基于EOAS的动车组高精度实时定位技术研究

黄铃，王俊平

株洲中车时代软件技术有限公司，湖南株洲，412000

0 引言

据统计，“十三五”期间全国铁路营业里程由12.10万公里增加到14.63万公里，增长20.9%，其中高铁由1.98万公里增加到3.79万公里，增长91.4%。对如此漫长的供电接触网线路进行维护和检修作业，作业强度大，需要精确的位置信息，以准确、快速到达作业地点。一般地，定位信息包括：行别、线路、区间、公里标、定位支柱号、经纬度信息。

国铁集团在运营动车组上安装车载接触网运行状态检测装置[1]（简称3C），用于实时监视受电弓和接触网的运行状态。3C装置可对受电弓和接触网进行受电弓异常、几何参数异常、异物、燃弧等全面、实时、动态监测，将故障信息和精确的位置信息发送给供电段用于检修、维护。3C装置接入车载网络，可以获得EOAS[2]向3C装置发送的定位信息：车次、车速、公里标。但是这些数据不能给出准确的位置信息，原因是车次交路会随着铁路调图发生变化，全国的铁路线路相近的公里标也很多，并且没有线路和区间信息，更不能与铁路接触网沿线的定位支柱准确对应（接触网定位支柱也称为定位杆），铁路接触网维护人员无法根据这些信息快速找到故障点开展检修作业。

本文提出的公里标定位方法，可以快速、准确地定位到具体线路、具体区间的一根定位支柱，最大偏差不超过1杆，夜间铁路检修人员在天窗点作业时根据定位支柱号可以快速找到作业点，有效减小作业范围、减轻作业强度，减少检修作业需要的天窗时间，有效提高铁路接触网检修作业效率[3]。

1 定位方案设计

基于EOAS的动车组实时定位方案由硬件和软件两部分组成：

硬件包括EOAS板卡、GPS惯导设备、激光传感器。EOAS板卡：由合格的设备厂商提供EOAS板卡，一般部署在动车组两端。GPS惯导设备[4]：用于接收卫星信号，具备惯性导航功能，当列车行驶进入隧道时一定时间内仍可以提供GPS经纬度信息。激光传感器（光电式接近传感，输出触发信号，反应时间达到微秒级，要求延时时间少，最大工作距离可以扫描到定位支柱的腕臂）。所有器件要符合铁路行业标准，通过高低温、振动、交变湿热、电压冲击、防水等试验，如表1所示。

表1 试验标准

软件组成：实时分析EOAS数据、GPS数据、激光传感器数据。

1.1 EOAS数据的解析

根据《EOAS与3C设备通信协议》，EOAS与3C设备间通信接口为 Ethernet网络，采用 UDP通讯方式，频率为1Hz，以8编组动车为例，I端位向6000端口发送UDP包，II端位向6001端口发送UDP包。通信协议约定见表2。

其中，第4部分数据标识值为0x0001时，表示EOAS发送给3C装置的数据，第5部分数据内容的格式见表3。

表3 EOAS 数据内容格式

其中，列车车次是4个字节的车次数据，按照《客专车次号编码规范》解析为真实的车次，并且可以根据车次的奇偶获得线路的行别。车次可能因为铁路调图而发生变化，即车次与列车的交路并不是固定不变的。

从动车实际运行情况来看，公里标信息在不同的铁路线路上会出现重复和相似，ATP时钟可能出现重复。由此，定位系统的时间必须使用本地时间，并且精确到毫秒，以适应动车高速行驶产生的通信时延。动车在高速运行时，因为网络延迟和通信延时，EOAS发给3C的公里标信息也非实时，以高铁车速350km/h考量，动车1s可行驶97.222m，可跨越两根定位支柱（定位支柱的间隔根据铁路线路地形、设计、施工情况的不同有所不同，一般定位支柱间隔50m左右），延时将导致公里标发生偏差。

1.2 基础数据库

一般地，铁路线路维护人员对管辖区域内的定位支柱建立管理台账，统计有线路、区间、公里标、定位支柱类别、所属供电段、所属供电车间、所属接触网工区等信息，一般没有GPS经纬度信息。

全国铁路线基础数据非常庞大，且不统一。根据统计信息建立起数据库也较为复杂，为提高数据库检索效率，分别建立区间信息数据库和区间内定位支柱信息数据库，区间信息数据库是区间内定位支柱信息数据库的整体索引。区间数据库包括区间名、线路名、区间的前后信息、区间的行别、所属供电段等。区间内定位支柱信息数据库包括支柱编号、公里标、行别、所属区间、所属供电段、路桥标识等。一个简易的基础数据库见表4。

表4 基础数据库字段含义

1.3 根据EOAS和GPS信息计算初始定位（粗定位）

如果已经确定了动车当前所在区间，则收到EOAS数据后首先计算当前公里标是否仍在当前区间，或者在当前区间的下一区间，这样可以大大减少计算量。如果没有确定动车所在区间，比如动车刚上电时，需要从0确定出准确的区间，此时必须结合EOAS和GPS计算定位。

计算步骤是：根据车次的奇偶，确定上下行；根据GPS经纬度，过滤出可能位于的区间；根据公里标，再过滤可能位于的区间；根据公里标的变化趋势（递增或递减），再过滤可能位于的区间；根据公里标和区间，计算出与EOAS公里标最接近的定位支柱。其中，需要根据列车应答器的安装位置重算真实的公里标，否则考虑各车厢的长度，定位的偏差会较大。GPS是GPS惯导安装位置的经纬度，需要考虑设备安装位置的偏移。流程如图2。

1.4 根据激光扫杆信号修正粗定位（精定位）

通过激光传感器识别出定位支柱，记录扫描出定位支柱的时间，精确到毫秒。在粗定位的基础上，根据车速（综合考虑EOAS车速、GPS速度）计算出从EOAS时刻到扫杆时刻的位移。根据公里标变化趋势，结合EOAS公里标和位移量，重算定位。

1.5 定位模糊匹配

计算出定位结果后，因为激光传感器可能在某些线路上无法扫到定位支柱的腕臂而出现漏杆，也可能在一些特殊位置重复触发，因此，需要进一步校核，可以使用N根定位杆的跨距进行模糊匹配，N≥5。

累计前后N根杆的定位结果，形成窗口1，每一个节点记录前后N根杆的定位结果和跨距；从基础数据库获得前后N根杆的定位信息，形成窗口2；从此次定位结果开始，在窗口1上滑动窗口2，比较各个节点的跨距，找到与冗余量相差最小的节点，对定位结果进行修正。示意如图4所示。

说明：如图所示，通过定位获得连续6根定位杆、5跨的定位结果，S1～S5表示计算获得的5跨位移，S1′～S5′表示基础数据库里的5跨跨距。从基础数据库获得临近6杆，如匹配1，依次比较S1～S5与S1′～S5′，按照一定的冗余量，如果两者相符合，说明连续定位是可信的。如果差异值超过了设定的冗余量，则尝试匹配2或匹配3，直至找到与设定冗余量相符合的滑窗，对计算结果进行持续修正。

2 数据存储与分析

数据库使用SQLite或MySQL等数据库，优点是开源、免费并且可靠，存储各类型数据。

（1）EOAS数据

EOAS数据按照《EOAS与3C设备通信协议》解析并存储到数据库，基本数据如表5所示。

表5 EOAS 有效数据

（2）GPS数据

GPS数据，按照NEMA[5]0183协议解析GPGGA[6]、GPRMC等报文，该协议是GPS导航设备统一的RTCM（Radio Technical Commission for Maritime services）国际标准协议，存储到数据库。例如：$GPGGA,070239.000,2754.6120,N,113 07.2628,E,1,09,1.3,065.83,M,-18.0,M,,*4F，部分字段含义见表6所示。

表6 GPGGA 报文解析

（3）激光传感数据

激光传感器数据存储结构应包含扫杆触发时间（精确到毫秒）和传感器触发状态。

（4）定位结果数据

定位结果数据存储结构见表7所示。

表7 定位结果数据结构

3 应用

有些铁路线的支柱号在支柱上部，有些在支柱下部，通过6C系统的视频拍摄存储，可以拍摄到一部分标号在支柱上部的线路，慢速回放历史视频，比较定位结果与实际线路支柱号。如图5所示，定位结果支柱号是73，拍摄到的支柱标号是73，两者吻合。

对于支柱号在定位支柱下部的线路，采用现场复核的方法，通过连续10km的铁路线比对，准确率达到95%以上，剩余偏差不超过1杆。例如，2019.7.21日CRH3C 3062号动车定位的部分数据比对见表8所示。现场运用表明本论文的定位方法可以满足动车运营场景和现场天窗作业对精确定位的要求。

表8 定位结果复核

4 结语

本论文基于EOAS的定位方法，可以对运营动车组实现实时、准确的定位监测，对于高速铁路供电接触网线路的运营、维护、检修有较大价值。本论文提出的定位方法，可以拓展至其他铁路检测系统的定位功能设计上，为铁路检修作业提供精确的位置信息，以节省作业时间，提高铁路运营效率，创造更大的经济价值与社会效益。