“变废为宝”——铁路轨道不平顺信号用于列车精密匹配定位

发布时间:[2022-06-06] 来源:[陈起金 周禹昆 牛小骥] 点击量:[2175]

    轨道不平顺对于列车运行安全和乘坐舒适性来说是应当避免的“有害信号”,当超过一定阈值时需要对轨道进行精调,使其恢复至设计要求的平顺度。但另一方面,这些无处不在的轨道不平顺可被看作钢轨在不同区段的“指纹”特征,对于列车定位来说是可资利用的信号资源。我们尝试发掘其定位潜力,建立“里程-不平顺”数据库,“变废为宝”,实现列车的高精度里程匹配定位。


    铁路轨道总是不可避免的会发生几何变形,实际轨道与其设计线位的差异俗称轨道不平顺,主要包括轨距偏差、超高偏差(水平)、三角坑、轨向和高低不平顺等(如图1)。我们在轨道几何状态精密测量的前期研究中(即惯导轨检小车)发现了轨道不平顺的以下特点:

(1)几乎存在于任何轨道,即便是刚建成的高速铁路也不可能绝对平顺(如图2)。

(2)信号特征随里程而变化,具有很强的位置相关性和位置区分度,具备匹配定位潜力。

(3)可测量且重复性好:利用IMU和轨距等传感器可精确测量各主要不平顺参数,能以极高的信噪比识别出微小的轨道几何变形。

(4)轨道不平顺随时间变化缓慢,信号特征总体比较稳定,即使碰上调轨也只影响几百米的局部区段。


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图1 铁路轨道不平顺示意图


    因此,轨道不平顺可看作是一种辨识度极高的轨道纹理特征。这启发我们:虽然轨道不平顺对于列车运行安全和舒适性来说是应当避免的“有害信号”,但从定位的角度来看,可将其作为一种新的匹配定位信号资源利用起来,用于辅助列车定位系统,提升定位的精度和可靠性。


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图2 某新建高铁的超高/水平不平顺多次独立测量结果


    我们在实际列车上开展实验,验证了轨道不平顺匹配定位的可行性(如图3)。定量评估了不同等级的惯性导航系统(INS)在这种匹配信号辅助下的定位精度,包括MEMS、战术级和导航级IMU;并将MEMS IMU安装于车辆的不同部位以评估车辆减震对轨道不平顺信号测量及匹配定位精度和可靠性的影响。值得一提的是,这里的IMU既被用于感知轨道不平顺特征,也被用于惯性导航推算定位,是一种单传感器实现组合导航的巧妙设计。


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图3 实验照片


    结论:轨道的超高和高低不平顺(对应于载体的横滚和俯仰姿态角)在匹配定位中给出的精度和可靠性最好。仅在不平顺匹配定位辅助下,典型战术级惯导定位精度为0.6 m(97.3%),MEMS惯导(实验所用型号为ADIS-16465)定位精度为1.0 m(95.4%)。轨道不平顺可用作低成本、高精度的列车匹配定位信号源,可有效提升列车定位系统的绝对定位精度和可靠性,尤其是在GNSS信号遮挡区域(如铁路隧道和城市地铁)中具有突出的实用价值,可有力支持轨道交通车辆的无人驾驶和精准到站停靠等应用。


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图4 INS+不平顺匹配组合定位误差统计(POS320为典型战术级惯导)


    本项研究受国家自然科学基金青年基金项目(41904019)资助,相关成果发表在IEEE TITS和IEEE TIM期刊上(见参考文献),在网站的 研究成果-学术论文 栏目可以查看论文全文。


参考文献

[1]Q. Chen, Y. Zhou, B. Fang, Q. Zhang and X. Niu, "Experimental Study on the Potential of Vehicle's Attitude Response to Railway Track Irregularity in Precise Train Localization," in IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, doi: 10.1109/TITS.2022.3174884.【不平顺匹配定位原创思路和可行性验证】

[2]Y. Zhou, Q. Chen, R. Wang, G. Jia and X. Niu, "Onboard Train Localization Based on Railway Track Irregularity Matching," in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 71, pp. 1-13, 2022, Art no. 9501013, doi: 10.1109/TIM.2022.3144207.【不平顺匹配与惯导组合定位方案】




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