現(xiàn)代有軌電車定位技術(shù)研究

魏 源

（南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 210061）

隨著城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，現(xiàn)代有軌電車在國際上悄然復(fù)興。有軌電車因其具有造價低廉、運行速度快、噪聲低、安全可靠且擁有介于公交與輕軌間的中等運量的優(yōu)勢而成為解決中小城市出行問題的理想交通方案[1]。相比于地鐵和輕軌等傳統(tǒng)的軌道交通線路，現(xiàn)代有軌電車具有運行線路環(huán)境復(fù)雜、運行車道是混合車道或半封閉車道以及路權(quán)相對開放等特點[2]。因此傳統(tǒng)軌道交通線路中所采用的車輛定位方法無法很好地適用于現(xiàn)代有軌電車。但因為車輛定位技術(shù)是調(diào)度中心全面了解全線車輛運行情況并實時發(fā)布調(diào)度命令的核心，所以需要研究一種專門適用于有軌電車的車輛定位技術(shù)，以滿足有軌電車對車輛可靠、精準(zhǔn)定位的需求。

1 現(xiàn)代有軌電車定位技術(shù)

1.1 基于GPS定位技術(shù)的定位追蹤系統(tǒng)

GPS定位技術(shù)是利用GPS接收裝置接收車輛經(jīng)緯度坐標(biāo)定位的技術(shù)。但由于從GPS接收裝置接收到的經(jīng)、緯度信息無法直接應(yīng)用于導(dǎo)航地圖，因此基于GPS定位技術(shù)的定位系統(tǒng)的核心內(nèi)容是利用GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、地圖匹配等技術(shù)手段將GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)應(yīng)用于導(dǎo)航地圖，從而實現(xiàn)對車輛位置的持續(xù)定位。

1.1.1 GPS測量坐標(biāo)系

GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)是在一個以地球質(zhì)心為坐標(biāo)原點的坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行計算的。該坐標(biāo)系被稱為WGS-84坐標(biāo)系，其長軸半徑為6 387 137.0 m，偏心率為1/298.257223563[3]。由于WGS-84坐標(biāo)不是平面直角坐標(biāo)系，因此需要對WGS-84坐標(biāo)進(jìn)行“高斯-克呂格”投影，其投影得到的坐標(biāo)才可以用于匹配計算。

1.1.2 GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

將WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為平面直角坐標(biāo)一般有2種方案：1） 將GPS坐標(biāo)先轉(zhuǎn)換成我國的北京54坐標(biāo)系，再對54坐標(biāo)系進(jìn)行投影變換，并利用四參數(shù)法求出相應(yīng)的坐標(biāo)。2） 直接對WGS-84坐標(biāo)進(jìn)行高斯投影。第一種方案計算量大且運算過程繁雜，但優(yōu)點是求得的坐標(biāo)精度高。第二種方案雖然精度相對較低，但是運算量小，尤其適合類似導(dǎo)航系統(tǒng)這樣的在短時間內(nèi)要求高響應(yīng)的實時系統(tǒng)。因此采用第二種方案作為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法。

將WGS-84經(jīng)緯度坐標(biāo)高斯投影到平面坐標(biāo)的正算公式如公式（1）、公式（2）所示。

式中：X為橫坐標(biāo)值；Y為縱坐標(biāo)值。x為赤道至緯度為B的緯線圈的子午線弧長；L為GPS測量的大地經(jīng)度；B為大地緯度，計算式中的B要轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的弧度；A0、B0、C0、D0以及E0為待求取待定參數(shù)；a、b分別為橢球長、短半軸長；N為卯酉圈曲率半徑，；e為橢球第一偏心率，；l為橢球點經(jīng)線與中央子午線的經(jīng)差，經(jīng)差：以江蘇為例，其位于中央子午線3°帶上，直接測量得到l=2.1045761893。

令e'為橢球第二偏心率，，那么t、η和ρ為中間變量，如公式（3）～公式（5）所示。

對 WGS-84 參考橢球，其長軸半徑a為 6 387 137.0 m，p為圓周率。 偏心率f為 1/298.257223563，略去極小值量后，可由公式（6）求出子午線弧長。

1.1.3 地圖匹配

現(xiàn)代有軌電車的導(dǎo)航地圖一般用“邊”和“偏移量”的概念來定位車輛。而“邊”和“偏移量”是一維的線路坐標(biāo)，它是指車輛位置與測繪起點的距離。地圖匹配的核心即為將轉(zhuǎn)化得到的平面直角坐標(biāo)以某種匹配算法向線路坐標(biāo)映射，從而得到的最終的位置信息。

一般來說，地圖匹配算法分為4種類型：半確定性算法、概率統(tǒng)計算法、基于模糊邏輯的算法以及模式識別算法。其衍生的常用匹配算法一般分為簡單匹配算法和復(fù)雜匹配算法。簡單匹配算法主要是幾何匹配算法[4]，其特點是利用道路的幾何信息進(jìn)行匹配，它只考慮距線路最近的距離，而不考慮線路的連接關(guān)系。這種算法非常簡單且運算效率高，但缺點是匹配精度低且存在較高的誤匹配率，因此很少直接使用該算法。復(fù)雜匹配算法主要有概率映射法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及基于模糊控制的卡爾曼濾波匹配算法[5]；其中，卡爾曼濾波匹配算法的核心是通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或模糊理論對GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波，它能極大地降低地圖的誤匹配率，匹配精度較高，但是缺點是該算法比較復(fù)雜，實時運行效率較差，因此并不適用于對實時性要求高的現(xiàn)代有軌電車定位系統(tǒng)。概率映射法是對幾何匹配的優(yōu)化，與幾何匹配算法類似，概率映射法也是將GPS數(shù)據(jù)向附近的道路進(jìn)行映射[6]。但概率映射法會將所有匹配到的解構(gòu)成解集，同時分析線路的連接關(guān)系，進(jìn)而得到車輛在各線路上可能出現(xiàn)的權(quán)重，取權(quán)重最高的值作為最終位置。其優(yōu)點是相對簡單，更重要的是可以滿足有軌電車定位系統(tǒng)對實時性的要求，但與幾何匹配法類似，其匹配精度相對較低，存在一定的誤匹配性，需要配合其他方法來提高定位精度，降低誤匹配性。

1.2 基于軌道電路、通信環(huán)線定位技術(shù)的定位追蹤系統(tǒng)

軌道電路、通信環(huán)線均是現(xiàn)代有軌電車軌旁設(shè)備的一部分。其中，軌道電路的原理是當(dāng)車輛通過鋪設(shè)的既有軌道時，產(chǎn)生1個車輛 “占用”的指示信號[7]，將該被“占用”的軌道電路的物理位置作為當(dāng)前車輛的位置。但由于軌道電路是無狀態(tài)的，并不能精確地指示是哪輛車經(jīng)過，同時如果軌道電路不是連續(xù)鋪設(shè)的，則無法持續(xù)追蹤運行車輛。

通信環(huán)線的原理是當(dāng)車輛通過既有的鋪設(shè)環(huán)線時，車輛與環(huán)線之間產(chǎn)生感應(yīng)信號，車輛僅需要通過解析該信號就可以得到當(dāng)前車輛的精確位置。與軌道電路不同的是，通信環(huán)線發(fā)出的信號值直接就是當(dāng)前車輛的精確位置信息，因此環(huán)線定位是最精確的定位方式。但與軌道電路相同，如果環(huán)線的鋪設(shè)不連續(xù)，同樣無法持續(xù)追蹤運行車輛。

1.3 基于速度傳感器定位技術(shù)的定位追蹤系統(tǒng)

速度傳感器定位技術(shù)原理簡單，它用通信時間內(nèi)速度的積分計算當(dāng)前車輛經(jīng)過的位移來追蹤車輛，如公式（7）所示。

式中：S（t）為當(dāng)前定位位置；S0為前一時刻車輛位置；v（t）為當(dāng)前時 刻的瞬時速度；t為經(jīng)過的時間。

由于有軌電車與速度傳度器的通信周期一般在500 ms以內(nèi)，因此可以認(rèn)為該時間段內(nèi)速度均勻變化，則公式（7）可變?yōu)楣剑?）。

式中：tN為N周期經(jīng)過的時間；vN和vN-1分別為該周期內(nèi)初速度和末速度；Δt為通信周期。

2 車輛定位技術(shù)比較

對上述3種現(xiàn)代有軌電車定位技術(shù)構(gòu)建的定位追蹤系統(tǒng)進(jìn)行分析比較可以得出以下結(jié)論。

相比于其他兩種定位系統(tǒng)，基于GPS定位技術(shù)構(gòu)建的系統(tǒng)僅依賴于GPS衛(wèi)星信號提供的經(jīng)緯度信息，因此車輛定位精確度較高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉。但當(dāng)車輛經(jīng)過遮蔽的高樓或穿越隧道時，會因GPS衛(wèi)星信號丟失而無法提供有效的車輛位置信息，造成車輛定位丟失，定位可靠性相對較低。此外，由于GPS信號普遍存在“漂移”現(xiàn)象，即信號經(jīng)常會在軌行區(qū)相平行的上下行軌道間不斷發(fā)生漂移，進(jìn)而直接造成定位過程中車輛不斷在軌行區(qū)間上下跳動，穩(wěn)定可用性相對較差。因此該系統(tǒng)無法滿足現(xiàn)代有軌電車定位系統(tǒng)的高可靠、高穩(wěn)定且高可用性的要求。

基于軌道電路或通信環(huán)線構(gòu)建的定位系統(tǒng)依賴的是物理鋪設(shè)的線路元件，因此定位精確度最高。但實現(xiàn)精確定位的前提是需要全線鋪設(shè)軌道電路或通信環(huán)線，因此與其他2種方案相比，它的造價較高。事實上在實際運行的有軌電車線路中，軌道電路或通信環(huán)線僅鋪設(shè)于重要的岔區(qū)或路口而非全線鋪設(shè)。因此該系統(tǒng)無法滿足現(xiàn)代有軌電車定位系統(tǒng)對車輛的持續(xù)、精確追蹤的要求。

基于速度傳感器定位技術(shù)構(gòu)建的定位系統(tǒng)是一種持續(xù)追蹤系統(tǒng)，其優(yōu)點是設(shè)計原理簡單，造價也相對低廉，且在較短行駛距離下定位精準(zhǔn)。但其缺點包括以下幾個方面：首先，隨著行駛距離的加大，累計誤差會不斷加大。其次，該系統(tǒng)僅能持續(xù)追蹤車輛，如果想要定位車輛的具體位置必須依賴其他技術(shù)先對車輛的初始位置進(jìn)行定位，無法單獨對車輛進(jìn)行定位。最后，由于有軌電車線路具有半封閉性特點，車輛可能會受雨雪等惡劣天氣的影響，出現(xiàn)車輪空轉(zhuǎn)、打滑以及黏著不足等現(xiàn)象，進(jìn)而直接導(dǎo)致速度傳感器出現(xiàn)測速誤差。因此該系統(tǒng)無法滿足現(xiàn)代有軌電車定位系統(tǒng)對車輛的高精確度的要求。

3 數(shù)據(jù)融合定位技術(shù)

綜上所述，車輛定位雖然有多種技術(shù)手段，但由于現(xiàn)代有軌電車造價有限，運行線路復(fù)雜，運行環(huán)境多變，單獨依賴某一種定位技術(shù)構(gòu)建的系統(tǒng)無法完全滿足現(xiàn)代有軌電車對車輛精確定位和持續(xù)追蹤的需求，因此需要一種融合技術(shù)對上述技術(shù)進(jìn)行有機(jī)整合，使其可以在有軌電車不同的運行狀態(tài)下以自適應(yīng)的方式持續(xù)定位追蹤車輛。根據(jù)有軌電車運行狀態(tài)又可分為定位數(shù)據(jù)融合以及追蹤數(shù)據(jù)融合。

3.1 定位數(shù)據(jù)融合

定位數(shù)據(jù)融合是指該車輛首次出現(xiàn)時，系統(tǒng)對該車輛進(jìn)行識別和正確定位的過程。初始定位數(shù)據(jù)融合技術(shù)主要通過2個過程來確定上線車輛的位置。首先，當(dāng)車輛由車輛段駛出時，系統(tǒng)通過GPS定位技術(shù)來確定車輛可能存在的位置，同時根據(jù)連續(xù)多周期的GPS位置數(shù)據(jù)推斷車輛的運行方向。鑒于GPS數(shù)據(jù)存在漂移誤差，因此需要融合其他數(shù)據(jù)才能得到車輛最終的精確位置。其次，當(dāng)車輛駛?cè)朕D(zhuǎn)換軌時，系統(tǒng)將轉(zhuǎn)換軌軌道電路產(chǎn)生的占用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成位置數(shù)據(jù)，并與GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。通過比對修正GPS數(shù)據(jù)得到車輛的精確位置。

3.2 追蹤數(shù)據(jù)融合

追蹤數(shù)據(jù)融合是指車輛已經(jīng)在正線正常運行時，系統(tǒng)對該車輛進(jìn)行持續(xù)定位追蹤的過程，追蹤數(shù)據(jù)融合技術(shù)主要通過3個過程來對車輛進(jìn)行定位追蹤。首先，當(dāng)車輛行駛在GPS信號良好區(qū)域時，系統(tǒng)以GPS數(shù)據(jù)作為定位基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時與速度傳感器產(chǎn)生的里程信息轉(zhuǎn)化的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，進(jìn)而得到車輛的精確位置。其次，當(dāng)車輛穿越隧道或者高大建筑遮蔽物時，由于GPS信號失效，此時系統(tǒng)以速度傳感器定位為主要手段來確定車輛的位置。最后，當(dāng)車輛通過通信環(huán)線或軌道電路時，系統(tǒng)融合其位置信息，對原車輛位置進(jìn)行修正，保證車輛位置的精確度。

4 數(shù)據(jù)融合定位技術(shù)的應(yīng)用

由于該技術(shù)應(yīng)用于有軌電車定位系統(tǒng)，因此利用國內(nèi)某有軌電車線路動車調(diào)試實驗驗證對有軌電車定位的持續(xù)性以及精確性。動車實驗選取的線路起始于該有軌電車線路A站，途經(jīng)2號岔區(qū)并穿越區(qū)間隧道，經(jīng)過公路路口后至B路站終止（下述簡稱為A/B區(qū)間）。詳細(xì)實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 各定位技術(shù)誤差對比表（單位：km）

表1選取了A/B區(qū)間中最具代表性的3段線路進(jìn)行比較分析。

4.1 A站站臺區(qū)間

A站站臺測試區(qū)間分布于DK0+424.9km至DK0+536.1km間，從表1中的數(shù)據(jù)對比可以明顯看出，在起始位置時，速度傳感器無法產(chǎn)生定位數(shù)據(jù)。同時隨著公里數(shù)的增加，傳感器累積誤差會增大。而軌道電路定位方式，僅在擁有軌道電路的起始位置（DK0+424.9km），岔區(qū)1道岔前（DK0+536.1km）產(chǎn)生定位數(shù)據(jù)。雖然定位精度最高（不存在定位誤差），但無法持續(xù)追蹤車輛。GPS定位在站臺區(qū)間雖然可以持續(xù)追蹤車輛，但是相較于其他定位方式，其誤差相對較大。數(shù)據(jù)融合定位則兼顧上述3種定位方法的優(yōu)點：即穩(wěn)定地追蹤車輛、相對適中的定位誤差以及通過數(shù)據(jù)融合對累積誤差進(jìn)行修正與消除。

4.2 A/B正線區(qū)間

A/B正線測試區(qū)間分布于DK0+805.7km至DK1+122.1km間，與站臺區(qū)間不同，由于有軌電車線路在無岔區(qū)間一般不鋪設(shè)軌道電路，僅在路口鋪設(shè)少量的通信環(huán)線。因此軌道電路/通信環(huán)線定位方式僅在車輛經(jīng)過路口時產(chǎn)生定位數(shù)據(jù)，基本無法定位車輛。此外，GPS定位技術(shù)在正線區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)隨機(jī)的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，定位持續(xù)性降低，且依舊存在一定的誤差。而速度傳感器定位數(shù)據(jù)則存在累計誤差不斷加大的特點。

4.3 A/B下穿隧道區(qū)間

A/B下穿隧道測試區(qū)間分布于DK1+655.3km至DK1+963.2km間。與上述2個區(qū)間不同的是，在隧道區(qū)間內(nèi)，GPS定位由于信號遮蔽等原因無法產(chǎn)生定位數(shù)據(jù)，已徹底丟失車輛的位置信息。此外，隧道區(qū)間無鋪設(shè)軌道電路或通信環(huán)線，因此也無法定位車輛。僅速度傳感器定位技術(shù)與數(shù)據(jù)融合定位技術(shù)可以正常定位車輛。但由于累積誤差的原因，速度傳感器定位技術(shù)與數(shù)據(jù)融合定位技術(shù)相比，其誤差較大。

5 結(jié)論

通過上述分析可以得出：首先，從定位持續(xù)性方面來看，數(shù)據(jù)融合定位技術(shù)可以很好地適應(yīng)各路況條件下對車輛的定位，顯著優(yōu)于GPS定位技術(shù)以及軌道電路或通信環(huán)線定位技術(shù)；其次，從定位精準(zhǔn)性方面來看，數(shù)據(jù)融合定位技術(shù)在車輛行駛的全過程中誤差較小，優(yōu)于GPS定位技術(shù)以及速度傳感器定位技術(shù)；最后，從造價方面來看，數(shù)據(jù)融合技術(shù)對線路的鋪設(shè)沒有特殊要求，顯著優(yōu)于需要全線鋪設(shè)軌道電路或通信環(huán)線的定位技術(shù)。因此數(shù)據(jù)融合技術(shù)是滿足現(xiàn)代有軌電車定位需求的一種比較理想的技術(shù)。