莫志松，安鴻飛

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“列控系統(tǒng)”)是高速鐵路運(yùn)輸安全的核心保障之一，以安全有效的技術(shù)手段對(duì)列車運(yùn)行速度和間隔進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和超速防護(hù)，保證列車行車安全，提高列車運(yùn)行效率。列控系統(tǒng)安全功能的實(shí)現(xiàn)必須以安全、準(zhǔn)確、高可靠的列車測(cè)速定位為基礎(chǔ)。

單一的測(cè)速定位技術(shù)難以完全滿足高速鐵路列車運(yùn)行的需求，而多傳感器融合的組合定位技術(shù)可以把各個(gè)定位傳感器的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，彌補(bǔ)各自的不足，通過(guò)冗余互補(bǔ)提供更加可靠、精確的列車位置、速度信息[1-2]。

本文探尋一種新型列控系統(tǒng)列車綜合自主定位技術(shù)方案，融合衛(wèi)星導(dǎo)航、輪速傳感器、加速度、應(yīng)答器等信息，將衛(wèi)星定位技術(shù)與現(xiàn)有CTCS體系有效結(jié)合，可以擺脫對(duì)軌道電路的依賴，將列車控制主體轉(zhuǎn)移到車載平臺(tái)，減少地面設(shè)備，并且能夠滿足高速鐵路列車對(duì)位置精度與可靠性的要求。

1 列車綜合自主定位系統(tǒng)

列車綜合自主定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，主要由輪速傳感器、北斗導(dǎo)航定位、卡爾曼濾波、應(yīng)答器等4個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。輪速傳感器子系統(tǒng)的主要功能是獲取輪速傳感器的脈沖信息，對(duì)空轉(zhuǎn)和滑行情況進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算速度測(cè)量值；北斗導(dǎo)航定位子系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“北斗子系統(tǒng)”)主要用于獲取衛(wèi)星接收機(jī)輸出的位置、速度信息，結(jié)合電子地圖進(jìn)行地圖匹配，計(jì)算位置、速度測(cè)量值；卡爾曼濾波子系統(tǒng)融合輪速傳感器子系統(tǒng)輸出的速度測(cè)量值以及北斗子系統(tǒng)輸出的位置、速度測(cè)量值，彌補(bǔ)衛(wèi)星易受環(huán)境影響和輪速傳感器容易發(fā)生空轉(zhuǎn)滑行的不足，實(shí)現(xiàn)精度更高、魯棒性更好的列車定位功能；列車經(jīng)過(guò)應(yīng)答器時(shí)，應(yīng)答器子系統(tǒng)的位置信息可以進(jìn)一步對(duì)卡爾曼濾波子系統(tǒng)輸出的列車走行距離進(jìn)行校正，提高位置信息與實(shí)際情況的一致性，最終達(dá)到列車安全運(yùn)行的目標(biāo)。

圖1 列車綜合自主定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文主要針對(duì)2種場(chǎng)景進(jìn)行討論：①北斗信號(hào)可用；②北斗信號(hào)較差，甚至完全沒(méi)有北斗信號(hào)，導(dǎo)致北斗接收機(jī)無(wú)法完成定位解算或者定位精度較差。

2 輪速傳感器子系統(tǒng)

一般輪速傳感器系統(tǒng)主要完成輪速傳感器信息處理、空轉(zhuǎn)/滑行判斷、輪徑值自動(dòng)校準(zhǔn)等功能。本文在經(jīng)典功能的基礎(chǔ)上，增加交叉檢驗(yàn)以及對(duì)空轉(zhuǎn)/滑行的檢測(cè)和補(bǔ)償，以減少列車發(fā)生空轉(zhuǎn)/滑行時(shí)對(duì)輪速傳感器的速度計(jì)算造成干擾。

輪速傳感器子系統(tǒng)采用3個(gè)輪速傳感器，在獲取3個(gè)輪速傳感器信息后，進(jìn)行交叉校驗(yàn)，選取2路有效信息進(jìn)行速度計(jì)算，另一路信息冗余。冗余配置可以增強(qiáng)信息的魯棒性，在單個(gè)傳感器故障時(shí)仍可以進(jìn)行正常測(cè)速，提高系統(tǒng)的可用性。

2.1 北斗信號(hào)可用

根據(jù)輪速傳感器獲取的車輪轉(zhuǎn)速信息計(jì)算列車速度和加速度(以下分別簡(jiǎn)稱為“輪速傳感器速度”和“輪速傳感器加速度”)，同時(shí)根據(jù)北斗導(dǎo)航接收機(jī)獲取的列車速度信息計(jì)算列車速度和加速度(為便于描述，以下在不引起歧義的情況下，將由北斗導(dǎo)航接收機(jī)輸出的列車位置、速度信息分別簡(jiǎn)稱為“北斗位置”和“北斗速度”，將根據(jù)北斗速度計(jì)算的加速度信息簡(jiǎn)稱為“北斗加速度”)，比較二者的加速度差異，以此判斷車輪是否發(fā)生了空轉(zhuǎn)/滑行。

采用低通濾波的方式對(duì)輪速傳感器加速度和北斗加速度的差值進(jìn)行處理[3-5]，計(jì)算式為

(1)

式中：Δan、Δan-1分別為本周期、上周期計(jì)算的輪速傳感器加速度、北斗加速度的差值；aODO,n為本周期輪速傳感器計(jì)算的列車加速度值；aGNSS,n為本周期通過(guò)北斗速度計(jì)算的列車加速度值；P為低通濾波系數(shù)，取值范圍為0～1，可根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際進(jìn)行調(diào)整。

設(shè)置空轉(zhuǎn)/滑行判定閾值為aT，該值可根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)判斷Δan與aT的大小關(guān)系進(jìn)行空轉(zhuǎn)/滑行的判定。具體判定法則為

(1)若aODO,n≥0且Δan>aT，則可判定列車發(fā)生空轉(zhuǎn)。

(2)若aODO,n<0且Δan>aT，則可判定列車發(fā)生滑行。

(3)若Δan≤aT，則可判定列車未發(fā)生空轉(zhuǎn)/滑行。

當(dāng)空轉(zhuǎn)/滑行發(fā)生時(shí)，根據(jù)本周期的北斗加速度值對(duì)本周期輪速傳感器計(jì)算的速度值進(jìn)行校正，計(jì)算式為

vODO,n=vODO,n-1+aGNSS,nΔt

(2)

式中：Δt為本周期與上周期的時(shí)間差；vODO,n、vODO,n-1分別為本周期、上周期輪速傳感器計(jì)算的列車速度。

2.2 北斗信號(hào)不可用

由于機(jī)車牽引性能和制動(dòng)性能的限制，列車的加速度值和減速度值存在一個(gè)極限值，這種情況下可以使用基于輪速傳感器計(jì)算的列車加速度與判斷發(fā)生空轉(zhuǎn)/滑行的加速度閾值進(jìn)行比較，判定是否發(fā)生空轉(zhuǎn)/滑行。

設(shè)空轉(zhuǎn)判定閾值為aslip(aslip>0)，滑行判定閾值為aslide(aslide<0)，則具體判定法則為

(1)若aODO,n≥aslip，則可判定列車發(fā)生空轉(zhuǎn)。

(2)若aODO,n≤aslide，則可判定列車發(fā)生滑行。

(3)若不滿足以上2個(gè)條件，則可判定列車未發(fā)生空轉(zhuǎn)、滑行。

當(dāng)發(fā)生空轉(zhuǎn)或者滑行時(shí)，可以認(rèn)為列車正在以判斷空轉(zhuǎn)/滑行的加速度閾值進(jìn)行加速或者減速運(yùn)行，此時(shí)即需要對(duì)輪速傳感器計(jì)算的列車速度進(jìn)行校正。判定發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)：vODO,n=vODO,n-1+aslipΔt。判定發(fā)生滑行時(shí)：vODO,n=vODO,n-1+aslideΔt。

3 北斗子系統(tǒng)

北斗子系統(tǒng)的功能主要包括接收機(jī)信息處理、差分定位、軌道地圖匹配等。采用2個(gè)異構(gòu)的北斗接收機(jī)，避免產(chǎn)生共模故障，提高系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)對(duì)北斗接收機(jī)的信息進(jìn)行交叉檢驗(yàn)，包括時(shí)間戳、經(jīng)度、緯度和速度，確保接收信息的有效性。在判斷接收到有效北斗信息后，運(yùn)用差分校正技術(shù)對(duì)位置信息進(jìn)行校正，提高定位精度。然后對(duì)2個(gè)接收機(jī)給出的絕對(duì)位置進(jìn)行交叉校驗(yàn)，驗(yàn)證位置的有效性。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)軌道電子地圖進(jìn)行匹配，得到基于一維電子地圖的北斗位置測(cè)量值。同時(shí)根據(jù)交叉檢驗(yàn)后的數(shù)據(jù)得到北斗速度測(cè)量值。列車北斗位置、速度測(cè)量值將作為卡爾曼濾波子系統(tǒng)的輸入。

4 卡爾曼濾波子系統(tǒng)

卡爾曼濾波子系統(tǒng)所要解決的問(wèn)題是如何對(duì)一個(gè)離散時(shí)間線性系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)。本文設(shè)計(jì)的卡爾曼濾波子系統(tǒng)將輪速傳感器子系統(tǒng)和北斗子系統(tǒng)得到的列車實(shí)時(shí)位置、速度，以及通過(guò)加速度計(jì)獲得的加速度等測(cè)量值信息進(jìn)行融合濾波，可以得到卡爾曼位置、速度，以及相應(yīng)估計(jì)量的方差值。在濾波器處理過(guò)程中，結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)算法進(jìn)行不斷優(yōu)化，完成列車精準(zhǔn)定位。根據(jù)卡爾曼濾波輸出的位置及其方差、速度及其方差，以及北斗信號(hào)狀態(tài)等信息，計(jì)算得到列車最大安全前端位置和最小安全后端位置，保證列車行駛過(guò)程中的安全防護(hù)。

4.1 北斗信號(hào)可用

當(dāng)北斗信號(hào)可用時(shí)，卡爾曼濾波模型使用北斗位置、北斗速度、輪速傳感器速度測(cè)量值來(lái)確定列車位置和速度。另外，由于北斗位置、速度值不存在累積誤差，可以在有北斗信號(hào)的情況下，通過(guò)對(duì)輪速傳感器速度和北斗速度進(jìn)行比較來(lái)估計(jì)輪徑值的校正系數(shù)，因此，在北斗信號(hào)可用時(shí)，卡爾曼濾波的狀態(tài)向量可由位置、速度和每個(gè)輪速傳感器的輪徑值校準(zhǔn)系數(shù)組成，從而產(chǎn)生一個(gè)四維卡爾曼濾波器，其狀態(tài)向量X為

(3)

式中：s為列車走行距離；v為列車實(shí)時(shí)速度；sfe1為輪速傳感器1的輪徑值校準(zhǔn)系數(shù)；sfe2為輪速傳感器2的輪徑值校準(zhǔn)系數(shù)。

4.1.1 狀態(tài)傳播方程

列車的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為

(4)

v=v0+at+ 高階項(xiàng)

(5)

式中：s0為列車初始位置；v0為列車初始速度；a為列車實(shí)時(shí)加速度；t為列車運(yùn)行時(shí)間。

將加速度、高階項(xiàng)造成的誤差當(dāng)成系統(tǒng)噪聲進(jìn)行處理，則卡爾曼濾波器狀態(tài)傳播方程可以表示為

(6)

即

Xk=ΦXk-1+Wk

(7)

4.1.2 測(cè)量方程

第k周期的系統(tǒng)所有測(cè)量值組成的向量Z與狀態(tài)向量X之間的關(guān)系即為測(cè)量方程，可以描述為

(8)

(9)

(10)

式中：H為觀測(cè)向量與狀態(tài)向量之間的轉(zhuǎn)換矩陣；Vk為測(cè)量噪聲向量，Vk=[δL1δL2δbds-v1δbds-v2δws1

δws2]T，其分量分別為北斗位置、北斗速度、輪速傳感器等測(cè)量值的測(cè)量噪聲，假設(shè)其均為相互獨(dú)立的高斯白噪聲，且均值為0，協(xié)方差矩陣為Rk，則Vk～N(0,Rk)；zL1、zL2分別為2個(gè)北斗導(dǎo)航接收機(jī)的導(dǎo)航信息經(jīng)過(guò)地圖匹配處理后得到的一維測(cè)量值，其測(cè)量噪聲分別為δL1、δL2；zbds-v1、zbds-v2分別為2個(gè)北斗導(dǎo)航接收機(jī)導(dǎo)航信息中的速度測(cè)量值，其測(cè)量噪聲分別為δbds-v1、δbds-v2；zws1、zws2分別為由2個(gè)輪速傳感器計(jì)算得到的速度值，由于輪速傳感器的速度測(cè)量值除了包含隨機(jī)噪聲δws1、δws2之外，還包含由于輪徑值不準(zhǔn)確而產(chǎn)生的誤差，即(zws1,zws2)=(1+sfe1,2)v+δws1,2，則輪速傳感器速度測(cè)量值與狀態(tài)向量之間的關(guān)系為

(11)

綜合式(9)～式(11)，可以得到測(cè)量矩陣H為

(12)

4.1.3 卡爾曼濾波工作過(guò)程

在建立了式(7)所示的狀態(tài)傳播方程以及式(8)所示的測(cè)量方程后，即可進(jìn)行卡爾曼濾波器的一般處理。關(guān)于卡爾曼濾波及其推導(dǎo)過(guò)程的參考文獻(xiàn)較多[6-9]，本文不再贅述，直接給出其工作過(guò)程如下：

(13)

(14)

Step3卡爾曼增益Kk計(jì)算

(15)

(16)

(17)

由式(13)～式(17)可以看出，卡爾曼濾波的工作過(guò)程就是根據(jù)上一周期的輸出以及本周期的各個(gè)測(cè)量量進(jìn)行不斷迭代處理的過(guò)程。

4.2 北斗信號(hào)不可用

當(dāng)北斗信號(hào)不可用時(shí)，無(wú)法使用北斗的位置和速度對(duì)輪速傳感器的累積誤差進(jìn)行有效消除，導(dǎo)致卡爾曼濾波對(duì)位置的估計(jì)發(fā)散過(guò)快，且輪徑值校正功能也變得沒(méi)有意義。為了解決這個(gè)問(wèn)題，要求卡爾曼濾波模型對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)有很好的估計(jì)。因此，在北斗信號(hào)不可用時(shí)，不再將輪徑值校正系數(shù)作為卡爾曼濾波的估計(jì)量，而是增加對(duì)列車加速度計(jì)的估計(jì)，并使用加速度計(jì)的測(cè)量值來(lái)實(shí)時(shí)更新卡爾曼濾波估計(jì)值。故將卡爾曼濾波器的狀態(tài)向量X設(shè)置為列車走行距離、列車速度以及列車加速度，即

(18)

式中：s為列車?yán)塾?jì)位移；v為列車速度；a為列車加速度。

4.2.1 狀態(tài)傳播方程

假設(shè)在較短的時(shí)間內(nèi)，列車的加速度保持不變，則由運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可得

(19)

即

Xk=ΦXk-1+Wk

(20)

式中：wa為列車加速度的系統(tǒng)噪聲。

4.2.2 測(cè)量方程

相比于北斗信號(hào)可用時(shí)，本節(jié)增加加速度計(jì)的加速度值作為測(cè)量向量的一部分，以提高對(duì)列車動(dòng)態(tài)的估計(jì)性能。本節(jié)設(shè)計(jì)的卡爾曼濾波模型最多支持2個(gè)加速度計(jì)測(cè)量值，其測(cè)量向量Z為

(21)

測(cè)量向量Z與系統(tǒng)狀態(tài)向量X的映射關(guān)系為

(22)

4.2.3 卡爾曼濾波工作過(guò)程

本節(jié)卡爾曼濾波模型的工作過(guò)程基本與4.1.3節(jié)中相同，不再贅述。

5 應(yīng)答器子系統(tǒng)

應(yīng)答器子系統(tǒng)的主要功能是基于實(shí)體應(yīng)答器和虛擬應(yīng)答器對(duì)融合濾波后輸出的列車位置進(jìn)行進(jìn)一步的校正。應(yīng)答器位置校正原理見圖2。

圖2 應(yīng)答器位置校正原理

當(dāng)列車經(jīng)過(guò)實(shí)體應(yīng)答器時(shí)，定位系統(tǒng)能根據(jù)實(shí)體應(yīng)答器位置確定初始列車位置。在列車定位后，測(cè)速定位系統(tǒng)在列車通過(guò)鏈接的實(shí)體應(yīng)答器組時(shí)，會(huì)根據(jù)應(yīng)答器鏈接距離對(duì)輪速傳感器的列車?yán)鄯e走行距離、欠讀誤差、過(guò)讀誤差進(jìn)行校正，欠讀誤差、過(guò)讀誤差清零，進(jìn)一步增加定位的精確性?；谔摂M應(yīng)答器的位置校正方法與實(shí)體應(yīng)答器基本一致，只是觸發(fā)機(jī)制不同。虛擬應(yīng)答器只在北斗信號(hào)較好時(shí)使用北斗位置信息進(jìn)行觸發(fā)。

6 仿真分析

采用基于Matlab仿真平臺(tái)的仿真技術(shù)，通過(guò)模擬列車實(shí)際運(yùn)行場(chǎng)景，對(duì)本文提出的列車綜合自主定位方案的性能和安全性進(jìn)行分析。

6.1 仿真模型

基于Matlab仿真平臺(tái)，建立Simulink仿真模型，其總體結(jié)構(gòu)見圖3，主要包括以下幾個(gè)部分：

(1)列車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)仿真模塊：用來(lái)提供離散時(shí)間的位置、速度，并作為模型的初始輸入。

(2)北斗信息仿真模塊：通過(guò)調(diào)整HDOP值來(lái)影響北斗信息處理。與此同時(shí)，還可以注入北斗信號(hào)故障信息。

(3)輪速傳感器信息仿真模塊：對(duì)每個(gè)傳感器信息進(jìn)行處理，對(duì)數(shù)據(jù)是否有效進(jìn)行判斷，最后將判斷為有效的信息輸入到卡爾曼濾波器。此部分考慮了輪速傳感器的空轉(zhuǎn)/滑行情況，在進(jìn)入卡爾曼濾波之前對(duì)輪速傳感器的脈沖值進(jìn)行處理；同時(shí)對(duì)初始的北斗信息進(jìn)行處理，得到列車走行距離以及列車運(yùn)行速度的北斗測(cè)量值，在此基礎(chǔ)上進(jìn)入卡爾曼濾波器，計(jì)算最終輸出的位置和速度。

(4)應(yīng)答器仿真模塊：用于生成定位應(yīng)答器位置信息，可以設(shè)置定位應(yīng)答器組內(nèi)的應(yīng)答器個(gè)數(shù)、組內(nèi)間距，以及各定位應(yīng)答器組之間的距離。

(5)卡爾曼濾波仿真模塊：將各傳感器信息輸入卡爾曼濾波器進(jìn)行處理，并輸出最后的結(jié)果。通過(guò)卡爾曼濾波器，并融合多個(gè)傳感器信息，包括兩路北斗的位置、速度信息，以及兩路輪速傳感器的速度信息，最后給出融合濾波后的列車位置和速度。

圖3 仿真系統(tǒng)模型總體結(jié)構(gòu)

6.2 安全性分析

6.2.1 安全判斷規(guī)則

(1)以列車運(yùn)行中實(shí)時(shí)計(jì)算的最大安全前端位置與真實(shí)列車位置差值的最小值來(lái)衡量列車前端安全防護(hù)距離的冗余度。絕對(duì)值較大的正值表示最大安全前端和列車真實(shí)位置之間的余量更大，對(duì)列車前端的防護(hù)也就更安全。正值表示最大安全前端在列車真實(shí)位置之前，這是安全的情況，可以對(duì)列車前端進(jìn)行有效的防護(hù)；負(fù)值表示最大安全前端在列車位置之后，此時(shí)無(wú)法對(duì)列車進(jìn)行有效防護(hù)，可能存在與前車發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)以列車運(yùn)行中實(shí)時(shí)計(jì)算的最小安全尾端位置與列車運(yùn)行中的真實(shí)列車位置差值的最大值來(lái)衡量列車尾端安全防護(hù)距離的冗余度。絕對(duì)值較大的負(fù)值表示最小安全尾端和列車真實(shí)位置之間的余量較大，對(duì)列車尾端的防護(hù)也就更安全。負(fù)值表示最小安全尾端在列車位置的后面，這是安全的情況，可以對(duì)列車尾端進(jìn)行有效防護(hù)；正值表示最小安全尾端在列車位置之前，此時(shí)無(wú)法對(duì)列車尾端進(jìn)行有效防護(hù)，可能存在與后車發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。

6.2.2 安全測(cè)試場(chǎng)景

由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，為了在所有因素相互影響的情況下顯示系統(tǒng)性能，使用多種極端參數(shù)值的組合方案來(lái)遍歷所有可能的測(cè)試場(chǎng)景。所有仿真測(cè)試場(chǎng)景見表1。

表1 所有仿真測(cè)試場(chǎng)景

各場(chǎng)景說(shuō)明如下。

PPR(齒數(shù))：輪速傳感器每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的脈沖數(shù)，PPR值越高，測(cè)速定位精度越高。

HDOP：北斗接收機(jī)狀態(tài)良好情況下輸出的水平精度因子，反映了衛(wèi)星分布對(duì)水平定位精度的影響。通常情況下，HDOP≤5，表明衛(wèi)星分布良好，水平定位精度較高。在仿真模型中通過(guò)將該值置為6模擬北斗信號(hào)較差甚至不可用的情況。

高速：列車速度為200 km/h左右，運(yùn)行中有隨機(jī)且較小的加減速。

低速：列車速度為15 km/h左右，運(yùn)行中有隨機(jī)且較小的加減速。

加減速：以低速、高速交替運(yùn)行。

無(wú)故障：各傳感器均能正常工作。

北斗間歇性故障(以下簡(jiǎn)稱“北斗故障”)：任意一個(gè)北斗接收機(jī)發(fā)生故障或者北斗信號(hào)在整個(gè)測(cè)試時(shí)間內(nèi)間歇性不可用，發(fā)生不可用的時(shí)間隨機(jī)。

一個(gè)輪速傳感器間歇性故障(以下簡(jiǎn)稱“一個(gè)輪速傳感器故障”)：任意一個(gè)輪速傳感器在整個(gè)測(cè)試時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障，發(fā)生不可用的時(shí)間隨機(jī)。

一個(gè)車輪在隨機(jī)時(shí)間內(nèi)發(fā)生打滑：一個(gè)輪速傳感器的速度間歇地降低5 m/s，打滑持續(xù)的隨機(jī)時(shí)間少于30 s，然后保持牽引力的隨機(jī)時(shí)間少于30 s，交替運(yùn)行直到運(yùn)行結(jié)束。

北斗間歇性故障+一個(gè)輪速傳感器間歇性故障：兩者均在整個(gè)測(cè)試時(shí)間內(nèi)間歇性不可用，每次發(fā)生故障的持續(xù)時(shí)間為30 s。

上述組合仿真場(chǎng)景總數(shù)為60，對(duì)于每個(gè)場(chǎng)景模擬11 000次列車運(yùn)行，每次模擬列車運(yùn)行時(shí)間為30 min。以最小WCA余量表示在11 000次的列車運(yùn)行模擬中列車最大安全前端位置與真實(shí)位置之差的最小值；以最小WCB余量表示在11 000次的列車運(yùn)行模擬中列車最小安全尾端位置與真實(shí)位置之差的最大值。

6.2.3 安全性仿真分析

仿真運(yùn)行結(jié)果見表2。從表 2可以看出，在所有運(yùn)行場(chǎng)景下，最小WCA余量均為正值，最小WCB余量均為負(fù)值，沒(méi)有仿真結(jié)果是失敗的。結(jié)合最大安全前端和最小安全尾端的冗余值比較，在模擬的所有場(chǎng)景中，列車真實(shí)位置均處于最大安全前端和最小安全尾端的防護(hù)位置之內(nèi)，表明該定位模型能夠?qū)α熊囘M(jìn)行有效的防護(hù)。

表2 仿真運(yùn)行結(jié)果

6.3 系統(tǒng)性能分析

通過(guò)該仿真模型，分別對(duì)上述60種場(chǎng)景輸出的列車位置和速度的真實(shí)值、測(cè)量值、融合濾波之后的估計(jì)值進(jìn)行對(duì)比分析。由于仿真模擬場(chǎng)景過(guò)多，本文只選取以下5種典型場(chǎng)景的仿真結(jié)果進(jìn)行展示，見圖4。

場(chǎng)景1：北斗衛(wèi)星信號(hào)良好。

場(chǎng)景2：北斗衛(wèi)星信號(hào)好，但是列車發(fā)生空轉(zhuǎn)/滑行。

場(chǎng)景3：北斗衛(wèi)星信號(hào)暫時(shí)中斷，并且無(wú)應(yīng)答器位置信息。

場(chǎng)景4：北斗衛(wèi)星信號(hào)持續(xù)較差。

場(chǎng)景5：北斗衛(wèi)星信號(hào)完全失效，并且有應(yīng)答器位置信息進(jìn)行校正，應(yīng)答器設(shè)置間隔為5 km。

圖4 仿真結(jié)果

從圖4可以看出：

(1)在北斗測(cè)量信息可用時(shí)，融合后的列車位置、速度的精度幾乎不受列車空轉(zhuǎn)/滑行的影響。北斗接收機(jī)位置測(cè)量精度受衛(wèi)星信號(hào)影響較大，由于本研究設(shè)計(jì)的多信息融合測(cè)速定位系統(tǒng)的位置測(cè)量輸入信息只有北斗位置測(cè)量值，因此在衛(wèi)星信號(hào)較差的運(yùn)行場(chǎng)景中定位精度也會(huì)有較大降低。此時(shí)系統(tǒng)可以使用定位應(yīng)答器進(jìn)行位置校正來(lái)保證系統(tǒng)的定位精度在可用的范圍內(nèi)。同時(shí)也可以使用卡爾曼濾波位置標(biāo)準(zhǔn)差和卡爾曼濾波速度標(biāo)準(zhǔn)差分別衡量估計(jì)位置誤差和估計(jì)速度誤差，并根據(jù)估計(jì)誤差計(jì)算列車最大安全前端位置和最小安全尾端位置。

(2)在北斗衛(wèi)星信號(hào)短時(shí)間受到完全屏蔽或者信號(hào)質(zhì)量較差甚至完全不可用持續(xù)約20 min時(shí)，位置估計(jì)值依然能保持4 m的精度；速度估計(jì)精度基本不受影響，其誤差值約為0.2 m/s。

(3)當(dāng)北斗衛(wèi)星信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間失效時(shí)，單純依靠應(yīng)答器、輪速傳感器、加速度計(jì)等信息也能實(shí)現(xiàn)精確定位，并且定位應(yīng)答器間隔為5 km時(shí)依然能夠保證小于1%的定位誤差，這相比于傳統(tǒng)C2和C3系統(tǒng)對(duì)于定位應(yīng)答器的布置密度要求也有很大降低，可以有效減少應(yīng)答器數(shù)量，節(jié)約大量設(shè)備成本和維護(hù)成本。

7 結(jié)論

本文針對(duì)既有CTCS-2/CTCS-3列控系統(tǒng)中測(cè)速定位系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出基于多源信息融合的測(cè)速定位技術(shù)方案，并對(duì)該方案進(jìn)行了仿真分析，得出以下結(jié)論：

(1)在測(cè)速精度方面，本方案的估計(jì)速度精度能達(dá)到厘米級(jí)，考慮在北斗信號(hào)被遮擋甚至完全不可用情況，融合濾波之后的速度精度也能達(dá)到分米級(jí)，完全可以滿足CTCS-2/CTCS-3列控系統(tǒng)2%的測(cè)速精度的要求。

(2)在定位精度方面，本方案優(yōu)勢(shì)更加明顯。列車運(yùn)行單純依靠多個(gè)輪速傳感器進(jìn)行融合時(shí)，可以在約20 min內(nèi)保持4 m的定位精度。列車的定位誤差雖然在持續(xù)增大，但此時(shí)系統(tǒng)可以使用5 km布置一組定位應(yīng)答器的方式進(jìn)行位置校正，來(lái)保證系統(tǒng)的定位精度在可用的范圍內(nèi)。增加北斗定位單元后，北斗衛(wèi)星接收機(jī)測(cè)量的列車位置為絕對(duì)位置，不存在累積誤差，進(jìn)一步提高了融合測(cè)速定位系統(tǒng)的定位精度，而且可以很方便地對(duì)列車進(jìn)行實(shí)時(shí)位置監(jiān)控。

(3)從安全性、可靠性來(lái)看，本方案可以實(shí)時(shí)輸出估計(jì)位置、速度的方差值，該值可以用來(lái)評(píng)估估計(jì)位置、速度的誤差大小。把該值考慮到列車防護(hù)距離的計(jì)算時(shí)便可以保證列車的防護(hù)安全。

(4)從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，將應(yīng)答器、輪速傳感器、北斗定位進(jìn)行融合的測(cè)速定位方法，只需要布置少量的應(yīng)答器，可以取消軌道電路和電子計(jì)軸等軌旁設(shè)備，大大減少了系統(tǒng)建設(shè)成本和維護(hù)成本。在人口密度較小、軌道沿線環(huán)境較惡劣的地區(qū)，如青藏鐵路和高海拔鐵路，該系統(tǒng)產(chǎn)生的效益更加明顯。

(5)從適應(yīng)性來(lái)看，本文提出的多傳感器融合測(cè)速定位系統(tǒng)在200 km/h的高速運(yùn)行場(chǎng)景也可滿足安全性和精度要求；對(duì)列車發(fā)生空轉(zhuǎn)/滑行的處理方法可以有效降低空轉(zhuǎn)/滑行帶來(lái)的測(cè)距誤差，因此也適用于易使列車產(chǎn)生空轉(zhuǎn)/滑行的多雨雪地區(qū)。