接觸網(wǎng)巡檢系統(tǒng)空間綜合定位方法

宋佳明 占 棟 陳唐龍

(西南交通大學電氣工程學院, 610031, 成都∥第一作者, 碩士研究生)

接觸網(wǎng)是軌道交通系統(tǒng)基礎設施的重要組成部分,其良好的運行狀態(tài)是軌道交通系統(tǒng)安全運行的前提條件之一。電氣化鐵道接觸網(wǎng)的巡檢工作是保證接觸網(wǎng)設備安全、提高供電可靠性、確保接觸網(wǎng)正常運行的一項基礎工作,是接觸網(wǎng)運營管理工作的一項重要內(nèi)容。接觸網(wǎng)巡檢過程中的定位精度是確保采集信息有效性的前提。單一的定位方式存在穩(wěn)定性差、定位精度低和可靠性差等缺點,基于多種定位方式的綜合定位系統(tǒng)是未來接觸網(wǎng)巡檢定位技術的重要發(fā)展方向。文獻[1]根據(jù)列車運行軌跡的受限條件,提出了一種結(jié)合軌道約束的改進型粒子濾波融合估計方法。文獻[2]研究了基于GPS(全球定位系統(tǒng))/INS(慣性導航系統(tǒng))及關鍵應答器的列車組合定位方法,提出了基于奇異值分解的容積卡爾曼魯棒濾波算法。文獻[3]研究了基于擴展卡爾曼濾波的GPS/ODO(里程計)列車組合定位方法,提出了當GPS信號中斷時,宜采用里程計和數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的定位方法。文獻[4]提出了一種基于GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))偽距測量值和軌道地圖信息聯(lián)合估計列車速度及位置的貝葉斯估計算法。

上述文獻雖然研究了接觸網(wǎng)巡檢過程中的各種組合定位方法,但其均存在定位精度低、可靠性差等問題。針對上述問題,本文提出一種采用多定位方式的空間綜合定位方法,該方法引入了誤差比較機制,能夠滿足多場景綜合定位的需求,以及提高接觸網(wǎng)巡檢系統(tǒng)的定位精度。

1 接觸網(wǎng)巡檢系統(tǒng)主要定位技術

1.1 輪速定位法

輪速定位法的原理是通過車輪轉(zhuǎn)動使連接在車輪軸上的光柵盤將光源(發(fā)光二極管)變?yōu)閿嗬m(xù)光,進而帶動光電模塊中的光敏三極管進行通斷運行。光電信號經(jīng)過電路處理后,能夠獲得與速度成正比的方波脈沖,將脈沖信號送至車載計數(shù)器,根據(jù)脈沖數(shù)可以計算獲得列車的里程數(shù)據(jù)。

鐵路根據(jù)線路長度沿線設置公里標,列車采集輪速編碼器信號并經(jīng)累計換算,確定列車運行過程中在線路上的具體位置信息。輪速定位法易于實現(xiàn),但主要缺點在于車輪磨損導致通過車輪直徑獲得的里程數(shù)據(jù)誤差較大。而這種誤差是線性累積的,即隨著行駛里程的增加,其絕對誤差會越來越大。這種定位方式的精度極大地受限于車輪空轉(zhuǎn)和滑行。

1.2 RFID(射頻識別)定位法

RFID技術是一種自動識別技術,通過射頻信號自動識別目標對象,并獲取相關數(shù)據(jù)。RFID系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)處理終端、電子標簽、天線和閱讀器構(gòu)成。RFID定位法的優(yōu)點在于地面應答器安裝點的定位精度較高、維修費用低、使用壽命長,以及能在惡劣條件下穩(wěn)定工作;其缺點為只能給出點式定位信息,且存在設置間距和投資成本等問題。

1.3 衛(wèi)星導航定位法

隨著衛(wèi)星導航技術的不斷發(fā)展,其在列車定位中的應用越來越廣泛。目前,許多列車采用了GPS,只需在列車上安裝GPS接收機,接收4顆以上的衛(wèi)星信號就能夠?qū)崿F(xiàn)快速定位。但當列車進入隧道、山區(qū)及森林等地時,其GPS信號容易被遮擋;當列車處在并行線路上時,GPS易發(fā)生認錯股道的現(xiàn)象。導致這些現(xiàn)象的原因是,GPS采用的是擴頻通信,偽隨機噪聲碼主要有精測距碼和C/A(粗測距)碼兩種,由于一般民用接收機只能使用C/A碼,經(jīng)過處理后其定位精度降低了許多。

1.4 桿號識別定位法

桿號識別是接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)的一項基本功能。文獻[5]提出了一種桿號識別方法,該方法基于OpenCV計算機視覺庫,采用HOG(方向梯度直方圖)特征提取和SVM(支持向量機)分類器將識別桿號與數(shù)據(jù)庫匹配起來,進而獲取列車的位置信息。但該定位方法需要采集和處理圖片數(shù)據(jù),存在一定的時間延遲。

2 接觸網(wǎng)巡檢系統(tǒng)空間綜合定位方法

2.1 基本結(jié)構(gòu)

本文提出的接觸網(wǎng)巡檢系統(tǒng)空間綜合定位系統(tǒng)共有3層結(jié)構(gòu):第1層為外部接口層,主要為定位信息的服務接口;第2層為綜合定位處理層,主要處理業(yè)務邏輯;第3層為硬件接入層,主要用于接入不同服務設備進行互聯(lián)通信。空間綜合定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

注:MVB為多功能車輛總線。

2.2 系統(tǒng)組成

空間綜合定位系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)下發(fā)和參數(shù)設置4個模塊組成,如圖2所示。數(shù)據(jù)采集模塊負責采集定位信號,計算出可靠的位置信息。數(shù)據(jù)庫模塊負責建立GPS公里標、RFID信息和桿號信息等基礎線路信息數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)下發(fā)模塊負責將所獲得的定位信息發(fā)送至其他模塊。參數(shù)設置模塊負責預設或在運行時設置線路信息。

圖2 空間綜合定位系統(tǒng)組成示意圖

2.3 定位算法設計

空間綜合定位算法需要結(jié)合所有接入的定位信息和基礎數(shù)據(jù)庫,才能獲得列車當前的位置信息。所接入的硬件信息可以分為絕對定位信息和相對定位信息。絕對定位信息包括:GPS、RFID、MVB和人工校正。相對定位信息包括:錨段校正、桿號識別和速度傳感器。空間綜合定位算法需要結(jié)合絕對定位信息和相對定位信息才能精確定位,一般通過速度傳感器計算當前位置,通過絕對定位設備及相對定位信息校正當前位置。

相對定位的執(zhí)行條件為:無條件執(zhí)行,只要收到相對定位信號,就進行無條件定位。

絕對定位需要滿足以下任一條件,方可執(zhí)行:

條件1,2εt<|s0-st|。

條件2,εt<εl。

式中:

εt——當前絕對定位信號誤差;

s0——定位公里標;

st——當前公里標;

εl——最后一次絕對定位設備誤差。

2.4 校正算法設計

2.4.1 錨段校正

錨段關節(jié)分為三跨非絕緣錨段關節(jié)、四跨絕緣錨段關節(jié)、五跨絕緣關節(jié)和七跨電分相錨段關節(jié)。由文獻[6]可知,三跨、四跨、五跨錨段關節(jié)均由錨柱和轉(zhuǎn)換柱組成,在最后一個轉(zhuǎn)換柱前,兩根接觸線的導高相同,列車經(jīng)過等高點后的第一個支柱即為該錨段關節(jié)的最后一個轉(zhuǎn)換柱。通過識別該轉(zhuǎn)換柱,同時結(jié)合支柱數(shù)據(jù)庫,即可校正列車位置。

錨段校正示意圖如圖3所示。當雷達、照相機檢測到列車經(jīng)過等高點后,可以判斷下一個支柱為最后一個轉(zhuǎn)換柱。當列車經(jīng)過等高點后,綜合定位系統(tǒng)識別到的下一個支柱即為當前錨段關節(jié)內(nèi)的最后一個轉(zhuǎn)換柱。為避免誤識別,在數(shù)據(jù)庫內(nèi)查找當前位置前后5個支柱范圍內(nèi)是否存在該轉(zhuǎn)換柱,若存在,則將列車當前位置定位校正至該轉(zhuǎn)換柱。

圖3 錨段校正示意圖

2.4.2 支柱觸發(fā)信號校正

由于支柱的信號存在誤識別,因此增加誤識別剔除邏輯:若當前信號與上一次支柱信號位置小于等于15 m,即可判斷為誤識別。

2.4.3 GPS校正

由GPS數(shù)據(jù)庫查找出的公里標并非實時校正的。GPS校正流程圖如圖4所示。當GPS定位點查詢出的數(shù)據(jù)庫公里標滿足校正算法時,才可以將GPS數(shù)據(jù)庫公里標設置為當前公里標。

圖4 GPS校正流程圖

2.4.4 RFID校正

RFID觸發(fā)為連續(xù)觸發(fā),只有當RFID第一次觸發(fā)時進行校正,其后若RFID連續(xù)觸發(fā),則系統(tǒng)將丟棄RFID觸發(fā)信號。因此,RFID接收范圍越小,觸發(fā)精度越高。

2.4.5 MVB信號校正

MVB信號實際上就是運營列車提供的定位信號(各列車的MVB協(xié)議并不相同)。MVB信號的觸發(fā)條件為:

2εm+εy<|lm0-lmt|

式中:

εm——MVB定位誤差,即運營列車提供定位信號的誤差;

εy——MVB延時誤差;

lm0——MVB定位里程;

lmt——當前里程。

2.4.6 桿號識別校正

由于桿號算法有一定的延時誤差,所以需引入桿號識別校正。為了進行桿號識別校正,空間綜合定位系統(tǒng)需保存一段時間內(nèi)所有速度傳感器的定位信息,同時規(guī)定桿號識別必須在一段特定時間內(nèi)完成。桿號識別校正流程圖如圖5所示。

圖5 桿號識別校正流程圖

2.5 定位校正優(yōu)先級判定

綜合定位系統(tǒng)由主定位和輔助定位方式構(gòu)成,一般主定位采用速度傳感器持續(xù)獲得列車的行駛里程,輔助定位則是對主定位進行校正。對不同的應用場景、不同的檢測載體(檢測車)采用不同的主定位和輔助定位方式,不同定位方式的優(yōu)先級有所不同。當綜合定位系統(tǒng)同時接收到兩個校正信號,其會自動選擇最高優(yōu)先級的輔助定位來對列車位置信息進行校正。

地鐵運營車一般不能加裝速度傳感器,但可接入車輛的MVB信號(MVB信號包含速度、里程等信息)。地鐵運營車定位校正優(yōu)先級示意圖如圖6所示。地鐵運營車屬于無人值守設備,定位信息沒有人為干預,故在輔助定位信息里未考慮到人工校準環(huán)節(jié)。起始公里標信息均從MVB信號中獲得,地鐵線路一般安裝有RFID,其可通過RFID對列車位置進行精確定位。

圖6 地鐵運營車定位校正優(yōu)先級示意圖

MVB信號傳輸有一定的延遲,不同的車速會導致不同的定位信息誤差,故在綜合定位系統(tǒng)中增加開關門信息接入,以避免車速對定位的影響(開關門時車速為0)。錨段和支柱識別由于其本身的定位精度有限,故相較于其他輔助定位系統(tǒng),二者的優(yōu)先級較低。

3 空間綜合定位系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗概況

以重慶軌道交通4號線為例,進行空間綜合定位系統(tǒng)試驗。該線路列車目前所具備的定位方式主要為MVB信號定位、RFID定位和錨段定位。分別取4號線下行線區(qū)段民安大道站—頭塘站和線路上行線區(qū)段太平?jīng)_站—寸灘站為試驗區(qū)段。上下行線各區(qū)段內(nèi)的定位信息如表1所示。

表1 上下行線各區(qū)段內(nèi)的定位信息

采集試驗區(qū)段的速度信號和里程信號數(shù)據(jù),可以獲得上下行線試驗區(qū)段的MVB信號數(shù)據(jù)曲線圖,如圖7所示。由圖7可知,大部分時間段內(nèi),列車的運行速度均呈大幅度變化,說明頻繁加減速會使列車發(fā)生輪軌蠕滑和空轉(zhuǎn),進而使列車的定位誤差隨著時間累積。

a) 下行線,速度-時間曲線

3.2 定位精度驗證

為驗證空間綜合定位系統(tǒng)的定位精度,將MVB運行距離-時間曲線分別與RFID校正及錨段校正后的曲線進行對比,如圖8所示。由圖8可知,RFID和錨段校正均可以提高定位精度,且錨段校正的定位精度比RFID校正的定位精度更高,但是由于錨段識別可能存在誤識別或漏桿等問題,可靠性不如RFID校正。

a) 下行線,與RFID校正對比

分別在兩個試驗區(qū)段中選取4個缺陷模擬點,采用不同定位方法的上下行線試驗區(qū)段定位信息曲線對比如圖9所示。由圖9可知:在前100 s內(nèi),列車自帶的MVB里程信息定位誤差較小,可以較為精確地定位到第1個缺陷模擬點:隨著時間的增加,列車位置信息的累積誤差有所增大,導致里程信息產(chǎn)生了40 m左右的偏離;對于錨段定位校正和RFID定位校正,列車定位誤差的修正效果并不理想,均存在20 m左右的誤差;空間綜合定位系統(tǒng)的列車定位誤差獲得了大幅度的修正,列車定位誤差減小至5 m以內(nèi),能夠較好地定位到后續(xù)缺陷點,進一步驗證了所提空間綜合定位系統(tǒng)的定位精度。

a) 下行線

4 結(jié)語

針對目前接觸網(wǎng)巡檢系統(tǒng)定位誤差大、定位精度不高等問題,本文引入誤差比較機制,提出一種空間綜合定位方法。經(jīng)過上線測試及相關驗證表明,所提系統(tǒng)的定位精度達到了5 m,具有定位精度高、拓展性好等優(yōu)點。所提系統(tǒng)的定位精度受限于定位技術,隨著定位算法的改進及定位技術的發(fā)展,該綜合定位方法的精度也會進一步有所提高。