基于多傳感器信息融合的列車組合定位

蔣敏建

摘 要：列車定位是列車運行控制的關鍵技術，本文論述了高速列車定位技術的特點和目前常用的方法，并且分析典型單一列車定位方式的局限性。提出一種以我國自主研發的北斗衛星導航（BEIDOU NAVIGATION SATELLITE SYSTEM，BDS）系統為主的多傳感器信息融合的方案，利用隨機加權算法實現多信息定位。本文為列車定位技術提供參考。

關鍵詞：列車定位;多傳感器;信息融合;隨機加權

列車定位的基本功能是在任何時刻、任何地方都能夠精確的確定列車的位置坐標，包括和列車相關的間隔、速度及加速度。[1]及時、準確的獲取列車位置信息是列車安全，可靠運行的前提。

1 列車定位的特點

軌道交通列車運行速度快、行車密度大、前后追蹤列車空間間隔短，列車系統需要對線路上運行位置進行精確的測定，保證列車運行安全和高效調度。

（1）連續性。列車高速運行時，其空間位置移動快，定位系統必須具有執行不間斷列車定位的能力。

（2）精確性。必須滿足列車在同一軌道的縱向定位和橫向定位精確性。定位的精確性直接影響列控系統對列車運行的調度命令。

（3）經濟節約。需要降低全生命周期的費用。

（4）可靠性和安全性和可維護性。定位系統必須綜合考慮全生命周期檢測報告自身的失效和故障以及預防性維護和校正性維護的因素。

（5）故障-安全性。在定位系統出現故障時，必須具備保證列車安全的相應措施。

2 列車定位的主要方法

文獻[2]提出軌道電路是最簡單的鐵路定位方式，其定位精度取決于軌道電路的長度。該方法原理簡單、安全性高。但定位誤差大，機動性能差和維修量大。

文獻[3]提出查詢應答器法，地面應答器存儲列車位置信息，其內部寄存器的數據已固定。當列車通過時，機車上的查詢器經過耦合就可以得到列車的精確位置。其傳輸的信息量較大且為絕對的位置信息，但信息傳遞是間斷的，而且布置的數量很大。

文獻[4]提出測速定位法，給車輪安裝測速傳感器獲得列車的即時運行速度，對其進行時間的積分或者求和得到列車的運行距離。由于車輪的打滑空轉或者機械磨損等都容易造成誤差的累積。

文獻[5]提出的GPS定位方式通過衛星定位提供連續的全球導航能力。在周圍阻擋物多的地方，列車的精度受到影響甚至無法定位。GPS定位對衛星的故障十分敏感，一旦衛星失效就會使得GPS性能惡化。而且該系統是美國國防部控制的，過分依賴就會受制于人。

除了以上方法，軌道交通定位還有其他一些方法。對于列車定位，單一的定位方式在實際中都會存在局限，難以完全滿足列車定位。故此，結合研究的現狀，將幾種定位設備結合起來，將多種定位方式綜合利用，優勢互補。

3 BDS技術為主多傳感器信息融合的列車組合定位系統

本文設計的列車組合定位系統為閉環自動控制系統，系統框圖如下所示：

列車自合定位系統框圖

組合定位考慮不同線路和軌旁狀態，結合多傳感器信息采集組成組合定位的方式。數據預處理、信息融合和數據檢查都在車載控制器中完成。為了提高系統定位的精度，采用閉環狀態反饋的方式，修正信息。列車將高精度的定位信息輸出顯示以及通過無線設備傳輸給地面列控中心。

BDS主要由空間部分、地面監控部分和用戶接收機三大部分構成。以BDS定位信息為主，聯同測速電機、地面信標和里程計構成的全方位的立體多信息融合的定位導航系統。

（1）數據采集層。由多路數據采集接口，完成信息的預處理，將采集到的信息由相應的通道傳送給邏輯控制單元。

（2）邏輯控制層。雙機熱備系統，實現故障隔離和卻換處理，提高安全性和可靠性。

（3）數據融合層。采用數據加權處理算法，傳輸最優融合估計值。

（4）數據檢測層。由規定的校驗方法選擇參考信息對融合信息進行校正。向列控中心，車載系統傳輸高精度、高可靠性數據。[6]

4 信息加權融合算法

建立基于隨機加權估計的算法解決多傳感器對同一目標的測量權值追優化分配問題。隨機加權信息融合算法的基本思路是：對各個傳感器所提供的測量信息進行加權，并且根據信息的有用程度在線調整各傳感器的權值，獲得最優融合結果。加權融合算法的最優性、無偏性、均方誤差最小的特性在許多研究結果中都得到了證明。[7]

5 結語

以BDS為主的多傳感器信息融合算法實現的列車定位系統是在現有的技術上實現的改進和創新，是鑒于成熟的定位技術存在的定位不能連續定位或者存在信號盲區的情況下對定位方式的補充和提高。本文提出多信息融合的隨機加權算法的應用新方案，充分利用傳感器的測量數據，將傳感器的均方誤差、測量精度等信息融合處理，快速、準確地估計出真值，提高了測量精度、擴大了測量范圍。將該算法用于高精度的列車定位具有一定的意義。

參考文獻：

[1]劉立月.基于 GNSS 的高速列車組合定位模型[J].實驗室研究與探索，2011，30（10）：46-48.

[2]林瑜筠.城市軌道交通信號設備[J].北京：中國，2006.

[3]陳艷華.軌道交通列車定位技術的選擇與比較[J].電子設計工程，2010（11）：186-188.

[4]WU Wenqi.The Spread Spectrum Technology Based Train Location[J].Journal of Traffic and Transportation Engineering，2001，4.

[5]殷燕如，劉金樂.基于 GPS 列車定位系統的快速地圖匹配算法研究[J].鐵道通信信號，2011，47（11）：60-62.

[6]朱愛紅，李博，楊亮.高速列車定位技術與組合定位系統研究[J].中國鐵路，2013（5）：59-63.

[7]李偉，何鵬舉，高社生.多傳感器加權信息融合算法研究[J].西北工業大學學報，2010（5）：674-678.

[8]劉海斌，宮峰勛.一種改進的多傳感器加權融合算法[J].電子產品世界，2009（12）：19-21.

[9]楊海波.列車組合定位系統數據的仿真方法研究[D].北京交通大學，2011.