基于多传感器信息融合列车定位方法研究.docx

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基于多传感器信息融合列车定位方法研究

基于多传感器信息融合的列车定位方法研究

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学科专业交潭信息工程及校制

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二零零七年五月

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博士学位论文

基于多传感器信息融合的列车定位方法研究

ResearchonMulti一SensorInformationFusionBased

TrainLOCationMethod

作者:

周达天

导师:

唐涛教授

北京交通大学

2007年6月中图分类号:

UDC:

学校代码:

100044

北京交通大学

博士学位论文

基于多传感器信息融合的列车定位方法研究

ResearehonMulti一sensorInforlnationFusionBased

TrainLoeationMethod

作者姓名:

周达天学号:

02110014

导师姓名:

唐涛

学位类别:

工学学位级别:

教授

博士

学科专业:

交通信息工程及控制研究方向:

高速列控

北京交通大学

2007年6月学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。

特

授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，

并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。

同意学校向国

家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。

（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）

学位论文作者签名:

风‘号、

签字日熟词年‘“刃日

导。

名:

知寿

签字日期:

种了年‘月/知

j”致谢

五年攻读博士学位的期间，无论是研究工作还是个人生活，我都得到了唐涛

教授的悉心指导与无微不至的关怀。

从论文选题、创新点启发、实验平台建设到

论文撰写、修改和定稿的整个过程中，无不凝聚着唐老师的大量心血。

唐老师渊

博的学识、一丝不苟的治学态度、雍容大度的学者风范、敏锐的科学思维和丰富

的学术研究经验将使我终生受益。

我能够有今天的成果，完全得益于唐老师的谆

谆教诲和大力帮助。

在此，向我的导师唐涛教授致以最诚挚、最衷心的感谢!

感谢宁滨教授、程荫杭教授、侯忠生教授和蔡伯根教授给我提出了非常宝贵

的意见和建议。

同时感谢我的硕士导师穆建成教授和实验室的部春海老师、刘波

老师、马连川老师、张建明老师、袁磊老师，五年的朝夕相处使我们亦师亦友，

你们给了我莫大的关怀与帮助，并且为我的研究工作提供了宝贵的建议和指导。

感谢王从老师对我兄长般的关心和帮助。

感谢徐田华博士后的帮助，你对我的研

究工作的宝贵建议，使我开阔了眼界。

此外，感谢我的博士同学、同寝室的舍友

燕飞博士，我们相互激励、共同进步。

感谢我的师弟郭保青博士和王少伟硕士的

支持，帮助我将脑海中的点滴构想变成了现实中的研究工作。

感谢北京交通大学

余祖俊教授和济南铁路局工务检测处朱利民、张新奎等多位同志在试验中给于的

大力支持和无私帮助。

感谢刘雨、陆启进、刘宏杰硕士帮我校正论文。

感谢黄祖

真和徐惠硕士在论文的最后阶段给我的帮助。

借此机会向生我养我、激励我不断进取的父母和从小就爱护我的姐姐表示感

谢，大树参天离不开根，你们的支持使我有了克服困难的勇气。

特别是我的爱人黄彩虹女士，你时刻关心着我生活的每一个细节，并共同分

享我的喜怒哀乐，我的每一点微小的进步都令你欣慰、每一次挫折都得到你的呵

护与鼓励。

从九六年大一开始的十年漫漫求学过程中，有你的陪伴使我从不感到

寂寞，是你给了我最大的支持!

感谢我爱人全家对我的关心爱护和支持。

最后，感谢所有曾经帮助过我的老师、同学和朋友，虽然无法一一俱名，但

是衷心的祝他们每一个人幸福健康。

中文摘要

摘要:

列车定位子系统在列车运行控制系统中起着非常重要的作用:

列车定

位方法的精度和可靠性是确定列车安全防护距离的重要因素，会关系到列车的运

行间隔，会影响轨道交通系统的效率;列车定位方法的机理和采用的传感器是确

定列车运行控制系统制式的重要因素之一，会关系到闭塞控制的方式，会影响到

列车运行控制系统的兼容性和生命周期费用。

因此深入研究列车定位方法，对于

推动列车运行控制系统的研究和轨道交通系统的发展具有重大和深远的意义。

本文介绍了列车运行控制系统和列车定位方法的发展。

通过对当前国内外列

车定位方法的研究和试验项目的分析，可以看到基于多传感器信息融合的列车定

位方法是未来的研究方向。

本文研究了基于多传感器信息融合的列车定位方法的结构，组建了基于多传

感器信息融合的列车定位方法的实验平台。

针对基于速度传感器的列车定位方法

中存在的空转和滑行问题，合理选择传感器组合，提出了一种以速度传感器为核

心传感器的多传感器信息融合列车定位方法。

本文研究了空转和滑行检测与空转和滑行补偿之间的制约关系，提出了存在

空转和滑行情况下，速度传感器的定位误差模型。

发现在空转和滑行补偿误差一

定的情况下，基于速度传感器的列车定位方法的定位误差与空转和滑行检测的门

限有关，空转和滑行检测门限过高和过低都将造成定位误差的增加。

研究了基于

加速度计增强速度传感器的空转滑行检测方法。

研究了加速度计的误差对空转滑

行检测方法的影响。

通过车载试验验证了基于加速度计增强速度传感器的空转和

滑行检测方法的有效性。

本文提出了基于线路曲率信息匹配的定位方法。

该方法通过对速度传感器和

陀螺的输出进行变频采样来提取线路的曲率信息。

该方法不要求采用高精度的陀

螺，对陀螺的温漂误差和列车是否匀速运行不敏感。

通过车载试验验证了基于线

路曲率信息匹配的定位方法的有效性。

本文通过分析地形辅助导航方法的原理，从匹配定位的原理上将地形辅助导

航方法与查询应答器修正定位的方法统一了起来。

匹配定位的一个重要问题就是

判断匹配结果正确与否，是否可用，通常称之为可信度分析。

为了研究基于线路

曲率信息的匹配定位方法的可信度，通过与地形高程墒的类比，提出了线路曲率

信息嫡的概念。

研究了相似度度量、信噪比、线路曲率信息嫡和列车运行速度等

因素对匹配可信度的影响。

试验结果表明:

本文所提出的以速度传感器为核心传感器的多传感器信息融

合列车定位方法是有效的:

具有检测微弱的空转滑行的能力，能够降低空转滑行带来的定位误差;具有实时获取线路曲率信息的能力，能够通过线路曲率信息匹

配定位的方法获得列车的位置信息。

关键词:

列车运行控制系统;列车定位;多传感器信息融合;空转和滑行检测;

线路曲率信息嫡

分类号:

U283;U284ABSTRACT

ABSTRACT:

升ainloeationsubsystemPlaysaveryimPortantroleinAutomatieTrain

ControlSystem.ItsaecuraeyandreliabilityareimPortantfaetorsforheadwayinTrain

ControlSystem.ItwillaffecttheeffieieneyoftransPortsystems.Thesensorsandthe

mechanism，whichareusedintrainloeationsubsystem，arerelatedwitheomPatibility

ofTrainControlSystemandlifeeyeleeosts.50ithasgreatsignifieaneetostudythe

trainloeationmethoddeePly.

ThisPaPerintrodueestheevolutionofTrainControlSystemandtrainloeationmethod.

Aeeordingtoresearchontrainloeationmethodallovertheworid，it15shownthat

multi一sensorinfonllationfusionbasedtrainloeationmethod15aresearchdireetionin

future.InthisPaPer，thestruetUreofmulti一sensorinformationfusionbasedtrain

loeationmethod15studied.AnexPerimentPlatformofmulti一sensorinformationfusion

basedtrainloeationmethod15setuP.AceordingtotheresearehontheProblernsin

existhingmethods，Presentsanodometer-eoremulti一sensorinformationfusionbased

trainloeationmethod.

InthisPaPer，aeerodingtoresearehonbalaneebetweenslideandsliPdeteetionand

eomPensation，anovelodometerloeationerrormodel15ProPosed.It15foundedthat

erroroflocation15relatedwiththresholdofslide&sliPdeteetion，ingivenerror

eonditions.Toohighandlowthresholdwouldinereaseerrorofloeation.Odometer

basedloeationandslide&sliPdeteetionbasedoninformationfusionwithodometer

andaeeelerometerarestudied.Theeffeetofaeeelerometerermrtoslide&sliPdeteetion

15analysed.TheEffeetivenessofslide&sliPdeteetionbasedoninformationfusion

withodometerandaceelerometerhasbeenvalidatedbyexPeriment.

AnovelloeationmethodbasedonthetrackeurvaturematehisPresented.Inthismethod，

traekeurvature15obtainedbyinformationfusionwithg尹ometer&odometer.This

methoddoesn，tusehighgradeg班ometer，and15notsensitivetothegyrodrifterrorand

tralnsPeed.TheEffeetivenessofthisloeationmethodhasbeenvalidatedbyexPeriment.

Basedontheanalysisofthetheoryofterrain一aidednavigation，unitybetween

terrain一aidednavigationandbalise15aeeomPlishedinmatchloeationtheory.Inorderto

studythetrUstinessofloeationmethodbasedonthetraekcurvaturematch，thetraek

curvatureentroPy15defiend，which15similarwiththeterrainelevationentroPy.The

加stoessofloeationmethodbasedonthetrackcurvatUrematch15studiedbyanaiysisof

/八」北京交通大学博士学位论文AB5TRACT

similarity，andsignal一to一noiseratio，andtraekcurvatureentroPy，andtrainsPeed.

ExPerimcntsresultsshowthattheodometer-eoremulti一sensorinformationfusionbased

trainloeationmethod15effeetive.Ithasthealilitytodeteetweakslide&sliPeinorder

toreduee日汀or.ThismethodeanmeasuretrackcurvatuTe，andobtaintrainloeation

throughmatehingwithdatabaseoftraekcurvature.

KEYWORDS:

TrainControlSystem，TrainLoeationMethod，Multi一sensor

InformationFusion，SliPandSlideDeteetion，TraekCurvatureEntroPy

CLASSNO:

U283;U284目录

中文摘要...........................................................................................................……iii

ABSTRACT.......................................................................................................……v

1绪论.........……，.......................................................................................……l

1.1研究背景和意义............................................................................……1

1.2列车定位方法研究现状................................................................……4

1.2.1基于速度传感器的列车定位方法.........................................……4

1.2.2基于卫星导航的列车定位方法.............................................……6

1.2.3基于地图匹配的列车定位方法.............................................……7

1.2.4基于多传感器信息融合的列车定位方法.............................……7

1.3论文的主要研究工作....................................................................……8

2基于多传感器信息融合列车定位方法的研究..................................……11

2.1多传感器信息融合方法研究.......................................................……11

2.2基于多传感器信息融合列车定位方法研究.......……，................……15

2.3以速度传感器为核心传感器的多传感器信息融合列车定位方法20

2.4小结..................……，.....................................................................……22

3基于加速度计增强的速度传感器定位方法研究.............................……23

3.1基于速度传感器的列车定位误差模型......................................……23

3.2基于加速度计增强速度传感器的定位方法的空滑检测研究..……30

3.3试验..............................................................................................……33

3.4结论..............................................................................................……38

4基于线路曲率匹配定位方法研究.....................................................……39

4.1线路曲线特征的分析......................................……，.....................……39

4.2基于相关匹配的列车定位方法..................................................……41

4.2.1基于速度传感器和陀螺的线路曲率的联合测量...............……42

4.2.2匹配启动点的判断...............................................................……49

4.2.3线路曲线特征的相关匹配...................................................……57

4.3线路曲率信息数据库的建立......................................................……59

4.4试验..............................................................................................……63

4.5小结..............................................................................................……65

5基于线路曲率信息的匹配定位方法的可信度研究.........................……67

5.1地形辅助导航与查询应答器定位的研究.............................……，.…67

方5.2基于线路曲率信息的匹配定位方法...........................................……68

5.3线路曲率信息嫡...................................········································……70

5.4基于线路曲率信息的匹配定位方法及其可信度研究...............……71

5.5小结...............................................................................................……74

6结束语..................................................................................................……75

参考文献...........................................................................................................……77

附录AShannon信息量的概念及性质..........................................................……82

作者简历...........................................................................................................……86

独创性声明.......................................................................................................……87

学位论文数据集...............................................................................················……881绪论

列车定位方法在列车运行控制系统中起着非常重要的作用:

列车定位方法的

精度和可靠性是影响列车安全防护距离的重要因素之一，会关系到列车的运行间

隔，会影响到轨道交通系统的效率;列车定位方法的机理和采用的传感器是影响

列车运行控制系统制式的重要因素之一，会关系到可采用的闭塞制式，会影响到

列车运行控制系统的兼容性和生命周期费用。

因此对列车定位方法的深入研究对

于推动列车运行控制系统的研究和轨道交通系统的发展具有重大和深远的意义。

1.1研究背景和意义

轨道交通系统包括干线铁路、城市地铁和轻轨系统等。

在城市的交通系统、

区域的综合交通系统和国家的综合交通运输体系中，轨道交通系统都发挥着重要

的骨干作用【‘]。

无论是高速轮轨与常规轮轨，无论是城市地铁轻轨铁路与干线铁路，

轨道交通作为一种社会可持续发展的陆上交通工具，已经得到普遍的公认。

特别

是随着二十世纪六十年代高速铁路的出现以及人类对即将要面临的能源危机的觉

醒，使人们对轨道交通的认识不断深入。

由于轨道交通系统具有运量大，占地少，

单位运量能耗小等诸多优点，所以目前世界各国均将轨道交通的建设作为其综合

交通系统建设中的重点，特别是高速铁路的建设和城市轨道交通的建设。

目前，我国正处在特殊发展的时期，人口众多，幅员辽阔，因此干线铁路在

国家的综合运输系统中的骨干作用是任何其它交通系统都无法代替的。

2004年初，

国务院批准了铁道部主持制定的中国《铁路中长期规划》，其中明确提出到2020

年，将要建成具有10万公里运营线的中国干线铁路网。

这是中国铁路史上从来没

有过的快速发展期。

在未来的几年里，中国铁路将要建成9条时速在200公里/小

时以上的