【文章內(nèi)容簡介】 是否發(fā)生的加速度標(biāo)準(zhǔn)差的門限值。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)測速輪對未發(fā)生空轉(zhuǎn)和滑行時(shí)，空轉(zhuǎn)和打滑開始的門限值:當(dāng)測速輪對處于空轉(zhuǎn)或滑行狀態(tài)中，以加速度的標(biāo)準(zhǔn)?？梢钥闯鲞@個(gè)方法可以檢測到顯著的空轉(zhuǎn)和滑行，但是對于不顯著的輪軌間相對運(yùn)動無能為力。通常鐵路運(yùn)營部「1為了盡量避免空轉(zhuǎn)和滑行的發(fā)生，在列車運(yùn)行過程中采用了粘著控制，所以嚴(yán)重的空轉(zhuǎn)和滑行是較少發(fā)生的。因此大部分的空轉(zhuǎn)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(zhuǎn)和滑行所帶來的定位誤差構(gòu)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(zhuǎn)和滑行[24]。意大利學(xué)者 MonieaMalvezzi， PaoloTOni， BenedettoAllotta和 ValentinaColla為了研制意大利的ATP設(shè)備SCMT，也對空轉(zhuǎn)和滑行檢測的問題進(jìn)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(shè)定了關(guān)于兩個(gè)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(jì)算加速度的信息與門限之間的大小關(guān)系來對輪軌間的粘著狀況進(jìn)行估計(jì)，估計(jì)的結(jié)果分了7類，分別為空轉(zhuǎn)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(yù)設(shè)的時(shí)間窗內(nèi)，判斷計(jì)算加速度的變化量與門限的大小關(guān)系來，決定測速輪對是否穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)過大量的粘著試驗(yàn)，該方法針對嚴(yán)重的空轉(zhuǎn)和滑行有效，對于比較微弱的空轉(zhuǎn)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(yīng)函數(shù)對門限值參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，與固定「1限算法的結(jié)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(jì)算，由于實(shí)際線路與粘著試驗(yàn)中的粘著變化不同，因此難以進(jìn)行有效的優(yōu)化[25，26]。 MonicaMalvezzi等學(xué)者又嘗試對空轉(zhuǎn)和滑行進(jìn)行模糊化，分別對一路和兩路速度傳感器的輸入進(jìn)行模糊推理，來推斷空轉(zhuǎn)和滑行的發(fā)生。并采用前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來估計(jì)速度。與固定門限算法比較，認(rèn)為性能有所提高，但計(jì)算量過大，實(shí)時(shí)性差，最終ScMT系統(tǒng)依舊采用了固定門限算法[2526]。針對空轉(zhuǎn)和滑行帶來的誤差的補(bǔ)償，黎巴嫩學(xué)者 ， 和 ，首先記錄車輪的空轉(zhuǎn)或滑行的開始和結(jié)束時(shí)刻的速度值，然后根據(jù)空轉(zhuǎn)或滑行持續(xù)的時(shí)間和開始與結(jié)束時(shí)刻的速度值進(jìn)行線性插值，將這些數(shù)值作為相對應(yīng)時(shí)刻的補(bǔ)償速度，最后對補(bǔ)償速度進(jìn)行積分來計(jì)算列車運(yùn)行的距離[2’]。意大利學(xué)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(jì)結(jié)果，當(dāng)測速輪對發(fā)生空轉(zhuǎn)或滑行時(shí)，對預(yù)設(shè)的固定加速度進(jìn)行積分來計(jì)算速度值，再對速度值進(jìn)行積分來計(jì)算列車運(yùn)行的里程[25，26]。對于空轉(zhuǎn)和滑行誤差的補(bǔ)償問題，由于測速輪對在空轉(zhuǎn)和滑行階段中運(yùn)動的復(fù)雜和非線性，很難提高補(bǔ)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(dá)的輸出的速度測量值進(jìn)行積分來補(bǔ)償。采用不同的傳感器的補(bǔ)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(diǎn)是空轉(zhuǎn)和滑行檢測問題。提高空轉(zhuǎn)和滑行的檢測性能，既可以根據(jù)不同的空轉(zhuǎn)和滑行補(bǔ)償?shù)恼`差情況，合理選擇空轉(zhuǎn)和滑行檢測的門限，使得在一定的空轉(zhuǎn)和滑行補(bǔ)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(zhuǎn)和滑行補(bǔ)償方法和傳感器。北京交通人學(xué)博十學(xué)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(yīng)用于低密度路線的列車運(yùn)行。該系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于開發(fā)了一個(gè)使用了GPs、GLoNAss、Galilco等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位方法，并利用EGNOS和認(rèn)認(rèn)AS系統(tǒng)等對其進(jìn)行增強(qiáng)。該定位方法使用多個(gè)衛(wèi)星的偽距。在這個(gè)算法中，首先選取一對衛(wèi)星，在某一時(shí)刻，以這兩顆衛(wèi)星的位置為焦點(diǎn)，以列車距兩顆衛(wèi)星的偽距之差為實(shí)軸的長度，可以確定一個(gè)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(gè)算法需要關(guān)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(gè)定位解只需要兩顆衛(wèi)星，當(dāng)系統(tǒng)接收到多顆衛(wèi)星時(shí)，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(jì)，其獲得的定位解不是單個(gè)點(diǎn)，而是一段軌道區(qū)間，列車的實(shí)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(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)控制權(quán)的情況下，這種方法的可靠性將會進(jìn)一步提升，并且可以具有較低的生命周期費(fèi)用。但是這個(gè)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]?？梢钥闯霾捎没谛l(wèi)星導(dǎo)航的列車定位方法具有低成本、覆蓋范圍廣、接收機(jī)產(chǎn)品成熟的優(yōu)點(diǎn)，但也存在不足。如GPS導(dǎo)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(zhì)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(dǎo)航服務(wù)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(shí)可為全世界共享，但在戰(zhàn)時(shí)美國可以隨時(shí)關(guān)閉該系統(tǒng)。在海灣戰(zhàn)爭和我國幾次衛(wèi)星發(fā)射試驗(yàn)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(dǎo)彈發(fā)射演習(xí)中，美國不僅使該區(qū)域GPS不能使用，而且出現(xiàn)強(qiáng)的電磁波干擾，使無線電導(dǎo)航受到嚴(yán)重影響。由此可見，GPS的控制權(quán)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(yùn)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(yīng)當(dāng)慎重。.23基于地圖匹配的列車定位方法黎巴嫩學(xué)者 】。他認(rèn)為由于列車運(yùn)行軌跡的曲率是非常小的，采用廉價(jià)的陀螺傳感器很難識別這些曲線，因此采用光纖陀螺。這個(gè)方法通過光纖陀螺測量角速度，再通過速度傳感器測量結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)化，最終與地圖數(shù)據(jù)庫中提取的角速度進(jìn)行匹配，進(jìn)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(dāng)列車在圓曲線和直線區(qū)段上運(yùn)行時(shí)，僅根據(jù)角速度無法知道列車位于區(qū)段上的位置，因?yàn)榻撬俣炔粫l(fā)生變化，所以該方法的關(guān)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(dāng)以固定速度通過緩和曲線時(shí)，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(yàn)證算法，在美國科羅拉多州普韋布洛市的運(yùn)輸技術(shù)中心內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)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(yùn)行速度敏感，當(dāng)列車低速運(yùn)行或速度變化較大的情況下，匹配結(jié)果不理想。定位問題是許多領(lǐng)域都要面對的普遍問題。在航空、航天、航海、軍事等領(lǐng)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(jìn)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(fèi)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(dǎo)航系統(tǒng)通常采用低精度的傳感器進(jìn)行信息融合l’0l，其成本較低，能給司機(jī)提供粗略的導(dǎo)航信息，但不能保證定位的可靠性，因此無法在列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中應(yīng)用。雖然這些方法不能直接在列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中應(yīng)用，但是基于多傳感器信息融合的列車定位方法是一個(gè)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(shè)備的依賴，以便使列車運(yùn)行控制系統(tǒng)能夠兼容，并且降低生命周期費(fèi)用，有提議列車定位采用伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、速度傳感器和查詢應(yīng)答器(Euro一Ballse)組合的方法[4l】。目前己有部分國外學(xué)者開始對多傳感器信息融合在列車定位系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。英國學(xué)者 AhmadMirabadi，F(xiàn)elixSchmid和 NeilMort認(rèn)為在列車定位子系統(tǒng)中，應(yīng)用多傳感器信息融合將有可能滿北京交通人學(xué)博十學(xué)位論文足列車運(yùn)行控制的需要[42書1。他們搭建的多傳感器定位實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由GPs、多普勒雷達(dá)、光纖陀螺、速度傳感器、數(shù)字地圖和查詢應(yīng)答器組成。由于單個(gè)傳感器系統(tǒng)缺乏魯棒性，偶然的故障可能會導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無法正常工作，甚至可能給系統(tǒng)造成災(zāi)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用了分層結(jié)構(gòu)對不同的傳感器進(jìn)行組合，并構(gòu)造了獷類型的殘值統(tǒng)計(jì)量，通過獷檢驗(yàn)判斷傳感器是否故障。在該結(jié)構(gòu)中，所有的融合節(jié)點(diǎn)都提供導(dǎo)航解，越高等級的節(jié)點(diǎn)的精度越高。當(dāng)高等級的節(jié)點(diǎn)的某個(gè)傳感器故障時(shí)，輸出較低等級的節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)航解[42，43]。他們采用高精度的導(dǎo)航系統(tǒng)和軌旁一系列已知精確位置的固定點(diǎn)作為參考，來評價(jià)融合的效果，并發(fā)現(xiàn)采用查詢應(yīng)答器的定位方法的定位精度不僅與查詢應(yīng)答器的布置間隔有關(guān)，還與查詢應(yīng)答器的布置位置有關(guān)。由于列車在曲線區(qū)段容易發(fā)生空轉(zhuǎn)和滑行，如果沿列車的運(yùn)行方向，在曲線區(qū)段之后安裝查詢應(yīng)答器，定位誤差將會得到更好的改善[45】。但是其僅研究了若干種組合的誤差情況，未得到一種實(shí)用的傳感器組合與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且對于實(shí)際應(yīng)用，所采用的傳感器并非越多越好，選擇何種傳感器進(jìn)行融合是仍需要進(jìn)一步的研究問題。多傳感器信息融合技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在各方面取得了一定的成果，但缺乏一套成熟、完整的理論與方法附]。目前，絕大多數(shù)的多傳感器信息融合研究皆是針對特定的應(yīng)用領(lǐng)域的特定問題開展的，即根據(jù)問題的種類，各自建立直觀的融合準(zhǔn)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(shè)計(jì)具有一定的盲目性[401。多傳感器信息融合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)目前也沒有形成統(tǒng)一的分類形式， Jame:Lhnas[471根據(jù)JDL功能模型，給出了三種融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，集中式融合、自主式融合和混合式融合等。BelurVDasarath尹81則根據(jù)輸入輸出特性，給出了三種融合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu):柔性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、自改善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及有限決策輸入融合結(jié)構(gòu) 。為:集中式、分散式及混合式。集中式結(jié)構(gòu)從所有傳感器平臺獲得數(shù)據(jù)，并在融合中心處理這些數(shù)據(jù)。而分散式結(jié)構(gòu)則要求每個(gè)傳感器平臺處理局部信息，作出形式估計(jì)[49]。構(gòu)建一個(gè)多傳感器信息融合系統(tǒng)首先必須考慮信息融合體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這包含以下三個(gè)重要的問題:(l)如何組合傳感器，保證多傳感器信息融合系統(tǒng)的輸入輸出滿足要求。(2)如何合理選擇信息融合結(jié)構(gòu)，保證信息融合的有效性，最大限度地發(fā)揮多傳感器信息融合的優(yōu)勢。(3)大量的輸入數(shù)據(jù)有助于信息融合，同時(shí)也會導(dǎo)致融合計(jì)算量呈級數(shù)級增加，要考慮如何控制計(jì)算量，降低處理負(fù)荷[50】，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(gè)新的發(fā)展方向。本文的研究內(nèi)容包含了以下兩個(gè)方面:(l)研究適合于列車定位方法的多傳感器信息融合結(jié)構(gòu)。(2)根據(jù)軌道交通的特點(diǎn)，合理選擇傳感器的組合，研究解決當(dāng)前列車定位方法中固有的問題。在已有的列車定位子系統(tǒng)中，速度傳感器能夠?qū)\(yùn)行距離進(jìn)行直接測量，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于空轉(zhuǎn)和滑行的存在，使得速度傳感器的應(yīng)用不得不嚴(yán)重依賴于查詢應(yīng)答器等其他信息源。為了提高基于速度傳感器的列車定位方法的性能，本文研究了基于速度傳感器的列車定位方法的誤差模型，采用加速度計(jì)增強(qiáng)速度傳感器的方法進(jìn)行空轉(zhuǎn)和滑行檢測。另外為了降低對查詢應(yīng)答器的依賴，借鑒巡航導(dǎo)彈的地形輔助導(dǎo)航的原理，研究采用融合陀螺、軌道線路曲率信息數(shù)據(jù)庫和速度傳感器進(jìn)行線路曲率匹配定位的方法，為列車的定位提供類似查詢應(yīng)答器的絕對定位信息。本文研究了基于多傳感器信息融合的列車定位方法中的多傳感器信息融合結(jié)構(gòu)和傳感器的選擇與組合，分析了當(dāng)前廣泛采用的查詢應(yīng)答器輔助速度傳感器的列車定位方法，提出了與其相似的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。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(yīng)答器，有可能減少用于列車位置校正的查詢應(yīng)答器的數(shù)量。本文研究了基于速度傳感器的列車定位方法、空轉(zhuǎn)滑行檢測方法和由于空轉(zhuǎn)滑行造成的列車定位誤差的補(bǔ)償算法，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，提出了新的與空轉(zhuǎn)和滑行檢測門限有關(guān)的基于速度傳感器的列車定位方法中定位誤差的模型，發(fā)現(xiàn)了定位誤差與空轉(zhuǎn)和滑行檢測門限的制約關(guān)系，空轉(zhuǎn)和滑行檢測門限應(yīng)與不同的空轉(zhuǎn)和滑行補(bǔ)償方法相適應(yīng)。研究了基于加速度計(jì)增強(qiáng)速度傳感器的空轉(zhuǎn)滑行檢測方法。該方法提高了對空轉(zhuǎn)和滑行的檢測性能，能夠識別目前的空轉(zhuǎn)和滑行檢測方法無法檢測的微弱的空轉(zhuǎn)和滑行。定量的研究了加速度計(jì)的溫漂誤差和安裝誤差等因素對空轉(zhuǎn)滑行檢測方法的影響。本文研究了基于線路曲率匹配的列車定位方法，提出了基于小波間斷點(diǎn)檢測的線路曲率匹配的啟動點(diǎn)檢測方法和基于相關(guān)匹配的定位算法。該算法不要求采用高精度的陀螺，對陀螺的溫漂誤差和列車是否勻速運(yùn)行均不敏感。本文研究了巡航導(dǎo)彈的地形輔助導(dǎo)航方法的原理，通過信息嫡，使地形輔助導(dǎo)航方法與基于查詢應(yīng)答器的列車定位方法得到了統(tǒng)一，提出了線路曲率信息墑的概念。匹配定位的一個(gè)重要問題就是判斷匹配結(jié)果正確與否，是否可用，通常稱之為可信度分析。為了匹配定位的可信度，研究了相似度、信噪比、線路曲率信息嫡和列車運(yùn)行速度等因素