衛(wèi)星預(yù)定位算法在編組站調(diào)機(jī)自動化系統(tǒng)中的研究

王彬鑒，張 勛

(北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

1 概述

機(jī)車定位功能是編組站調(diào)機(jī)自動化系統(tǒng)的核心功能之一，準(zhǔn)確和及時(shí)地獲取調(diào)車機(jī)車在編組站中的定位信息是機(jī)車安全、高效進(jìn)行調(diào)車作業(yè)的必要保障,也是編組站提高作業(yè)效率和解編能力的重要保證。

目前軌道交通領(lǐng)域中，CBTC城軌控制系統(tǒng)、CTCS-2、CTCS-3列控系統(tǒng)及STP調(diào)車監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用點(diǎn)式應(yīng)答器對機(jī)車、車列進(jìn)行定位。這種方法雖定位較為方便準(zhǔn)確，但在編組站實(shí)際應(yīng)用中存在明顯缺陷。第一，綜合成本較高，需在鐵軌中鋪設(shè)大量應(yīng)答器設(shè)備并且需要專門人員進(jìn)行定期維護(hù)；第二，對環(huán)境要求較高，如有雨雪或其他雜物等覆蓋，會嚴(yán)重影響應(yīng)答器定位的準(zhǔn)確性；第三，定位呈非連續(xù)性，由于點(diǎn)式應(yīng)答器的數(shù)量限制，機(jī)車不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位，只有帶應(yīng)答器接收設(shè)備的機(jī)車通過點(diǎn)式應(yīng)答器時(shí)才可實(shí)現(xiàn)定位。

衛(wèi)星定位系統(tǒng)是一種以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的高精度無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，目前已在公路交通以及地理勘測行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。將衛(wèi)星定位技術(shù)用于編組站調(diào)機(jī)自動化系統(tǒng)中不但可以降低建設(shè)和維護(hù)成本，還可以極大提高機(jī)車定位準(zhǔn)確性。

2 編組站調(diào)機(jī)自動化系統(tǒng)介紹與預(yù)定位需求分析

2.1 編組站調(diào)機(jī)自動化系統(tǒng)介紹

編組站調(diào)機(jī)自動化系統(tǒng)是一套應(yīng)用于編組站調(diào)車機(jī)車的自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由地面和車載兩部分構(gòu)成，利用無線通信技術(shù)來進(jìn)行車載設(shè)備與地面設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)主要功能有信息層面的站場表示及本機(jī)位置信息顯示、調(diào)車作業(yè)計(jì)劃顯示、防護(hù)信號及終端障礙顯示、機(jī)車工況顯示和報(bào)警信息顯示等；控制層面的機(jī)車超速防護(hù)、信號及障礙物的距離防護(hù)、推峰作業(yè)遙控和自控、平調(diào)作業(yè)遙控等。系統(tǒng)通過地面設(shè)備與編組站CIPS系統(tǒng)結(jié)合，使系統(tǒng)的一體化程度、信息共享度、構(gòu)成簡化度、自動化程度都達(dá)到較高的水準(zhǔn)。

2.2 調(diào)機(jī)定位技術(shù)存在的問題分析

由于編組站股道、道岔數(shù)量眾多且位置相對集中，一般衛(wèi)星定位設(shè)備的動態(tài)定位精度離散范圍較大，對于編組站作業(yè)的調(diào)機(jī)安全、快速、準(zhǔn)確的完成初始定位的實(shí)際需求難以滿足，而使用超高精度的衛(wèi)星定位設(shè)備又會使成本大幅上升。為運(yùn)用衛(wèi)星定位技術(shù)準(zhǔn)確、高效、快速的實(shí)現(xiàn)機(jī)車初始定位，同時(shí)有效控制成本，特研究一套適用于編組站調(diào)機(jī)自動化系統(tǒng)的調(diào)機(jī)預(yù)定位算法。該算法需要解決的問題主要包括以下幾個(gè)方面。

1）能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多臺機(jī)車初始定位

機(jī)車初始定位應(yīng)以單臺機(jī)車為計(jì)算依據(jù)。當(dāng)多臺機(jī)車需要同時(shí)進(jìn)行初始定位時(shí)，用于進(jìn)行機(jī)車初始定位運(yùn)算的地面主程序應(yīng)啟動多個(gè)程序流程，分別進(jìn)行計(jì)算、判斷。

2）啟動預(yù)定位的前提條件

與車載設(shè)備建立通信連接：車地通信是進(jìn)行初始定位的基本依據(jù)之一，對于無連接的機(jī)車，不應(yīng)啟動該計(jì)算。

該機(jī)車無定位：僅對無定位的機(jī)車進(jìn)行預(yù)定位，對于有連接且已有定位的機(jī)車，不應(yīng)啟動該流程。

車載設(shè)備提供數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)有效：車載設(shè)備應(yīng)提供有效的衛(wèi)星定位信息、速度信息、走行距離等信息。

與站場表示服務(wù)器或其他采集設(shè)備有通信：地面主程序應(yīng)保證能收到正常的站場表示信息。

3）輸出預(yù)定位信息

調(diào)機(jī)預(yù)定位實(shí)現(xiàn)后，應(yīng)輸出以下幾個(gè)參量：衛(wèi)星定位區(qū)段及本機(jī)占用區(qū)段集合；

衛(wèi)星定位區(qū)段：輸出一個(gè)衛(wèi)星定位到電子地圖中的唯一區(qū)段ID；

本機(jī)占用區(qū)段集合：輸出一個(gè)數(shù)量≥1且＜n（n∈自然數(shù)，上限50）的區(qū)段集合，＜1或≥n時(shí)應(yīng)做異常處理。

2.3 調(diào)機(jī)預(yù)定位實(shí)現(xiàn)方式

調(diào)機(jī)預(yù)定位算法采用“衛(wèi)星定位+軌道電路+機(jī)車走行測長”的融合定位算法對調(diào)機(jī)進(jìn)行定位跟蹤驗(yàn)證衛(wèi)星定位出的初始區(qū)段。

如圖1所示，首先由車載設(shè)備利用衛(wèi)星定位接收天線獲取經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，利用輪軸速度傳感器獲取機(jī)車速度及位移數(shù)據(jù)并通過無線通信天線發(fā)送給地面主機(jī)，同時(shí)CIPS將股道占用信息實(shí)時(shí)發(fā)送給地面主機(jī)。地面主機(jī)主控制程序結(jié)合衛(wèi)星定位經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和股道占用情況進(jìn)行分析計(jì)算，篩選出機(jī)車可能所在的區(qū)段；基于此區(qū)段根據(jù)機(jī)車后續(xù)的運(yùn)行方向、走行位移和前方股道占用的表示信息，計(jì)算出機(jī)車當(dāng)前可能所在區(qū)段，并結(jié)合股道占用情況和走行測長等信息來綜合驗(yàn)證之前定位是否準(zhǔn)確。若預(yù)定位成功，則將定位信息發(fā)送給車載設(shè)備進(jìn)行顯示。

3 衛(wèi)星預(yù)定位算法

3.1 衛(wèi)星預(yù)定位算法思路

根據(jù)2.3，利用預(yù)定位算法分了衛(wèi)星定位初始定位區(qū)段篩選和定位區(qū)段驗(yàn)證兩個(gè)邏輯過程，如圖2所示。

圖1 調(diào)機(jī)預(yù)定位流程圖Fig.1 Flow chart of shunting locomotive pre-positioning

圖2 衛(wèi)星預(yù)定位算法思路圖Fig.2 Idea diagram of satellite pre-positioning algorithm

3.2 衛(wèi)星定位初始定位區(qū)段篩選

1）站場坐標(biāo)點(diǎn)測繪

為精確定位機(jī)車坐標(biāo)所在區(qū)段，在絕緣節(jié)軌芯位置和區(qū)段內(nèi)部測繪打點(diǎn)，曲率大的地方打點(diǎn)較為密集，將其近似化為多條折線段，如圖3所示，并將衛(wèi)星定位測繪點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)存入數(shù)據(jù)庫供程序讀取計(jì)算。

2）衛(wèi)星定位經(jīng)緯度

利用機(jī)車頂部衛(wèi)星定位天線獲取機(jī)車實(shí)時(shí)定位信息并發(fā)送給地面主機(jī)。

3）確定粗/細(xì)定位精度區(qū)段集合

地面主程序收到機(jī)車衛(wèi)星定位坐標(biāo)，遍歷數(shù)據(jù)庫所有衛(wèi)星定位測繪點(diǎn)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，判斷所屬定位矩形框。根據(jù)站場圖形角度旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，將機(jī)車衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)和衛(wèi)星定位測繪點(diǎn)數(shù)據(jù)按照所需旋轉(zhuǎn)角度同時(shí)做旋轉(zhuǎn)處理，使矩形框與坐標(biāo)軸平行便于計(jì)算。然后計(jì)算機(jī)車衛(wèi)星定位點(diǎn)與矩形框所屬區(qū)段的直線距離l，若0≤l＜15，則將區(qū)段存入粗定位精度集合M，若0≤l＜2，則將區(qū)段存入細(xì)定位精度集合N。

4）確定初始定位區(qū)段

地面主程序接收CIPS站場表示數(shù)據(jù)，判斷集合M和N中各區(qū)段的占用狀態(tài)及N?M，篩選當(dāng)N=1并區(qū)段狀態(tài)為占用時(shí)返回該區(qū)段ID。重復(fù)以上步驟n次，若連續(xù)n次返回的區(qū)段ID相同，則可確定機(jī)車的初始定位區(qū)段。否則，程序舍棄此次定位并重新進(jìn)入定位流程。

3.3 定位區(qū)段驗(yàn)證

圖3 區(qū)段衛(wèi)星定位測繪點(diǎn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of satellite positioning mapping points in track section

由于衛(wèi)星定位精度存在偏差，且當(dāng)編組站股道較為密集或道岔區(qū)段時(shí)，上述矩形框存在重合的情況，此時(shí)定錯軌道區(qū)段的概率較大，因此需要利用軌道電路和走行測長來對衛(wèi)星定位初始定位進(jìn)行校驗(yàn)。

根據(jù)衛(wèi)星定位篩選出來的唯一軌道區(qū)段，結(jié)合機(jī)車此時(shí)運(yùn)行速度及方向判斷該機(jī)車將軋入的相鄰連接軌道區(qū)段。當(dāng)該連接區(qū)段的軌道電路狀態(tài)由白光帶（空閑）轉(zhuǎn)換為紅光帶（占用）時(shí)，進(jìn)行機(jī)車走行位移計(jì)算定標(biāo)。以此定標(biāo)點(diǎn)為起點(diǎn)計(jì)算機(jī)車走行的位移長度，該長度需要減去軌道電路的轉(zhuǎn)換延時(shí)、系統(tǒng)間通信延時(shí)和車地通信延時(shí)所產(chǎn)生的誤差長度，同時(shí)當(dāng)前機(jī)車的衛(wèi)星定位坐標(biāo)點(diǎn)應(yīng)處于該軌道區(qū)段用于定位判別的矩形框區(qū)間內(nèi)。當(dāng)機(jī)車在有運(yùn)行速度且未改變運(yùn)行方向的情況下軋入下一個(gè)相鄰連接的軌道區(qū)段，該連接區(qū)段的軌道電路狀態(tài)由白光帶（空閑）轉(zhuǎn)換為紅光帶（占用）時(shí)，進(jìn)行機(jī)車走行位移計(jì)算的再次定標(biāo)。該定標(biāo)同樣需要減去此前描述的誤差長度，消除誤差長度之后此時(shí)結(jié)算機(jī)車已走行的位移長度，即兩次定標(biāo)值之差。將此長度與上一個(gè)軌道區(qū)段在電子地圖中存儲的長度值進(jìn)行比較，當(dāng)兩個(gè)長度值比較結(jié)果在系統(tǒng)判斷成立的閾值范圍以內(nèi)并且當(dāng)前機(jī)車的衛(wèi)星定位坐標(biāo)點(diǎn)處于該軌道區(qū)段用于定位判別的矩形框區(qū)間內(nèi)，確認(rèn)本次預(yù)定位成功完成，輸出預(yù)定位初始區(qū)段ID及當(dāng)前本機(jī)占用區(qū)段集合。

4 結(jié)束語

調(diào)機(jī)定位功能是編組站調(diào)機(jī)自動化系統(tǒng)的核心功能之一，分析現(xiàn)有調(diào)機(jī)衛(wèi)星定位方法中存在的問題和局限性，通過對調(diào)機(jī)預(yù)定位需求進(jìn)行總結(jié)，研究出一種用于提高調(diào)機(jī)初始定位效率和準(zhǔn)確性的衛(wèi)星預(yù)定位算法，該算法分為了衛(wèi)星定位初始化定位區(qū)段篩選和定位區(qū)段驗(yàn)證兩部分，有效解決了由編組站股道和道岔較密集導(dǎo)致的區(qū)段定位失準(zhǔn)問題，且能夠?qū)崟r(shí)連續(xù)輸出定位信息為調(diào)車機(jī)車、車列連續(xù)跟蹤提供保障。目前該算法已在多個(gè)編組站的調(diào)機(jī)自動化系統(tǒng)中得以實(shí)際應(yīng)用并取得良好的效果。同時(shí)，該衛(wèi)星預(yù)定位技術(shù)可應(yīng)用于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)、GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)等多個(gè)不同的衛(wèi)星定位系統(tǒng)中，并不局限于某個(gè)特定的衛(wèi)星制式，應(yīng)用范圍較廣，有較高的實(shí)用價(jià)值。