，也可以根據(jù)列車定位的精度的要求，選擇合適的空轉和滑行補償 方法和傳感器。北京交通人學博十學位論文 . (Low 一 COstsatellite 一 basedtrainloeationsysternforsignalingandtrainPROteetion ro:Lowdensitytraffi。 r‘ lwaylines， LoeoPRoL)是一種基于衛(wèi)星的新穎的低成本 的故障一安全的列車定位系統(tǒng) [27一川，應用于低密度路線的列車運行。 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。該定位方法 使用多個衛(wèi)星的偽 距，經(jīng)過計算獲得一個可信的列車位置區(qū)間 。 在這個算法中，首先選取一對衛(wèi)星，在某一時刻，以這兩顆衛(wèi)星的位置為焦 點，以列車距兩顆衛(wèi)星的偽距之差為實軸的長度，可以確定一個雙曲面 S，列車的 位置就在該雙曲面 S上。將雙曲面 S的一葉與事先測量并存儲的軌道線路的電子 地圖相交，就可以獲得列車的位置。因此這個算法需要關于線路的一維電子地圖。 由于基于衛(wèi)星的定位系統(tǒng)容易受到地形的影響，造成衛(wèi)星的信號無法很好的 接收到，因此可靠性比較低。在 LOCOPROL中，每個定位解只需要兩顆衛(wèi)星，當 系統(tǒng)接收到多顆衛(wèi)星時，可 以兩兩組合，優(yōu)化選擇若干組用于求解定位信息，使 系統(tǒng)的可靠性得以提高 [3‘， 341。 LocoPRoL的列車定位采用區(qū)間估計，其獲得的定 位解不是單個點，而是一段軌道區(qū)間，列車的實際位置就在這段軌道區(qū)間之內(nèi)， 其精度比通常的四星定位方法低，但是可靠性有所提高。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。但是這個方法無法滿足鐵路系統(tǒng)在隧道環(huán)境以及遮蔽環(huán)境 下的要求 [13]。 可以看出采用基于衛(wèi)星導航的列車定位方法具有低成本、覆蓋范圍廣、接收 機產(chǎn)品成熟的優(yōu)點，但也存在不足。如 GPS導航系統(tǒng)是由美國軍方為取得軍事優(yōu) 勢而發(fā)展的，本質上是一種軍事系統(tǒng)，只有在所謂保障美國安全利益的前提下才 提供別國使用。 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(jīng)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)。在海灣戰(zhàn)爭和我國幾次衛(wèi)星 發(fā)射試驗中，美國都曾降低 GPS民用碼精度或施加干擾， 19%年在我國臺灣以東 海域的導彈發(fā)射演習中，美國不僅使該區(qū)域 GPS不能使用，而且出現(xiàn)強的電磁波 干擾，使無線電導航受到嚴重影響。由此可見， GPS的控制權掌握在美國軍方手 中，美國完全可以根據(jù)自己的需要，隨意改變系統(tǒng)的民用精度和可用性 [36]。因此， 在列車運行控制系統(tǒng)這類安全苛求系統(tǒng)中采用基于 GPS的列車定位方法應當慎 重。 .23基于地圖匹配的列車定位方法 黎巴嫩學者 137一】。他 認為由于列車運行軌跡的曲率是非常小的，采用廉價的陀螺傳感器很難識別這些 曲線，因此采用光纖陀螺。這個方法通過光纖陀螺測量角速度，再通過速度傳感 器測量結果進行轉 化，最終與地圖數(shù)據(jù)庫中提取的角速度進行匹配，進而得到列 車的位置。 大多數(shù)圓曲線區(qū)段與直線區(qū)段都由緩和曲線區(qū)段相連。當列車在圓曲線和直 線區(qū)段上運行時，僅根據(jù)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。緩和曲線的半徑是逐漸變化的。 緩和曲線與直線區(qū)段相連之處的半徑是無窮大，而與圓曲線區(qū)段相連之處的半徑 是圓曲線的半徑。當以固定速度通過緩和曲線時，角速度是線性變化的。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。 為了驗證算法，在美 國科羅拉多州普韋布洛市的運輸技術中心內(nèi)進行了試驗。 試驗結果顯示被匹配算法修正過的速度傳感器比單純采用速度傳感器獲得的列車 位置的誤差有明顯的降低。但是定位算法對列車運行速度敏感，當列車低速運行 或速度變化較大的情況下，匹配結果不理想。 定位問題是許多領域都要面對的普遍問題。在航空、航天、航海、軍事等領 域己經(jīng)有了一些比較成熟的方法，通常采用多種類型的較高精度的傳感器進行多 傳感器信息融合，這些方法普遍都有較高的定位精度，但是由于其高昂的成本和 使用費用是面向民 用的軌道交通系統(tǒng)無法承受的，因此它們并不適合軌道交通系 統(tǒng)中的列車定位問題。民用的汽車導航系統(tǒng)通常采用低精度的傳感器進行信息融 合 l’ 0l，其成本較低，能給司機提供粗略的導航信息，但不能保證定位的可靠性， 因此無法在列車運行控制系統(tǒng)中應用。 雖然這些方法不能直接在列車運行控制系統(tǒng)中應用，但是基于多傳感器信息 融合的列車定位方法是一個值得深入研究的方向。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】。目前己有部分國外學者開始對多傳感器 信息融合在列車定位系統(tǒng)中的應用進行了研究。英國學者 AhmadMirabadi， Felix Schmid和 NeilMort認為在列車定位子系統(tǒng)中，應用多傳感器信息融合將有可能滿北京交通人學博十學位論文 足列車運行控制的需要 [42書 1。他們搭建的多傳感器定位實驗系統(tǒng)由 GPs、多普勒 雷達、光纖陀螺、速度傳感器、數(shù)字地圖和查詢應答器組成。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。為了能夠使系統(tǒng)具有故障檢測和故障隔離的能力，實驗系統(tǒng) 采用了分層結構對不同的傳感器進行組合，并構造了獷類型的殘值統(tǒng)計量，通過 獷檢驗判斷傳感器是否故障。在該結構中，所有的融合節(jié)點都提供導航解，越高 等級的節(jié)點的精度越高。當高等級的節(jié)點的某個傳感器故障時，輸出較低等級的 節(jié)點的導航解 [42， 43]。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。由于列 車在曲線區(qū)段容易發(fā)生空轉和滑行，如果沿列車的運行方向，在曲