基于CS-BP的列车卫星定位欺骗干扰检测方法

随着列车运行控制模式车载自主化、系统智能化发展需求的不断深化,新型列车运行控制系统的设计与运用对列车测速定位自主性、可信性的需求愈发显著。全球导航卫星系统因其具备覆盖范围广、定位精度高、全天候等优势,成为新型列车控制系统实施列车自主定位的重要发展应用方向。卫星导航系统存在显著脆弱性,来自铁路沿线运行环境的干扰会对列车定位感知性能形成严重威胁,因此,准确、及时检测并识别干扰的发生是实施有效防护并确保列车运行安全的关键。欺骗式干扰通过信号转发或者定制生成虚假卫星信号信息,可诱骗接收机终端使其解算出错误的定位结果,具有复杂性、隐蔽性和危害性,对特定设备的影响极大。基于此,研究并提出一种列车卫星定位欺骗干扰检测方法。首先,分析列车卫星定位面临的欺骗干扰特征;其次,提取对欺骗干扰敏感的观测量构建典型特征量;然后,设计包括样本集构建、离线模型训练、在线检测识别等环节的欺骗干扰检测总体方案,提出基于布谷鸟搜索算法改进BP神经网络的卫星定位欺骗干扰检测模型构建方法;最后,搭建列车卫星定位欺骗干扰测试环境,采用多种观测信息及特征实施干扰样本的CS-BP模型训练并将其用于识别特定形式欺骗干扰的存在与特征,结合不同类型欺骗干扰注入测试对所提出检测方法的性能进行验证与对比。研究结果表明:布谷鸟搜索策略能够扩大搜索范围,跳出局部最优并实现快速迭代收敛,且收敛寻优性能受参数条件影响较小;基于布谷鸟搜索改进BP神经网络的建模方法相对常规地图匹配残差门限检测及代表性机器学习方法具有更优建模性能,对不同种类卫星定位欺骗干扰模式的检测准确率更为稳定,在时间敏感度、精确度、F1分数等方面更具优势。研究成果对列车卫星定位及其应用的欺骗干扰检测与干扰防护具有重要支撑意义,可为新型列控系统中卫星定位感知技术的可信应用提供有效途径,能够减少设置应答器、轨道电路等轨旁设备,有效降低建设及维护成本,有效提升车载设备应对复杂定位观测环境的自主性、灵活性及安全性。

基于样本增强的列车卫星定位伪距欺骗检测方法

基于卫星导航的列车自主定位是列车控制系统等铁路关键装备的重要技术方向。然而,列车卫星定位面临诸多挑战,除信号可视性问题和多径效应之外,来自系统外部的蓄意欺骗等干扰攻击,会对定位功能及性能产生直接威胁。为此,本文以基于全球导航卫星系统(GNSS)的列车定位面临的伪距欺骗这一典型干扰模式为对象,研究并提出一种基于样本增强的伪距欺骗主动检测方法。该方法运用Wasserstein生成式对抗网络(WGAN)解决受欺骗干扰样本数据不均衡问题,利用扩充的数据集训练检测模型,并引入自注意力(SA)机制优化来自不同接收机输入特征之间的相对位置关系,采用生成式对抗学习思想形成一套完整的列车卫星定位伪距欺骗干扰检测方案。由列车卫星定位欺骗干扰注入测试结果可知,提出的方法能够充分运用生成式对抗网络思想解决受欺骗样本的典型受限问题,融合自注意力机制所得检测性能显著优于载噪比检测和代表性机器学习算法等常规检测方案;对建模样本未覆盖特征具备良好的适应能力,具有更优的检测精度和鲁棒性,在多个伪距欺骗干扰模式数据集上测试所得F1分数均超过0.99。该方法在欺骗干扰检测性能方面的优势能够为众多卫星导航系统铁路应用提供有力支撑,为有效防范卫星定位在信息安全层面的攻击入侵提供了有利条件。

基于Doc2vec-LightGBM的CBTC车载信号设备故障分类诊断方法

车载信号设备是城市轨道交通信号系统的重要组成部分,其运营过程中会产生海量离散化、片段化的日志文本数据。目前,CBTC车载设备故障记录文本仍存在语义不明确、词语冗余的问题,从而造成故障致因溯源难,针对此,提出一种基于Doc2vec-LightGBM的CBTC车载设备故障自动分类诊断方法。首先对故障文本使用Jieba完成文本分词,依据TF-IDF实现分词文本数据的特征提取,并采用Doc2vec训练文本分词向量;其次针对数据不均衡的问题,采用Borderline-SMOTE算法进行少数类文本向量数据的补全泛化;最后,通过训练轻量梯度提升机LightGBM分类器完成故障文本自动分类。采用某信号厂商所记录的1 133条故障文本数据进行分类实验分析,并与支持向量机(SVM)方法对比。实验结果表明,所提方法在分类精确率、召回率上分别为98.2%、97.5%,证明了该故障文本自动分类方法的有效性和优越性。

面向新型列控系统的电子轨道地图数据约简方法研究

电子轨道地图是新型列控系统基于卫星导航的列车定位的重要参考源。为满足地图精度高、存储量低的要求,针对轨道线路数据约简方法开展研究。在面向直线表达的线路数据方面,对道格拉斯普克算法和基于线路数据航向角特征约束的约简2种算法的差异性进行比较;在此基础上面向线路数据的直线和曲线混合表达,提出一种基于Clothoid曲线的约简算法。利用曲线DP算法和垂直投影误差要求,得到Clothoid曲线片段,实现轨道圆曲线和直线的分段,提高线路数据的约简率,保障生成地图的精度。为验证提出方法的有效性,选取京沈高铁北票东—阜新北的线路数据进行分析,实验结果表明,基于Clothoid曲线拟合生成的轨道段满足0.5 m垂距精度和0.2 m测量精度,约简率达99.5%,证明提出的方法能够满足新型列控系统电子轨道地图数据约简的要求。

基于列车运行状态组合预测的虚拟应答器捕获方法

为进一步提高虚拟应答器(VB)技术在基于卫星定位的列车运行控制中的运用效果,分析常规VB捕获原理,从完善其不足的角度提出1种基于列车运行状态组合预测的新型VB捕获方法。首先,明确新型方法的捕获原理;其次,考虑列车运行状态的复杂性和规律性,采用交互多模型(IMM)结合容积卡尔曼滤波(CKF)的自适应IMM-CKF方法,对列车位置进行滤波估计和短期前向预测;然后,将长短期记忆方法引入列车运行状态预测问题,基于实时数据更新预测模型;最后,得到基于列车运行状态组合预测的VB捕获方法,有效改善常规方法中的VB漏捕获和捕获精度低等问题。基于京沈高铁现场试验数据,对比并验证新型方法和其他列车运行状态预测方法、VB捕获方法的性能。结果表明:尽管周期捕获计算平均用时较长,但新型方法下的VB捕获识别位置与下一个VB位置较近,不仅能保证100%的VB捕获率,而且在VB捕获误差均值上最大可实现70.23%的优化效果。

基于卫星导航的铁路列车控制系统自主定位技术研究进展

基于卫星导航的车载自主化列车控制是智能铁路技术体系的关键组成部分。对中国列车控制系统体系架构进行了梳理,分析了列控专用列车自主定位基本结构及与列控系统的接口模式。结合列车运行控制对安全性的特定需求,探讨了列车自主定位性能需求体系,介绍了国内外基于卫星导航的新型列车控制系统的发展情况,阐述了列车自主定位技术内涵及主要研究进展,从多源感知融合无缝定位、列车卫星定位主动增强、定位专用轨道地图数据库、自主定位性能测试评估等多个方面进行了全面系统的梳理和分析,介绍了伪卫星增强列车定位、轨旁卫星定位增强网络、地理分布式零现场虚拟测试设施等典型成果,并对前沿技术运用演进、关键场景融合优化、复杂环境安全防护、跨层协同全息感知、专用标准规范体系等未来发展方向进行了展望。

基于简化鲁棒UKF的GNSS/INS紧组合列车定位方法

针对GNSS/INS组合列车定位中的信息融合非线性与传感器量测故障问题,为满足复杂多变列车运行场景下列车定位精度与鲁棒性的需求,提出一种基于简化鲁棒UKF的GNSS/INS紧组合列车定位优化方法。综合标准KF的时间更新与标准UKF的量测更新来构建简化UKF,在保证GNSS/INS紧组合列车定位精度的同时改善定位解算实时性。在简化UKF滤波框架内,引入故障检测与自适应调整因子构建简化鲁棒UKF,可以快速检测传感器量测故障导致的系统故障,并对故障历元的量测噪声协方差进行自适应调整降低滤波增益,使得滤波算法具有较强的鲁棒性。采用京沈高铁实测数据与故障仿真数据进行算法定位性能验证与评估,结果表明:基于简化UKF的GNSS/INS紧组合定位算法水平定位精度为2.6865 m,与传统EKF滤波模型下的紧组合与松组合方法相比定位精度分别提高5.6%和15.0%。此外,提出的简化鲁棒UKF方法可以快速有效检测到不同类型的传感器量测故障,且大幅抑制传感器量测故障,优化复杂运行场景下的列车定位精度与鲁棒性。

基于群体合作演化的高速列车编队运行多目标优化

为提升高速铁路运输效率,降低列车运行能耗,减少延误及其传播影响,提出基于群体合作演化的列车运行优化方法。首先,在分析编队高速列车群体追踪运行过程的基础上,构建列车群体运行多目标优化模型;其次,构建编队列车追踪速度控制合作演化策略与延误场景下运行调整策略;然后,应用人群搜索算法与改进布谷鸟搜索算法,分别解决编队列车群体控制多目标优化与延误场景运行调整问题;最后,基于列车实际运行数据进行仿真验证。结果表明:编队列车群体合作运行相比传统运行模式,线路占用时间减少189 s,节能率达5.29%;编队列车运行延误经调整优化,延误列车减少2列,总延误时间减少377 s,消解列车运行较小延误,缓解后续列车延误传播。

引入卫星导航系统的虚拟应答器中列车定位方案适应性研究

随着新型列车运行控制技术及系统的快速发展,基于卫星导航的列车运行状态自主感知已成为下一代列车运行控制系统的重要发展方向。虚拟应答器是将全球导航卫星系统引入列车运行控制系统的有效途径,卫星定位因易于受到信号观测条件限制导致性能约束,无法直接满足虚拟应答器的应用需求。针对虚拟应答器中卫星定位的应用模式进行适应性分析,总结出不同线路及运行条件下虚拟应答器卫星定位方案的设计与应用建议。首先,介绍引入卫星定位的虚拟应答器的运行机理;其次,给出基于自适应交互多模型的虚拟应答器捕获原理;然后,对卫星定位独立定位、卫星定位/惯性导航系统松耦合定位、卫星定位/惯性导航系统紧耦合定位3种典型方案的核心思路、系统架构、计算流程进行设计与分析;最后,采用现场数据及仿真测试,对3种卫星定位方案的定位性能、计算效率、用于实施虚拟应答器捕获的时空精度特征进行评估与对比。研究结果表明:卫星定位/惯性导航系统紧耦合定位方案的综合效益更优。对引入卫星导航系统的虚拟应答器中列车定位方案的适应性进行了分析,所得结果能够为虚拟应答器结构与逻辑方案的设计提供参考,为新型列车运行控制系统的优化设计与设备研制提供有效支持。

基于局域定位场景聚类的虚拟应答器布局优化方法研究

基于全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。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。

基于GPU的列车卫星定位接收机捕获引擎设计

下一代列控系统中提出了应用卫星导航提供位置服务的需求,相应的卫星导航硬件接收机价格高昂,不能兼具场景测试的灵活性和设备的便携性。传统软件接收机可根据需求更改基带算法,灵活性高,但由于串行捕获的原因导致其耗时较长,影响用户首次定位的时间。本文针对铁路沿线开阔和存在遮挡的强弱卫星信号场景,设计了基于GPU的双模捕获引擎,分析了信号捕获速度以及灵敏度。首先,介绍了基于FFT的并行码相位捕获算法;其次,利用GPU与CPU异构并行计算平台,设计了强弱信号的并行捕获架构;然后,对捕获的各个模块进行并行性设计,通过对载波多普勒、多颗星并行实现强星的搜索,对于弱信号捕获,提出一种间断性补偿码多普勒的全比特法来提高捕获速度。最后,使用现场轨道坐标测量数据仿真生成了不同载噪比的中频数据来验证并行捕获的正确性,并对捕获耗时、灵敏度进行了分析与对比。仿真结果表明:5 MHz采样率下,冷启动搜索12颗GPS/BDS强星信号只需32.5 ms;对25 dBHz的弱信号,GPS与BDS的捕获概率分别达到90%和80%,捕获时间减少了29.3%,在保证灵敏度的同提升了捕获速度。对2种铁路场景设计了相应的并行捕获架构,在铁路沿线捕获强弱卫星信号的同时能够降低列车首次定位时间,为列车专用软件接收机捕获引擎的设计提供了参考。

基于VBGMM-DCNN的列车卫星定位欺骗干扰检测方法

面向基于全球导航卫星系统的铁路列车定位实施欺骗干扰的主动检测,在卫星定位解算层次,运用深度学习建模学习方法的优势,提出一种基于变分贝叶斯高斯混合模型-深度卷积神经网络(variational Bayesian Gaussian mixture model-deep convolutional neural network,VBGMM-DCNN)的列车卫星定位欺骗干扰检测方法。该方法首先提取能够充分体现欺骗干扰对定位解算过程作用影响的卫星观测特征参数,构建干扰检测特征矢量;然后,采用VBGMM模型拟合经过预处理的特征向量的概率分布,得到二维概率密度图;最后,将概率密度图用于DCNN模型实施欺骗干扰的检测决策。结合现场实验所得运行场景数据,利用实验室搭建的欺骗干扰测试环境实施了干扰注入测试与检验,结果表明,欺骗干扰检测性能随着DCNN网络深度的增加而提升,相对于常规有监督决策方法F1值最高提升44.68%。基于VBGMM-DCNN的欺骗干扰检测能够适应测试验证中运用的列车运行特征及定位观测条件,所达到的检测性能优于对比算法。

动态间隔可调整的列控系统自主感知关键技术及应用

为提高铁路运输效率、优化列车控制、降低铁路运营维护成本,提出一种动态间隔可调整的列控系统方案,分析列控系统自主感知关键技术和动态间隔调整原理.研究基于卫星导航和惯性导航的组合定位技术,在差分定位和数字轨道地图的辅助下,实现列车连续无缝定位;研究基于三级告警机制的列车追踪预警方法和列车间隔动态调整策略.在京沈高速铁路进行了实测试验,结果表明:在列车高速运行环境下,差分定位误差均值为2.5m,数字轨道地图辅助的组合定位误差均值为1.5m,测试速度与列车实际速度误差±0.01%,满足动态间隔可调整的列控系统对列车运行状态精准、连续获取的需求.基于三级告警机制的列车追踪预警方法可以实时监测列车间隔变化并及时给出预警信号,为司机操作提供参考,保障列车安全运行.

基于XGBoost的列控车载设备故障预测方法

列控车载设备的健康管理和故障预测是实现高速铁路关键装备智能化视情维护的重要途径.为了克服列控车载设备故障建模的复杂性和健康监测手段受限等问题,充分运用现场收集的设备运行记录数据,提出一种基于数据驱动的列控车载设备故障预测体系框架.建立了高速列车列控车载设备运行数据管理平台,基于大量历史现场数据构建训练及测试样本集,运用极端梯度提升(eXtreme Gradient Boosting,XGBoost)算法实施特定故障类型的模型训练与学习,并将所得故障模型用于故障概率的预测分析.以CTCS2-200H型列控车载设备为对象,运用实际数据对所提出的故障建模方法进行了验证,对不同建模样本规模、故障类型维度下的模型性能以及不同建模算法性能进行了对比.结果表明:基于XGBoost算法的建模方法能够有效揭示各特征量与故障之间的关联,所采用树的深度值越高,迭代收敛速度越快;相较于GBDT、RF算法,基于XGBoost的建模方法能够实现更高的预测正确率,在给定样本条件下达到稳定正确率所需训练时间分别减少了78.55%、12.47%,验证了该方法在大规模数据条件下的适用性和性能优势.

基于粗糙集理论的列控车载设备故障分析方法

快速、准确的故障诊断技术是高速列车安全运行的重要保证,本文以此为目标,对列控系统故障诊断方法进行研究,将神经网络算法NN分别应用于列控系统车载设备应答器传输单元BTM、列车接口单元TIU的故障诊断中,通过对比故障识别准确率BTM为训练阶段19.89%、测试阶段36.51%,TIU为训练阶段96.93%、测试阶段94.84%,得出当数据中噪声较大时,神经网络的分类能力降低。为了解决以上问题,引入粗糙集理论进行属性约简、去除噪声,用神经网络进行故障识别,最终得出BTM的故障识别准确率为训练阶段93.32%、测试阶段97.41%,TIU为训练阶段99.21%、测试阶段96.72%,表明粗糙集理论和神经网络的结合RSTNN能够保证故障诊断的准确性,从而验证该方法在实现列控系统车载设备故障诊断方面的有效性。

基于非参数贝叶斯模型的列车卫星定位方法

基于卫星导航的列车测速定位是当前新型列车控制技术领域的研究热点。针对现场运行环境中卫星定位观测特性的不确定性对动态定位解算性能的不利影响,在卫星定位估计解算过程中引入基于Dirichlet过程的非参数贝叶斯模型,在导航卫星观测特性不定且存在性能退化风险的条件下,提出了基于Dirichlet过程混合模型驱动的高斯分布混合更新策略,给出了多滤波器动态联合状态估计计算方案。分别采用仿真数据及现场实测数据进行计算的结果表明,在常规定位估计解算中引入Dirichlet过程混合模型,能够对未知不确定的导航卫星观测特性实现有效适应,提升定位性能对观测条件的容忍能力,降低单一观测分布假设的模型失配和性能劣化风险。

基于弹复力效应的列控车载设备可靠性分析方法

列车运行控制系统结构复杂,列车在运行过程中,任何微小的干扰都有可能造成行车事故,甚至导致灾难性的后果。弹复力是指系统在正常运行状态过程中,由于系统内部潜在故障或外部突发干扰引起系统功能中断的情况下,系统内部被动或由于外部主动因素进行系统状态修复,再恢复到正常运行状态的响应能力。通过对历史故障数据的统计分析,选择故障现象较集中的车载设备作为研究对象。采用离散时间贝叶斯网络方法,对列控车载设备进行运行可靠性分析;通过构造"弹性三角"模型,计算出车载子系统在不同故障情况下的弹复能力。经计算当系统发生短期可恢复故障时,系统的弹复能力为96.32%。依据上述分析结果,提出基于弹复力效应的系统视情维修策略。

基于状态估计的虚拟应答器捕获方法研究

基于卫星导航的列车运行状态自主感知是下一代列车控制系统的重要发展方向之一,采用虚拟应答器这一技术方案能够以较高的系统兼容性将卫星定位应用于列控系统,并实现系统自主化能力和成本效益的优化。本文基于虚拟应答器的基本原理,分析常规基于捕获半径的虚拟应答器捕获策略存在的问题,采用状态估计思想提出一种实现虚拟应答器捕获的新方法,该方法利用状态空间模型及估计算法对列车与虚拟应答器的接近状态进行估计计算,在确定列车位置的同时利用轨道电子地图及状态预测完成虚拟应答器的捕获判决。基于实测数据进行仿真的结果验证了本文所述方法相比于常规固定捕获半径方案在定位精度、捕获性能、捕获时间分辨率等方面的优势,反映了该方法用于未来实现基于卫星导航的列车控制系统的重要潜力和应用价值。

基于等效阻抗模型的应答器下行链路传输性能评估方法研究

为监测和分析应答器传输系统下行链路传输性能,提出一种适用于铁路现场的基于等效阻抗模型的性能评估新方法。对应答器传输系统下行链路传输过程进行建模分析,给出下行链路传输过程等效阻抗模型,提出评估下行链路传输性能的阻抗测量与误差校正方法,引入六项统计参数对阻抗测量结果进行分析。测试结果表明,静态测试时车载天线输入阻抗的模与下行链路信号磁感应强度为增函数关系,而动态测试由于误差校正方式的改变,使得两者变为减函数关系;仿真结果表明,六项统计参数能够用于分析不同列车运行条件和环境下应答器传输系统下行链路传输性能的变化,验证了本文所提方法的正确性与可行性。

基于轮轴测速辅助的列车卫星定位压制干扰检测方法

基于卫星导航的列车测速定位是我国新型列车控制系统的重要内容,常规的列车卫星定位方法研究主要关注其可用性及功能安全,在复杂铁路运行环境中,来自系统外部的卫星导航干扰信号可能对测速定位性能带来严峻威胁,如何对卫星定位干扰实施有效检测并进行隔离防护是确保列车测速定位性能的关键环节。基于卫星定位干扰作用原理,提出一种基于轮轴测速辅助的卫星定位压制干扰检测与防护方法,基于轮轴测速数据与轨道地图数据库构建卫星观测信息参考量,通过显著偏差检测与残差统计检验识别因干扰而性能降级的观测信息,并在最终定位解算中对其进行隔离。采用青藏铁路试验数据构建压制干扰注入测试环境,基于典型调幅干扰、相干连续波干扰场景测试结果表明,所提出的方法能够有效识别并排除因干扰导致的劣化观测信息,相对于未实施干扰检测与隔离的情况,定位误差标准差最多可降低41.90%、82.86%,该方法对于提升列车卫星定位的干扰防护能力及可信性水平具有重要意义。