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原文传递基于多传感器融合的城市轨道交通列车定位方法研究

论文题名：	基于多传感器融合的城市轨道交通列车定位方法研究
关键词：	城市轨道交通列车;定位方法;绝对位置修正;相对位置累积;轮径校准;多传感器融合
摘要：	列车准确位置的获取是列车控制系统的重要基础。列车在区间运行过程中，受外部干扰及车体起伏的影响，欧标应答器绝对位置修正存在不确定性；受车轮不断磨损和非理想圆运动导致软件配置轮径与实际轮径存在偏差的影响，轮轴速度传感器测距存在不确定性累积；列车站内跳跃对标停车过程中，存在雷达低速测距不准及轮轴速度传感器低速易受到外部干扰等影响，多次启动停车会造成定位不确定性累积。　　通过降低区间运行过程定位不确定性累积来进一步缩短列车追踪间隔，通过站台局部范围内绝对位置的持续修正实现停车过程的闭环控制反馈和停站精度统计。这些符合全自动运行系统及基于车车通信的列车自主运行系统提高自动化、智能化水平的发展方向。　　论文研究了列车定位相关理论与方法，包括绝对位置修正、相对位置累积、轮径校准、多传感器融合等关键技术。主要的研究内容和创新性工作包括：　　（1）针对降低欧标应答器系统绝对位置修正不确定性问题，研究欧标应答器位置修正系统构成及内部信息流，发现有效电磁作用时间误差和速度测量误差对位置不确定性有较大影响。针对电磁作用时间问题，建立欧标应答器系统上行链路电磁感应动态模型。模型基于四边形模拟应答器发送天线和八边形模拟应答器传输模块BTM(BaliseTransmissionModule)的接收天线分析磁通量分布，并引入磁通量随列车运动的变化分析动生电动势与感生电动势对电磁作用距离的影响。验证现场实测应答器修正数据与电磁感应动态模型的符合性。对位置修正异常数据进行人工分类得到数据训练集，通过机器学习得到支持向量机异常分类模型。通过分类模型可在线对应答器修正进行分类，得到的异常应答器位置修正数据不再用于轮径校准。　　（2）针对提高轮径校准精度的问题，分析了现有人工及自动轮径测量基本原理，提出了基于全线欧标应答器间距测量偏差反推实时轮径值的方案。为降低应答器间距测量偏差中欧标应答器安装偏差及位置修正过程的速度、时间计算偏差的比重，以相邻应答器间距比值作为状态转移系数，构造欧标应答器间距测量偏差的卡尔曼滤波状态方程及更新方程，并通过迭代计算得到的偏差最优后验估计值反推轮径偏差。由于测量噪声方差未知，提出了利用径向基核函数的支持向量回归算法对应答器间距测量偏差的测量噪声方差进行估计的自适应算法。利用此模型处理现场数据，比较分析了标准卡尔曼滤波与支持向量回归的自适应卡尔曼滤波的性能差异。　　（3）针对进站跳跃对标停车存在不确定性累积的问题，提出了利用激光测距传感器组测量轨旁安装高度差矩阵的局部范围内列车绝对位置持续修正的方法。将测距传感器组测量得到的一组距离值转换为位置相关的编码序列，与数据库中的位置编码进行对比得到列车的绝对位置。论述了定位矩阵和车载测距传感器组的设计方法，分析了不同激光点测量技术的适用性选择方案。为了应对车体振动对激光测距的干扰，提出了基于静态二值贝叶斯滤波技术的定位估计方法。分析了定位矩阵系统的精度、范围、鲁棒性。基于此定位矩阵系统，测试验证列车自动驾驶ATO（AutomaticTrainOperation）系统进站停车的最后阶段定位不确定性累积的变化。　　（4）针对通过多传感器融合提高定位精度问题，分析了不同传感器融合架构的技术特点，针对绝对位置修正和相对位置修正需求设计混合式的列车定位系统多传感器融合架构，通过网络实现列车头尾两端安装的欧标应答器、定位矩阵、轮轴速度传感器、雷达传感器的信息融合，并提出了数据融合的策略。针对融合系统检测融合最优化问题，分析了贝叶斯Bayes风险与融合中心的判决规则、传感器判决规则的理论关系。针对相对定位传感器采用的集中并行式的传感器架构，以雷达异常判断为例，采用D-S证据理论设计了融合中心、测速分布系统、传感器三层的融合判断机制。　　（5）基于硬件在环HIL（Hardware-in-the-Loop）技术搭建室内仿真测试环境，利用虚拟的被控设备模型实现对真实列车自动防护ATP（AutomaticTrainProtection）系统、ATO系统等车载控制器定位功能的验证测试。利用仿真测试环境实现对应答器位置修正模型、轮径校准模型、定位矩阵模型及多传感器融合技术进行室内验证。　　基于广州地铁18和22号线的实际运营数据，验证了本文研究的理论与方法可提高列车控制系统的定位精度和自动化水平，可提高系统的鲁棒性。
作者：	陈宁宁
专业：	交通信息工程及控制
导师：	张琦
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国铁道科学研究院
学位年度：	2023