上官偉,王 劍,蔡伯根,劉 江

(北京交通大學軌道交通控制與安全國家重點實驗室,北京100044)

隨著列車控制系統(tǒng)的發(fā)展,鐵路運營者正在積極尋求一種既能減少運營和維護費用,又能提高運輸效率的系統(tǒng)——“低成本列車控制系統(tǒng)”.解決低成本問題的一個有效的辦法是采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),它可以減少軌旁設備.專用軌道電子地圖數(shù)據(jù)庫是采用GPS技術實現(xiàn)列車實時、可靠安全定位的重要基礎.

對軌道電子地圖數(shù)據(jù)庫的研究國內(nèi)起步相對較晚,針對專用數(shù)據(jù)庫中所要用到的軌道線路約簡算法,北京交通大學軌道交通GPS實驗室對電子地圖數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結構存儲格式進行了一定的研究和驗證.目前國內(nèi)主要集中在站場信號平面布置圖的研究上,由于人工參與程度很多,造成效率低且容易出錯.因此研究基于GIS的列車控制系統(tǒng)專用數(shù)據(jù)庫具有理論與現(xiàn)實意義,如能再驗證數(shù)據(jù)庫的完備性、準確性與效率,該研究將具有較高的實用價值.

1 CTCS低成本專用數(shù)據(jù)庫的設計

1.1 數(shù)據(jù)模型

目前,基于CAD的數(shù)據(jù)模型、空間關系型模型及面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)模型是GIS軟件開發(fā)商使用的3種數(shù)據(jù)庫存儲模型.本文也是在此基礎上進行開發(fā)研究.

CAD數(shù)據(jù)存儲地圖的相關數(shù)據(jù)往往采用自有的二進制文件格式,這些平面化的圖形數(shù)據(jù)一般使用笛卡兒坐標系統(tǒng).在使用CAD系統(tǒng)時,對于大范圍的數(shù)據(jù),我們采用分割成許多獨立的文件方式來存儲.與空間關系型模型相比,在對空間數(shù)據(jù)的表達上,面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)模型是最有效的,但是由于這種技術剛剛興起,還不成熟,所以本文研究是在空間關系數(shù)據(jù)模型中,幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)是空間對象中所存儲的兩種數(shù)據(jù).關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(RDBMS)用來存放這些屬性數(shù)據(jù),而這些數(shù)據(jù)通過唯一的接口映射ID號與存儲在文件中的空間對象的幾何數(shù)據(jù)關聯(lián).

1.2 專用數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建流程

創(chuàng)建低成本列車控制系統(tǒng)專用數(shù)據(jù)庫可以分為專用地圖數(shù)據(jù)庫生成子模塊、原始數(shù)據(jù)處理子模塊和數(shù)據(jù)庫實際應用子模塊3個大的模塊.列車運行控制系統(tǒng)專用數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建流程如圖1所示.

圖1 列車運行控制系統(tǒng)專用數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建流程Fig.1 Creation processes of CTCS specific database

1)線路測繪.在這個模塊中,數(shù)據(jù)源是勘測方按照需求,以規(guī)定數(shù)據(jù)文件格式,在精度要求范圍內(nèi)提供的.數(shù)據(jù)源被項目開發(fā)組進行預處理以后,生成規(guī)定格式,給專用地圖數(shù)據(jù)庫生成子模塊使用.

線路勘測方應提供包括股道線路勘測數(shù)據(jù)及關鍵點數(shù)據(jù)一系列的“勘測點”數(shù)據(jù).在低成本列車控制系統(tǒng)中,測繪軌道原始數(shù)據(jù)有兩種方法:①采用低精度測量方法來測繪軌道線路的數(shù)據(jù).在活動頻繁的機車車頂安裝GPS接收機天線,采集多次重復行車定位信息.②采用高精度GPS測量方法對關鍵點的數(shù)據(jù)進行測繪,因為它們對于股道占用、列車接近、行車位置等與安全相關的狀態(tài)和行車行為密切相關.

2)數(shù)據(jù)預處理.GPS的定位信息,存在著各種誤差.我們通過采用擬合和平滑的方式來對勘測得到的數(shù)據(jù)進行處理后,轉(zhuǎn)換為地圖數(shù)據(jù),以匹配低成本列車控制系統(tǒng)采用的地圖數(shù)據(jù)模型.

3)軌道地圖數(shù)據(jù)可視化.在軌道電子地圖中,存儲和處理的信息分為兩大類:空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù).空間數(shù)據(jù)反映軌道地理空間位置的信息,屬性數(shù)據(jù)反映軌道地理要素的其他信息.電子地圖空間數(shù)據(jù)可視化實現(xiàn)的方式主要有兩種:一種是利用底層開發(fā)工具進行平面繪圖,另一種是在現(xiàn)有的GIS平臺下(如ARC/Info、MapInfo等)建立起來,只需要將現(xiàn)有的電子地圖的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應的GIS平臺下的數(shù)據(jù)[1].本文平面可視化的實現(xiàn)是選用了GIS組件MapInfo.

4)創(chuàng)建電子地圖專用數(shù)據(jù)庫.在軌道地圖數(shù)據(jù)可視化中,地圖數(shù)據(jù)只能用作電子地圖的底圖.在實際開發(fā)中,為了實現(xiàn)軌道線路的分析等功能,或者方便查看目標設備的狀態(tài)顯示,必須建立圖形數(shù)據(jù)的連通關系,生成完備的拓撲化的電子地圖.

5)生成示意圖.軌道示意圖的生成就是為了彌補軌道電子地圖的這個大缺陷,軌道電子地圖通過數(shù)據(jù)庫與示意圖之間建立連接,實現(xiàn)兩者之間的對應查詢.針對GIS地圖與示意圖之間的關系,主要包括一對一、一對多、多對一、多對多4種關系.

6)編譯生成二進制文件.在實際應用中,專用數(shù)據(jù)庫往往是以二進制的形式存儲的,所以需要進行一次格式轉(zhuǎn)換,將其編譯成二進制文件.

7)專用數(shù)據(jù)庫的驗證.確保對所創(chuàng)建的專用數(shù)據(jù)庫文件和編譯生成的二進制文件有準確性.

2 專用數(shù)據(jù)庫的生成方案

2.1 拓撲模型

專用數(shù)據(jù)庫生成的首要前提是建立準確的拓撲數(shù)學模型.不同軌道連接的方式在地圖的拓撲數(shù)學模型被定義,如圖2所示,包括基本元素節(jié)點和片段模型.

3個片段連接一個節(jié)點,節(jié)點的拓撲連接屬性體現(xiàn)在節(jié)點的上行片段和下行片段.當連接4個以上(包括4個)片段時,要完成連接必須定義輔助的虛擬節(jié)點,定義虛擬節(jié)點之間的片段長度為0.例如,圖2中的虛擬節(jié)點是節(jié)點 VN1和 VN2,定義 VS長度為0,實際上,節(jié)點 VN1和 VN2在地理上是同一個點,S1、S2、S3和 S44個片段被它連接.

圖2 拓撲結構模型Fig.2 Model of topology structure

鐵路實體對象的信息包含在節(jié)點結構中,如圖3所示,假設下行方向為從左到右,定義D8的上行節(jié)點為16,那么它的上行鏈接節(jié)點ID存儲于節(jié)點的數(shù)據(jù)結構中,則可以建立節(jié)點的連通關系.描繪出完整的股道線路只要通過讀取該節(jié)點與其上行鏈接節(jié)點ID就可以,見圖4.

圖3 軌道示意圖Fig.3 Diagram of track map

圖4 對應的局部單元鏈接圖Fig.4 Corresponding local unit link

鏈接于道岔節(jié)點的3個節(jié)點分別是:岔前節(jié)點、岔后直股節(jié)點和岔后彎股節(jié)點,這樣對應每個節(jié)點,如圖3、圖4所示.

2.2 專用數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容與屬性定義

軌道數(shù)據(jù)、鐵路專用數(shù)據(jù)和地形環(huán)境數(shù)據(jù)是低成本列車控制系統(tǒng)專用數(shù)據(jù)庫所包括的3部分內(nèi)容:①軌道數(shù)據(jù).在軌道數(shù)據(jù)中有對軌道的結構和位置的描述.在車站有多條股道,有多組道岔,而且道岔有單動、雙動及交分道岔,但是這些股道的連接關系都是有規(guī)律的.②鐵路專用數(shù)據(jù).信號燈、道岔、絕緣節(jié)和變坡點等都屬于鐵路專用數(shù)據(jù).③地形環(huán)境數(shù)據(jù)包括隧道、路塹、山體和氣象條件等,這些數(shù)據(jù)影響列車定位環(huán)境的描述.結合本系統(tǒng)的實際開發(fā)情況,專用數(shù)據(jù)庫的構成圖(只以一條股道為例做出說明),如圖5所示.

圖5 專用數(shù)據(jù)庫結構Fig.5 Structure of specific database

3 列車定位匹配算法

3.1 鐵路軌道數(shù)據(jù)模型

鐵路軌道曲線形式有直線、圓曲線和兩者之間的過渡三次拋物緩和曲線3種[2],對鐵路軌道進行描述可以借用線性方程、二次曲線方程和三次拋物曲線方程.

1)直線段線性模型.模型方程為

其中:線性方程的系數(shù)為 a、b;點的橫坐標為 x,相應 x點處的縱坐標為f(x).

2)曲線段的模型.模型方程為

其中:二次曲線方程的系數(shù)為 a、b、c;點的橫坐標為 x,相應點處的縱坐標為 f(x).

對于已有的電子地圖上的點,都可以用線性方程、二次曲線方程和三次拋物方程將它們組建成一個模型系統(tǒng).該模型方程為方程 f1(x)、f2(x)和 f3(x)中的系數(shù)不同.

3.2 定位匹配算法

本文采用基于移動距離窗的線匹配方法,其原理見圖6.假定需匹配點為10個,移動距離窗的長度為9 m.設距離窗的起始公里標可為ni,如果公里標的終止位置為 ni+k,則為用戶按自己需求定義的距離窗長度為 k值.按照匹配規(guī)則,該距離窗內(nèi)的點都將全部進行匹配.

圖6 移動距離窗的線匹配方法Fig.6 Line-matching method of moving distance window

1)直線段上的匹配算法.在文獻[3]中,定位點誤差情況是在不同車速、不同GPS接收機頻率條件下的給出.定位誤差和和車速存在正比關系,和GPS接收機的頻率存在反比關系,即車速越快時,定位誤差越大;當GPS接收機的頻率越高時,定位誤差越小[4-6].可推導定位誤差 f(x)、車速和GPS接收機頻率間的函數(shù)關系為

其中:比例系數(shù)為k=11/40;GPS接收機的頻率為ffrequency;列車的速度為 vvelocity.過定位點作垂線的點匹配法計算出來的匹配點坐標為

其中:定位點所在直線段的斜率為k1,k2=1/k1;則在知道定位誤差的情況下補償一個誤差值 f(x)就可以改善原來的定位精度,則匹配點坐標變?yōu)?/p>

匹配示意圖,如圖7所示.

圖7 誤差補償情況下直線段上的點匹配法Fig.7 Point-matching method of a straight line segment Error compensation cases

相應的當直線斜率為 k時,補償誤差 f(x)應修正為 f′(x),且

2)曲線段上的匹配算法.對于過渡曲線段和圓曲線段而言,它們的曲率半徑相對都比較大[7],在比較短的路徑范圍內(nèi),可以近似的將曲線弧段等同于直線段長度[8].那么加入補償誤差后的曲線段上點匹配示意圖,如圖8所示.

設在t0時刻列車的定位點橫坐標值為 x0,x0該點處的切線斜率為k;在接下來的t1=1/f時刻,列車的定位點橫坐標值為 x1,則補償誤差后的坐標點由原來的A2點變?yōu)?A3點,如下式所示

圖8 誤差補償情況下曲線段上的點匹配法Fig.8 Point-matching method of curve error compensation cases

在GPS接收機已獲得的定位點信息是誤差補償?shù)钠ヅ浞椒ㄇ疤?對于移動距離窗內(nèi)的點,不一定在每個要求的定位點信息值都可以獲得,這時就需要通過添加一個信息值來補償.定位匹配結果如圖9所示,本文研究的匹配精確度大于93%.

圖9 定位匹配結果Fig.9 Result of Location match

4 CTCS專用數(shù)據(jù)庫與定位匹配實現(xiàn)

低成本列車控制系統(tǒng)專用數(shù)據(jù)庫主要針對機車司機與地面列車監(jiān)控調(diào)度工作人員.從系統(tǒng)的顯示表達方式上分析,軌道示意圖和軌道電子地圖是系統(tǒng)界面的兩大部分.軌道示意圖能以鐵路運輸調(diào)度指揮人員所熟悉的形式顯示線路的平面圖,通過建立專用數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)雙方對應位置的關聯(lián);軌道電子地圖可直接查看所轄區(qū)段的地理信息.

系統(tǒng)的開發(fā)流程:處理從測繪部門獲取得到的鐵路原始數(shù)據(jù),完成數(shù)據(jù)的可視化,作為專用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所需使用的電子底圖;通過在可視化電子底圖上添加關鍵點的屬性信息,就可以生成軌道電子地圖,同時生成對應的軌道示意圖.

低成本列車控制系統(tǒng)專用數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)是采用組件式GIS二次開發(fā)方式,站場線路狀態(tài)能被直觀的顯示,線路中的關鍵點信息能進行較深層次的操作,同時應用COM技術,實現(xiàn)了顯示軌道示意圖的生成及示意圖中鐵路設備相關功能狀態(tài).以北京局三家店編組站為例,數(shù)據(jù)源為該編組站中實際測試得到的軌道地理信息,進行專用數(shù)據(jù)庫的軟件開發(fā).

從現(xiàn)場獲得實測數(shù)據(jù)進行處理并生成專用數(shù)據(jù)庫,依據(jù)數(shù)據(jù)庫生成GIS地圖和相應的示意圖,如圖10所示.專用數(shù)據(jù)庫生成后,再進行站場軌道及POI(Point of Interest)點的數(shù)據(jù)驗證,就能實現(xiàn)列車的精確定位,如圖11所示.

圖10 列車軌道數(shù)字地圖顯示Fig.10 Display train tracks digital map

圖11 列車控制系統(tǒng)專用數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)匹配Fig.11 Data-matching for CTCS specific database

5 結論

本文在系統(tǒng)分析專用數(shù)據(jù)庫生成關鍵技術基礎上,對專用數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建流程進行了設計,針對鐵路線路的一維特性及復雜的拓撲結構,給出一種專用數(shù)據(jù)庫的拓撲模型和軌道模型,在此基礎上基于實時性、簡單性的思想將鐵路空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)存儲為一體,設計了專用數(shù)據(jù)庫的結構.基于移動距離窗的定位匹配算法,綜合考慮曲線與直線,針對不同的軌道部分采用不同的定位匹配算法.最后,針對北京局三家店編組站獲取的地理信息數(shù)據(jù)實現(xiàn)了專用數(shù)據(jù)庫的構建,并且進行了現(xiàn)場驗證.

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