基于SCADE的多传感器列车测速定位系统模型设计.pdf
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1、总第 485 期2023 年第 5 期基于 SCADE 的多传感器列车测速定位系统模型设计梁波,戴熙昌(湖南中车时代通信信号有限公司,湖南 长沙 410005)摘要:目前的列车测速定位技术有多种,但每一种定位技术都无法在特定场景下完全满足列车定位要求。文章通过分析现有列车测速定位技术的优缺点,提出了一种基于多传感器信息融合的测速定位系统模型。该系统模型以光电传感器、多普勒雷达、加速度度计及应答器为基础,通过对多信息源进行优化融合,可以有效解决列车空转、轮滑时定位误差大的问题,具有高精度和高可靠性等优点。同时,采用安全性软件开发工具SCADE 对系统模型进行建模,并利用 SCADE 的模型检测工
2、具 Design Verifier 对模型进行形式化验证,结果表明,该系统模型的安全性满足标准 IEEE 1474.1 中列车定位误差不能超过 10 m 的要求;基于 SCADE Test 的仿真测试结果表明,在列车正常、空转及轮滑状态下测速定位精度明显优于车载 LKJ 系统的。关键词:测速定位系统;多传感器融合;光电传感器;多普勒雷达;加速度计;应答器;SCADE;形式化验证中图分类号:U284.48 文献标识码:A 文章编号:20965427(2023)05011308doi:10.13889/j.issn.2096-5427.2023.05.017Model Design of Mult
3、i-sensor Train Speed Measurement and Positioning System Based on SCADE LIANG Bo,DAI Xichang(Hunan CRRC Times Signal&Communication Co.,Ltd.,Changsha,Hunan 410005,China)Abstract:At present,there are many kinds of speed measurement and positioning technologies for trains,but each positioning technology
4、 cannot fully meet the train positioning requirements in a specific scenario.By analyzing the strengths and weaknesses of existing train speed measurement and positioning technologies,this paper proposes a new system model for speed measurement and positioning based on multi-sensor information fusio
5、n.Comprising photoelectric sensors,Doppler radars,accelerometers and balises,this system model can effectively address the problem of significant positioning errors due to sliding and slipping,based on the optimization and fusion of information from multiple sources,to ensure high levels of accuracy
6、 and reliability.The system modeled by SCADE,a security software development tool,was formally verified using SCADEs Design Verifier,a model checking tool.The verification results show that the system model meets the security requirements outlined in IEEE 1474.1 that train positioning errors shall n
7、ot exceed 10 m.Additionally,the simulation test based on SCADE Test shows significant superior speed measurement and positioning accuracy for trains operating under normal conditions,as well as during sliding and slipping scenarios,in comparison to the on-board LKJ system.Keywords:speed measurement
8、and positioning system;multi-sensor fusion;photoelectric sensor;Doppler radar;accelerometer;balise;SCADE;formally verified传感技术收稿日期:20230602作者简介:梁波(1978),男,正高级工程师,主要从事轨道交通信号系统关键技术研究及应用。基金项目:湖南省重点研发计划项目(2022GK2018)1132023 年第 5 期0引言列车测速定位系统是轨道交通信号系统的核心子系统之一,对保障列车安全高效的运行具有重要的作用1。现有测速定位技术有轮轴传感器定位、多普勒雷达定位
9、、查询应答器定位、轨道电路定位及GPS定位。每种技术都具有各自的优缺点,在实际运用中,单一定位技术在特定场景下无法完全满足列车定位要求。如轮轴传感器定位,在雨雪天气或上坡工况时,列车车轮容易发生打滑,通过轮轴传感器计算得到的列车速度及距离数据值与实际工况下的偏差很大,严重时甚至影响行车安全。当前,干线铁路采用的定位技术为轮轴传感器加应答器的组合方式,其也无法规避轮对空转或轮滑产生的定位误差。朔黄铁路采用轮轴传感器加多普勒雷达的组合方式,其以轮轴传感器为主、多普勒雷达为辅,但没有对二者信息进行融合处理。城轨CBTC系统采用轮轴传感器加应答器的组合或轮轴传感器加应答器再加多普勒雷达的组合,同样没有
10、对信息进行融合优化。随着列车无人驾驶技术的发展,轨道交通信号系统对列车定位精度提出了更高要求。为此,列车车载定位系统需要引入多种定位技术,并通过融合算法对多种定位信息进行融合优化,使车载定位系统输出的列车状态信息更加接近实际工况。基于多信息融合的定位技术是未来的研究方向2-4,常用的融合算法有加权法和卡尔曼滤波法。SCADE是一种面向实时嵌入式系统的高安全性应用开发环境,具有开发周期短、可仿真验证、开发过程可控性强、成本低、风险小和效率高的优势,被广泛应用在航空航天、海洋船舶及轨道交通等多个领域 5-8。本文通过分析现有定位技术的优缺点,提出了一种基于光电传感器、多普勒雷达、加速度计及应答器的
11、列车测速定位模型。该模型对多传感器信息进行融合,可以有效解决列车空转、轮滑时定位误差大的问题。同时,文章利用SCADE Suite(SCADE的模型开发环境)进行建模,并采用SCADE Test(SCADE的验证与测试环境)进行仿真验证。1现有测速定位技术现有列车测速定位技术优缺点比较如下:1)交叉感应回线定位技术利用电磁感应原理来检测列车的速度与位置,定位精度可达到10 cm,常用于磁浮列车定位,应用案例包括北京八达岭磁浮旅游线、日本名古屋HSST磁浮列车试验线等。其具有定位精度高的优点,但工程造价昂贵。2)多普勒雷达定位技术利用多普勒效应来检测列车的速度及位置信息,被广泛应用于城市轨道交通
12、和部分地方铁路(如朔黄铁路)。其测量结果不受列车轮对状态(如空转和轮滑)的影响,但对安装精度要求较高,且受列车振动的影响较大,在道岔或转弯处时的测量结果与实际值偏差较大。3)查询应答器定位技术被广泛应用在轨道交通领域,应答器被预埋在轨道特定的位置,应答器中预存有位置信息,当列车经过应答器上方时可读取到应答器中的位置信息进而检测到列车位置。查询应答器定位技术只能进行点式定位而不能连续定位,因此常用于列车位置的校正。4)加速度计通过实时采集列车的加速度信息进而获取列车的速度及走行距离信息。加速度计测量值不受列车轮对状态的影响,但列车振动及安装工艺对加速度计测量精度影响较大。加速度计在欧洲列车控制系
13、统中应用较多,在国内城市轨道交通领域有少量应用。5)轮轴传感器定位技术是轨道交通领域应用最广、性价比最高的一种定位技术。轮轴传感器被安装在车轮的轴端,轮轴转动时传感器会产生相应的脉冲信号,通过计算脉冲个数可计算出列车的速度及走行距离。其具有定位精度高、造价低廉及易工程化等特点,但轮对空转或轮滑对其测量精度影响巨大。常见的轮轴传感器有光电式和霍尔式。目前我国干线铁路LKJ系统及城市轨道交通CBTC系统均采用该定位技术。6)GPS是一种以人造地球卫星为基础的高精度无线电导航定位系统,具有维护简单、精度高的特点,但其信号易受到遮挡物(如山林、隧道)的影响。由于我国幅员辽阔,山林地带较多,因此,目前我
14、国只有极少数机车采用GPS作为辅助定位技术使用。2基于多传感器的列车测速定位模型目前,在我国轨道交通领域,列车定位普遍采用轮轴传感器加应答器的组合方式。该组合定位技术容易受到列车空转和轮滑的影响,即使部分列车加装了多普勒雷达,但其只作为辅助使用,并没有对信息进行融合优化。针对我国轨道交通领域现有列车定位技术的不足,本文基于光电传感器、多普勒雷达、加速度计及应答器,设计了一种多传感器的列车测速定位模型,该模型由6个功能模块组成,其结构如图 1所示。其中,光电传感器处理模块、多普勒雷达处理模块、加速度计处理模块及应答器处理模块为列车状态采集单元;列车状态判断模块根据光电传感器处理模块及加速度计11
15、42023 年第 5 期梁波 等:基于 SCADE 的多传感器列车测速定位系统模型设计处理模块所采集的列车加速度信息实时判断列车的运行状态;多信息融合模块根据列车运行状态动态阶梯式地调整光电传感器处理模块及多普勒雷达处理模块的加权系数,进而对两者的信息进行融合优化;应答器处理模块根据校正命令对融合优化后的列车走行距离进行修正,从而消除列车定位误差。该模型对多传感器信息进行了融合,可以有效提高列车的定位精度,特别是空转、轮滑工况下的定位精度。图1中,V为模型输出的列车速度,S为模型输出的走行距离,S为融合优化后的列车走行距离,S校为校正距离,V光为光电传感器采集到的列车速度,S光为光电传感器采集
16、到的走行距离,V雷为雷达采集到的列车速度,S雷为雷达采集到的列车走行距离。2.1工作原理各功能模块的工作原理如下:1)光电传感器被安装在轮对轴端,光电传感器处理模块通过实时采集光电传感器产生的脉冲信号,计算列车的实时速度及走行距离。2)多普勒雷达处理模块将多普勒雷达采集到的速度信息进行转换,并依此计算列车走行距离6。3)加速度计处理模块将加速度计采集到的列车加速度与光电传感器模块采集到的列车加速度进行比较,从而判断列车是否发生空转。4)应答器处理模块用于接收处理应答器校正信息,以校正系统走行累计距离的误差7。5)多传感器信息优化模块通过优化逻辑将光电传感器处理模块、多普勒雷达处理模块、加速度计
17、处理模块及应答器处理模块的信息进行优化组合,进而提高模型的定位精度。本文采用阶梯加权的方式进行多信息融合。模型输出的列车速度及走行距离的计算公式如下:V=V光+(1-)V雷,01(1)S=S光+(1-)S雷,01(2)S雷=V雷T雷(3)校正模块处理逻辑为 If Balise =True:S=S校 Else:S=S式中:T雷多普勒雷达处理时间周期;优化加权系数,其可根据列车空转、轮滑状态进行动态调整,当校正信号Balise有效时,使用S校对S进行校正,否则S就采信融合优化后的列车走行距离S。2.2工作流程基于多传感器的列车测速定位模型工作流程如图 2所示。从图 2可知,将光电传感器模块采集到的
18、加速度与加速度计模块采集到的加速度进行比较,根据两者加速度偏差的绝对值判断列车状态(正常、空转或轮滑),并根据列车状态对优化加权系数进行动态调整,使模型计算的速度及距离更加接近列车真实的运行状态;在接收到应答器校正信号后,再对模型计算的列车累计走行距离进行校正,消除累计误差,提高模型的定位精度。3基于SCADE的多传感器列车测速定位系统模型实现基于多传感器的列车测速定位系统模型由6个子功能模块与1个系统模型顶层结构模块组成。6个子功能模块分别为光电传感器处理模块、加速度计处理模块、多普勒雷达处理模块、应答器处理模块、列车状态图 1 基于多传感器的列车测速定位模型结构Fig.1Model str
19、ucture of the multi-sensor based train speed measurement and positioning system图 2 基于多传感器的列车测速定位模型工作流程Fig.2Operation flow diagram of the multi-sensor based train speed measurement and positioning system model1152023 年第 5 期判断模块及多信息融合模块;模型顶层结构模块为6个子功能模块的集成模块。利用SCADE的模型开发环境SCADE Suite对各子模块进行建模;使用SCADE的
20、验证&测试环境SCADE Test对模型进行仿真测试,以验证模型的优越性;利用 SCADE 的模型检测工具 Design Verifier 验 证 模 型 的 安 全 性 是 否 满 足IEEE1474.1 IEEE Standard for Communications Based Train Control(CBTC)Performance and Functional Requirements 中关于城市轨道交通定位误差超过10 m时信号系统需输出“紧急制动”信息的要求。3.1系统模型顶层结构图3为列车测速定位SCADE系统建模的顶层结构,其输出变量分别用out_TrainDis、out
21、_TrainSpeed和out_ErrDis表示,包括列车走行距离、列车速度和列车走行距离误差。在图3中,模型顶层结构包含光电传感器处理模块、加速度计处理模块、多普勒雷达处理模块、多信息融合模块、列车状态判断模块及应答器处理模块等6个功能模块。列车状态判断模块根据光电传感器处理模块及加速度计处理模块计算的加速度值判定列车状态,并将列车状态信息反馈给多信息融合模块;多信息融合模块根据列车状态动态调整优化系数,进而提高模型在空转、轮滑状态下的测速定位精度。应答器处理模块在收到有效校正信号后,对当前累计走行距离进行校正,消除距离累计误差。该模型可以有效规避轮对空转、轮滑引入的误差,同时通过应答器进行
22、校正,可以有效消除模型累计误差。3.2光电传感器处理模块光电传感器处理模块中列车速度与距离的计算如下:V光=DnNT光(4)S光=DnN(5)a光=V1-V0T光(6)式中:常量,本文=3.14;D列车车轮直径;T光采集时间周期;n采集时间内采集到的脉冲数;N传感器每转脉冲数;a光加速度;V1本周期列车速度;V0上周期列车速度。图4示出光电传感器速度计算模型结构,该模型由乘法器与除法器构成,其相关变量定义见表1。图5示出光电传感器距离计算模型结构。模型的乘法器和除法器构成,其相关变量定义见表 2。图6示出光电传感器加速度计算模型结构,模型由减法器和除法器构成,相关变量定义见表 3。图 3 列车
23、测速定位 SCADE 系统模型顶层结构Fig.3Top-level structural diagram of the SCADE system model for train speed measurement and positioning表 2光电传感器距离计算模型相关变量Tab.2Variables of the distance calculation model with photoelectric sensor变量in_ErrRateout_TrainDisout_ErrDis数据方向输入输出输出含义传感器误差列车走行距离S光距离误差图 4 光电传感器速度计算模型Fig.4Spe
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