基于多傳感器信息融合的列車組合定位

蔣敏建

摘 要：列車定位是列車運(yùn)行控制的關(guān)鍵技術(shù)，本文論述了高速列車定位技術(shù)的特點和目前常用的方法，并且分析典型單一列車定位方式的局限性。提出一種以我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航（BEIDOU NAVIGATION SATELLITE SYSTEM，BDS）系統(tǒng)為主的多傳感器信息融合的方案，利用隨機(jī)加權(quán)算法實現(xiàn)多信息定位。本文為列車定位技術(shù)提供參考。

關(guān)鍵詞：列車定位;多傳感器;信息融合;隨機(jī)加權(quán)

列車定位的基本功能是在任何時刻、任何地方都能夠精確的確定列車的位置坐標(biāo)，包括和列車相關(guān)的間隔、速度及加速度。[1]及時、準(zhǔn)確的獲取列車位置信息是列車安全，可靠運(yùn)行的前提。

1 列車定位的特點

軌道交通列車運(yùn)行速度快、行車密度大、前后追蹤列車空間間隔短，列車系統(tǒng)需要對線路上運(yùn)行位置進(jìn)行精確的測定，保證列車運(yùn)行安全和高效調(diào)度。

（1）連續(xù)性。列車高速運(yùn)行時，其空間位置移動快，定位系統(tǒng)必須具有執(zhí)行不間斷列車定位的能力。

（2）精確性。必須滿足列車在同一軌道的縱向定位和橫向定位精確性。定位的精確性直接影響列控系統(tǒng)對列車運(yùn)行的調(diào)度命令。

（3）經(jīng)濟(jì)節(jié)約。需要降低全生命周期的費用。

（4）可靠性和安全性和可維護(hù)性。定位系統(tǒng)必須綜合考慮全生命周期檢測報告自身的失效和故障以及預(yù)防性維護(hù)和校正性維護(hù)的因素。

（5）故障-安全性。在定位系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，必須具備保證列車安全的相應(yīng)措施。

2 列車定位的主要方法

文獻(xiàn)[2]提出軌道電路是最簡單的鐵路定位方式，其定位精度取決于軌道電路的長度。該方法原理簡單、安全性高。但定位誤差大，機(jī)動性能差和維修量大。

文獻(xiàn)[3]提出查詢應(yīng)答器法，地面應(yīng)答器存儲列車位置信息，其內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)已固定。當(dāng)列車通過時，機(jī)車上的查詢器經(jīng)過耦合就可以得到列車的精確位置。其傳輸?shù)男畔⒘枯^大且為絕對的位置信息，但信息傳遞是間斷的，而且布置的數(shù)量很大。

文獻(xiàn)[4]提出測速定位法，給車輪安裝測速傳感器獲得列車的即時運(yùn)行速度，對其進(jìn)行時間的積分或者求和得到列車的運(yùn)行距離。由于車輪的打滑空轉(zhuǎn)或者機(jī)械磨損等都容易造成誤差的累積。

文獻(xiàn)[5]提出的GPS定位方式通過衛(wèi)星定位提供連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰ΑＴ谥車钃跷锒嗟牡胤剑熊嚨木仁艿接绊懮踔翢o法定位。GPS定位對衛(wèi)星的故障十分敏感，一旦衛(wèi)星失效就會使得GPS性能惡化。而且該系統(tǒng)是美國國防部控制的，過分依賴就會受制于人。

除了以上方法，軌道交通定位還有其他一些方法。對于列車定位，單一的定位方式在實際中都會存在局限，難以完全滿足列車定位。故此，結(jié)合研究的現(xiàn)狀，將幾種定位設(shè)備結(jié)合起來，將多種定位方式綜合利用，優(yōu)勢互補(bǔ)。

3 BDS技術(shù)為主多傳感器信息融合的列車組合定位系統(tǒng)

本文設(shè)計的列車組合定位系統(tǒng)為閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如下所示：

列車自合定位系統(tǒng)框圖

組合定位考慮不同線路和軌旁狀態(tài)，結(jié)合多傳感器信息采集組成組合定位的方式。數(shù)據(jù)預(yù)處理、信息融合和數(shù)據(jù)檢查都在車載控制器中完成。為了提高系統(tǒng)定位的精度，采用閉環(huán)狀態(tài)反饋的方式，修正信息。列車將高精度的定位信息輸出顯示以及通過無線設(shè)備傳輸給地面列控中心。

BDS主要由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機(jī)三大部分構(gòu)成。以BDS定位信息為主，聯(lián)同測速電機(jī)、地面信標(biāo)和里程計構(gòu)成的全方位的立體多信息融合的定位導(dǎo)航系統(tǒng)。

（1）數(shù)據(jù)采集層。由多路數(shù)據(jù)采集接口，完成信息的預(yù)處理，將采集到的信息由相應(yīng)的通道傳送給邏輯控制單元。

（2）邏輯控制層。雙機(jī)熱備系統(tǒng)，實現(xiàn)故障隔離和卻換處理，提高安全性和可靠性。

（3）數(shù)據(jù)融合層。采用數(shù)據(jù)加權(quán)處理算法，傳輸最優(yōu)融合估計值。

（4）數(shù)據(jù)檢測層。由規(guī)定的校驗方法選擇參考信息對融合信息進(jìn)行校正。向列控中心，車載系統(tǒng)傳輸高精度、高可靠性數(shù)據(jù)。[6]

4 信息加權(quán)融合算法

建立基于隨機(jī)加權(quán)估計的算法解決多傳感器對同一目標(biāo)的測量權(quán)值追優(yōu)化分配問題。隨機(jī)加權(quán)信息融合算法的基本思路是：對各個傳感器所提供的測量信息進(jìn)行加權(quán)，并且根據(jù)信息的有用程度在線調(diào)整各傳感器的權(quán)值，獲得最優(yōu)融合結(jié)果。加權(quán)融合算法的最優(yōu)性、無偏性、均方誤差最小的特性在許多研究結(jié)果中都得到了證明。[7]

5 結(jié)語

以BDS為主的多傳感器信息融合算法實現(xiàn)的列車定位系統(tǒng)是在現(xiàn)有的技術(shù)上實現(xiàn)的改進(jìn)和創(chuàng)新，是鑒于成熟的定位技術(shù)存在的定位不能連續(xù)定位或者存在信號盲區(qū)的情況下對定位方式的補(bǔ)充和提高。本文提出多信息融合的隨機(jī)加權(quán)算法的應(yīng)用新方案，充分利用傳感器的測量數(shù)據(jù)，將傳感器的均方誤差、測量精度等信息融合處理，快速、準(zhǔn)確地估計出真值，提高了測量精度、擴(kuò)大了測量范圍。將該算法用于高精度的列車定位具有一定的意義。

參考文獻(xiàn)：

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[5]殷燕如，劉金樂.基于 GPS 列車定位系統(tǒng)的快速地圖匹配算法研究[J].鐵道通信信號，2011，47（11）：60-62.

[6]朱愛紅，李博，楊亮.高速列車定位技術(shù)與組合定位系統(tǒng)研究[J].中國鐵路，2013（5）：59-63.

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[8]劉海斌，宮峰勛.一種改進(jìn)的多傳感器加權(quán)融合算法[J].電子產(chǎn)品世界，2009（12）：19-21.

[9]楊海波.列車組合定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)的仿真方法研究[D].北京交通大學(xué)，2011.