基于EOAS的動(dòng)車組高精度實(shí)時(shí)定位技術(shù)研究

黃鈴，王俊平

株洲中車時(shí)代軟件技術(shù)有限公司，湖南株洲，412000

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，“十三五”期間全國鐵路營業(yè)里程由12.10萬公里增加到14.63萬公里，增長20.9%，其中高鐵由1.98萬公里增加到3.79萬公里，增長91.4%。對(duì)如此漫長的供電接觸網(wǎng)線路進(jìn)行維護(hù)和檢修作業(yè)，作業(yè)強(qiáng)度大，需要精確的位置信息，以準(zhǔn)確、快速到達(dá)作業(yè)地點(diǎn)。一般地，定位信息包括：行別、線路、區(qū)間、公里標(biāo)、定位支柱號(hào)、經(jīng)緯度信息。

國鐵集團(tuán)在運(yùn)營動(dòng)車組上安裝車載接觸網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)檢測裝置[1]（簡稱3C），用于實(shí)時(shí)監(jiān)視受電弓和接觸網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。3C裝置可對(duì)受電弓和接觸網(wǎng)進(jìn)行受電弓異常、幾何參數(shù)異常、異物、燃弧等全面、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測，將故障信息和精確的位置信息發(fā)送給供電段用于檢修、維護(hù)。3C裝置接入車載網(wǎng)絡(luò)，可以獲得EOAS[2]向3C裝置發(fā)送的定位信息：車次、車速、公里標(biāo)。但是這些數(shù)據(jù)不能給出準(zhǔn)確的位置信息，原因是車次交路會(huì)隨著鐵路調(diào)圖發(fā)生變化，全國的鐵路線路相近的公里標(biāo)也很多，并且沒有線路和區(qū)間信息，更不能與鐵路接觸網(wǎng)沿線的定位支柱準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)（接觸網(wǎng)定位支柱也稱為定位桿），鐵路接觸網(wǎng)維護(hù)人員無法根據(jù)這些信息快速找到故障點(diǎn)開展檢修作業(yè)。

本文提出的公里標(biāo)定位方法，可以快速、準(zhǔn)確地定位到具體線路、具體區(qū)間的一根定位支柱，最大偏差不超過1桿，夜間鐵路檢修人員在天窗點(diǎn)作業(yè)時(shí)根據(jù)定位支柱號(hào)可以快速找到作業(yè)點(diǎn)，有效減小作業(yè)范圍、減輕作業(yè)強(qiáng)度，減少檢修作業(yè)需要的天窗時(shí)間，有效提高鐵路接觸網(wǎng)檢修作業(yè)效率[3]。

1 定位方案設(shè)計(jì)

基于EOAS的動(dòng)車組實(shí)時(shí)定位方案由硬件和軟件兩部分組成：

硬件包括EOAS板卡、GPS慣導(dǎo)設(shè)備、激光傳感器。EOAS板卡：由合格的設(shè)備廠商提供EOAS板卡，一般部署在動(dòng)車組兩端。GPS慣導(dǎo)設(shè)備[4]：用于接收衛(wèi)星信號(hào)，具備慣性導(dǎo)航功能，當(dāng)列車行駛進(jìn)入隧道時(shí)一定時(shí)間內(nèi)仍可以提供GPS經(jīng)緯度信息。激光傳感器（光電式接近傳感，輸出觸發(fā)信號(hào)，反應(yīng)時(shí)間達(dá)到微秒級(jí)，要求延時(shí)時(shí)間少，最大工作距離可以掃描到定位支柱的腕臂）。所有器件要符合鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過高低溫、振動(dòng)、交變濕熱、電壓沖擊、防水等試驗(yàn)，如表1所示。

表1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

軟件組成：實(shí)時(shí)分析EOAS數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、激光傳感器數(shù)據(jù)。

1.1 EOAS數(shù)據(jù)的解析

根據(jù)《EOAS與3C設(shè)備通信協(xié)議》，EOAS與3C設(shè)備間通信接口為 Ethernet網(wǎng)絡(luò)，采用 UDP通訊方式，頻率為1Hz，以8編組動(dòng)車為例，I端位向6000端口發(fā)送UDP包，II端位向6001端口發(fā)送UDP包。通信協(xié)議約定見表2。

其中，第4部分?jǐn)?shù)據(jù)標(biāo)識(shí)值為0x0001時(shí)，表示EOAS發(fā)送給3C裝置的數(shù)據(jù)，第5部分?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)容的格式見表3。

表3 EOAS 數(shù)據(jù)內(nèi)容格式

其中，列車車次是4個(gè)字節(jié)的車次數(shù)據(jù)，按照《客專車次號(hào)編碼規(guī)范》解析為真實(shí)的車次，并且可以根據(jù)車次的奇偶獲得線路的行別。車次可能因?yàn)殍F路調(diào)圖而發(fā)生變化，即車次與列車的交路并不是固定不變的。

從動(dòng)車實(shí)際運(yùn)行情況來看，公里標(biāo)信息在不同的鐵路線路上會(huì)出現(xiàn)重復(fù)和相似，ATP時(shí)鐘可能出現(xiàn)重復(fù)。由此，定位系統(tǒng)的時(shí)間必須使用本地時(shí)間，并且精確到毫秒，以適應(yīng)動(dòng)車高速行駛產(chǎn)生的通信時(shí)延。動(dòng)車在高速運(yùn)行時(shí)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)延遲和通信延時(shí)，EOAS發(fā)給3C的公里標(biāo)信息也非實(shí)時(shí)，以高鐵車速350km/h考量，動(dòng)車1s可行駛97.222m，可跨越兩根定位支柱（定位支柱的間隔根據(jù)鐵路線路地形、設(shè)計(jì)、施工情況的不同有所不同，一般定位支柱間隔50m左右），延時(shí)將導(dǎo)致公里標(biāo)發(fā)生偏差。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

一般地，鐵路線路維護(hù)人員對(duì)管轄區(qū)域內(nèi)的定位支柱建立管理臺(tái)賬，統(tǒng)計(jì)有線路、區(qū)間、公里標(biāo)、定位支柱類別、所屬供電段、所屬供電車間、所屬接觸網(wǎng)工區(qū)等信息，一般沒有GPS經(jīng)緯度信息。

全國鐵路線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)非常龐大，且不統(tǒng)一。根據(jù)統(tǒng)計(jì)信息建立起數(shù)據(jù)庫也較為復(fù)雜，為提高數(shù)據(jù)庫檢索效率，分別建立區(qū)間信息數(shù)據(jù)庫和區(qū)間內(nèi)定位支柱信息數(shù)據(jù)庫，區(qū)間信息數(shù)據(jù)庫是區(qū)間內(nèi)定位支柱信息數(shù)據(jù)庫的整體索引。區(qū)間數(shù)據(jù)庫包括區(qū)間名、線路名、區(qū)間的前后信息、區(qū)間的行別、所屬供電段等。區(qū)間內(nèi)定位支柱信息數(shù)據(jù)庫包括支柱編號(hào)、公里標(biāo)、行別、所屬區(qū)間、所屬供電段、路橋標(biāo)識(shí)等。一個(gè)簡易的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫見表4。

表4 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫字段含義

1.3 根據(jù)EOAS和GPS信息計(jì)算初始定位（粗定位）

如果已經(jīng)確定了動(dòng)車當(dāng)前所在區(qū)間，則收到EOAS數(shù)據(jù)后首先計(jì)算當(dāng)前公里標(biāo)是否仍在當(dāng)前區(qū)間，或者在當(dāng)前區(qū)間的下一區(qū)間，這樣可以大大減少計(jì)算量。如果沒有確定動(dòng)車所在區(qū)間，比如動(dòng)車剛上電時(shí)，需要從0確定出準(zhǔn)確的區(qū)間，此時(shí)必須結(jié)合EOAS和GPS計(jì)算定位。

計(jì)算步驟是：根據(jù)車次的奇偶，確定上下行；根據(jù)GPS經(jīng)緯度，過濾出可能位于的區(qū)間；根據(jù)公里標(biāo)，再過濾可能位于的區(qū)間；根據(jù)公里標(biāo)的變化趨勢（遞增或遞減），再過濾可能位于的區(qū)間；根據(jù)公里標(biāo)和區(qū)間，計(jì)算出與EOAS公里標(biāo)最接近的定位支柱。其中，需要根據(jù)列車應(yīng)答器的安裝位置重算真實(shí)的公里標(biāo)，否則考慮各車廂的長度，定位的偏差會(huì)較大。GPS是GPS慣導(dǎo)安裝位置的經(jīng)緯度，需要考慮設(shè)備安裝位置的偏移。流程如圖2。

1.4 根據(jù)激光掃桿信號(hào)修正粗定位（精定位）

通過激光傳感器識(shí)別出定位支柱，記錄掃描出定位支柱的時(shí)間，精確到毫秒。在粗定位的基礎(chǔ)上，根據(jù)車速（綜合考慮EOAS車速、GPS速度）計(jì)算出從EOAS時(shí)刻到掃桿時(shí)刻的位移。根據(jù)公里標(biāo)變化趨勢，結(jié)合EOAS公里標(biāo)和位移量，重算定位。

1.5 定位模糊匹配

計(jì)算出定位結(jié)果后，因?yàn)榧す鈧鞲衅骺赡茉谀承┚€路上無法掃到定位支柱的腕臂而出現(xiàn)漏桿，也可能在一些特殊位置重復(fù)觸發(fā)，因此，需要進(jìn)一步校核，可以使用N根定位桿的跨距進(jìn)行模糊匹配，N≥5。

累計(jì)前后N根桿的定位結(jié)果，形成窗口1，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)記錄前后N根桿的定位結(jié)果和跨距；從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫獲得前后N根桿的定位信息，形成窗口2；從此次定位結(jié)果開始，在窗口1上滑動(dòng)窗口2，比較各個(gè)節(jié)點(diǎn)的跨距，找到與冗余量相差最小的節(jié)點(diǎn)，對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行修正。示意如圖4所示。

說明：如圖所示，通過定位獲得連續(xù)6根定位桿、5跨的定位結(jié)果，S1～S5表示計(jì)算獲得的5跨位移，S1′～S5′表示基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫里的5跨跨距。從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫獲得臨近6桿，如匹配1，依次比較S1～S5與S1′～S5′，按照一定的冗余量，如果兩者相符合，說明連續(xù)定位是可信的。如果差異值超過了設(shè)定的冗余量，則嘗試匹配2或匹配3，直至找到與設(shè)定冗余量相符合的滑窗，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行持續(xù)修正。

2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析

數(shù)據(jù)庫使用SQLite或MySQL等數(shù)據(jù)庫，優(yōu)點(diǎn)是開源、免費(fèi)并且可靠，存儲(chǔ)各類型數(shù)據(jù)。

（1）EOAS數(shù)據(jù)

EOAS數(shù)據(jù)按照《EOAS與3C設(shè)備通信協(xié)議》解析并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫，基本數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 EOAS 有效數(shù)據(jù)

（2）GPS數(shù)據(jù)

GPS數(shù)據(jù)，按照NEMA[5]0183協(xié)議解析GPGGA[6]、GPRMC等報(bào)文，該協(xié)議是GPS導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一的RTCM（Radio Technical Commission for Maritime services）國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫。例如：$GPGGA,070239.000,2754.6120,N,113 07.2628,E,1,09,1.3,065.83,M,-18.0,M,,*4F，部分字段含義見表6所示。

表6 GPGGA 報(bào)文解析

（3）激光傳感數(shù)據(jù)

激光傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)包含掃桿觸發(fā)時(shí)間（精確到毫秒）和傳感器觸發(fā)狀態(tài)。

（4）定位結(jié)果數(shù)據(jù)

定位結(jié)果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)見表7所示。

表7 定位結(jié)果數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3 應(yīng)用

有些鐵路線的支柱號(hào)在支柱上部，有些在支柱下部，通過6C系統(tǒng)的視頻拍攝存儲(chǔ)，可以拍攝到一部分標(biāo)號(hào)在支柱上部的線路，慢速回放歷史視頻，比較定位結(jié)果與實(shí)際線路支柱號(hào)。如圖5所示，定位結(jié)果支柱號(hào)是73，拍攝到的支柱標(biāo)號(hào)是73，兩者吻合。

對(duì)于支柱號(hào)在定位支柱下部的線路，采用現(xiàn)場復(fù)核的方法，通過連續(xù)10km的鐵路線比對(duì)，準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上，剩余偏差不超過1桿。例如，2019.7.21日CRH3C 3062號(hào)動(dòng)車定位的部分?jǐn)?shù)據(jù)比對(duì)見表8所示。現(xiàn)場運(yùn)用表明本論文的定位方法可以滿足動(dòng)車運(yùn)營場景和現(xiàn)場天窗作業(yè)對(duì)精確定位的要求。

表8 定位結(jié)果復(fù)核

4 結(jié)語

本論文基于EOAS的定位方法，可以對(duì)運(yùn)營動(dòng)車組實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的定位監(jiān)測，對(duì)于高速鐵路供電接觸網(wǎng)線路的運(yùn)營、維護(hù)、檢修有較大價(jià)值。本論文提出的定位方法，可以拓展至其他鐵路檢測系統(tǒng)的定位功能設(shè)計(jì)上，為鐵路檢修作業(yè)提供精確的位置信息，以節(jié)省作業(yè)時(shí)間，提高鐵路運(yùn)營效率，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與社會(huì)效益。