宋佳明 占 棟 陳唐龍

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

接觸網是軌道交通系統(tǒng)基礎設施的重要組成部分,其良好的運行狀態(tài)是軌道交通系統(tǒng)安全運行的前提條件之一。電氣化鐵道接觸網的巡檢工作是保證接觸網設備安全、提高供電可靠性、確保接觸網正常運行的一項基礎工作,是接觸網運營管理工作的一項重要內容。接觸網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,基于多種定位方式的綜合定位系統(tǒng)是未來接觸網巡檢定位技術的重要發(fā)展方向。文獻[1]根據列車運行軌跡的受限條件,提出了一種結合軌道約束的改進型粒子濾波融合估計方法。文獻[2]研究了基于GPS(全球定位系統(tǒng))/INS(慣性導航系統(tǒng))及關鍵應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[3]研究了基于擴展卡爾曼濾波的GPS/ODO(里程計)列車組合定位方法,提出了當GPS信號中斷時,宜采用里程計和數字地圖數據庫相結合的定位方法。文獻[4]提出了一種基于GNSS(全球導航衛(wèi)星系統(tǒng))偽距測量值和軌道地圖信息聯(lián)合估計列車速度及位置的貝葉斯估計算法。

上述文獻雖然研究了接觸網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制,能夠滿足多場景綜合定位的需求,以及提高接觸網巡檢系統(tǒng)的定位精度。

1 接觸網巡檢系統(tǒng)主要定位技術

1.1 輪速定位法

輪速定位法的原理是通過車輪轉動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,進而帶動光電模塊中的光敏三極管進行通斷運行。光電信號經過電路處理后,能夠獲得與速度成正比的方波脈沖,將脈沖信號送至車載計數器,根據脈沖數可以計算獲得列車的里程數據。

鐵路根據線路長度沿線設置公里標,列車采集輪速編碼器信號并經累計換算,確定列車運行過程中在線路上的具體位置信息。輪速定位法易于實現(xiàn),但主要缺點在于車輪磨損導致通過車輪直徑獲得的里程數據誤差較大。而這種誤差是線性累積的,即隨著行駛里程的增加,其絕對誤差會越來越大。這種定位方式的精度極大地受限于車輪空轉和滑行。

1.2 RFID(射頻識別)定位法

RFID技術是一種自動識別技術,通過射頻信號自動識別目標對象,并獲取相關數據。RFID系統(tǒng)一般由數據處理終端、電子標簽、天線和閱讀器構成。RFID定位法的優(yōu)點在于地面應答器安裝點的定位精度較高、維修費用低、使用壽命長,以及能在惡劣條件下穩(wěn)定工作;其缺點為只能給出點式定位信息,且存在設置間距和投資成本等問題。

1.3 衛(wèi)星導航定位法

隨著衛(wèi)星導航技術的不斷發(fā)展,其在列車定位中的應用越來越廣泛。目前,許多列車采用了GPS,只需在列車上安裝GPS接收機,接收4顆以上的衛(wèi)星信號就能夠實現(xiàn)快速定位。但當列車進入隧道、山區(qū)及森林等地時,其GPS信號容易被遮擋;當列車處在并行線路上時,GPS易發(fā)生認錯股道的現(xiàn)象。導致這些現(xiàn)象的原因是,GPS采用的是擴頻通信,偽隨機噪聲碼主要有精測距碼和C/A(粗測距)碼兩種,由于一般民用接收機只能使用C/A碼,經過處理后其定位精度降低了許多。

1.4 桿號識別定位法

桿號識別是接觸網檢測系統(tǒng)的一項基本功能。文獻[5]提出了一種桿號識別方法,該方法基于OpenCV計算機視覺庫,采用HOG(方向梯度直方圖)特征提取和SVM(支持向量機)分類器將識別桿號與數據庫匹配起來,進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據,存在一定的時間延遲。

2 接觸網巡檢系統(tǒng)空間綜合定位方法

2.1 基本結構

本文提出的接觸網巡檢系統(tǒng)空間綜合定位系統(tǒng)共有3層結構:第1層為外部接口層,主要為定位信息的服務接口;第2層為綜合定位處理層,主要處理業(yè)務邏輯;第3層為硬件接入層,主要用于接入不同服務設備進行互聯(lián)通信?？臻g綜合定位系統(tǒng)結構示意圖如圖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)由數據采集、數據庫、數據下發(fā)和參數設置4個模塊組成,如圖2所示。數據采集模塊負責采集定位信號,計算出可靠的位置信息。數據庫模塊負責建立GPS公里標、RFID信息和桿號信息等基礎線路信息數據庫。數據下發(fā)模塊負責將所獲得的定位信息發(fā)送至其他模塊。參數設置模塊負責預設或在運行時設置線路信息。

圖2 空間綜合定位系統(tǒng)組成示意圖

2.3 定位算法設計

空間綜合定位算法需要結合所有接入的定位信息和基礎數據庫,才能獲得列車當前的位置信息。所接入的硬件信息可以分為絕對定位信息和相對定位信息。絕對定位信息包括:GPS、RFID、MVB和人工校正。相對定位信息包括:錨段校正、桿號識別和速度傳感器。空間綜合定位算法需要結合絕對定位信息和相對定位信息才能精確定位,一般通過速度傳感器計算當前位置,通過絕對定位設備及相對定位信息校正當前位置。

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

絕對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——當前絕對定位信號誤差;

s0——定位公里標;

st——當前公里標;

εl——最后一次絕對定位設備誤差。

2.4 校正算法設計

2.4.1 錨段校正

錨段關節(jié)分為三跨非絕緣錨段關節(jié)、四跨絕緣錨段關節(jié)、五跨絕緣關節(jié)和七跨電分相錨段關節(jié)。由文獻[6]可知,三跨、四跨、五跨錨段關節(jié)均由錨柱和轉換柱組成,在最后一個轉換柱前,兩根接觸線的導高相同,列車經過等高點后的第一個支柱即為該錨段關節(jié)的最后一個轉換柱。通過識別該轉換柱,同時結合支柱數據庫,即可校正列車位置。

錨段校正示意圖如圖3所示。當雷達、照相機檢測到列車經過等高點后,可以判斷下一個支柱為最后一個轉換柱。當列車經過等高點后,綜合定位系統(tǒng)識別到的下一個支柱即為當前錨段關節(jié)內的最后一個轉換柱。為避免誤識別,在數據庫內查找當前位置前后5個支柱范圍內是否存在該轉換柱,若存在,則將列車當前位置定位校正至該轉換柱。

圖3 錨段校正示意圖

2.4.2 支柱觸發(fā)信號校正

由于支柱的信號存在誤識別,因此增加誤識別剔除邏輯:若當前信號與上一次支柱信號位置小于等于15 m,即可判斷為誤識別。

2.4.3 GPS校正

由GPS數據庫查找出的公里標并非實時校正的。GPS校正流程圖如圖4所示。當GPS定位點查詢出的數據庫公里標滿足校正算法時,才可以將GPS數據庫公里標設置為當前公里標。

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RFID第一次觸發(fā)時進行校正,其后若RFID連續(xù)觸發(fā),則系統(tǒng)將丟棄RFID觸發(fā)信號。因此,RFID接收范圍越小,觸發(fā)精度越高。

2.4.5 MVB信號校正

MVB信號實際上就是運營列車提供的定位信號(各列車的MVB協(xié)議并不相同)。MVB信號的觸發(fā)條件為:

2εm+εy<|lm0-lmt|

式中:

εm——MVB定位誤差,即運營列車提供定位信號的誤差;

εy——MVB延時誤差;

lm0——MVB定位里程;

lmt——當前里程。

2.4.6 桿號識別校正

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

圖5 桿號識別校正流程圖

2.5 定位校正優(yōu)先級判定

綜合定位系統(tǒng)由主定位和輔助定位方式構成,一般主定位采用速度傳感器持續(xù)獲得列車的行駛里程,輔助定位則是對主定位進行校正。對不同的應用場景、不同的檢測載體(檢測車)采用不同的主定位和輔助定位方式,不同定位方式的優(yōu)先級有所不同。當綜合定位系統(tǒng)同時接收到兩個校正信號,其會自動選擇最高優(yōu)先級的輔助定位來對列車位置信息進行校正。

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

圖6 地鐵運營車定位校正優(yōu)先級示意圖

MVB信號傳輸有一定的延遲,不同的車速會導致不同的定位信息誤差,故在綜合定位系統(tǒng)中增加開關門信息接入,以避免車速對定位的影響(開關門時車速為0)。錨段和支柱識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)先級較低。

3 空間綜合定位系統(tǒng)試驗數據分析

3.1 試驗概況

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

表1 上下行線各區(qū)段內的定位信息

采集試驗區(qū)段的速度信號和里程信號數據,可以獲得上下行線試驗區(qū)段的MVB信號數據曲線圖,如圖7所示。由圖7可知,大部分時間段內,列車的運行速度均呈大幅度變化,說明頻繁加減速會使列車發(fā)生輪軌蠕滑和空轉,進而使列車的定位誤差隨著時間累積。

a) 下行線,速度-時間曲線

3.2 定位精度驗證

為驗證空間綜合定位系統(tǒng)的定位精度,將MVB運行距離-時間曲線分別與RFID校正及錨段校正后的曲線進行對比,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,但是由于錨段識別可能存在誤識別或漏桿等問題,可靠性不如RFID校正。

a) 下行線,與RFID校正對比

分別在兩個試驗區(qū)段中選取4個缺陷模擬點,采用不同定位方法的上下行線試驗區(qū)段定位信息曲線對比如圖9所示。由圖9可知:在前100 s內,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個缺陷模擬點:隨著時間的增加,列車位置信息的累積誤差有所增大,導致里程信息產生了40 m左右的偏離;對于錨段定位校正和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,能夠較好地定位到后續(xù)缺陷點,進一步驗證了所提空間綜合定位系統(tǒng)的定位精度。

a) 下行線

4 結語

針對目前接觸網巡檢系統(tǒng)定位誤差大、定位精度不高等問題,本文引入誤差比較機制,提出一種空間綜合定位方法。經過上線測試及相關驗證表明,所提系統(tǒng)的定位精度達到了5 m,具有定位精度高、拓展性好等優(yōu)點。所提系統(tǒng)的定位精度受限于定位技術,隨著定位算法的改進及定位技術的發(fā)展,該綜合定位方法的精度也會進一步有所提高。