基于衛(wèi)星導(dǎo)航的鐵路列車(chē)控制系統(tǒng)自主定位技術(shù)研究進(jìn)展

劉 江, 蔡伯根, 王 劍, 陸德彪, 姜 維

(1. 北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院, 北京 100044;2. 北京交通大學(xué)智慧高鐵系統(tǒng)前沿科學(xué)中心, 北京 100044;3. 北京市軌道交通電磁兼容與衛(wèi)星導(dǎo)航工程技術(shù)研究中心, 北京 100044)

0 引言

作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈、國(guó)家層面的重要基礎(chǔ)設(shè)施和大眾化的交通運(yùn)輸工具,鐵路運(yùn)輸在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中具有至關(guān)重要的地位和作用。安全,是鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)一切活動(dòng)行為的首要前提。列車(chē)作為承載鐵路客貨運(yùn)輸任務(wù)的核心主體,與其運(yùn)行過(guò)程直接相關(guān)的列車(chē)控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱“列控系統(tǒng)”)承擔(dān)進(jìn)路方向、追蹤間隔、運(yùn)行速度等控制與防護(hù)任務(wù),是確保行車(chē)安全、提高運(yùn)輸效率的核心技術(shù)裝備,是鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的“大腦和神經(jīng)系統(tǒng)”。在安全防護(hù)功能中,列車(chē)位置、速度、軌道占用等運(yùn)行狀態(tài)的感知決策是一項(xiàng)極為基礎(chǔ)且關(guān)鍵的功能需求。當(dāng)前的普速、高速鐵路以及城市軌道交通均依賴軌旁設(shè)施(如沿線布設(shè)的應(yīng)答器、軌道電路等裝置)與車(chē)載自主定位方式相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)感知,面臨著功能自主性不足、靈活性受限、建設(shè)維護(hù)成本高昂等突出問(wèn)題。為此,引入新型智能化技術(shù)途徑,在降低軌旁設(shè)施依賴條件下,由車(chē)載設(shè)備自主實(shí)施測(cè)速定位,通過(guò)虛擬應(yīng)答器等方式確保其應(yīng)用實(shí)施的適配度與可行性,作為國(guó)內(nèi)外軌道交通運(yùn)營(yíng)管理機(jī)構(gòu)從更高層次的“全生命周期”成本效益優(yōu)化角度出發(fā)的必要選擇,運(yùn)用既有系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)思想及安全評(píng)估認(rèn)證機(jī)制使其滿足相關(guān)安全需求,已成為列車(chē)控制技術(shù)的關(guān)鍵發(fā)展導(dǎo)向。

近年來(lái),隨著全球科技創(chuàng)新和軌道交通系統(tǒng)智能化的快速發(fā)展,以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航等為代表的新興技術(shù)不斷迭代更新,為智能鐵路體系的構(gòu)建與發(fā)展提供了重要機(jī)遇[1-2]。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為國(guó)家層面的重大戰(zhàn)略基礎(chǔ)設(shè)施,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面均已發(fā)揮了關(guān)鍵作用,GPS、GLONASS、Galileo以及我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展完善,及全天候、全天時(shí)、高覆蓋的特性,使其能為鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的智能化提供重要支撐。德國(guó)、意大利、法國(guó)、美國(guó)、英國(guó)、日本等多個(gè)國(guó)家均已開(kāi)展了衛(wèi)星導(dǎo)航在智能鐵路業(yè)務(wù)方向的深度融合研究,以衛(wèi)星定位驅(qū)動(dòng)及多源車(chē)載信息融合實(shí)施列車(chē)自主定位,實(shí)現(xiàn)以“車(chē)載自主化”為目標(biāo)的新型列車(chē)控制系統(tǒng),經(jīng)過(guò)20余年的發(fā)展,已逐步進(jìn)入技術(shù)規(guī)范探索[3]、系統(tǒng)裝備研制[4]、現(xiàn)場(chǎng)工程示范[5]等實(shí)質(zhì)階段。

我國(guó)鐵路列車(chē)控制技術(shù)在中國(guó)列車(chē)控制系統(tǒng)(Chinese train control system, CTCS)體系框架下不斷完善,已開(kāi)始進(jìn)一步開(kāi)展高等級(jí)CTCS-4級(jí)列控系統(tǒng)的研發(fā)探索。在CTCS-4級(jí)系統(tǒng)模式下,列車(chē)定位不再依賴軌旁設(shè)備實(shí)現(xiàn)測(cè)速測(cè)距誤差校正。由車(chē)載定位裝置自主決策列車(chē)位置與占用狀態(tài),已成為國(guó)內(nèi)外列控技術(shù)領(lǐng)域的共識(shí)[6]。自2020年以來(lái),我國(guó)自主建設(shè)的北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system, BDS)開(kāi)通全球服務(wù),為列車(chē)定位模式展現(xiàn)技術(shù)、資源層面的高度自主化提供了重要支持。新型列控系統(tǒng)將不斷推進(jìn)技術(shù)規(guī)范、裝備研制及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用,以“故障-安全”這一核心特性基礎(chǔ)上的更高自主化、更加智能化、更廣適配化為目標(biāo),對(duì)衛(wèi)星定位的高效融合運(yùn)用注入了新的發(fā)展內(nèi)涵。

鑒于此,對(duì)近年來(lái)基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車(chē)控制系統(tǒng)自主定位技術(shù)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,對(duì)未來(lái)深化發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向進(jìn)行了展望。本文的主要框架如下:第一部分介紹了基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車(chē)控制系統(tǒng)架構(gòu),分析了列車(chē)自主定位的基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)思路;第二部分介紹了列控系統(tǒng)自主定位需求,對(duì)比了不同國(guó)家、不同交通控制模式對(duì)自主定位的量化需求體系;第三部分綜述了列車(chē)自主定位的關(guān)鍵技術(shù),分別從融合、增強(qiáng)、約束、評(píng)估等四個(gè)方面對(duì)國(guó)內(nèi)外研究的主要進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié);第四部分結(jié)合新時(shí)期新型列控系統(tǒng)的發(fā)展及運(yùn)用趨勢(shì)對(duì)列車(chē)自主定位技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車(chē)控制系統(tǒng)架構(gòu)

列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)是根據(jù)列車(chē)在鐵路線路上運(yùn)行的客觀條件和實(shí)際情況,對(duì)列車(chē)沿軌道運(yùn)行速度及制動(dòng)方式等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督、控制和調(diào)整的技術(shù)裝備,是保障行車(chē)安全的核心。自20世紀(jì)90年代美國(guó)“主動(dòng)列車(chē)間隔控制(positive train separation,PTS)”計(jì)劃開(kāi)創(chuàng)了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在鐵路列車(chē)定位的應(yīng)用以來(lái),美、歐、日等在基于車(chē)載自主定位的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)領(lǐng)域取得了進(jìn)展。美國(guó)GE公司的增強(qiáng)型列車(chē)控制系統(tǒng)(incremental train control system,ITCS)已成功在我國(guó)青藏鐵路、澳大利亞等得到使用,實(shí)施的“北美聯(lián)合精確列車(chē)控制(North American joint positive train control,NAJPTC)”計(jì)劃以及“全國(guó)范圍差分GPS系統(tǒng)(nationwide differential global positioning system,NDGPS)”的構(gòu)建,為進(jìn)一步提升衛(wèi)星定位在列車(chē)運(yùn)行控制領(lǐng)域的應(yīng)用能力提供了重要基礎(chǔ)。歐盟伴隨其Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展,高度重視列車(chē)控制這一應(yīng)用方向,啟動(dòng)了“區(qū)域歐洲鐵路管理系統(tǒng)(European rail traffic management system regional,ERTMS regional)”“低成本歐洲列車(chē)控制系統(tǒng)(European train control system-low cost,ETCS-LC)”等計(jì)劃[7],研發(fā)兼容于ERTMS/ETCS且適合于低密度低速線路列控系統(tǒng)改造升級(jí)的低成本系統(tǒng)方案,并為ETCS-3級(jí)系統(tǒng)研發(fā)打下了基礎(chǔ),先后支持了多項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃,對(duì)衛(wèi)星定位列控應(yīng)用的方法、技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探索[8]。2013年,歐盟在原有ETCS列控體系上提出“下一代列車(chē)控制(next generation train control, NGTC)”研究計(jì)劃,重點(diǎn)研究基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的列車(chē)自主定位等關(guān)鍵技術(shù),進(jìn)一步提升鐵路運(yùn)輸能力及自動(dòng)化水平,降低設(shè)備安裝、維護(hù)成本,提高可靠性[9];啟動(dòng)“構(gòu)建未來(lái)鐵路系統(tǒng)聯(lián)合行動(dòng)(Shift2Rail)”計(jì)劃(2021年拓展為Europe’s Rail計(jì)劃[10]),設(shè)立了“先進(jìn)的運(yùn)輸管理和控制系統(tǒng)”方向,通過(guò)引入衛(wèi)星定位、新型通信、虛擬連掛等先進(jìn)技術(shù),形成高度集成化的通信與控制體系結(jié)構(gòu),進(jìn)一步提高鐵路運(yùn)輸效率、增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性、降低系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本[11]。日本于2008年提出下一代軌道交通方案,設(shè)計(jì)了先進(jìn)列車(chē)管理和通信系統(tǒng)(advanced train administration and communication system,ATACS)、下一代鐵路運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)(next-generation railway operation system,NGROS),提出新型列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu),通過(guò)使用GPS實(shí)現(xiàn)列車(chē)定位、減少地面設(shè)備,達(dá)到降低運(yùn)營(yíng)成本、提高線路運(yùn)行效率的目的[12]。我國(guó)鐵路自21世紀(jì)初開(kāi)始建立中國(guó)列車(chē)控制系統(tǒng)體系[13],如圖1所示,共劃分為5個(gè)等級(jí),其中,CTCS-0、CTCS-1級(jí)主要面向時(shí)速120 km和160 km既有線,CTCS-2和CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)直接面向時(shí)速250 km和350 km高速線路,在確保列車(chē)運(yùn)行安全方面已有成熟運(yùn)用。總體來(lái)看,各應(yīng)用等級(jí)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)可劃分為車(chē)載設(shè)備、軌旁設(shè)備、中心設(shè)備三個(gè)部分,對(duì)于CTCS-4級(jí)列車(chē)控制系統(tǒng),發(fā)揮衛(wèi)星定位的優(yōu)勢(shì),將其與車(chē)載設(shè)備所含輔助定位傳感器、軌道地圖數(shù)據(jù)庫(kù)所提供的多信息源進(jìn)行融合,從而具備“車(chē)載自主化”能力,向車(chē)載列車(chē)超速防護(hù)(auto-matic train protection,ATP)主機(jī)提供基礎(chǔ)信息,能夠在列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)感知層面有效簡(jiǎn)化軌旁設(shè)備,僅由列控車(chē)載設(shè)備通過(guò)多源信息融合實(shí)施測(cè)速定位與狀態(tài)估計(jì)。

圖1 中國(guó)列車(chē)控制系統(tǒng)體系及新型車(chē)載自主定位接口模式Fig.1 CTCS framework and interface mode of novel train-borne autonomous positioning

本文給出基于衛(wèi)星導(dǎo)航的新型列控系統(tǒng)列車(chē)自主測(cè)速定位的一種基本結(jié)構(gòu)方案,如圖2所示,其中,在預(yù)留應(yīng)答器信息接收單元(balise transmis-sion module,BTM)提取應(yīng)答器信息的基礎(chǔ)上,ATP設(shè)備通過(guò)四類(lèi)部件/單元實(shí)現(xiàn)列車(chē)位置與運(yùn)行狀態(tài)的估計(jì)決策:

1)輪軸測(cè)速測(cè)距單元:由安裝于輪軸的速度傳感器采集車(chē)輪在一定周期內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù),換算估計(jì)列車(chē)的走行距離,并估算列車(chē)在一個(gè)周期內(nèi)沿軌道方向的縱向運(yùn)行速度;

2)衛(wèi)星定位接收單元:接收來(lái)自衛(wèi)星導(dǎo)航天線的信號(hào)并實(shí)施信號(hào)處理與三維位置解算,若軌旁系統(tǒng)配置差分定位增強(qiáng)系統(tǒng),則單元在解算中會(huì)包含對(duì)經(jīng)由無(wú)線通信單元發(fā)送的差分校正信息的利用,以提升定位精度及完好性水平;

3)電子地圖單元:存儲(chǔ)并更新列車(chē)運(yùn)行區(qū)段的定位專(zhuān)用軌道數(shù)據(jù)庫(kù)信息,用于對(duì)衛(wèi)星定位接收單元所得坐標(biāo)位置向沿軌道一維縱向相對(duì)距離量的轉(zhuǎn)換;

4)輔助定位傳感器:采用非衛(wèi)導(dǎo)定位傳感器(如多普勒測(cè)速雷達(dá)、慣性測(cè)量單元、超寬帶定位單元等)對(duì)隧道、封閉或帶頂棚站場(chǎng)、高路塹等環(huán)境中因衛(wèi)星信號(hào)遮擋導(dǎo)致定位可用性缺失、性能劣化等情況進(jìn)行補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)多源融合解算。

圖2 新型列控系統(tǒng)基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車(chē)自主定位基本架構(gòu)Fig.2 Fundamental framework of GNSS-based autonomous train positioning in the novel train control system

車(chē)載ATP設(shè)備獲取各類(lèi)傳感器及電子地圖數(shù)據(jù)庫(kù)信息后,為確保衛(wèi)星定位解算所得位置信息用于生成列車(chē)控制指令,如運(yùn)行授權(quán)(moving authori-ty,MA),能夠具備與既有列控系統(tǒng)兼容的接口形式,降低引入衛(wèi)星定位造成的系統(tǒng)架構(gòu)調(diào)整對(duì)符合系統(tǒng)規(guī)范與通過(guò)安全評(píng)估可能帶來(lái)的差異化影響,國(guó)內(nèi)外均運(yùn)用了虛擬應(yīng)答器(virtual balise,VB)的接口機(jī)制[14]。衛(wèi)星定位結(jié)果用于實(shí)現(xiàn)應(yīng)答器功能的虛擬化,在利用定位估計(jì)解與擬布設(shè)應(yīng)答器位置實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)與捕獲的情況下,調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的應(yīng)答器報(bào)文發(fā)送至ATP主控單元,可實(shí)現(xiàn)與在線路上真實(shí)安裝應(yīng)答器設(shè)備并在列車(chē)通過(guò)時(shí)激勵(lì)報(bào)文一致的效果。隨著虛擬應(yīng)答器布局[15-16]、定位解算[17-18]、虛擬應(yīng)答器捕獲[19-22]、捕獲質(zhì)量評(píng)估[23]等相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的不斷完善,基于虛擬應(yīng)答器的衛(wèi)星定位接口兼容模式,已成為國(guó)內(nèi)外眾多基于衛(wèi)星定位的新型列控系統(tǒng)的普遍選擇。

從上述結(jié)構(gòu)可以看出,新型列控系統(tǒng)通過(guò)在傳統(tǒng)輪軸測(cè)速測(cè)距方式基礎(chǔ)上,引入衛(wèi)星定位及其支撐性信息源(如電子地圖、輔助定位傳感器等),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)軌旁應(yīng)答器的替代,由車(chē)載設(shè)備自身的信息條件主動(dòng)自主實(shí)施定位校正,從而降低對(duì)軌旁設(shè)施條件的依賴,為進(jìn)一步簡(jiǎn)化列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)分配調(diào)整系統(tǒng)功能提供支持。新型列控系統(tǒng)的定位感知模式可用于高速、普速及廣大中西部稀疏路網(wǎng)鐵路線路,其所需的車(chē)載/軌旁/中心設(shè)備條件配置及與既有設(shè)施水平的有效適配過(guò)渡是制約其運(yùn)用的主要因素,此外,等級(jí)間切換與兼容化也是實(shí)施運(yùn)用面臨的主要問(wèn)題。衛(wèi)星定位的核心使能性作用是歐盟ETCS-3級(jí)、我國(guó)CTCS-4級(jí)、美國(guó)PTC等新型列控系統(tǒng)架構(gòu)的共同選擇,也是進(jìn)一步促進(jìn)列控系統(tǒng)“故障-安全”原則基礎(chǔ)上開(kāi)展需求、關(guān)鍵技術(shù)等方面研究的主要驅(qū)動(dòng)點(diǎn),支撐國(guó)內(nèi)外研究人員在此方向開(kāi)展了大量研究工作。

2 列控系統(tǒng)自主定位性能需求體系

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能指標(biāo)自GPS實(shí)現(xiàn)完整操作能力以來(lái),周期性更新標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)、精確定位服務(wù)以及增強(qiáng)服務(wù)的性能標(biāo)準(zhǔn)。導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(standard positioning service, SPS)將空間信號(hào)(signal in space, SIS)服務(wù)的覆蓋范圍、定位精度、信號(hào)完好性、信號(hào)連續(xù)性以及信號(hào)的可用性列為 GPS SIS 性能評(píng)估指標(biāo)[24],這是進(jìn)行衛(wèi)星定位鐵路應(yīng)用的基礎(chǔ)。歐洲Galileo系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初公布了系統(tǒng)的高水平性能定義(high level definition, HLD)文件,分析了用戶、運(yùn)營(yíng)及服務(wù)操作方的需求,提出Galileo應(yīng)用的性能要求下的量化指標(biāo),其中,列車(chē)運(yùn)行控制從屬的安全相關(guān)服務(wù)的需求在 GPS SPS 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上將完好性評(píng)估描述為3個(gè)子參數(shù):報(bào)警門(mén)限、報(bào)警時(shí)間以及完好性風(fēng)險(xiǎn)[25]。我國(guó)發(fā)布的《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)公開(kāi)服務(wù)性能規(guī)范》進(jìn)行了多次更新[26],對(duì)空間信號(hào)覆蓋范圍、精度、連續(xù)性、可用性規(guī)范以及定位導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)精度、服務(wù)可用性等指標(biāo)進(jìn)行了定義,尚無(wú)特定針對(duì)安全相關(guān)應(yīng)用的性能指標(biāo)要求。

近年來(lái),伴隨鐵路系統(tǒng)關(guān)鍵應(yīng)用中GNSS的不斷深化,考慮到列車(chē)運(yùn)行控制等與安全緊密相關(guān)系統(tǒng)的安全需求與衛(wèi)星定位面臨的系統(tǒng)級(jí)、信號(hào)級(jí)、用戶端風(fēng)險(xiǎn),歐美多國(guó)在引入衛(wèi)星定位構(gòu)建新一代基于列車(chē)自主定位的新型列控系統(tǒng)過(guò)程中,均結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)性能體系,設(shè)計(jì)了面向鐵路特定應(yīng)用的性能需求量化方案。

早在2000年,歐盟GNSS秘書(shū)處即已組織歐盟委員會(huì)相關(guān)部門(mén)、鐵路運(yùn)營(yíng)單位、鐵路/公共交通組織機(jī)構(gòu)、客貨運(yùn)公司、運(yùn)輸服務(wù)商、GNSS設(shè)備商等,按照鐵路干線/車(chē)站、中密度線路、低密度線路3類(lèi)場(chǎng)景,構(gòu)建鐵路專(zhuān)用裝備應(yīng)用中Galileo定位服務(wù)的性能需求體系[27]。2019年,歐洲GNSS管理局(European GNSS Agency,GSA)發(fā)布了GNSS鐵路用戶需求報(bào)告[28],進(jìn)一步針對(duì)與列車(chē)運(yùn)行相關(guān)的6項(xiàng)安全應(yīng)用進(jìn)行了量化需求總結(jié),如表1所示,為其他國(guó)家構(gòu)建規(guī)范化的量化需求體系提供了重要參考。

表1 歐盟GNSS鐵路安全相關(guān)應(yīng)用量化性能需求[28]

隨著歐盟在深化Galileo在歐洲鐵路管理系統(tǒng)/歐洲列車(chē)控制系統(tǒng)(European rail traffic management system/European train control system,ERTMS/ETCS)中的應(yīng)用,結(jié)合列控系統(tǒng)對(duì)安全完整性等級(jí)(safety integrity level, SIL)要求,歐盟在地平線2020框架下支持了Helmet計(jì)劃,旨在將列車(chē)運(yùn)行控制中GNSS的應(yīng)用模式復(fù)用至道路交通自動(dòng)駕駛等多模領(lǐng)域,從而使道路車(chē)輛、列車(chē)等交通載體更為經(jīng)濟(jì)化,共用定位基礎(chǔ)設(shè)施、安全評(píng)估認(rèn)證機(jī)制[29]。表2給出了該計(jì)劃對(duì)列車(chē)、自動(dòng)駕駛汽車(chē)運(yùn)用GNSS實(shí)施安全控制在不同場(chǎng)景、等級(jí)條件下的量化需求對(duì)比,體現(xiàn)了鐵路安全控制領(lǐng)域衛(wèi)星定位應(yīng)用的示范延伸效應(yīng),為進(jìn)一步明確衛(wèi)星定位性能指標(biāo)、擴(kuò)展GNSS在交通載運(yùn)工具控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了有效參考。

表2 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)鐵路/道路用戶需求對(duì)比[30]

美國(guó)在世界范圍內(nèi)最早構(gòu)建GNSS系統(tǒng)并將GPS引入列車(chē)控制等關(guān)鍵應(yīng)用,多年以來(lái)持續(xù)強(qiáng)化基于衛(wèi)星導(dǎo)航的PTC體系,由美國(guó)國(guó)防部、交通部、國(guó)土安全部聯(lián)合多年發(fā)布《聯(lián)邦無(wú)線電導(dǎo)航計(jì)劃》[31],在定位導(dǎo)航與授時(shí)(positioning, navigation and timing,PNT)用戶需求部分,對(duì)包括主動(dòng)列車(chē)控制在內(nèi)的6類(lèi)典型鐵路應(yīng)用引入GPS及NDGPS系統(tǒng)所需性能指標(biāo),如表3所示。近年來(lái),隨著美國(guó)聯(lián)邦政府要求下對(duì)PTC計(jì)劃安全規(guī)劃(safety plan)進(jìn)程的逐步落實(shí)及PTC安全技術(shù)需求的適配,PTC體系中衛(wèi)星定位的性能需求體系也逐步完善。

表3 美國(guó)PTC系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用量化性能需求[31]

衛(wèi)星定位使能的鐵路應(yīng)用近年來(lái)在廣度方面得到不斷擴(kuò)展,然而,目前尚未形成體系化的針對(duì)衛(wèi)星定位的專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。列車(chē)控制系統(tǒng)作為一類(lèi)特征顯著的安全相關(guān)應(yīng)用,引入衛(wèi)星定位賦予了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與內(nèi)涵的新特征,但其在鐵路安全服務(wù)體系下需要遵守EN 50126[32]標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電子設(shè)備鐵路應(yīng)用可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性(reliability, availability, maintainability and safety,RAMS)技術(shù)條件的要求[33]。基于上述兩個(gè)不同領(lǐng)域的性能評(píng)價(jià)體系,研究人員利用統(tǒng)一建模語(yǔ)言(unified modeling language,UML)結(jié)構(gòu)化表述方法對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航在交通安全應(yīng)用場(chǎng)景下的性能指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析[34]。在常規(guī)GNSS自身性能指標(biāo)體系與鐵路RAMS體系之間的映射關(guān)聯(lián)方面,研究人員已開(kāi)展了多項(xiàng)研究,如:利用三角分割方法將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能分解為可靠性與非可靠性,構(gòu)建了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和功能安全標(biāo)準(zhǔn)中連續(xù)性、可靠性、安全性三個(gè)性能指標(biāo)間關(guān)系的形式化描述方法[35];對(duì)衛(wèi)星定位觀測(cè)量質(zhì)量分級(jí)(包括正常、退化、故障),建立以精度為基礎(chǔ)的RAMS指標(biāo)量化評(píng)估[36-37];結(jié)合危害分析與Petri網(wǎng)建模[38]、可信性/安全性分解[39]等手段開(kāi)展RAMS基于仿真的評(píng)估分析。在整體指標(biāo)體系層面,已逐步構(gòu)建了列車(chē)定位性能指標(biāo)體系映射關(guān)系模型,如圖3所示,從可靠性與安全性的關(guān)系及故障檢測(cè)診斷狀態(tài)空間入手,形成了基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車(chē)定位性能指標(biāo)體系關(guān)系描述[40],為設(shè)計(jì)、研發(fā)、測(cè)試、評(píng)估提供了指導(dǎo)依據(jù)。

圖3 基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車(chē)定位性能指標(biāo)體系映射關(guān)系模型[41]Fig.3 Performance index system mapping relationship model for GNSS-based train positioning

隨著基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的列車(chē)控制技術(shù)逐步朝向裝備應(yīng)用層次發(fā)展,針對(duì)列車(chē)自主定位及整體新型列控系統(tǒng)級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系將進(jìn)一步完善,相應(yīng)的需求體系、指標(biāo)框架、評(píng)估策略將為相應(yīng)方法、技術(shù)的研究與應(yīng)用提供更為明確的規(guī)范化約束。

3 基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車(chē)自主定位研究進(jìn)展

列車(chē)運(yùn)行于固定軌道,以列車(chē)相對(duì)參考點(diǎn)(一般用最鄰近相關(guān)應(yīng)答器組(last relevant balise group,LRBG)為參考點(diǎn))的走行距離作為位置描述,具有典型的一維特征,考慮到列車(chē)控制的安全需求,列車(chē)位置的估計(jì)還需充分考慮測(cè)量、解算中的不確定性。為此,針對(duì)基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車(chē)自主定位,如圖4所示,主要從4個(gè)方面描述定位的核心內(nèi)容。

(1)融合:為解決導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)受限可能導(dǎo)致的性能劣化與功能失效,引入非衛(wèi)導(dǎo)信息源對(duì)自主定位性能進(jìn)行補(bǔ)償與優(yōu)化,提升對(duì)不利、惡劣衛(wèi)星導(dǎo)航觀測(cè)條件的適應(yīng)。

(2)增強(qiáng):為確保定位性能滿足上下行股道區(qū)分、列車(chē)追蹤間隔估計(jì)等需求,在衛(wèi)星定位自身的增強(qiáng)方面,引入系統(tǒng)化手段(如軌旁GNSS增強(qiáng)設(shè)施)、處理層機(jī)制(如自主完好性監(jiān)測(cè)邏輯),實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星定位性能的保障。

(3)約束:為充分挖掘列車(chē)位置描述受軌道物理“約束”這一特性的作用,在充分運(yùn)用衛(wèi)星定位及輔助定位信息實(shí)施定位決策過(guò)程中,引入軌道空間信息提供的先驗(yàn)知識(shí)條件,在實(shí)現(xiàn)一維沿軌道位置描述轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化定位性能。

(4)評(píng)估:為了滿足自主定位應(yīng)用支撐列車(chē)控制達(dá)到“故障-安全”原則要求,建立特定測(cè)試評(píng)估體系與環(huán)境,對(duì)各類(lèi)場(chǎng)景條件下列車(chē)自主定位的性能及可信水平進(jìn)行檢驗(yàn)。

為此,本文以此4個(gè)要點(diǎn)為索引,以國(guó)內(nèi)外列車(chē)控制系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展及應(yīng)用為背景,對(duì)列車(chē)自主定位的主要研究進(jìn)展情況進(jìn)行梳理與總結(jié)。

3.1 多源感知融合無(wú)縫定位

在龐大復(fù)雜的鐵路網(wǎng)中,衛(wèi)星定位將面臨多樣的運(yùn)行環(huán)境及工作條件,導(dǎo)航衛(wèi)星空間信號(hào)的可用性限制(如車(chē)站、隧道等環(huán)境中有嚴(yán)重的信號(hào)遮蔽)會(huì)對(duì)定位性能形成極大制約,如何實(shí)現(xiàn)受限觀測(cè)條件下定位的無(wú)縫化優(yōu)化是一項(xiàng)關(guān)鍵瓶頸。為了確保列車(chē)定位在不同場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)定位接入的無(wú)縫銜接,采用合理途徑實(shí)施多源定位信息融合是這一領(lǐng)域長(zhǎng)久以來(lái)始終關(guān)注的主題。常規(guī)可用于實(shí)施多源定位融合的候選列車(chē)定位方式包括慣性導(dǎo)航、多普勒測(cè)速、輪軸測(cè)速定位、蜂窩無(wú)線通信等[42]。近年來(lái),集成渦流、視覺(jué)、激光雷達(dá)、超寬帶、光纖光柵等多種新型方案的涌現(xiàn),為列車(chē)自主定位提供了更為廣闊的融合空間。

圖4 基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車(chē)自主定位技術(shù)內(nèi)涵分解Fig.4 Technology connotation description of GNSS-based autonomous train positioning

在多傳感器組合結(jié)構(gòu)下,濾波估計(jì)是利用多源信息進(jìn)行準(zhǔn)確狀態(tài)判定的重要途徑[43]。近年來(lái),針對(duì)Kalman濾波框架下各類(lèi)方法因非線性、非高斯等問(wèn)題導(dǎo)致的性能受限問(wèn)題,基于新型貝葉斯估計(jì)的組合定位已形成眾多成果。Malleswaran M.等[44]提出了IMM-UKF-TFS(interacting multiple model-unscented Kalman filter-two filter smoother)模型,利用平行濾波器對(duì)GNSS與慣性導(dǎo)航的組合系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì),使融合定位信息更加平滑;Minetto A.等[45]提出基于次優(yōu)粒子濾波(suboptimal particle filter,S-PF)的組合定位融合算法,相對(duì)傳統(tǒng)EKF方法實(shí)現(xiàn)了顯著的定位性能優(yōu)化;Heirich O.等[46]利用粒子濾波與貝葉斯估計(jì)相結(jié)合提高列車(chē)定位精度,通過(guò)粒子濾波減少線性化過(guò)程中的誤差,提高定位精度、穩(wěn)定性和魯棒性。在傳統(tǒng)貝葉斯估計(jì)框架之外,因子圖優(yōu)化(factor graph optimization,FGO)作為一種新型融合估計(jì)架構(gòu),在狀態(tài)估計(jì)的魯棒性水平以及處理觀測(cè)量非高斯特征方面表現(xiàn)出更優(yōu)性能[47],已有研究開(kāi)始將FGO引入多源列車(chē)融合定位實(shí)現(xiàn)對(duì)基于GNSS的列車(chē)定位受限環(huán)境補(bǔ)償[48]、多源融合性能優(yōu)化[49]。此外,隨著人工智能技術(shù)在導(dǎo)航定位領(lǐng)域的不斷滲透,以群體智能優(yōu)化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度訓(xùn)練、機(jī)器學(xué)習(xí)等前沿技術(shù)為支撐的非線性非高斯濾波估計(jì)算法也已用于衛(wèi)星定位與輔助傳感器的融合[50-52],對(duì)濾波性能在實(shí)際定位中存在的不確定性、非線性、隨機(jī)性進(jìn)行補(bǔ)償和優(yōu)化[53],為列車(chē)定位提供了更多選擇。

除采用非衛(wèi)導(dǎo)信息對(duì)GNSS定位實(shí)施優(yōu)化,偽衛(wèi)星(pseudolite, PL)技術(shù)為無(wú)縫列車(chē)定位提供了另一路線。偽衛(wèi)星發(fā)射與GNSS導(dǎo)航信號(hào)相同或相近的信號(hào),提供定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù),作為解決衛(wèi)星信號(hào)受到遮擋無(wú)法定位問(wèn)題的有效途徑之一,已經(jīng)成為了近年導(dǎo)航定位領(lǐng)域的熱點(diǎn)[54]。面向列車(chē)定位,歐盟RailGATE測(cè)試場(chǎng)[55](railway Galileo test environment)構(gòu)建了世界上唯一面向GPS/Galileo鐵路應(yīng)用的偽衛(wèi)星研發(fā)測(cè)試環(huán)境,安裝有8臺(tái)偽衛(wèi)星信號(hào)發(fā)生器、2個(gè)監(jiān)控站、1個(gè)數(shù)據(jù)處理中心,信號(hào)覆蓋整個(gè)環(huán)形測(cè)試區(qū)域,支持200 km/h的動(dòng)態(tài)測(cè)試。結(jié)合RailGATE在增強(qiáng)衛(wèi)星星座方面的基礎(chǔ),在列車(chē)自主定位方案中引入偽衛(wèi)星,構(gòu)建包含空間導(dǎo)航衛(wèi)星、軌旁差分基站、地面?zhèn)涡l(wèi)星在內(nèi)的“空地一體化增強(qiáng)衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)”(如圖5所示),能為導(dǎo)航衛(wèi)星定位服務(wù)形成無(wú)縫化延伸,強(qiáng)化GNSS技術(shù)應(yīng)用于列車(chē)控制等安全相關(guān)系統(tǒng)的能力條件。

圖5 導(dǎo)航衛(wèi)星/差分基站/偽衛(wèi)星空地一體化增強(qiáng)衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.5 Integrated architecture of the augmented satellite constellation network based on GNSS satellites, DGNSS reference stations and pseudolites

偽衛(wèi)星時(shí)間同步、多徑/遠(yuǎn)近效應(yīng)抑制、高精度高可靠解算、設(shè)備低成本化等問(wèn)題尚有待解決,其與多定位源實(shí)施組合所能達(dá)到的效果已得到充分驗(yàn)證[56]。在引入偽衛(wèi)星實(shí)施列車(chē)定位無(wú)縫化增強(qiáng)方面,近期研究集中在鐵路場(chǎng)景適用性分析、偽衛(wèi)星布局方案、定位風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)等方面,代表性成果包括:偽衛(wèi)星、北斗導(dǎo)航聯(lián)合無(wú)縫定位觀測(cè)模型[57];基于群智能優(yōu)化的鐵路站場(chǎng)偽衛(wèi)星選址布局策略與車(chē)站站場(chǎng)空間特性關(guān)聯(lián)方案[58-59];以完好性為依托,設(shè)計(jì)導(dǎo)航衛(wèi)星、偽衛(wèi)星聯(lián)合用于無(wú)縫定位的完好性監(jiān)測(cè)方法,對(duì)偽衛(wèi)星引入無(wú)縫定位實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[60];基于無(wú)縫定位的虛擬應(yīng)答器列控系統(tǒng)接口方法[61]。隨著偽衛(wèi)星技術(shù)的不斷完善、專(zhuān)用布局/解算/融合/測(cè)試/評(píng)估等方法的不斷豐富,在鐵路特定區(qū)域?qū)嵤﹤涡l(wèi)星部署增強(qiáng),構(gòu)建面向鐵路線網(wǎng)的GNSS/PL綜合空間星座條件,將會(huì)形成更為顯著的列車(chē)自主定位無(wú)縫化保障效應(yīng)。

3.2 列車(chē)衛(wèi)星定位主動(dòng)增強(qiáng)

在一定時(shí)期和技術(shù)條件下,由于尚不具備類(lèi)似星基增強(qiáng)等完全擺脫軌旁依賴的增強(qiáng)技術(shù)手段,鐵路衛(wèi)星定位應(yīng)用普遍引入差分定位技術(shù),以有限的相關(guān)設(shè)施(如差分基站、處理中心等)建設(shè)維護(hù)成本實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)載定位性能的優(yōu)化。新型列控系統(tǒng)將提供差分衛(wèi)星定位的相關(guān)設(shè)施納入總體框架,由專(zhuān)用差分基站、承載于列控軌旁/中心設(shè)備的增強(qiáng)服務(wù)等,使系統(tǒng)具備對(duì)衛(wèi)星定位的主動(dòng)增強(qiáng)能力。近年來(lái),世界多國(guó)在建設(shè)發(fā)展基于衛(wèi)星導(dǎo)航的新型列車(chē)控制系統(tǒng)進(jìn)程中,均將衛(wèi)星定位的主動(dòng)增強(qiáng)作為自主定位能力優(yōu)化的重要途徑[62]。表4總結(jié)了國(guó)內(nèi)外基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列控系統(tǒng)定位增強(qiáng)技術(shù)實(shí)施情況。

歐洲較早開(kāi)展了面向ETCS-3級(jí)模式的列車(chē)自主定位技術(shù)研發(fā),形成符合SIL-4要求和ERTMS標(biāo)準(zhǔn)的列車(chē)定位系統(tǒng)架構(gòu),包含車(chē)載定位、軌旁增強(qiáng)、無(wú)線傳輸3個(gè)子系統(tǒng)。圖6給出了典型的包含專(zhuān)用軌旁GNSS增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的列車(chē)自主定位架構(gòu)[63]。核心是軌旁增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò),運(yùn)用專(zhuān)用衛(wèi)星定位差分基站,復(fù)用列控系統(tǒng)中心設(shè)備(如圖6所示無(wú)線閉塞中心(radio block center,RBC)),提供GNSS增強(qiáng)認(rèn)證,已在意大利撒丁島50km試驗(yàn)線進(jìn)行驗(yàn)證[64]。我國(guó)自2018年以來(lái)啟動(dòng)了基于北斗的新型列車(chē)控制系統(tǒng)研制計(jì)劃,設(shè)計(jì)了GNSS參考站、差分服務(wù)控制中心、列控資源管理單元三級(jí)架構(gòu)的軌旁增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)方案,采用通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行RTCM網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膮f(xié)議(networked transport of RTCM via internet protocol,NTRIP)與鐵路信號(hào)安全協(xié)議-1(railway signal safety protocol-1,RSSP-1)確保增強(qiáng)系統(tǒng)信息安全,并采用蜂窩通信、衛(wèi)星通信聯(lián)合確保差分增強(qiáng)數(shù)據(jù)播發(fā)質(zhì)量,2021年于青藏鐵路公司管內(nèi)哈木線100 km實(shí)際線路進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[65]。

圖6 專(zhuān)用軌旁GNSS增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)列車(chē)自主定位架構(gòu)[63]Fig.6 Architecture of autonomous train positioning based on the dedicated track-side GNSS augmentation network

融合差分增強(qiáng)信息的列車(chē)定位還需要進(jìn)一步輔以特定處理邏輯,從與列控系統(tǒng)安全需求緊密相關(guān)的“完好性”入手,對(duì)定位觀測(cè)質(zhì)量劣化及系統(tǒng)故障進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確的檢測(cè)、診斷與排除。完好性導(dǎo)向的增強(qiáng)處理邏輯存在于衛(wèi)星導(dǎo)航通道、多源融合通道兩個(gè)過(guò)程,所采用的監(jiān)測(cè)處理手段也各具有針對(duì)性。

在衛(wèi)星定位處理層次,常基于用戶端自主完好性監(jiān)測(cè)框架,針對(duì)列車(chē)自主定位冗余結(jié)構(gòu)實(shí)施定制化設(shè)計(jì):Neri A.等[66]結(jié)合新型列控系統(tǒng)軌旁增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),設(shè)計(jì)了面向局域增強(qiáng)/全局增強(qiáng)雙層結(jié)構(gòu)的列車(chē)衛(wèi)星定位增強(qiáng)算法,基于不同衛(wèi)星間單差檢測(cè)空間信號(hào)故障、不同類(lèi)型差分基準(zhǔn)站間殘差檢測(cè)參考站故障,結(jié)合實(shí)際增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)核心的軌旁區(qū)域服務(wù)器(track area local server,TALS)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)行了檢驗(yàn)[67];Marais J.等[68]分析了將接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)策略應(yīng)用于列車(chē)定位系統(tǒng)的可行性,并指出列車(chē)定位系統(tǒng)可由接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)及地基增強(qiáng)系統(tǒng)3種不同途徑實(shí)現(xiàn)優(yōu)化與增強(qiáng);Kazim S.等[69]針對(duì)鐵路沿線環(huán)境觀測(cè)特征復(fù)雜性與列車(chē)定位完好性監(jiān)測(cè)所用誤差模型之間的偏差導(dǎo)致的性能風(fēng)險(xiǎn),提出衛(wèi)星定位誤差模型的分級(jí)分類(lèi)策略,通過(guò)差異化誤差模型的運(yùn)用提升水平保護(hù)級(jí)(horizontal protection level,HPL)等完好性監(jiān)測(cè)量估計(jì)水平的優(yōu)化,開(kāi)展了基于天空?qǐng)D衛(wèi)星可視特征建模的鐵路沿線觀測(cè)場(chǎng)景分類(lèi)[70];在基本的完好性監(jiān)測(cè)機(jī)制下,考慮應(yīng)對(duì)多GNSS系統(tǒng)聯(lián)合及復(fù)雜故障模式等條件,已有研究形成面向GPS/Galileo多模定位的故障檢測(cè)方法[71]、引入基帶信號(hào)輔助的故障檢測(cè)方法[72],這些成果為列車(chē)自主定位中衛(wèi)星定位自身的增強(qiáng)提供了定制化方案。

在多源融合處理層次,挖掘輔助感知信息增強(qiáng)完好性監(jiān)測(cè)性能的潛力,已有多項(xiàng)研究引入圖像視覺(jué)[73]、輪軸測(cè)速定位[74]、慣性導(dǎo)航[75]、多普勒測(cè)速雷達(dá)[76]、軌道空間信息[77]等,形成列車(chē)自主定位系統(tǒng)級(jí)完好性監(jiān)測(cè)優(yōu)化方案。同步考慮衛(wèi)星定位與輔助傳感器的總體故障模式,故障檢測(cè)與排除進(jìn)一步擴(kuò)大了覆蓋范圍。Filip A.等[78]采用“二乘二取二”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了衛(wèi)星導(dǎo)航/多普勒雷達(dá)/慣性組合列車(chē)定位單元,建立可靠性框圖對(duì)冗余系統(tǒng)的安全性進(jìn)行評(píng)估分析,提出定位單元自主完好性監(jiān)測(cè)(locator autonomous integrity monitoring, LAIM)[79]方法,將濾波殘差拓展至列車(chē)安全緩沖來(lái)確保列車(chē)定位系統(tǒng)的完好性水平。考慮輪軸測(cè)速定位的空滑故障,已有研究利用GNSS對(duì)非衛(wèi)導(dǎo)傳感器故障實(shí)施主動(dòng)檢測(cè),如:基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的GNSS/輪軸測(cè)速定位故障檢測(cè)診斷[80]、基于多通道定位傳感器交互的故障檢測(cè)機(jī)制[81]。此外,將估計(jì)方差、特征斜率等多參量集成,能夠獲得更完備的完好性保障能力[82],并可進(jìn)一步采用均值膨脹、非高斯膨脹策略對(duì)非高斯統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行主動(dòng)適應(yīng)[83]。近年來(lái),隨著鐵路運(yùn)營(yíng)環(huán)境日益復(fù)雜,已有研究開(kāi)始關(guān)注鐵路衛(wèi)星定位干擾防護(hù),在鐵路專(zhuān)用抗干擾方案與韌性列車(chē)定位模式方面形成了初步結(jié)果[84],為后續(xù)面向多層域安全感知實(shí)現(xiàn)針對(duì)性的防護(hù)優(yōu)化提供了思路。

3.3 定位專(zhuān)用軌道地圖數(shù)據(jù)庫(kù)

列車(chē)運(yùn)行于固定軌道上,將軌道基礎(chǔ)空間信息用于列車(chē)位置的決策、列車(chē)定位坐標(biāo)體系的轉(zhuǎn)換、定位性能的優(yōu)化,是一種將“空間約束”在定位估計(jì)中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)作用的必要途徑。列車(chē)定位專(zhuān)用軌道地圖數(shù)據(jù)庫(kù)(trackmap database)一般由索引信息、軌道地理信息數(shù)據(jù)和固定應(yīng)用數(shù)據(jù)構(gòu)成,其中:軌道地理信息數(shù)據(jù)描述軌道關(guān)鍵點(diǎn)(point-of-interest, POI)的三維空間坐標(biāo)及一維軌道里程,在實(shí)際運(yùn)行中,由車(chē)載定位所得三維位置解與多個(gè)相關(guān)POI點(diǎn)構(gòu)成的軌道片之間的投影匹配計(jì)算,得到列車(chē)沿軌道一維里程量,進(jìn)而可換算為距參考點(diǎn)的相對(duì)走行距離,從而為ATP控車(chē)處理邏輯所識(shí)別及運(yùn)用;固定應(yīng)用數(shù)據(jù)描述了區(qū)間、站內(nèi)的數(shù)據(jù)邊界、道岔、應(yīng)答器等對(duì)象的相關(guān)信息,用于上述相對(duì)走行距離量換算過(guò)程中軌道身份及POI、參考點(diǎn)的確認(rèn)。自21世紀(jì)初GPS早期被引入列車(chē)定位過(guò)程中,測(cè)量、制作、檢驗(yàn)列車(chē)衛(wèi)星定位專(zhuān)用空間數(shù)據(jù)信息即已成為一種必要手段。國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)、廠商均設(shè)計(jì)構(gòu)建了列車(chē)定位專(zhuān)用軌道地圖數(shù)據(jù)庫(kù)及相應(yīng)規(guī)范約定,在大規(guī)模測(cè)量數(shù)據(jù)約簡(jiǎn)處理[85-86]、高效數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)[87]、數(shù)據(jù)庫(kù)性能評(píng)估檢驗(yàn)[88]、地圖數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)生成工具鏈[89]等方面形成了體系化成果。Fikejz J.等[90]設(shè)計(jì)了鐵路線網(wǎng)的微觀/中觀/宏觀多層體系概念,提出了分層地圖模型的構(gòu)建方法。Baldoni S.等[91]設(shè)計(jì)了列車(chē)自主定位專(zhuān)用的數(shù)字軌道地圖,提出了地圖先驗(yàn)信息輔助實(shí)現(xiàn)列車(chē)定位感知增強(qiáng)的可行方法。為對(duì)軌道空間數(shù)據(jù)格式規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化,德國(guó)、瑞士聯(lián)合開(kāi)發(fā)了基于可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言(extensi-ble markup language,XML)的軌道交通專(zhuān)用軌道標(biāo)記語(yǔ)言RailML,實(shí)現(xiàn)通用化數(shù)據(jù)交換[92]。近年來(lái),OpenRailwayMap[93]等開(kāi)源地圖數(shù)據(jù)協(xié)作計(jì)劃的出現(xiàn),為軌道地圖數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)資源及技術(shù)的規(guī)范化、多元化發(fā)展創(chuàng)造了條件。

在將軌道“物理約束”轉(zhuǎn)化至定位優(yōu)化層面,根據(jù)圖7所示架構(gòu)案例[94],涉及兩個(gè)層次的處理:軌道占用檢測(cè)通道、沿軌道位置決策通道,逐步實(shí)現(xiàn)軌道信息輔助下的定位估計(jì)。

軌道占用檢測(cè)通道解決列車(chē)所在軌道的身份識(shí)別問(wèn)題,在列車(chē)所在鄰域內(nèi)存在多條并行股道、道岔等情況下實(shí)現(xiàn)解模糊,確定以何股道計(jì)算一維位置,相應(yīng)的特征提取、狀態(tài)匹配、識(shí)別決策等方面已有多項(xiàng)研究成果。Winter H.等[95]基于軌道幾何約束的遞歸多級(jí)濾波方法,利用交互多模型(interacting multiple model, IMM)和擴(kuò)展卡爾曼濾波融入軌道幾何約束,確保軌道占用識(shí)別性能;Neri A.等[96]設(shè)計(jì)了衛(wèi)星定位解算的雙差載波相位觀測(cè)量組合策略,融合軌道約束先驗(yàn)知識(shí)加速占用軌道識(shí)別;王迪等[97]建立列車(chē)GNSS雙差定姿數(shù)學(xué)模型,提出基于粒子濾波的風(fēng)險(xiǎn)敏感濾波算法獲得高精度列車(chē)航向信息,采用支持向量機(jī)進(jìn)行航向角分類(lèi)及軌道信息匹配。此外,隱馬爾科夫模型(hidden Markov model,HMM)[98]、多傳感器融合預(yù)測(cè)[99]、LTS -Hausdorff(location technology solution-Hausdorff)距離[100]、3D軌道模型增強(qiáng)射線追蹤(ray tracing)[101]等思想的應(yīng)用為軌道占用識(shí)別及定位優(yōu)化提供了可行方案。在綜合輔助傳感器資源的占用識(shí)別策略方面:Crespillo O.等[102]提出地圖輔助GNSS/慣性緊組合的軌道占用識(shí)別方法,采用動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(dynamic Bayesian network, DBN)表示系統(tǒng)狀態(tài)在因果和時(shí)間上的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)高軌道占用識(shí)別率;Heirich O.等[103]提出基于Rao-Blackwellized粒子濾波的GNSS/慣性融合算法,實(shí)現(xiàn)在平行股道場(chǎng)景、道岔區(qū)域場(chǎng)景下軌道占用識(shí)別的高正確率;Zwemer M.等[104]提出基于視覺(jué)傳感器的軌道占用識(shí)別方法,使用基于圖理論的軌道重構(gòu)算法和軌道先驗(yàn)幾何知識(shí)完成軌道占用判別;Siebler B.等[105]使用安裝在列車(chē)上的磁力計(jì)測(cè)量值與地圖磁場(chǎng)值進(jìn)行比較,采用假設(shè)檢驗(yàn)識(shí)別列車(chē)占用軌道;Hensel S.等[106]采用渦流傳感器結(jié)合HMM占用識(shí)別方案,為輔助衛(wèi)星定位提供了新的適于軌道交通場(chǎng)景的傳感器選項(xiàng)與發(fā)展方向。

圖7 基于軌道地圖數(shù)據(jù)庫(kù)空間信息輔助的列車(chē)自主定位解算架構(gòu)[94]Fig.7 Navigation calculation architecture of autonomous train positioning assisted by the spatial information from trackmap database

沿軌道位置決策通道在識(shí)別軌道占用后決策一維列車(chē)位置,將離線的軌道地圖數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建結(jié)果運(yùn)用至列車(chē)實(shí)時(shí)在線定位估計(jì)中。其中,將軌道地圖數(shù)據(jù)庫(kù)用于離線構(gòu)建受地圖誤差影響的衛(wèi)星定位觀測(cè)模型[107]、復(fù)雜線路環(huán)境多徑誤差模型[108]、軌道特征多軌跡增量?jī)?yōu)化模型[109]等,將有助于為實(shí)時(shí)定位解算性能優(yōu)化提供進(jìn)一步支持。在將軌道地圖數(shù)據(jù)庫(kù)用于實(shí)時(shí)定位計(jì)算與決策中,一方面,所提供的“約束”特征信息能夠用于輔助GNSS實(shí)施更優(yōu)的實(shí)時(shí)定位解算,代表性成果如:基于軌道信息約束的實(shí)時(shí)定位解算[110]、地圖輔助衛(wèi)星定位方差矩陣估計(jì)[111]、緊耦合列車(chē)相對(duì)定位解算[88]、衛(wèi)星定位/軌道地圖協(xié)同定位解算[112]、融入地圖約束信息的粒子濾波估計(jì)[102]、基于軌道地圖構(gòu)建狀態(tài)依賴觀測(cè)噪聲的濾波估計(jì)[113]等;另一方面,將軌道地圖數(shù)據(jù)庫(kù)提供的先驗(yàn)信息融入常規(guī)的GNSS/輔助定位傳感器融合框架,能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)連續(xù)、精確、可信的實(shí)時(shí)定位決策,其中,地圖匹配(map matching,MM)[114]作為基本的軌道地圖數(shù)據(jù)庫(kù)松耦合模式,已形成軌道線路拓?fù)浞治觥⑾嗨贫取⒏怕拭枋龅榷喾N計(jì)算方案[115-116];將軌道空間信息統(tǒng)一納入傳感器融合過(guò)程,能夠形成緊耦合層次的輔助定位方案。慣性導(dǎo)航作為多領(lǐng)域普遍應(yīng)用的自主式定位方式,將其用于實(shí)時(shí)列車(chē)定位估計(jì),構(gòu)成“GNSS/INS/軌道地圖”融合架構(gòu),已受到廣泛關(guān)注,代表性成果包括:Heirich O.等[117]構(gòu)建了基于貝葉斯估計(jì)的定位框架,將GNSS、慣性導(dǎo)航、軌道地圖納入統(tǒng)一濾波框架,實(shí)現(xiàn)可靠定位估計(jì);Wenz A.等[118]構(gòu)建了軌道地圖輔助GNSS多普勒、慣性測(cè)量、輪軸速度多觀測(cè)量融合架構(gòu),采用滾動(dòng)時(shí)域估計(jì)(moving horizon estimator,MHE)實(shí)現(xiàn)精確位置、速度決策;Cao Z.等[119]以軌道空間數(shù)據(jù)為參照,設(shè)計(jì)了GNSS/慣性導(dǎo)航組合架構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)質(zhì)量反饋評(píng)估,用于干擾抑制防護(hù)。近年來(lái),在慣性導(dǎo)航之外,將GNSS、軌道地圖數(shù)據(jù)庫(kù)與其他定位傳感器組合實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位決策,也已開(kāi)始受到關(guān)注,如:Cao Z.等[120]挖掘列車(chē)既有輪軸測(cè)速定位的便利信息條件,提出基于“GNSS/INS/輪軸測(cè)速/軌道地圖”的組合定位架構(gòu),引入干擾檢測(cè)邏輯強(qiáng)化對(duì)電磁干擾環(huán)境的適應(yīng)能力;Neri A.等[121]深化視覺(jué)、激光雷達(dá)等感知類(lèi)傳感器強(qiáng)化傳統(tǒng)衛(wèi)星定位/慣性導(dǎo)航組合架構(gòu),從線路空間信息延深至軌旁參考設(shè)施,為將衛(wèi)星定位與環(huán)境探測(cè)功能交織與優(yōu)化提供了新的思路方向;Wang Y.等[122-123]提出引入激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)列車(chē)同時(shí)定位與建圖思想,并開(kāi)發(fā)了RailLoMer-V列車(chē)精確定位框架,通過(guò)GNSS、INS、視覺(jué)、激光雷達(dá)、軌道地圖多源信息的深度融合,實(shí)現(xiàn)自主定位對(duì)列車(chē)在鐵路線路上高重復(fù)度往復(fù)運(yùn)行特性的有效適應(yīng)。

3.4 自主定位性能測(cè)試評(píng)估

列車(chē)定位性能對(duì)列車(chē)控制決策有效性和安全性形成關(guān)鍵影響,為此,面向列車(chē)控制應(yīng)用的自主定位性能評(píng)估方法及與之配套的測(cè)試評(píng)估技術(shù)與平臺(tái)一直是本領(lǐng)域熱點(diǎn)研究方向。與既有列控系統(tǒng)相比,基于衛(wèi)星定位的新型列控系統(tǒng)具有更優(yōu)的建設(shè)/維護(hù)成本效益,車(chē)載設(shè)備的自主性能夠更為靈活配置移動(dòng)閉塞控制等新型模式,優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行效率。新型列控具備既有列控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能,主要差異在于引入衛(wèi)星定位條件下,實(shí)現(xiàn)“列車(chē)定位功能”、“列車(chē)完整性檢查功能”所需的技術(shù)途徑和設(shè)備條件有所差異,此外,可延深實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞控制功能及與既有列控模式間的等級(jí)切換功能。同為行使列車(chē)運(yùn)行安全防護(hù)的安全苛求裝備,對(duì)于既有列控系統(tǒng)與新型列控系統(tǒng),測(cè)試均為確保系統(tǒng)安全性和可靠性水平的必須手段。考慮在鐵路現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展實(shí)際測(cè)試的可行性問(wèn)題、較高成本以及特定危險(xiǎn)場(chǎng)景覆蓋難題,實(shí)施仿真測(cè)試已經(jīng)成為一種必然途徑。典型的面向鐵路應(yīng)用的專(zhuān)用定位測(cè)試平臺(tái)包括意大利的RFI測(cè)試臺(tái)、西班牙的CEDEX ETCS/ERTMS實(shí)驗(yàn)室等。西班牙的INECO公司開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用仿真工具,分析GPS和Galileo星座在鐵路沿線和可配置時(shí)間框架內(nèi)的衛(wèi)星可視性,建立軌道環(huán)境三維模型,為鐵路規(guī)劃、運(yùn)營(yíng)階段GNSS質(zhì)量預(yù)評(píng)估提供完備且低成本化的解決方案。歐盟2019年發(fā)布了Shift2Rail新時(shí)期發(fā)展規(guī)劃(Shift2Rail multi annual action plan),明確了在新一代智能化鐵路中開(kāi)展零現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試(zero-on-site test)的發(fā)展路線,在專(zhuān)用測(cè)試評(píng)估方法方面已取得一定進(jìn)展:Goya J.等[124]提出先進(jìn)列車(chē)定位模擬器(advanced train location simu-lator, ATLAS),適用于不同的定位技術(shù)、數(shù)據(jù)融合邏輯以及不同鐵路線路環(huán)境,為各類(lèi)列車(chē)定位系統(tǒng)測(cè)試評(píng)估提供了專(zhuān)用工具;Otegui J.等[125]在鐵路現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展列車(chē)定位測(cè)試,評(píng)估GNSS和10自由度的IMU在鐵路隧道區(qū)域、開(kāi)闊區(qū)域等環(huán)境的局限性,為仿真測(cè)試環(huán)境建模提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ),并進(jìn)一步提出用于測(cè)試列車(chē)定位算法的仿真框架,根據(jù)列車(chē)模型(列車(chē)牽引制動(dòng)控制模型和列車(chē)動(dòng)力學(xué)模型)、傳感器誤差模型、軌道電子地圖等生成合成信號(hào),評(píng)估不同傳感器、列車(chē)配置、軌道、定位算法等在開(kāi)發(fā)過(guò)程的不同階段時(shí)的靈活性[126];Quinones V.等[15]結(jié)合ETCS新型架構(gòu),建立了面向衛(wèi)星定位與虛擬應(yīng)答器功能的專(zhuān)用仿真工具,用于虛擬應(yīng)答器功能級(jí)仿真測(cè)試評(píng)估;Kazim S.等[67]針對(duì)列車(chē)定位在不同場(chǎng)景下性能特征的動(dòng)態(tài)差異性問(wèn)題,提出典型運(yùn)行場(chǎng)景下定位精度特征的精細(xì)化建模方法,用于構(gòu)建面向列控系統(tǒng)專(zhuān)用定位仿真測(cè)試工具鏈的模型設(shè)計(jì)與優(yōu)化。近期,歐盟設(shè)置Gate4Rail計(jì)劃支持建立列車(chē)定位基礎(chǔ)設(shè)施的地理分布式測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)[127],如圖8所示,整合列車(chē)控制、衛(wèi)星導(dǎo)航、測(cè)試評(píng)估專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)(意大利RadioLabs、BVI、RFI,法國(guó)IFSTTAR、GUIDE,西班牙CEDEX、INECO,比利時(shí)UNIFE、M3S)各類(lèi)資源,實(shí)現(xiàn)更為廣泛兼容且高覆蓋度的列車(chē)自主定位零現(xiàn)場(chǎng)仿真測(cè)試,重現(xiàn)各類(lèi)鐵路環(huán)境下GNSS的傳播特性,評(píng)估受全局/局部影響顯著的“故障-安全”列車(chē)定位性能,并對(duì)嵌入基于衛(wèi)星定位的新型列控系統(tǒng)實(shí)施集成測(cè)試驗(yàn)證[128]。

運(yùn)用專(zhuān)用平臺(tái)環(huán)境開(kāi)展測(cè)試,還需進(jìn)一步實(shí)施衛(wèi)星導(dǎo)航用于列車(chē)控制的性能分析與安全評(píng)估,目前已在列車(chē)自主定位級(jí)、列控系統(tǒng)特征級(jí)兩個(gè)層次形成多項(xiàng)進(jìn)展。

在列車(chē)自主定位級(jí),Otegui J.等[129]針對(duì)不同的列車(chē)自主定位方案,從測(cè)試環(huán)境、傳感器類(lèi)型、數(shù)據(jù)融合算法和現(xiàn)有研究成果4個(gè)方面建立了評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),判定不同定位方案的性能;Spinsante S.等[42]從不確定性出發(fā),提出了特定列車(chē)組合定位方案的位置不確定性評(píng)估策略,通過(guò)組合不同來(lái)源的信息減小定位性能的不確定性;Stallo C.等[130]評(píng)估了列車(chē)運(yùn)行環(huán)境中局部效應(yīng)(多路徑、部分遮擋、全遮擋等)對(duì)基于GNSS實(shí)現(xiàn)列車(chē)定位的性能影響,使用真實(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)和特殊場(chǎng)景仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了可用性、精度和完好性等指標(biāo)的評(píng)估驗(yàn)證;Legrand C.等[131]將面向衛(wèi)星定位的評(píng)估拓展到多源組合系統(tǒng),提出列車(chē)多源融合定位性能評(píng)估方案;崔科等[132]考慮輪軸測(cè)速、多普勒雷達(dá)組合,提出利用濾波殘差檢測(cè)列車(chē)空轉(zhuǎn)/打滑,并運(yùn)用故障樹(shù)進(jìn)行危險(xiǎn)性失效概率建模和分析,計(jì)算危險(xiǎn)失效概率并評(píng)估完全完整性。

圖8 Gate4Rail計(jì)劃地理分布式列控系統(tǒng)自主定位虛擬測(cè)試架構(gòu)[127]Fig.8 Geo-distributed virtual test architecture for autonomous positioning of train control system in the Gate4Rail project

在列控系統(tǒng)特征級(jí),進(jìn)一步關(guān)注定位決策應(yīng)用于列車(chē)控制所致功能安全水平對(duì)應(yīng)的評(píng)估方法:Neri A.等[133]分析了衛(wèi)星導(dǎo)航用于列車(chē)定位的安全評(píng)估方法與平臺(tái),對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系化發(fā)展進(jìn)程進(jìn)行了設(shè)計(jì);Geffert A.等[134]建立了解釋GNSS域(測(cè)量質(zhì)量)和交通域(可靠性)關(guān)系模型,采用基于完好性指標(biāo)的GNSS測(cè)量質(zhì)量模型揭示了六類(lèi)列車(chē)定位性能空間,將GNSS定位狀態(tài)與虛擬應(yīng)答器可信狀態(tài)建立聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)測(cè)試評(píng)估向列控接口環(huán)節(jié)的延伸;Beugin J.等[135]提出了基于多種傳感器融合定位系統(tǒng)進(jìn)行列車(chē)間隔控制的安全評(píng)估方法,分析了基于GNSS的ETCS-3級(jí)移動(dòng)閉塞風(fēng)險(xiǎn)演變機(jī)理,使用估計(jì)置信度相關(guān)參數(shù)進(jìn)行列車(chē)間隔控制安全評(píng)估;Himrane O.等[136-137]針對(duì)ETCS新型系統(tǒng)GNSS的運(yùn)用,圍繞安全苛求特征開(kāi)展系統(tǒng)形式化建模,并運(yùn)用UPPAAL模型檢測(cè)工具與統(tǒng)計(jì)模型檢測(cè)(statistical model checking,SMC)引擎構(gòu)建了工具鏈,開(kāi)展了安全相關(guān)性能指標(biāo)的定性與量化分析;Kazim S.等[138]提出基于衛(wèi)星定位的組合定位系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)(key performance indicators,KPI),為列車(chē)自主定位面臨不同等級(jí)觀測(cè)條件以及采納主動(dòng)防護(hù)措施情況下的性能水平評(píng)估提供了途徑;Nguyen K.等[139]基于模糊邏輯提出ETCS可用性需求下列車(chē)定位單元的不可用度限值,構(gòu)建了列車(chē)自主定位單元與列控系統(tǒng)適配度評(píng)估方案;帥瑋祎等[140]設(shè)計(jì)了平行遞進(jìn)模型下列車(chē)定位性能指標(biāo)體系間的映射關(guān)系模型,提出基于GNSS的定位單元RAMS指標(biāo)定量計(jì)算策略;莫志松等[141]提出列車(chē)定位安全性分析判斷規(guī)則,采用極端參數(shù)組合方案構(gòu)建了60類(lèi)典型場(chǎng)景,評(píng)估不同場(chǎng)景下的北斗定位性能,為明確北斗衛(wèi)星定位在新型列控系統(tǒng)中的應(yīng)用方案及應(yīng)答器簡(jiǎn)化配置原則提供了依據(jù)。

4 未來(lái)發(fā)展展望

4.1 前沿技術(shù)運(yùn)用演進(jìn)

隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)代化進(jìn)程以及各類(lèi)應(yīng)用需求的不斷延伸,衛(wèi)星定位技術(shù)向著高精度、高可靠方向不斷發(fā)展,衛(wèi)星導(dǎo)航高精度定位技術(shù)也歷經(jīng)了多代更新與發(fā)展,形成包括實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位(real-time kinematic,RTK)、精密單點(diǎn)定位(precise point positioning,PPP)、網(wǎng)絡(luò)RTK、PPP-RTK 等在內(nèi)的新興技術(shù)。北斗三號(hào)系統(tǒng)衛(wèi)星播發(fā)的PPP-B2b信號(hào)使得實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位(real-time PPP,RTPPP)等高精度定位前沿技術(shù)的運(yùn)用成為現(xiàn)實(shí),從而突破傳統(tǒng)PPP技術(shù)在收斂時(shí)間等方面存在的限制。隨著北斗三號(hào)PPP-B2b使能的前沿技術(shù)不斷成熟,其在新型列車(chē)控制系統(tǒng)的運(yùn)用將形成兩個(gè)層面的影響。一方面,未來(lái)將通過(guò)前沿技術(shù)的運(yùn)用,有效提升在特定觀測(cè)環(huán)境下車(chē)載衛(wèi)星定位的精度水平,進(jìn)一步融入列車(chē)控制系統(tǒng)特定需求,在實(shí)時(shí)高精度基礎(chǔ)上延深可信性監(jiān)測(cè)優(yōu)化機(jī)制,向精細(xì)化、矢量化、載波相位層級(jí)以及終端/服務(wù)端協(xié)同方向發(fā)展,支撐衛(wèi)星定位這一信息通路為列車(chē)自主定位決策的整體過(guò)程提供有力保障;另一方面,結(jié)合北斗三號(hào)PPP-B2b服務(wù)的特點(diǎn),此類(lèi)前沿技術(shù)的運(yùn)用將進(jìn)一步簡(jiǎn)化對(duì)軌旁設(shè)施的需求,改變現(xiàn)行采用軌旁GNSS增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)尚需依賴一定鐵路沿線專(zhuān)用設(shè)施的局面,使列車(chē)定位技術(shù)方案更深刻地體現(xiàn)“車(chē)載自主化”特征,列車(chē)控制系統(tǒng)架構(gòu)在列車(chē)定位層面將進(jìn)一步向“軌旁最少化”方向演進(jìn),相應(yīng)的接口配置、通道協(xié)議、決策機(jī)制等均將進(jìn)一步迭代形成新的體系方案,為實(shí)現(xiàn)更高等級(jí)系統(tǒng)模式提供支持。

4.2 關(guān)鍵場(chǎng)景融合優(yōu)化

鐵路廣域成網(wǎng)特征及線/橋/隧專(zhuān)用基礎(chǔ)設(shè)施條件使衛(wèi)星導(dǎo)航觀測(cè)服務(wù)性能特征水平既存在規(guī)律性、又面臨復(fù)雜性,列車(chē)控制系統(tǒng)對(duì)自主定位性能的多方位需求,需要在堅(jiān)持以衛(wèi)星定位為基礎(chǔ)的情況下,通過(guò)深化對(duì)多源PNT技術(shù)的綜合運(yùn)用,實(shí)現(xiàn)在衛(wèi)星導(dǎo)航拒止條件下能夠主動(dòng)、靈活獲取并融合多源信息,確保滿足定位能力需要,從而在鐵路沿線環(huán)境的非暴露空間、導(dǎo)航觀測(cè)受限、信號(hào)質(zhì)量劣化等關(guān)鍵場(chǎng)景向列車(chē)控制邏輯提供“故障-安全”導(dǎo)向的信息支持,包括:軌道區(qū)域多模態(tài)空間基礎(chǔ)信息實(shí)時(shí)接入,滿足特定運(yùn)行模式及列控接口形態(tài)下的精度與完好性需求,極端場(chǎng)景安全、可靠、實(shí)時(shí)測(cè)速定位決策,復(fù)雜觀測(cè)條件對(duì)定位性能影響的建模與預(yù)測(cè),導(dǎo)航信號(hào)觀測(cè)質(zhì)量異變、誤導(dǎo)時(shí)的及時(shí)預(yù)警。未來(lái)將進(jìn)一步延深對(duì)多模定位觀測(cè)信息的接入,突破多源感知融合面臨的非建模誤差、非線性觀測(cè)特性逼近偏離、不確定分布特性時(shí)變偏差等問(wèn)題可能導(dǎo)致的估計(jì)失準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)適于復(fù)雜動(dòng)態(tài)運(yùn)行條件的列車(chē)定位深度可信融合估計(jì)。在融合估計(jì)算法基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善融合結(jié)構(gòu)策略,構(gòu)建不同定位感知源對(duì)關(guān)鍵場(chǎng)景的適配規(guī)則庫(kù)與預(yù)測(cè)模型,通過(guò)引入多感知源接入融合決策處理的無(wú)縫切換觸發(fā)機(jī)制,將有助于形成基于場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)的定位融合結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)調(diào)整重構(gòu)能力,達(dá)到列車(chē)自主定位對(duì)復(fù)雜時(shí)變運(yùn)行條件的精準(zhǔn)跟蹤與主動(dòng)適配目標(biāo),在未來(lái)實(shí)現(xiàn)與更高自動(dòng)化等級(jí)、更優(yōu)自主化水平新型列車(chē)控制系統(tǒng)的兼容。

4.3 復(fù)雜環(huán)境安全防護(hù)

將衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用于列車(chē)控制系統(tǒng),安全始終是重點(diǎn)關(guān)注的前提性因素,國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究與應(yīng)用中目前的主要關(guān)注點(diǎn)仍主要集中于衛(wèi)星定位的技術(shù)適應(yīng)度匹配(如解決信號(hào)遮蔽、多徑及弱信號(hào)環(huán)境下的定位服務(wù)可用性問(wèn)題)及其與列車(chē)控制安全苛求特征的關(guān)聯(lián)銜接,對(duì)定位安全性的考慮尚處于功能安全范疇,未進(jìn)一步深入觸及衛(wèi)星導(dǎo)航自身脆弱性導(dǎo)致的信息安全風(fēng)險(xiǎn)及有效防護(hù)層面。鑒于衛(wèi)星定位需從開(kāi)放空間獲取衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)而實(shí)施信號(hào)捕獲及解算的本體機(jī)制,且鐵路運(yùn)輸所面臨社會(huì)環(huán)境、空間電磁環(huán)境日益復(fù)雜,來(lái)自鐵路沿線及周邊設(shè)施的無(wú)意電磁干擾,如電氣化鐵路高壓接觸網(wǎng)的電磁場(chǎng)干擾、民用設(shè)施對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的同頻干擾等,以及不法分子的主動(dòng)干擾壓制、蓄意欺騙攻擊等,均會(huì)對(duì)列車(chē)自主定位的安全性造成嚴(yán)重威脅,衛(wèi)星導(dǎo)航干擾裝置的小型化、成本低廉化、應(yīng)用隱蔽化,進(jìn)一步加劇了信息安全層面的風(fēng)險(xiǎn)。為此,在多層域針對(duì)性構(gòu)建干擾攻擊的主動(dòng)檢測(cè)與彈性定位機(jī)制,注重實(shí)現(xiàn)干擾防護(hù)成本效益的均衡優(yōu)化,已成為有效推進(jìn)列控系統(tǒng)自主定位的安全加固、前瞻性布局新型列車(chē)控制系統(tǒng)安全保障體系的迫切需要。人工智能技術(shù)近年來(lái)得到快速發(fā)展,將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)思想與物理機(jī)理相融合,將有望在復(fù)雜環(huán)境下列車(chē)自主定位的功能安全/信息安全雙重防護(hù)中發(fā)揮重要作用。

4.4 跨層協(xié)同全息感知

現(xiàn)有自主定位融合研究側(cè)重于在測(cè)速定位狀態(tài)域?qū)哟?集中于列車(chē)載體的運(yùn)動(dòng)特征及過(guò)程的自主感知,針對(duì)列車(chē)間追蹤邏輯判別與控制決策等傳統(tǒng)列車(chē)控制功能具有局域適用性。然而,未來(lái)新型的列車(chē)控制系統(tǒng),為了進(jìn)一步防護(hù)除追蹤前車(chē)之外的人、車(chē)、物的安全風(fēng)險(xiǎn),將更加強(qiáng)調(diào)列車(chē)與環(huán)境間耦合關(guān)系的掌握。現(xiàn)有列車(chē)自主定位在感知的“全息化水平”方面尚有待提升,這一方面體現(xiàn)在感知量覆蓋范圍的片面性和聚焦性,從更深的層次來(lái)看,還體現(xiàn)在列車(chē)、軌道、環(huán)境3個(gè)層次之間感知能力的相對(duì)獨(dú)立性,未能有效在不同層次之間建立起緊密深入的耦合關(guān)聯(lián)關(guān)系。未來(lái)有望在列車(chē)自身運(yùn)行狀態(tài)之外,進(jìn)一步關(guān)聯(lián)演進(jìn)“跨層全息感知”能力,通過(guò)更廣域的傳感、更智能的處理、更精準(zhǔn)的決策,支撐列車(chē)控制系統(tǒng)能夠?qū)Α败?chē)-路-環(huán)”多層級(jí)特征以更優(yōu)的精度、廣度、深度進(jìn)行匯聚、識(shí)別與理解,實(shí)現(xiàn)多模態(tài)感知資源優(yōu)勢(shì)的深度轉(zhuǎn)化,支撐列控系統(tǒng)“重構(gòu)”和“再造”對(duì)物理世界中態(tài)勢(shì)與風(fēng)險(xiǎn)的全面認(rèn)知,滿足主動(dòng)、全面掌握列車(chē)內(nèi)外部運(yùn)行態(tài)勢(shì)的需求。

4.5 專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系

當(dāng)前,衛(wèi)星導(dǎo)航鐵路安全應(yīng)用領(lǐng)域尚無(wú)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,美國(guó)、歐盟及我國(guó)均在列控系統(tǒng)自主定位的性能指標(biāo)參數(shù)映射關(guān)系、性能評(píng)估、仿真測(cè)試場(chǎng)景建模、測(cè)試案例生成等開(kāi)展了相關(guān)研究,然而,尚未從列控系統(tǒng)層面構(gòu)建與之配套的規(guī)范體系,對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的引入及合理運(yùn)用形成統(tǒng)一約定。伴隨新型列控系統(tǒng)進(jìn)程的不斷推進(jìn),未來(lái)有望結(jié)合系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用,構(gòu)建適于我國(guó)北斗列控系統(tǒng)應(yīng)用的專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在此基礎(chǔ)上,考慮到在鐵路現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展試驗(yàn)費(fèi)用昂貴、安全風(fēng)險(xiǎn)高、消耗設(shè)備代價(jià)巨大、影響安全生產(chǎn),且重復(fù)測(cè)試難以實(shí)現(xiàn),將基于鐵路專(zhuān)用儀器裝置的零現(xiàn)場(chǎng)仿真測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合,通過(guò)平行映射、虛實(shí)交融,構(gòu)建基于完備測(cè)試場(chǎng)景的鐵路專(zhuān)用定位測(cè)試環(huán)境已成為必然趨勢(shì)。以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系為基礎(chǔ),注重對(duì)新型列控系統(tǒng)的全生命周期支撐作用,面向概念驗(yàn)證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、裝備研制、測(cè)試評(píng)估、運(yùn)用維護(hù)等各個(gè)生命周期環(huán)節(jié)提供全方位的測(cè)試服務(wù),將進(jìn)一步強(qiáng)化北斗在鐵路安全領(lǐng)域的應(yīng)用條件并推動(dòng)鐵路專(zhuān)用北斗時(shí)空綜合服務(wù)體系的構(gòu)建與發(fā)展,打造北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在鐵路行業(yè)應(yīng)用自主資源、自有技術(shù)、自造裝備三位一體效應(yīng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在以全面感知、融合處理、主動(dòng)學(xué)習(xí)、科學(xué)決策為特征的智能鐵路發(fā)展模式下,以北斗為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展,已成為新時(shí)代交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。列車(chē)運(yùn)行控制作為關(guān)乎行車(chē)安全與運(yùn)營(yíng)效率的關(guān)鍵鐵路裝備,引入衛(wèi)星定位能夠形成列車(chē)控制系統(tǒng)車(chē)載自主化的顯著效益,已成為國(guó)內(nèi)外一致的前沿路線和發(fā)展方向。近年來(lái),基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)施列車(chē)自主定位已逐步由策略思路走向應(yīng)用實(shí)踐,各類(lèi)多源輔助衛(wèi)星定位的架構(gòu)不斷涌現(xiàn),更多衛(wèi)星定位驅(qū)動(dòng)的列車(chē)自主安全定位體系設(shè)計(jì)及應(yīng)用探索已處于快速發(fā)展和不斷完善中,以衛(wèi)星定位為基礎(chǔ)、綜合運(yùn)用多種軟硬件資源、先進(jìn)的信息處理方法,將是突破軌旁少維護(hù)、架構(gòu)可伸縮、風(fēng)險(xiǎn)可防護(hù)的列車(chē)安全控制難題的關(guān)鍵手段。可以預(yù)見(jiàn)的是,基于衛(wèi)星導(dǎo)航的自主定位及泛化感知將在新型智能鐵路系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更為廣泛和重要的應(yīng)用,在鐵路專(zhuān)用北斗PNT體系發(fā)展及交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)中發(fā)揮不可替代的關(guān)鍵作用。