劉立月

（華東交通大學(xué)軟件學(xué)院，江西南昌330013）

GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）可提供全天候、全球范圍的4維位置精確信息，在車載、航運(yùn)、軍事等領(lǐng)域已獲得了廣泛的應(yīng)用［1］。相比傳統(tǒng)定位方法，GNSS具有低成本、連續(xù)高精度定位的先天優(yōu)勢，能夠在一定程度上滿足現(xiàn)代鐵路的高效監(jiān)控、連續(xù)高精度定位要求［2-3］。然而，列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是安全苛刻系統(tǒng)，通常遵循安全完整性等級（safety integrity level，SIL）最高安全4 級要求，單獨(dú)依賴GNSS 定位是無法滿足的［4］。目前，GNSS 在鐵路上的應(yīng)用還處于初級階段，大多適用在中低速、低密度線路的信號系統(tǒng)控制，如我國2006年開通的青藏鐵路。隨著我國鐵路高速發(fā)展，高速列車及高密度線路越來越多，這對列車運(yùn)行的安全提出了更高要求。GNSS應(yīng)用于現(xiàn)代鐵路，既是高速鐵路技術(shù)發(fā)展的需要，也是鐵路系統(tǒng)降低運(yùn)營成本與提高管理效率的需要，GNSS定位信息的有效性及安全完整性，是GNSS成功應(yīng)用于現(xiàn)代高速鐵路系統(tǒng)的關(guān)鍵［2-7］。

1 列車定位有效性與安全完整性

根據(jù)鐵路RAMS（EN50126）規(guī)范［4］，有效性是指在外部資源提供保障的前提下，在某個(gè)瞬間或給定的時(shí)間間隔，系統(tǒng)正常執(zhí)行所需功能的能力。具體的講，列車定位有效性就是實(shí)時(shí)精確地確定列車當(dāng)前在線路中的位置的能力，定位信息的有效性（即連續(xù)性、精確性及可靠性）是保證鐵路安全、發(fā)揮效率、提供最佳服務(wù)的前提。傳統(tǒng)的列車定位方法，如軌道電路、里程計(jì)、計(jì)軸器、應(yīng)答器等，可靠性高、安全性好，但建造及維護(hù)成本高，機(jī)動性差；現(xiàn)代的列車定位方法，如GNSS、無線定位、INS等，成本相對低，機(jī)動性強(qiáng)、連續(xù)性好，但可靠性有待于增強(qiáng)。列車定位方法各有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，沒有一種定位技術(shù)能有效的獨(dú)立解決列車定位問題［2-3，6-7］。多傳感器組合能夠有效提高列車定位系統(tǒng)的性能，包括容錯(cuò)能力、時(shí)間與空間覆蓋范圍、信息可信度等，是當(dāng)前列車測速定位技術(shù)的重要發(fā)展方向［8］。在組合系統(tǒng)中，融合算法是關(guān)鍵，目前大多采用Kalman濾波為作為數(shù)據(jù)融合的計(jì)算方法［5-6］。隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高及鐵路安全的更高要求，對于定位的有效性及安全完整性方面的性能需求也在不斷提高，常規(guī)的線性Kalman 濾波有待進(jìn)一步改進(jìn)，以便適合高速列車運(yùn)行過程中非線性特性的數(shù)據(jù)融合。

GNSS定位的安全完整性是基于列車安全需求提出的。根據(jù)鐵路RAMS規(guī)范，安全完整性是指在規(guī)定的時(shí)間及規(guī)定的條件下，一個(gè)系統(tǒng)較好的實(shí)現(xiàn)所要求的安全功能的概率。在GNSS 定位的安全完整性方面，目前主要有兩類研究方法，一是采用組合系統(tǒng)中廣泛使用的容錯(cuò)設(shè)計(jì)及故障檢測與隔離法，如χ2檢驗(yàn)法及二取一判決法（l ∞2D），其中，l ∞2D可追蹤到故障的來源，并可評估系統(tǒng)安全性。二是采用GNSS定位完整性增強(qiáng)法，如歐洲的EGNOS，美國的WAAS，及多星座聯(lián)合（如中國北斗+GPS）等外部增強(qiáng)手段，以及GNSS 接收機(jī)自主監(jiān)測方法（RAIM）［9］。近年來，一些歐洲鐵路應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和IEC 國際標(biāo)準(zhǔn)主要從鐵路RAMS出發(fā)，定義了列車運(yùn)行控制系統(tǒng)應(yīng)用的安全規(guī)范［2］。

2 基于GNSS的組合定位平臺

2.1 組合定位平臺構(gòu)建

在列車組合系統(tǒng)中，利用GNSS定位優(yōu)勢，構(gòu)建以GNSS定位為主，輔以慣性傳感器、軌道電路及查詢應(yīng)答器相結(jié)合的多傳感器組合定位平臺，如圖1。平臺分為四個(gè)部分，各部分共同協(xié)作，完成組合定位系統(tǒng)功能需求。①采集層：以GNSS，慣性傳感器、軌道電路及查詢應(yīng)答器組成底層數(shù)據(jù)采集通道，通過測量冗余，確保數(shù)據(jù)的連續(xù)性。②邏輯層：以GNSS采集數(shù)據(jù)為主，采用并聯(lián)的l ∞2D結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)故障檢測與隔離，確保數(shù)據(jù)的可靠性。③融合層：對不同通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，選擇合適的融合算法，輸出最優(yōu)的定位信息，確保數(shù)據(jù)的精確性。④應(yīng)用層：對融合估計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行安全完整性檢測與評估，確保輸出數(shù)據(jù)的完整性。

圖1 列車組合定位平臺Fig.1 Train integrated positioning platform

2.2 聯(lián)合濾波器設(shè)計(jì)

組合定位的核心是數(shù)據(jù)融合，其中，融合算法是其有效實(shí)施的關(guān)鍵，系統(tǒng)采用帶反饋的聯(lián)合Kalman濾波，如圖2。在聯(lián)合濾波中，對GNSS、慣性傳感器和軌道電路等傳感器采集的數(shù)據(jù)分別處理，形成多個(gè)子濾波器，各子濾波器獨(dú)立并行工作，通過主濾波器進(jìn)行時(shí)間更新與信息融合，給出最優(yōu)融合估計(jì)，同時(shí)，將輸出信息反饋給各子濾波器，實(shí)現(xiàn)組合定位自適應(yīng)的聯(lián)合Kalman濾波。

圖2 組合定位聯(lián)合濾波器Fig.2 Federal Kalman filtering for integrated positioning

3 GNSS安全標(biāo)準(zhǔn)與評估

3.1 GNSS安全標(biāo)準(zhǔn)融入RAMS規(guī)范

安全完整性監(jiān)測與評估是保障基于GNSS的列車組合定位系統(tǒng)完整性的有效手段。GNSS安全標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)航空領(lǐng)域安全要求制定的，與鐵路RAMS屬性之間存在差異。如何在RAMS規(guī)范與GNSS測量質(zhì)量之間建立聯(lián)系，RAMS 如何考慮GNSS數(shù)據(jù)完整性處理以及確保局部非完整性數(shù)據(jù)不良傳播的影響等，都需要引入新的協(xié)調(diào)機(jī)制。因此，GNSS安全標(biāo)準(zhǔn)融入RAMS規(guī)范是GNSS應(yīng)用于列車安全定位面臨的首要問題。

GNSS安全服務(wù)（如Galileo SoL-A）采用航空質(zhì)量術(shù)語來描述規(guī)范。盡管基于不同的安全體系，SoL-A也可以用于鐵路系統(tǒng)。根據(jù)鐵路CENELEC（歐洲電子標(biāo)準(zhǔn)化組織）標(biāo)準(zhǔn)，建立Galileo質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與RAMS規(guī)范之間聯(lián)系。對GNSS安全質(zhì)量，提供一套基于故障模式與RAMS規(guī)范的鐵路安全理論分析方法，轉(zhuǎn)化為RAMS來描述，如圖3，以供基于GNSS的鐵路安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)、認(rèn)證與確認(rèn)。

圖3 GNSS服務(wù)融入鐵路安全應(yīng)用Fig.3 GNSS services merged into railway safety

3.2 GNSS的鐵路RAMS風(fēng)險(xiǎn)評估

在GNSS列車定位系統(tǒng)中，應(yīng)用安全故障診斷機(jī)制，對安全及危險(xiǎn)狀態(tài)隨機(jī)故障模式進(jìn)行分析，正常的系統(tǒng)工作狀態(tài)為安全（Safety）和危險(xiǎn)（Danger）2種。系統(tǒng)的故障狀態(tài)（概率）通常有4種：PFDU為危險(xiǎn)狀態(tài)未檢測到故障概率；PFSU為安全狀態(tài)未檢測到故障概率；PFDD為危險(xiǎn)狀態(tài)檢測到故障概率；PFSD為安全狀態(tài)檢測到故障概率。根據(jù)系統(tǒng)隨機(jī)故障概率，結(jié)合RAMS規(guī)范，建立風(fēng)險(xiǎn)評估模型，如圖4。

主要風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)（與時(shí)間有關(guān)），包括：完整性風(fēng)險(xiǎn)IR(t)，連續(xù)性風(fēng)險(xiǎn)CR(t)，可靠性R(t)及有效性A(t)。其中，IR(t)=PFDU(t)，CR(t)=PFDD(t)+PFSD(t)。根據(jù)RAMS 規(guī)范，可靠性R(t)是指正常運(yùn)行時(shí)間間隔內(nèi)正確的故障診斷與定位性能，R(t)=1-(PFD(t)+PFS(t)) ；有效性A(t) 是基于可靠性與可維護(hù)性M(t) 定義的，A(t|M(t))=1-(PFD(t)+PFS(t))≈1-(IR(t)+CR(t))。GNSS可信性建立在RAMS規(guī)范中的有效性基礎(chǔ)上的，安全完整性是基于可信性、連續(xù)性風(fēng)險(xiǎn)及完整性風(fēng)險(xiǎn)的綜合結(jié)果。對于GNSS列車組合定位系統(tǒng)，安全完整性就是確保系統(tǒng)不出現(xiàn)不可以接受的危險(xiǎn)，或者說將危險(xiǎn)控制在用戶定義的可以接受的誤差范圍內(nèi)。

圖4 基于GNSS鐵路RAMS風(fēng)險(xiǎn)評估模型Fig.4 Risk evaluation model based on GNSS railway RAMS

4 結(jié)束語

GNSS應(yīng)用于鐵路，是現(xiàn)代鐵路發(fā)展的需求，同時(shí)也是GNSS在安全領(lǐng)域應(yīng)用的拓展。鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)是安全苛刻性系統(tǒng)，對于我國快速發(fā)展的高速鐵路系統(tǒng)，應(yīng)用GNSS 定位面臨許多機(jī)遇與挑戰(zhàn)。針對GNSS應(yīng)用于高速列車定位面臨的問題，探討了列車定位有效性與安全完整性解決方案及相關(guān)策略，下一步將深入研究安全完整性監(jiān)測及評估方法，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估定量分析，為GNSS安全應(yīng)用于高速列車定位奠定基礎(chǔ)。

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