（交通信息工程及控制专业论文）基于GNSS的列控系统地图匹配技术的研究.pdf

北京交通大学硕上学位论文 y8 7 8 9 7 5 摘要 摘要 采用g n s s 技术的列车定位系统实现列车的精确定位，是当前铁路 运输发展的趋势之一。采用g n s s 技术的列车定位系统可以减少轨旁设 备，降低运营成本以及维护费用：其优势还在于可以利用高精度的数字 地图，进行地图匹配后，得出列车在线路上的精确位置。 论文针对列车控制系统的功能要求以及铁路轨道的拓扑结构，在分 析铁路列车定位与地图匹配需求的基础上，基于简单化、实用化、层次 化的思想提出了一种列车控制系统地图数据库的建立方法，定义了地图 数据库的结构和内容。在实际工作中，通过采集现场的数据，对数据进 行处理，得出有效的地图数据库，并通过在铁路现场进行实验，证明了 这种列控系统地图数据库能够满足实际需求。 在此基础上，针对铁路线路的一维特性以及车站平行轨道多等特 点，对列车地图匹配算法进行了研究。系统将匹配过程具体划分四种不 同的状态，采用基于不同状态实时切换的地图匹配算法，在无岔区段采 用位置点匹配，在有岔区段采用拟合曲线夹角和投影距离加权的曲线匹 配，既保证了简单情况下的实时性，又保证了复杂情况下的准确性。 最后，结合某新建铁路卫星定位系统研究项目以及某编组站智能调 车系统项目，对算法的性能指标进行了评价和分析，证明了地图数据库 设计和匹配算法设计的合理性和可行性，并对系统的不足提出了改进建 议。 关键词：全球卫星导航系统，地理信息系统，列控系统地图数据库，地图 匹配 j ! 生窭望查堂堡主兰垡垒壅 垫鐾 a b s t r a c t g n s st r a i nl o c a t o rc a np r o v i d e sc o n t i n u o u st r a i n1 0 c a t i o nd a t at ot r a i n c o n t r 0 1s v s t e m w i t hg n s st r a i nl o c a t o r ，t h eu s e r sc a nr e d u c ew a y s i d e e q u i p m e n t ， c u t s y s t e mp “c ea n dm a i n t a i n c e c o s t b yu s i n gp r e c i s e d i g i t a l m a p ，m a p m a t c h i n g ( m m ) m e t h o dc a nb e 印p l i e di ng n s st r a i n l o c a t o rt oo b t a i nm o r ea c c u r a t ei o c a t i o ni n f b m a t i o n c o n s i d e r i n gt h ei n h e t i t e do n e - d i m e n s i o n a lr a i lt r a c kt o p o l o g ya n dt h e p r i n c i p l e so fs i m p l e n e s s ，p r a c t i c a b n i t ya n dh i b e r a r c h y ；t h ep a p e rp r o v i d e sa s o l u t i o nt oc r e a tak i n do ft r a c km a pd a t a b a s ew h i c hf l t st h er e q u i r e m e n t so f t r a i nc o n t r o ls y s t e m ，a n dg i v e sd e t a i ld e 矗n i t i o no fi t sc o m p o n e t s t h e m e t i o n e dt r a c km a pd a t a b a s eh a sb e e nc r e a t e db a s e do nr e a lg p sd a t aa n d v e r i f i e do ns i t e 。 b a s e do nt h et r a c km a pd a t a b a s em e n t i o n e da b o v e ，ak i n do fm m a l g o r i t h mu s e di ng n s st r a i n l o c a t o r si s g i v e m t h ep r o p o s e dm m a l g o r i t h mc a ns w i t c h t of o u rd i f f e r e n ts t a t e si nr u n t i m ea c c o r d i n gt o d j f k r e n ts y s t e ms t a t u s ，h e n c e ，c a ng a i nn o to n l yt h ea b i l i t yo fr e a l 一t i m e m a t c h i n gb u ta l s o t h ea c c u r a c yo fr e s u l t si n s i m p l ea n dc o m p l i c a t e d s i t u a t i o n sr e s p e c t i v e l y - i nt r a c ks e c t i o nw i t h o u ts w i t c h ，ap o i n tt op o i n tm 印 m a t c h i n ga l g o r i t h mi se m p l o y e d ；i nt r a c ks e c t i o nw i t hs w i t c h ，ac u r v em a p m a t c h i n ga l g o r i t h mi sa p p l i e d t h ea u m o ra l s o a n a l y s e sa n de v a l u a t e s t h e p e r f o r m a n c e o fk e y a l g o r i t h m su s e d t h ee v a l u a t i o nw o r ki sc o n d u c t e di nt w or a i l w a yp r o j e c t s t h i sp a p e ra l s od e m o n s t r a t e st h ef e a s i b i l i t ya n d1 0 9 i c a ir a t i o n a l i t yo ft r a c k m a pd a t a b a s ea n dp r o p o s e da l g o r i t h m s f i n a l ly ，s e v e r a ls u g g e s t i o n sa r e g i v e n k e y w o r d s ：g 1 0 b a ln a v i g a t i o n s a t e l l i t e ss y s t e m ( g n s s ) ，g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) ，t r a c km a pd a t a b a s ef o rt r a i nc o n t r 0 1s y s t e m ， m a p m a t c h i n g ( m m ) i i 北京交通大学硕士学位论文 1 1选题背景 第一章概述 在列车运行控制系统( 后面简称“列控系统”) 中，列车位置的实时 跟踪是一个十分重要的问题，它被用来防止列车的冲突、追尾，以及组织 列车调度和自动驾驶等等。因为被控对象列车基本处于动态过程中，只有 了解到列车在何处，以何种速度运行等信息后，才能控制列车的前进、停 车、加速或缓行等，从而有效控制列车，获得行车效率和保证行车安全。 例如，在c b t c ( c o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r o ls y s t e m ) 系统中要对 列车实施速度一距离模式曲线控制，则必须实时跟踪列车速度、位嚣，了 解列车之间、列车与其目标之间的距离等。有了这些信息，才能对运行曲 线进行计算。 通常，列控系统是利用机车信号，从钢轨上接收信号灯的信息，列车 司机根据色灯显示来控制列车运行。而列车的定位采用轨道电路、查询应 答器、感应线圈、里程计来实现。这些定位方法都有一定缺陷。例如，采 用测速里程计定位，随着时间的推移，累计误差会越来越大；采用轨道 电路定位，虽然可靠性高但定位精度较低，不利于提高行车效率，而且轨 道电路设备复杂、昂贵，不利于维护。 随着g n s s ( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t e ss y s t e m ) 技术的发展，以及该 技术全面向民间开放，将g n s s 技术应用于铁路已经成为可能。采用g n s s 技术的列车定位系统可以减少轨旁设备，降低运营成本以及维护费用，提 高定位系统的可靠性。采用g n s s 技术的列车定位系统的优势还在于可以 充分利用地理信息。采用高精度的数字地图，进行地图匹配后，就可以得 出列车在地图上的精确位置。 基于上述原因，铁路的技术人员对它的越来越感兴趣，以实现铁路的 “信息化”、“智能化”为目标的列车系统的开发与应用以欧洲、美国、 日本为中心迅速展开。同时众多其它国家和地区也纷纷参与，并投入力量 开展研究活动。2 0 世纪9 0 年代，国外对g n s s 技术在铁路上的应用开展 了大量研究，获得一些宝贵的运营经验。从2 0 世纪末至今，已经签约设 计或开始旋工的c b t c 铁路里程数大约为9 6 0 7 公里，其中采用g n s s 作为 列车定位方式的铁路里程数占到了总里程数2 7 3 8 。 北京交通大学硕士学位论文 国外的主要项目有：1 9 9 8 年，意大利启动了i r i s 项目，提出了综合 g n s s 和g s m r 两项新的技术来开发新的列车运行控制系统，该项目得到 了欧盟委员会的支持，并于2 0 0 2 年开始投入使用。与此同时，奥地利 a l c a t e 乙分公司在公路上应用g n s s 的经验基础上，提出了基于卫星定位 的列车运行控制的问题分析。比利时铁路也启动了基于g n s s 列车定位系 统的o p t i v i a 项目。美国也研发了基于g n s s 定位系统的i t c s 系统，并在 密歇根线路上投入商业运营，也颇具参考价值。 比较而言，我国在该领域的研究相对落后，相关软硬件的开发还比较 薄弱，但拥有很大的发展空间，有利于向更加深入和广泛的领域发展。我 国某新建铁路信号系统采用的是美国通用电气公司的i t c s 系统，为我国 科研人员研究提供了宝贵的机会和经验。 1 2铁路地图匹配技术的发展趋势 在列车运行控制系统中，车地双向通信、列车定位、列车完整性检查 是三大关键技术。通常，采用的定位技术有以下几种：轨道电路、查询应 答器、感应线圈、里程计d r ( d e a dr e c k o n ) 技术、卫星定位技术和地面 无线电定位技术。但是采用轨道电路、查询应答器、感应线圈技术进行定 位，需要在全线安装大量设备，成本高、维护难，尤其是在条件艰难的区 段。d r 技术的精确度则受到方向传感器以及测速脉冲设备精度的限制， 而且存在累计误差，随着车辆行驶距离的增加，误差会随之增大。地面无 线导航技术依赖于外界设备，其定位精度或受无线网覆盖面积的限制，或 受定位信号精确度的影响。 基于g n s s 数据的地图匹配( m 印m a t c h i n 哥m m ) 定位技术在一定程 度上弥补了以上定位技术的缺陷。该技术以模式识别理论为依据，基于“列 车始终行驶在钢轨上”与“电子地图数据是准确的”的前提，通过找到列 车所在的轨道，计算出准确的列车位置，达到校正定位过程产生的误差的 目的【2 】。地图匹配若与其它几种定位技术配合使用，能够极大的提高车辆 定位精度，减小定位误差。可以说地图匹配算法的效果关系到列车定位的 精度，地图匹配技术是决定导航产品最终性能的重要因素之一。 地图匹配是基于数字化地图的。其算法依赖于数字地图数据库的结 构，结果也直接或问接地包含在地图数据库的内容之中。一般的铁路线路 数字地图缺乏列车定位信息管理以及列车导航所需要的各种信息，不能满 北京交通大学硕士学位论文 足实际应用，因而，必须设计可用于列控系统的导航型数字地图数据库。 目前，欧洲一些国家以及美国已经在列控系统地图数据库方面进行了些 研究。2 0 0 2 年，法国a l s t o m 公司提出了一种基于拓扑结构的轨道描述方 法以及轨道地图数据库的规范；美国g e 公司也依据美国线路的情况提出 了创建列控系统地图数据库的方法，并实际运用在密歇根线路商业运营。 但是，由于我国在g n s s 技术在铁路应用方面的研究起步相对较晚，目前 在列控系统地图数据库方面的研究很少。 铁路特殊性决定了铁路地图匹配算法有其特殊性。例如，铁路上往往 有很多平行的轨道，特别是调车场，轨道与轨道之间的距离较小，通常为 5 米左右，如何在这种情况下，实现精确的地图匹配是非常值得研究的。 所以，结合铁路实际应用情况，设计一种实用的地图匹配算法是十分有必 要的。 总而言之，结构合理的、高精度的列控系统地图数据库是列车地图匹 配技术的基础。而基于g n s s 数据的地图匹配技术是实现精确列车定位的 强有力的手段。 1 3论文结构 本论文结合铁路系统的特殊性，分析了采用地图匹配技术所必需的一 些技术条件，提出了一种应用于列控系统的地图数据库的建立方法。在此 基础上，针对铁路线路的一维特性以及车站平行轨道多等特点，对列车地 图匹配算法进行了研究。 本论文共分六章，下面是各章主要内容的简介。 第一章主要是概述部分。对本论文的选题背景以及相关内容进行了简 单介绍，并概要叙述本文结构框架。 第二章是介绍了系统涉及的主要技术以及现状。包括全球导航卫星系 统( g i o b “n a v i g a t i o ns a t e i l i t e ss y s t e m g n s s ) 技术；地理信息系统 ( g e o g r a p h i c a l 矗l f 0 订1 1 a t i o ns y s t 锄一g i s ) 技术，地图匹配( m a p m a t c h i n g _ m m ) 技术。 第三章将叙述了一种自行建立的用于列车控制系统的列控系统地图 数据库。本章结合在北京某编组站和某新建铁路项目的经验，详细地讨论 了该列控系统地图数据库结构、内容和建立流程，阐述了其实际价值。 ! ! 塞銮望查兰堡圭兰篁笙苎塑堕 第四章将基于列控系统地图数据库，介绍一种列车地图匹配算法。结 合铁路的特殊性，讨论了地图匹配这一利用已有数据来提高列车定位精度 的技术，并阐述了其实际价值。 第五章是运行结果评价及结论。在理论基础和实验结果上，配以详实 的数据和图表来说明分析误差的来源和算法的效果。数据主要来源于某新 建铁路以及某编组站调车作业数据等。 第六章部分就上述内容进行总结之后，提出了改进建议，并就应用前 景做出了展望。 4 北京交通大学硕上学位论文关键技术综述 第二章关键技术综述 本章介绍了系统所涉及的一些主要技术，包括全球导航卫星系统 ( g l o b a in a v i g a t i o ns a t e l l i t e s s y s t e m g n s s ) 技术；地理信息系统 ( g e o g r a p h i c a l i n f o r i i l a t i o ns y s t e m g i s ) 技术，地图匹配( m a p m a t c h i n g _ m m ) 技术。 2 1 全球导航卫星系统( g n s s ) 技术 1 9 9 8 年，美国、俄罗斯、欧洲和日本决定采用一套被称为( n s s ( g i o b a l n a v 培a t i o ns a t e l l i t e ss y s t e m ) 的地球同步卫星的增强型卫星系统。它包括 美国的广域增强型系统、欧洲的欧洲全球导航卫星覆盖业务、日本的多功 能传输卫星、前苏联的g l o n a s s 以及由7 0 多个签约国组成的条约组织 操纵的通信卫星。开发g n s s 系统的宗旨是为了让民间组织能够利用所有 的导航卫星信息【jj 。 g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是以卫星为基础的授时与测距导航无 线电导航定位系统，能为车辆、轮船等诸多移动站提供精确的三维坐标、 速度和时间【4 j 。全球定位系统由美国国防部发射的由2 4 颗在大约2 0 0 0 0 公里高度、6 个轨道上的卫星组成，在地面上任何时间、任何地方都能观 察到5 1 l 颗星。这些卫星全天候的昼夜发送高精度的、连续的、实时的 定位和定时信息。提供给用户三维坐标、三维速度分量和精确定时。可提 供两类定位服务：基于“粗码”( c a c o d e ) 的标准定位服务( s t a n d a r dp o s t i o n s e r v i c e ) 和基于“精码”( p yc o d e ) 的精确定位服务( p p s ) 。目前，选 择可用性( s e l e c t i v e a v a i l a b i l i t y s a ) 干扰已被取消，大大提高了定位精 度，因此也增加了民用系统的可用性。 g l o n a s s 由在大约1 9 8 万公里高度的2 4 颗星组成并且在任何时间、 任何地点都能观察到5 l l 颗星。该系统可提供近似3 0 米定位精度( 9 5 的机率) 的标准定位业务( s p s ) 。g l o n a s s 是以r u t c 为标准，也 是经过其星载时钟实时地发播r u t c 时间信号。1 9 9 6 年俄罗斯完成了2 4 + l 的卫星布局，g l o n a s s 随即进入了正式运行阶段【5 。 g a l i l e o 系统是欧洲自主的、独立的全球多模式卫星定位导航系统， 提供高精度、高可靠性的定位服务，同时它实现完全非军方控制、管理。 g a l i l e o 卫星定位系统将由3 0 颗轨道卫星组成，卫星的轨道高度为2 4 万公里，倾角为5 6 度，分布在3 个轨道面上，每个轨道面部署9 颗工作 ! ! 室銮望查兰翌圭堂些丝壅 苎壁垫查簦堕 星和1 颗在轨备份星。g a l i l e o 将为用户提供误差不超过1 米、时间精确 的定位服务【6 j 。 就目前来看，g p s 已全部稳定工作，g l o n a s s 在1 9 9 6 年也已全部完成 了部署。欧洲的全球卫星导航系统g a l i l e o 将在2 0 0 9 年后建成，实现与 g p s ，g l o n a s s 兼容。我国的北斗系统也已投入使用。g n s s 将具有三到四 个卫星系统相互兼容工作。g n s s 接收设备可依托于三个或四个卫星定位 系统，可供定位的卫星数为单个g p s 的三倍或四倍，能有效地提高其定位 精度及可靠性。 3 2 地理信息系统( g i s ) 技术 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o m a i i o ns ”t e m g i s ) ，它是整个地球或 部分区域的资源、环境在计算机中的缩影，其反映了现实世界( 资源或环境) 的各类空间数据及描述这些空间数据特征的属性，是在计算机软件和硬件 的支持下，以一定的格式输入、存贮、检索、显示和综合分析应用的技术 系统。它是一种特定而又十分重要的空间信息系统，它是以采集、贮存、 管理、处理分析和描述整个或部分地球表面( 包括大气层在内) 与空间和 地理分布有关的数据的空间信息系统【7 】。 地理信息系统( g i s ) 起源于2 0 世纪6 0 时代。进入9 0 年以来，地理 信息系统在全球得到了空前迅速的发展，广泛应用于各个领域，产生了巨 大的经济和社会效益。地理信息系统作为传统学科( 如地理学、地图学和 测量学等) 与现代科学技术( 如遥感技术、计算机科学等) 相结合的产物， 正在逐步发展成为一门处理空间数据的现代化综合性学科。 一个典型的g i s 系统应包括三个基本部分；计算机系统，空间地理数 据库系统，应用人员和组织机构。 g i s 的主要应用领域有：地理空间数据管理；综合分析评价与模拟预 测；空间查询和空间分析；地图制图：专题地图和区域信息系统；与遥感 图像处理系统结合的应用；面向具体应用的g i s 二次开发；属性数据的综 合及融合应用。 地理空间的表达是地理数据组织、存储、运算和分析的基础。地理空 间的表达方法可以概括为矢量、栅格、三角形不规则网( 嘣a i l g u l a t e d i e g u l a rn e t w o r k t i n ) 和v o r o n o i 等几类，以此为基础可以构造地理空 间各种不同的数据模型和数据结构。 目前世界上常用的g i s 软件已达4 0 0 多种。国外较著名的有a r c i n f o ，g e n 蝴a p ，m g e ，m a p i n f o 等；国内较著名的有m a p g i s ，g e o s t a r 和c i t y s t a r 。 北京交通火学硕士学位论文关键技术综述 3 4 地图匹配( 删) 地图匹配( m a pm a t c h i n g m m ) 即利用数字化地图，使其它定位方法 算出的位置( 或轨迹) 与地图上的定位位置( 或路径) 相匹配。地图匹配 以模式识别理论为基础，以某个车辆位置点或某段车行轨迹曲线作为待匹 配样本，根据一定规则在空间地图数据库中选取一定量的点或曲线作为匹 配模板库，通过样本与模板库中的实体进行比较，选择特征相似度最高的 一对样本一实体对作为匹配结果。 有效的地图匹配算法能显著地提高道路网络定位的准确性。地图匹配 算法通过把车辆轨迹与数字地图数据库模块提供的路径相比较，可以把基 于各种传感器的车辆位置与道路网联系起来。通过模式识别和匹配过程来 确定车辆关于地图的最大可能位置。因为地图数据库包含道路的位置坐 标，所以匹配位置可用于藿新定位车辆的位置，限制误差的幅度。 地图匹配有各种各样的理论，各种各样的算法，它们分别适用于不同 的情况，并且各有各自的优缺点，下面分别予以讨论。 3 4 1 常规地图匹配 常规地图匹配的基本思想是把车辆路线同接近以前匹配点的已知道 路相比较。形状与当前路线和先前匹配路线相似的道路被选为车辆的行驶 道路。 1 、位置点匹配算法【8 】 位置点匹配算法逻辑简单，实时性好，但在道路密集、道路形状复杂和 交叉路口等情况下，匹配准确率较低。 2 、曲线匹配算法 9 】 曲线匹配算法根据车辆行驶轨迹的曲线特性选择关键节点，由选取的 节点表示曲线，按照各种具体算法的曲线相似度比较方法，在候选道路中 选出与车辆行驶轨迹最为相似的路段作为匹配结果道路。最后基于测量曲 线与匹配结果道路之间的距离确定最佳轨迹。 a ) 基于r v m ( r o t a t i o n a lv a r j a “o nm e t r i c ) 的线匹配算法 1 0 】 众所周知，平移和旋转时仅有的两种保持形状和大小的几何变换( 当 然，翻转也是一种，但不是这里研究的重点) 。那么如果一条曲线是另 条曲线经过平移或旋转而成的，就说明两条曲线是一样的。就像下面将要 介绍的那样，计算两条曲线的r v m ( r o t a t i o n a lv a r i a t i o nm e t r i c ) 值可以 确定一条曲线是否近似由另一条平移或旋转形成，即两条曲线有多么相 苎塞奎望盔兰堡：! 兰篁笙塞 差壁垫查堑堕 似。换言之，r v m 提供了一种评价曲线相似度的表达式。 r v m 提出了一种方便快捷的衡量两条曲线相似度的方法，为曲线匹 配算法提供了强有力的保障。 b 1 基于i m t m ( i t e r a t i v em u l t i r e s o l u t i o n e n dm e t r i c ) 的算法 “线简化”( 1 i n es i m p l m c a t i o n ) 是解析一条复杂曲线的总体趋势的过 程。可以把线简化看作是一种几何 低通滤波器。如图2 1 所示，虽然 两条曲线的形状似乎相差很大，但 是经过适度的一般化( 线简化) 后， 可以看到两条曲线的总体趋势是 非常相近的，即两条曲线是匹配 的。蹦t m 算法采用高度线简化， 所以降低了计算复杂度，极大的节 省了匹配时间，提高了算法性能。 3 、基于拓扑关系的匹配算法【l 2 】 图2 - l ：i m t m 算法原理示意图 电子地图足够精确并且具有路网拓扑完整性是地图匹配能够正常工 作的前提。由于受车辆速度的限制，因此在一定的时间内，车辆只能驶经 有限的路段。假设当前车辆行驶在道路1 上，并且在一分钟内车辆驶经的 路段小于或等于2 ，那么在当前时刻往后一分钟的时间内，车辆只可能出 现的道路对( 12 ) 、( 13 ) 或者( 14 ) 上。在该算法 之中，以道路实体对为单元进行处理。道路 实体对可以用链表表示，例如图2 2 中的( 12 ) 一( 13 ) 一( 14 ) 一( 23 ) 一( 24 ) 一( 34 ) 一( 36 ) 一 ( 45 ) 。由于在一定时间内，车辆行驶的区域 是有限的，而且固定大小的区域的道路数目 也是有限的，因此可以建立的道路实体对也 是有限的。该算法减少了在复杂路网情况下 的计算量。 4 、基于概率统计的匹配算法f 1 3 】 4 】 图2 2 ：道路网络 传感器误差和误差模型定义的椭圆形或矩形输区域可描绘出真实车 辆位置所处的区域界限的轮廓。这种置信区域被叠加到路网上。如果该区 域仅包含一个交叉路口或道路，就需进行一次匹配，并且把坐标综合或进 一步处理作为车辆的位置。如果该区域内不只一个交叉路口或道路，则需 要进行连通性检查以确定车辆的最可能位置。这种方法优于半确定性方法 的主要方面在于它不要求车辆总是在道路上。如果车辆不在已知的道路网 上，概率统计算法就会反复地比较传感器检 1 1 8 到的坐标和偏离道路的路段 北京交通大学顶士学位论文 关键技术综述 坐标，并尽量识别车辆返回的路段。 3 4 2 基于模糊逻辑的地图匹配 模糊逻辑已被证明时处理涉及定性术 语、模糊语言和人工干预任务的有效方法。 利用模糊集合，具有模糊概念的术语能够用 数学方法来定义。专家知识和经验可表达成 规则集。此外，通过适当的推理过程可做出 结论，该推理过程类似于人的推理能力。由 于地图匹配是涉及模糊度的定性决策过程。 所以研制基于模糊逻辑地图匹配算法是有意 义的。出地图匹配模块外，模糊逻辑还可以 用于其他模块或子系统【1 5 l 。 纬度方向 一 、 g p s 定位位置 j 经度误差f 误差 打向 图2 3 ：g p s 定位的置信椭圆 实现地图匹配的第一步是确定定位误差区域，如图2 3 ，以便从中提 取用以进行匹配的道路位置信息。通常应根据概率准则定义误差区域，即 误差区域必须以一定的概率包含车辆的实际位置。由于g p s 定位精度不 受累积误差影响，因此，在组合导航系统中通常采用g p s 定位模型参数 来定义误差椭圆。 3 。4 3 基于分组神经网络的地图匹配算法 2 0 0 2 年，w i n t e r 提出利用人工神经网络( a n i f i c i a in e u r a ln e t w o r k s a n n ) 来提高路段选择的效率和可靠性，随后又提出了利用分组神经网 络( m o d u l a r n e u r a ln e t w o r k s - n n ) 来进行地图匹配的方法。分组神经 网络把路网分成不同的区域，分别代表不同的地理特征。进行系统训练的 时候，数据将自动地分入各子系统，形成多个个专家系统。这种方法可以 在g p s 卫星数较少或g p s 接收信号较差的情况下，如；峡谷、草地、崎 岖的地形，提高定位的准确度；缺点是运算量大【m 。 3 4 4 一种用于铁路的地图匹配算法 铁路线路有其特殊设计，曲线平缓，拐弯角度变化率较小的特点，普 通的传感器根本不能探测出铁路弯道的角度变化情况。该算法利用了铁路 ! ! 皇銮望查堂堡主兰堡堡苎茎堡茎查堡垄 线“一维继承性”的特点，算法的核心是实时的在线检测由陀螺计和转速 计所测得的角度变化率，并和数据库所查询的相应的值相比较得到匹配结 果，如图2 4 。传感器融合需要由陀螺和速度传感器或者里程计组成”。 3 5小结 一7 孤 m 岫 图2 4 ：用于铁路的地图匹配算法示意 在实际应用中，没有任何一种算法能在任何的情况下都表现出特别突 出的效果。上述算法大多是针对公路交通的情况而提出的。但是，铁路运 输情况与公路有着很大的差异，这也决定了铁路地图匹配算法有其特殊 性。例如，铁路上往往有很多平行的轨道，特别是调车场，轨道与轨道之 间的距离较小，通常为5 米左右，如何在这种情况下，实现精确的地图匹 配是非常值得研究的。 由于我国铁路领域的g i s 应用还处在探索阶段，值得参考借鉴的经 验不多。所以，结合我国铁路实际应用情况，设计一种实用的列车地图匹 配算法是十分有必要的。 苎塞奎望查兰婴圭兰竺笙苎型塑墨竺些型垫堡嬖塑堡生 第三章列控系统地图数据库的设计 本章针对我国铁路的实际情况和客观需要，叙述了一种应用于列控系 统的地图数据库。根据铁路轨道的拓扑结构以及列控系统的功能要求，对 列控系统地图数据库的内容进行了定义。 3 1列控系统地图数据库的需求和研究现状 在列控系统中，列车位置的实时跟踪是一个十分重要的问题。它被用 来防止列车的冲突、追尾，以及组织列车调度和自动驾驶等等。在中国铁 路中，目前的列车控制系统是利用机车信号从钢轨上接收信号灯的信息， 列车司机根据色灯显示来控制列车运行。列车的定位采用轨道电路、查询 应答器、里程计来实现。这些定位方法都有着一定的缺陷。 随着g n s s 和g i s 技术的发展，采用g n s s 技术的列车定位系统可以减 少轨旁设备，降低运营成本以及维护费用，提高定位系统的可靠性。采用 g n s s 技术的列车定位系统的优势还在于可以充分利用地理信息。采用高 精度的数字地图，进行地图匹配后，就可以得出列车在地图上的精确位置。 目前，以实现铁路的“信息化”、“智能化”为目标的列车系统的开发与 应用在各个国家迅速展开。从2 0 世纪末至今，已经签约设计或开始施工 的c b t c 铁路里程数中采用g n s s 作为列车定位方式的铁路里程数占到了总 里程数2 7 3 8 。 一般的铁路线路数字地图大多精度不够，例如一些铁路重要地点的位 置信息精确度要求达到亚米级甚至更高；而且一般的铁路线路数字地图缺 乏列车定位信息管理以及列车导航所需要的各种信息，如铁路轨道拓扑关 系、与位置有关的属性信息、和列车控制系统有关的信息等等，不能满足 实际应用，为此，必须设计可用于列车控制系统的导航型数字地图数据库。 目前，欧洲一些国家以及美国已经在列控系统地图数据库方面进行了 一些研究，并依据各个地区的不同情况提出了不同铁路地图的设计方法和 数据库结构。但是，由于我国在g n s s 技术在铁路应用方面的研究起步相 对较晚，目前在列控系统地图数据库方面的研究很少，也没有依据我国的 铁路实际情况提出自己的规范。 下面，作者依据在某新建铁路的工作经验和实际需求，描述了一种列 控系统地图数据库的内容、结构以及实现方法。 北京交通大学硕士学位论文列控系统地图数据库的设计 3 2列控系统地图数据库的设计原则 由于g i s 系统在铁路上的应用尚未十分成熟，而且出于效率上的考 虑，需要我们依据具体情况自行设计的数据结构。其实际的设计方法有很 多，但是基本的需要遵循的原则有几条： l 2 4 5 6 层次化设计：改善地理查询的效率问题； 图形结构简单：数字地图主要包括点线面等空间对象，简单的图形结 构具有数据量小、刷新快等特点。在列车控制系统中，最主要关心的 是铁路轨道以及道彷、信号灯等等信息，所以面对象不重要。 拓扑数据简单化：数据地图的拓扑关系主要用于路径搜索，简单明了 的拓扑关系将缩短路径搜索的时间。拓扑关系在地图匹配算法中也会 用到。 复杂曲线线性化：降低了睦线数学表达的复杂度； 对象与节点归一化：解决了多样站间实体的简单化问题： 必要信息冗余：地图的冗余度小使得信息查询、路径搜索的速度得以 提高，减小数据的存储空间。但是必要的信息冗余可以减少经常性查 询的开销，并提供了系统升级时不停止运营的可能性； 交叉索引：利于单个空间对象的查询、多个对象之间的拓扑查询，良 好的数据结构将使空间查询和分析速度怏【18 1 。 3 3 列控系统地图数据库的构成 通常，一个完整的列控系统地图数据库包括三个部分：轨道数据、铁 路专用数据和地形环境数据。 1 ) 轨道数据 轨道数据部分对轨道的结构和位置进行描述。具体从铁路示意图来 看，铁路是由一系列的车站和分区组成的。分区可以看作是一系列的线段 的序列。在车站有多条轨道，尤其是调车场，有十几条甚至几十条轨道， 有多组道岔，而且道岔的种类不同，有单动、双动以及交分道岔，但是这 些轨道连接关系都是有规律的。 北京交通大学硕士学位论文列控系统地图数据库的设计 2 ) 铁路专用数据 铁路专用数据包括铁路沿线的各种设备和特定地点等等，比如信号 灯、道岔、警冲标、限速点、绝缘节、变坡点等等。这些数据一般都是一 些与列车行车安全相关的重要信息。 3 ) 地形、环境数据 地形、环境数据包括影响列车定位的环境的描述，比如隧道、路堑、 山体、气象条件等等。这些数据可以作为轨道元素的属性进行组织。这部 分数据在定位系统的完整性检查中起着重要的作用。 3 4列控系统地图数据库的创建流程 电子地图数据库的创建大致可以分为5 个步骤：进行线路测绘、数据 处理、创建数据库、编译生成二进制文件、数据验证，如图3 1 所示。 t = 兰r 一 3 4 1 线路测绘 图3 1 ：地图数据库文件的创建流程 实现地图匹配，是基于“电子地图数据是准确的”的前提，通过找到 列车所在的轨道，计算出准确的列车位置，从而达到校正定位过程产生的 误差的目的。而创建精确电子地图数据库文件则必须以精确的线路勘测原 始数据为基础。可以认为，线路勘测工作是一切后续工作的前提，具有及 其重要的意义。因此，对线路勘测提出详细的技术说明是十分必要的。我 国已经制定了g p s 测量的国家标准。 测绘人员方应提供一系列的“勘测点”数据。通常，对每个“勘测点” 或“数据点”的勘测都有特定的规定【伸】。 坐标系的选取。通常选用w g s 一8 4 系统。 精度分级。g p s 测量按其精度可分为从、a 、b 、c 、d 、e 级，依据工 程需要，可选用不同等级。 测量网的技术设计。g p s 网布测前应进行技术设计，以得到最优的布 测方案。 j ! 塞奎望查堂堡主兰生笙苎 型量墨竺些型茎塑壁堕堡笪 勘测方式以及位置的要求。例如，必须在每一个p o i ( p o i n to f i n t e r e s t i n g ) 关键点上勘测。所谓p o i 关键点，指的是对列车运行 控制具有重要意义的地点或设备，包括每个车站信号机、分区通过信 号机、调车信号机、道岔、公里标、限速标示牌、隧道的入出口等。 最终提交的数据报表格式型。 3 4 2 数据处理 数据处理是指使用专门的软件，对线路勘测原始数据进行处理，将其 转化为可用于系统可用的电子地图。数据后处理包含4 个部分的工作，如 图3 2 所示： f 蔷疆。h 攀鳞i h _ j 1 1 霪患；h 黪诗算h 输出雾修| t = = 丁 图3 2 ：数据处理的步骤 1 ) 数据的预处理 首先，在获得勘测人员提供的原始数据后，需要对所有原始数据进行 粗查，删除或修正存在粗大误差的位置点，比如删除明显漂移出轨道线路 的点。然后，对原始数据进行分类和提取，并将整个线路依据实际需要划 分为若干个区域或分区。最后，按照的规定格式进行处理，将其存储为坐 标转换的输入文件。 2 ) 坐标转换 通常，勘测人员提供的原始数据选用w g s 一8 4 系统坐标系。通常，电 子地图是建立在平面坐标系上的，因此需要将椭球面上各点的大地坐标按 照高斯投影法则投影到平面直角坐标系上。 在实际中，列车所使用的位置信息为一维坐标，即里程标。因此，还 需将勘测人员提供的原始数据投影到一维坐标系上，即计算每一个原始勘 测点的里程数。 3 ) 创建轨道电子地图( t m c km a p ) 依据原始数据，生成轨道电子地图( t r a c km a p ) 是整个处理过程的核 心。勘测人员提供的轨道原始数据是由单个的离散点组成的。在该过程中， 使用专用的g i s 软件，将用离散点表示的轨道转换为用线段表示的轨道， 4 ! ! 室奎望- 人堂婴主堂竺丝苎 型丝墨竺些望塑塑壁竺塑生 即把正线和侧线的所有轨道分割为若干个片段，每个片段采用圆弧线或直 线的形式表示，并满足特定的误差规定。然后，计算出侧线上的每个区段 相对于正线的垂直偏移量，以及每个区段起始点的相对里程数、长度。最 后，将计算结果按规定格式存储。 4 ) 误差计算 误差计算即将生成的轨道电子地图文件与勘测人员提供的轨道原始 数据进行比对，计算轨道电子地图相对于原始数据的误差值，看其是否在 容忍的误差范围内。如果超出容忍的误差范围，则返回第1 步，进行数据 修正或手工调整。 3 4 3 创建电子地图数据库 在生成轨道电子地图( t r a c km a p ) 后，需要在此基础上添加一些其它的 必要信息，如文件版本信息、铁路专用数据( 包括铁路沿线的各种设备和 特定地点等等，比如信号灯、道岔、警冲标、限速点、绝缘节、变坡点等) 、 地形环境数据( 包括隧道、路堑、山体、气象条件等) ，并在各种数据之 间建立关联，生成完整的具有拓扑结构的列控系统地图数据库文件。 3 4 4 编译生成二进制文件 在实际应用中，地图数据库往往以二进制的形式存储在列控系统的存 储器里，因此，需要将地图数据库文件还要进行一次格式转换，将其编译 成二进制文件，才能实际应用。 3 4 5 数据验证 为了确保所创建的列控系统数据库文件和编译生成二进制文件准确 无误，需要对数据库文件进行现场验证。这对日后的行车安全有着至关重 要的作用。现场数据验证分三个步骤进行：反汇编验证、p o i 点验证和跑 车验证。 为确保将数据库文件编译生成二进制文件的过程准确无误，需要将生 成的二迸制文件进行反汇编，并将结果与数据库文件进行比对。 需要对每一个p o i 点进行验证。包括每个车站信号机、分区通过信号 机、调车信号机、道岔、公里标、限速标示牌、隧道的入出口等。例如， 北京交通大学硕士学位论文 列控系统地图数据库的谨计 依据某新建铁路经验，应保证每个关键点的实际位置与电子地图上的对应 位置之间的误差不超过l 米。 同时，需要将地图数据库存储在列控系统的存储器里，进行跑车试验， 依据试车结果对电子地图数据库进行验证。 3 5一种列控系统地图数据库 依据实际工程经验以及我国铁路的情况，作者在本节将叙述一种自行 建立的列控系统地图数据库，分别描述其拓扑结构、轨道曲线表示方法、 内容以及定义。 3 5 1 拓扑模型 根据站场的实际情况，可以对轨道的连接情况作出以下的拓扑模型。 地图的拓扑数学模型定义了不同轨道连接的方式，如图2 所示，模型由基 本元素节点和片段构成。每个节点至多连接三个片段，节点的上行片段和 下行片段定义了节点的拓扑连接属性。当真实的交叉点同时连接四个以上 ( 包括四个) 片段的时候，定义辅助的虚拟节点完成连接，虚拟节点之间 的片段长度定义为o 。例如：图3 3 中的节点v n l 和v n 2 就是虚拟节点， v s 长度定义为0 ，实际上，节点v n l 和v n 2 在地理上是同一个点，它连接 s l 、s 2 、s 3 和s 4 四个片段。 s 1 s 3 图3 3 ：地图模型的拓扑结构 根据以上的地图数据和拓扑模型，举例如图3 所示。 北京交通大学硕士学位论文 列控系统地图数据库的设计 圭堑查旦 。 图3 4 ：轨道示意阁 图3 4 中的这段线路有4 个节点和4 条片段组成。假设图中从左至右 为上行方向，则节点n 2 3 7 的下行片段个数为1 ，s 4 7 为n 2 3 7 的下行片段； 上行片段个数为2 ，s 4 8 和s l l 3 为n 2 3 7 的上行片段，s 1 1 3 连接n 2 3 7 与 n 4 1 7 ，在数据库中以直线或圆曲线形式存储。 对象是站场内部的各种设备和特定地点。对象既引用在片段中的相对 位置，也仍然有绝对地理坐标，此冗余信息为不同的应用提供直接查询的 便利。线路对象将有标记区分点对象与隧道等的非点对象，标记同样指出 经过该线路对象或接近该线路对象时是否需要提示或报警( 例如信号机) 。 不在轨道线上的线路对象的位置定义为对应轨道线上的位置，以方便查询 及距离计算。有长度的线路对象的位置由起始位置、延伸方向和延伸长度 共同定义。如果双轨线路经过隧道，则隧道被分别定义为两条线路上的线 路对象。例如，在图3 4 中，片段s 1 1 4 上的信号机对象0 1 的位置由距离 s l l 4 的起点( 在片段上行方向一端的节点为起点) n 4 1 2 的长度以及其本 身的绝对地理坐标定义；而片段s 4 8 上的隧道对象0 2 由其起点( 靠近所 属片段起点一端) 距离s 4 8 的起点n 3 6 7 的距离，起点的绝对地理坐标， 延伸方向( 同s 4 8 的方向) 以及延伸长度共同定义。 3 5 2 轨道曲线的表示 如图3 5 ，铁路站场图中大量弯曲轨道在电子地图上的表示方法是一 个难点，既要考虑数据的存储结构合