接觸網(wǎng)巡檢系統(tǒng)空間綜合定位方法

宋佳明 占 棟 陳唐龍

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院, 610031, 成都∥第一作者, 碩士研究生)

接觸網(wǎng)是軌道交通系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分,其良好的運(yùn)行狀態(tài)是軌道交通系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提條件之一。電氣化鐵道接觸網(wǎng)的巡檢工作是保證接觸網(wǎng)設(shè)備安全、提高供電可靠性、確保接觸網(wǎng)正常運(yùn)行的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作,是接觸網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容。接觸網(wǎng)巡檢過程中的定位精度是確保采集信息有效性的前提。單一的定位方式存在穩(wěn)定性差、定位精度低和可靠性差等缺點(diǎn),基于多種定位方式的綜合定位系統(tǒng)是未來接觸網(wǎng)巡檢定位技術(shù)的重要發(fā)展方向。文獻(xiàn)[1]根據(jù)列車運(yùn)行軌跡的受限條件,提出了一種結(jié)合軌道約束的改進(jìn)型粒子濾波融合估計(jì)方法。文獻(xiàn)[2]研究了基于GPS(全球定位系統(tǒng))/INS(慣性導(dǎo)航系統(tǒng))及關(guān)鍵應(yīng)答器的列車組合定位方法,提出了基于奇異值分解的容積卡爾曼魯棒濾波算法。文獻(xiàn)[3]研究了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的GPS/ODO(里程計(jì))列車組合定位方法,提出了當(dāng)GPS信號(hào)中斷時(shí),宜采用里程計(jì)和數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的定位方法。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))偽距測(cè)量值和軌道地圖信息聯(lián)合估計(jì)列車速度及位置的貝葉斯估計(jì)算法。

上述文獻(xiàn)雖然研究了接觸網(wǎng)巡檢過程中的各種組合定位方法,但其均存在定位精度低、可靠性差等問題。針對(duì)上述問題,本文提出一種采用多定位方式的空間綜合定位方法,該方法引入了誤差比較機(jī)制,能夠滿足多場(chǎng)景綜合定位的需求,以及提高接觸網(wǎng)巡檢系統(tǒng)的定位精度。

1 接觸網(wǎng)巡檢系統(tǒng)主要定位技術(shù)

1.1 輪速定位法

輪速定位法的原理是通過車輪轉(zhuǎn)動(dòng)使連接在車輪軸上的光柵盤將光源(發(fā)光二極管)變?yōu)閿嗬m(xù)光,進(jìn)而帶動(dòng)光電模塊中的光敏三極管進(jìn)行通斷運(yùn)行。光電信號(hào)經(jīng)過電路處理后,能夠獲得與速度成正比的方波脈沖,將脈沖信號(hào)送至車載計(jì)數(shù)器,根據(jù)脈沖數(shù)可以計(jì)算獲得列車的里程數(shù)據(jù)。

鐵路根據(jù)線路長(zhǎng)度沿線設(shè)置公里標(biāo),列車采集輪速編碼器信號(hào)并經(jīng)累計(jì)換算,確定列車運(yùn)行過程中在線路上的具體位置信息。輪速定位法易于實(shí)現(xiàn),但主要缺點(diǎn)在于車輪磨損導(dǎo)致通過車輪直徑獲得的里程數(shù)據(jù)誤差較大。而這種誤差是線性累積的,即隨著行駛里程的增加,其絕對(duì)誤差會(huì)越來越大。這種定位方式的精度極大地受限于車輪空轉(zhuǎn)和滑行。

1.2 RFID(射頻識(shí)別)定位法

RFID技術(shù)是一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù),通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象,并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)處理終端、電子標(biāo)簽、天線和閱讀器構(gòu)成。RFID定位法的優(yōu)點(diǎn)在于地面應(yīng)答器安裝點(diǎn)的定位精度較高、維修費(fèi)用低、使用壽命長(zhǎng),以及能在惡劣條件下穩(wěn)定工作;其缺點(diǎn)為只能給出點(diǎn)式定位信息,且存在設(shè)置間距和投資成本等問題。

1.3 衛(wèi)星導(dǎo)航定位法

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展,其在列車定位中的應(yīng)用越來越廣泛。目前,許多列車采用了GPS,只需在列車上安裝GPS接收機(jī),接收4顆以上的衛(wèi)星信號(hào)就能夠?qū)崿F(xiàn)快速定位。但當(dāng)列車進(jìn)入隧道、山區(qū)及森林等地時(shí),其GPS信號(hào)容易被遮擋;當(dāng)列車處在并行線路上時(shí),GPS易發(fā)生認(rèn)錯(cuò)股道的現(xiàn)象。導(dǎo)致這些現(xiàn)象的原因是,GPS采用的是擴(kuò)頻通信,偽隨機(jī)噪聲碼主要有精測(cè)距碼和C/A(粗測(cè)距)碼兩種,由于一般民用接收機(jī)只能使用C/A碼,經(jīng)過處理后其定位精度降低了許多。

1.4 桿號(hào)識(shí)別定位法

桿號(hào)識(shí)別是接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)的一項(xiàng)基本功能。文獻(xiàn)[5]提出了一種桿號(hào)識(shí)別方法,該方法基于OpenCV計(jì)算機(jī)視覺庫,采用HOG(方向梯度直方圖)特征提取和SVM(支持向量機(jī))分類器將識(shí)別桿號(hào)與數(shù)據(jù)庫匹配起來,進(jìn)而獲取列車的位置信息。但該定位方法需要采集和處理圖片數(shù)據(jù),存在一定的時(shí)間延遲。

2 接觸網(wǎng)巡檢系統(tǒng)空間綜合定位方法

2.1 基本結(jié)構(gòu)

本文提出的接觸網(wǎng)巡檢系統(tǒng)空間綜合定位系統(tǒng)共有3層結(jié)構(gòu):第1層為外部接口層,主要為定位信息的服務(wù)接口;第2層為綜合定位處理層,主要處理業(yè)務(wù)邏輯;第3層為硬件接入層,主要用于接入不同服務(wù)設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)通信。空間綜合定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

注:MVB為多功能車輛總線。

2.2 系統(tǒng)組成

空間綜合定位系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)下發(fā)和參數(shù)設(shè)置4個(gè)模塊組成,如圖2所示。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集定位信號(hào),計(jì)算出可靠的位置信息。數(shù)據(jù)庫模塊負(fù)責(zé)建立GPS公里標(biāo)、RFID信息和桿號(hào)信息等基礎(chǔ)線路信息數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)下發(fā)模塊負(fù)責(zé)將所獲得的定位信息發(fā)送至其他模塊。參數(shù)設(shè)置模塊負(fù)責(zé)預(yù)設(shè)或在運(yùn)行時(shí)設(shè)置線路信息。

圖2 空間綜合定位系統(tǒng)組成示意圖

2.3 定位算法設(shè)計(jì)

空間綜合定位算法需要結(jié)合所有接入的定位信息和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,才能獲得列車當(dāng)前的位置信息。所接入的硬件信息可以分為絕對(duì)定位信息和相對(duì)定位信息。絕對(duì)定位信息包括:GPS、RFID、MVB和人工校正。相對(duì)定位信息包括:錨段校正、桿號(hào)識(shí)別和速度傳感器。空間綜合定位算法需要結(jié)合絕對(duì)定位信息和相對(duì)定位信息才能精確定位,一般通過速度傳感器計(jì)算當(dāng)前位置,通過絕對(duì)定位設(shè)備及相對(duì)定位信息校正當(dāng)前位置。

相對(duì)定位的執(zhí)行條件為:無條件執(zhí)行,只要收到相對(duì)定位信號(hào),就進(jìn)行無條件定位。

絕對(duì)定位需要滿足以下任一條件,方可執(zhí)行:

條件1,2εt<|s0-st|。

條件2,εt<εl。

式中:

εt——當(dāng)前絕對(duì)定位信號(hào)誤差;

s0——定位公里標(biāo);

st——當(dāng)前公里標(biāo);

εl——最后一次絕對(duì)定位設(shè)備誤差。

2.4 校正算法設(shè)計(jì)

2.4.1 錨段校正

錨段關(guān)節(jié)分為三跨非絕緣錨段關(guān)節(jié)、四跨絕緣錨段關(guān)節(jié)、五跨絕緣關(guān)節(jié)和七跨電分相錨段關(guān)節(jié)。由文獻(xiàn)[6]可知,三跨、四跨、五跨錨段關(guān)節(jié)均由錨柱和轉(zhuǎn)換柱組成,在最后一個(gè)轉(zhuǎn)換柱前,兩根接觸線的導(dǎo)高相同,列車經(jīng)過等高點(diǎn)后的第一個(gè)支柱即為該錨段關(guān)節(jié)的最后一個(gè)轉(zhuǎn)換柱。通過識(shí)別該轉(zhuǎn)換柱,同時(shí)結(jié)合支柱數(shù)據(jù)庫,即可校正列車位置。

錨段校正示意圖如圖3所示。當(dāng)雷達(dá)、照相機(jī)檢測(cè)到列車經(jīng)過等高點(diǎn)后,可以判斷下一個(gè)支柱為最后一個(gè)轉(zhuǎn)換柱。當(dāng)列車經(jīng)過等高點(diǎn)后,綜合定位系統(tǒng)識(shí)別到的下一個(gè)支柱即為當(dāng)前錨段關(guān)節(jié)內(nèi)的最后一個(gè)轉(zhuǎn)換柱。為避免誤識(shí)別,在數(shù)據(jù)庫內(nèi)查找當(dāng)前位置前后5個(gè)支柱范圍內(nèi)是否存在該轉(zhuǎn)換柱,若存在,則將列車當(dāng)前位置定位校正至該轉(zhuǎn)換柱。

圖3 錨段校正示意圖

2.4.2 支柱觸發(fā)信號(hào)校正

由于支柱的信號(hào)存在誤識(shí)別,因此增加誤識(shí)別剔除邏輯:若當(dāng)前信號(hào)與上一次支柱信號(hào)位置小于等于15 m,即可判斷為誤識(shí)別。

2.4.3 GPS校正

由GPS數(shù)據(jù)庫查找出的公里標(biāo)并非實(shí)時(shí)校正的。GPS校正流程圖如圖4所示。當(dāng)GPS定位點(diǎn)查詢出的數(shù)據(jù)庫公里標(biāo)滿足校正算法時(shí),才可以將GPS數(shù)據(jù)庫公里標(biāo)設(shè)置為當(dāng)前公里標(biāo)。

圖4 GPS校正流程圖

2.4.4 RFID校正

RFID觸發(fā)為連續(xù)觸發(fā),只有當(dāng)RFID第一次觸發(fā)時(shí)進(jìn)行校正,其后若RFID連續(xù)觸發(fā),則系統(tǒng)將丟棄RFID觸發(fā)信號(hào)。因此,RFID接收范圍越小,觸發(fā)精度越高。

2.4.5 MVB信號(hào)校正

MVB信號(hào)實(shí)際上就是運(yùn)營(yíng)列車提供的定位信號(hào)(各列車的MVB協(xié)議并不相同)。MVB信號(hào)的觸發(fā)條件為:

2εm+εy<|lm0-lmt|

式中:

εm——MVB定位誤差,即運(yùn)營(yíng)列車提供定位信號(hào)的誤差;

εy——MVB延時(shí)誤差;

lm0——MVB定位里程;

lmt——當(dāng)前里程。

2.4.6 桿號(hào)識(shí)別校正

由于桿號(hào)算法有一定的延時(shí)誤差,所以需引入桿號(hào)識(shí)別校正。為了進(jìn)行桿號(hào)識(shí)別校正,空間綜合定位系統(tǒng)需保存一段時(shí)間內(nèi)所有速度傳感器的定位信息,同時(shí)規(guī)定桿號(hào)識(shí)別必須在一段特定時(shí)間內(nèi)完成。桿號(hào)識(shí)別校正流程圖如圖5所示。

圖5 桿號(hào)識(shí)別校正流程圖

2.5 定位校正優(yōu)先級(jí)判定

綜合定位系統(tǒng)由主定位和輔助定位方式構(gòu)成,一般主定位采用速度傳感器持續(xù)獲得列車的行駛里程,輔助定位則是對(duì)主定位進(jìn)行校正。對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景、不同的檢測(cè)載體(檢測(cè)車)采用不同的主定位和輔助定位方式,不同定位方式的優(yōu)先級(jí)有所不同。當(dāng)綜合定位系統(tǒng)同時(shí)接收到兩個(gè)校正信號(hào),其會(huì)自動(dòng)選擇最高優(yōu)先級(jí)的輔助定位來對(duì)列車位置信息進(jìn)行校正。

地鐵運(yùn)營(yíng)車一般不能加裝速度傳感器,但可接入車輛的MVB信號(hào)(MVB信號(hào)包含速度、里程等信息)。地鐵運(yùn)營(yíng)車定位校正優(yōu)先級(jí)示意圖如圖6所示。地鐵運(yùn)營(yíng)車屬于無人值守設(shè)備,定位信息沒有人為干預(yù),故在輔助定位信息里未考慮到人工校準(zhǔn)環(huán)節(jié)。起始公里標(biāo)信息均從MVB信號(hào)中獲得,地鐵線路一般安裝有RFID,其可通過RFID對(duì)列車位置進(jìn)行精確定位。

圖6 地鐵運(yùn)營(yíng)車定位校正優(yōu)先級(jí)示意圖

MVB信號(hào)傳輸有一定的延遲,不同的車速會(huì)導(dǎo)致不同的定位信息誤差,故在綜合定位系統(tǒng)中增加開關(guān)門信息接入,以避免車速對(duì)定位的影響(開關(guān)門時(shí)車速為0)。錨段和支柱識(shí)別由于其本身的定位精度有限,故相較于其他輔助定位系統(tǒng),二者的優(yōu)先級(jí)較低。

3 空間綜合定位系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)概況

以重慶軌道交通4號(hào)線為例,進(jìn)行空間綜合定位系統(tǒng)試驗(yàn)。該線路列車目前所具備的定位方式主要為MVB信號(hào)定位、RFID定位和錨段定位。分別取4號(hào)線下行線區(qū)段民安大道站—頭塘站和線路上行線區(qū)段太平?jīng)_站—寸灘站為試驗(yàn)區(qū)段。上下行線各區(qū)段內(nèi)的定位信息如表1所示。

表1 上下行線各區(qū)段內(nèi)的定位信息

采集試驗(yàn)區(qū)段的速度信號(hào)和里程信號(hào)數(shù)據(jù),可以獲得上下行線試驗(yàn)區(qū)段的MVB信號(hào)數(shù)據(jù)曲線圖,如圖7所示。由圖7可知,大部分時(shí)間段內(nèi),列車的運(yùn)行速度均呈大幅度變化,說明頻繁加減速會(huì)使列車發(fā)生輪軌蠕滑和空轉(zhuǎn),進(jìn)而使列車的定位誤差隨著時(shí)間累積。

a) 下行線,速度-時(shí)間曲線

3.2 定位精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證空間綜合定位系統(tǒng)的定位精度,將MVB運(yùn)行距離-時(shí)間曲線分別與RFID校正及錨段校正后的曲線進(jìn)行對(duì)比,如圖8所示。由圖8可知,RFID和錨段校正均可以提高定位精度,且錨段校正的定位精度比RFID校正的定位精度更高,但是由于錨段識(shí)別可能存在誤識(shí)別或漏桿等問題,可靠性不如RFID校正。

a) 下行線,與RFID校正對(duì)比

分別在兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)段中選取4個(gè)缺陷模擬點(diǎn),采用不同定位方法的上下行線試驗(yàn)區(qū)段定位信息曲線對(duì)比如圖9所示。由圖9可知:在前100 s內(nèi),列車自帶的MVB里程信息定位誤差較小,可以較為精確地定位到第1個(gè)缺陷模擬點(diǎn):隨著時(shí)間的增加,列車位置信息的累積誤差有所增大,導(dǎo)致里程信息產(chǎn)生了40 m左右的偏離;對(duì)于錨段定位校正和RFID定位校正,列車定位誤差的修正效果并不理想,均存在20 m左右的誤差;空間綜合定位系統(tǒng)的列車定位誤差獲得了大幅度的修正,列車定位誤差減小至5 m以內(nèi),能夠較好地定位到后續(xù)缺陷點(diǎn),進(jìn)一步驗(yàn)證了所提空間綜合定位系統(tǒng)的定位精度。

a) 下行線

4 結(jié)語

針對(duì)目前接觸網(wǎng)巡檢系統(tǒng)定位誤差大、定位精度不高等問題,本文引入誤差比較機(jī)制,提出一種空間綜合定位方法。經(jīng)過上線測(cè)試及相關(guān)驗(yàn)證表明,所提系統(tǒng)的定位精度達(dá)到了5 m,具有定位精度高、拓展性好等優(yōu)點(diǎn)。所提系統(tǒng)的定位精度受限于定位技術(shù),隨著定位算法的改進(jìn)及定位技術(shù)的發(fā)展,該綜合定位方法的精度也會(huì)進(jìn)一步有所提高。