【正文】 器信息融合可用下式來進行描述 : X=F(21， 22，?， z。 )(2一 l) 其中 X和 F分別代表融合結(jié)果和融合函數(shù)。 對于某個傳感器 :i而言，信息的獲取是一個測量的過 程，其中包含不確定信 息。因此需要為測量系統(tǒng)建立一個數(shù)學(xué)模型，該模型可以用來描述系統(tǒng)輸入與輸 出之間的關(guān)系 (包括不確定性 )。另外，考慮到不確定系統(tǒng)作為整個融合系統(tǒng)的一 部分，其模型應(yīng)該滿足融合處理的要求，即包含合理的不確定性模型。 以往研究中，測量模型的數(shù)學(xué)表達式如下 : z=f(x)+v() 其中， :定義為觀測變童， x是根據(jù)觀測變量所要估計的狀態(tài)變量，人習(xí)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。在多傳感器信息融合系統(tǒng)中，該測量模型 也被用 作傳感器模型，其中，就是系統(tǒng)的不確定性模型，而力 )就是系統(tǒng)的先驗?zāi)Ｐ汀Ｔ? 這種模型中， v作為一個單獨附加項是一種理想的情況，更為一般的情況是用辦， v) 代替人習(xí) +v，但這種形式會給實際應(yīng)用帶來很大的困難，另外，有一些常用的假設(shè) 可以簡化模型的復(fù)雜性，首先是 x和 v之間具有統(tǒng)計獨立性，其次 x和 v的概率密 度尸伽 )和 P(v)為已知 。最后假設(shè) P(v)為零均值的高斯形式 (白噪聲 )。從上面的假 設(shè)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。根據(jù)公式 ()以 及上面的假設(shè)，利用概率論中的方 法可以得到 : p( }一卜生架署二旦、旦衛(wèi)旦邊 P(z:， z:)() 其中， z‘ =關(guān) (x)+v， i=1， )、 P(z小 p(z2)和 P(z，乏 )被稱為驗前信息，它們和工作環(huán)境有著密切的關(guān)系，但在靜態(tài)環(huán)境下，這些信息被認為是不變的。 盡管這樣假設(shè)可以簡化整個處理過程，但是在實際應(yīng)用中這些假設(shè)條件往往難以 得到滿足，如果狀態(tài)變量和隨機變量之間存在禍合的情況，或者非統(tǒng)計噪聲的影 響等。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。 如果將一個多傳感器信息融合系統(tǒng)視 為一個決策小組，每個傳感器作為其中 的一個成員，可以根據(jù)自己所得到的信息進行局部決策。假設(shè)一個由 n個傳感器 組成的系統(tǒng)，每個傳感器可以表示為如下的形式， z， =粉‘ (x，只，戈 (2.)，?，氏一， (z卜 1)，戈 +， (z‘ +， )，?，氏 (z。 ))， i=l， 2，?， n() 上式為傳感器的信息結(jié)構(gòu)。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。用概 率密度函數(shù)的形式來表示信息結(jié)構(gòu)，對于第 i個傳感器，可得 : f(z， }粉， (x‘，月，戈 ))=幾 (z‘ Ix，尸，氏 ) =fx(z‘ }x‘ )x方 (z‘ !只 )x幾 (z‘ {占， ) =fx(夕戶 )x幾 (叮廠 )x幾 (叮廣 )() 其中，厭 =(占，?，氏一 :，氏 +，?，氏 )。 fx(樹 )為狀態(tài)模型，用來描述觀測值和傳感 器物理狀態(tài)之間的關(guān)系 。方 (杯 )為觀測模型，用來描述觀測值與環(huán)境之間的關(guān)系 。 幾 (丫 )是依賴模型，用于描述其他傳感器所提供的信息。 列車定位方法從時間的連續(xù)性上分為，離散的方式 (信息在預(yù)先排列的一些 點上產(chǎn)生，如查詢應(yīng)答器 )和 連續(xù)的方式 (信息在任何點上都能夠連續(xù)地產(chǎn)生， 如軌間電纜和傳統(tǒng)的速度傳感器定位等 )。 列車定位方法從信息的來源分為，基于軌旁設(shè)備的方式 (不依賴于車載設(shè)備， 如用軌道電路進行占用檢查 )、基于車載設(shè)備的方式 (不依賴于軌旁設(shè)備，如基于 衛(wèi)星的定位系統(tǒng) )和基于兩種混合的方式 (如速度傳感器和查詢應(yīng)答器 )。 列車定位系統(tǒng)必須在時間上不間斷的進行列車的定位，還必須在任何運行的 地理環(huán)境中不間斷的進行列車的定位。 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(shù) 。同時降低了獲得 信息的費用并且縮短了獲得信息的時間。因此多傳感器信息融合可以提高整個融 合系統(tǒng)的性能。國外已從理論上證明，通過從傳感器的數(shù)據(jù)融合而獲得的對環(huán)境 或目標狀態(tài)的最優(yōu)估計，不會使整個系統(tǒng)的性能下降，即多傳感器信息融合系統(tǒng) 的性能不會低于單傳感器系統(tǒng)的性能。采用多傳感器信息融合，能夠?qū)㈦x散的和連續(xù)的定位信息進行融合提高定位的可靠性 。能夠?qū)⒍ㄎ幌到y(tǒng)完全建立在車載環(huán) 境中，不需在軌旁安裝軌道電路等設(shè)備，能夠改善系統(tǒng)的工作環(huán)境、提高系統(tǒng)的 可靠性、降低系統(tǒng)的生命周期費用 。還能夠滿足時間和空間 的可用性，不受地理 環(huán)境的影響，避免失去對系統(tǒng)的控制權(quán) [65， 66]。 在列車運行控制系統(tǒng)中，車載控制單元需要對列車進行速度控制，在階梯式 控制方式下，需要對速度進行監(jiān)督，在一次模式曲線控制方式下，需要列車的位 置來計算列車到目標點的距離才能計算速度監(jiān)督曲線，才能對速度進行監(jiān)督?；? 于通信的列車運行控制系統(tǒng)的地面控制中心，可以根據(jù)所管轄的列車的安全位置 (即考慮了列車定位誤差，經(jīng)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。因此基于多傳感器信息融合的列車定位方法需要提供列車的速度及 其誤差、列 車的位置和列車的安全位置。由于速度傳感器的廣泛應(yīng)用，基于多傳 感器信息融合的列車定位方法應(yīng)解決空轉(zhuǎn)和滑行的檢測、空轉(zhuǎn)和滑行的誤差補償 和輪徑校正的問題。由于基于匹配定位的方法與基于 GPS定位的方法與基于查詢 應(yīng)答器的定位方法相比，可靠性較差，因此應(yīng)對提供絕對位置信息的定位方法 (基 于匹配和基于 GPS的定位方法 )進行可信度檢查。本章針對這些問題，構(gòu)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(jié)構(gòu)，如圖 。 安全位置 Ls SSSiii RRRadar}}} Gyrooo DDDBBB 圖 在該多傳感器信息融合結(jié)構(gòu)中， N。， {i 二 1， 2，?， 11 偽融合節(jié)點。其中，可以采用的傳感器有多普勒測速雷達 (Radar)、加速度計 (Acc)、速度傳感器 (odo)、陀螺 (G卿 )、全球定位系統(tǒng) (GPs)、查詢應(yīng)答器 (Balise)和線路數(shù)據(jù)庫 (DB)。該結(jié)構(gòu)還有 擴展的能力，可以融合其他信息源 (si)，如軌道電路絕緣節(jié)信息、渦流傳感器和圖 像傳感器。 S:N:{Odo， Aec， Radar， GPS} D:從 {Odo， Rad魷 GPS} C:N3{Odo， Gyro} Se:從 {Radar， N一 } LM:NS{DB， N3} 。 v:N6{N:， N4} V:N7{Odo， NZ， N4} CL:NS{Odo， Gyro， Balise， DB， GPS， NS} L:Ng{Odo， NZ，從， N:} 。 L:Nl。 {從， N:} Ls:NI， {Ng， Nl。 } N，融合節(jié)點用于測速輪對的空轉(zhuǎn)和滑行檢測，本文中簡稱空滑檢測，用 S表 示。空轉(zhuǎn)和滑行 (簡稱空滑 )是由輪軌間的相對運動造成的。其相對運動可以在 位移、速度和加速度三個方面體現(xiàn)，因此檢測方法可以針對其中 一種或幾種的融 2腸 l)基于位移的方法 : △ l=10一 l甲 二 l+氣一 l一氣 =氣一“ () l為測速輪對的滾動的距離的真值。 l二為速度傳感器測量的距離。氣為空滑 引起的距離誤差。 l。為其他傳感器測量的距離。氣為其他傳感器的距離誤差。氣 是空滑檢測的對象，假設(shè)氣服從高斯分布，通過對△ l的檢測，就能間接的檢測氣， 采用的傳感器組為 {odo， GpS}O 2)基于速度的方法 : △ v二 vo一 v甲一 =v十氣。一 v一凡， =evo一氣 () ，為測速輪對的滾動的速度的真值。 v，為速度傳感器測量的速度。 S、 為空滑引起的速度誤差。 v。為其他傳感器測量的速度。 svo為其他傳感器的速度誤差。凡， 是空滑檢測的對象，假設(shè) :、服從高斯分布，通過對△ v的檢測，就能間接的檢測凡， 采用的傳感器組為毛 Odo， Radar}。 3)基于加速度的方法 : △ a=ao一 a甘 =a+凡。一 a一凡， =凡。一凡， () 。為測速輪對的滾動的加速度的真值。 a，為速度傳感器測量的加速度。凡，為 空滑引起的加速度誤差。 a。為其他傳感器測量的加速度。凡。為其他傳感器的加速 度誤差凡，是空滑檢測的對象，假設(shè)氣。服從高斯分布，通過對△“的檢 測，就能 間接地檢測凡，采用的傳感器為 {Od”， Acc}o N:融合節(jié)點用于測速輪對的輪徑 D估計。在輪軌交通系統(tǒng)，輪對的踏面通常 是錐形或磨耗形，輪對在縱向進行滾動運動的同時，在橫向進行橫擺運動，在垂 向進行搖頭運動，導(dǎo)致輪對踏面與軌面的接觸點也在橫向上變化，因此測速輪對 的輪徑是一個時變量。輪徑參數(shù)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。其誤差屬于比例因子誤差會影響位移、速度和加速度這三種物理 量的測量，因此輪徑估計可以針對其中一種或幾種的融合。 l)基于位移的方法 : d=d， xl/(Nx萬 xd， ) =d二 xl/今 一 d二一局， /份 =d二 +(△ l一場， )/份 (2 9) d為測速輪對輪徑的真值。 d二為測速輪對的名義輪徑的參考值，為定值。 N 為測速輪對運行中，速度傳感器輸出的脈沖數(shù)。當測速輪對未發(fā)生空滑時，假設(shè)△ l 服從高斯分布。在未發(fā)生空滑情況下的份較大時，可以對測速輪對的輪徑進行估 計，采用的傳感器組為 {odo， Gps}。 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 10)f為測速輪對運行中，速度傳感器輸出的脈 沖頻率。當測速輪對未發(fā)生空滑 時，假設(shè)△ v服從高斯分布。在未發(fā)生空滑情況下的場較大時，可以對測速輪對的 輪徑進行估計，采用的傳感器組為 {Odo， Redar}。 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 11) f’為測速輪對運行中，速度傳感器輸出的脈沖頻率的微分。當測速輪對未發(fā) 生空滑時，假設(shè)△ a服從高斯分布。在未發(fā)生空滑情況下的場較大時，可以對測速 輪對的輪徑進行估計，采用的傳感器組為 {Odo， Acc}。 N3融合節(jié)點用于線路曲率 信息 C檢測。軌道線路的曲直變化是固定的，通過 線路曲率信息的檢測，可以為匹配定位提供信息。采用的傳感器組為 {Odo， Gyro}。 N。融合節(jié)點用于空轉(zhuǎn)和滑行補償，本文中簡稱為空滑補償，用 sc 表示。測速 雷達不受空滑影響，可以提供速度信息經(jīng)過積分，進行空滑補償，因此采用的信 息組為 {Radar， N， }。 NS融合節(jié)點用于基于線路曲率信息的匹配定位 LM。通過將線路曲率信息與線 路數(shù)據(jù)庫進行匹配，獲得曲線區(qū)段在軌道坐標中的位置。采用的信息組為 {DB， N3}。 N6融合節(jié)點用于速度誤差即估計。根據(jù)速度信息的不同來 源，估計速度誤差。 采用的信息組為 {N:，從 }。 N:融合節(jié)點用于速度 v估計。采用的信息組為 {Odo， NZ， N4}。 N:融合節(jié)點用于位置修正的可信度 CL分析。用于位置修正的信息，無論信息 來源，均應(yīng)進行可信度分析。對于基于線路曲率信息的匹配定位，需要分析是否 誤匹配。對于基于查詢應(yīng)答器的位置修正，需要判斷查詢應(yīng)答器是否滿足正確的 鏈接關(guān)系。對于基于 GPS的位置修正，需要判斷軌道是否會被誤識別和定位解是 否可用等問題。采用的信息組為 {odo， o卿， Balise， DB， Gps， Ns}。 Ng融合節(jié)點用于位置 L估計。采用的信息組為 {odo， NZ， N4， N對。 NI。融合節(jié)點用于位置誤差。 L估計。根據(jù)位置信息的不同來源和位置修正的情 況，估計位置誤差。采用的信息組為 {從， NS}。 N::融合節(jié)點用于安全位置 L:估計。安全位置是在位置估計的基礎(chǔ)上，考慮了 位置誤差估計和一定的原則 (變包絡(luò)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:。 }。韭立文通人黛 .博 .大 .學(xué)位論文 .基于多傳 .感器信息融合列車定位方法的研 基于多傳感器信息融合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)空轉(zhuǎn)與滑行問題設(shè)置融合節(jié)點，可 以 方便的擴展和融合更多種傳感器或信息源，如軌道電路絕緣節(jié)信息、渦流傳感 器和圖像傳感器等信息源。 法 盡管在基于多傳感器信息融合的列車定位方法中，能夠融合多種傳感器的信 息獲得列車的速度和位置信息，但是對于實際應(yīng)用，所采用的傳感器的種類和數(shù) 量并非多多益善。因此本章根據(jù)列車定位子系統(tǒng)的應(yīng)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 。該方法主 要針對兩個方面的問題 : l)提高空轉(zhuǎn)滑行的檢測能力，采用基于加速 度計增強速度傳感器的定位方法， 降低空轉(zhuǎn)和滑行帶來的定位誤差。 2)利用線路的曲率信息進行匹配定位，采用基于線路曲率信息的匹配定位方 法，進行類似查詢應(yīng)答器的位置修正。 }列車位置 } 基于線路曲率信息的