基于虛擬應(yīng)答器的GNSS列車安全定位及風(fēng)險分析

王 劍，陸德彪，唐一哲，靳成銘

(1.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044；2.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044；3.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；4.通號國際控股有限公司，北京 100166)

基于GNSS衛(wèi)星定位和導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用與研究，近年來已覆蓋了廣泛的場景并擁有了相當(dāng)龐大的市場規(guī)模。2012年中國北斗正式提供了與美國GPS以及俄羅斯GLONASS類似的區(qū)域性開放民用服務(wù)；2013年歐洲Galileo開始試運行。GNSS衛(wèi)星定位與導(dǎo)航系統(tǒng)的主要功能為授時服務(wù)、定位服務(wù)以及基于定位服務(wù)而產(chǎn)生的導(dǎo)航應(yīng)用。2013年的GNSS 市場報告顯示，位置服務(wù)占應(yīng)用場景的47%，車內(nèi)導(dǎo)航占應(yīng)用場景的46.2%，而鐵路應(yīng)用只占應(yīng)用場景的0.1%[1]。這是因為鐵路應(yīng)用，尤其是安全相關(guān)應(yīng)用(如列車定位功能)對衛(wèi)星定位除了定位精確度的需求外，還有可靠性、安全性等需求。

GNSS的授時服務(wù)已經(jīng)在鐵路行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。鐵路通信設(shè)備的時鐘信息大多同步于車站或者控制中心的母鐘，而母鐘一般是通過GNSS授時校準(zhǔn)過的。

GNSS的衛(wèi)星定位應(yīng)用于列車安全定位有其特定的功能需求。客運列車的自動列車防護ATP(Automatic Train Protection)設(shè)備是安全相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備，其采集位置信息并確定列車位置的功能即為安全應(yīng)用。目前絕大部分列車自動防護設(shè)備都要采集列車的即時位置，通過前后列車的絕對地理位置及相對距離提供安全評估策略。GNSS衛(wèi)星定位系統(tǒng)在面向通用的系統(tǒng)應(yīng)用層面，提出了針對不同類別應(yīng)用場景下定性和定量的性能需求指標(biāo)。這些指標(biāo)分為精確度(Accuracy)、連續(xù)性(Continuity)、可用性(Availability)以及完好性(Integrity)4個方面[2]。與此同時，鐵路行業(yè)對系統(tǒng)性能的評估提出了 RAMS 的需求，分別為可靠性(Reliability)、可用性(Availability)、可維護性(Maintainability)以及安全性(Safety)[3]。由此可見，衛(wèi)星定位場景下的性能評價體系和鐵路系統(tǒng)性能評價體系并不完全吻合，將衛(wèi)星定位系統(tǒng)應(yīng)用于鐵路列車安全定位，既需要考慮衛(wèi)星定位系統(tǒng)的性能評估體系，也要將該體系納入鐵路系統(tǒng)性能評估當(dāng)中，提出基于GNSS衛(wèi)星定位安全相關(guān)應(yīng)用的評價指標(biāo)。

1 GNSS安全定位需求

從概念方面分析GNSS衛(wèi)星安全定位的需求：在通用需求層面是定位結(jié)果完好性(Integrity)的需求，在鐵路行業(yè)性能需求層面是定位結(jié)果在應(yīng)用場景下安全性(Safety)的需求。

從應(yīng)用方式方面分析GNSS衛(wèi)星定位，在提供列車定位結(jié)果的同時需提供定位結(jié)果可信程度的信息，這既是完好性的需求也是安全性的需求。為了提供可信的列車定位信息，有如下兩種應(yīng)用方式：

(1)GNSS接收機使用校準(zhǔn)后較為精確的定位數(shù)據(jù)，實現(xiàn)可信程度信息自我校驗，輸出安全定位信息。

(2)GNSS接收機在定位的同時，其他定位系統(tǒng)或單元同時進行列車定位，通過冗余的方式進行系統(tǒng)校驗，進而輸出安全定位信息。

其中，第二種應(yīng)用方式的實現(xiàn)方法可基于現(xiàn)有的列車定位方法，比如地面應(yīng)答器信息與同一時刻GNSS定位信息的比較，輸出安全定位信息，保障GNSS定位結(jié)果符合安全定位的需求。

提供基于GNSS接收機之外的定位信息，通過多種位置信息冗余的方式進行定位結(jié)果離線或?qū)崟r誤差校驗，這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，保障定位結(jié)果安全的部分為基于GNSS接收機的安全應(yīng)用層。

為了設(shè)計GNSS接收機的安全應(yīng)用層，并分析安全應(yīng)用層下GNSS定位方式的安全性能，需要分析列車不同運行場景下的需求。從運營速度、運營密度、投資指數(shù)、可能的應(yīng)用場景等角度進行初步分析，根據(jù)運營速度和運營密度的不同簡單分為4類，見表1。其中，投資指數(shù)是指在城市之間的鐵路體系中，或者在城市軌道交通中，分別比較平均每公里線上系統(tǒng)的投資規(guī)模，只考慮運營初期需求，不考慮整個系統(tǒng)生命周期內(nèi)需求的動態(tài)變化以及升級改造等情況。

表1 列車運營需求場景分類分析

可以看出，GNSS列車定位在低密度的鐵路運營中較有優(yōu)勢，在低速的貨運運營中也具有一定應(yīng)用價值。以下將針對兩種GNSS安全應(yīng)用層設(shè)計基礎(chǔ)及方案進行分析。

2 GNSS安全應(yīng)用層設(shè)計

2.1 第一種安全應(yīng)用層實現(xiàn)方式

第一種安全應(yīng)用層的實現(xiàn)方式即需要GNSS接收機自身輸出可信性信息的方式。目前GNSS接收機標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)SPS(Standard Positioning Service)的定位性能不能滿足鐵路安全定位的需求。從GNSS通用需求層面的性能指標(biāo)角度分析，有如下幾個問題：

(1)單點定位精度不足：SPS的定位精度不足以區(qū)分短間距的平行軌道。

(2)可用性的不可預(yù)測性：GNSS系統(tǒng)自身的非預(yù)測性失效、人為因素失效、傳播路徑等造成的定位失效、車載接收機故障造成的失效無法預(yù)測。其中很多導(dǎo)致失效的外部因素是鐵路系統(tǒng)自身難以控制和轉(zhuǎn)移的。

(3)完好性性能難以驗證：GNSS接收機的完好性性能如何操作及驗證，如何避免受到干擾，從SPS自身角度無法驗證。

SPS系統(tǒng)的性能可通過如下幾個方式增強：

(1)空間和地面增強技術(shù)：基于衛(wèi)星的增強技術(shù)，如美國的WAAS，歐洲的EGNOS；基于地面的增強技術(shù)，如航空領(lǐng)域的GBAS系統(tǒng)，在鐵路領(lǐng)域已有一些使用案例，GE的ITCS系統(tǒng)就是基于地面的增強技術(shù)，其在美國的密歇根線和中國的青藏線都有應(yīng)用[4]。

(2)多傳感器融合技術(shù)：基于既有列車軌道占用和列車區(qū)間定位的方法；結(jié)合里程計、列車測速傳感器以及其他車載傳感器測量和計算的列車所在位置，提供冗余信息進行位置信息的校驗，實現(xiàn)其可信性的檢驗。

第一種安全應(yīng)用層的實現(xiàn)方式如圖1中的Petri網(wǎng)所示。GNSS接收機和其他車載部分設(shè)備組成的系統(tǒng)通過安全層輸出安全定位信息。

圖1 第一種安全應(yīng)用層實現(xiàn)

為提升GNSS定位精度，除了采用GNSS增強技術(shù)外，還應(yīng)該結(jié)合鐵路列車占用的傳統(tǒng)技術(shù)。例如，采用單軌或者應(yīng)答器進行列車初始定位，確定列車初始軌道；通過地面設(shè)備由GSM-R向列車運行控制系統(tǒng)發(fā)送進路信息、過岔信息以及移動授權(quán)信息，持續(xù)確定列車軌道。通過現(xiàn)有的列車占用技術(shù)，解決列車運行過程中由GNSS精度不足導(dǎo)致無法確定列車運行軌道的問題。

針對GNSS可用性問題，除了GNSS增強技術(shù)外，可以結(jié)合列車測速傳感器，如里程計與多普勒雷達，以便在GNSS不可用期間，根據(jù)累計里程和地圖估計列車位置。列車測速傳感器幾乎是列車系統(tǒng)的標(biāo)配設(shè)備，因為即使列車運行控制系統(tǒng)不使用列車測試傳感器確定列車位置，列車自身也需要利用其進行空轉(zhuǎn)、打滑檢測，以便優(yōu)化制動或者增強車輪與軌道之間的摩擦力。因此列車測速傳感器用于GNSS不可用時的距離累進定位是可行的，即使列車運行控制系統(tǒng)不單獨安裝測速傳感器，也可以利用車輛系統(tǒng)自帶傳感器采集的速度信息。

針對GNSS完好性問題，主要還是依靠GNSS增強技術(shù)，這也是解決GNSS技術(shù)在列車運行控制系統(tǒng)中應(yīng)用的最關(guān)鍵問題。

2.2 第二種安全應(yīng)用層實現(xiàn)方式

現(xiàn)運營的高速鐵路對運營速度、運營密度要求較高，其列車運行控制系統(tǒng)本身已有配套的安全冗余設(shè)備。軌道電路的地面設(shè)備、車載設(shè)備、應(yīng)答器設(shè)備以及車載的查詢設(shè)備等，均能夠提供列車位置信息。在裝配了GNSS接收機的列車運行控制系統(tǒng)中，上述設(shè)備輸出的位置信息作為GNSS輸出位置信息的安全補充，實現(xiàn)冗余信息列車位置安全的校驗。

在目前運營的中國CTCS-2、CTCS-3級，歐洲ETCS Level 1、ETCS Level 2列控系統(tǒng)中，GNSS定位信息可以與軌道電路的占用狀態(tài)、應(yīng)答器的查詢狀態(tài)等形成安全冗余，由此保障GNSS列車定位結(jié)果的完好性。這樣，第二種安全應(yīng)用層為向CTCS-4(或者ETCS Level 3)過渡的安全應(yīng)用層。

第二種安全層的實現(xiàn)方式除了有第一種的車載部分設(shè)備之外，還包括了現(xiàn)有的列車控制系統(tǒng)設(shè)備，其組成了如圖2所示的安全結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)需分析的子系統(tǒng)較多，互為冗余的同時也使得系統(tǒng)更為復(fù)雜。

隨著GNSS接收機定位性能的提升，完全過渡到CTCS-4(或者ETCS Level 3)后，不再依靠軌道電路發(fā)碼、軌道占用檢測信息，也不再依靠應(yīng)答器信息，此時GNSS定位單元自身需要提供安全定位信息以及列車完好性信息，列車定位完好性驗證將通過第一種安全應(yīng)用層的方式實現(xiàn)。

圖2 第二種安全應(yīng)用層實現(xiàn)

2.3 虛擬應(yīng)答器實現(xiàn)安全應(yīng)用層

歐盟委員會、歐洲鐵路公司和歐洲鐵路行業(yè)協(xié)會于2008年7月簽署的對ERTMS(European Regional Train Management System)管理進行加強合作的諒解備忘錄MOU(也稱作協(xié)議)中，已經(jīng)預(yù)見到下一代ERTMS將升級部分系統(tǒng)增強功能，其中就包括GNSS技術(shù)提供的定位服務(wù)[5]。這同樣在ETCS Level 4的技術(shù)規(guī)范中有所體現(xiàn)[6]。如何在應(yīng)用GNSS定位技術(shù)的同時減少對現(xiàn)有ETCS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系以及列車運行控制系統(tǒng)平臺的影響是本節(jié)要討論的問題。較可行的方案是利用虛擬應(yīng)答器VB(Virtual Balise)的方式，平滑取代軌旁的無源應(yīng)答器。

UNISIG(發(fā)展ERTMS/ETCS列控系統(tǒng)的歐洲信號企業(yè)協(xié)會)組建了一個GNSS工作組，確立了如下基本概念：GNSS虛擬應(yīng)答器如何在ETCS標(biāo)準(zhǔn)平臺內(nèi)實施，如何通過性能要求、技術(shù)規(guī)范、測試規(guī)范、認(rèn)證程序來確保以互操作性為最終目標(biāo)的嚴(yán)格安全性要求。

列車測速傳感器對車輛本身參數(shù)的檢測，其所測量的參數(shù)很難用GNSS技術(shù)來取代，比較可行的方式是在CTCS-2/3(ETCS Level 1/2)模式下，GNSS通過“虛擬應(yīng)答器技術(shù)”的方式取代地面無源應(yīng)答器；在CTCS-4(ETCS Level 3)模式下，GNSS提供近似連續(xù)的定位信息，并通過列車兩端GNSS接收機提供的列車位置信息實現(xiàn)自主完好性監(jiān)測功能。

虛擬應(yīng)答器是一種軟件模塊，能夠模擬一個真實放置在軌旁的應(yīng)答器，虛擬應(yīng)答器系統(tǒng)如圖3所示。當(dāng)基于GNSS的定位模塊檢測到列車運行至虛擬應(yīng)答器點位時，虛擬應(yīng)答器模擬軌旁應(yīng)答器，向車載應(yīng)答器傳輸模塊BTM發(fā)送位置信息，該信息與軌道上應(yīng)答器發(fā)送的信息完全一致，其共同發(fā)送信息給車載安全計算機。虛擬應(yīng)答器同實際應(yīng)答器是完全兼容的。

圖3 虛擬應(yīng)答器系統(tǒng)組成

目前國內(nèi)外基于虛擬應(yīng)答器的研究主要集中在功能實現(xiàn)方面。文獻[7]對虛擬應(yīng)答器的組成和工作原理進行了研究。文獻[8]對虛擬應(yīng)答器的捕獲算法以及報文的生成進行了研究，并對虛擬應(yīng)答器的捕獲精度和捕獲率進行了仿真驗證。文獻[9]提出了用車載虛擬應(yīng)答器替代軌旁應(yīng)答器的低成本實現(xiàn)方式。

3 虛擬應(yīng)答器實現(xiàn)安全應(yīng)用層分析

基于第2章所述的安全應(yīng)用層結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)有的CTCS-3/ETCS Level 2列車運行控制體系下，分析GNSS TLU虛擬應(yīng)答器實現(xiàn)安全應(yīng)用層的方式，在此基礎(chǔ)上建立安全需求模型，從而分析系統(tǒng)的風(fēng)險參數(shù)。

3.1 安全需求風(fēng)險參數(shù)

系統(tǒng)基本風(fēng)險分析參數(shù)由系統(tǒng)可容忍風(fēng)險率表示?？扇萑田L(fēng)險率THR(Tolerable Hazard Rate)是設(shè)備導(dǎo)致危險事件的概率，一般是設(shè)備需要滿足的一個目標(biāo)數(shù)值。通常通過一些確定的原則估計該風(fēng)險率，這些原則在制定時要確保設(shè)備出現(xiàn)的風(fēng)險盡可能小[10]。

UNISIG發(fā)布的ETCS Level 1 & 2安全需求以及可操作性技術(shù)文檔中，對ETCS系統(tǒng)構(gòu)架、系統(tǒng)風(fēng)險分配原則以及系統(tǒng)中各個設(shè)備類型的安全需求進行了結(jié)構(gòu)化的分析，對系統(tǒng)的安全分析方法提出了較為明確的量化原則[11，12]。

該技術(shù)文檔將ETCS的主要技術(shù)要求定義為：向司機提供信號，以確保司機安全駕駛列車并強制遵守信號。因為ETCS在運營當(dāng)中有不同的模式，在ETCS能夠提供可靠的安全速度以及安全距離限制信息時，ETCS系統(tǒng)的核心風(fēng)險定義為：超過ETCS建議的安全速度/安全距離。

該風(fēng)險可分配為車載設(shè)備風(fēng)險、軌旁設(shè)備風(fēng)險以及數(shù)據(jù)傳輸風(fēng)險，每類風(fēng)險的可容忍風(fēng)險率為

THRon-board=THRtrackside=THRtransmission=

0.67×10-9h-1

由此，ETCS系統(tǒng)的核心風(fēng)險估計為

THRETCS=THRon-board+THRtrackside+

THRtransmission=2.0×10-9h-1

ETCS系統(tǒng)的風(fēng)險分配如圖4所示。

圖4 應(yīng)答器可容忍風(fēng)險值[11]

傳統(tǒng)的ETCS Level 2與CTCS-3系統(tǒng)中，列車的位置信息是通過讀取應(yīng)答器數(shù)據(jù)實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)傳輸中的失效風(fēng)險，作為安全速度以及安全距離限制信息的條件之一，可將GNSS TLU的安全風(fēng)險等同于讀取應(yīng)答器數(shù)據(jù)時的風(fēng)險，即

THRTLU=0.67×10-9h-1

分析讀取應(yīng)答器數(shù)據(jù)時的風(fēng)險，可基于接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)分為表2中的3種情況。

表2 Balise的失效風(fēng)險分析

3種情況下的風(fēng)險還可以進一步細化，分為車載部分BTM(Balise Transmission Module)以及地面EUB(Euro Balise)對應(yīng)3個分類的失效情況，在此不詳細描述。

3.2 虛擬應(yīng)答器風(fēng)險分配

關(guān)于風(fēng)險初步分配，上述安全需求風(fēng)險將會在虛擬應(yīng)答器角度進行詳細的分析，其中主要分析第二類和第三類的風(fēng)險分配。因為應(yīng)答器的信息量比傳統(tǒng)軌道電路或者環(huán)線都大，結(jié)合足夠的編碼容錯或糾錯策略，可以極大地解決誤碼問題。初步危害風(fēng)險分配如圖5所示。

圖5 應(yīng)答器風(fēng)險分解

借助基于應(yīng)答器的危害分析模型，可以對基于GNSS TLU的危害風(fēng)險進一步分析。

針對第一類風(fēng)險THRGNSS-TLU-1，因為位置信息可直接從車載設(shè)備獲得，而不通過與地面通信獲得，所以第一類風(fēng)險對于GNSS TLU不適用。

針對第二類危害風(fēng)險THRGNSS-TLU-2，考慮的是應(yīng)答器或者讀取器的原因，信息點沒有被檢測到或檢測到卻無法提取正確信息。在對信息點漏檢的縫隙分析中，通常也考慮信息點是有鏈接或是未鏈接的。對于一個有鏈接的信息點沒有被檢測到的場景，通常是沒有安全措施需求的。但如果兩個連續(xù)的有鏈接信息點沒有在預(yù)期窗口中檢測到，將會實施鏈接應(yīng)對措施，例如常用制動。而GNSS TLU初始化時應(yīng)該除外。

針對第三類危害風(fēng)險THRGNSS-TLU-3，因為考慮的是應(yīng)答器或者讀取器的原因，應(yīng)答器錯誤被檢測到，所以第三類風(fēng)險對GNSS TLU不適用。

另外針對不同的運營場景，可以進一步對危害風(fēng)險進行差異化分析。除了普通運行場景之外，典型的特殊場景還有：從非ETCS區(qū)域進入ETCS區(qū)域、列車授權(quán)以司機人工模式啟動、臨時限速場景等。

針對列車從非ETCS區(qū)域進入ETCS區(qū)域場景下的危害風(fēng)險，可以表示為

RNL=rNL×PDR×((λIP×TMDT)+(λONB×TNL))

式中：rNL表示遇到信息點的概率；PDR表示事件頻率因子；λIP表示信息點每小時故障概率；TMDT表示應(yīng)答器平均故障時間；λONB表示車載讀取器每小時故障檢測概率；TNL表示車載平均故障時間。

假設(shè)從非ETCS區(qū)域進入ETCS區(qū)域并完全建立匹配需要1 h，即TNL=1 h，那么rNL=1 h-1，假設(shè)司機根據(jù)地面信號從非ETCS區(qū)域進入ETCS區(qū)域并建立匹配期間，操作失誤的概率為PDR=1×10-3，TMDT信息點的平均故障時間為24 h，可以得到

3.3×10-7h-1=24×(λIP+λONE)

λONE為虛擬應(yīng)答器模式而不需要讀取實際地面應(yīng)答器，做忽略考慮。那么可以得出信息點的每小時危害風(fēng)險概率，即

THRGNSS-INIT=λIP=1.4×10-8h-1

針對列車正常運行在ETCS區(qū)域內(nèi)的場景，可以類似分析

RL=V/DU×((λIP×TMDT)+(λONB×TL))

式中：V/DU表示每小時遇到的未鏈接信息點數(shù)量。

假設(shè)每小時遇到的信息點為400，其中鏈接信息點與未鏈接信息點的比率為1 000∶1，那么V/DU為0.4，TMDT信息點的平均故障維修時間為24 h，TL參考時間為1 h，可以得到

RL=0.4×(24×λIP+λONE)

λONE為虛擬應(yīng)答器模式而不需要讀取實際地面應(yīng)答器，做忽略考慮。那么可以得出正常運營條件下TLU的危害風(fēng)險估算，即

THRGNSS-NOR=RL=1.3×10-7h-1

3.3 GNSS TLU風(fēng)險分配

在此基礎(chǔ)上，將THRGNSS-NOR進一步做故障樹分析，可以將危害風(fēng)險分配到：

(1)GNSS空間信號(GNSS SIS)造成的危害風(fēng)險，即

THRGNSS-SIS=0.4×10-7h-1

(2)車載GNSS TLU硬件和軟件危害風(fēng)險，即

THRGNSS-ONE=0.4×10-7h-1

(3)里程計誤差危害風(fēng)險，即

THRGNSS-ODO=0.4×10-7h-1

從空間信號角度、GNSS TLU硬件與軟件角度、里程計誤差風(fēng)險角度去滿足GNSS TLU整體危害風(fēng)險控制要求的風(fēng)險分配如圖6所示。

圖6 GNSS TLU風(fēng)險分配

值得注意的是，連續(xù)未鏈接信息點的數(shù)量對風(fēng)險概率的影響很大。因為對于有鏈接的信息點，一般都設(shè)計為信息點組，如果出現(xiàn)第一個信息點的漏檢，系統(tǒng)不會采取應(yīng)對措施，但是連續(xù)第二個信息點出現(xiàn)漏檢，系統(tǒng)就會采取應(yīng)對措施，例如常用制動等。但是對于未鏈接信息點，一旦出現(xiàn)漏檢，車載系統(tǒng)不會被通知，可能漏過重要的安全信息。按照上述假設(shè)，每小時遇到0.4個未鏈接信息點，意味著在高速鐵路場景，每650 km遇到一個未鏈接信息點；在普速鐵路場景，每200 km遇到一個未鏈接信息點。

4 結(jié)論

本文通過研究GNSS在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用以及安全需求分析，提出通過安全應(yīng)用層來實現(xiàn)并驗證GNSS TLU安全需求的結(jié)構(gòu)。通過對GNSS安全需求層的探討，提出了兩種安全需求層的實現(xiàn)方式，并分析危害風(fēng)險，對核心風(fēng)險事件及可容忍率進行分解，得到GNSS TLU的安全風(fēng)險分配指標(biāo)，進而為GNSS TLU的硬件構(gòu)架設(shè)計與工程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)配置提供重要的參考指標(biāo)。

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