蔡伯根，朱 強(qiáng)，上官偉,b,c，劉 丹，姜 維,b,c,王 劍,b,c

(北京交通大學(xué) a.電子信息工程學(xué)院，b. 軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， c.北京市軌道交通電磁兼容與衛(wèi)星導(dǎo)航工程技術(shù)研究中心，北京 100044)

當(dāng)前我國(guó)鐵路進(jìn)入了快速發(fā)展階段，根據(jù)《鐵路“十三五”規(guī)劃發(fā)展》計(jì)劃[1]，到2020年，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程將達(dá)到15萬km，其中高速鐵路3萬km，中西部路網(wǎng)規(guī)模達(dá)到9萬km左右，鐵路客運(yùn)量達(dá)到40億人、平均年增長(zhǎng)率9.5%，貨物發(fā)送量達(dá)到30億t、平均年增長(zhǎng)率2.1%.隨著鐵路行車密度的加大，鐵路線路能力日趨緊張，列控系統(tǒng)作為鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的重要核心，保證列控系統(tǒng)安全、可靠及高效的運(yùn)行至關(guān)重要.目前我國(guó)運(yùn)營(yíng)和在建的高速列車普遍采用CTCS-2和CTCS-3級(jí)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，其技術(shù)特點(diǎn)是采用地面設(shè)備和無線通信手段實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制，采用半固定、準(zhǔn)移動(dòng)閉塞方式調(diào)整列車追蹤，以各區(qū)間最大追蹤間隔作為全線追蹤間隔標(biāo)準(zhǔn)，鐵路線路運(yùn)輸能力存在巨大提升潛力，此外，列控系統(tǒng)對(duì)列車態(tài)勢(shì)的感知過程對(duì)軌道電路、應(yīng)答器等地面設(shè)備存在依賴，需要耗費(fèi)巨大的建設(shè)支出及運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，同時(shí)伴隨著列控系統(tǒng)自主化、智能化需求的不斷提高，采用自主感知的解決策略發(fā)展未來新型自主化列車控制系統(tǒng)并深入探索在途列車動(dòng)態(tài)間隔調(diào)整策略已迫在眉睫.

基于優(yōu)化控制、提高效率、降低成本的考慮，國(guó)內(nèi)外先后展開了新型列控系統(tǒng)的研究.歐盟在ETCS-3級(jí)基礎(chǔ)上，與國(guó)際鐵路聯(lián)盟提出了ERTMS-Regional方案[2]，基于無線通信技術(shù)和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車高精度定位和列車完整性檢查；依靠應(yīng)答器和無線閉塞中心實(shí)現(xiàn)列車追蹤間隔控制[3]，保證列車運(yùn)行安全，縮短追蹤間隔.美國(guó)推出的PTC系統(tǒng)[4]，使用車載衛(wèi)星定位設(shè)備、無線傳輸設(shè)備解算列車位置，傳遞位置報(bào)告和行車許可，利用移動(dòng)閉塞調(diào)整列車追蹤間隔[5]，具有高效的列車運(yùn)行管理能力.我國(guó)青藏線使用的 ITCS 列控系統(tǒng)采用基于衛(wèi)星導(dǎo)航的定位方式實(shí)現(xiàn)列車位置檢測(cè)[6]，基于GSM-R無線閉塞方式實(shí)現(xiàn)列車間隔控制，提升列車運(yùn)行效率.同時(shí)，根據(jù)我國(guó)CTCS 列控系統(tǒng)體系發(fā)展的規(guī)劃，未來將開發(fā)并應(yīng)用CTCS-4 級(jí)列控系統(tǒng)，面向高速鐵路或低密度線路[7]，基于車-地?zé)o線通信實(shí)現(xiàn)虛擬閉塞或移動(dòng)閉塞，列車通過車載設(shè)備實(shí)現(xiàn)自主定位，司機(jī)通過車載信號(hào)行車，進(jìn)一步提高鐵路運(yùn)輸效率.

在列車運(yùn)行過程中，列車控制功能的實(shí)現(xiàn)依賴于對(duì)列車實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過程的準(zhǔn)確掌握，我國(guó)高速鐵路目前廣泛應(yīng)用的CTCS-2/3 級(jí)列控系統(tǒng)采用地面應(yīng)答器輔助車輪傳感器實(shí)現(xiàn)列車位置狀態(tài)感知，利用軌道電路實(shí)現(xiàn)列車占用檢查.基于應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)列車位置校正同樣需面臨大量地面設(shè)備導(dǎo)致的系統(tǒng)成本問題，同時(shí)，其對(duì)車載系統(tǒng)測(cè)速定位的校正作用具有明顯的離散性，其校正效能的增強(qiáng)需要以加大設(shè)備投入為代價(jià)，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、邏輯的復(fù)雜性以及與之相關(guān)的不確定性帶來了更大挑戰(zhàn).近年來，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)因其顯著的性能及成本效益，逐步被引入鐵路系統(tǒng)用于列車定位[8]，采用基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車定位手段不僅可以實(shí)現(xiàn)高更新率的高精度定位，同時(shí)可以減少軌旁設(shè)備，降低成本和維護(hù)量[9].但是，由于列車運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，衛(wèi)星信號(hào)易受沿途隧道、山谷、森林等環(huán)境遮擋，導(dǎo)致基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車定位系統(tǒng)精度下降甚至失效，考慮到列車運(yùn)行的高安全苛求特性，為了更好地獲取列車位置信息，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)需要與其他傳感器組合[10]，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，滿足列車安全運(yùn)行需求.目前，采用衛(wèi)星導(dǎo)航與其他測(cè)速定位傳感器組合方式實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行狀態(tài)的獲取已經(jīng)成為列車定位領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一.

列車狀態(tài)自主感知用于列車運(yùn)行控制與安全保障過程中，列車狀態(tài)的判別在列車運(yùn)行態(tài)勢(shì)評(píng)估以及列車安全控制策略中引發(fā)了新的問題，列車追蹤間隔控制、列車追蹤安全預(yù)警等目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要與列車自主感知過程形成緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)間隔調(diào)整、動(dòng)態(tài)追蹤預(yù)警等功能模式，在確保安全的前提下實(shí)現(xiàn)優(yōu)化列車控制、提高鐵路運(yùn)輸效率等目標(biāo)[11-12].現(xiàn)在普遍采用的基于固定閉塞、準(zhǔn)移動(dòng)閉塞的列車間隔控制方式以前車所在閉塞分區(qū)的入口為目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)-速度曲線的計(jì)算，以犧牲列車追蹤空間和運(yùn)行效率保證列車運(yùn)行安全.實(shí)際列車在運(yùn)行過程中，根據(jù)列車運(yùn)行態(tài)勢(shì)、性能，綜合考慮前車運(yùn)行態(tài)勢(shì)、路況、臨時(shí)限速及控制命令等動(dòng)態(tài)信息，計(jì)算所得的列車安全車距即最小追蹤間隔也會(huì)發(fā)生變化[13].如何根據(jù)這種動(dòng)態(tài)變化，將自主感知特性與列車安全控制過程有效結(jié)合，調(diào)整列車追蹤運(yùn)行的具體行為，從而達(dá)到列車間隔動(dòng)態(tài)調(diào)整的目的，無疑將有助于提高列車運(yùn)行控制的質(zhì)量，并深入挖掘線路的運(yùn)輸潛能，進(jìn)一步提升鐵路的運(yùn)輸效率.

中國(guó)CTCS-4級(jí)列控系統(tǒng)研究處在探索階段，尚未形成成熟的列控系統(tǒng)方案.本文作者提出一種基于自主感知的動(dòng)態(tài)間隔可調(diào)整的列控系統(tǒng)技術(shù)方案，并闡述了系統(tǒng)具備的關(guān)鍵技術(shù).同時(shí)，針對(duì)列控系統(tǒng)中的定位需求，將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行組合定位，保證定位連續(xù)性；結(jié)合地圖匹配技術(shù)，提高定位精度，在列車運(yùn)行態(tài)勢(shì)精準(zhǔn)感知的基礎(chǔ)上，提出列車間隔動(dòng)態(tài)調(diào)整策略和三級(jí)告警機(jī)制的列車追蹤預(yù)警方法，為列車運(yùn)行間隔的動(dòng)態(tài)調(diào)整提供了安全保障和技術(shù)支持，并利用鐵路現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)部分理論方法的測(cè)試驗(yàn)證，為我國(guó)CTCS-4 級(jí)列控系統(tǒng)的發(fā)展提供有效的參考價(jià)值.

1 動(dòng)態(tài)間隔可調(diào)整的列控系統(tǒng)方案

以提高我國(guó)鐵路調(diào)度運(yùn)輸能力為目標(biāo)，充分利用相關(guān)行業(yè)先進(jìn)技術(shù)快速發(fā)展帶來的便利，本文設(shè)計(jì)了一種基于自主感知的列車間隔可動(dòng)態(tài)調(diào)整的列控系統(tǒng)技術(shù)方案.列控系統(tǒng)基于多模無線通信完成車-地間信息的快速傳輸實(shí)現(xiàn)閉塞，列車通過車載設(shè)備完成自主定位.系統(tǒng)通過引入衛(wèi)星定位、無線通信等技術(shù)，簡(jiǎn)化地面設(shè)備，增強(qiáng)車載設(shè)備功能，將地面進(jìn)路控制和聯(lián)鎖功能轉(zhuǎn)移到車載設(shè)備，由車載設(shè)備完成列車運(yùn)行狀態(tài)的獲取和完整性檢查，結(jié)合地面發(fā)送的行車計(jì)劃和線路狀態(tài)信息，完成列車行走路徑的計(jì)算和行車許可的下達(dá)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)間隔調(diào)整和超速防護(hù)，并操作地面對(duì)象控制器完成進(jìn)路控制.列控系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖1.

圖1 動(dòng)態(tài)間隔可調(diào)整的列控系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Train control system architecture with adjustable dynamic interval

基于自主感知的新型列車控制系統(tǒng)同既有列控系統(tǒng)相比，其重要特征為基于車-地?zé)o線通信實(shí)現(xiàn)虛擬閉塞或移動(dòng)閉塞，列車通過車載設(shè)備實(shí)現(xiàn)自主定位.新型列控系統(tǒng)能夠利用列車自身的自主感知能力獲取列車狀態(tài)，從根本上改變現(xiàn)有列車狀態(tài)態(tài)勢(shì)的感知方式，新的感知手段的引入也將改變既有列控系統(tǒng)的感知模式.本文作者從高速列車安全控制方面出發(fā)，以安全保障為核心目標(biāo)，針對(duì)基于自主感知的高速列車運(yùn)行控制系統(tǒng)和安全預(yù)警系統(tǒng)的移動(dòng)授權(quán)及安全預(yù)警邏輯，對(duì)列控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及動(dòng)態(tài)間隔調(diào)整原理進(jìn)行分析.

1.1 列控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

基于上述列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本工作原理，分析了系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù).

1)信息實(shí)時(shí)傳輸技術(shù).列控系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)基于信息的實(shí)時(shí)、有效傳輸，因此列控系統(tǒng)利用無線通信設(shè)備替代軌道電路等地面設(shè)備，并采用多種無線通信技術(shù)共存的方式，構(gòu)建安全可靠的通信鏈路，保障車-地、車-車、地-地間的信息實(shí)時(shí)、可靠交互.多模無線通信傳輸系統(tǒng)包括通信模式切換子系統(tǒng)、地面通信基站子系統(tǒng)、移動(dòng)終端和多模通信網(wǎng)關(guān)等.

2)列車運(yùn)行狀態(tài)自主感知技術(shù).利用列車定位單元實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)獲取，減少計(jì)軸器等地面設(shè)備.定位單元主要包括車載衛(wèi)星導(dǎo)航接收模塊、慣性導(dǎo)航模塊、電子軌道地圖和數(shù)據(jù)處理模塊等.列車定位系統(tǒng)采用基于衛(wèi)星導(dǎo)航的組合定位方式連續(xù)計(jì)算位置，利用地面差分基準(zhǔn)站輔助的方式提高衛(wèi)星定位精度，定位處理器根據(jù)接收的定位信息，搜索電子軌道地圖數(shù)據(jù)庫匹配產(chǎn)生準(zhǔn)確列車位置并發(fā)送至車載安全計(jì)算機(jī)和地面控制中心，實(shí)現(xiàn)列車位置、速度信息的獲取和軌道占用識(shí)別.

3)列車完整性自檢查技術(shù).在獲取列車運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)上，通過在列首列尾分別放置列車定位單元，結(jié)合無線通信設(shè)備構(gòu)建完整性檢查單元.列尾設(shè)備定期向列首終端發(fā)送列尾位置、速度信息，由列首終端計(jì)算車長(zhǎng)并結(jié)合列首運(yùn)行狀態(tài)信息，綜合推算出列車完整性的狀態(tài)，保證準(zhǔn)確、及時(shí)地檢測(cè)列車完整性異常的情況，并及時(shí)給出告警.同時(shí)，將完整性檢查結(jié)果傳遞給安全計(jì)算機(jī)和地面控制中心，一方面輔助車載計(jì)算機(jī)完成安全防護(hù)，另一方面輔助地面控制中心完成區(qū)段出清判別，保證行車計(jì)劃的正確下達(dá).

4)列車運(yùn)行間隔調(diào)整技術(shù).車載安全計(jì)算機(jī)通過獲取來自列車定位單元的列車運(yùn)行狀態(tài)信息和列車完整性檢查單元的完整性信息，實(shí)現(xiàn)虛擬閉塞區(qū)間的劃定并發(fā)送到地面控制中心，同時(shí)接收來自地面線路資源管理中心的線路信息.來自地面控制中心的行車計(jì)劃，并和前向列車通過無線通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)列車間位置、速度信息的相互交換，進(jìn)而完成速度-距離運(yùn)行模式曲線的計(jì)算和行車許可下達(dá)，實(shí)現(xiàn)列車行為的調(diào)整，并將計(jì)算得到的虛擬信號(hào)顯示并傳送給司機(jī)作為行車憑證，在保護(hù)列車運(yùn)行安全的同時(shí)提高運(yùn)行效率.

5)列車追蹤預(yù)警技術(shù).在列車實(shí)際運(yùn)行中，存在許多不可控因素，且列控設(shè)備不可避免地存在故障、失效等情況.因此，需要采用一種獨(dú)立輔助的技術(shù)手段對(duì)列車追蹤間斷的安全性進(jìn)行判別.列車追蹤預(yù)警系統(tǒng)通過監(jiān)視本車的運(yùn)行狀態(tài)，獲取運(yùn)行線路上前向列車的位置、速度信息進(jìn)行碰撞風(fēng)險(xiǎn)分析，實(shí)現(xiàn)追蹤列車的安全狀態(tài)判別和預(yù)警.當(dāng)列車接近前方列車，存在潛在追尾碰撞危險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)能夠根據(jù)危險(xiǎn)等級(jí)向列車發(fā)出預(yù)警，提醒列車司機(jī)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)狀況并及時(shí)做出安全響應(yīng)，避免災(zāi)難性事故的發(fā)生，從而保障列車運(yùn)行安全.

1.2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)間隔調(diào)整原理

傳統(tǒng)的列控系統(tǒng)由于信息傳輸?shù)臏笮缘纫蛩赜绊?，通常將前向列車?dāng)做靜止障礙物，采用“撞硬墻”的方式控制列車運(yùn)行間隔，但是，在實(shí)際運(yùn)行中列車不可能瞬間由高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變?yōu)殪o止?fàn)顟B(tài).在動(dòng)態(tài)間隔可調(diào)整的列控系統(tǒng)中，列車車載設(shè)備利用基于衛(wèi)星導(dǎo)航的組合定位技術(shù)，實(shí)時(shí)、連續(xù)掌握列車精準(zhǔn)的運(yùn)行狀態(tài)信息；利用基于無線通信的“車-車”直接通信技術(shù)，借助高精度的時(shí)鐘同步算法，實(shí)時(shí)掌握通信范圍內(nèi)其余列車的運(yùn)行信息.因此，列控系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)模型構(gòu)建時(shí)將前車車尾視為一個(gè)具有速度的動(dòng)態(tài)點(diǎn)，縮短了相鄰兩車間的安全間距，使列車在追蹤狀態(tài)下，以“撞軟墻”的方式追蹤前車，前后車之間實(shí)際只需要保持一個(gè)長(zhǎng)度為d的安全車距，即可保證在追蹤過程中不會(huì)發(fā)生追尾事故，以縮短行車間隔，提升運(yùn)行效率.列車追蹤運(yùn)行原理見圖2.

圖2 列車追蹤運(yùn)行模式Fig.2 Train tracking operation mode

同時(shí)，綜合考慮列車制動(dòng)過程中的主要影響因素和前車的最有利制動(dòng)時(shí)后車的最不利制動(dòng)情況的基礎(chǔ)上，給出了具有真實(shí)物理意義的最不利情況.因此，根據(jù)圖2可得

d=(Laction+Lbreak1)+(Lsafe+Ltrain)-

Lbreake2-Ltrain

(1)

(2)

(vb+amax qta)td

(3)

(4)

式中：Laction為后車在最不利情況下以最大的加速度amax q運(yùn)行時(shí)間ta所走過的距離與牽引切除完畢到真正制動(dòng)生效時(shí)間td內(nèi)的惰性行走距離的總和；Lbreak1、vb、tz、τz分別表示后車制動(dòng)距離、初始速度、制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)加速度；Lbreak2、vf、τmax z分別表示前車制動(dòng)距離、初始速度、最大制動(dòng)加速度；Ltrain表示列車車長(zhǎng)；基于安全考慮，在計(jì)算列車間安全車距時(shí)增加長(zhǎng)度為L(zhǎng)safe的安全防護(hù)距離，為列控系統(tǒng)能夠在干擾情況下調(diào)整行車計(jì)劃提供了時(shí)空裕量.

在列車追蹤運(yùn)行過程中，后車以“撞軟墻”的方式追蹤前車充分體現(xiàn)了列車間隔動(dòng)態(tài)調(diào)整的特點(diǎn)，即后車根據(jù)列控命令進(jìn)行的行為調(diào)整，必須是在依據(jù)前車與后車當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)以及兩車安全車距的基礎(chǔ)上進(jìn)行的.因此，如何連續(xù)、精準(zhǔn)地獲取列車運(yùn)行狀態(tài)信息變得尤為重要.

2 列車運(yùn)行狀態(tài)感知技術(shù)

伴隨著衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)的逐漸成熟和廣泛建設(shè)、應(yīng)用，利用地面增強(qiáng)系統(tǒng)提供的服務(wù)進(jìn)一步提升了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用能力，為更大范圍、更深層次的基于衛(wèi)星導(dǎo)航的鐵路專用定位應(yīng)用創(chuàng)造了良好條件[14].為獲取更精準(zhǔn)的列車運(yùn)行狀態(tài)(位置、速度)信息，本文研究并設(shè)計(jì)了地面差分增強(qiáng)系統(tǒng)，用于輔助列車定位，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3.

圖3 地面差分增強(qiáng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of ground differential enhancement system

地面差分增強(qiáng)系統(tǒng)由基準(zhǔn)站子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理中心、用戶子系統(tǒng)三部分組成.基準(zhǔn)站子系統(tǒng)根據(jù)已知精確基準(zhǔn)站坐標(biāo)和接收到的衛(wèi)星觀測(cè)信息，生成偽距和相位改正數(shù)，經(jīng)由通信接口機(jī)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)收到的用戶位置信號(hào)進(jìn)行決策，返回最優(yōu)差分改正數(shù)，輔助用戶實(shí)現(xiàn)差分定位，并將衛(wèi)星導(dǎo)航觀測(cè)數(shù)據(jù)和用戶信息存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器，供后期維護(hù).同時(shí)，為提高系統(tǒng)容錯(cuò)性，地面差分增強(qiáng)系統(tǒng)采用雙機(jī)熱備的架構(gòu)，當(dāng)一套設(shè)備檢測(cè)到本身出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)將之隔離，另一套設(shè)備可以在短時(shí)間內(nèi)將故障設(shè)備的應(yīng)用接管過來，提升了應(yīng)用的持續(xù)性和系統(tǒng)的容錯(cuò)性.

但是列車在運(yùn)行中若駛?cè)胨淼?、山谷衛(wèi)星信號(hào)受遮擋區(qū)域，可用衛(wèi)星數(shù)少于4顆時(shí)，定位失效[15]，嚴(yán)重影響列車運(yùn)行安全.而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System，INS)在衛(wèi)星導(dǎo)航失效時(shí)仍可提供短時(shí)有效的位置、速度信息，再結(jié)合地圖匹配技術(shù)，可提高定位的連續(xù)性和可靠性.

2.1 GNSS/INS組合定位技術(shù)

GNSS和INS在單獨(dú)使用時(shí)，具有明顯的優(yōu)缺點(diǎn).一方面INS作為一種完全自主的傳感器，具有數(shù)據(jù)更新率高，不受外界信號(hào)干擾的優(yōu)點(diǎn)，但其誤差隨時(shí)間累積，另一方面GNSS能夠提供高精度的全球三維實(shí)時(shí)定位信息，但作為被動(dòng)式導(dǎo)航的GNSS，進(jìn)入隧道等衛(wèi)星信號(hào)受遮擋環(huán)境，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位誤差將增大甚至?xí)?因此，根據(jù)GNSS和INS誤差互補(bǔ)特性[16]，形成一個(gè)新的導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)列車的連續(xù)、無縫定位.按照組合方式的不同，GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)可以分為松組合、緊組合兩大類.

2.1.1 松組合定位技術(shù)

松組合定位模式是將INS和GNSS接收機(jī)各自輸出的列車位置/速度做差，作為組合導(dǎo)航融合濾波器的觀測(cè)值，利用組合導(dǎo)航融合濾波算法，生成INS狀態(tài)誤差估計(jì)值，并利用生成的估計(jì)值對(duì)INS導(dǎo)航解算信息(位置/速度/姿態(tài)角)進(jìn)行校正后輸出結(jié)果[17]，即組合導(dǎo)航的融合后的列車定位結(jié)果.GNSS/INS松組合結(jié)構(gòu)見圖4.

圖4 GNSS/INS松組合定位結(jié)構(gòu)Fig.4 GNSS/INS loose composite location structure

GNSS/INS松組合中融合濾波器采用線性卡爾曼濾波器，因?yàn)镚NSS接收機(jī)解算給出的位置和速度誤差一般是時(shí)間相關(guān)的色噪聲，在實(shí)際中往往難以建模，因此在本文中構(gòu)建GNSS/INS松組合系統(tǒng)狀態(tài)時(shí)僅考慮INS的誤差, 系統(tǒng)狀態(tài)由INS定位位置/速度/姿態(tài)及慣性器件(陀螺儀和加速度計(jì))的狀態(tài)誤差兩部分15維向量組成，系統(tǒng)狀態(tài)向量為

X(t)=[φN,φE,φD,δvN,δvE,δvD,δL,δλ,δh,εx

εy,εz,x,y,z]

(5)

式中：(φN,φE,φD)，(δvN,δvE,δvD)分別表示導(dǎo)航坐標(biāo)系下北，東，地3個(gè)方向上的姿態(tài)誤差和速度誤差；(δL,δλ,δh)分別表示緯度、經(jīng)度和高度的誤差；(εx,εy,εz)，(x,y,z)分別表示載體坐標(biāo)系下前，右，下三個(gè)方向上的陀螺儀的隨機(jī)漂移和加速度計(jì)的隨機(jī)漂移.

在GNSS/INS松組合列車定位系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要比較衛(wèi)星解算的位置、速度與INS解算的對(duì)應(yīng)的位置、速度，所以系統(tǒng)量測(cè)向量為

(6)

式中：PI，VI表示INS自解算的位置、速度；PG，VG表示GNSS自解算的位置、速度.

2.1.2 緊組合定位技術(shù)

GNSS/INS緊組合首先由INS自解算得到列車的位置、速度和姿態(tài)信息，結(jié)合GNSS接收機(jī)采集的衛(wèi)星星歷中的衛(wèi)星位置信息，計(jì)算出接收機(jī)到衛(wèi)星的等效偽距和偽距率.GNSS接收機(jī)給出原始的偽距和偽距率.然后，將兩者對(duì)應(yīng)的偽距、偽距率分別做差，得到的結(jié)果作為組合導(dǎo)航濾波器量測(cè)輸入值，修正INS導(dǎo)航系統(tǒng)自解算信息(位置/速度/姿態(tài))，獲取融合后的列車位置、速度信息.GNSS/INS緊組合結(jié)構(gòu)見圖5.

圖5 GNSS/INS緊組合定位結(jié)構(gòu)Fig.5 GNSS/INS tight combination location structure

(7)

在GNSS/INS緊組合列車定位系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要比較衛(wèi)星原始偽距、偽距率與INS解算的對(duì)應(yīng)的偽距、偽距率，系統(tǒng)的量測(cè)矩陣為

(8)

綜上來看，相較于松組合，GNSS/INS緊組合利用衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)解算偽距等信息，因此在可用衛(wèi)星數(shù)少于4顆時(shí)依然能夠提供連續(xù)的、較高精度的位置輸出，具有更強(qiáng)的魯棒性.無論哪種組合方式，相比單一的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，GNSS/INS的組合導(dǎo)航方式既能夠保證列車位置、速度輸出的連續(xù)性，又可以提高基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車定位的可靠性.

2.2 基于數(shù)字軌道地圖的地圖匹配方法

列控系統(tǒng)對(duì)定位的精度要求與列車在軌道上位置(股道數(shù)/股道號(hào)以及公里標(biāo))具有強(qiáng)相關(guān)性[18].列車在正常運(yùn)行情況下，一定會(huì)處于鐵路線上，所以采用地圖匹配技術(shù)能夠在滿足列控系統(tǒng)需求的同時(shí)提高列車定位的精度.進(jìn)行地圖匹配時(shí)，首先采集鐵路線路數(shù)據(jù)，制成高精度的離線數(shù)字軌道地圖庫，然后將GNSS/INS組合定位結(jié)果,與各候選軌道進(jìn)行匹配決策，獲取列車精確的位置，實(shí)現(xiàn)列車軌道占用識(shí)別，原理見圖6.

圖6 地圖匹配原理Fig.6 Map matching principle

地圖匹配通過垂直投影的算法將組合定位結(jié)果投射到地圖的線路中.算法如下：

1)搜索地圖數(shù)據(jù)中，距離目標(biāo)點(diǎn)P0(x0,y0)最近的線路位置點(diǎn)P1(x1,y1)，以及其前后的線路位置點(diǎn)P2(x2,y2),P3(x3,y3).

2)計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)與P2和P3兩個(gè)點(diǎn)的距離，選擇兩個(gè)點(diǎn)中距離最近的點(diǎn)P3.

3)將P0點(diǎn)映射到P1與P3之間的連線上，得到匹配的位置點(diǎn)P(x,y).

由海倫公式計(jì)算得到h，算得線段比例，最后確定投影點(diǎn)P點(diǎn)坐標(biāo).公式如下

(9)

(10)

(11)

(12)

聯(lián)立以上四式，最后可求得投影點(diǎn)P坐標(biāo)即最終輸出列車在軌道上的位置，并作為下一次組合定位的起點(diǎn)，完成對(duì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)解算位置的修正，即提高GNSS/INS組合定位精度，也為后續(xù)列車動(dòng)態(tài)間隔的調(diào)整提供了更加精確的軌道占用信息.

3 列車動(dòng)態(tài)間隔調(diào)整和追蹤預(yù)警方法

3.1 列車間隔動(dòng)態(tài)調(diào)整策略

一方面列車運(yùn)行狀態(tài)信息的精準(zhǔn)、連續(xù)獲取，為列車追蹤間隔的動(dòng)態(tài)調(diào)整提供了技術(shù)支撐和安全保障，另一方面從乘客舒適度和節(jié)能減排角度來說，列車不宜頻繁加/減速，故列車追蹤運(yùn)行通常情況下宜保持合理的間隔勻速追蹤運(yùn)行.在綜合考慮列車運(yùn)行安全、舒適、?？繙?zhǔn)確度等多重因素.結(jié)合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)間隔調(diào)整原理由式(1)可得

L1=d=Laction+Lbreak1-Lbreak2+Lsafe

(13)

式中：L1為動(dòng)態(tài)安全車距，L2為兩車實(shí)際車距.

控制策略具體的實(shí)施步驟如下：

1)列車位置獲取.車載計(jì)算機(jī)獲取本車與前車位置信息，并進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)，如果相同，直接跳轉(zhuǎn)到步驟2)，否則取前向列車上一時(shí)刻位置信息，隨后跳轉(zhuǎn)到步驟2).

2)列車間距檢測(cè).判斷后車與前車的間距L2是否滿足安全性需求，當(dāng)兩車車距L2

3)此時(shí)L2

4)此時(shí)L2≥L1，后車開始制動(dòng)，并以列車實(shí)際車距L2為當(dāng)前時(shí)刻至停車時(shí)的行駛距離；減速停車過程中持續(xù)對(duì)追蹤運(yùn)行的安全性進(jìn)行檢測(cè)，即轉(zhuǎn)步驟1)，根據(jù)自身當(dāng)前位置，判斷車距是否滿足安全性需求，根據(jù)新的情況進(jìn)行行為調(diào)整.

由于列車位置是隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的，這就要求前車與后車之間保持一定頻率的周期性通信，保證后車能夠?qū)崟r(shí)掌握前車的位置信息，并且每次交互的信息都應(yīng)該有嚴(yán)格的時(shí)效性，避免因信息滯后而影響了后車的判斷，所以前/后車車載設(shè)備以10 Hz頻率進(jìn)行信息交互，為列車追蹤調(diào)整的調(diào)整提供技術(shù)保障，在提升鐵路運(yùn)輸效率的同時(shí)，也提高了列車運(yùn)行控制的質(zhì)量.

3.2 列車追蹤預(yù)警方法

為實(shí)現(xiàn)對(duì)列車追蹤運(yùn)行中可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況提供準(zhǔn)確、高效的安全預(yù)警，須緊密結(jié)合列車追蹤運(yùn)行的動(dòng)態(tài)過程，綜合利用列車運(yùn)行狀態(tài)信息及安全預(yù)警邏輯，對(duì)同線路、同方向運(yùn)行列車的運(yùn)行安全狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的計(jì)算評(píng)估[19].在盡可能完備地實(shí)施安全預(yù)警的同時(shí)盡量降低對(duì)司機(jī)操作的影響與干擾，因此本文采用三級(jí)式分級(jí)告警機(jī)制在相應(yīng)等級(jí)的安全態(tài)勢(shì)下給出預(yù)警，原理見圖7.

圖7 三級(jí)告警機(jī)制Fig.7 Three-level warning mechanism

圖中D1為最大常用制動(dòng)距離，由式(1)可得

(14)

三級(jí)告警機(jī)制原理是依據(jù)實(shí)時(shí)的列車間隔給出相應(yīng)的預(yù)警信號(hào)，因此設(shè)定長(zhǎng)度為D1的安全防護(hù)分區(qū)用于安全判定，預(yù)警機(jī)制具體如下：

1)藍(lán)色預(yù)警.當(dāng)后車與前車的間距大于D2且小于等于D3時(shí)，若后車?yán)^續(xù)以更高速度接近前車時(shí)存在潛在安全沖突風(fēng)險(xiǎn)，追蹤預(yù)警單元顯示藍(lán)色預(yù)警信號(hào)，司機(jī)接受到預(yù)警信號(hào)后應(yīng)立即注意本車的運(yùn)行狀況，同時(shí)關(guān)注前車位置動(dòng)態(tài).

2)黃色預(yù)警.當(dāng)后車與前車的間距大于D1且小于等于D2時(shí)，后車將接近安全防護(hù)分區(qū)，若后車?yán)^續(xù)以更高的速度接近前車，使得列車間距小于安全防護(hù)分區(qū)時(shí)存在安全沖突風(fēng)險(xiǎn)，追蹤預(yù)警單元顯示黃色預(yù)警信號(hào)，司機(jī)接收到預(yù)警信號(hào)后應(yīng)當(dāng)立即采用常用制動(dòng)降低列車速度.

3)紅色預(yù)警.當(dāng)后車與前車的間距小于等于D1，后車與前車的間距小于安全防護(hù)分區(qū)，存在嚴(yán)重的安全沖突風(fēng)險(xiǎn)，追蹤預(yù)警單元顯示紅色預(yù)警信號(hào)，司機(jī)應(yīng)當(dāng)立即采取緊急制動(dòng)措施.

通過確立藍(lán)色、黃色及紅色預(yù)警的三級(jí)告警機(jī)制，在較好地表達(dá)列車接近風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的同時(shí)，司機(jī)能快速明確地確認(rèn)危險(xiǎn)情況并作出反應(yīng)，可以在列車運(yùn)行間隔動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)有效保障列車運(yùn)行安全.

4 驗(yàn)證與分析

結(jié)合2018年9月12日在京沈高鐵進(jìn)行的高鐵測(cè)試試驗(yàn)，對(duì)基于自主感知的動(dòng)態(tài)間隔可調(diào)整的列控系統(tǒng)中,提出的基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車運(yùn)行狀態(tài)感知方法和基于三級(jí)告警機(jī)制的列車追蹤預(yù)警方法進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證.

4.1 測(cè)試試驗(yàn)條件

在京沈高鐵試驗(yàn)中，選擇高速動(dòng)車組CR400BF-0305作為測(cè)試列車進(jìn)行GNSS/INS數(shù)據(jù)采集和追蹤預(yù)警測(cè)試，測(cè)試期間該列車運(yùn)行于京沈高鐵沈陽西—朝陽段，平均車速300 km/h.測(cè)試區(qū)段包含平原、隧道等多種環(huán)境，運(yùn)行路徑見圖8.

4.2 基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車狀態(tài)感知實(shí)驗(yàn)測(cè)試

測(cè)試區(qū)段為新民—黑山區(qū)間，測(cè)試期間在黑山車站附近放置一套地面差分基站，使用和芯星通UB370型衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)與ADIS16488 型慣性測(cè)量單元搭建車載組合定位單元輸出GNSS/INS融合結(jié)果和GNSS、INS原始數(shù)據(jù).同時(shí)，利用前期采集的線路勘測(cè)數(shù)據(jù)制作了軌道電子地圖,對(duì)融合定位結(jié)果進(jìn)行匹配，并利用NovAtel SPAN-FSAS型高精度組合導(dǎo)航定位設(shè)備輸出結(jié)果當(dāng)做實(shí)際列車運(yùn)行軌跡進(jìn)行對(duì)比.

1)差分定位測(cè)試.

有地面差分基站輔助的衛(wèi)星定位結(jié)果和無差分衛(wèi)星定位結(jié)果見圖9.可知，偽距單點(diǎn)定位誤差在7 m，差分定位誤差在2.5 m，由于傳統(tǒng)區(qū)段軌道線間距(5～6.5 m)，所以差分定位基本滿足軌道占用識(shí)別對(duì)列車定位精度的需求.但是，測(cè)試時(shí)采用的信息傳輸方式存在1 s左右延時(shí)，差分性能受限，此外單個(gè)差分基站只能提供沿線30 km內(nèi)的高質(zhì)量差分服務(wù)，并不能滿足鐵路全線覆蓋的需求.因此，如何構(gòu)建地基增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全線路覆蓋，充分發(fā)揮差分定位優(yōu)勢(shì)有待進(jìn)一步研究.

圖9 差分定位和偽距單點(diǎn)定位結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of differential location and pseudo range single point location

2)GNSS/INS組合定位測(cè)試.

GNSS/INS組合定位結(jié)果和衛(wèi)星導(dǎo)航單點(diǎn)定位結(jié)果見圖10.

圖10 單點(diǎn)定位和GNSS/INS組合導(dǎo)航結(jié)果對(duì)比Fig.10 Comparison of single point positioning and GNSS/INS integrated navigation

在圖10中衛(wèi)星定位多次失效，此時(shí)，GNSS/INS組合定位系統(tǒng)依靠對(duì)INS中加速度計(jì)和陀螺儀數(shù)據(jù)進(jìn)行推算，依然可得到列車位置，保證了定位的連續(xù)性，但是當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間缺失時(shí)，INS定位誤差累計(jì)將會(huì)導(dǎo)致定位精度大幅降低，影響列車運(yùn)行安全.

3)地圖匹配測(cè)試.

GNSS/INS組合定位結(jié)果和地圖匹配定位結(jié)果見圖11.

圖11 GNSS/INS組合導(dǎo)航和地圖匹配定位結(jié)果對(duì)比Fig.11 Comparison of GNSS/INS integrated navigation and map matching location results

由圖11可知，GNSS/INS組合定位結(jié)果誤差在3 m，在經(jīng)過地圖匹配后，定位誤差縮小到1.5 m，提高了列車定位精度.

4.3 列車追蹤預(yù)警實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在京沈高鐵試驗(yàn)中，構(gòu)建了由列車定位單元、轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器和無線通信設(shè)備3部分組成的列車追蹤預(yù)警系統(tǒng).列車定位單元A放置于測(cè)試列車列尾車廂上，實(shí)時(shí)獲取列車當(dāng)前位置；列車定位單元B放置于測(cè)試列車列首車廂上，選取列車運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，以離線回放的方式模擬前向列車的運(yùn)行軌跡，通過無線通信設(shè)備傳送到轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器，利用轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器上運(yùn)行的列車接近預(yù)警監(jiān)控程序進(jìn)行數(shù)據(jù)接收及預(yù)警邏輯判斷，并將判斷結(jié)果發(fā)送至預(yù)警顯示單元.

在試驗(yàn)中，設(shè)置正常、提示、預(yù)警和警告4種預(yù)警狀態(tài)等級(jí).預(yù)警等級(jí)的配置如下,正常：列車距離在45 km以上時(shí)；提示：列車距離在45～30 km時(shí)；預(yù)警：列車距離在30～15 km時(shí)；警告：列車距離小于15 km時(shí).試驗(yàn)期間列車追蹤預(yù)警單元界面見圖12.

圖12中，隨著兩車追蹤間隔的動(dòng)態(tài)變化，列車接近預(yù)警單元都會(huì)實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)預(yù)警信息，此外，測(cè)試速度與列車實(shí)際速度誤差在±0.01%以內(nèi)，由此可得，基于三級(jí)告警機(jī)制的列車追蹤預(yù)警方法能夠保證列車追蹤間隔的安全監(jiān)控，可以為列車間隔動(dòng)態(tài)調(diào)整的實(shí)現(xiàn)提供安全保障.

圖12 列車接近預(yù)警單元顯示界面Fig.12 Display interface of train approaching early warning unit

5 結(jié)論

我國(guó)鐵路列車運(yùn)行控制這一關(guān)鍵領(lǐng)域正在面臨十三五階段新的發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在列車控制領(lǐng)域的應(yīng)用在世界范圍內(nèi)進(jìn)行著高速的協(xié)同與融合發(fā)展，具有十分顯著的發(fā)展應(yīng)用潛力.

1)本文通過分析國(guó)內(nèi)外列控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)間隔可調(diào)整的列控系統(tǒng)架構(gòu)，為下一代智能化鐵路列控系統(tǒng)提供了理論參考.

2)針對(duì)列控系統(tǒng)的定位需求，提出一種基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車運(yùn)行狀態(tài)感知方法；針對(duì)列車安全和高效運(yùn)行需求，提出了一種動(dòng)態(tài)間隔控制方法和追蹤預(yù)警方法，為列車動(dòng)態(tài)間隔調(diào)整提供了技術(shù)支持和安全保障.

3)借助京沈高鐵試驗(yàn)分別對(duì)地面差分基準(zhǔn)站,數(shù)字軌道地圖輔助的GNSS/INS列車組合定位方法和基于三級(jí)告警機(jī)制的列車追蹤預(yù)警方法進(jìn)行了測(cè)試.現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性,可以實(shí)現(xiàn)在途列車連續(xù)無縫定位，有效監(jiān)控列車追蹤間隔并給出可靠預(yù)警提示.

未來將對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航地面增強(qiáng)系統(tǒng)、組合導(dǎo)航算法進(jìn)行深入研究，并引入衛(wèi)星完好性監(jiān)測(cè)技術(shù),研究列車位置可信評(píng)估技術(shù)，進(jìn)一步建立列車接近風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，在滿足鐵路“故障-安全”原則的基礎(chǔ)上，輔助實(shí)現(xiàn)列車動(dòng)態(tài)間隔調(diào)整.