城市轨道交通列车定位误差检测与补偿及方法改进的研究

城市轨道交通列车定位中对轮轴空转、滑行误差分析及方法改进的研究第1页/共19页目录摘要：.......................................................................................................................................2一、绪论：...............................................................................................................................31.1基于通信的列车控制(CBTC)系统的发展................................................................31.2列车定位系统分析.....................................................................................................61.2.1列车定位系统的地位......................................................................................61.2.2列车定位系统的现状分析.............................................................................71.3本文的研究工作.........................................................................................................92列车定位方法研究................................................................................................................92.1基于速度传感器的列车定位...................................................................................102.1.1定位算法.......................................................................................................102.1.2定位误差分析...............................................................................................102.1.3对轮对的校准...............................................................................................122.1.4定位误差的测量............................................................................................132.1.5定位误差的补偿...........................................................................................143列车定位算法设计..............................................................................................................153.1基于加速度计的列车定位误差的检测算法研究...................................................153.2基于加速度计的列车定位误差的补偿算法研究...................................................174总结与展望..........................................................................................................................185参考文献..............................................................................................................................19第2页/共19页摘要：列车控制系统中，列车定位系统是保证铁路行车安全，提升通过能力，提高运输效率的重要技术装备之一。近些年来随着铁路运行压力日增以及高速铁路的快速发展对其提出了更高的要求。列车定位问题的研究是目前信号控制系统重要的研究方向。列车测速定位的精度和可靠性直接影响列车的行车安全和运行效率。在城市轨道交通的列车运行自动控制系统和指挥系统中，实时、准确地获得列车速度和位置信息是列车安全、高效运行的保障。因此对列车测速定位方法进行深入研究，对于推动城市轨道交通的发展具有重大和深远的意义。本文总结了目前列车定位的发展现状，以及基于多传感器信息融合的列车定位的发展。同时还对当前最常用的基于速度传感器的列车定位方法进行了深入研究，包括定位算法，误差产生原因，以及定位误差的检测和补偿等都做了分析。通过这些研究作者发现，基于速度传感器的列车定位方法不能很好的检测定位误差，尤其是空转和滑行的产生。因此在本文中作者对速度传感器测速的原理进行阐述，并对其误差来源进行分析，同时对轮对校准和误差补偿；在第三章中提出了基于加速度传感器的测速原理，并在理论上加以验证。论文得出结论，基于加速度传感器测速对速度传感器的补偿是行之有效的方法，由于在理论上对于该原理进行验证，有很大的理论依据；有可能成为有效提高列车测速定位的精度和可靠性的方法。关键词:列车定位;速度传感器;空转滑行;误差补偿;加速度传感器第3页/共19页一、绪论：在当今的城市交通系统、区域综合交通系统和国家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。轨道交通系统包括干线铁路、城市地铁和轻轨系统等。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。随着城市经济、文化活动的发展，城市交通问题日益突出，带来一系列的问题，如交通阻塞、车速下降、事故频繁发生、汽车排放的尾气和噪声等对环境的污染等。为了缓解城市交通压力和解决这一系列的问题，地铁、轻轨铁路等城市轨道交通己经成为城市交通的首选。城市轨道交通以其运送量大、快速、正点、低能耗、少污染、乘坐舒适和安全著称。安全和高效永远是轨道交通系统追求的目标，在保证安全的前提下，需要提升列车运行速度，进一步提高列车运输效率。这就要求有一个更加安全稳定的列车运行控制系统。列车运行控制系统是保证行车安全，提高运输效率的铁路设备，是铁路的关键技术装备之一。随着列车速度和密度的不断提高对列车运行控制系统也提出了更高的要求。列车运行控制系统目前已发展为先进的自动化控制系统。作为轨道交通系统的核心，其性能的好坏直接影响着轨道交通系统安全高效的运行。列车运行控制系统，是由地面设备和车载设备构成，用于控制列车运行速度、列车安全高效运行的控制系统，是铁道信号的重要组成部分。本文所说的列车运行控制系统主要指区间列车运行控制系统。列车定位技术是列车运行控制系统中的重要一环。列车的速度和位置是描述列车运行状态的重要信息，为防止列车超速且与前行列车保持安全距离，必须可靠、精准的确定列车的速度和位置信息。列车控制中心可以根据列车的速度和位置信息，确定列车间隔，合理控制列车运行安全和效率的平衡点。而车载设备可以通过列车的速度和位置信息，控制列车更加安全、稳定、舒适的运行。这些都需要更加精准的列车定位，也需要提高列车自主定位的能力。1.1基于通信的列车控制(CBTC)系统的发展列车运行控制系统是由闭塞设备、地面信号设备、车载速度控制设备构成的用于控制列车运行速度保证行车安全和提高运输能力的控制系统。列车运行控制系统是伴随着轨道交通的出现而诞生的。在过去的近200年历史中，列车运行控制系统经历了人工控制、机械控制、电气控制和电子控制的发展历程。它大体上可以划分为三个发展阶段，第4页/共19页第一阶段称为机械装置控制阶段，是以机械锁闭器和臂板信号机为代表的时代。从上个世纪30年代开始，列车运行控制系统进入第二阶段，称为电气控制阶段，以继电器联锁系统和色灯信号机为代表。第三阶段为电子控制阶段，从上个世纪六十年代开始，电子器件和计算机开始应用于列车运行控制系统之中，列车运行控制系统迎来了快速发展的阶段，智能化的车载控制系统。列车运行控制系统还将不断地发展。总体上看，列车运行控制系统最基本的问题有下列两方面.(1)要保证任何一个运行中的列车是安全的。高速运行的列车具有较大的动量，制动需要一定的时间和距离，所以列车既要与前行列车保持足够的安全距离，不撞前行列车，同时也要防护本列车，使后随列车也与本列车保持一个安全距离，为此，就必须决定本列车应该按什么速度行车，其中安全是行车的基本要求。(2)在保证行车安全的前提下，还要使行车有更高的效率，这也是表征一个国家经济是否发达的标志之一。由此可见，作为轨道交通系统，安全和高效是其追求的两大目标。轨道交通系统能否安全高效运行，首先取决于列车运行控制系统的性能。在轨道交通系统中，列车运行控制系统是确保列车运行安全，提高列车运行效率的核心子系统，是轨道交通系统的大脑和中枢，也是一个国家体现自动化水平的标志之一。在城市轨道交通系统中，列车运行速度虽然不是很高，但站间距离短，列车运行过程中追踪间距和时间间隔都比较小，一般间隔为能达到90s，甚至更短。以如此短的追踪间距和时间间隔行车，既要保证行车安全，又要保证行车的效率和准确性，对列车运行控制系统有着更高的要求。而快速发展的通信技术、计算机技术、传感器技术和控制技术为轨道交通列车控制技术发展提供了强而有力的支持。列车运行自动控制系统(ATC)是将先进的控制技术、通信技术、计算机技术与轨道交通信号技术溶为一体的行车指挥、控制、管理自动化系统。它是现代保障轨道交通行车安全、提高运输效率的核心，也是标志一个国家轨道交通技术装备现代化水准的重要组成部分。它包含:列车自动驾驶系统(ATO)、列车自动防护系统(ATP)和列车自动监控系统(ATS)oATC系统能替代司机的部分甚至全部作用，大大地提高行车的效率和安全性，使得因人为的疏忽、设备的故障而产生的事故率降至最低。列车运行自动控制系统(ATC)有如下的功能及特点:.将先进的控制技术、通信技术、计算机技术与轨道交通信号技术溶为一体的安全控制系统;.线路空闲检测;.车内信号属于主体信号，直接给司机指示列车应遵循的安全运行速度;.测速定位功能;第5页/共19页.自动监控列车运行速度，有效地防止由于司机失去警惕或错误操作可能酿成超速运行、列车颠覆、冒进信号或列车追尾等事故，它是一种行车安全控制设备;.为满足行车安全控制需要，给司机指示安全可靠