地图辅助北斗_惯导组合的列车轨道占用估计方法.pdf

第36卷第3期铁 道 学 报 Vol 36 No 3 2 0 1 4年3月JOURNAL OF THE CHINA RAILWAY SOCIETYMarch2014 文章编号 1001 8361 2014 03 0049 10 地图辅助北斗 惯导组合的列车轨道占用估计方法 刘 江1 2 蔡伯根1 王 剑1 2 1 北京交通大学 电子信息工程学院 北京 100044 2 北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室 北京 100044 摘 要 卫星导航在铁路运输系统众多基于位置的应用服务中具有广阔的应用前景 我国自主建设的北斗卫星 导航系统已正式开始提供区域服务 为卫星导航在铁路系统中的应用发展提供了重要契机 在采用卫星导航实 现列车定位的过程中 列车轨道占用状态的估计识别是列车位置描述的重要内容和定位正确性必要前提 本文结 合高速列车追踪接近预警系统这一应用背景 根据系统功能及性能的实际需求 提出一种基于地图辅助北斗 惯 导组合的列车轨道占用估计方法 该方法利用地图辅助信息对北斗 惯导融合所需系统模型进行约束 并采用交 互多模型估计策略将列车组合定位过程与轨道占用状态估计进行结合 有效实现了轨道占用识别的实时性和自 主性 论文采用实际现场测试数据对所提出的轨道占用估计方法进行了验证 并通过与GPS模式的比较探讨了 我国北斗卫星导航系统在铁路系统应用中的可行性和实际性能 关键字 列车定位 组合定位 轨道占用估计 北斗卫星导航系统 轨道电子地图 中图分类号 U284 文献标志码 A doi 10 3969 j issn 1001 8360 2014 03 009 Map aided BDS INS Integration Based Track Occupancy Estimation Method for Railway Trains LIU Jiang 1 2 CAI Bai gen 1 WANG Jian1 2 1 School of Electronic and Information Engineering Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China 2 State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China Abstract Satellite navigation has broad prospects in multiple location based railway applications and services Presently the autonomously developed BeiDou Navigation Satellite System BDS in China has become capable of providing local services which is promoting great opportunities for its application and development in rail way transportation systems When using the satellite navigation system in train positioning track occupancy state estimation is an important factor in train position description and an essential precondition of positioning correctness In this paper based on the requirements of the high speed train collision early warning system the map aided BDS INS Intertial Navigation System integration based track occupancy estimation method was proposed in which the assistant information from the electronic track map was involved to constrain the kine matic models in BDS INS data fusion and the Interactive Multiple Model IMM scheme was introduced to combine the integrated train positioning and track occupancy state estimation Based on the proposed solution the track identification could be realized real timely and autonomously Results from field tests validate the ca pability of the proposed method and comparison with the GPS based solution demonstrates the feasibility and performance stage of BeiDou Navigation Satellite System for practical railway applications Key words train positioning integrated positioning track occupancy estimation BeiDou Navigation Satellite System electronic track map 收稿日期 2013 04 17 修回日期 2013 08 06 基金项目 中国铁路总公司科技研究开发计划 2013X001 A 2 2013X009 D 高等学校博士学科点专项科研基金 20120009110029 北京交通 大学人才基金 2013RC014 国家自然科学基金项目 U133421 U1234205 作者简介 刘江 1985 男 陕西汉中人 讲师 博士 E mail jiangliu bjtu edu cn 在支撑铁路运行发展的众多领域中 基于位置的 服务LBS Location based Service 已成为了重要的方 向 利用先进的定位感知手段对在线运行的列车进行 监测 能够实时准确把握列车这一铁路系统关键目标 载体的运行状态 从而为行车安全及效能优化提供关 键的基础信息 为自主列车运行控制 列车追踪预警等 相关技术及系统的开发实现提供支撑作用 在列车位置状态的描述过程中 列车位置与轨道 占用状态是最为关键且相互关联的两个内容 一方面 不同于常规基于轨旁设备的列车占用状态识别 列车 定位信息能够为占用状态识别提供重要信息来源 另 一方面 轨道占用状态识别的正确与否将直接决定列 车位置判决的正确性 常规的列车定位系统普遍采用 轮轴速度传感器进行测速定位 辅以地面应答器实现 速度传感器误差的校正 解决车轮空滑 轮径磨耗及误 差累积问题 1 然而 基于应答器的定位模式无法摆 脱对地面设备的依赖 且难以在建设维护成本 系统自 主效能等方面取得有效均衡 卫星导航系统作为一类 关键的核心战略资源 能够以其低成本 高性能及灵活 适用性 为 众 多 应 用 领 域 提 供 支 持 近 年 来 GPS GALILEO等卫星导航系统在铁路运输中的应用逐渐 受到国内外研究人员的重视 在列车定位机理 性能优 化 安全保障等方面产生了一系列重要研究成果 2 4 我国青藏铁路首次采用了基于GPS卫星定位的增强 型列 车 控 制 系 统ITCS Incremental Train Control System 为卫星导航在铁路系统的应用积累了宝贵 经验 近年来 我国自主发展了北斗卫星导航系统 下 称 北斗系统 BDS BeiDou Navigation Satellite Sys tem 并已正式开始向亚太地区提供定位 导航及授 时服务 5 北斗系统的自主性优势为铁路运输系统现 代化发展及自主安全保障提供了重要的历史契机 将 成为未来我国铁路发展的一个重要方向 在采用北斗系统等卫星导航资源实现列车定位并 进行轨道占用状态识别的过程中 卫星定位结果需要 有效适应铁路列车定位的实际特点 利用轨道电子地 图 惯性导航系统INS Inertial Navigation System 下称 惯导系统 及相应信息处理技术将其转换至一 维轨道坐标体系 从而直接服务于相关位置应用 然 而 卫星定位结果不可避免会存在误差 其误差水平在 铁路运行环境下可能导致定位结果的正确性风险 特 别是对于双线铁路及站内多股道区域等情况 列车定 位结果的判定需以准确识别列车的轨道占用状态为基 本前提 轨道占用状态估计与识别是采用卫星导航实 现列车定位的关键基础 国外研究人员早期即在采用 GPS的列车定位研究中对轨道占用识别问题进行了 总结 指出一维列车位置坐标体系下轨道占用识别的 方式和主要挑战 6 7 近年来 隐马 尔可夫模型 8 Hausdorff距离 9 Fr chet距离 10 等方法逐渐被研究 并用于轨道占用自动识别 通过信息处理过程降低了 道岔状态检测 应答器辅助等方式对外部设备的依赖 然而 已有方法均建立在与训练参考模板之间的匹配 决策原则上 需要相应的先验知识进行辅助 未与列车 位置决策过程建立紧密关联 在采用北斗卫星导航的 列车位置判决过程中 电子地图为列车位置描述提供 了固有空间约束 为列车可能的轨道占用状态提供了 参考信息 借助于北斗 惯导组合的模式 交互多模型 IMM Interactive Multiple Model 估计能为充分利用 地图参考信息实现列车轨道占用状态估计提供重要途 径 并能将轨道占用状态估计与列车位置判决逻辑进 行有效统一 实现高效的多源信息融合 为进一步开发 列车安全定位系统 实现符合铁路 故障 安全 原则 的位置应用及服务提供基础条件 本文结合列车追踪接近预警这一实际应用背景 采用北斗 惯导组合的列车定位模式 利用轨道电子地 图数据库辅助实现基于IMM的列车定位信息融合及 轨道占用估计 对列车经由道岔完成的正线切出及切 入运行状态进行准确识别 并通过实际现场测试数据 对所提出方法进行验证 1 列车轨道占用估计问题描述 从一般意义上看 轨道占用状态估计是伴随列车 位置状态判定过程的实际需求而产生的一类重要问 题 列车定位系统需在功能上完成对列车运行状态的 实时掌握 进而在性能方面满足列车位置的精确性 可 靠性和完好性等目标 列车定位结果需符合轨道位置 坐标体系约束这一列车位置的本质特征 而轨道坐标 体系的定义需与各轨道的基本属性相对应 如此则导 致对列车所占用轨道的状态估计识别是正确选择所对 应位置约束条件的前提因素 它是列车定位及列车位 置应用系统实现预定功能并达到满足期望性能需求的 决定性基础 具体而言 列车轨道占用状态估计问题 来源于两个方面 1 列车定位内部逻辑层面 常规的列车定位方式 如轮轴速度传感器 应答 器 多普勒雷达等 不论采用测速定位模式还是点式校 正模式 均直接在铁路轨道位置坐标体系约束下构成 定位处理逻辑 即采集处理所得列车位置是以某一固 定参照为起点 沿轨道方向变化的一维距离 以北斗 系统为代表的卫星导航系统用于列车定位 需以轨道 地图数据为参考依据 将其所得二维 三维 通常在二 05 铁 道 学 报第36卷 维平面坐标系下考虑列车位置 位置变换为一维轨道 位置 从而使其符合轨道坐标系属性 然而 北斗卫星 定位结果的不确定性使其误差可能超过常规轨道识别 的能力范畴 特别是在站内多股道并存的情况下 见图 1 卫星定位误差限值 e k 轨道地图匹配残差eM k 等误差量若超过相邻轨道半间距范围 即 e k d 2 或eM k d 2 对定位结果从属于何轨道的判别将产 生不确定性风险 进而影响实际一维列车位置的正确 性 特别是在道岔的车站咽喉区 轨间距可能随线路 分布呈现渐变特征 低轨间距条件下的列车定位性能 需求对轨道占用状态估计的准确性 实时性等带来了 挑战 2 列车位置外部应用层面 在正确 及时识别列车占用轨道的基础上 列车定 位系统将结合列车所处轨道的空间特征对列车位置进 行估计判定 并将定位结果用于列车运行监测 控制等 相应的位置应用服务 结合高速列车追踪接近预警系 统这一位置应用 对轨道占用状态估计识别在应用层 面的问题进行阐述 列车追踪接近预警系统以列车精 确定位为前提 对同线路 同方向运行的相邻追踪列车 提供安全预警服务 11 相邻前后行列车之间追踪关 系的确定仅考虑正线运行列车 追踪前车在经过道岔 进入侧线的情况下 后车将调整其追踪预警逻辑 与前 方最邻近正线同向列车建立追踪预警关联 见图2 列 车B进站切出正线后 列车A将解除与其保持的追踪 关联 追踪预警逻辑将进行更新 若列车B重新切入 正线且仍处于列车A前方同线同方向运行过程 列车 A B间的追踪安全预警逻辑重新建立 列车追踪预警系统的特定功能需求对所有在线运 行列车的轨道占用状态的估计识别提出了直接需要 为确保列车位置应用服务效能的实现 向司机提供准 确 可靠 可信的安全辅助 对道岔等关键区域内列车 轨道占用状态估计的正确性 可靠性提出苛刻要求 本文在上述两方面问题下 结合列车追踪接近预 警系统应用需求 采用北斗 惯导组合模式实现自主连 续列车定位 基于轨道电子地图辅助及组合定位提出 一种轨道占用状态估计方法 充分利用估计过程中的 模型概率 地图匹配残差等关键参量对轨道占用状态 特征的描述能力 在列车追踪接近预警系统运行中实 现列车正线切出 切入状态的有效识别 进而为列车运 行安全提供基础信息保障 2 基于北斗 惯导组合的列车定位 列车追踪接近预警系统以自主性 独立性为基本 原则 采用与既有铁路信号系统相独立的信息来源和 处理逻辑实现列车追踪安全预警功能 在系统设计方 案中 基于车载预警设备完成实时精确列车定位 地面 预警中心设备完成列车追踪预警逻辑处理并通过无线 传输网络下达预警指令向司机给出预警提示 车载预 警设备主要由无线通信单元 车载计算单元 车载定位 单元 天馈等部分组成 车载预警系统基本结构见图 3 车载定位单元主要由卫星导航定位接收机 具备 北斗 GPS多模式兼容能力 惯性测量单元等定位传 感器构成 预留与车载列控系统设备相独立的轮轴速 度传感器接口 车载处理单元作为列车定位及轨道占 用状态估计的核心计算器件 通过内部的安全定位逻 辑以及存储的轨道电子地图数据库实现定位计算和输 出功能 并经由无线通信单元向地面发送位置报告 15 第3期地图辅助北斗 惯导组合的列车轨道占用估计方法 以北斗 GPS为核心的卫星导航定位能够不依赖 于地面设施完成自主列车定位 沿线设置若干差分定 位基站能够为卫星定位提供精确性保障 为解决导航 卫星空间信号SIS Signal In Space 可用性问题 同时 获得轨道占用状态估计所需的列车运行方向信息 加 速度计 陀螺仪等惯性传感器件用于提供高频 连续的 测距 测向辅助 从而在更高分辨率的时间尺度 时间 连续性 和空间范畴 道岔等关键区域 内实现列定位 性能优化 定位处理逻辑基于多传感器信息融合策略 开发融合滤波估计器 在不同条件下设置相应处理方 案实现组合定位计算 进而通过信息来源与处理方法 的双重保障 为列车轨道占用状态估计与识别的充分 性 准确性和可靠性提供支持 3 地图辅助轨道占用状态估计算法 轨道电子地图为列车可能占用的轨道属性提供了 参考依据 地图辅助轨道占用状态识别的核心思想主 要针对两个方面进行 一方面 在多源定位信息的融合 估计过程 利用交互多模型对列车的正线保持 轨道切 换等运行状态进行区分 模型匹配概率的实时更新与 比较为轨道占用状态估计提供了有效的指示信息 另 一方面 基于多源定位信息融合估计结果 能够根据列 车位置估计结果与各候选轨道的预匹配为列车轨道占 用状态的动态过程提供直接依据 从而结合模型概率 提供的状态指示进行综合决策 3 1 基于IMM的状态估计方法 融合滤波器状态转移模型是时间更新过程中进行 状态预测的决定性因素 是滤波估计进行量测校正的 直接对象 交互多模型估计的基本原理在于将常规的 单一模型预测方案变为基于模型集的并行综合估计 根据状态转移的可能特性设置多个并行滤波器分别进 行时间更新和量测更新计算 利用各滤波器残差等指 示信息及模型先验信息评估更新各模型当前能够作为 最佳匹配模型的概率 并最终利用模型匹配概率为权 值对估计结果进行综合 依据多模型估计需求 系统 状态方程和量测方程可列写为 x i k 1 f x i k mk k Wk z i k h x i k mk k V k 1 式中 x i k 为m i 对应滤波器 在 k时刻 的状态向量 m i M m 1 m 2 m M为模型集 为所 含模型数量 f h 为描述系统状态转移过程 和量测过程的非线性函数 线性情况下可由矩阵表示 mk为当前时刻下的有效模式 Wk Vk分别为系统噪声 及量测噪声向量 假设模型概率的转换过程符合马尔科夫过程 定 义无约束条件下k到k 1 时刻模型m j 到 m i 的转 移概率为 ji p m i k 1m j k 模型m i k 在k时刻的匹 配概率为 i k p m i kZ k 其中Zk为系统量测 则初 始阶段模型转移概率满足 i 1 ji 1 j 1 2 2 在k时刻由模型m j 到 m i 的转移发生概率为 j i k ji j k i k 1 k ji j k j 1 ji j k 3 根据以上定义及假设 基于IMM的状态估计过 程可分为4个步骤 12 1 模型交互输入 根据上一融合周期 k 1时刻 所得状态估计结 果以及模型条件转移概率 当前时刻k各个并行单模 型滤波器的初值 包括状态向量和估计方差 将进行交 互更新 即有 x i o k 1 j 1 j i k 1 x j k 1 4 P i o k 1 j 1 j i k 1 P j k 1 x j k 1 x i o k 1 x j k 1 x i o k 1 T 5 式中 x j k 1 P j k 1分别为并行单模型滤波器j 的估计状 态向量和估计方差矩阵 x i o k 1 P i o k 1为更新输入量 如此 则每一融合估计周期所进行的并行滤波过程均 利用了系统所有先验及后验信息 2 并行滤波估计 以经过输入交互的 x i o k 1 P i o k 1为各滤波器在当 前时刻k的初值 滤波器首先根据各自对应模型m i 对k时刻的状态进行预测 所得预测结果 x i k k 1 P i k k 1 由传感器量测信息再进行加权更新 进一步得到状态 估计结果 x i k x i k k 1 Kkzk z k 6 及其估计方差P i k 其中 Wk为滤波增益 zk zk分别为 量测向量及量测预测向量 根据系统特性及实际应用 需要 可针对性选择不同滤波计算方案 如常规 Kal man滤波 EKF 拓展Kalman滤波 UKF 平淡 Kal man滤波 等 采用式 6 所示形式完成融合估计 并 在融合估计结果中充分体现相应模型m i 各自的预测 估计特征及性能作用 3 模型概率更新 滤波器估计过程相应的精确性水平可由残差误差 进行衡量 借助各个单模型并行滤波残差更新结果 能 够有效完成对该模型与当前实际状态转移过程相匹配 程度的近似评价 在高斯统计分布假设条件下 考虑 25 铁 道 学 报第36卷 理想情况 即模型m i 在 k时刻与实际模型匹配 滤波 残差v i k 为零均值且方差为S i k 的高斯白噪声 模型 m i 为匹配模型的似然函数为 i k exp 1 2 v i k T S i k 1v i k 2 S i k 7 式中 残差方差的期望为S i k E v i kv i k T 其可根 据实际采用的滤波估计方案计算更新 由此 可以预 测模型概率更新结果为 i k i k k 1 i k j 1 j k k 1 j k 8 4 加权综合输出 根据各并行滤波器融合估计结果 x i k P i k 可利 用更新的模型概率值作为权重 加权计算最终的交互 多模型状态估计结果 xk i 1 i k x i k 9 Pk j 1 i kP i k xk x i k xk x i k T 10 3 2 地图辅助IMM的北斗 惯导组合定位 结合IMM融合估计方法的特点 为实现列车在 关键区域内的轨道占用状态估计与识别 在北斗 惯导 组合定位逻辑设计中采用不同模型对列车在正线的常 规运行状态和正线 侧线切换运行状态进行区别描述 在模型构建过程中引入轨道电子地图信息对列车运行 状态进行约束 对列车轨道占用状态的变换时刻进行 监测 为利用列车定位结果及其中间量实现占用轨道 的识别确认提供准确的时间指示 本文选取惯导系统推算过程构成基本定位系统 在忽略列车高程变化并仅考虑列车纵向运行过程的情 况下 列车位置定义在二维平面坐标系下 且列车横 滚 俯仰姿态角假设无变化 以东向位置 东向速度 北向位置 北向速度 航向角 航向角速度 加速度构成 系统状态向量 即 x x vx y vy a T 11 在统一的状态量定义下 所设计的北斗 惯导组合 定位融合估计过程采用双模型构成模型集 1 轨道切换模型 在轨道切换过程中 不论是列车正线切入还是正 线切出状态 短时间 一个滤波周期 内的列车位置量 可认为近似服从匀速或匀加速运行过程 航向角变化 近似服从匀速变化过程 所有状态量的时间更新均由 上一时刻估计值递推获得 则系统状态转移过程可描 述为 x k 1 x k vx k 1 2 a k cos k 2 12 vx k 1 vx k a k cos k 13 y k 1 y k vy k 1 2 a k sin k 2 14 vy k 1 vy k a k sin k 15 k 1 k k 16 k 1 k 17 a k 1 a k a 18 式中 为融合滤波周期 通常由为惯导提供校正作用 的北斗输出周期决定 a分别为角速度 加速度的 随机误差 代表了所采用匀速模型 匀加速模型对实际 角速度 加速度变化量的跟踪偏差 常选为固定值用于 实际计算 轨道切换模型不直接受约束于轨道地图信 息 从运行动力学角度反映了列车状态转移的过程特 性 2 正线保持模型 列车大多数情况下运行于铁路正线 与前 后列车 保持间隔追踪运行 在不存在轨道变换的情况下 列车 始终保持正线运行状态 轨道电子地图数据库包含正 线轨道的曲线信息及相关属性信息 以此为参照 列车 的航向角 角速度等方向相关量均需符合轨道地图数 据库对所在正线轨道的描述 因此 可以设计基于地图 约束的列车正线保持运行模型 对轨道切换模型中的 式 16 式 17 进行修改 使其满足 k mx k y k 19 k mx k y k 20 式中 m m 分别为航向角与角速度匹配函 数 即将当前状态对应的位置量x k y k 投影匹配 至正线所得线路区段属性定义的轨道方向及方向变化 率 轨道电子地图数据库常采用离散点列构成连续折 线段逼近实际轨道的曲线特征 正线轨道数据处理过 程中即可近似计算线路的静态航向角度及其离散变化 率 并作为地图位置的附加属性 在轨道占用状态估 计识别中 利用式 19 式 20 约束航向角与角速度使 其满足轨道曲率等曲线特征的实际情况 基于IMM 的北斗 惯导融合估计中 利用模型计算得到一步状态 预测 可利用列车预测位置进行预匹配并从地图属性 中提取信息 从而利用地图辅助作用为模型表述的状 态转移过程增加约束 使其所表达的列车动力学特性 符合列车在正线运行的空间特征 并与轨道切换模型 存在显著差异 总体来看 轨道切换模型更切合于列车作为动态 35 第3期地图辅助北斗 惯导组合的列车轨道占用估计方法 载体的动力学特征 而正线保持模型充分反映了列车 运行对轨道线路的从属约束 分别以m 1 m 2 代表 上述2个模型 在采用IMM策略对北斗 惯导信息进 行融合过程中 需对无约束条件的模型转移概率 ij 进 行预先约定 以正线运行为常态状态 则可定义模型概 率转移矩阵为 11 12 21 22 21 融合估计过程以北斗定位接收机输出的东向坐标 位置 北向坐标位置 速度 航向 以及惯导输出的角速 度 加速度构成量测向量 即 z x y v a T 22 2个模型对应的并行滤波器将按照各自的模型定 义 利用式 11 式 22 所示系统状态及量测过程进行 独立融 合 估 计 本 文 选 用 容 积Kalman滤 波CKF Cubature Kalman Filter 算法进行融合计算 利用2n 个 n为状态向量维数 等权值 Cubature点对Bayes ian估计的积分过程进行近似 在高斯假设条件下完成 状态估计 CKF滤波计算的具体流程见文献 13 利用CKF滤波完成IMM估计过程的并行融合 估计之后 模型概率更新所需各滤波器的滤波残差向 量v i k 可由下式计算 v i k zk z i k k 1 zk h x i k k 1 m i k 23 式中 z i k k 1为模型m i 所对应滤波器在 k时刻由一步 状态预测 x i k k 1所得的量测估计量 进而 更新模型 概率所需的残差方差S i k 可由滤波过程中的新息方差 矩阵P i zz k k 1表示 则残差方差表示为 S i k 2n j 1 jz i j k k 1 z i j k k 1 T z i j k k 1 z i j k k 1 T R i k 24 式中 j为Cubature点权重且 j 1 2n R i k 为模型 m i 对应滤波器的量测噪声方差矩阵 基于上述模型定义 滤波算法以及参量计算策略 所设计的北斗 惯导组合定位过程将在前述IMM估 计框架下实时完成 在正常运行条件下给出列车位置 状态的融合结果 xk P k 并用于轨道占用状态估计 3 3 列车轨道占用状态估计 在采用地图辅助实现IMM融合估计的基础上 正线轨道信息作为唯一的候选参考目标 列车所占用 轨道的估计识别将遵循以下原则进行 1 正线轨道初始匹配 为了衡量当前列车估计位置与正线轨道之间的偏 离态势 引入地图匹配逻辑进行初始匹配操作 将估计 位置 xk匹配至正线 这里采用基于投影的匹配策略 利用估计位置 xk对应的位置区间及里程值在正线地 图点列中进行搜索 根据最邻近原则寻找并确定由2 个相邻正线特征点构成的最小匹配候选区段UiUj 根 据 点 线 几 何 关 系 计 算 xk至UiUj的 投 影 点Uk Uk UiU j 作为当前k时刻的初始匹配位置 如此 可计算初始匹配残差rk为 rk d xk U k 25 式中 d 为二维平面坐标系下两点间的距离函数 利用差分计算可以进一步获得初始匹配残差的变化率 rk为 rk rk rk 1 k 1 26 并用其衡量IMM融合估计结果与正线轨道偏移 的动态变化程度 2 轨道占用状态估计 定义正线占用标志量Gk 令Gk 1表示k时刻列 车在正线轨道运行 Gk 2表示列车未占用正线 则在 利用初始匹配残差进行轨道占用状态估计的过程中 估计逻辑将利用上一时刻状态信息 轨道基础信息及 当前状态指示量的共同作用给出最终估计结果 k时 刻的轨道占用状态估计所需利用的信息具体包括 k 1 时刻正线标志Gk 1 k时刻模型概率 1 k 和 2 k 初始匹配残差rk及其变化率 rk 对于列车的正线切出过程 列车经由道岔变换方 向进入侧线 单独使用初始匹配残差rk无法避免融合 估计误差对轨道占用状态判别正确性的影响 因此 采 用一种基于相对偏移累积量的判定逻辑 即容忍融合 估计误差的存在 假定正线切出过程中融合误差水平 相对稳定 在k 1 时刻列车处于正线 Gk 1 1 当 前轨道切换模型概率高于确定阈值 1 k 且初始匹 配残差变化率 rk为递增量 rk rk 1 的前提下 计 算目标列车正线相对偏移累积量D 并将其与预定阈 值 D进行比较 若满足 D D rk D 27 则判定检测出正线切出过程 令当前Gk 2并将 相对累积量重置为D 0 否则 则继续保持Gk 1正 线占用的状态判定结果 这样 对于列车正线切出的 估计和识别充分综合了IMM组合定位结果 轨道参 照信息 先前占用状态信息及列车运行特征等多种信 息的作用 合理选择相关阈值的情况下能够有效抑制 误判的发生 降低列车位置应用的安全风险 对于列车的正线切入过程 列车在侧线运行并经 由道岔变换方向回到正线运行状态 类似于正线切出 的判定逻辑 在 k 1 时刻列车处于侧线Gk 1 2 当 前正线保持模型概率高于确定阈值 2 k 且初始匹 配残差变化率 rk为递减量 rk rk 1 等条件均满 45 铁 道 学 报第36卷 足的前提下 直接以变化率 rk为指示量判断列车位 置与正线轨道的接近程度 相应判别条件为 rk R 1 2 W 28 式中 为判决阈值 R的尺度系数 W相邻轨道间距 需依据我国高速铁路设计原则确定 在式 28 所示条 件满足的情况下 令当前时刻Gk 1 否则 继续保持 Gk 2非正线占用的状态判定结果 3 列车定位最终输出 通过上述地图辅助北斗 惯导组合的IMM融合 估计以及轨道占用状态估计过程 最终列车定位处理 逻辑向外部给出定位输出的最终结果将根据轨道占用 状态分别加以确定 在判定列车处于正线运行的情况 下 选择初始匹配位置Uk作为最终输出 而在非正线 运行的情况下 不再以正线轨道为参考基准进行匹配 校正 而直接使用滤波器融合估计结果 xk作为最终输 出 即最终输出xo k取为 xo k UkGk 1 xkGk 2 29 考虑北斗定位对卫星信号的依赖性 在卫星导航 定位失效的情况下 惯导系统利用加速度计的距离测 量能力和陀螺的测角能力继续完成独立推算 并在相 应融合时刻给出位置推算结果xins k代替滤波估计值 xk 从而能够使上面给出的轨道占用逻辑得以持续实 现 在一定时间内确保列车定位性能满足需求 4 验证与分析 结合2012年6月14日于汉宜铁路进行的 高速 铁路列车追踪接近预警系统 现场试验进行分析 利用 所采集的北斗 惯导列车定位数据进行计算处理 并与 高精度GPS定位接收机定位结果进行比较 验证本文 提出的轨道占用状态识别方法效能以及北斗卫星导航 系统在列车定位应用中的适用性 4 1 测试试验条件 在列车追踪预警系统测试中 选择高速动车组 CRH5 127为追踪前车并作为测试列车进行北斗 惯 导数据采集 采集时段该列车运行于汉宜铁路枝江北 站至潜江站上行方向 以列车侧线通过荆州站时段的 测量数据进行轨道占用状态估计计算验证 按照测试 试验计划 试验列车在荆州站的运行路径见图4 列 车计划由正线经过岔18转至侧线通过该站 并通过岔 15进入 荆州 潜江 区间正线运行 测试过程中 利用车载组合定位单元进行原始数 据采集 其中分别使用OLinkStar CC50 BG型北斗二 代卫星导航接收机与ADIS16375型MEMS惯性测量 单元进行列车位置测量 输出频率分别设为1 Hz 100 Hz 同时利用Ashtech MB100型高频GPS接收机 10 Hz输出频率 进行对比验证 测试区段卫星可视性良 好 利用前期进行的线路勘测数据制作了正线轨道电 子地图 同时对站内正线 侧线相关道岔位置进行了精 确测量 为轨道占用状态估计提供了参考信息 4 2 北斗 惯导组合占用状态估计 对测试列车侧线通过荆州站过程的数据进行计算 分析 所采用的数据段长度为150 s 经过时间同步的 北斗卫星定位接收机以及惯性测量单元原始测量输出 信息见图5 其中 北斗接收机输出包含列车经纬度 坐标 列车速度 惯性单元输出包括陀螺的航向角速度 和加速度计的列车纵向加速度测量结果 由图5可以 看出 北斗定位输出较平滑 而陀螺和加速度计输出包 含相对较大的随机噪声 利用论文所述地图辅助IMM估计方法对北斗 惯导数据进行融合 其中 相关参数的选择为 无约束条件下的模型转移概率取为 0 8750 125 0 0250 975 正线相对偏移累积量阈值设置为 D 2 0 初始匹 配残差变化率阈值的尺度系数 1 0 轨道间距W 5 0 则实际阈值为 R 2 5 模型概率阈值取 0 6 利用北斗定位结果对惯性推算过程进行初始化 并取 初始正线占用标志量G1 1 交互模型集模型数量 55 第3期地图辅助北斗 惯导组合的列车轨道占用估计方法 2 系统状态量维数n 7 滤波周期为 1 角速度 加速度随机误差量分别取 0 01 a 0 01 图6 给出了IMM估计过程中轨道切换模型和正线保持模 型的概率随时间变化情况 由图6可以明显看出 在 3个时间段内轨道切换模型概率处于明显优势 而在 其它大部分情况下正线保持模型处于较优匹配态势 由于在实际测试过程中没有绝对真值可对估计性 能直接评价 故而选择估计新息u i k 对滤波器对量测 信息的校正作用程度进行评估 其中 新息为 uk h xk k zk 30 同时 采用单模型估计框架分别独立使用轨道切 换模型和正线保持模型进行滤波估计并计算新息时间 更新量 图7 图8分别给出了IMM估计和2个单模 型估计方案下东向位置 北向位置估计新息的对比结 果 由图7 图8可以看出 大部分时间内3种方案的 位置估计新息相差不大 而在一些单模型新息存在明 显差异的时段内 IMM方案下取得的估计新息介于两 者之间 体现了对不同模型的综合作用 在北向位置的 作用要明显于东向位置 图9给出 了正线保持 模型单模型 估计方案与 IMM估计方案下的匹配残差比较情况 对应于图6所 示模型概率可以看出 在IMM方案下由于判定列车 进入侧线不做匹配计算 无匹配残差 而相应时段内采 用正线保持模型进行地图匹配计算的残差较正线运行 时发生了明显的增大 IMM估计方案利用轨道占用状 态的判断有效避免了向正线的无效投影匹配 图10相应给出了列车位置估计结果在正线轨道 地图上的显示结果 同时 以高斯平面坐标系下的东向 位置为统一参照尺度 给出了列车的正线占用标志变 化情况 其中 Gk由1至2以及由2至1的变化时刻 分别对应了列车经由岔18和岔15的正线切出和正线 切入时间 此外 对比图6所示模型概率可以看出 轨 道切换模型概率3次跳变中的中间1次并不是由于实 际的轨道切换运行造成 而是由于列车在站内运行时 站台雨棚遮挡导致卫星定位误差的不确定性增大 对 惯导的校正能力减弱 相对更为敏感的GPS在相应时 段内出现了定位中断情况 本文提出的轨道占用状态 估计逻辑综合模型概率 初始匹配残差变化率 累积偏 移量等多重信息作为条件进行决策 一定程度上有效 避免了误差对轨道占用状态估计的干扰 图11给出了MapInfo软件中列车的融合估计位 置 惯性导航系统定位结果对低频北斗系统的输出补 偿 列车在正线运行情况下的地图匹配位置以及轨道 电子地图的地理坐标位置关系 并相应标出了关键道 岔位置以及相应的轨道估计识别延迟距离 由图11 可以看出 本文所提出的方法对正线切出和正线切入 65 铁 道 学 报第36卷 状态的判别存在一定的延迟或超前 其具体原因将在 后文结合量化结果给出详细分析 考虑试验过程中测试列车与后车之间的追踪关 系 CRH5 127车在荆州站的侧线通过运行使其追踪 逻辑中出现无追踪时段 在该时间段内地面预警中心 将中断其与后车间的追踪逻辑直至其重新回到正线运 行 其里程更新值及与后车的比较情况如图12所示 在实际测试追踪过程中 由于后车CRH5 129仍在 枝 江北站 宜昌东站 区间下行方向运行 两车非同线同 方向运行 因此仅在理论层面讨论了预警逻辑的建立 维持与中断与轨道占用状态估计之间的关系 4 3 北斗 GPS估计性能分析 为进一步检验北斗系统用于列车轨道占用状态估 计 列车定位及追踪预警的性能 结合数据测量结果采 用相同的计算逻辑对北斗和GPS的估计结果进行了 比较 如前所述 所采用的GPS测量虽相对于北斗具 备更高的输出频率 但在站内侧线运行经过站台区域 时出现了卫星信号失锁及定位中断 采用卫星 惯导 组合模式 加速度计能为GPS定位中断提供有效的补 偿 图13展示了GPS卫星信号丢失情况下惯性推算 的补偿能力 虽然惯性推算精度的持续性由于误差累 积无法与正常条件下的卫星定位相当 但地图信息的 引入能够对其进行校正 为正确进行轨道占用状态估 计提供了重要条件 这充分体现了使用加速度计以及 地图辅助信息的必要性 如图13所示 在地图惯导辅助下 北斗和GPS均 可实现有效的轨道占用状态估计识别 表1对2种卫 星系统模式下的轨道占用状态估计性能进行了比较 北斗系统的东向平均新息误差低于GPS 北向略高 平均匹配残差低于GPS 在正线切入 切出的空间延 迟上 北斗系统在切出状态识别上存在相对较大的延 迟 若以18号道岔80km h的侧线通过速度 14 对延 迟时间进行估计 北斗高出GPS约0 9 s 其原因在于 道岔区域内轨道间距由小到大的渐变过程中存在一定 程度不确定性 为避免误判在列车接近进入平行轨道 区域时才达到判决条件 在正线切入过程 由于正线 侧线间距离逐渐减小 在列车即将到达道岔位置或完 全进入正线之后才确认占用状态切换 北斗系统估计 结果出现短时超前 GPS略有延迟 两者的绝对延迟 水平远低于切出状态的判别 体现了良好的占用状态 跟踪能力 75 第3期地图辅助北斗 惯导组合的列车轨道占用估计方法 表1 BDS GPS轨道占用估计性能比较 m 性能 BDS INS模式GPS INS模式 东向平均位置新息 0 010 29 北向平均位置新息 0 640 51 平均匹配残差 0 490 56 正线切出空间延迟 105 484 7 正线切入空间延迟 10 99 7 综合看 论文所提出的轨道占用状态估计方法具 备良好的估计性能 虽然能够降低占用状态识别的误 判及异常概率 但也有一定的保守性 从卫星导航系 统模式间的对比结果看 北斗系统具备与GPS相当的 组合定位与轨道占用状态识别能力 能够有效支持列 车追踪接近预警等系统的实际应用 5 结束语 本文以列车追踪接近预警系统为背景 针对列车 轨道占用状态估计问题探索并提出了一种基于地图辅 助北斗 惯导组合的轨道占用状态估计方法 利用交互 多模型估计框架以及轨道电子地图的辅助作用将列车 组合定位与轨道占用状态识别进行了有效结合 现场 测试试验结果验证了所提出的有效性 同时 对北斗 GPS应用于轨道占用状态估计的性能比较进一步显 示了北斗系统在列车定位及追踪预警等实际应用中的 潜力 为将来北斗系统在铁路运输系统的推广应用提 供了重要参考 未来将进一步在列车轨道占用状态估 计的解保守性方面进行深入研究 并引入列车定位自 主完好性监测技术 为开发列车安全位置决策逻辑并 满足铁路 故障 安全 原则提供基础条件 以进一步实 现基于北斗卫星导航系统的自主列车定位及追踪接近 预警等系统应用 参考文献 1 乔超 唐慧佳 列车里程计定位方法的研究 J 兰州铁道 学院学报 自然科学版 2003 22 3 116 119 QIAO Chao TANG Hui jia The Method of Positioning Trains by Odometers J Journal of Lanzhou Railway Uni versity Natural Science 2003 22 3 116 119 2 FILIP A BEUGIN J MARAIS J et al Safety Concept of Railway Signalling based on Galileo Safety of life Service C Proceedings of 11thInternational Conference on Com puter System Design and Operation in the Railway and