基于無線信號(hào)強(qiáng)度的城軌列車組合定位方法研究

邱慶根

【摘 要】近年來，城市軌道交通發(fā)展迅速，其在方便人們出行的同時(shí)也帶來了巨大的能源消耗。城軌列車節(jié)能運(yùn)行是一種重要的節(jié)能技術(shù)，需要具有統(tǒng)一時(shí)間、空間標(biāo)尺的列車運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)作為分析基礎(chǔ)。其中，列車位置信息無法直接測(cè)量，并且難以通過接口從信號(hào)車載設(shè)備等獲得，因此必須設(shè)計(jì)一種相對(duì)獨(dú)立的列車定位方法?？紤]到城軌列車運(yùn)行環(huán)境的特殊性，所設(shè)計(jì)的定位方法首先不能影響行車安全，其次需要在地上、地下均可獲得列車位置，同時(shí)還要在減少硬件成本的基礎(chǔ)上滿足列車節(jié)能運(yùn)行分析對(duì)定位精度的要求。

【關(guān)鍵詞】無線信號(hào)強(qiáng)度；城軌列車；組合定位；研究

引言：無線定位技術(shù)的發(fā)展與基礎(chǔ)設(shè)施的完善與升級(jí)是密切相關(guān)的。在我國(guó)，高速鐵路和城市軌道交通系統(tǒng)中，存在大量用于通信的基站，這對(duì)無線定位技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用是一個(gè)重要機(jī)遇。但由于目前無線定位應(yīng)用場(chǎng)景多為室內(nèi)或接收者靜止或移動(dòng)速度較慢的場(chǎng)景，因此無線定位技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)行速度較快的軌道交通領(lǐng)域也是一個(gè)挑戰(zhàn)。在軌道交通領(lǐng)域，實(shí)時(shí)的列車位置對(duì)保證列車安全、高效運(yùn)行有著極其重要的作用。與傳統(tǒng)的基于軌道電路、應(yīng)答器等列車定位方法不同，基于無線網(wǎng)絡(luò)的定位方法有著低成本、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。因此，在非安全應(yīng)用、定位精度需求較低的場(chǎng)景下，無線定位逐漸成為為列車提供位置信息的一種新型方式。

1、基于無線信號(hào)強(qiáng)度的城軌列車定位方法

1.1無線定位技術(shù)介紹

由于基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位方法需要接收者位于空曠無遮擋的室外環(huán)境，因而無法在室內(nèi)或地下等地形復(fù)雜的環(huán)境下應(yīng)用。近年來，隨著地面無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的增多，基于地面網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)也迅速發(fā)展，這類定位系統(tǒng)也被稱為無線定位系統(tǒng)。無線定位技術(shù)按其定位機(jī)制的不同可以分為無需測(cè)距的定位和基于測(cè)距的定位[1]。為了方便讀者理解，本文先對(duì)下文出現(xiàn)的術(shù)語進(jìn)行說明。

（1）錨節(jié)點(diǎn)：己知或能夠自己獲取地理位置信息的節(jié)點(diǎn)。

（2）未知節(jié)點(diǎn)：事先不知道地理位置信息的節(jié)點(diǎn)。

（3）跳數(shù)：數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過的跳轉(zhuǎn)次數(shù)。

（4）跳距：數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過的距離。

（5）接收范圍：節(jié)點(diǎn)能夠有效接收數(shù)據(jù)的范圍。

1.2Range-free型無線定位

無需測(cè)距的定位技術(shù)無需測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的絕對(duì)距離或者角度信息，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本較低。但由于其只能實(shí)現(xiàn)粗精度定位，因此其應(yīng)用范圍也受限于對(duì)定位精度需求較低的場(chǎng)景。本文將對(duì)四種具有代表性的算法進(jìn)行介紹。

（1）質(zhì)心定位算法

質(zhì)心定位算法由南加州大學(xué)學(xué)者提出，是一種完全依靠網(wǎng)絡(luò)連通性進(jìn)行定位的算法。其基本原理是：錨節(jié)點(diǎn)周期地向外發(fā)送信標(biāo)信號(hào)，信標(biāo)中包括描節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)和坐標(biāo)。待定位節(jié)點(diǎn)收到多個(gè)來自其接收范圍內(nèi)的錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信標(biāo)，由多個(gè)錨節(jié)點(diǎn)組成的多邊形的質(zhì)心便是待定位節(jié)點(diǎn)的位置估計(jì)。

（2）DV-hop算法

在DV-hop算法中，錨節(jié)點(diǎn)以泛洪的方式向外發(fā)送信標(biāo)信號(hào)，信標(biāo)包含錨節(jié)點(diǎn)的位置信息和一個(gè)初值為1的跳數(shù)參數(shù)。跳數(shù)值隨轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)增加而增加。當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)均保存距錨節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)信息時(shí)，錨節(jié)點(diǎn)便可根據(jù)自身的位置信息和與其他錨節(jié)點(diǎn)間的最小跳數(shù)計(jì)算平均跳距，之后將平均跳距發(fā)送至所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行校正。

隨著信息時(shí)代的發(fā)展，越來越多的數(shù)據(jù)信息可以被用來描述位置信息，這樣的數(shù)據(jù)信息被稱作指紋。指紋類型有很多種，其中視覺指紋、動(dòng)作指紋和信號(hào)指紋是最常用的三種。本文中的無線信號(hào)強(qiáng)度便是信號(hào)指紋中的一種。指紋定位方法一般由離線訓(xùn)練和在線定位兩個(gè)階段組成。離線訓(xùn)練階段需要在某個(gè)區(qū)域內(nèi)，采集所有可探測(cè)到的無線接入點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，并將其與位置相對(duì)應(yīng)存入數(shù)據(jù)庫中，再根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到信號(hào)強(qiáng)度與位置之間的匹配關(guān)系。在線定位階段也可稱為指紋匹配階段，該階段無線接收設(shè)備采集當(dāng)前位置所有可探測(cè)到的AP的信號(hào)強(qiáng)度，并根據(jù)采集的信號(hào)強(qiáng)度，通過適當(dāng)?shù)乃惴ㄔ陔x線數(shù)據(jù)庫中找到與之最符合的目標(biāo)位置。匹配過程一般會(huì)用到數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等智能算法，如K近鄰法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

2、城軌列車組合指紋定位方法研究

隨著移動(dòng)設(shè)備和其他電子設(shè)備計(jì)算能力和存儲(chǔ)容量的大幅度提升，指紋定位技術(shù)己成為一種靈活、多變的定位技術(shù)。指紋定位的精度與選取的指紋特征以及數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建方式密切相關(guān)，其與信號(hào)強(qiáng)度質(zhì)量好壞關(guān)系較小。如指紋定位在多徑效應(yīng)和非視距等信號(hào)強(qiáng)度值噪聲大、衰減快的環(huán)境中仍有較高的定位精度，這是因?yàn)橹讣y定位方法在不利的傳播環(huán)境中具有較好的魯棒性[2]。此外，指紋定位方法還具有無需事先知道錨節(jié)點(diǎn)位置的優(yōu)勢(shì)。指紋定位的缺點(diǎn)主要有兩點(diǎn)。

其一：為更好的描述指紋與位置的關(guān)系，需要采集大量的數(shù)據(jù)，因此指紋定位會(huì)占用較大的存儲(chǔ)空間。一些存儲(chǔ)容量受到嚴(yán)格限制的應(yīng)用因此無法使用指紋定位。

其二：當(dāng)環(huán)境中出現(xiàn)如新增AP、移除AP或移動(dòng)AP位置等影響原有信號(hào)強(qiáng)度分布的情況時(shí)，指紋數(shù)據(jù)庫和匹配關(guān)系也必須隨之進(jìn)行更新，以便適應(yīng)新的“環(huán)境”。

隨著技術(shù)的發(fā)展，深度學(xué)習(xí)在圖像識(shí)別、數(shù)據(jù)分類和語音處理等領(lǐng)域也展現(xiàn)出越來越好的效果。在本研宄中，需要將無線信號(hào)強(qiáng)度的值與列車位置聯(lián)系起來，根據(jù)無線信號(hào)強(qiáng)度的值來計(jì)算列車的位置。解決該類問題有很多方法，如貝葉斯估計(jì)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。但由于城軌列車多運(yùn)行于隧道環(huán)境，無線信號(hào)強(qiáng)度受多徑效應(yīng)影響較大，且存在較大噪聲，因此使用傳統(tǒng)的方法無法準(zhǔn)確地提取無線信號(hào)強(qiáng)度的特征。

結(jié)語：本文所做工作主要是為了滿足城軌列車節(jié)能運(yùn)行研究的需求，最終的列車定位精度也遠(yuǎn)未達(dá)到能夠?yàn)榱锌叵到y(tǒng)提供位置信息的水平。但利用無線信號(hào)強(qiáng)度獲取列車位置的方法是將無線定位技術(shù)應(yīng)用于列車定位的一次探索，由于本人知識(shí)水平有限，對(duì)該問題的探索還不夠深入。

對(duì)無線定位在列車定位中的探索也不應(yīng)僅局限于列車節(jié)能運(yùn)行研宄中。無線定位作為未來移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的重要核心業(yè)務(wù)之一，在人工智能飛速發(fā)展的今天，其在未來會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。在經(jīng)過安全性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性等相關(guān)驗(yàn)證后，替代擁有較多硬件設(shè)備的列車定位方法己經(jīng)不再遙不可及。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔耕.淺析城市軌道交通中塵土對(duì)列車車載控制器的危害[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（17）：151-151.

[2]姜君.城市軌道交通列車再生制動(dòng)能量利用系統(tǒng)方案對(duì)比分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2017（9）：1-4.

（作者單位：成都地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司）