GNSS列車定位有效性及安全完整性研究

劉立月

（華東交通大學軟件學院，江西南昌330013）

GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）可提供全天候、全球范圍的4維位置精確信息，在車載、航運、軍事等領(lǐng)域已獲得了廣泛的應用［1］。相比傳統(tǒng)定位方法，GNSS具有低成本、連續(xù)高精度定位的先天優(yōu)勢，能夠在一定程度上滿足現(xiàn)代鐵路的高效監(jiān)控、連續(xù)高精度定位要求［2-3］。然而，列車運行控制系統(tǒng)是安全苛刻系統(tǒng)，通常遵循安全完整性等級（safety integrity level，SIL）最高安全4 級要求，單獨依賴GNSS 定位是無法滿足的［4］。目前，GNSS 在鐵路上的應用還處于初級階段，大多適用在中低速、低密度線路的信號系統(tǒng)控制，如我國2006年開通的青藏鐵路。隨著我國鐵路高速發(fā)展，高速列車及高密度線路越來越多，這對列車運行的安全提出了更高要求。GNSS應用于現(xiàn)代鐵路，既是高速鐵路技術(shù)發(fā)展的需要，也是鐵路系統(tǒng)降低運營成本與提高管理效率的需要，GNSS定位信息的有效性及安全完整性，是GNSS成功應用于現(xiàn)代高速鐵路系統(tǒng)的關(guān)鍵［2-7］。

1 列車定位有效性與安全完整性

根據(jù)鐵路RAMS（EN50126）規(guī)范［4］，有效性是指在外部資源提供保障的前提下，在某個瞬間或給定的時間間隔，系統(tǒng)正常執(zhí)行所需功能的能力。具體的講，列車定位有效性就是實時精確地確定列車當前在線路中的位置的能力，定位信息的有效性（即連續(xù)性、精確性及可靠性）是保證鐵路安全、發(fā)揮效率、提供最佳服務的前提。傳統(tǒng)的列車定位方法，如軌道電路、里程計、計軸器、應答器等，可靠性高、安全性好，但建造及維護成本高，機動性差；現(xiàn)代的列車定位方法，如GNSS、無線定位、INS等，成本相對低，機動性強、連續(xù)性好，但可靠性有待于增強。列車定位方法各有自身的優(yōu)缺點，沒有一種定位技術(shù)能有效的獨立解決列車定位問題［2-3，6-7］。多傳感器組合能夠有效提高列車定位系統(tǒng)的性能，包括容錯能力、時間與空間覆蓋范圍、信息可信度等，是當前列車測速定位技術(shù)的重要發(fā)展方向［8］。在組合系統(tǒng)中，融合算法是關(guān)鍵，目前大多采用Kalman濾波為作為數(shù)據(jù)融合的計算方法［5-6］。隨著列車運行速度的不斷提高及鐵路安全的更高要求，對于定位的有效性及安全完整性方面的性能需求也在不斷提高，常規(guī)的線性Kalman 濾波有待進一步改進，以便適合高速列車運行過程中非線性特性的數(shù)據(jù)融合。

GNSS定位的安全完整性是基于列車安全需求提出的。根據(jù)鐵路RAMS規(guī)范，安全完整性是指在規(guī)定的時間及規(guī)定的條件下，一個系統(tǒng)較好的實現(xiàn)所要求的安全功能的概率。在GNSS 定位的安全完整性方面，目前主要有兩類研究方法，一是采用組合系統(tǒng)中廣泛使用的容錯設(shè)計及故障檢測與隔離法，如χ2檢驗法及二取一判決法（l ∞2D），其中，l ∞2D可追蹤到故障的來源，并可評估系統(tǒng)安全性。二是采用GNSS定位完整性增強法，如歐洲的EGNOS，美國的WAAS，及多星座聯(lián)合（如中國北斗+GPS）等外部增強手段，以及GNSS 接收機自主監(jiān)測方法（RAIM）［9］。近年來，一些歐洲鐵路應用標準和IEC 國際標準主要從鐵路RAMS出發(fā)，定義了列車運行控制系統(tǒng)應用的安全規(guī)范［2］。

2 基于GNSS的組合定位平臺

2.1 組合定位平臺構(gòu)建

在列車組合系統(tǒng)中，利用GNSS定位優(yōu)勢，構(gòu)建以GNSS定位為主，輔以慣性傳感器、軌道電路及查詢應答器相結(jié)合的多傳感器組合定位平臺，如圖1。平臺分為四個部分，各部分共同協(xié)作，完成組合定位系統(tǒng)功能需求。①采集層：以GNSS，慣性傳感器、軌道電路及查詢應答器組成底層數(shù)據(jù)采集通道，通過測量冗余，確保數(shù)據(jù)的連續(xù)性。②邏輯層：以GNSS采集數(shù)據(jù)為主，采用并聯(lián)的l ∞2D結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)故障檢測與隔離，確保數(shù)據(jù)的可靠性。③融合層：對不同通道的數(shù)據(jù)進行融合，選擇合適的融合算法，輸出最優(yōu)的定位信息，確保數(shù)據(jù)的精確性。④應用層：對融合估計的數(shù)據(jù)進行安全完整性檢測與評估，確保輸出數(shù)據(jù)的完整性。

圖1 列車組合定位平臺Fig.1 Train integrated positioning platform

2.2 聯(lián)合濾波器設(shè)計

組合定位的核心是數(shù)據(jù)融合，其中，融合算法是其有效實施的關(guān)鍵，系統(tǒng)采用帶反饋的聯(lián)合Kalman濾波，如圖2。在聯(lián)合濾波中，對GNSS、慣性傳感器和軌道電路等傳感器采集的數(shù)據(jù)分別處理，形成多個子濾波器，各子濾波器獨立并行工作，通過主濾波器進行時間更新與信息融合，給出最優(yōu)融合估計，同時，將輸出信息反饋給各子濾波器，實現(xiàn)組合定位自適應的聯(lián)合Kalman濾波。

圖2 組合定位聯(lián)合濾波器Fig.2 Federal Kalman filtering for integrated positioning

3 GNSS安全標準與評估

3.1 GNSS安全標準融入RAMS規(guī)范

安全完整性監(jiān)測與評估是保障基于GNSS的列車組合定位系統(tǒng)完整性的有效手段。GNSS安全標準主要依據(jù)航空領(lǐng)域安全要求制定的，與鐵路RAMS屬性之間存在差異。如何在RAMS規(guī)范與GNSS測量質(zhì)量之間建立聯(lián)系，RAMS 如何考慮GNSS數(shù)據(jù)完整性處理以及確保局部非完整性數(shù)據(jù)不良傳播的影響等，都需要引入新的協(xié)調(diào)機制。因此，GNSS安全標準融入RAMS規(guī)范是GNSS應用于列車安全定位面臨的首要問題。

GNSS安全服務（如Galileo SoL-A）采用航空質(zhì)量術(shù)語來描述規(guī)范。盡管基于不同的安全體系，SoL-A也可以用于鐵路系統(tǒng)。根據(jù)鐵路CENELEC（歐洲電子標準化組織）標準，建立Galileo質(zhì)量標準與RAMS規(guī)范之間聯(lián)系。對GNSS安全質(zhì)量，提供一套基于故障模式與RAMS規(guī)范的鐵路安全理論分析方法，轉(zhuǎn)化為RAMS來描述，如圖3，以供基于GNSS的鐵路安全系統(tǒng)設(shè)計、認證與確認。

圖3 GNSS服務融入鐵路安全應用Fig.3 GNSS services merged into railway safety

3.2 GNSS的鐵路RAMS風險評估

在GNSS列車定位系統(tǒng)中，應用安全故障診斷機制，對安全及危險狀態(tài)隨機故障模式進行分析，正常的系統(tǒng)工作狀態(tài)為安全（Safety）和危險（Danger）2種。系統(tǒng)的故障狀態(tài)（概率）通常有4種：PFDU為危險狀態(tài)未檢測到故障概率；PFSU為安全狀態(tài)未檢測到故障概率；PFDD為危險狀態(tài)檢測到故障概率；PFSD為安全狀態(tài)檢測到故障概率。根據(jù)系統(tǒng)隨機故障概率，結(jié)合RAMS規(guī)范，建立風險評估模型，如圖4。

主要風險指標（與時間有關(guān)），包括：完整性風險IR(t)，連續(xù)性風險CR(t)，可靠性R(t)及有效性A(t)。其中，IR(t)=PFDU(t)，CR(t)=PFDD(t)+PFSD(t)。根據(jù)RAMS 規(guī)范，可靠性R(t)是指正常運行時間間隔內(nèi)正確的故障診斷與定位性能，R(t)=1-(PFD(t)+PFS(t)) ；有效性A(t) 是基于可靠性與可維護性M(t) 定義的，A(t|M(t))=1-(PFD(t)+PFS(t))≈1-(IR(t)+CR(t))。GNSS可信性建立在RAMS規(guī)范中的有效性基礎(chǔ)上的，安全完整性是基于可信性、連續(xù)性風險及完整性風險的綜合結(jié)果。對于GNSS列車組合定位系統(tǒng)，安全完整性就是確保系統(tǒng)不出現(xiàn)不可以接受的危險，或者說將危險控制在用戶定義的可以接受的誤差范圍內(nèi)。

圖4 基于GNSS鐵路RAMS風險評估模型Fig.4 Risk evaluation model based on GNSS railway RAMS

4 結(jié)束語

GNSS應用于鐵路，是現(xiàn)代鐵路發(fā)展的需求，同時也是GNSS在安全領(lǐng)域應用的拓展。鐵路運行控制系統(tǒng)是安全苛刻性系統(tǒng)，對于我國快速發(fā)展的高速鐵路系統(tǒng)，應用GNSS 定位面臨許多機遇與挑戰(zhàn)。針對GNSS應用于高速列車定位面臨的問題，探討了列車定位有效性與安全完整性解決方案及相關(guān)策略，下一步將深入研究安全完整性監(jiān)測及評估方法，并進行風險評估定量分析，為GNSS安全應用于高速列車定位奠定基礎(chǔ)。

［1］WIKIPEDIA.Global navigation satellite system［EB/OL］.［2013-07-20］.http：//en.wikipedia.org/wiki/GNSS，2012.

［2］JULIE BEUGIN，AFILI P，JULIETTE MARAIS，et al.Galileo for improving railway operations：question about the positioning performances analogy with the RAMS requirements allocated to safety applications［J］，European Transport Research Review（ETRR），2010，2（2）：93-102.

［3］王劍.基于GNSS的列車定位方法研究［D］.北京：北京交通大學，2007.

［4］CENELEC. EN 50126 Railway applications-the specification and demonstration of reliability，availability，maintainability and safety（RAMS）［S］.Genva：International Electrotechnical Commission，2002.

［5］PEKKA SALMI，MARKO TORKKELI. Inventions utilizing satellite navigation systems in the railway industry. an analysis of patenting activity［J］.Journal of Technology Management&Innovation，2009，4（3）：46-58.

［6］胡輝，方玲，雷明東等.GPS接收機C/A碼跟蹤算法及環(huán)路控制策略［J］，華東交通大學學報，2013，30（1）：64-70.

［7］劉江，蔡伯根，唐濤等.基于GPS與慣性測量單元的列車組合定位系統(tǒng)［J］.中國鐵道科學，2010，31（1）：123-128.

［8］Juliette Marais，Jan Poliak，George Barbu. Galileo in Railways［EB/OL］.［2013-07-01］. http：//www.itst2007.eure.com.fr/site/var/html/h1053/file1197.pdf，2007.

［9］錢華明.故障診斷與容錯技術(shù)及其在組合導航系統(tǒng)中的應用研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2004.