鐵路推送調(diào)車(chē)作業(yè)輔助控制技術(shù)優(yōu)化研究

劉洪亮，孟 濤，劉海亮

(1.中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸部，山東 濟(jì)南 250001； 2.中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 科技和信息化部，山東 濟(jì)南 250001； 3.中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 兗州車(chē)務(wù)段，山東 濟(jì)寧 272100)

0 引言

鐵路推送調(diào)車(chē)作業(yè)是平面調(diào)車(chē)作業(yè)中最常見(jiàn)、最基本的一種調(diào)車(chē)作業(yè)方式，即調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)在調(diào)車(chē)車(chē)列運(yùn)行方向的后端，利用機(jī)車(chē)動(dòng)力推動(dòng)車(chē)輛運(yùn)行。在推送調(diào)車(chē)作業(yè)過(guò)程中，由于調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)司機(jī)無(wú)法確認(rèn)前方進(jìn)路、信號(hào)等，因此需要調(diào)車(chē)人員在車(chē)列運(yùn)行前端擔(dān)任引導(dǎo)員，但由于曲線過(guò)大、照明條件較差、大霧、雨雪等惡劣條件造成視線不良、抓乘困難等問(wèn)題，導(dǎo)致前方引導(dǎo)人員無(wú)法準(zhǔn)確掌握車(chē)輛推送過(guò)程中的十車(chē)、五車(chē)、三車(chē)距離，極易發(fā)生調(diào)車(chē)沖突脫軌事故或人身傷害。近年來(lái)，隨著無(wú)線調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)信號(hào)和監(jiān)控系統(tǒng)(STP)的普及應(yīng)用，集中聯(lián)鎖區(qū)調(diào)車(chē)作業(yè)已基本實(shí)現(xiàn)了防止擠道岔、撞土擋、闖藍(lán)燈等事故的發(fā)生，使得集中聯(lián)鎖區(qū)調(diào)車(chē)作業(yè)安全得到了有效卡控。由于在專(zhuān)用線、岔線等非集中聯(lián)鎖區(qū)調(diào)車(chē)作業(yè)無(wú)法使用STP系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)車(chē)作業(yè)，因此，為準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地掌握調(diào)車(chē)車(chē)列前端運(yùn)行情況以及運(yùn)行車(chē)列與停留車(chē)(車(chē)擋)之間的準(zhǔn)確距離，需要設(shè)計(jì)研發(fā)一套推送調(diào)車(chē)作業(yè)輔助控制系統(tǒng)。

在調(diào)車(chē)作業(yè)安全防護(hù)、安全監(jiān)控和輔助控制方面，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。楊小勇[1]結(jié)合北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)，引入差分定位技術(shù)，首次將實(shí)時(shí)差分定位技術(shù)(RTK)應(yīng)用在調(diào)車(chē)安全管理當(dāng)中，實(shí)時(shí)掌握調(diào)車(chē)作業(yè)全過(guò)程；羅萬(wàn)軍[2]采用GPS定位、視頻信息采集、集成測(cè)距技術(shù)設(shè)計(jì)研發(fā)智能領(lǐng)車(chē)系統(tǒng)；劉杰等[3]提出一種基于GPS的調(diào)車(chē)安全防護(hù)預(yù)警系統(tǒng)，利用衛(wèi)星定位算法和列車(chē)控制技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)調(diào)車(chē)車(chē)列安全防護(hù)。在此，在分析定位精度、架構(gòu)設(shè)計(jì)、安全防護(hù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化組合定位算法和完善信息融合架構(gòu)，構(gòu)建基于數(shù)字軌道地圖輔助的BDS RTK差分定位、慣性導(dǎo)航組合定位算法和雷達(dá)測(cè)距相融合的雙反饋回路，嵌入速度控制模塊，設(shè)計(jì)研發(fā)推送調(diào)車(chē)作業(yè)輔助控制系統(tǒng)。

1 鐵路調(diào)車(chē)作業(yè)研究現(xiàn)狀

鐵路調(diào)車(chē)作業(yè)安全防護(hù)技術(shù)由來(lái)已久，但一直無(wú)法實(shí)現(xiàn)應(yīng)用普及，主要原因在于定位精度、組合定位算法和融合架構(gòu)、通信傳輸技術(shù)等方面仍缺乏系統(tǒng)性研究，主要表現(xiàn)在以下方面。

1.1 傳統(tǒng)定位模式下的定位精度未達(dá)到現(xiàn)實(shí)作業(yè)需求

2020年7月31日，北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開(kāi)通使用，衛(wèi)星覆蓋范圍和定位精度均有了極大提升。北斗差分定位技術(shù)是在衛(wèi)星定位的基礎(chǔ)上，在地面安裝一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)站接收機(jī)，由基準(zhǔn)站計(jì)算出差分校正量，最終解算出用戶的實(shí)時(shí)定位[4]。依賴(lài)RTK差分定位技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)車(chē)車(chē)列和被連掛車(chē)輛、車(chē)擋以及其他特征點(diǎn)之間的定位，但是由于專(zhuān)用線站場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、作業(yè)種類(lèi)繁多、電磁干擾等原因，會(huì)導(dǎo)致在部分區(qū)域信號(hào)發(fā)生漂移，無(wú)法保證定位的完整性與連續(xù)性，所以必須在精準(zhǔn)定位手段上采用冗余設(shè)計(jì)，因此引入慣性導(dǎo)航、數(shù)字軌道地圖、雷達(dá)測(cè)距等輔助定位方式，保障各種復(fù)雜變化條件下的定位和測(cè)距精度，由此產(chǎn)生的誤差累計(jì)、匹配效率和硬件成本全部納入研究范圍。

1.2 數(shù)字軌道地圖技術(shù)沒(méi)有得到充分利用

鐵路不同于其他交通方式，無(wú)論是列車(chē)開(kāi)行還是調(diào)車(chē)作業(yè)都是限制在固定軌道上，因此可以繪測(cè)出鐵路站場(chǎng)數(shù)字軌道地圖，然后把這一基礎(chǔ)性的約束條件作為一元傳感器信息納入到組合定位中。當(dāng)前數(shù)字軌道地圖輔助列車(chē)定位的研究主要集中在基于BDS/GPS的數(shù)字軌道地圖的生成和優(yōu)化、數(shù)字軌道地圖輔助BDS/GPS的列車(chē)軌道占用識(shí)別[5]等方面。隨著列車(chē)定位模塊進(jìn)一步向BDS接收機(jī)內(nèi)部耦合，研究數(shù)字軌道地圖輔助的BDS RTK、慣性導(dǎo)航組合定位算法將會(huì)使不同來(lái)源的信息數(shù)據(jù)形成更為緊密的融合關(guān)聯(lián)，從而形成一個(gè)有機(jī)整體。

1.3 對(duì)組合定位算法和融合架構(gòu)有待深入研究

組合定位的精度，不僅與采集到的原始數(shù)據(jù)有關(guān)，還與多傳感融合算法和融合架構(gòu)有關(guān)。采用組合定位方式可以實(shí)現(xiàn)多傳感器對(duì)同一信息進(jìn)行收集，這極大地提高了信息的可信度與豐富度。但是，不適當(dāng)?shù)娜诤纤惴ㄍ鶗?huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理量的增加，降低計(jì)算效率，更有甚者會(huì)導(dǎo)致輸出結(jié)果的二義性，最終導(dǎo)致決策失誤。因此，如何優(yōu)化組合定位算法和完善信息融合架構(gòu)，利用多傳感器之間的互補(bǔ)性是提高組合定位的精準(zhǔn)度、可靠性的關(guān)鍵。

1.4 未實(shí)現(xiàn)人車(chē)安全防護(hù)的有機(jī)統(tǒng)一

在調(diào)車(chē)作業(yè)輔助控制和安全監(jiān)控研究中，學(xué)者們僅僅把掌握機(jī)車(chē)車(chē)輛的動(dòng)態(tài)位置信息和實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)車(chē)輛的安全控制[6]作為研究的主要方向，對(duì)人身勞動(dòng)安全防護(hù)研究不夠，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員、機(jī)車(chē)車(chē)輛以及其他設(shè)備整體上的安全一體化。在安全防護(hù)功能方面，不僅要實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)車(chē)作業(yè)人員、機(jī)車(chē)、車(chē)輛、地面設(shè)備位置及狀態(tài)信息的綜合處理，計(jì)算移動(dòng)對(duì)象之間、移動(dòng)對(duì)象與防護(hù)關(guān)鍵點(diǎn)(信號(hào)機(jī)、道岔、車(chē)擋等)之間的相對(duì)位置，還需要確保定位的實(shí)時(shí)性，從而在時(shí)空上實(shí)現(xiàn)整個(gè)調(diào)車(chē)作業(yè)過(guò)程的人車(chē)安全[7]。

1.5 既有車(chē)地通信技術(shù)無(wú)法保障數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性

當(dāng)前全路采用的通信傳輸技術(shù)主要有數(shù)傳電臺(tái)、GSM-R網(wǎng)絡(luò)和LTE網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)。其中，數(shù)傳電臺(tái)傳輸技術(shù)存在施工成本高和容易受環(huán)境影響的缺點(diǎn)；GSM-R傳輸速率低于數(shù)傳電臺(tái)，而且當(dāng)前大部分鐵路車(chē)站GSM-R網(wǎng)絡(luò)趨于飽和；公共4G網(wǎng)絡(luò)容易受到移動(dòng)基站覆蓋、峰值網(wǎng)速限制、網(wǎng)絡(luò)信息安全等影響，無(wú)法推廣使用。5G 通信相較于其他傳統(tǒng)技術(shù)具有傳輸速率高、頻率帶寬大、傳輸時(shí)延低的優(yōu)點(diǎn)，而且可以實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)技術(shù)架構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)。

2 鐵路推送調(diào)車(chē)作業(yè)輔助控制系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

推送調(diào)車(chē)作業(yè)輔助控制系統(tǒng)的核心是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)實(shí)時(shí)定位，為此，通過(guò)構(gòu)建基于數(shù)字軌道地圖輔助的BDS RTK差分定位、慣性導(dǎo)航組合定位算法和雷達(dá)測(cè)距相融合的雙反饋回路，同時(shí)把機(jī)車(chē)車(chē)輛、作業(yè)人員以及地面固定設(shè)備(信號(hào)機(jī)、道岔、車(chē)擋等)加入站場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)車(chē)作業(yè)過(guò)程中移動(dòng)因素的實(shí)時(shí)交互、控制，并將系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行綜合顯示。

2.2 硬件架構(gòu)

推送調(diào)車(chē)作業(yè)輔助控制系統(tǒng)主要包括綜合處理中心、車(chē)載設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備、軌旁感知設(shè)備、BDS RTK差分基站和5G通信網(wǎng)絡(luò)6個(gè)部分，推送調(diào)車(chē)作業(yè)輔助控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 推送調(diào)車(chē)作業(yè)輔助控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.1 Hardware architecture of auxiliary control system for push-pull shunting operation

（1）綜合處理中心。綜合處理中心主要包括中心服務(wù)器、綜合顯示終端等。中心服務(wù)器是實(shí)現(xiàn)調(diào)車(chē)作業(yè)實(shí)時(shí)追蹤、安全防護(hù)和輔助控制的中央處理器，擔(dān)負(fù)著組合定位計(jì)算、調(diào)車(chē)許可計(jì)算、控車(chē)模式曲線運(yùn)算和下達(dá)控車(chē)指令等。同時(shí)，中心服務(wù)器可以從車(chē)站管理信息系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取調(diào)車(chē)作業(yè)計(jì)劃并發(fā)送至調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)載顯示終端復(fù)視，也可以從車(chē)站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)獲取聯(lián)鎖狀態(tài)數(shù)據(jù)。綜合顯示終端主要負(fù)責(zé)接收中心服務(wù)器發(fā)送的站場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)各終端實(shí)時(shí)定位信息、運(yùn)行路徑和各視頻采集終端發(fā)送的視頻、語(yǔ)音信息，確保盯控人員能夠直觀、深入地掌握作業(yè)進(jìn)程。

（2）車(chē)載設(shè)備。車(chē)載設(shè)備主要包括車(chē)載服務(wù)器、車(chē)載顯示終端、BDS RTK接收天線、5G天線等。車(chē)載服務(wù)器與機(jī)車(chē)控制器接口，獲取調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)，同時(shí)接收、執(zhí)行中心服務(wù)器發(fā)送的控車(chē)指令。車(chē)載服務(wù)器通過(guò)BDS RTK接收天線和5G天線進(jìn)行差分定位和無(wú)線傳輸。

（3）移動(dòng)設(shè)備。移動(dòng)設(shè)備主要包括移動(dòng)測(cè)距設(shè)備和5G作業(yè)預(yù)警儀。移動(dòng)測(cè)距設(shè)備由慣性導(dǎo)航定位模塊、雷達(dá)測(cè)距模塊、BDS RTK接收天線和5G天線組成，由連結(jié)員將移動(dòng)測(cè)距設(shè)備固定在推進(jìn)運(yùn)行車(chē)列的前端和停留車(chē)輛(車(chē)擋)的連掛端。5G作業(yè)預(yù)警儀由攝像頭、BDS RTK接收天線和5G天線組成，實(shí)時(shí)采集視頻、語(yǔ)音和定位數(shù)據(jù)。

（4）軌旁感知設(shè)備。軌旁感知設(shè)備由智能感知傳感器組成，可通過(guò)圖像識(shí)別、點(diǎn)云數(shù)據(jù)等智能感知技術(shù)實(shí)現(xiàn)車(chē)列運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和軌旁設(shè)備狀態(tài)采集。

（5）BDS RTK差分基站。BDS RTK差分基站承擔(dān)差分校正量的計(jì)算，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至各定位終端，然后解算衛(wèi)星定位和差分定位數(shù)據(jù)，最終得到差分定位坐標(biāo)。

（6）5G通信網(wǎng)絡(luò)。5G網(wǎng)絡(luò)作為第5代通信技術(shù)，不但可以大幅度提升傳輸速率，而且增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，主要表現(xiàn)在：一是優(yōu)化并提升系統(tǒng)控車(chē)邏輯，系統(tǒng)控車(chē)效率明顯提升；二是優(yōu)化并提升系統(tǒng)安全邏輯，5G網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)碼距加長(zhǎng)，提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕_保了車(chē)地通信的實(shí)時(shí)性[8]。

2.3 軟件架構(gòu)

優(yōu)化后的推送調(diào)車(chē)作業(yè)輔助控制系統(tǒng)基于5G通信技術(shù)設(shè)計(jì)，采用分層分布式架構(gòu)，軟件架構(gòu)分為綜合顯示層、信息采集層、決策控制模塊和命令執(zhí)行層，推送調(diào)車(chē)作業(yè)輔助控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 推送調(diào)車(chē)作業(yè)輔助控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.2 Software architecture of auxiliary control system for push-pull shunting operation

（1）綜合顯示層。在車(chē)站行車(chē)室設(shè)置綜合顯示終端，以“綜合站場(chǎng)地圖”[9](在系統(tǒng)中預(yù)先導(dǎo)入車(chē)站平面示意圖，建立車(chē)站線路參數(shù)，形成具備映射功能的“綜合站場(chǎng)地圖”)為顯示界面，根據(jù)采集到的聯(lián)鎖狀態(tài)數(shù)據(jù)和站場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)各終端實(shí)時(shí)位置、運(yùn)動(dòng)軌跡和作業(yè)狀態(tài)，在對(duì)應(yīng)位置以不同形狀的圖標(biāo)顯示各終端的實(shí)時(shí)位置，并標(biāo)注作業(yè)指令發(fā)送、預(yù)發(fā)送和作業(yè)反饋情況，實(shí)現(xiàn)位置、狀態(tài)和作業(yè)控制的直觀表達(dá)。

（2）信息采集層。從BDS RTK差分基站采集定位差分?jǐn)?shù)據(jù)，從數(shù)字軌道地圖、慣性導(dǎo)航模塊獲得修正位移矢量，從站場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)其他各終端采集運(yùn)行車(chē)列、停留車(chē)狀態(tài)和地面固定設(shè)備占用狀態(tài)，從作業(yè)人員便攜設(shè)備采集作業(yè)人員的位置信息、作業(yè)和防護(hù)狀態(tài)，從計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、車(chē)站管理信息系統(tǒng)采集聯(lián)鎖狀態(tài)數(shù)據(jù)和調(diào)車(chē)作業(yè)計(jì)劃，然后轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)。

（3）決策控制層。綜合全面分析采集到的所有數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位和自動(dòng)決策控制。在BDS RTK差分定位的基礎(chǔ)上，利用組合定位算法修正定位矢量，將運(yùn)動(dòng)車(chē)列前端的定位坐標(biāo)經(jīng)卡爾曼濾波預(yù)處理后與調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)速度傳感器采集到的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行修正；運(yùn)行車(chē)列前端安裝的以毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)和視覺(jué)傳感器的深度融合雷達(dá)探測(cè)裝置可以實(shí)時(shí)獲取200 m內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建出車(chē)列運(yùn)行前端的實(shí)時(shí)三維環(huán)境，通過(guò)點(diǎn)云實(shí)時(shí)處理算法計(jì)算出距離，然后與前述組合定位算法求得的定位矢量經(jīng)融合濾波器解算后，再根據(jù)運(yùn)動(dòng)車(chē)列的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)鋪畫(huà)出控車(chē)模式曲線并發(fā)出相應(yīng)指令，從而實(shí)現(xiàn)推送調(diào)車(chē)作業(yè)的自動(dòng)化控制。

（4）命令執(zhí)行層。車(chē)載控制設(shè)備接收來(lái)自地面控制設(shè)備的處理信息和指令，進(jìn)行輔助控制和結(jié)果反饋，主要包括動(dòng)態(tài)運(yùn)算控車(chē)模式曲線，實(shí)時(shí)交互機(jī)車(chē)車(chē)輛與作業(yè)人員的相對(duì)位置信息、作業(yè)和防護(hù)狀態(tài)，掃描探測(cè)運(yùn)行前方線路上人員或障礙物等。

3 算法優(yōu)化設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的算法是基于組合定位和雷達(dá)測(cè)距雙反饋的解算算法。基于數(shù)字軌道地圖輔助的BDS RTK差分定位、慣性導(dǎo)航組合定位算法，首先通過(guò)慣導(dǎo)系統(tǒng)與BDS RTK差分信息進(jìn)行運(yùn)算，得到慣導(dǎo)系統(tǒng)的偽距和偽距率，在BDS RTK和慣導(dǎo)系統(tǒng)深組合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加數(shù)字軌道地圖的量測(cè)信息，把數(shù)字軌道地圖轉(zhuǎn)化為定位方程的約束條件，再使用卡爾曼濾波算法解算出偽距和偽距率的修正值，這樣就構(gòu)成了數(shù)字軌道地圖輔助的BDS和慣導(dǎo)系統(tǒng)跟蹤回路。雷達(dá)測(cè)距是基于毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)和視覺(jué)傳感器深度融合的探測(cè)裝置，通過(guò)實(shí)時(shí)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建出車(chē)列運(yùn)行前端的實(shí)時(shí)三維環(huán)境，通過(guò)點(diǎn)云實(shí)時(shí)處理算法計(jì)算出距離的反饋回路。

3.1 系統(tǒng)誤差方程

由于數(shù)字軌道地圖測(cè)量數(shù)據(jù)存在精度誤差，因此通過(guò)融合濾波器模型進(jìn)行消減誤差，可以針對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的測(cè)繪誤差進(jìn)行建模，建立關(guān)于地圖點(diǎn)測(cè)繪精度的狀態(tài)模型，構(gòu)成深組合定位的增廣狀態(tài)模型。其中2個(gè)端點(diǎn)測(cè)繪誤差的狀態(tài)變量MD表達(dá)為

式中：δxn， δyn， δzn為三維坐標(biāo)誤差向量。

組合定位濾波器的系統(tǒng)狀態(tài)方程為BDS、慣性導(dǎo)航和數(shù)字軌道地圖的誤差狀態(tài)方程，系統(tǒng)狀態(tài)方程為

式中：M=[M1MBDMD]T為三維誤差狀態(tài)向量；W=[W1WBDWD]T為系統(tǒng)噪聲；F為系統(tǒng)矩陣；G為噪聲矩陣。

這些矩陣包括慣性導(dǎo)航對(duì)應(yīng)的M1，W1，F(xiàn)1，G1，BDS RTK對(duì)應(yīng)的MBD，WBD，F(xiàn)BD，GBD，以及數(shù)字軌道地圖對(duì)應(yīng)的MD，WD，F(xiàn)D，GD。

慣性導(dǎo)航的誤差狀態(tài)主要包括系統(tǒng)和器件誤差；BDS RTK的誤差狀態(tài)主要包括時(shí)鐘和時(shí)鐘頻率誤差；數(shù)字軌道地圖的誤差狀態(tài)主要包括地圖兩端的三維位置測(cè)量誤差，其誤差狀態(tài)方程表達(dá)如下。

式中：MD=[δx1δy1δz1δx2δy2δz2]T為數(shù)字地圖中2個(gè)端點(diǎn)的三維位置測(cè)量誤差向量；FD為6×6零矩陣；GDWD為系統(tǒng)噪聲。

3.2 系統(tǒng)量測(cè)方程

系統(tǒng)觀測(cè)量取BDS RTK接收機(jī)輸出的偽距ρi、偽距率和數(shù)字軌道地圖構(gòu)成的位置輔助觀測(cè)量ZD1、速度輔助觀測(cè)量ZD2，定義量測(cè)量為

系統(tǒng)量測(cè)方程包括偽距測(cè)量差量測(cè)方程、偽距率測(cè)量差量測(cè)方程、基于數(shù)字軌道電路構(gòu)成的位置輔助方程和速度輔助方程。在此重點(diǎn)推導(dǎo)基于數(shù)字軌道電路構(gòu)成的位置輔助方程和速度輔助方程。

（1）位置輔助方程。假設(shè)從數(shù)字軌道地圖中選中線段的2個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)M1(x1，y1，z1)和M2(x2，y2，z2)，將M1M2構(gòu)成的一條直線段近似調(diào)車(chē)車(chē)列運(yùn)行軌道，則車(chē)列在該線段任何一點(diǎn)的坐標(biāo)Mp(xu，yu，zu)滿足

i時(shí)刻慣性導(dǎo)航給出的位置M1(x1，y1，z1)，為使Mp=(x1+δx，y1+δy，z1+δz)剛 好 落 在 地 圖 端 點(diǎn) 坐 標(biāo)構(gòu)成的直線段上，則需滿足直線方程

將公式整理得到位置輔助觀測(cè)量

式中：VD1為基于數(shù)字軌道電路的位置輔助方程噪聲向量；HD1為數(shù)字軌道電路的位置輔助方程的量測(cè)矩陣。

（2）速度輔助方程。設(shè)直線段M1M2的方向向量為則 車(chē) 列 在 該 線 段 任 意 一點(diǎn)的速度向量真值Vp=(x?u,y?u,z?u)應(yīng)與直線段M1M2的方向向量平行，即

i時(shí)刻慣性導(dǎo)航給出的速度為使與 地 圖 端 點(diǎn) 坐 標(biāo)構(gòu)成的直線段的方向向量平行，則

將公式整理得到速度輔助觀測(cè)量如下。

綜合考慮偽距測(cè)量差量測(cè)方程、偽距率測(cè)量差量測(cè)方程，可得量測(cè)方程為

由于定位系統(tǒng)是個(gè)非線性系統(tǒng)，因此需要使用EKF，UKF等方式將求得的狀態(tài)方程和量測(cè)方程建立線性濾波方程，再使用漸消自適應(yīng)卡爾曼融合濾波算法[10]解算出偽距和偽距率的修正值，進(jìn)而提高偽距測(cè)量值的精度。最后，通過(guò)內(nèi)插外推法組合解算出高精度的偽距測(cè)量值，得到高精度的位置差。

4 仿真分析

為了驗(yàn)證算法的有效性，進(jìn)行了均融合雷達(dá)測(cè)距的BDS RTK、BDS RTK/慣性導(dǎo)航、BDS RTK/慣性導(dǎo)航/數(shù)字軌道地圖3種方法的解算。3種方法的均方根誤差比較如表1所示。

表1 3種方法的均方根誤差比較Tab.1 Comparison of root-mean-square error of three methods

為了進(jìn)一步比較3種方法的差異性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真，將3種方法的3個(gè)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。BDS RTK定位誤差如圖3所示，BDS RTK/慣性導(dǎo)航定位誤差如圖4所示，BDS RTK/慣性導(dǎo)航/數(shù)字軌道地圖定位誤差如圖5所示。

圖3 BDS RTK定位誤差Fig.3 BDS RTK positioning error

圖4 BDS RTK/慣性導(dǎo)航定位誤差Fig.4 BDS RTK/inertial navigation positioning error

圖5 BDS RTK/慣性導(dǎo)航/數(shù)字軌道地圖定位誤差Fig.5 BDS RTK/inertial navigation/digital track map positioning error

從圖中可看出，所述算法的精度最高，進(jìn)一步證明了算法的有效性。

5 結(jié)束語(yǔ)

鐵路推送調(diào)車(chē)作業(yè)輔助控制系統(tǒng)是在差分定位的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化組合定位算法和完善信息融合架構(gòu)，設(shè)計(jì)了一套基于數(shù)字軌道地圖輔助的BDS RTK差分定位、慣性導(dǎo)航組合定位算法和雷達(dá)測(cè)距相融合的定位系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)推送調(diào)車(chē)作業(yè)的高精度定位和實(shí)時(shí)控制。目前，推送調(diào)車(chē)作業(yè)輔助控制系統(tǒng)已經(jīng)在中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司婁山站和兗州北站投入使用，系統(tǒng)定位精度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行車(chē)列與停留車(chē)(車(chē)檔等)距離、速度等參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將融合解算數(shù)據(jù)經(jīng)中心服務(wù)器調(diào)車(chē)許可運(yùn)算后傳輸給車(chē)載控制終端，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)車(chē)車(chē)列輔助控制，從而進(jìn)一步提高了專(zhuān)用線、岔線等非集中區(qū)調(diào)車(chē)作業(yè)的安全性和自動(dòng)化水平。下一步將把推送調(diào)車(chē)作業(yè)輔助控制系統(tǒng)與現(xiàn)有STP系統(tǒng)融合，實(shí)現(xiàn)鐵路車(chē)站全部線路的調(diào)車(chē)自動(dòng)化控制，不斷提高鐵路調(diào)車(chē)作業(yè)技術(shù)水平。