孫 哲，王 嵩，趙 佳

（1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055；2.中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

1 概述

高精度軌道電子地圖主要用于描述軌道交通線路結(jié)構(gòu)和軌旁信號設備的地理信息，是基于衛(wèi)星定位的列控系統(tǒng)的基礎性數(shù)據(jù)文件[1]。其主要有兩方面作用：一是通過將軌道車輛實時衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)與高精度軌道電子地圖匹配，獲取車輛實時地理位置以及車輛在線路上的精確里程[2]，可以避免車輪空轉(zhuǎn)打滑造成的定位誤差；二是高精度軌道電子地圖能更加直觀、準確地反映軌道線路、車輛和軌旁設備的真實地理空間位置，可用于人機交互界面的GIS 圖形化顯示[3]。在定位的準確性和界面顯示效果方面，高精度電子地圖優(yōu)于采用公里標里程體系和站場平面圖顯示方式的常規(guī)電子地圖。

對于以單軌為代表的中低運量交通系統(tǒng)，其線路主要以高架形式鋪設在城市主干路上方[4]，具有地面交通資源占用少、造價低、景觀效果好等特點[5]。車輛具備良好的衛(wèi)星觀測條件，適合采用衛(wèi)星定位的方式作為輔助測速定位手段，但該方面的研究尚處于系統(tǒng)架構(gòu)的研究階段[6]。現(xiàn)階段，國內(nèi)大量學者以青藏鐵路為研究對象，對基于衛(wèi)星的軌道電子地圖數(shù)據(jù)模型和處理方法技術進行了研究[7-9]，算法準確率和在國鐵領域的適用性較高，但部分站內(nèi)數(shù)據(jù)采集依賴于人工且數(shù)據(jù)編制量大，對于已開通的高架線路，夜晚人工上線采集數(shù)據(jù)尤為不便，無法直接適用于中低運量軌道交通領域。

為此，本文提出一種適用于單軌等中低運量交通的高精度軌道電子地圖生成系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集和處理均自動完成，無需人工定點采集，用于解決單軌線路軌道電子地圖數(shù)據(jù)人工采集危險性大、數(shù)據(jù)處理困難、人工編制準確率不高的問題。

2 高精度軌道電子地圖源數(shù)據(jù)

2.1 源數(shù)據(jù)類型及描述方式

高精度軌道電子地圖生成系統(tǒng)的最終目標是生成各種源數(shù)據(jù)。涉及到的源數(shù)據(jù)類型包括無岔軌道、道岔、信號機、信標和站臺，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)滿足一定層次關系，如圖1 所示。每種設備記錄其地理空間位置和對應公里標，同時以車站為單位對其歸屬進行劃分，提升車輛和設備位置的匹配計算效率。

圖1 高精度軌道電子地圖源數(shù)據(jù)層次結(jié)構(gòu)Fig.1 High-precision track electronic map source data hierarchy

其中，信號機、信標為軌旁定點設備，其地理空間位置信息可采用單個興趣點（Point of Interesting，POI）的經(jīng)緯度值描述；無岔軌道的線路區(qū)域滿足曲線結(jié)構(gòu)，地理空間信息可采用線路起止點及線路中各插值POI 的經(jīng)緯度描述；道岔可近似為一條岔前曲線、若干條岔后曲線匯聚至岔心的樹形分叉結(jié)構(gòu)（但岔后最多為4 個分叉），岔前、岔后曲線同樣可以采用起止點及線路中各插值POI 的經(jīng)緯度描述；站臺由4 個邊界點POI 構(gòu)成的矩形來描述。

2.2 源數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

電子地圖源數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫或?qū)Ｓ脭?shù)據(jù)格式文件中，描述各源數(shù)據(jù)信息的表結(jié)構(gòu)如下。

1）車站：由車站基本信息表描述，用于記錄車站信息的表字段包括：車站ID（station_id）、車站名稱（station_name）、車站代碼（station_code）以及該車站所屬設備ID 集合（station_device_ids）。

2）無岔軌道：按類型分為站內(nèi)股道、站內(nèi)無岔軌道、區(qū)間無岔軌道3 種。無岔軌道的ID、名稱、歸屬車站等信息記錄于無岔軌道基本信息表，無岔軌道線路中各POI 的地理信息記錄于無岔軌道地理信息表。兩表通過歸屬無岔軌道ID（track_id）進行關聯(lián)映射，字段定義如表1、2 所示。

表1 無岔軌道基本信息Tab.1 Basic information of switchless track

表2 無岔軌道地理信息Tab.2 Geographic information of switchless track

3）道岔：道岔由岔前線路和各岔后分支線路構(gòu)成。道岔的ID、名稱、歸屬車站、岔前岔后長度、分支個數(shù)等信息記錄于道岔基本信息表，道岔岔前和各岔后分支線路上的POI 地理信息記錄于道岔地理信息表，兩表通過歸屬道岔ID 和分岔類型進行關聯(lián)映射，字段定義如表3、4 所示。

表3 道岔基本信息結(jié)構(gòu)Tab.3 Switch basic information structure

表4 道岔地理信息結(jié)構(gòu)Tab.4 Switch geographic information structure

4）信號機：由信號機信息表來描述，用于記錄信號機信息的字段包括信號機ID（signal_id）、歸屬車站ID（station_id）、名稱（signal_name）、類型（signal_type）、朝向（signal_orient）、經(jīng)度（signal_longitude）、緯度（signal_latitude）以及里程值（signal_kilometer）。

5）站臺：由站臺信息表來描述，用于記錄站臺信息的字段包括站臺ID（platform_id）、歸屬 車 站ID（station_id）、 名 稱（platform _name）、 中 心 里 程 值（platform_kilometer）以及用于表示站臺位置的矩形各頂點的經(jīng)緯度（point1_longitude、point1_latitude、point2_longitude、point2_latitude……）。

6）信標：僅用于定位修正，不用于可視化顯示，由信標信息表來描述，用于記錄信標信息的字段包括信標ID（tag_id）、歸屬車站（station_id）、名稱（tag_name）、該位置對應無岔軌道或道岔名稱（tag_device_name）、經(jīng)度（tag_longitude）、緯度（tag_latitude）以及里程值（tag_kilometer）。

3 高精度軌道電子地圖生成系統(tǒng)設計

按數(shù)據(jù)的采集處理過程，高精度軌道電子地圖生成系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)校驗層、數(shù)據(jù)存儲層4 部分構(gòu)成，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 高精度軌道電子地圖生成系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of high-precision track electronic map generation system

3.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層包括仿真數(shù)據(jù)采集和實際數(shù)據(jù)采集。

1）仿真數(shù)據(jù)采集

當不具備現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)條件時，可通過在無偏高清影像地圖軟件中人工標注的方式獲得仿真標注數(shù)據(jù)，從而生成用于仿真測試的軌道電子地圖數(shù)據(jù)。

為便于人工標記，可將清除掉無關信息后的線路平面CAD 圖導入地圖軟件作為標注參照。通過設置該條線路實際的“投影分帶”“中央經(jīng)線”以及“平移x”“平移y”“平移z”“旋轉(zhuǎn)α”“旋轉(zhuǎn)β”“旋轉(zhuǎn)γ”“尺度K”7 個參數(shù)[10]，可將處理后的線路平面CAD 圖精確導入至地圖軟件中的實際位置處；之后，按照設計里程位置將車站、無岔軌道、道岔、信號機、站臺、信標的POI 在地圖軟件中依次標出；最后，按照源數(shù)據(jù)類型將標記的POI 分類導出，即可獲得仿真標記POI 數(shù)據(jù)。

2）實際數(shù)據(jù)采集

實際數(shù)據(jù)采集由安裝于車輛的車載衛(wèi)星接收機、車載定位數(shù)據(jù)記錄裝置、信標讀取器，以及地面差分基站協(xié)同完成，通過地面差分基站對衛(wèi)星數(shù)據(jù)的實時動態(tài)差分 (Real-Time Kinematic，RTK)解算，可以實現(xiàn)亞米級的定位精度。

車輛在移動過程中，車載衛(wèi)星接收機實時接收衛(wèi)星信號，經(jīng)完好度檢測、濾波、RTK 解算后，車載定位數(shù)據(jù)記錄裝置記錄車輛的實時軌跡數(shù)據(jù)，該軌跡數(shù)據(jù)即軌道線路的地理位置數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)線路實際數(shù)據(jù)的自動化采集；同時，本系統(tǒng)與車輛信標讀取器相連，當車輛經(jīng)過信標時，車載定位數(shù)據(jù)記錄裝置同時記錄信標的ID 和當前的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)信標實際數(shù)據(jù)的自動化采集。

3.2 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層只針對實際采集數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)約簡、基于信標的POI 數(shù)據(jù)提取、初始源數(shù)據(jù)構(gòu)建3個過程。對于仿真標記POI 數(shù)據(jù)，由于從地圖軟件導出時已按源數(shù)據(jù)類型進行分類，因此可直接將其構(gòu)建為初始源數(shù)據(jù)。

1）數(shù)據(jù)約簡

實際數(shù)據(jù)在采集過程中，由于采樣間隔過小，當車輛運行速度較慢時，在直線和曲線平緩的軌道區(qū)域會采集大量冗余數(shù)據(jù)[11]，因此，需要在滿足一定條件的前提下將冗余采樣點剔除。剔除條件為：被剔除采樣點距前后最近兩個POI 點所在直線的垂直距離不超過一定閾值。

2）基于信標的POI 數(shù)據(jù)提取

在測量線路實際軌跡數(shù)據(jù)時，同步記錄信標的ID 和實際經(jīng)、緯度數(shù)據(jù)。因此，信標采樣點為起始點，結(jié)合信標復測里程，從而推算出該條實測軌跡數(shù)據(jù)中其余采樣點的里程；再結(jié)合無岔軌道的首、尾端點，道岔岔前、岔心、岔后以及信號機的復測里程，將各源數(shù)據(jù)的POI 經(jīng)、緯度提取出來。

3.3 數(shù)據(jù)校驗層

為保證最終生成的高精度軌道電子地圖準確無誤，數(shù)據(jù)處理層輸出的初始源數(shù)據(jù)需通過數(shù)據(jù)校驗才可存入軌道電子地圖數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)從“設備從屬唯一性”“線路數(shù)據(jù)完整性”“線路首尾銜接性”以及“軌旁設備位置一致性”4 個方面對初始源數(shù)據(jù)進行校驗。

1）設備從屬唯一性

設備從屬唯一性是檢測單個設備在本線路以及本車站從屬范圍內(nèi)是否唯一，同時檢驗設備地理坐標是否均在車站范圍內(nèi)。

2）線路數(shù)據(jù)完整性

線路數(shù)據(jù)完整性的檢測對象為無岔軌道和道岔。首先，系統(tǒng)判斷地理信息表中數(shù)據(jù)條數(shù)與基礎信息表中POI 個數(shù)是否一致；其次，系統(tǒng)按公里標和地理坐標分別計算無岔軌道或道岔各分岔方向上所有POI 的相距總長度，若公里標長度與地理坐標長度相差較大，則認為數(shù)據(jù)異常。

3）線路首尾銜接性

線路首尾銜接性檢測無岔軌道或道岔線路首尾之間的位置銜接關系。系統(tǒng)首先根據(jù)各設備端點之間的地理坐標接近程度，判斷設備間的銜接關系。根據(jù)線路中無岔軌道、道岔首尾一一銜接的特點，若某端點非線路末端且存在無銜接關系的端點，則判別為斷點異常；若某端點存在兩個及以上的銜接設備，則判別為多交點異常；若銜接端點的公里標數(shù)值不一致，則判別為公里標接續(xù)異常。

4）軌旁設備位置一致性

軌旁設備位置一致性主要體現(xiàn)在檢測信號機與兩側(cè)設備、信標與關聯(lián)設備的位置一致性。一方面，系統(tǒng)根據(jù)軌旁設備的公里標推算出地理坐標，通過與實際地理坐標比較，校驗軌旁設備的位置一致性；另一方面，根據(jù)軌旁設備及周圍POI 點的地理坐標，判斷信號機與兩側(cè)設備的位置銜接關系以及信標與關聯(lián)設備的關聯(lián)關系是否一致。

4 系統(tǒng)測試應用

依托蕪湖軌道交通1、2 號線既有工程車輛和相關設備，搭建移動式實際定位數(shù)據(jù)采集平臺，用于測試本系統(tǒng)生成電子地圖數(shù)據(jù)的有效性和準確性。

該平臺主要由車載定位天線、車載衛(wèi)星接收機、定位數(shù)據(jù)記錄裝置、車載信標讀取器、地面衛(wèi)星差分基準站構(gòu)成，車載設備安裝于工程車，地面衛(wèi)星差分基準站安裝于控制中心樓頂，可提供周圍60 km 范圍內(nèi)的差分地位服務，車地間的通信由既有LTE 通信系統(tǒng)提供，部分設備實物如圖3 所示。

圖3 移動式定位數(shù)據(jù)采集平臺部分實物Fig.3 Part of the mobile positioning data acquisition platform

測試共采集蕪湖軌道交通1、2 號線上、下行線路近百公里，生成了全線的高精度軌道電子地圖數(shù)據(jù)。經(jīng)現(xiàn)場測試應用，本系統(tǒng)生成的高精度軌道電子地圖數(shù)據(jù)可以滿足車輛位置匹配和圖形界面可視化服務，生成的部分區(qū)域電子地圖界面如圖4 所示。

圖4 生成的高精度軌道電子地圖區(qū)域界面Fig.4 Generated high-precision track electronic map area interface

5 結(jié)論

本文設計并實現(xiàn)了適用于單軌等中小運量軌道交通的高精度軌道電子地圖自動化生成系統(tǒng)，并在蕪湖軌道交通1、2 號線取得了良好的現(xiàn)場應用效果。系統(tǒng)以生成電子地圖源數(shù)據(jù)文件為主要目標，可分別對仿真標記數(shù)據(jù)和現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)進行處理，數(shù)據(jù)處理和驗證過程均自動完成，極大提高了電子地圖制作的準確性和效率。