基于多源信息融合的列車定位方法研究

劉 頌,刁艷美

(南京工業大學浦江學院,江蘇 南京 211222)

0 引言

列車定位技術在鐵路運輸中起著至關重要的作用,對提高鐵路運輸的安全性、準確性和效率具有重要意義。隨著科技的進步,通信技術水平不斷提高,列車載運量持續加大,列車的發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,并能通過軌旁設備實現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備定位、傳感器設備定位和衛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段,并在不同區段的開始和結束處,增加發送和接收單元,形成一個信息回路。該方法可以檢測某個區段是否被列車占用,但是其定位精度與軌道區段長度有關,定位精度低,誤差較大[1]。

(2)計軸設備。

計軸設備可以檢測列車通過鐵路上某一點的車軸數以及2個計軸點之間或軌道區段內的占用情況。該設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/應答器。

按照一定的間隔將設備放置在軌道線路沿線,當列車經過地面上的應答器時,車載查詢器就會讀取其中的數據,以確定列車的位置。然而,這種方式只能進行某些點的定位,不能對列車進行連續定位,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行連續測量,并對瞬時速度進行積分或者求和,求得列車的位置。然而,由于列車存在空轉和打滑的情況,一般輔以其他精準定位方式對列車的行駛里程和位置進行更新校正。

(5)慣性導航。

慣性導航是利用陀螺儀和加速度計測定運載體位置的系統。該系統完全自主,必須精確地知道導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生的位置變化。慣性導航短期精度和穩定性好,但導航信息誤差會累積,長期精度差,且價格昂貴。

(6)新型衛星導航定位方式。

新型衛星導航定位方式利用衛星資源的突出優勢,激活并優化眾多鐵路系統基于位置的應用服務,增強列車定位的精確性、完好性、連續性、覆蓋度等。然而,局限于民用定位精度問題,當列車通過隧道、坡道、彎道時,衛星定位結果與實際列車位置的偏差較大。因此,單一使用衛星定位會造成列車定位精度下降,導致列車追蹤效率下降等[2-3]。

傳統的單一定位方式存在定位精度低、機動性差、維護難等缺點,導致了成本與性能之間的矛盾,制約了性能效益的實現。新型衛星導航方式定位精準,但其應用場景受到嚴苛的條件限制,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,由此來實現對列車的精準定位。

1.2 組合定位方式

(1)速度傳感器、多普勒雷達、應答器組合定位。

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

(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據,確認輸出的有效性并提高可用性。速度傳感器、加速度計的應用可以實現列車的精確定位與監控。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;車輪若發生了打滑,車載控制器能利用加速度計的數據計算列車空轉、滑行前的速度,從而得到當前列車的速度和位置,然后在空轉、打滑結束后,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行累計,導致定位精度下降,因此,需要選取合適的定位方式進行組合,才能實現對列車的精準定位[4]。

2 多源信息融合定位方法

針對單一定位精準度較低、傳統組合定位方式受環境影響較大的問題,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/應答器對定位精度進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某種準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,進而求出系統的最優估計,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/應答器的位置信息傳遞給信息采集模塊,實現信息的同步處理,獲取列車的大概位置信息。再次,利用軌道電路和查詢/應答器對多源傳感器的測量位置信息進行更新。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據進行不斷更新與校正,獲取列車的精準位置信息。方案實現如圖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:測速發電機安裝于輪軸上,發電機產生的電壓頻率和列車的速度呈線性關系,如下式所示。

v=πDfd/Z

式中:

v——列車速度;

Z——發電機極數;

D——車輪直徑;

fd——發電機產生的頻率。

在頻率與電壓轉換后,v被轉換成電壓,輸出電壓和轉速之間存在線性關系。當車輪轉動方向發生改變時,輸出電壓的極性也相應發生改變。

就脈沖速度而言,帶有傳感器的車輪每旋轉一周,一定數量的脈沖或方波信號就會被發生器輸出。列車速度應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1周所計脈沖數;

fm——輸出脈沖的頻率。

由于自身測量精度和機械安裝的影響,脈沖計數會存在一定誤差,一般比較小。車輪的空轉、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行校正。

2.3 加速度傳感器定位

列車發生打滑和空轉容易對通過速度和車輪計算出來的數據造成影響,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,為了消除空轉打滑帶來的誤差,加入了一種能對列車位置誤差進行校正的裝置——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,加速度傳感器內部的質量平衡塊會產生一定位移,由相應的電路將位移轉化為電壓輸出,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,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象,隨著車輛投入使用時間的增加,輪對磨損也越來越嚴重,這會導致輪對周長的改變,在計算列車位置信息時,造成一定程度的誤差?，F有車載設備已具備自動檢測更新功能,主要原理是根據列車從查詢/應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 數據采集分析方法

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據信息,并且同時從車載設備上獲取軌道電路定位信息和查詢/應答器位置信息。對獲取的多源信息進行數據融合處理,得到精準的列車位置信息。數據分析步驟如下。

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的數據信息,分別計算列車加速度值,并根據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,則可計算列車當前位置的基本信息,否則,進入步驟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,進入步驟4。

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

步驟4:根據軌道電路和查詢/應答器獲取列車位置信息。

同時,軌道電路和查詢/應答器在獲取精準信息時及時對傳感器數據進行更新校正。更新校正過程如下。

步驟5:根據軌道電路和查詢/應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行判斷,若位置信息一致,則無需更新,得到列車當前位置信息。否則進入步驟6。

步驟6:根據查詢/應答器和軌道電路獲取的精準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個傳感器對數據進行更新校正。返回步驟1。

數據融合流程如圖2所示。

圖2 數據融合流程

3 方案驗證與數據分析

本文采用仿真系統對方案進行驗證,在仿真軟件中提前設置好加速度傳感器1 和2及速度傳感器1和2的誤差范圍為0～1.2 km/h,并把輪對直徑設置為已經磨損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1個查詢應答器。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/應答器多源信息融合列車定位方式,產生的誤差比例相對較小。由此可以看出,采用組合定位方式,尤其是軌旁設備數據信息(軌道電路、查詢/應答器)可以適當校正傳感器的數據信息,防止誤差持續累積。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故障時實現熱備冗余,提高了定位信息的可靠性和可維護性。

4 結語

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、連續性、可維護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/應答器或軌道電路位置信息實現數據信息融合,充分發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,筆者將進一步優化多源信息融合方法,改進數據融合算法,提高列車定位技術在實際應用中的性能。