摘" 要：定位技術(shù)是電車控制系統(tǒng)重要組成部分，定位精準(zhǔn)性、實(shí)時(shí)性是判斷控制精度的關(guān)鍵要素?，F(xiàn)代有軌電車安裝智控系統(tǒng)協(xié)調(diào)資源，利用定位系統(tǒng)識(shí)別位置、狀態(tài)，確保調(diào)度中心與車輛運(yùn)營(yíng)效率最大化，既能提升效率，亦可起到安全保障作用。該文以現(xiàn)代有軌智控電車為例，探討車輛定位技術(shù)在智控電車中的功能需求、技術(shù)方案，研究有軌電車定位系統(tǒng)應(yīng)用，建立仿真模型，驗(yàn)證技術(shù)可行性。

關(guān)鍵詞：有軌電車；智控系統(tǒng)；定位技術(shù)；仿真模型；傳感器

中圖分類號(hào)：U491" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）14-0127-04

Abstract： Positioning technology is an important part of the tram control system， and positioning accuracy and real-time are the key elements to judge the control accuracy. Modern trams are equipped with an intelligent control system to coordinate resources and， with the positioning system to identify the position and state， ensure the maximum operation efficiency of the dispatching center and the vehicle， which can not only improve the efficiency， but also play a role in safety guarantee. Taking the modern rail intelligent controlled tram as an example， this paper discusses the functional requirements and technical solutions of the vehicle positioning technology in the intelligent controlled tram， studies the application of the tram positioning system， establishes the simulation model， and verifies the technical feasibility.

Keywords： tram; intelligent control system; positioning technology; simulation model; sensor

有軌電車普及和建設(shè)是城市化建設(shè)重要內(nèi)容，有利于緩解城市交通壓力，促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展。有軌電車裝設(shè)智控系統(tǒng)可以滿足電車自動(dòng)化控制、自動(dòng)化調(diào)度要求，定位技術(shù)能準(zhǔn)確識(shí)別車輛狀態(tài)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)有軌電車定位技術(shù)研究廣泛，GPS技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)和傳感器設(shè)備等應(yīng)用廣泛，但存在成本高、設(shè)備復(fù)雜等問(wèn)題，以下設(shè)計(jì)一種新型車輛定位技術(shù)方案，在低成本情況下，滿足電車定位需求。

1" 車輛定位需求分析

1.1" 現(xiàn)代有軌電車特點(diǎn)

有軌電車是指采用電力驅(qū)動(dòng)方式在軌道上行駛的輕型車輛，也被稱為路面電車，是城市交通的重要組成部分。該類型電車以電力作為驅(qū)動(dòng)力，不會(huì)產(chǎn)生廢棄物和污染物。智控系統(tǒng)在電車中應(yīng)用按照預(yù)設(shè)程序邏輯，以自動(dòng)調(diào)度、自動(dòng)控制的方式，在特定的軌道和距離內(nèi)行駛，是比較便捷、高效的交通系統(tǒng)。通常情況下，有軌電車行駛速度較低，具有大追蹤間隔作用，路權(quán)具有開(kāi)放性，為切實(shí)保障現(xiàn)代有軌電車行駛的安全性，必須安裝定位設(shè)備，并與智控系統(tǒng)融合。

1.2" 定位功能需求分析

定位系統(tǒng)在有軌電車中的安裝應(yīng)用，主要能保障車輛調(diào)度科學(xué)性和車輛行駛安全性，應(yīng)用車輛定位技術(shù)需根據(jù)有軌電車特點(diǎn)，使其滿足以下幾點(diǎn)功能。

有軌電車的定位精度要求比較地鐵而言更低，車輛多處于低速行駛狀態(tài)。車輛在配置智控系統(tǒng)的同時(shí)也配置駕駛?cè)藛T，通常不會(huì)使用自動(dòng)運(yùn)行功能，定位設(shè)備安裝應(yīng)用僅需要滿足速度需求、位置需求定位功能即可，該類功能的精度和實(shí)時(shí)性要求均比較高[1]。

有軌電車岔道控制功能進(jìn)路簡(jiǎn)單，道路進(jìn)路器的開(kāi)放反饋電車行車信號(hào)。在連鎖功能下，實(shí)現(xiàn)進(jìn)路功能的簡(jiǎn)單性，且控制權(quán)唯一。有軌電車接近岔道時(shí)，信息系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)自控進(jìn)路功能，將信號(hào)反饋給駕駛?cè)藛T。

有軌電車在城市道路系統(tǒng)中路權(quán)開(kāi)放，多為混合車道和半封閉車道，自然環(huán)境、道路環(huán)境成為影響行車組織的關(guān)鍵要素。智控系統(tǒng)與調(diào)度系統(tǒng)連接，可滿足行車系統(tǒng)自動(dòng)化調(diào)度功能。

有軌電車的定位設(shè)備安裝受空間影響，在對(duì)地面信標(biāo)系統(tǒng)、車載設(shè)備安裝時(shí)，需細(xì)致考慮有軌電車空間結(jié)構(gòu)、地面結(jié)構(gòu)，與城市車輛共用路權(quán)的情況下，地面定位設(shè)備埋設(shè)地下。

岔道控制系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)等對(duì)有軌電車提出不同安全需求，岔道控制系統(tǒng)需同時(shí)安裝安全定位設(shè)備和非安全定位設(shè)備，調(diào)度系統(tǒng)需綜合考慮車輛運(yùn)行位置變化，確保定位測(cè)量連續(xù)性，路口位置需滿足交通信號(hào)識(shí)別功能，避免影響交通秩序。具體定位模塊如圖1所示。

2" 車輛行駛定位技術(shù)方案應(yīng)用

2.1" 基于衛(wèi)星系統(tǒng)的偽距定位方案

有軌電車定位技術(shù)以衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)為依據(jù)，導(dǎo)航技術(shù)在智控系統(tǒng)中的安裝并應(yīng)用，為相關(guān)人員提供精準(zhǔn)位置信息，且可識(shí)別車輛行駛速度，定位具有實(shí)時(shí)性特點(diǎn)。即使定位反饋結(jié)果存在一定誤差，但誤差并不累積，是有軌電車定位中成本較低、效率較高的定位技術(shù)。考慮到有軌電車在城市環(huán)境內(nèi)運(yùn)行，城市中的高層建筑等會(huì)影響衛(wèi)星定位信號(hào)的傳輸，導(dǎo)致信號(hào)穩(wěn)定性較差。在有軌電車上安裝衛(wèi)星接收器，接收的信號(hào)可能會(huì)短時(shí)失效，因此，需要使用傳感器輔助定位，確保定位結(jié)果的精度和持續(xù)性滿足要求?；谛l(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的偽距定位方法應(yīng)用可以識(shí)別運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的信息，該定位方法以GPS為基礎(chǔ)，可捕獲衛(wèi)星傳輸?shù)碾S機(jī)碼，通過(guò)運(yùn)算的方式獲取信號(hào)傳輸時(shí)間，利用電磁信號(hào)傳播速度的計(jì)算方法，明確對(duì)信號(hào)發(fā)射器、接收器信號(hào)的傳輸誤差，計(jì)算結(jié)果中的距離參數(shù)便是偽距法。

在該定位技術(shù)中，地面控制站作用測(cè)量衛(wèi)星與GPS的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間差，接收機(jī)可起到修正誤差的作用，算法求解過(guò)程中的唯一位置便利是接收器與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間差，建立三維坐標(biāo)可求得最終解。有軌電車三維坐標(biāo)信息的計(jì)算公式如下

P=■+hθ，

式中：P表示有軌電車偽距定位的三維坐標(biāo)信息；x、y、z分別表示車載接收器的三維坐標(biāo)信息；xn、yn、zn則分別表示衛(wèi)星坐標(biāo)信息，可根據(jù)星歷數(shù)據(jù)計(jì)算獲??；h表示信號(hào)在空氣中的傳播速度；θ表示時(shí)間差。

基于智控系統(tǒng)的定位技術(shù)可實(shí)時(shí)計(jì)算三維速度信息，利用邏輯控制系統(tǒng)將計(jì)算結(jié)果反饋給駕駛?cè)藛T，同時(shí)上傳到系統(tǒng)之中。雖然該技術(shù)應(yīng)用可能存在一定的定位誤差，但偽距拆分算法的應(yīng)用可彌補(bǔ)上述誤差，確保有軌電車在運(yùn)行范圍內(nèi)的精準(zhǔn)定位。

2.2" 基于測(cè)量單元與地理信息的定位技術(shù)方案

2.2.1" 定位原理

基于GPS的偽距定位原理，采取的技術(shù)方案可以計(jì)算有軌電車的絕對(duì)位置坐標(biāo)，且誤差實(shí)時(shí)變化。雖然上述方案解決了技術(shù)誤差問(wèn)題，但環(huán)境問(wèn)題并未良好解決，低頻信號(hào)傳輸可能會(huì)受環(huán)境因素、建筑因素影響。引入高頻定位方式，可以起到補(bǔ)充定位反饋信息的作用，實(shí)現(xiàn)定位信號(hào)傳輸?shù)倪B續(xù)、科學(xué)、有效。

定位技術(shù)方案應(yīng)用考慮到有軌電車的運(yùn)行軌跡，線路的布設(shè)方式是約束行進(jìn)方向的條件，包括岔道、彎矩等，部分線路為彎曲線路、大部分線路為直線道路。近似可以假設(shè)電車運(yùn)行軌跡為二維，不考慮車輛的橫滾、垂直等形式狀態(tài)，利用慣性測(cè)量技術(shù)可計(jì)算定位。IMU技術(shù)是測(cè)速定位技術(shù)，根據(jù)單軸加速度參數(shù)和角速率計(jì)算方法，得到測(cè)速定位結(jié)果。

圖２中顯示了二維坐標(biāo)，對(duì)不同時(shí)刻（k）的實(shí)際航向進(jìn)行預(yù)測(cè)，確定有軌電車的實(shí)時(shí)位置。應(yīng)用IMU定位預(yù)測(cè)原理，在預(yù)測(cè)行進(jìn)軌跡的基礎(chǔ)上計(jì)算定位，位置信息根據(jù)加速度積分計(jì)算方式，誤差可累積。將GPS和IMU 2種定位技術(shù)組合應(yīng)用，可以不斷校正誤差，避免干擾，確保定位結(jié)果科學(xué)、準(zhǔn)確[2]。

2.2.2" 信息數(shù)據(jù)庫(kù)

利用地理信息系統(tǒng)生成軌道電子地圖信息，可視化展示區(qū)域地理特征，儲(chǔ)存在信息數(shù)據(jù)庫(kù)（實(shí)時(shí)更新）之中。地理信息系統(tǒng)生成的電子地圖可輔助定位有軌電車，軌道中的坡道、岔道、曲線等特征點(diǎn)信息會(huì)顯示在電子地圖之中，并在公里表的軌道曲線信息生成中，建立綜合地理特征數(shù)據(jù)庫(kù)，輔助IMU定位技術(shù)應(yīng)用。

2.2.3" 定位技術(shù)應(yīng)用

組合定位技術(shù)應(yīng)用期間，當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)失效時(shí)，IMU定位系統(tǒng)運(yùn)行，將GPS定位最終數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，持續(xù)模擬計(jì)算有軌電車速度、位置等基本信息，確保定位結(jié)果連續(xù)性。根據(jù)電子地圖的軌道走向和慣性速度，測(cè)量對(duì)比最終數(shù)據(jù)，不斷校正定位累積誤差。上述3種技術(shù)組合應(yīng)用互補(bǔ)互助，彌補(bǔ)有軌電車定位不足之處，定位技術(shù)以GPS為核心，IMU和電子地圖為輔助，車載智能控制系統(tǒng)定位計(jì)算和模擬，根據(jù)定位結(jié)果調(diào)整車輛運(yùn)行狀態(tài)。

2.3" 定位數(shù)據(jù)融合

有軌電車定位在數(shù)據(jù)傳輸和信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用上述技術(shù)定位有軌電車時(shí)，需滿足數(shù)據(jù)融合的客觀要求。定位數(shù)據(jù)融合通過(guò)初始行為數(shù)據(jù)和識(shí)別定位數(shù)據(jù)的分析，利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)確定車輛的位置，根據(jù)有軌電車的行駛方向和信號(hào)誤差，融合數(shù)據(jù)確定最終的位置，確保數(shù)據(jù)結(jié)果的精確性。

當(dāng)車輛處于正常行駛狀態(tài)時(shí)，定位數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)可持續(xù)跟蹤車輛的行進(jìn)狀態(tài)及行進(jìn)區(qū)域，當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸穩(wěn)定且良好時(shí)，定位數(shù)據(jù)是核心，智控系統(tǒng)中的傳感器裝置與有軌電車行駛里程信息融合，使得車輛信息位置更加精確。有軌電車如穿越橋體或者隧道時(shí)，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)會(huì)因此失效，速度傳感器裝置會(huì)運(yùn)行，基于IMU和電子地圖實(shí)現(xiàn)有軌電車車輛位置的算法計(jì)算，當(dāng)車輛通過(guò)軌道通信環(huán)線和電路時(shí)，可不斷對(duì)數(shù)據(jù)修正和完善，確保定位結(jié)果的科學(xué)、準(zhǔn)確。

假設(shè)有軌電車行駛區(qū)間的起始點(diǎn)為1號(hào)，終點(diǎn)為2號(hào)，有軌電車在1號(hào)站臺(tái)和2號(hào)站臺(tái)的行駛里程確定。初始階段傳感器裝置無(wú)法采集速度數(shù)據(jù)信息，且隨著有軌電車行駛速度、行駛里程的不斷增加，傳感器會(huì)產(chǎn)生累積誤差。軌道電力和岔道產(chǎn)生的定位數(shù)據(jù)無(wú)法起到持續(xù)追蹤車輛的作用，數(shù)據(jù)融合定位對(duì)多種數(shù)據(jù)總結(jié)分析，穩(wěn)定追蹤車輛，確保整個(gè)區(qū)間內(nèi)均可以準(zhǔn)確地定位車輛信息、識(shí)別車輛狀態(tài)，并通過(guò)數(shù)據(jù)融合的方式將速度累積誤差修正，以確保衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的誤差消除[3]。

假設(shè)在起始點(diǎn)1號(hào)和2號(hào)之間為正線區(qū)間。定位測(cè)試的區(qū)間與站臺(tái)曲線明顯不同，無(wú)岔道位置未鋪設(shè)軌道電力，非路口位置未鋪設(shè)通信環(huán)境，正線區(qū)間內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)丟失現(xiàn)象，定位數(shù)據(jù)融合技術(shù)應(yīng)用可解決定位持續(xù)性問(wèn)題，減少累積誤差產(chǎn)生。

假設(shè)有軌電車處于隧道或長(zhǎng)橋下時(shí)，分布區(qū)間內(nèi)的有軌電車安裝的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)法產(chǎn)生定位數(shù)據(jù)，IMU和電子地圖系統(tǒng)啟動(dòng)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)融合定位技術(shù)應(yīng)用可消除該階段的誤差，在信息數(shù)據(jù)庫(kù)中累積預(yù)測(cè)定位信息，反饋車輛行駛狀態(tài)。

3" 岔道控制車輛定位技術(shù)方案

3.1" 定位技術(shù)方案分析

有軌電車安裝智能控制系統(tǒng)，除安裝衛(wèi)星系統(tǒng)、信標(biāo)系統(tǒng)外，為滿足智控需求也要安裝感應(yīng)系統(tǒng)、傳感器裝置等?，F(xiàn)代有軌電車對(duì)車輛定位要求較低，應(yīng)用組合定位方式互補(bǔ)不足，可滿足經(jīng)濟(jì)性與高效性的要求。目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)代有軌電車應(yīng)用以下幾種方案融入岔道控制子系統(tǒng)中，用于岔道區(qū)域的車輛定位。

第一種是使用軌道電路+重力感應(yīng)+環(huán)線通信的岔道定位方案。接近軌道岔道之前，軌道中央的重力感應(yīng)裝置會(huì)啟動(dòng)，根據(jù)磁力線的切割原理反饋有軌電車的使用情況，系統(tǒng)不考慮收發(fā)器對(duì)運(yùn)行所產(chǎn)生的影響，依靠重力感應(yīng)環(huán)即可定位，觸發(fā)進(jìn)路控制系統(tǒng)。按照智控系統(tǒng)既定的邏輯條件，可以反饋出岔道的占用情況，在出清后釋放控制權(quán)[4]。

第二種是信標(biāo)+重力感應(yīng)的岔道定位方式。在接近位置和出清區(qū)域設(shè)置信標(biāo)，信標(biāo)可觸發(fā)智控系統(tǒng)定位和進(jìn)路功能，根據(jù)實(shí)際邏輯條件判斷岔道區(qū)域有軌電車的占用情況以及出勤情況，保持有軌電車在岔道區(qū)域處于可靠的封閉狀態(tài)，在出清岔道后可釋放控制權(quán)。

第三種是計(jì)軸+通信環(huán)線的岔道定位方式。該岔道定位方案中有軌電車安裝通信感應(yīng)環(huán)線，岔道區(qū)段安設(shè)計(jì)軸器設(shè)備，計(jì)軸器的主要作用是檢測(cè)岔道的占用狀態(tài)，在出清岔道之前屬于轉(zhuǎn)轍機(jī)狀態(tài)。

3.2" 定位技術(shù)方案比較

上述3種定位方案均可以滿足岔道車輛定位需求，考慮到不同技術(shù)方案應(yīng)用的可靠性和可行性，結(jié)合道路工程實(shí)際環(huán)境，使用計(jì)軸+感應(yīng)環(huán)的定位方式，可以在有軌電車處于交路狀態(tài)下定位信息反饋，且有軌電車在岔道離去時(shí)，亦可檢測(cè)車輛行駛狀態(tài)。

4" 路口優(yōu)先車輛定位技術(shù)方案

有軌電車作為城市系統(tǒng)的重要組成部分，經(jīng)過(guò)路口時(shí)需按照市政的交通信號(hào)情況，以保障定位系統(tǒng)可以在路口位置發(fā)揮功能，輔助智控系統(tǒng)完成有軌電車的運(yùn)行。路口供電系統(tǒng)、控制設(shè)備并不配置相應(yīng)的冗余設(shè)施，有軌電車的智控系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)?？紤]到路口優(yōu)先設(shè)備的不穩(wěn)定性，選擇感應(yīng)環(huán)線和信標(biāo)等定位方式，在不對(duì)既有路面產(chǎn)生影響的前提下，使用無(wú)源信標(biāo)作為核心設(shè)備定位有軌電車。

5" 仿真模型驗(yàn)證

本文將多種技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)代有軌電車的全程定位檢測(cè)中，定位技術(shù)的組合應(yīng)用適用于車輛行駛的不同狀態(tài)、不同區(qū)域，確保車輛定位的持續(xù)性和穩(wěn)定性。為了進(jìn)一步驗(yàn)證在各區(qū)域內(nèi)組合定位技術(shù)應(yīng)用的有效性，利用計(jì)算機(jī)建立仿真模型，在平臺(tái)中測(cè)試有軌電車運(yùn)行的穩(wěn)定性。

仿真試驗(yàn)設(shè)定有軌電車所處坐標(biāo)為東經(jīng)112°35'，北緯24°18'。有軌電車在站臺(tái)1號(hào)初始速度為40 km/h。運(yùn)行方向?yàn)檎鳌ＤＰ椭性O(shè)計(jì)加速度參數(shù)為t，重力加速度為g，同時(shí)考慮到車輛漂移、衛(wèi)星導(dǎo)航無(wú)信號(hào)以及岔道進(jìn)口和出清對(duì)定位產(chǎn)生的影響。設(shè)定IMU角度誤差為0.2°，速度誤差為0.3 m，位置誤差為10 m。應(yīng)用偽距差分定位方法和數(shù)據(jù)定位融合技術(shù)，建立仿真模型，計(jì)算有軌電車行駛過(guò)程中的里程定位誤差和速度定位誤差[5]。仿真模型驗(yàn)證結(jié)果如下。

當(dāng)車輛處于衛(wèi)星導(dǎo)航定位狀態(tài)時(shí)，存在一定的誤差。但轉(zhuǎn)換定位模式后，電子地圖中的里程誤差值被校正，運(yùn)行過(guò)程中累積誤差不斷減少。組合定位模式下的里程定位誤差處于較為平穩(wěn)的狀態(tài)，且當(dāng)有軌電車處于岔道位置時(shí)定位區(qū)域轉(zhuǎn)換良好，完成岔道出清后，定位發(fā)生改變。因此，可以得知，本文所設(shè)計(jì)和應(yīng)用的組合定位技術(shù)起到了良好的定位效果，精度得到了保障，且應(yīng)用數(shù)據(jù)融合定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了有軌電車的持續(xù)定位。

在惡劣環(huán)境下有軌電車定位誤差增加。受誤差因素影響，速度誤差產(chǎn)生，利用IMU+電子地圖+數(shù)據(jù)融合定位技術(shù)，速度誤差在行進(jìn)期間不斷修正，處于平穩(wěn)且收斂的狀態(tài)。因此，仿真模型驗(yàn)證現(xiàn)代有軌電車的定位技術(shù)效果，可以避免單獨(dú)傳感器安裝對(duì)定位的缺陷，連續(xù)性和精確性可以得到保障。

6" 結(jié)論

綜上所述，本文設(shè)計(jì)車輛定位技術(shù)方案基于有軌電車定位功能需求，將衛(wèi)星接收器、慣性測(cè)量技術(shù)、地理信息技術(shù)結(jié)合，支持車輛連續(xù)定位，定位結(jié)果精確。應(yīng)用仿真技術(shù)建立模型驗(yàn)證技術(shù)方案落實(shí)有效性，試驗(yàn)最終結(jié)果表明，定位技術(shù)精準(zhǔn)、效果良好，成本比較傳統(tǒng)定位技術(shù)有所降低。因此，應(yīng)用該定位技術(shù)方案具有可行性，可在有軌電車領(lǐng)域建設(shè)推廣。

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