MATCMATC系統(tǒng)車載ATPATP定位校正算法設(shè)計(jì)

劉毅東（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

1 背景介紹

1.1 MATC系統(tǒng)

本文為針對(duì)基于交叉感應(yīng)環(huán)線的移動(dòng)閉塞列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（M A TC）中車載ATP子系統(tǒng)定位校正算法的專題研究。

M ATC系統(tǒng)是配套國(guó)內(nèi)中低速磁懸浮制式列車研究而研制的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)。而車載ATP系統(tǒng)作為該系統(tǒng)的重要組成部分，需要根據(jù)地面信息和機(jī)車信息防止列車超速運(yùn)行，并保證列車行車安全。其中，通過(guò)一系列定位校正算法確保車載A TP保持正確定位，是實(shí)現(xiàn)車載A TP安全防護(hù)及穩(wěn)定工作的重要基礎(chǔ)之一。

1.2 MATC車載ATP位置校正

M A TC車載A TP子系統(tǒng)主要依靠交叉感應(yīng)環(huán)線邊界及固定位置交叉點(diǎn)進(jìn)行列車定位校正。

交叉感應(yīng)環(huán)線沿線布置，以400 m s為周期向車載A TP發(fā)送地面信息幀，并在該信息幀中傳遞可唯一標(biāo)示本環(huán)線的ID號(hào)，車載A TP通過(guò)檢測(cè)交叉感應(yīng)環(huán)線的ID變化即可獲得列車經(jīng)過(guò)相鄰交叉感應(yīng)環(huán)線的時(shí)刻及位置。

交叉點(diǎn)在交叉感應(yīng)環(huán)線內(nèi)部，間隔固定距離布置，當(dāng)車載TW C天線經(jīng)過(guò)交叉點(diǎn)時(shí)，車載ATP可獲得脈沖信號(hào)，并以此進(jìn)行校位。

其中，定位校正算法的難點(diǎn)如下。

1）交叉點(diǎn)信號(hào)存在較多干擾，需通過(guò)適當(dāng)選取交叉點(diǎn)接收窗口大小及丟失數(shù)目閾值等參數(shù)，在保證濾除干擾、定位正確的前提下，盡量提高系統(tǒng)可用性；

2）由于存在通信延時(shí)及地面調(diào)度周期影響，列車進(jìn)入新環(huán)線與車載A TP實(shí)際收到該環(huán)線信息之間存在隨機(jī)延時(shí)，實(shí)驗(yàn)表明該延時(shí)在10 ～800 m s間隨機(jī)分布，在列車高速運(yùn)行的條件下，將導(dǎo)致定位產(chǎn)生較大誤差；

3）當(dāng)列車高速通過(guò)連續(xù)短環(huán)線時(shí)，車載A TP可能丟失該環(huán)線信息，即產(chǎn)生“跳環(huán)”現(xiàn)象，定位算法中應(yīng)對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行處理。

劉毅東，男，碩士畢業(yè)于清華大學(xué)，助理工程師。主要研究方向包括嵌入式開(kāi)發(fā)，車載ATP軟件開(kāi)發(fā)，曾參與基于通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)研究與設(shè)備研制,基于交叉感應(yīng)環(huán)線的MATC系統(tǒng)集成研究項(xiàng)目。

下文將分別對(duì)以上3個(gè)難點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

2 定位校正算法說(shuō)明

2.1 交叉點(diǎn)相關(guān)設(shè)計(jì)說(shuō)明

2.1.1 交叉點(diǎn)距離選取

車載A TP使用交叉點(diǎn)進(jìn)行位置校正，交叉點(diǎn)距離（Ssync）選取應(yīng)滿足以下條件。

1）兩交叉點(diǎn)距離應(yīng)大于一個(gè)車地通信周期（Tt-z）內(nèi)車輛以最高速度（Vmax）走行的距離；在當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，有

因此有Ssync≥Vmax×Tt-z＞13 m

2）兩交叉點(diǎn)距離應(yīng)為枕軌間距（S）的整數(shù)倍，且為方便施工，應(yīng)盡量保持為整數(shù)米。

3）為保證校位精度，應(yīng)盡量縮小交叉點(diǎn)間距。

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，有

而為滿足2），可選長(zhǎng)度為6N（N=1,2,3…）。即18 m、24 m、30 m…綜合考慮通信延時(shí)裕量和交叉點(diǎn)電磁干擾后，選擇使用24 m間隔。

因此，該距離需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件1）、2）計(jì)算后選取。

2.1.2 交叉點(diǎn)丟失數(shù)目選取

由于定位誤差及環(huán)境問(wèn)題，交叉點(diǎn)可能存在丟失的情況，為增加系統(tǒng)可用性，A TP應(yīng)在滿足定位誤差的前提下容忍交叉點(diǎn)丟失，設(shè)未校位距離為ΔS，列車定位誤差為Δoffset容忍閾值由以下因素決定：

1）在站臺(tái)停車時(shí)，工程定制停準(zhǔn)窗為±1 m，因此有

停車點(diǎn)設(shè)定在105 m，在最差情況下，考慮距離停車點(diǎn)最近的兩組交叉點(diǎn)（96 m和72 m）全部丟失，則此時(shí)Δo f fset=（105 m-48 m）×2%=1.14 m，認(rèn)為可以接受。若距離停車點(diǎn)最近的3組交叉點(diǎn)（96 m、72 m、48 m）全部丟失，則Δo ffset=（105 m-24 m）×2%=1.62 m，已無(wú)法置信A TP的停準(zhǔn)判斷。因此站臺(tái)最差情況下，可容忍丟失2組交叉點(diǎn)。

2）在區(qū)間行車時(shí)，根據(jù)需求，車載A TP定位誤差不應(yīng)超過(guò)5 m。此時(shí)未校位距離

考慮道岔區(qū)段最多存在3條連續(xù)短環(huán)線組成的短環(huán)區(qū)，且兩組短環(huán)區(qū)相隔距離不小于200 m，短環(huán)區(qū)內(nèi)每條短環(huán)線均小于24 m，無(wú)法布置環(huán)線。則此時(shí)在合理情況下未校位長(zhǎng)度ΔS1=24 m×4=96 m（設(shè)過(guò)環(huán)線邊界不抵消2%的測(cè)距不確定性及短環(huán)線簇的前一環(huán)末尾24 m不進(jìn)行校位），最大交叉點(diǎn)丟失數(shù)目為

即在正線運(yùn)營(yíng)時(shí)，最多可允許丟失6組交叉點(diǎn)。如圖1所示。

現(xiàn)階段，在不區(qū)分站臺(tái)與正線停車的情況下，可容忍丟失2組交叉點(diǎn)。

2.1.3 交叉點(diǎn)接收窗口大小選取

由于車載A TP存在定位誤差，因此需要設(shè)定交叉點(diǎn)接收窗口（Wsync），窗口大小由以下因素決定。

1）在最理想情況，即完成一次校位后，下一接收窗口應(yīng)不小于A TP在Ssync內(nèi)的測(cè)距誤差，因此有

2）對(duì)于非24 m處交叉點(diǎn)，極限情況下，即2.1.2節(jié)2）中，若短環(huán)區(qū)前一軌的最后一個(gè)交叉點(diǎn)丟失，且新軌24 m處交叉點(diǎn)丟失，則有

通過(guò)1），2），對(duì)于非24 m處交叉點(diǎn)，窗口為3.36 m必然保證ATP正確解析交叉點(diǎn)信息。

3）在跨環(huán)線邊界時(shí)，考慮第一周期的ZC幀無(wú)法被A TP正常解析，則A TP將延時(shí)判知進(jìn)入下一環(huán)線，此過(guò)程中不再使用交叉點(diǎn)校位，該情況下，有

即在最差情況下，ATP將在進(jìn)入新環(huán)線26.67 m后才開(kāi)始接收交叉點(diǎn)信息，此時(shí)無(wú)法判斷出環(huán)線第一個(gè)交叉點(diǎn)。

在A TP判斷進(jìn)入新環(huán)線后加入200 m s平均延時(shí)的算法下，ATP計(jì)算位置與車輛實(shí)際位置相差為

ΔX=26.67 m-(120/3.6) m/s×0.2 s=20 m

即若窗口大于4 m，則ATP將無(wú)法區(qū)分第一和第二個(gè)交叉點(diǎn)，造成定位錯(cuò)誤。

因此在Vmax=120 km/h條件下，考慮2）、3）兩種情況，若使用該過(guò)環(huán)線邊界算法，為保證安全，應(yīng)將窗口接收大小控制在3 ～4 m之間，此時(shí)在3）的假設(shè)條件下，A TP必然丟失新環(huán)線所有交叉點(diǎn)，導(dǎo)致緊急制動(dòng)。

在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，一般有Vmax=80 km/h，此時(shí)使用上述步驟討論如下：

在跨環(huán)線邊界時(shí)，考慮第一周期的ZC幀無(wú)法被A TP正常解析，則ATP將延時(shí)判知進(jìn)入下一環(huán)線，此過(guò)程中不再使用交叉點(diǎn)校位，該情況下，有

即在該情況下，A TP將在進(jìn)入新環(huán)線17.8 m后開(kāi)始接收交叉點(diǎn)信息，此時(shí)可通過(guò)調(diào)整窗口大小判斷出環(huán)線第一個(gè)交叉點(diǎn)。

在A TP判斷進(jìn)入新環(huán)線后加入200 m s平均延時(shí)的算法下，第一個(gè)交叉點(diǎn)（專指24 m處交叉點(diǎn)，而非第一個(gè)接收到的交叉點(diǎn)）窗口大小為：

此時(shí)交叉點(diǎn)窗口前沿距環(huán)線邊界為10.6 m，已處于邊界干擾區(qū)之外，因此不會(huì)出現(xiàn)交叉點(diǎn)信號(hào)串?dāng)_現(xiàn)象。

由于環(huán)線邊界已進(jìn)行校位，不再單獨(dú)計(jì)算該過(guò)程中A TP的2%測(cè)距線性不確定性。由上知在Vmax=120 km/h條件下，若24 m處交叉點(diǎn)窗口小于4 m，則新環(huán)線交叉點(diǎn)將全部丟失；若24 m處交叉點(diǎn)窗口大于4 m，則可導(dǎo)致A TP將48 m處交叉點(diǎn)作為24 m交叉點(diǎn)進(jìn)行校位，產(chǎn)生定位錯(cuò)誤；Vmax=80 km/h條件下，24 m處交叉點(diǎn)窗口不小于13.4 m即可保證該交叉點(diǎn)被正確解析，此時(shí)若該交叉點(diǎn)丟失且A TP未輸出緊急，則由1）2）結(jié)論，ATP仍可通過(guò)48 m交叉點(diǎn)進(jìn)行正確校位。

2.2 進(jìn)入新環(huán)線定位處理說(shuō)明

2.2.1 現(xiàn)有過(guò)環(huán)線定位方法說(shuō)明

一般的，在A TP判斷進(jìn)入新環(huán)線后，需要對(duì)列車位置進(jìn)行校正。目前的校正算法為A TP收到新環(huán)線ID后，首先將偏移（OFFSET）清零，再通過(guò)測(cè)量當(dāng)前車速（VCUR）和估計(jì)ZC幀平均延時(shí)（TAVG）補(bǔ)償車輛位置，即

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，暫將TAVG設(shè)置為200 m s。

2.2.2 重設(shè)計(jì)過(guò)環(huán)線定位方法的討論

通過(guò)2.1節(jié)討論，知該方法的校位結(jié)果與最高車速相關(guān)，在最差情況下將導(dǎo)致A TP必然輸出緊急制動(dòng)或必然出現(xiàn)交叉點(diǎn)校位錯(cuò)誤。對(duì)過(guò)環(huán)線處理算法重新設(shè)計(jì)如下：

1）若收到新環(huán)線ID時(shí)，列車偏移OFFSETCUR已大于當(dāng)前所在軌長(zhǎng)度length，則有

即直接將OFFSET轉(zhuǎn)移到新軌道上，當(dāng)發(fā)生跳環(huán)時(shí)，length中應(yīng)包含已跳過(guò)的環(huán)線長(zhǎng)度。

2）若收到新環(huán)線ID時(shí)，列車偏移OFFSETCUR不大于當(dāng)前所在軌長(zhǎng)度length，則有

其中，Δt為包含新環(huán)線ID的ZC命令幀與上一同類型ZC命令幀間的時(shí)間差，OFFSETOLD為收到上一幀ZC命令幀時(shí)車輛偏移，VCUR為Δt時(shí)間段內(nèi)平均速度，一般的，等于當(dāng)前測(cè)速結(jié)果。當(dāng)發(fā)生跳環(huán)時(shí)，len g th中應(yīng)包含已跳過(guò)的環(huán)線長(zhǎng)度。

對(duì)交叉點(diǎn)校位過(guò)程進(jìn)行重新討論，內(nèi)容如下。

a．交叉點(diǎn)距離選取與2.1.1節(jié)相同，即交叉點(diǎn)距離為24 m；

b．交叉點(diǎn)丟失數(shù)目計(jì)算與2.1.2節(jié)相同，即站臺(tái)最多容忍2組交叉點(diǎn)丟失，區(qū)間最多容忍6組丟失；

c．非24 m處交叉點(diǎn)窗口大小計(jì)算與2.1.3節(jié)相同，即Vmax=120 km/h條件下，窗口大小為3.36 m；

d．對(duì)于24 m交叉點(diǎn)，若ATP收到新環(huán)線ID時(shí)：OFFSETCUR＞length

則列車進(jìn)入新環(huán)線后的定位與ZC幀延時(shí)無(wú)關(guān)，窗口大小僅由位置不確定性決定，即3.36 m。

OFFSETCUR≤length

該情況相關(guān)討論如圖2所示。

其中S x為列車收到03G最后一幀ZC數(shù)據(jù)時(shí)，A TP計(jì)算位置與環(huán)線邊界距離差，y為A TP收到05G的ZC幀時(shí)，列車實(shí)際進(jìn)入05G的距離。由校位算法：

若VCUR×Δt＞SX，則校位后計(jì)算位置與列車實(shí)際位置差值僅與Δt內(nèi)列車走行的距離有關(guān)。最差情況下，S x+S y對(duì)應(yīng)的列車走行時(shí)間為3 s，即車載與地面間最大通信間隔，在VMAX=120 km/h條件下

若VCUR×Δt＜SX，則校位后有OFFSETNEW=0，該位置與列車實(shí)際位置差值不大于校位前列車位置不確定性與Δt內(nèi)列車產(chǎn)生的不確定性之和，即

通過(guò)之前分析，在A TP未丟失定位的條件下，有ΔSMAX=3.36 m，因此有

即設(shè)定窗口大小為5.36 m，即可保證24 m處交叉點(diǎn)被正確識(shí)別，且與最高車速無(wú)關(guān)。若因通信故障或其他原因?qū)е?4 m交叉點(diǎn)丟失，仍可按照3.36 m的窗口判別48 m交叉點(diǎn)，進(jìn)行校位或繼續(xù)丟棄。

2.3 跳環(huán)線處理說(shuō)明

當(dāng)車地出現(xiàn)通信中斷時(shí)，車載A TP將有可能無(wú)法收到預(yù)期的下一相鄰環(huán)線信息，為提高可用性，ATP需進(jìn)行跳環(huán)處理，即在一定距離范圍內(nèi)，允許收到位于進(jìn)路內(nèi)非相鄰環(huán)線ZC幀，并進(jìn)行校位處理；而另一方面，當(dāng)A TP通過(guò)計(jì)算判定跳環(huán)距離過(guò)大或跳環(huán)不合理時(shí)，應(yīng)按照丟失定位處理，輸出緊急制動(dòng)。該處處理設(shè)計(jì)如下文所述。

2.3.1 ATP提前收到下一環(huán)ZC幀的處理

該現(xiàn)象主要由以下因素導(dǎo)致：

a．ATP定位誤差；

b．工程安裝誤差；

c．電子地圖錯(cuò)誤。

考慮A TP定位誤差，在2.1.2節(jié)所述最差情況下，有

因此考慮到可用性，可根據(jù)車載A TP需求將a中因素取為上限值，即5 m。工程安裝誤差包括交叉環(huán)線鋪設(shè)長(zhǎng)度誤差及測(cè)速測(cè)距單元安裝誤差等因素，目前暫時(shí)將b中因素設(shè)置為ΔWb=5 m（可調(diào)），綜合考慮a，b，并根據(jù)可用性增加ΔWs=5 m裕量，有

ΔWmax=(ΔWa+ΔWb+ΔWs)=15 m

因此當(dāng)ΔWmax＞15 m時(shí)，可認(rèn)為A TP定位誤差過(guò)大或包含c類因素，觸發(fā)緊急制動(dòng)。

2.3.2 ATP延遲收到下一環(huán)ZC幀的處理

1）當(dāng)過(guò)環(huán)線時(shí)，車地通信正常，則該現(xiàn)象主要由以下因素導(dǎo)致：

a．ATP定位誤差；

b．工程安裝誤差；

c．電子地圖錯(cuò)誤；

d．通信延遲。

考慮通信延遲，與2.1.3節(jié)3）中討論相同，即

ΔWd=ΔL=Vmax×2Tt-z=(120/3.6) m/s×0.8 s=26.67 m

從而有

ΔWmax=(ΔWa+ΔWb+ΔWd+ΔWs)=41.67 m

因此當(dāng)ΔWmax＞42 m時(shí)，可認(rèn)為A TP定位誤差過(guò)大或包含C類因素，觸發(fā)緊急制動(dòng)。

2）當(dāng)過(guò)環(huán)線時(shí)，車地通信發(fā)生不大于3 s的中斷，則該現(xiàn)象主要由以下因素導(dǎo)致：

a．車地通信中斷時(shí)長(zhǎng)

若允許3 s的中斷時(shí)長(zhǎng)，則在最高車速120 km/h條件下，列車進(jìn)入下一環(huán)100 m后才能接收到新ZC幀或觸發(fā)緊急制動(dòng)，此時(shí)A TP無(wú)法區(qū)分該現(xiàn)象是因正常中斷時(shí)長(zhǎng)導(dǎo)致或是因設(shè)備故障導(dǎo)致，且該長(zhǎng)度已大于丟失3個(gè)交叉點(diǎn)的閾值范圍，因此該長(zhǎng)度認(rèn)為已不安全。

在運(yùn)營(yíng)車速60 km/h條件下，列車進(jìn)入下一環(huán)50 m后接收到新ZC幀或觸發(fā)緊急制動(dòng)，該距離與1）中計(jì)算的正常情況下跳環(huán)長(zhǎng)度差距在可接受范圍內(nèi)。

綜合考慮1）、2），認(rèn)為將跳環(huán)長(zhǎng)度設(shè)置為50 m可兼顧可用性與安全性。此時(shí)A TP可進(jìn)行跳環(huán)處理，校位方式與2.2節(jié)討論相同。

2.3.3 其他相關(guān)問(wèn)題討論

目前A TP允許車地通信存在3 s的中斷，通過(guò)上一節(jié)的討論說(shuō)明該過(guò)程中列車在最差情況下已向前行進(jìn)100 m，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。因此可以考慮添加限制，即在車載A TP收到兩幀ZC的時(shí)間間隔內(nèi)，走行距離不能超過(guò)50 m，與跳環(huán)處理保持一致。

3 測(cè)試與結(jié)論

3.1 測(cè)試方法

對(duì)定位校正算法的測(cè)試基于M A TC項(xiàng)目現(xiàn)有半實(shí)物仿真平臺(tái)進(jìn)行，以下為該平臺(tái)的測(cè)試環(huán)境示意如圖3所示。

通過(guò)實(shí)時(shí)比較車載A TP定位計(jì)算結(jié)果與M ATC仿真系統(tǒng)中線路模型的理論計(jì)算結(jié)果，即可驗(yàn)證上文定位校正算法的有效性。圖4所示為車載A TP在進(jìn)入新環(huán)線及交叉點(diǎn)校位時(shí)的實(shí)時(shí)串口打印信息。

多輪系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，車載A TP在過(guò)環(huán)線及過(guò)交叉點(diǎn)時(shí)可進(jìn)行正確校位，且能正確處理跳環(huán)操作，正常情況下，車載A TP與仿真系統(tǒng)線路模型定位誤差可控制在3 m以內(nèi)。測(cè)試結(jié)果在《MATC_車載系統(tǒng)測(cè)試報(bào)告》中記錄。

3.2 結(jié)論

通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試，證明當(dāng)前車載A TP基于交叉點(diǎn)及進(jìn)入新環(huán)線的定位校正算法可滿足車載A TP定位需求，且具有較好的穩(wěn)定性。