現(xiàn)代有軌電車智能控制系統(tǒng)中車輛定位技術研究

摘" 要：定位技術是電車控制系統(tǒng)重要組成部分，定位精準性、實時性是判斷控制精度的關鍵要素。現(xiàn)代有軌電車安裝智控系統(tǒng)協(xié)調資源，利用定位系統(tǒng)識別位置、狀態(tài)，確保調度中心與車輛運營效率最大化，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，探討車輛定位技術在智控電車中的功能需求、技術方案，研究有軌電車定位系統(tǒng)應用，建立仿真模型，驗證技術可行性。

關鍵詞：有軌電車；智控系統(tǒng)；定位技術；仿真模型；傳感器

中圖分類號：U491" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：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是城市化建設重要內容，有利于緩解城市交通壓力，促進城市經(jīng)濟發(fā)展。有軌電車裝設智控系統(tǒng)可以滿足電車自動化控制、自動化調度要求，定位技術能準確識別車輛狀態(tài)。目前，國內外學者對有軌電車定位技術研究廣泛，GPS技術、導航技術和傳感器設備等應用廣泛，但存在成本高、設備復雜等問題，以下設計一種新型車輛定位技術方案，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

有軌電車是指采用電力驅動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動力，不會產(chǎn)生廢棄物和污染物。智控系統(tǒng)在電車中應用按照預設程序邏輯，以自動調度、自動控制的方式，在特定的軌道和距離內行駛，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，路權具有開放性，為切實保障現(xiàn)代有軌電車行駛的安全性，必須安裝定位設備，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用，主要能保障車輛調度科學性和車輛行駛安全性，應用車輛定位技術需根據(jù)有軌電車特點，使其滿足以下幾點功能。

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)的同時也配置駕駛人員，通常不會使用自動運行功能，定位設備安裝應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時性要求均比較高[1]。

有軌電車岔道控制功能進路簡單，道路進路器的開放反饋電車行車信號。在連鎖功能下，實現(xiàn)進路功能的簡單性，且控制權唯一。有軌電車接近岔道時，信息系統(tǒng)會觸發(fā)自控進路功能，將信號反饋給駕駛人員。

有軌電車在城市道路系統(tǒng)中路權開放，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鍵要素。智控系統(tǒng)與調度系統(tǒng)連接，可滿足行車系統(tǒng)自動化調度功能。

有軌電車的定位設備安裝受空間影響，在對地面信標系統(tǒng)、車載設備安裝時，需細致考慮有軌電車空間結構、地面結構，與城市車輛共用路權的情況下，地面定位設備埋設地下。

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

2" 車輛行駛定位技術方案應用

2.1" 基于衛(wèi)星系統(tǒng)的偽距定位方案

有軌電車定位技術以衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)為依據(jù)，導航技術在智控系統(tǒng)中的安裝并應用，為相關人員提供精準位置信息，且可識別車輛行駛速度，定位具有實時性特點。即使定位反饋結果存在一定誤差，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。考慮到有軌電車在城市環(huán)境內運行，城市中的高層建筑等會影響衛(wèi)星定位信號的傳輸，導致信號穩(wěn)定性較差。在有軌電車上安裝衛(wèi)星接收器，接收的信號可能會短時失效，因此，需要使用傳感器輔助定位，確保定位結果的精度和持續(xù)性滿足要求。基于衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)的偽距定位方法應用可以識別運動狀態(tài)的信息，該定位方法以GPS為基礎，可捕獲衛(wèi)星傳輸?shù)碾S機碼，通過運算的方式獲取信號傳輸時間，利用電磁信號傳播速度的計算方法，明確對信號發(fā)射器、接收器信號的傳輸誤差，計算結果中的距離參數(shù)便是偽距法。

在該定位技術中，地面控制站作用測量衛(wèi)星與GPS的標準時間差，接收機可起到修正誤差的作用，算法求解過程中的唯一位置便利是接收器與GPS標準時間差，建立三維坐標可求得最終解。有軌電車三維坐標信息的計算公式如下

P=■+hθ，

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

基于智控系統(tǒng)的定位技術可實時計算三維速度信息，利用邏輯控制系統(tǒng)將計算結果反饋給駕駛人員，同時上傳到系統(tǒng)之中。雖然該技術應用可能存在一定的定位誤差，但偽距拆分算法的應用可彌補上述誤差，確保有軌電車在運行范圍內的精準定位。

2.2" 基于測量單元與地理信息的定位技術方案

2.2.1" 定位原理

基于GPS的偽距定位原理，采取的技術方案可以計算有軌電車的絕對位置坐標，且誤差實時變化。雖然上述方案解決了技術誤差問題，但環(huán)境問題并未良好解決，低頻信號傳輸可能會受環(huán)境因素、建筑因素影響。引入高頻定位方式，可以起到補充定位反饋信息的作用，實現(xiàn)定位信號傳輸?shù)倪B續(xù)、科學、有效。

定位技術方案應用考慮到有軌電車的運行軌跡，線路的布設方式是約束行進方向的條件，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。近似可以假設電車運行軌跡為二維，不考慮車輛的橫滾、垂直等形式狀態(tài)，利用慣性測量技術可計算定位。IMU技術是測速定位技術，根據(jù)單軸加速度參數(shù)和角速率計算方法，得到測速定位結果。

圖２中顯示了二維坐標，對不同時刻（k）的實際航向進行預測，確定有軌電車的實時位置。應用IMU定位預測原理，在預測行進軌跡的基礎上計算定位，位置信息根據(jù)加速度積分計算方式，誤差可累積。將GPS和IMU 2種定位技術組合應用，可以不斷校正誤差，避免干擾，確保定位結果科學、準確[2]。

2.2.2" 信息數(shù)據(jù)庫

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，儲存在信息數(shù)據(jù)庫（實時更新）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、曲線等特征點信息會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，輔助IMU定位技術應用。

2.2.3" 定位技術應用

組合定位技術應用期間，當衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)失效時，IMU定位系統(tǒng)運行，將GPS定位最終數(shù)據(jù)作為標準依據(jù)，持續(xù)模擬計算有軌電車速度、位置等基本信息，確保定位結果連續(xù)性。根據(jù)電子地圖的軌道走向和慣性速度，測量對比最終數(shù)據(jù)，不斷校正定位累積誤差。上述3種技術組合應用互補互助，彌補有軌電車定位不足之處，定位技術以GPS為核心，IMU和電子地圖為輔助，車載智能控制系統(tǒng)定位計算和模擬，根據(jù)定位結果調整車輛運行狀態(tài)。

2.3" 定位數(shù)據(jù)融合

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

當車輛處于正常行駛狀態(tài)時，定位數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)可持續(xù)跟蹤車輛的行進狀態(tài)及行進區(qū)域，當衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)信號傳輸穩(wěn)定且良好時，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，衛(wèi)星導航信號會因此失效，速度傳感器裝置會運行，基于IMU和電子地圖實現(xiàn)有軌電車車輛位置的算法計算，當車輛通過軌道通信環(huán)線和電路時，可不斷對數(shù)據(jù)修正和完善，確保定位結果的科學、準確。

假設有軌電車行駛區(qū)間的起始點為1號，終點為2號，有軌電車在1號站臺和2號站臺的行駛里程確定。初始階段傳感器裝置無法采集速度數(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)無法起到持續(xù)追蹤車輛的作用，數(shù)據(jù)融合定位對多種數(shù)據(jù)總結分析，穩(wěn)定追蹤車輛，確保整個區(qū)間內均可以準確地定位車輛信息、識別車輛狀態(tài)，并通過數(shù)據(jù)融合的方式將速度累積誤差修正，以確保衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的誤差消除[3]。

假設在起始點1號和2號之間為正線區(qū)間。定位測試的區(qū)間與站臺曲線明顯不同，無岔道位置未鋪設軌道電力，非路口位置未鋪設通信環(huán)境，正線區(qū)間內的衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)丟失現(xiàn)象，定位數(shù)據(jù)融合技術應用可解決定位持續(xù)性問題，減少累積誤差產(chǎn)生。

假設有軌電車處于隧道或長橋下時，分布區(qū)間內的有軌電車安裝的衛(wèi)星導航系統(tǒng)無法產(chǎn)生定位數(shù)據(jù)，IMU和電子地圖系統(tǒng)啟動預測數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)融合定位技術應用可消除該階段的誤差，在信息數(shù)據(jù)庫中累積預測定位信息，反饋車輛行駛狀態(tài)。

3" 岔道控制車輛定位技術方案

3.1" 定位技術方案分析

有軌電車安裝智能控制系統(tǒng)，除安裝衛(wèi)星系統(tǒng)、信標系統(tǒng)外，為滿足智控需求也要安裝感應系統(tǒng)、傳感器裝置等。現(xiàn)代有軌電車對車輛定位要求較低，應用組合定位方式互補不足，可滿足經(jīng)濟性與高效性的要求。目前，國內現(xiàn)代有軌電車應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+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裝置會啟動，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)器對運行所產(chǎn)生的影響，依靠重力感應環(huán)即可定位，觸發(fā)進路控制系統(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[4]。

第二種是信標+重力感應的岔道定位方式。在接近位置和出清區(qū)域設置信標，信標可觸發(fā)智控系統(tǒng)定位和進路功能，根據(jù)實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。

第三種是計軸+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環(huán)線，岔道區(qū)段安設計軸器設備，計軸器的主要作用是檢測岔道的占用狀態(tài)，在出清岔道之前屬于轉轍機狀態(tài)。

3.2" 定位技術方案比較

上述3種定位方案均可以滿足岔道車輛定位需求，考慮到不同技術方案應用的可靠性和可行性，結合道路工程實際環(huán)境，使用計軸+感應環(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，亦可檢測車輛行駛狀態(tài)。

4" 路口優(yōu)先車輛定位技術方案

有軌電車作為城市系統(tǒng)的重要組成部分，經(jīng)過路口時需按照市政的交通信號情況，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)完成有軌電車的運行。路口供電系統(tǒng)、控制設備并不配置相應的冗余設施，有軌電車的智控系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。考慮到路口優(yōu)先設備的不穩(wěn)定性，選擇感應環(huán)線和信標等定位方式，在不對既有路面產(chǎn)生影響的前提下，使用無源信標作為核心設備定位有軌電車。

5" 仿真模型驗證

本文將多種技術應用到現(xiàn)代有軌電車的全程定位檢測中，定位技術的組合應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。為了進一步驗證在各區(qū)域內組合定位技術應用的有效性，利用計算機建立仿真模型，在平臺中測試有軌電車運行的穩(wěn)定性。

仿真試驗設定有軌電車所處坐標為東經(jīng)112°35'，北緯24°18'。有軌電車在站臺1號初始速度為40 km/h。運行方向為正西。模型中設計加速度參數(shù)為t，重力加速度為g，同時考慮到車輛漂移、衛(wèi)星導航無信號以及岔道進口和出清對定位產(chǎn)生的影響。設定IMU角度誤差為0.2°，速度誤差為0.3 m，位置誤差為10 m。應用偽距差分定位方法和數(shù)據(jù)定位融合技術，建立仿真模型，計算有軌電車行駛過程中的里程定位誤差和速度定位誤差[5]。仿真模型驗證結果如下。

當車輛處于衛(wèi)星導航定位狀態(tài)時，存在一定的誤差。但轉換定位模式后，電子地圖中的里程誤差值被校正，運行過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)，且當有軌電車處于岔道位置時定位區(qū)域轉換良好，完成岔道出清后，定位發(fā)生改變。因此，可以得知，本文所設計和應用的組合定位技術起到了良好的定位效果，精度得到了保障，且應用數(shù)據(jù)融合定位技術，實現(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，速度誤差在行進期間不斷修正，處于平穩(wěn)且收斂的狀態(tài)。因此，仿真模型驗證現(xiàn)代有軌電車的定位技術效果，可以避免單獨傳感器安裝對定位的缺陷，連續(xù)性和精確性可以得到保障。

6" 結論

綜上所述，本文設計車輛定位技術方案基于有軌電車定位功能需求，將衛(wèi)星接收器、慣性測量技術、地理信息技術結合，支持車輛連續(xù)定位，定位結果精確。應用仿真技術建立模型驗證技術方案落實有效性，試驗最終結果表明，定位技術精準、效果良好，成本比較傳統(tǒng)定位技術有所降低。因此，應用該定位技術方案具有可行性，可在有軌電車領域建設推廣。

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