新一代列车定位系统设计方案

新一代列车定位系统设计方案

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********，北京100044

摘要：以信息融合技术为基础，研究以速度传感器为核心的多传感器融合列车测速定位系统;

关键词：列车定位；基于通信的列车运行控制；多传感器融合

A new generation of train positioning system design

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******,Beijing 100044

Abstract:based on information fusion technology, and research as the core of the multi-sensor speed sensor Fusion Train Speed Positioning System;

Keywords: The trainpositioning; communication-based train control; multi-sensor fusion

1 引言

在现代城市轨道交通信号系统中，列车定位技术主要用以提供列车实时、精确的位置信息，辅助列车实现区间追踪运行和车站精确停车的功能，以此保障列车运行的安全、高效和行车指挥的便捷、有序。基于通信的列车控制系统(CBTC) 是一种连续的自动列车控制系统，它利用高精度的列车定位(不依赖于轨道电路) ，采取双向连续、大容量的车地数据通信，依靠车载、地面的安全功能处理器来加以实现，精确的列车位置和速度信息能有效地提高行车效率和安全度。在城市轨道交通系统中，列车需要交替运行在地下和地上，运行环境比较复杂，单独依靠一种测速定位技术很难获得高精度的列车位置和速度信息。因此，研究多传感器融合技术，就能够结合不同传感器的优点，弥补各自的缺点，通过冗余互补提供更加可靠、精确的列车速度和位置信息。

2 定位技术背景

2.1 测速定位技术

测速定位通过不断测量列车的运行速度、对列车的即时速度进行积分的方法，得到列车的运行距离，辅助其他定位方法( 如查询-应答器定位、电子地图匹配) 来获取列车的位置信息。下面对几种主要的测速测距方法进行分析比较。

1) 脉冲转速传感器( odometer) 是通过列车车轮转动产生数字脉冲，输出脉冲信号通过信号处理后，可直接输入微处理器进行计算，得到高测量精度的速度、距离信息。

2) 多普勒雷达( Doppler radar) 依靠雷达向地面发射信号，检查雷达回波频率与发射信号频率的不同，根据多普勒效应计算列车的运行方向和速度，再对列车的速度进行积分，得到列车的运行距离。

3) 航位推算系统( dead reckoning，DR) 在航天、航空和航海领域得到广泛应用，航位推算系统一般使用惯性传感器作为航向传感器和位移传感器，具有不与外界发生光电联系和不受气候条件限制的特点。随着惯性传感器的民用普及和成本降低，它成为列车测速测距的一种可选方案。

脉冲转速传感器技术的发展已经相对成熟，在实际应用中实现比较简单，能提供高精度、数字化的速度和距离信息，因此近年来得到了广泛应用。但是，由于以车轮转动作为采集对象间接获取列车速度，车轮磨损产生的轮径变化、运行过程中的空转和滑行会产生较大的误差。雷达和航位推算系统是直接测量列车速度和距离的方式，不存在车轮磨损、空转、滑行等造成的误差。但是，多普勒雷达测速方法比较复杂，需要考虑雷达校正、不同地面反射系数等问题; 航位推算系统受到传感器本身温漂、敏感度等的影响，在短时间内测量具有较高的精度，但长时间使用会导致较大的累积误差，因此在使用航位推算系统进行列车测速定位时，需要解决累积误差的补偿问题。

2.2 多传感器信息融合方法

多传感器的信息融合要完成同源、同质、非同源、非同质的测量信号融合，需要多领域融合算法的支持。现有的融合算法基本可以分为随机类方法和人工智能类方法: 随机类方法包括加权平均、Kalman滤波、Bayes 概率推理法、Dempster-Shafer 证据推理、小波变换等，是多传感器融合最常用的方法; 人工智能类方法有模糊逻辑推理、神经网络方法等。目前，已有研究人员将人工智能类方法引入随机类方法，如神经网络与Kalman滤波结合、神经网络与小波变换结合等，以解决随机类方法在不确定性推理上存在的一些缺陷。

3CBTC 列车多传感器融合测速定位研究

尽管基于多传感器信息融合的列车定位方法能够融合多种传感器的信息，获得列车的速度和位置信息，但实际采用的传感器种类和数量并非是多多益善。因此，本研究根据列车定位子系统的应用背景，提出了一种以速度传感器为核心传感器、多传感器信息融合的列车定位方法。该方法主要针对以下三个方面的问题:

1) 空转滑行的检测能力及速度补偿问题。车轮的空转和滑行是速度传感器产生较大误差的原因之一，通过雷达和DR 信息的检查和融合，降低空转和滑行带来的误差。

2) 轮径修正问题。列车在运行中车轮的磨损和形变是产生速度传感器较大误差的另一个原因，通过雷达和DR 信息的检查和融合，降低轮径变化带来的误差。

3) 绝对位置信息的修正问题。根据线路数据库信息( DB) ，进行类似应答器定位的位置修正，减少位置信息的累积误差。

在实际CBTC 列车运行控制系统中，所用传感器的种类和数量需要考虑实际线路的需求、环境、成本、列车结构等因素，选择合适的多传感器融合测速定位方案。本研究以速度传感器Odo为核心，设计了多传感器融合模型，通过融合雷达和DR 的信息，实现列车的测速定位功能，如图1 所示。

图1 多传感器融合模型

通过节点N1空转滑行检查和补偿、节点和N2轮径校正节点融合，消除速度传感器的误差;将校正后的速度传感器信息与雷达和DR速度信息在N3速度与信息估计节点融合，计算出列车的实际速度;然后将计算出的速度信息与雷达和DR 距离信息在N4距离信息估计融合，计算出列车走行距离; 最后通过N5位置信息修正节点，将距离信息与DB 融合，修正列车位置。

上述模型可根据实际线路的测速定位精度需求、综合成本，既可以同时使用雷达和DR，也可以简化模型，单独使用雷达或者DR。DR 能够修正雷达在列车低速运行时测量精度较低的缺点，雷达能够修正DR在列车长时间运行时的累积误差。

3.1列车位置计算

列车定位系统主要由安装在车底的多普勒雷达和信标读取器、安装在车轴上的速度传感器以及安装在轨道中间的信标等设备组成。列车定位系统根据速度传感器和多普勒雷达采集的数据进行列车位置计算，并判别列车运行方向。深圳地铁3号线列车定位系统示意图如图2所示。

图2 CBTC列车定位系统

1.速度传感器，亦称测速电机或测速仪。列车定位系统中的4个速度传感器分别安装在TC1车(设备端)的4个轮轴上，其中2个连接到VATC A系统，

2个连接到VATC B系统。每个速度传感器会不断发送以2个脉冲为一组的信号到VATC (Vehicle ATC)。每个脉冲代表列车已运行的一个固定位移(与列车轮径值有关)，因此，VATC可连续地确定列车在系统地图中的位置以及列车的速度和加速度。列车的运行方向则是通过比较每个速度传感器的2个顺序脉冲的相位关系来判定。

2.多普勒雷达。安装在TC1车车底，根据多普勒原理通过测量发送频率和接收频率来确定列车运行速度。多普勒雷达主要用于精确测量5 km/h以上的速度，并检测车轮空转打滑。多普勒雷达与速度传感器测量到的数据，最终都将用于列车速度和位置的确定。

3.2位置误差校正

3.2.1利用信标校正列车位置

信标安装于轨旁，存储着线路绝对物理位置数

据信息。当列车驶近信标，读取器传输一个无线电

载波频率给信标，并接收当读取器越过信标时由信标反射回来的调制信号。来自信标的反射信号为读取器提供一个线路精确位置，与列车物理地图的一点相对应。每个信标的数据都会通过读取器来验证，以确保其准确性。然后，该数据会通过一个RS-485串口连接传输到每个车载ATP通道上。ATP处理器根据这些数据对通过速度传感器和多普勒雷达得到的列车位置进行校正，从而得到列车在系统中的准确位置。全线设有若干个信标，这样系统就可以不断校正列车位置，从而保证列车位置的准确性。

3.2.2采用轮径校准技术

采用轮径校准技术保证列车位置计算的精确性。由于速度传感器需根据列车轮径值大小，及车轮转速计算列车走行距离，从而确定列车位置，因此，当列车更换新轮或车轮磨损时，系统还需及时校正车轮轮径值大小以保证列车位置的精确性。列车定位系统采用2个信标之间的已知距离进行轮径值校准，即当列车在平直轨道上连续通过2个有效信标，并及时读取其中有效位置信息后，系统将根据2信标间的有效距离计算出当前列车车轮的轮径值。

3.2.3采用多普勒雷达

采用多普勒雷达防止因空转打滑而导致的列车位置误差。多普勒雷达能精确测量5 km/h以上的速度，以防止因雨、雪天气等外界因素，导致车轮空转打滑而使系统得不到准确的列车运行速度。

3.3 列车定位过程

为确定列车精确位置，系统采用列车长度来确定列车两端位置。如图3所示，列车定位过程如下。

图3 列车定位过程

1.通过处理速度传感器和多普勒雷达的输出信息，得到行驶距离(位移)、速度和方向。由于考虑到误差的普遍存在，系统针对特定距离设有一个误差范围，如列车每运行100 m最大允许误差为仪％(d为定值)，累计误差不得超过Ⅳ(Ⅳ为定值)。只要不超过误差范围，系统即认为列车位置正确。

2.为了防止位置误差累计过大，系统沿轨道设置若干信标。当遇到信标时，系统先检查信标的位置坐标是否在当前计算的列车位置误差范围之内。如果信标坐标不在当前计算得到的位置(超过位置误差范围)、信标的坐标错误或其坐标位置不在轨道数据库中，系统即认为列车位置错误，并采取紧急制动。只有在检查通过后，系统才会根据信标位置信息更新列车位置，并重置位置误差。此外，当列车连续通过2个有效信标后，VATP会自动校准轮径，以消除人为输入车轮直径所产生的误差。

3.系统根据上一个信标的位置，不断计算从上一个信标开始的位移和位置误差，并以此来计算列车当前位置(包括列车前端和后端的位置误差)。这样就可以确保列车始终在系统计算得到的虚拟占用区域内。见图4。

图4列车位置确定

4.在确定列车位置之后，车载信号系统会将信息实时发给轨旁。轨旁信号系统拥有与车载信号统相同的轨道物理地图，这样轨旁就可以实时校验并更新列车位置，从而实现轨旁信号系统对列车位置的实时追踪。通过以上方法，信号系统就可以实时得到列车精确位置，进而维持区间列车追踪运行间隔，并实现列车站台精确停车功能。

4 结语

多传感器融合测速定位研究适合于列车定位方法中的多传感器信息融合结构。根据轨道交通的特点，需要合理选择传感器的组合，研究解决当前列车定位方法中固有的问题。单一的测速方式缺乏抗干扰性，偶然的故障可能会导致整个系统无法正常工作; 而多传感器融合测速定位系统是一个冗余系统，当多传感器融合中的某一传感器失效时，其余传感器仍可以降级工作，保证了列车运行控制故障-安全的特性。对于多传感器融合列车测速定位，还需要进一步研究系统的融合方法和更加灵活的融合结构，提高融合系统的自适应性和抗干扰性，设计可配置的多传感器融合模型，根据实际线路提供更加可靠、经济和高效的解决方案。

参考文献

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工程师，2002，28(7)．

[2] 陈新，周俊，林必毅．地铁列车定位技术的研究[J]．微

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