基于BDS/GSM-R組合列車定位方法的研究

李衛(wèi)東，侯麗虹，王友生

(1. 大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028；2. 渤海石油裝備有限公司 第一機(jī)械廠，河北 滄州 062658)

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基于BDS/GSM-R組合列車定位方法的研究

李衛(wèi)東1，侯麗虹1，王友生2

(1. 大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028；2. 渤海石油裝備有限公司 第一機(jī)械廠，河北 滄州 062658)

摘要:針對衛(wèi)星定位容易丟失信號的問題，提出北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與GSM-R技術(shù)相結(jié)合的定位方法。根據(jù)哈爾濱西至長春鐵路線的實測數(shù)據(jù)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造BDS/GSM-R定位信息的融合模型，采用遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)的權(quán)值和閾值，對比優(yōu)化前和優(yōu)化后的BDS/GSM-R組合定位方法。實驗結(jié)果表明：優(yōu)化后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果與列車實際運(yùn)行軌跡偏差更小，東向、北向、方位角定位誤差的波動范圍明顯減小，可以保持列車定位的連續(xù)性和精確性。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；GSM-R；遺傳算法；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

隨著我國鐵路建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，列車的高速行駛對列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的智能性提出了更高的要求。在列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中，列車定位系統(tǒng)扮演著重要角色[1]。各國采用的列車定位方式有所不同，法國ASTREE系統(tǒng)采用多普勒雷達(dá)定位法；德國LZB系統(tǒng)采用軌間電纜定位法；北美ARES，PTC和PTS系統(tǒng)采用GPS定位法；歐洲ETCS系統(tǒng)和日本CARAT系統(tǒng)采用查詢/應(yīng)答器和里程計融合的定位法[2]。目前，我國CTCS系統(tǒng)根據(jù)具體的功能要求和系統(tǒng)配置采用GPS定位為主，軌道電路定位為輔的方法進(jìn)行定位，并已將GPS和“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)用于青藏鐵路列車定位和運(yùn)輸調(diào)度指揮的研究。因此，對基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車定位方法進(jìn)行深入研究，對于推動我國鐵路運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展具有重大和深遠(yuǎn)的意義。

1列車定位方法研究現(xiàn)狀

GPS可以提供全天候的，覆蓋全球的標(biāo)準(zhǔn)授時/導(dǎo)航定位服務(wù)，在衛(wèi)星可視的情況下可以滿足實時、連續(xù)、高效的定位要求[3]。中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是繼GPS之后的第二大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其建設(shè)與發(fā)展為列車定位提供了更多的資源保障，但是衛(wèi)星導(dǎo)航用于列車定位時，衛(wèi)星信號的強(qiáng)度容易受到周圍環(huán)境的影響，面臨信號遮蔽、電磁干擾、多徑效應(yīng)等多種挑戰(zhàn)[4]。因此，在利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獲取定位信息的同時，尋求彌補(bǔ)其缺陷的方法，以保證列車的連續(xù)準(zhǔn)確定位顯得尤為重要。近年來，學(xué)者們對協(xié)同定位方法進(jìn)行了大量研究，航位推算法[5]，地圖匹配法[6-8]，多傳感器信息融合法[9]等都是常用的輔助衛(wèi)星導(dǎo)航定位的方法。航位推算法的優(yōu)點(diǎn)是充分利用了歷史數(shù)據(jù)，且有效性不受外界影響；缺點(diǎn)是僅能推算相對位置，誤差隨時間推移不斷積累。地圖匹配法的優(yōu)點(diǎn)是提高了列車定位的精度，缺點(diǎn)是開發(fā)高精度的電子地圖成本較高，地圖匹配算法復(fù)雜，匹配精度依賴于地圖數(shù)據(jù)的處理。多傳感器信息融合法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合了各個傳感器的優(yōu)點(diǎn)，容錯能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是實時性不好，而且對硬件要求較高，使用范圍受到限制。

在列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中，GSM-R是關(guān)系到車-地?zé)o線通信的重要紐帶，不僅具有無線傳輸功能，還能以多種方式實現(xiàn)無線測距，可以起到協(xié)同定位的作用。發(fā)揮GSM-R的定位功能是解決衛(wèi)星定位問題的重要途徑，本文采用基于遺傳算法改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的融合算法，將北斗衛(wèi)星采集數(shù)據(jù)與GSM-R傳輸數(shù)據(jù)相結(jié)合，提出了基于BDS/GSM-R組合的列車定位方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在3個方面，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有雙向通信的能力，并且定位精度與GPS相當(dāng)；遺傳算法改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更強(qiáng)的泛化能力，能夠充分逼近復(fù)雜的非線性映射關(guān)系，非常適合應(yīng)用于大容量、多信息的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中，而且有助于列車在盲區(qū)運(yùn)行時的位置預(yù)測；不需要其他的輔助測量設(shè)備，只利用北斗衛(wèi)星和GSM-R提供的列車位置信息，就可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合出列車的行駛路線。

2基于BDS/GSM-R組合的列車定位方法

2.1BDS/GSM-R組合定位的原理

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是我國自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的具有雙向通信能力的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前，我國已經(jīng)建成了“5GEO+5IGSO+4MEO”的系統(tǒng)空間星座結(jié)構(gòu)，可以為亞太地區(qū)提供無源導(dǎo)航服務(wù)，2020年建成后可以提供覆蓋全球的導(dǎo)航服務(wù)[10-11]。GSM-R是國際鐵路聯(lián)盟(UIC)和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)研究所 (ETSI)為歐洲新一代鐵路無線移動通信開發(fā)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[12-13]。GSM-R采用GSM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和鐵路專用的通信頻段，形成了一個列車與地面之間的大容量雙向無線通信系統(tǒng)，通過GSM-R建立列車與監(jiān)控中心的聯(lián)系，可實現(xiàn)對列車運(yùn)行的實時監(jiān)控。

列車在運(yùn)行過程中，由于線路、地形情況的變化較大，不同的地方需要采用不同的定位方式，因此，本文提出了BDS/GSM-R組合定位的構(gòu)想。我國鐵路線附近的GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)呈線狀覆蓋區(qū)域，GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)基站之間的距離一般為5～6 km，每個小區(qū)的覆蓋范圍是2～4 km[14-15]。在實際布局中，綜合考慮環(huán)境干擾，容錯率和費(fèi)用等問題，基站分布通常采用單層和雙層交織的混合模式。網(wǎng)絡(luò)通信信號的強(qiáng)度完全可以滿足，北斗衛(wèi)星接收信號減弱或消失時列車定位的要求。

列車上需要同時安裝北斗衛(wèi)星信號接收終端和GSM-R信號接收終端，信息系統(tǒng)接收來自北斗衛(wèi)星和GSM-R的2種定位數(shù)據(jù)，并利用北斗衛(wèi)星定位信息對GSM-R定位信息進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)列車運(yùn)行在平原、鄉(xiāng)村等開闊地帶時，可以利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立定位；當(dāng)列車運(yùn)行在隧道、山區(qū)、森林、建筑群等地區(qū)時，采用BDS/GSM-R組合定位方案，識別列車的當(dāng)前運(yùn)行軌跡。為了充分融合北斗衛(wèi)星和GSM-R接收的數(shù)據(jù)，本文提出了一種基于遺傳算法改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的融合算法，以提高定位的實時性和準(zhǔn)確性。

2.2基于遺傳算法改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合算法

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個非線性動力學(xué)系統(tǒng)，它由許多并行運(yùn)算的神經(jīng)元組成，其特色在于信息的分布式存儲和并行協(xié)同處理。單個神經(jīng)元結(jié)構(gòu)簡單，功能有限，但大量神經(jīng)元構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所能實現(xiàn)的功能卻是極其豐富的。但是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也存在不少問題，初始權(quán)值選擇不當(dāng)，容易產(chǎn)生局部極小值，減慢學(xué)習(xí)算法的收斂速度[16]。遺傳算法是一種自適應(yīng)的迭代尋優(yōu)過程，與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相比，最大的區(qū)別是可用于復(fù)雜系統(tǒng)全局性的優(yōu)化計算[17]。利用遺傳算法改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重要功能在于能夠從外部輸入中學(xué)習(xí)并改善其行為，即通過遺傳算法的全局尋優(yōu)能力來修正神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值等參數(shù)，使BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入一種新的更為適應(yīng)外部環(huán)境的狀態(tài)。

本文用改進(jìn)的遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值的基本思想是：首先對輸入樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，初始化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，其次用改進(jìn)的遺傳算法對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值進(jìn)行優(yōu)化，再次將最佳神經(jīng)元的權(quán)值和閾值賦給BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，最后輸出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練結(jié)果。算法的主要步驟如下：

1) 構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，理論上已經(jīng)證明，3層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)任意復(fù)雜的非線性映射問題。因此本文采用3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為信息融合中心，輸入層為GSM-R傳輸?shù)牧熊囄恢煤头较蛐畔(xGSM-R,yGSM-R,θGSM-R)，對應(yīng)的輸出層為北斗衛(wèi)星采集的列車位置和方向信息T(xBDS,yBDS,θBDS)，隱含層神經(jīng)元數(shù)目選為10。隱含層傳遞函數(shù)選取非線性SIGMOID函數(shù)，輸出層采用線性傳遞函數(shù)。

2) 對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，設(shè)置種群數(shù)目和優(yōu)化目標(biāo)，對初始化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值進(jìn)行編碼。在遺傳算法中，編碼影響著算法的性能和種群的多樣性。本文采用實數(shù)編碼，對權(quán)值和閾值的取值范圍進(jìn)行約束，有效地保持了算法的搜索能力和種群的多樣性。

3) 計算各初始種群對應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值

式中：Pi是輸入向量；Ti是輸出向量；N是樣本數(shù)據(jù)個數(shù)。

4) 采用輪盤賭選擇法選擇合適的個體作為進(jìn)化的父本，一定概率的最優(yōu)父本可以直接復(fù)制到下一代種群，其余的則在選擇后進(jìn)行交叉和變異操作。

5) 將選擇后得到的新種群按照預(yù)先確定的交叉概率用單點(diǎn)交叉的方式進(jìn)行交叉操作。

6) 將選擇后的種群依據(jù)預(yù)先給定的變異概率進(jìn)行變異操作。

7) 重復(fù)進(jìn)行步驟4)，5)和6)，直至達(dá)到最大進(jìn)化代數(shù)后結(jié)束。

8) 將得到的最佳權(quán)值和閾值賦給用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，判斷是否滿足精度要求。若滿足則算法結(jié)束，輸出訓(xùn)練結(jié)果；否則，繼續(xù)進(jìn)行訓(xùn)練，直至達(dá)到精度要求為止。算法流程圖如圖1所示。

圖1　算法流程圖Fig.1 Algorithm process

3仿真結(jié)果與分析

為了驗證本文提出的基于BDS/GSM-R組合列車定位方法的有效性，采用哈爾濱西至長春運(yùn)營線路的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真測試。列車最高時速200km/h，平均車速為99.90km/h。北斗Ⅱ衛(wèi)星接收機(jī)設(shè)置1s接收1次數(shù)據(jù)，以哈爾濱西站的經(jīng)緯度坐標(biāo)為起點(diǎn)基準(zhǔn)位置，列車實際運(yùn)行13.286km，共采集了400個北斗Ⅱ衛(wèi)星的測量數(shù)據(jù)和GSM-R傳輸數(shù)據(jù)。分別建立基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合算法的BDS/GSM-R組合定位模型和基于遺傳算法改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合算法的BDS/GSM-R組合定位模型。

對比圖2和圖3可知，無論是基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合算法的BDS/GSM-R組合定位法的訓(xùn)練結(jié)果，還是基于遺傳算法改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合算法的BDS/GSM-R組合定位法的訓(xùn)練結(jié)果，都可以與列車的實際運(yùn)行軌跡相重合。但是經(jīng)過遺傳算法優(yōu)化后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)性能和泛化能力都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，擬合曲線更加接近于實際鐵路線路的發(fā)展變化趨勢，靈活性更好，能夠真實的反應(yīng)出列車運(yùn)行軌跡的細(xì)節(jié)特征。

圖2　BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合曲線Fig.2 BP neural network fitting curve

圖3　GABP網(wǎng)絡(luò)擬合曲線Fig.3 GABP network fitting curve

通過觀察圖4～6可知，基于遺傳算法改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合算法的BDS/GSM-R組合定位法，東向、北向和方向角誤差的波動范圍均小于基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合算法的BDS/GSM-R組合定位法。基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合算法的BDS/GSM-R組合定位法的東向定位誤差范圍為-42.96～51.18m，北向定位誤差范圍為-32.66～44.38m，方向角誤差在-0.3182°～0.5726°。基于遺傳算法改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合算法的BDS/GSM-R組合定位法的東向定位誤差范圍在-21.48～18.41m，北向定位誤差范圍在-18.20～27.39m，方向角誤差在-0.1632°～0.1667°。優(yōu)化后與優(yōu)化前相比，東向定位誤差降低了54.25%，北向定位誤差降低了32.45%，方向角誤差降低了56.09%。

圖4　東向定位誤差Fig.4 East positioning error

圖5　北向定位誤差Fig.5 North positioning error

圖6　方向角誤差Fig.6 Azimuth error

4結(jié)論

1)本文提出的BDS/GSM-R組合列車定位方法的突出特點(diǎn)是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和GSM-R技術(shù)都可以實現(xiàn)車-地通信，并且二者可以形成優(yōu)勢互補(bǔ)，有助于列車在盲區(qū)運(yùn)行時的位置預(yù)測。

2)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法融合北斗衛(wèi)星采集的列車位置信息和GSM-R傳輸?shù)牧熊囄恢眯畔ⅲ梢院喕⑾到y(tǒng)模型的復(fù)雜度，減少系統(tǒng)誤差造成的積累?？朔藗鹘y(tǒng)的數(shù)據(jù)融合方法在系統(tǒng)本身存在不確定因素時，難以建立系統(tǒng)模型的缺點(diǎn)。

3)遺傳算法優(yōu)化之后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)能力和泛化能力增強(qiáng)，擬合的結(jié)果與列車實際運(yùn)行軌跡偏差更小，東向、北向和方位角定位誤差的波動范圍明顯減小。

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(編輯陽麗霞)

Study of train positioning method based on BDS/GSM-R combination

LI Weidong1, HOU Lihong1, WANG Yousheng2

(1. School of Electronic and Information Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China;2. Bohai Petroleum Equipment Corporation, The First Machinery Factory, Cangzhou 062658, China)

Abstract:Aiming at the problem that satellite positioning signal is easily lost, the positioning method that combine BeiDou satellite navigation technology with GSM-R technology was put forward. According to the measured data from the Harbin West railway station to Changchun,onethe BDS/GSM-R positioning information fusion model was firstly built using BP neural network structure. The BP neural weights and thresholds were optimized using genetic algorithm. Finally, the results before and after optimization of combined BDS/GSM-R positioning method was compared. . The results show that the difference between the training results of BP neural network after optimization and the practical operation tracks of train is reduced. The range of error located in the east and northoriention and azimuth error are obviously decreased.This method can keep the continuity and precision of train positioning.

Key words:beidou navigation satellite system; GSM-Railway; genetic algorism; BP neural network

中圖分類號：TP13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)03-0552-05

通訊作者：李衛(wèi)東(1963-)，男，遼寧大連人，教授，博士，從事鐵路信息與通信智能化技術(shù)、復(fù)雜系統(tǒng)分析與控制等方面的教學(xué)與科研；E-mail：leeluke@126.com

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(6147080)

收稿日期：2015-08-03