基于局域定位场景聚类的虚拟应答器布局优化方法研究.pdf
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1、第45卷第8 期2023年8 月铁道学报JOURNALOFTHECHINARAILWAY SOCIETYVol.45No.8August2023文章编号:10 0 1-8 36 0(2 0 2 3)0 8-0 0 7 7-10基于局域定位场景聚类的虚拟应答器布局优化方法研究王思琦,刘江1-2.3,蔡伯根2.34,王 1-2.3(1.北京交通大学电子信息工程学院,北京100044;2.北京交通大学智慧高铁系统前沿科学中心,北京10 0 0 44;3.北京市轨道交通电磁兼容与卫星导航工程技术研究中心,北京10 0 0 44;4.北京交通大学计算机与信息技术学院,北京10 0 0 44)摘要:基于全
2、球导航卫星系统的列车定位是下一代列车控制系统的重要技术方向之一,卫星定位驱动的虚拟应答器技术是实现卫星定位与既有列控系统兼容的有效途径。重点关注虚拟应答器的选址布局优化设计问题,结合虚拟应答器捕获与报文触发对卫星定位性能的需求,从候选虚拟应答器布设位置的局域卫星定位观测性能特征出发,运用动态时间规划和具有噪声的基于密度的聚类方法,提出一种铁路沿线局域定位场景聚类策略,基于聚类结果,重点针对卫星信号观测受限区段,构建一种基于麻雀搜索改进遗传算法的虚拟应答器布局优化方法。采用实际线路数据及现场试验数据,对所提出的局域定位场景聚类策略进行了验证,并通过与传统优化算法的对比,验证所提布局优化方法的能力
3、。所得结果对于辅助实际线路虚拟应答器布设方案设计与实施具有参考意义。关键词:虚拟应答器;列车定位;卫星定位;场景聚类;布局优化中图分类号:U284文献标志码:Adoi:10.3969/j.issn.1001-8360.2023.08.009Research on Optimized Virtual Balise Placement Method Based on LocalPositioning Scenario Clustering(1.School of Electronic and Information Engineering,Beijing Jiaotong University,B
4、eijing 100044,China;2.Frontiers ScienceCenter for Smart High-speed Railway System,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China;3.Beijing Engineering ResearchCenter of EMC and GNSS Technology for Rail Transportation,Beijing 100044,China;4.School of Computer and Information Technology,Beijing Jiao
5、tong University,Beijing 100044,China)Abstract:Train positioning based on Global Navigation Satellite System(GNSS)is a major technical direction for thenext generation train control systems.The Virtual Balise(VB)enabled by GNSS offers an effective way to achieve com-patibility of satellite-based posi
6、tioning with the existing train control systems.In this paper,the optimized design of VBplacement was investigated.According to the requirements of VB capturing and VB telegram triggering for satellite posi-tioning performance,the local satellite positioning observing performance characteristics of
7、the candidate VB locationwere focused in the design.By using the Dynamic Time Warping(DTW)and Density-Based Spatial Clustering of Appli-cations with Noise(DBSCAN)methods,a local positioning scenario clustering strategy for a specific railway line waspresented.With the clustering results,a Sparrow Se
8、arch Algorithm(SSA)enhanced Genetic Algorithm(GA)methodwas proposed for VB placement optimization in GNSS-constrained railway sections.Data sets of the practical railway lineand field experiments were employed to validate the presented scenario clustering strategy.The results of comparisonswith conv
9、entional optimization solutions validated the performance of the proposed VB placement optimization method.The contribution of this paper is of great reference significance for the design and implementation of VB placementschemes in practical railway engineering.收稿日期:2 0 2 1-12-15:修回日期:2 0 2 2-0 5-2
10、 1基金项目:国家自然科学基金(U2268206,T 2 2 2 2 0 15,6 2 0 2 7 8 0 9);北京市自然科学基金(42 32 0 31)第一作者:主思琦(1997 一),女,河南夏邑人,硕士研究生。E-mail:s i q i w a n g b j t u.e d u.c n通信作者:刘江(198 5),男,陕西汉中人,教授,博士。E-mail:j i a n g l i u b j t u.e d u.c n78Key words:virtual balise;train positioning;satellite positioning;scenario cluste
11、ring;placement optimization随着列控系统自主化、智能化的不断发展,引人新技术、新方法提高列车运行效率、减少轨旁设备、降低线路建设成本和维护工作量,是我国新型列控系统(Ch i n e s e T r a i n Co n t r o l Sy s t e m-Ne w,CT CS-N)和欧盟下一代列控系统(Next Generation Train Control,NG T C)的核心发展方向1-2 。列车的自主定位是新型列控系统的一项基础性关键技术,引人全球导航卫星系统(G lo b a l Na v ig a t io n Sa t e llit e Sy s t
12、 e m,G NSS)提供全天候、实时、精确的列车定位,已成为当前新型列控系统的重要研究内容之一3。为实现列控系统低成本、高可靠的运营需求,在引人卫星定位的同时有效降低其对既有系统的异化程度,国际铁路联盟于2 0 0 5年提出了基于卫星定位实现虚拟应答器(VirtualBalise,VB)的概念,旨在采用与欧洲列车控制系统(European Train Control System,ETCS)规范相兼容的虚拟应答器接口代替实体应答器向车载设备发送报文信息,从而减少对轨旁实体应答器的需求,降低实体应答器所导致的维护工作量和运营成本,为将卫星定位引入列控系统提供了一种重要的互操作化接人形式。然而,
13、基于卫星定位的虚拟应答器技术要达到期望的功能与性能,对虚拟应答器所在位置的导航卫星信号观测质量提出了一定要求,即设置虚拟应答器位置的卫星观测条件需足以达到所需的定位性能水平。考虑铁路运行环境的复杂性,线路上各处的卫星观测条件不一,如何令虚拟应答器在线路上的“布设”充分保障导航卫星可见性及观测质量,已成为决定虚拟应答器实施效用水平的一项关键因素。现有关于虚拟应答器的研究多集中在VB与ATP列控系统的接口方法4、VB捕获方法5、VB安全风险分析6 等,虚拟应答器的布局目前尚无统一方案。若参照实体应答器采用等间距布设方案7 ,尚缺乏对虚拟应答器可用性的有效考虑。欧盟ERSAT-GGC8-10计划率先
14、针对ETCS-3级系统提出VB布局优化的思想,采用威胁监测技术辅助虚拟应答器的逻辑位置布局,避免因外部环境(如电磁干扰与欺骗攻击等)引起虚拟应答器定位出现无界位置误差,但其在虚拟应答器候选位置的考量中着重关注外部的侵人性因素,对候选位置的信号观测质量尚未形成全面衡量,且还未形成一套完整的量化方案。基于上述现状,本文提出一种基于局域定位场景聚类的虚拟应答器布局优化方法,从铁路沿线环境遮挡情况角度出发,提取列车往复运行中积累的卫星定位历史数据,重构沿线的可见天空轮廓,采用基于铁道学报DTW距离度量的DBSCAN聚类算法确定轨道片场景,引人区段延拓思想划分开阔、受限、极端等不同区段类型,并利用改进的
15、遗传算法对受限区段的VB布设方案进行优化。研究中利用现场试验数据对所提出的方法进行了验证和分析,体现该方法对实际线路中VB的布设效用和重要意义。1虚拟应答器工作原理虚拟应答器本质上是一套车载列控系统的软件模块,包括定位单元模块(LocatorUnitModule,LU M)、安全判别模块(SafetyQualifierModule,SQ M)和虚拟应答器模块(VBModule,VBM),它通过卫星定位接收机等设备获取列车的实时位置、速度等信息,将该位置与预设在轨道上的下一虚拟应答器(NextVirtual Balise,NVB)的位置进行匹配,即VB捕获过程,从而确定列车经过参考点(即NVB)
16、的时刻,提取预先存储在虚拟应答器报文数据库中的报文信息传输至列车自动超速防护(AutomaticTrainProtection,A T P)系统。列车在两个连续的VB之间运行时,由轮轴测速测距提供与最近相关虚拟应答器(LastRelevantVirtualBalise,LRVB)的相对位置信息,实现列车定位。图1为VB工作原理。虚拟应答器数据库电子地图匹配信息融合一接收机SQM安全判别辅助传感器LUM车载ATP轨道电子地图VB捕获VB数据库VBM应答器报文LRVBGH图1虚拟应答器工作原理在VB选址布局方面,欧洲铁路研究所(EuropeanRailResearchInstitute,ERRI)
17、于2 0 0 5年发布一系列虚拟应答器功能规范1-13,明确表示虚拟应答器的布设要实现以下目的:(1)提高列车在VB之间的定位精度(连续两个VB的距离越小,则最大定位误差减小的概率越大)。(2)VB应布设在卫星星座可见性较高的轨道位置,使卫星定位可用性、精确性和完好性得到最佳利用(不需要等间距沿轨道布设)。(3)应避免将VB布设在实体应答器附近,避免信号之间的干扰。最简单的VB选址布局参照实体应答器的布局方第45卷天线NVB第8 期式,然而,实体应答器的布局方式不需考虑应答器待布设位置的卫星信号观测质量,对于拟布设VB的候选位置,如果因其局部地形环境等因素导致卫星信号观测质量不佳,可能使所实现
18、的卫星定位性能不足以支撑高精度VB捕获,VB报文的激励无法达到预期的效果。图2 为线路VB候选位置三种可能的卫星观测情况。(a)卫星定位不可用(b)卫星定位性能降级全遮挡信号;.反射信号;一直射信号。图2 虚拟应答器候选位置观测质量示意由图2 可知,不同线路环境下卫星观测质量可能存在显著差异,当列车处于全遮挡线路,如隧道、桥梁、带顶棚车站等,卫星信号被完全遮挡,卫星定位不可用,故该情况不适宜布设VB,应根据线路实际情况布设实体应答器;当列车运行线路环境为路堑、山脉、丛林等区域时,卫星信号极易受到遮挡,卫星定位接收机仅能接收部分卫星信号,且信号反射可能较常出现,则卫星定位性能会随之劣化,故而,V
19、B应布设在上述线路区段中局部卫星观测质量较佳的位置;当列车运行线路周围环境较为开阔、遮挡较少时,卫星可见性好,定位性能易于得到保障,可采用相对直接的布局策略,如等间隔布设VB方式。基于以上分析,本文首先从目标线路的局域定位场景特征划分人手,为最终确定VB布局策略提供依据。2局域定位场景聚类策略2.1铁铁路沿线局域定位场景铁路线路地域跨度大,沿线环境复杂多变,卫星信号极易受到外界环境不同程度的遮挡,导致卫星定位性能存在较大的差异。局域定位场景是卫星定位接收机天线周边局部范围内的地形环境(如山谷、树林、路堑、隧道等)所致卫星信号传播及接收特性的一种分类与描述,直接反映了卫星信号观测环境中信号受到遮
20、挡等影响的程度,且不同定位场景下卫星定位性能存在差异。可见天空轮廓(天空遮挡的边界)作为局域定位场景的一种精细描述,可以用于局域定位场景辨识,评价不同区域卫星定位性能。卫星天空图描述王思琦等:基于局域定位场景聚类的虚拟应答器布局优化方法研究303006007099092409120210180150(a)开阔区域(c)卫星定位可用3300300%70024002101800150(c)重度遮挡区域图3典型环境场景及可见天空轮廓示意因此,根据铁路沿线的可见天空轮廓,对铁路沿线局域定位场景进行聚类与判别,将遮挡程度相似的场景进行整合,依此确定不同区段是否适合布设VB以及宜采取的布设策略,从而实现全
21、线VB选址布局。2.2聚类策略定位场景聚类算法具体实施可分为以下7 个步骤。Step1数据准备。从卫星定位接收机原始数据中提取导航卫星观测信息,所涉及原始数据如表1所示。根据轨道电子地图将铁路沿线等间隔分割为若干轨道片seg;,根据接收机解算的列车经度、纬度信息确定每个轨道片的历史导航卫星观测信息。表1待提取原始数据汇总信息顿类型提取数据接收机解算的定位经度(lon)、纬度(lat)、跟踪卫星定位信息数(NUM)和水平精度因子(HDOP)当前卫星编号(PRN)、信噪比(SNR)、卫星方位角卫星状态信息(A ZI)和卫星仰角(ELE)Step2易剔除无效可见卫星。考虑部分不可见卫星信号易受多径效
22、应的影响,被卫星定位接收机当成可见卫星信号接收并参与定位解算,从而降低了线路环境特征描述的准确性。设置卫星仰角阈值T。和卫星信噪比阈值TsNR,剔除无效可见卫星。79了特定线路关键点上空的卫星分布情况,根据卫星分布特性,可以重构可见天空轮廓。绘制天空图需要两个参数:卫星仰角和方位角,其中,卫星仰角反映了卫星信号的质量,一般来说,卫星仰角越高,受线路周边障碍物遮挡和反射的可能性越小,卫星信号质量越高。卫星仰角也被广泛用于GNSS定位过程中相关权重的确定,是区分视距(Line of Sight,Lo S)、非视距(NonLineof Sight,NLo S)信号的重要特征指标。图3显示了铁路沿线部
23、分典型环境场景及其可见天空轮廓,天空图中阴影部分代表被遮挡的天空,红色线条即为可见天空轮廓,表示区域四周环境遮挡的细节。33003300300g270024002100(b)轻度遮挡区域0306090912000300609012018001503300303006002709024001200210018001500(d)全遮挡区域80Step3选择边界卫星。边界卫星即接近可见天空轮廓的可见卫星。将方位角等间隔划分为若干个区域,在每个区域选择可见卫星最低仰角,仰角属于,+B区间的所有可见卫星组成该方位角的边界卫星,其中,B为确定边界卫星的仰角带宽。Step4曲线拟合。根据边界卫星,采用光滑样
24、条函数拟合可见天空轮廓,得到参数化边界pZw(y:-s(x)+(1-p)J(s(x)dx(1)式中:P为平滑调整参数;w,为第i个卫星的权重,由该卫星的仰角y;确定;x;为卫星方位角;s(,)为所求拟合函数,对拟合函数在0 36 0 方位角范围内进行等间隔1采样,得到可见天空轮廓b,b2.b;.b360。Step5计算天空可见度。天空可见度Vis表示天空图中无遮挡天空所占的比例,为后续VB布局优化方法提供部分数据。Vis=190360Step6曲线约简。若仅采用Step4所得序列进行聚类,会面临显著的相似度计算复杂性,故而采用Douglas-Peucker(DP)算法对可见天空轮廓进行约简,得
25、到约简边界特征,以简化聚类相似性计算。算法首先在待处理曲线的首尾之间虚连接一条直线,计算所有中间点与直线的距离;然后,寻找最大距离值Dmx,将该值与约简阈值 Tp进行比较:若 DmxTop,则将曲线中间点全部舍去;若DmaxTpp,则以该点为界,将曲线分为两个部分,分别重复上述过程,直至满足 Dmx TpP。Step7场景聚类。约简后边界特征已变成不等长序列,采用动态时间规划(DynamicTimeWarping,DTW)算法计算不等长序列的相似性,用于具有噪声的基于密度的聚类方法(Density-Based SpatialClusteringof Applications with Nois
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- 基于 局域 定位 场景 虚拟 应答器 布局 优化 方法 研究
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