劉 頌,刁艷美

(南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院,江蘇 南京 211222)

0 引言

列車定位技術(shù)在鐵路運輸中起著至關(guān)重要的作用,對提高鐵路運輸?shù)陌踩?、?zhǔn)確性和效率具有重要意義。隨著科技的進(jìn)步,通信技術(shù)水平不斷提高,列車載運量持續(xù)加大,列車的發(fā)車時間間隔也越來越短,為保證行車安全,列車的定位精度也應(yīng)隨之提高。然而,單一的列車定位方式無法滿足高精度、適用范圍廣的列車定位需求,為了提高列車定位精度,本文研究了基于多源信息融合的列車定位方法,通過多渠道獲取列車定位信息,并能通過軌旁設(shè)備實現(xiàn)對傳感器定位信息的自校正,從而提高列車定位精度和性能。

1 列車定位方式

列車主要通過軌旁設(shè)備定位、傳感器設(shè)備定位和衛(wèi)星定位方式獲取列車位置信息。定位方式主要包含單一列車定位方式和組合列車定位方式。

1.1 單一列車定位方式

(1)軌道電路。

基于軌道電路的列車定位方法是列車定位中最常用的方法,通過將軌道劃分為不同的區(qū)段,并在不同區(qū)段的開始和結(jié)束處,增加發(fā)送和接收單元,形成一個信息回路。該方法可以檢測某個區(qū)段是否被列車占用,但是其定位精度與軌道區(qū)段長度有關(guān),定位精度低,誤差較大[1]。

(2)計軸設(shè)備。

計軸設(shè)備可以檢測列車通過鐵路上某一點的車軸數(shù)以及2個計軸點之間或軌道區(qū)段內(nèi)的占用情況。該設(shè)備可以確定列車某個瞬間的具體位置,并能自動校正列車行駛里程,但難以做到對列車的實時定位。

(3)查詢/應(yīng)答器。

按照一定的間隔將設(shè)備放置在軌道線路沿線,當(dāng)列車經(jīng)過地面上的應(yīng)答器時,車載查詢器就會讀取其中的數(shù)據(jù),以確定列車的位置。然而,這種方式只能進(jìn)行某些點的定位,不能對列車進(jìn)行連續(xù)定位,不能滿足移動閉塞的要求。

(4)測速定位。

測速定位是通過測速裝置對列車的瞬時速度進(jìn)行連續(xù)測量,并對瞬時速度進(jìn)行積分或者求和,求得列車的位置。然而,由于列車存在空轉(zhuǎn)和打滑的情況,一般輔以其他精準(zhǔn)定位方式對列車的行駛里程和位置進(jìn)行更新校正。

(5)慣性導(dǎo)航。

慣性導(dǎo)航是利用陀螺儀和加速度計測定運載體位置的系統(tǒng)。該系統(tǒng)完全自主,必須精確地知道導(dǎo)航起始時運載體的位置,然后使用慣性測量值估算運載體啟動之后所發(fā)生的位置變化。慣性導(dǎo)航短期精度和穩(wěn)定性好,但導(dǎo)航信息誤差會累積,長期精度差,且價格昂貴。

(6)新型衛(wèi)星導(dǎo)航定位方式。

新型衛(wèi)星導(dǎo)航定位方式利用衛(wèi)星資源的突出優(yōu)勢,激活并優(yōu)化眾多鐵路系統(tǒng)基于位置的應(yīng)用服務(wù),增強列車定位的精確性、完好性、連續(xù)性、覆蓋度等。然而,局限于民用定位精度問題,當(dāng)列車通過隧道、坡道、彎道時,衛(wèi)星定位結(jié)果與實際列車位置的偏差較大。因此,單一使用衛(wèi)星定位會造成列車定位精度下降,導(dǎo)致列車追蹤效率下降等[2-3]。

傳統(tǒng)的單一定位方式存在定位精度低、機動性差、維護(hù)難等缺點,導(dǎo)致了成本與性能之間的矛盾,制約了性能效益的實現(xiàn)。新型衛(wèi)星導(dǎo)航方式定位精準(zhǔn),但其應(yīng)用場景受到嚴(yán)苛的條件限制,因此,單一定位方式不能滿足高精度、適用范圍廣的列車定位需求。當(dāng)下列車定位方式多采用2種及以上定位方式相互組合,由此來實現(xiàn)對列車的精準(zhǔn)定位。

1.2 組合定位方式

(1)速度傳感器、多普勒雷達(dá)、應(yīng)答器組合定位。

2個速度傳感器分別安裝在列車車輪上,通過應(yīng)答器天線與地面應(yīng)答器連接,是主要的速度測量裝置。多普勒雷達(dá)屬于一種輔助測速裝置,通過發(fā)射電磁波實現(xiàn)測速功能,主要用于檢測列車的空轉(zhuǎn)和滑行,校正測速誤差,提供更準(zhǔn)確的測速信息和位置信息,確定車輛的行駛距離和方向。應(yīng)答器天線則是用來接收多普勒雷達(dá)的回波信號以獲取列車相對坐標(biāo)的設(shè)備。

(2)速度傳感器、加速度計組合定位。

在列車兩端的不同軸上,安裝2個單獨的速度傳感器,以測量車輪的速度并相互校驗;在列車兩端安裝2～3個加速度計,以測量加速度信息并比較多個加速度計的測量數(shù)據(jù),確認(rèn)輸出的有效性并提高可用性。速度傳感器、加速度計的應(yīng)用可以實現(xiàn)列車的精確定位與監(jiān)控。列車正常運行時,車輪若沒有打滑,車載控制器可以使用速度傳感器的信息計算列車的速度;車輪若發(fā)生了打滑,車載控制器能利用加速度計的數(shù)據(jù)計算列車空轉(zhuǎn)、滑行前的速度,從而得到當(dāng)前列車的速度和位置,然后在空轉(zhuǎn)、打滑結(jié)束后,將速度和位移的測量值切換回速度傳感器。然而,該組合定位方式容易對定位誤差進(jìn)行累計,導(dǎo)致定位精度下降,因此,需要選取合適的定位方式進(jìn)行組合,才能實現(xiàn)對列車的精準(zhǔn)定位[4]。

2 多源信息融合定位方法

針對單一定位精準(zhǔn)度較低、傳統(tǒng)組合定位方式受環(huán)境影響較大的問題,本文提出了基于輪軸速度傳感器、加速度傳感器,并用軌道電路和查詢/應(yīng)答器對定位精度進(jìn)行校正的信息融合列車定位方法。

多傳感器信息融合是依據(jù)某種準(zhǔn)則合理地支配與使用多個傳感器在空間和時間上的觀測信息,以獲得更精確、更可靠的定位效果[5]。信息融合方法需要建立系統(tǒng)的整體模型和各個傳感器的測量模型。整體模型用來處理各個傳感器的觀測信息,進(jìn)而求出系統(tǒng)的最優(yōu)估計,以得到較高的定位精度[6]。

2.1 基于多傳感器的信息融合列車定位方案

基于多傳感器的列車定位方案具體實施方法為:首先,在列車上安裝2個輪軸速度傳感器、2個加速度傳感器以獲取基準(zhǔn)列車定位信息。其次,信息通過信息傳感器處理傳送至信息采集模塊,同時將軌旁的軌道電路和查詢/應(yīng)答器的位置信息傳遞給信息采集模塊,實現(xiàn)信息的同步處理,獲取列車的大概位置信息。再次,利用軌道電路和查詢/應(yīng)答器對多源傳感器的測量位置信息進(jìn)行更新。最后,利用信息融合算法對輪軸速度傳感器和加速度傳感器的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷更新與校正,獲取列車的精準(zhǔn)位置信息。方案實現(xiàn)如圖1所示。

2.2 輪軸速度傳感器定位

在列車不同輪軸上安裝多個獨立的速度傳感器來測量輪軸速度,并將測得的速度信息傳遞給信息采集模塊。輪軸測速原理為:測速發(fā)電機安裝于輪軸上,發(fā)電機產(chǎn)生的電壓頻率和列車的速度呈線性關(guān)系,如下式所示。

v=πDfd/Z

式中:

v——列車速度;

Z——發(fā)電機極數(shù);

D——車輪直徑;

fd——發(fā)電機產(chǎn)生的頻率。

在頻率與電壓轉(zhuǎn)換后,v被轉(zhuǎn)換成電壓,輸出電壓和轉(zhuǎn)速之間存在線性關(guān)系。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動方向發(fā)生改變時,輸出電壓的極性也相應(yīng)發(fā)生改變。

就脈沖速度而言,帶有傳感器的車輪每旋轉(zhuǎn)一周,一定數(shù)量的脈沖或方波信號就會被發(fā)生器輸出。列車速度應(yīng)與脈沖的頻率成正比或者和方波的頻率成正比。

v=πDfm/N

式中:

N——車輪旋轉(zhuǎn)1周所計脈沖數(shù);

fm——輸出脈沖的頻率。

由于自身測量精度和機械安裝的影響,脈沖計數(shù)會存在一定誤差,一般比較小。車輪的空轉(zhuǎn)、打滑和車輪直徑磨損引起的誤差,是輪軸測速傳感器的主要誤差,一般比較大。此外,磨損車輪直徑變化也會影響到列車的定位精度,并且位置誤差會不斷累積,因此需要在定位過程中對以上誤差進(jìn)行校正。

2.3 加速度傳感器定位

列車發(fā)生打滑和空轉(zhuǎn)容易對通過速度和車輪計算出來的數(shù)據(jù)造成影響,但是對加速度帶來的影響幾乎可以忽略。在列車定位過程中,為了消除空轉(zhuǎn)打滑帶來的誤差,加入了一種能對列車位置誤差進(jìn)行校正的裝置——加速度傳感器,也是城市軌道交通中常用的列車定位方式之一。加速度傳感器主要利用伺服力平衡原理,列車如果沿著運動方向加速時,加速度傳感器內(nèi)部的質(zhì)量平衡塊會產(chǎn)生一定位移,由相應(yīng)的電路將位移轉(zhuǎn)化為電壓輸出,就可以得到列車的加速度值。

列車的加速度測量方程如下所示。

aA(t)=a(t)·cosθ(t)+g·sinφ(t)+εA(t)+NA(t)

式中:

aA(t)——列車測量的加速度;

a(t)——實際列車的加速度;

g——重力加速度;

θ(t)——加速度計在水平面與列車加速度方向的角度安裝誤差;

φ(t)——加速度計在垂直面和列車加速度方向的角度安裝誤差;

εA(t)——固有測量誤差;

NA(t)——隨機測量誤差。

其中,θ(t)、φ(t)與加速度傳感器安裝有關(guān),可視為一個固定值。

2.4 輪徑矯正方法

列車的啟動、正常行駛和制動過程中都會存在摩擦現(xiàn)象,隨著車輛投入使用時間的增加,輪對磨損也越來越嚴(yán)重,這會導(dǎo)致輪對周長的改變,在計算列車位置信息時,造成一定程度的誤差。現(xiàn)有車載設(shè)備已具備自動檢測更新功能,主要原理是根據(jù)列車從查詢/應(yīng)答器獲取的具體列車位置信息與速度傳感器所測位置信息,反推得到列車車輛輪徑尺寸,從而更新車輛輪徑信息。

2.5 數(shù)據(jù)采集分析方法

信息采集模塊可以同時獲取列車上2個速度傳感器和2個加速度傳感器的數(shù)據(jù)信息,并且同時從車載設(shè)備上獲取軌道電路定位信息和查詢/應(yīng)答器位置信息。對獲取的多源信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理,得到精準(zhǔn)的列車位置信息。數(shù)據(jù)分析步驟如下。

步驟1:信息采集模塊同步接收速度傳感器1和2的輪軸速度信息,根據(jù)此信息分別計算列車運行速度。同時,每隔一定時間,接收加速度傳感器1和2的數(shù)據(jù)信息,分別計算列車加速度值,并根據(jù)加速度值計算列車速度信息。

步驟2:判斷步驟1中速度傳感器所得速度信息是否一致。若一致,則可計算列車當(dāng)前位置的基本信息,否則,進(jìn)入步驟3。判斷步驟1中加速度傳感器所得速度信息是否一致。若一致,2個加速度傳感器工作正常,否則,進(jìn)入步驟4。

步驟3:根據(jù)步驟2加速度傳感器所得正常速度信息計算列車當(dāng)前速度,并得到列車當(dāng)前位置的基本信息。

步驟4:根據(jù)軌道電路和查詢/應(yīng)答器獲取列車位置信息。

同時,軌道電路和查詢/應(yīng)答器在獲取精準(zhǔn)信息時及時對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行更新校正。更新校正過程如下。

步驟5:根據(jù)軌道電路和查詢/應(yīng)答器獲取列車位置信息,與步驟2或3得到列車位置信息進(jìn)行判斷,若位置信息一致,則無需更新,得到列車當(dāng)前位置信息。否則進(jìn)入步驟6。

步驟6:根據(jù)查詢/應(yīng)答器和軌道電路獲取的精準(zhǔn)位置信息可反推列車輪徑,將輪徑信息及時反饋給4個傳感器,4個傳感器對數(shù)據(jù)進(jìn)行更新校正。返回步驟1。

數(shù)據(jù)融合流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)融合流程

3 方案驗證與數(shù)據(jù)分析

本文采用仿真系統(tǒng)對方案進(jìn)行驗證,在仿真軟件中提前設(shè)置好加速度傳感器1 和2及速度傳感器1和2的誤差范圍為0～1.2 km/h,并把輪對直徑設(shè)置為已經(jīng)磨損15 mm,列車信息采集時間為100 ms,軌道電路長度為300 m,2個車站之間增設(shè)1個查詢應(yīng)答器。通過采取單一速度傳感器列車定位方式、加速度傳感器列車定位方式、基于多源信息融合的列車定位方式進(jìn)行多輪實驗,得出的誤差曲線如圖3所示。

圖3 3種定位方式仿真誤差曲線

從仿真實驗結(jié)果可知,無論是采用速度傳感器的列車定位方式,還是采用加速度傳感器列車定位方式,產(chǎn)生的相對誤差都比較大,而且這種誤差受傳感器自身因素和安裝方式的影響,只采用單一定位方式難以消除此類誤差。

采用基于速度傳感器、加速度傳感器與軌道電路、查詢/應(yīng)答器多源信息融合列車定位方式,產(chǎn)生的誤差比例相對較小。由此可以看出,采用組合定位方式,尤其是軌旁設(shè)備數(shù)據(jù)信息(軌道電路、查詢/應(yīng)答器)可以適當(dāng)校正傳感器的數(shù)據(jù)信息,防止誤差持續(xù)累積。另外,基于速度傳感器、加速度傳感器與軌道電路、查詢/應(yīng)答器多源信息融合列車定位方式有多個傳感器同時工作,不僅可以降低誤差率,還能在某個傳感器出現(xiàn)故障時實現(xiàn)熱備冗余,提高了定位信息的可靠性和可維護(hù)性。

4 結(jié)語

本文通過研究基于多源信息融合的列車定位方法,從精確性、連續(xù)性、可維護(hù)性及安全性多方面提高了列車定位性能。多傳感器信息融合列車定位算法,通過收集不同傳感器實時信息,計算列車運行方向的速度、加速度信息、位移,與查詢/應(yīng)答器或軌道電路位置信息實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息融合,充分發(fā)揮不同定位方式的特點,提高列車定位精度。在未來的研究中,筆者將進(jìn)一步優(yōu)化多源信息融合方法,改進(jìn)數(shù)據(jù)融合算法,提高列車定位技術(shù)在實際應(yīng)用中的性能。